磁记录与磁记录相关的材料.ppt

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1、磁记录与磁记录材料什么是磁记录什么是磁记录n n一种利用电和磁的方法将可转换为电信号的信息输入、记一种利用电和磁的方法将可转换为电信号的信息输入、记录和存储于强磁性介质内，并又能从其中取出和重现该信录和存储于强磁性介质内，并又能从其中取出和重现该信息的过程。此种信息可以是声音、图像、数字或其他可转息的过程。此种信息可以是声音、图像、数字或其他可转换为电信号的信息，故磁记录技术可应用于录音、录像、换为电信号的信息，故磁记录技术可应用于录音、录像、记录数字和其他信息等记录数字和其他信息等n n最早的磁录音开始于最早的磁录音开始于1919世纪末，到世纪末，到2020世纪世纪4040年代磁录音技年代磁

2、录音技术才逐渐成熟，有了较广的实际应用。术才逐渐成熟，有了较广的实际应用。5050年代以后磁记录年代以后磁记录又应用到电子计算机和电视技术，以及人造卫星和宇宙飞又应用到电子计算机和电视技术，以及人造卫星和宇宙飞船的信息记录和传送，应用领域不断扩大。船的信息记录和传送，应用领域不断扩大。模拟记录和数字记录n n按照信息记录的方式，磁记录可以分为连续的模拟式记录按照信息记录的方式，磁记录可以分为连续的模拟式记录（如录音和录像）和分立的数字式记录（如计算机记录数（如录音和录像）和分立的数字式记录（如计算机记录数字）两种。字）两种。模拟磁记录是将信息转化为连续的电信号，在将电信号模拟磁记录是将信息转化

3、为连续的电信号，在将电信号对应为磁信号，存入记录介质中。对应为磁信号，存入记录介质中。主要要求磁记录材料的主要要求磁记录材料的剩余磁化强度和输入信号成正比，以保证被记录信号和输剩余磁化强度和输入信号成正比，以保证被记录信号和输入信号之间有较好的线性关系入信号之间有较好的线性关系数字磁记录将信息数字化，转化为二进制数字信号而被存数字磁记录将信息数字化，转化为二进制数字信号而被存入介质中。入介质中。记录后，磁记录材料只有记录后，磁记录材料只有+M+Mr r和和MMr r两个剩磁两个剩磁状态，这时记录信号和输入信号的线性关系并不重要。状态，这时记录信号和输入信号的线性关系并不重要。n n目前，多用数

4、字记录。目前，多用数字记录。磁记录的发展第一个硬盘第一个硬盘 用于用于IBM 305 RAMAC 1956IBM 305 RAMAC 1956年，年，5050张张2424英寸的盘片，英寸的盘片，存储量仅为存储量仅为5M 5M 比特，一个月租金为比特，一个月租金为$3,200，相当于$160,000的销售价格。2004年,Toshiba 生产的英寸的硬盘,能储存4G。磁记录的发展过去二十年内,硬盘的存储密度飞速提高,每个比特的价格不断下降。?Toshiba硬盘的结构硬盘的结构磁头臂组合磁头臂组合磁头臂磁头臂读写头读写头主轴主轴拼盘拼盘磁道磁道硬盘中的磁性材料:1)磁记录介质(盘片)2)写头(高磁

5、极化率的软磁材料）3)读头(包括GMR器件以及辅助器件)磁记录介质材料的要求n n对于磁记录介质的主要要求是：高的矫顽力对于磁记录介质的主要要求是：高的矫顽力H H H Hc c，以提高存，以提高存储信息的密度和抗干扰性；适当高的饱和磁化强度储信息的密度和抗干扰性；适当高的饱和磁化强度4 4MMs s,以提高输出信息强度以提高输出信息强度;高的剩磁比高的剩磁比M Mr r/M Ms s(M Mr r为剩余磁化强度为剩余磁化强度),),以提高信息记录效率和减小自退磁效应以提高信息记录效率和减小自退磁效应;陡直的磁滞回陡直的磁滞回线线,以提高记存信息分辨率；低的磁性温度系数和老化效以提高记存信息分

