在非晶薄膜SmCo上沉积CoZrNb膜对其磁特性的影响
2006-11-09 15:24:50
来源：《国际电子变压器》2006年11月刊
1引言
微型磁传感器的灵敏度可以采用直流偏置磁场来提高，因为这种磁场可以控制磁性材料的磁导率。一般磁传感器常常使用绕制线圈来生成这种磁场，但对微小型的微磁设备，绕制线圈是不适用的。因为硬磁薄膜也能产生偏磁场，故可以用其替代绕制线圈，但这种硬磁薄膜需要能够产生各向异性磁场大且M-H曲线矩形系数高的磁场。人们虽然对坡莫合金带或YIG等软磁材料上敷硬磁薄膜的偏磁效应进行了研究，但对偏软磁材料的磁特性却知之甚少。通过观测材料的磁畴研究了SmCo薄膜上沉积CoZrNb软磁膜的磁化过程，以及偏磁场与Cr/a-SmCo/Cr/a-CoZrNb磁性薄膜中易磁化方向长度的函数关系，从而了解软磁材料的偏磁特性。
2薄膜沉积工艺与测试
Cr/aSm16Co84/Cr/a-Co83Zr3Nb12薄膜是在室温下用射频溅射技术沉积在喷砂麻粒状玻璃基片上的。溅射沉积的顺序为Cr、SmCo、Cr和CoZrNb。首先溅射沉积600埃（=10-8cm）厚度的Cr层作为底层，而300埃厚度的Cr则为中间层。在沉积薄膜的过程中，施加200Oe的磁场，以获得与膜面平行的易磁化方向。Cr、SmCo和CoZrNb的溅射气压和溅射功率分别为：2mTorr/100W、10mTorr/100W以及2DmTorr/200W。SmCo薄膜的成分由Co靶上的Sm片数控制。薄膜的结构用EPMA进行分析。SmCo层的组成用SmCo单层数据来估算。M-H曲线用振动式磁力计测量。如图1所示，用SEM（Scanning Electron Microscopy电子扫描显微镜）施加磁场后，借助样品，可在CoZrNb层的表面上观测磁畴图。表1列出了本实验所用样品的面积。2#、7#样品是用8mm直径的湿蚀膜（Wet-etching films）制成的。4#、7#样品是易磁化轴方向的长度分别为1mm和0.5mm。
3实验结构与讨论
非晶SmCo膜的矫顽磁力要低于结晶膜，但非晶膜具有较大的异向磁场且M-H曲线的矩形系数高。非晶SmCo膜的这些磁特性表明，SmCo膜最适合产生直流偏磁场。图2所示为Cr/SmCo/Cr/CoZrNb膜的磁化难易程度不同的M-H曲线。
CoZrNb与SmCo的磁化比率为0.8。这个比率与每层膜厚的比率相等，SmCo的矫顽力与磁化异向场分别为100Oe和8KOe。
图3所示为±10Oe范围内的多层膜的局部M-H曲线，它与CoZrNb的M-H主曲线相吻合。从图3可见，CoZrNb层由SmCo层分路的偏磁约为3Oe，而且有很理想的磁滞曲线。该曲线被分成了低于0Oe的饱和区域，0-5Oe的线性区域和高于5Oe的反向饱和区域。在线性区域中0Oe(A)与1-8Oe(B)之间突然发生了磁化反向。图4示出了以图3所示曲线A-B-C-D-E-F-G-H-I-J的顺序施加磁场时所观测到的CoZrNb磁畴照片。图中可见，在0Oe(A)处未观测到磁畴，这是因为CoZrNb膜层被SmCo的偏磁场饱和了，而且这两层膜存在着相反的磁化方向；当施加1.8Oe磁场时，磁畴壁迅速集结。磁畴壁横穿CoZrNb膜的易磁化方向横向到达对边的边缘。随着磁场的增强（C-E），磁畴壁开始移动，当磁场高于12Oe(F)，即CoZrNb层饱和时，磁畴壁就观测不到了。