6、辨率；低的磁性温度系数和老化效应，以提高稳定性；对于垂直磁记录材料，还需要高的垂应，以提高稳定性；对于垂直磁记录材料，还需要高的垂直膜面的单轴磁各向异性直膜面的单轴磁各向异性k ku u。磁记录介质磁记录介质磁记录介质为晶化了的薄膜，最小的记录单元叫比特,一个比特由几十个纳米颗粒组成。硬盘片的基本结构硬盘片的基本结构n n信息高密度地存储在硬盘片信息高密度地存储在硬盘片内内n n并非连续并非连续,有很多磁轨有很多磁轨,每个每个磁轨上又分有许多的区域。磁轨上又分有许多的区域。n n同一区域内，晶粒的磁矩同同一区域内，晶粒的磁矩同向排列形成一个记录比特向排列形成一个记录比特(bit).(bit).

7、n n磁记录密度：磁记录密度：磁轨密度磁轨密度 线密度或记录密度线密度或记录密度 面密度面密度=轨道密度轨道密度 线密度线密度磁记录介质的读写磁记录介质的读写每个比特的数据被转化为矩形波形的电流-写入电流,输入写头,从而产生在介质与磁头的间隙间产生相应磁场。通过改变电流的方向，可以把数据写入介质。在读的时候，读头感受不同比特的附近的磁场，将其转化为电信号，从而将相应的数据读出。磁记录材料的热稳定性n n磁记录材料的热稳定性有每个磁性颗粒决定磁记录材料的热稳定性有每个磁性颗粒决定 比特的基本组成单位是磁性颗粒比特的基本组成单位是磁性颗粒n n每个磁性颗粒的热稳定性与本身的性能和其尺寸每个磁性颗粒

8、的热稳定性与本身的性能和其尺寸有关有关 超顺磁极限超顺磁极限n n热稳定性制约着存储密度的提高热稳定性制约着存储密度的提高平行磁记录平行磁记录n n每个磁矩平行于介质表面。n n环形感应写头，靠芯的缝隙处的磁通来写入数据平行磁记录介质平行磁记录介质介质材料CoPtCrB两层结构，通过交换耦合来提高稳定性垂直磁记录垂直磁记录每个比特的磁矩都是垂直于介质表面。介质下有个软铁磁底层。写头为单极头垂直磁记录的优越性垂直磁记录比平行磁记录有更高的记录面密度上限。平行：100-200GB/in2垂直：理论预测：10TB/in2记录方法的优越性:1)由于退极化场小，垂直记录可以用更大的介质厚度.2)单极写头

9、通过软铁磁底层的产生两倍于平行磁记录磁头产生磁场，因而可以用更高磁各向性的材料为介质。3)软铁磁底层使垂直记录介质中的信号强度高于同等的平行记录介质，因而垂直记录介质读取的信噪比相对较高。4)垂直记录介质的磁轨边界更清晰，噪声更小。锐的磁轨边界可以得到更高的磁轨密度以及更小的比特尺寸，从而有利于进一步提高储存面密度。FePt 的晶体结构 Pt atom Fe atom无序的FCC结构有序的FCT结构FCC结构只出现基本的衍射峰(111),(200),.FCT结构基本的衍射峰 和 超晶格衍射峰(111),(200),(002),.;(001),(110),.退火c-axisXRDKu:7x107

10、erg/ccFePt薄膜的磁特性的磁特性n n无序态为软铁磁，易轴在平面内。n n有序态的FePt 薄膜为硬磁材料，且具有非常大的磁晶各向异性，易轴沿001方向。n n如果能够制备(001)取向的FePt薄膜则可以得到非常大的垂直各向异性，可用于垂直磁记录。n n(001)取向的获得 (001)织构、外延薄膜(001)FePt薄膜的制备n n基片处理：在溅射前对基片进行加热去气处理。基片处理：在溅射前对基片进行加热去气处理。n n外延生长外延生长 基片的选取：考虑晶格匹配基片的选取：考虑晶格匹配 FePtFePt：MgO:a=b=MgO:a=b=减小晶格失配减小晶格失配 种子层的选取：种子层的

11、选取：Cr Cr：Pt Pt：n n保护层防止氧化保护层防止氧化 FePtPtCrMgOPt5nm50nm5nm3nmn n获得有序相的方法：获得有序相的方法：1 1)后续退火后续退火 2)2)在溅射中给基片加热，加热温度为在溅射中给基片加热，加热温度为700C700C。比较：比较：后续退火需要更高的温度使薄膜充分有序化后续退火需要更高的温度使薄膜充分有序化 在薄膜沉积过程中给基片加热的方法，可以使薄膜在较地在薄膜沉积过程中给基片加热的方法，可以使薄膜在较地的温度下有序化，而且可以减少工序。的温度下有序化，而且可以减少工序。(001)FePt薄膜的制备FePt薄膜的结构、取向与有序度分析(11

12、1)面 四度对称,且与MgO的(111)峰出现在同样的角度,说明很好的外延生长(001)(002)FePt有很好的（001）取向常温下制备的FePt为无序的FCC700C下制备的为FCT有序相FePt薄膜的结构与磁性与基片温度的关系随基片温度的升高(001)峰强度增大,经过分析,发现薄膜的有序度随基片温度升高而增大,薄膜的晶格常数 c 则随基片温度的升高而减小。相应的，薄膜的磁性能也随基片温度的改变而发生很大改变，易轴的方向随着温度的升高从膜面内转到垂直膜面。软铁磁底层n n垂直磁记录介质中的软铁磁底层垂直磁记录介质中的软铁磁底层作用：作用：1)1)使单极写头的磁通形成回路使单极写头的磁通形成

13、回路 2)2)使写头形成镜像，从而加大了写入的磁场。使写头形成镜像，从而加大了写入的磁场。3)3)提高了信号强度。提高了信号强度。n n材料的选取要求：高的饱和磁化强度，底的矫顽力。要求：高的饱和磁化强度，底的矫顽力。软铁磁底层需解决的问题 垂直记录优于平行磁记录的一个要素之一是它采用了软铁磁底层。然而，要软铁磁底层充分发挥其作用，需要解决噪声问题。软铁磁底层产生的噪声是因为在写入数据的过程中，随着写头的移动，其在软铁磁底层中的镜像也会移动，从而软铁磁底层的磁化强度发生改变，磁化强度的改变一般带来畴壁运动。畴壁运动会产生Barkhausen噪声。解决的方法：消除磁畴，使软铁磁底层单畴化。软铁磁

14、底层的单畴化glass substrateFeCoCuIrMnIrMnFeCorepeat 4 timesradial anisotropy软铁磁底层的单畴化可以通过设计底层的结构，加入耦合作用来实现。磁记录的困难达到足够的热稳定性：大晶粒或高的磁各向异性提高可写性的要求：大的晶粒要达到足够的信噪比：需要颗粒小从而改善比特间的边界。磁记录介质的设计n n要求：要求：同时考虑热稳定性和可写性同时考虑热稳定性和可写性n n提高热稳定性可以采用具有大的磁各向异性能材料提高热稳定性可以采用具有大的磁各向异性能材料n n减小写入场的方法：减小写入场的方法：1)1)双层乃至多层介质，利用交换弹簧作用交换耦

15、合复合介质双层乃至多层介质，利用交换弹簧作用交换耦合复合介质 2)2)利用凑壁辅佐反转机制磁各向异性梯度介质利用凑壁辅佐反转机制磁各向异性梯度介质 3)3)局域加热局域加热-热辅助磁记录热辅助磁记录交换耦合的复合介质Softhard由软磁层和硬磁层耦合而成，硬磁层有高的各向异性能，能够保持介质的热稳定性软磁层容易反转，通过耦合作用可以带动硬磁层的反转，从而大大减小所需的磁场交换耦合复合介质的制备Si(2 nm)/FeSiO(6.5 nm)/PdSi(t nm)/Co(0.26 nm)/PdSiO(0.87 nm)/PdSiO(4 nm)/Ru(4 nm)/Cu(2 nm)/Glass矫顽场可以