这两层薄膜的磁化方向是平行一致的。当磁场由12Oe(F)降至4.6Oe(G)时，尖峰状的磁畴壁则在薄膜的顶部处局部集结。与磁畴壁在A和B之间的集积相比较，G处的磁畴壁增加速度显得十分缓慢。这种状况与由SmCo膜层和CoZrNb膜层间的静磁耦合在SmCo膜层边缘上形成的磁极有关。随着磁场变弱（H-I-J），磁畴壁将向着薄膜的中心部位扩展，移出施加的磁场后（A），CoZrNb膜层又会在与SmCo膜层相反的磁化方向上再度饱和。
图5所示为薄膜的磁导率μ′与Hdc的函数关系。这组曲线是通过在难磁化轴方向上施加交流磁场和在易磁化轴方向上施加直流磁场而测得的。单层CoZrNb在Hdc=0Oe处的μ为最大值，而在SmCo上沉积的CoZrNb膜层上则在Hdc=3Oe处的μ具有最大值。
图6示出了5#、7#样品的M-H曲线。当易磁化轴方向的长度从5mm缩减到0.5mm时，其曲线移至更高磁场。图7示出了2#、7#样品的偏磁场与易磁化轴方向长度之间的函数关系。从7#样品可见，当易磁化轴方向长度为0.5mm时，可以获得60Oe的偏磁场。
4结论
通过观测薄膜的磁畴研究了SmCo薄膜上沉积CoZrNb软磁薄膜的磁化过程，以及偏磁场与Cr/a-SmCo/Cr/a-CoZrNb薄膜中易磁化轴方向长度的函数关系。
研究了用M-H曲线来确认偏磁场，而磁导率则是通过沿易磁化轴方向施加直流磁场来测量的。SmCo膜层对CoZrNb膜层的磁化过程产生影响，而且这样的薄膜具有独特的M-H曲线。面积为3mm×0.5mm的样品所得偏磁场为60Oe，这个结果表明，多层薄膜系统将可以改变软磁材料的磁性异向特性。
参考文献(略)
微型磁传感器的灵敏度可以采用直流偏置磁场来提高，因为这种磁场可以控制磁性材料的磁导率。一般磁传感器常常使用绕制线圈来生成这种磁场，但对微小型的微磁设备，绕制线圈是不适用的。因为硬磁薄膜也能产生偏磁场，故可以用其替代绕制线圈，但这种硬磁薄膜需要能够产生各向异性磁场大且M-H曲线矩形系数高的磁场。人们虽然对坡莫合金带或YIG等软磁材料上敷硬磁薄膜的偏磁效应进行了研究，但对偏软磁材料的磁特性却知之甚少。通过观测材料的磁畴研究了SmCo薄膜上沉积CoZrNb软磁膜的磁化过程，以及偏磁场与Cr/a-SmCo/Cr/a-CoZrNb磁性薄膜中易磁化方向长度的函数关系，从而了解软磁材料的偏磁特性。
2薄膜沉积工艺与测试
Cr/aSm16Co84/Cr/a-Co83Zr3Nb12薄膜是在室温下用射频溅射技术沉积在喷砂麻粒状玻璃基片上的。溅射沉积的顺序为Cr、SmCo、Cr和CoZrNb。首先溅射沉积600埃（=10-8cm）厚度的Cr层作为底层，而300埃厚度的Cr则为中间层。在沉积薄膜的过程中，施加200Oe的磁场，以获得与膜面平行的易磁化方向。Cr、SmCo和CoZrNb的溅射气压和溅射功率分别为：2mTorr/100W、10mTorr/100W以及2DmTorr/200W。SmCo薄膜的成分由Co靶上的Sm片数控制。薄膜的结构用EPMA进行分析。SmCo层的组成用SmCo单层数据来估算。M-H曲线用振动式磁力计测量。如图1所示，用SEM（Scanning Electron Microscopy电子扫描显微镜）施加磁场后，借助样品，可在CoZrNb层的表面上观测磁畴图。表1列出了本实验所用样品的面积。2#、7#样品是用8mm直径的湿蚀膜（Wet-etching films）制成的。4#、7#样品是易磁化轴方向的长度分别为1mm和0.5mm。
3实验结构与讨论
非晶SmCo膜的矫顽磁力要低于结晶膜，但非晶膜具有较大的异向磁场且M-H曲线的矩形系数高。非晶SmCo膜的这些磁特性表明，SmCo膜最适合产生直流偏磁场。图2所示为Cr/SmCo/Cr/CoZrNb膜的磁化难易程度不同的M-H曲线。
CoZrNb与SmCo的磁化比率为0.8。这个比率与每层膜厚的比率相等，SmCo的矫顽力与磁化异向场分别为100Oe和8KOe。
图3所示为±10Oe范围内的多层膜的局部M-H曲线，它与CoZrNb的M-H主曲线相吻合。从图3可见，CoZrNb层由SmCo层分路的偏磁约为3Oe，而且有很理想的磁滞曲线。该曲线被分成了低于0Oe的饱和区域，0-5Oe的线性区域和高于5Oe的反向饱和区域。在线性区域中0Oe(A)与1-8Oe(B)之间突然发生了磁化反向。图4示出了以图3所示曲线A-B-C-D-E-F-G-H-I-J的顺序施加磁场时所观测到的CoZrNb磁畴照片。图中可见，在0Oe(A)处未观测到磁畴，这是因为CoZrNb膜层被SmCo的偏磁场饱和了，而且这两层膜存在着相反的磁化方向；当施加1.8Oe磁场时，磁畴壁迅速集结。磁畴壁横穿CoZrNb膜的易磁化方向横向到达对边的边缘。随着磁场的增强（C-E），磁畴壁开始移动，当磁场高于12Oe(F)，即CoZrNb层饱和时，磁畴壁就观测不到了。这两层薄膜的磁化方向是平行一致的。当磁场由12Oe(F)降至4.6Oe(G)时，尖峰状的磁畴壁则在薄膜的顶部处局部集结。与磁畴壁在A和B之间的集积相比较，G处的磁畴壁增加速度显得十分缓慢。这种状况与由SmCo膜层和CoZrNb膜层间的静磁耦合在SmCo膜层边缘上形成的磁极有关。随着磁场变弱（H-I-J），磁畴壁将向着薄膜的中心部位扩展，移出施加的磁场后（A），CoZrNb膜层又会在与SmCo膜层相反的磁化方向上再度饱和。
图5所示为薄膜的磁导率μ′与Hdc的函数关系。这组曲线是通过在难磁化轴方向上施加交流磁场和在易磁化轴方向上施加直流磁场而测得的。单层CoZrNb在Hdc=0Oe处的μ为最大值，而在SmCo上沉积的CoZrNb膜层上则在Hdc=3Oe处的μ具有最大值。
图6示出了5#、7#样品的M-H曲线。当易磁化轴方向的长度从5mm缩减到0.5mm时，其曲线移至更高磁场。图7示出了2#、7#样品的偏磁场与易磁化轴方向长度之间的函数关系。从7#样品可见，当易磁化轴方向长度为0.5mm时，可以获得60Oe的偏磁场。
4结论
通过观测薄膜的磁畴研究了SmCo薄膜上沉积CoZrNb软磁薄膜的磁化过程，以及偏磁场与Cr/a-SmCo/Cr/a-CoZrNb薄膜中易磁化轴方向长度的函数关系。
研究了用M-H曲线来确认偏磁场，而磁导率则是通过沿易磁化轴方向施加直流磁场来测量的。SmCo膜层对CoZrNb膜层的磁化过程产生影响，而且这样的薄膜具有独特的M-H曲线。面积为3mm×0.5mm的样品所得偏磁场为60Oe，这个结果表明，多层薄膜系统将可以改变软磁材料的磁性异向特性。
参考文献(略)
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