16、大大缩小，且和两个磁层间的耦合强弱有关。耦合的强弱可以由插入的非磁性层的厚度来调制。热辅助磁记录原理n n磁性材料在加热到居里点磁性材料在加热到居里点附近轿顽力大大下降。附近轿顽力大大下降。n n对写入的比特进行局域加对写入的比特进行局域加热，使写入场下降热，使写入场下降 激光加热激光加热n nFePtFePt薄膜居里点高，需加薄膜居里点高，需加热到热到600C600C，需要降低其加，需要降低其加热的温度。热的温度。FeRh/FePt双层膜n nFeRhFeRh具有特殊的性能具有特殊的性能 常温下为反铁磁性，随温度升高，会经历反铁磁常温下为反铁磁性，随温度升高，会经历反铁磁-铁磁相铁磁相变。变

17、。铁磁相的铁磁相的FeRhFeRh合金为软铁磁体。合金为软铁磁体。n nFeRh/FePtFeRh/FePt双层膜双层膜 当温度加到当温度加到150C150C以上，以上，FeRhFeRh成为软铁磁体，容易反转，成为软铁磁体，容易反转，通过交换耦合作用，带动通过交换耦合作用，带动FePtFePt层的反转，大大降低层的反转，大大降低FePtFePt的的反转场。反转场。FeRh/FePt双层膜的制备n nFePtFePt需要在有（需要在有（001001）取向）取向 基片选取：基片选取：MgO MgO FeRh FeRh为为BCCBCC结构，其晶格常数与结构，其晶格常数与FePtFePt的的a a相近

18、，因此，相近，因此，FeRhFeRh也可也可以在以在MgOMgO基片上外延生长，而基片上外延生长，而FePtFePt容易在容易在FeRhFeRh上外延生长。上外延生长。n n选取适当的种子层以减小晶格失配选取适当的种子层以减小晶格失配种子层的选取可以参照种子层的选取可以参照FePtFePt单层膜的制备中。单层膜的制备中。位元规则介质特点：通过光刻将连续膜变成分离的点阵。一个点一个比特。材料本身与普通的材料无异。然每个点需由大磁性颗粒组成，最好是单晶。热稳定性由大的磁性颗粒或柱子本身决定。由于体积大，所以可以达到很高的热稳定性。存储密度受刻蚀技术的分辨率制约。利用位元规则介质可以存储的面密度大大

19、提高。与普通垂直记录介质相比在相同密度下，可写性大大改善。磁各向异性梯度介质n n沿膜厚方向，磁各向异性能呈梯度沿膜厚方向，磁各向异性能呈梯度变化。变化。n n在保持热稳定性的同时，可以大大在保持热稳定性的同时，可以大大降低写入需要的磁场。降低写入需要的磁场。n n最佳的各向异性分布为抛物线分布：最佳的各向异性分布为抛物线分布：n n目前还只是概念，实际的实现很困目前还只是概念，实际的实现很困难，主要是因为磁各向异性能很难难，主要是因为磁各向异性能很难严格控制。严格控制。最硬端最软端磁各向异性逐步增强特点：反转为畴壁移动辅助反转。写入的基本过程：畴壁在软磁端形成、畴壁在晶粒中运动和畴壁从硬磁端

20、溢出。要求：介质厚度不能太小，需大于畴壁的宽度。写头的基本结构写头的基本结构n n写头包括激磁线圈和铁芯写头包括激磁线圈和铁芯 铁心材料的要求：铁心材料的要求：对激磁次线圈产生的磁通有大的放对激磁次线圈产生的磁通有大的放大作用，因而需有高的饱和磁化强大作用，因而需有高的饱和磁化强度和搞的磁导率。度和搞的磁导率。比较：比较：激磁线圈产生的磁通一般在激磁线圈产生的磁通一般在200Oe200Oe左右。而写头端的磁通可以达到左右。而写头端的磁通可以达到2.4T.2.4T.写头铁心材料n nFeCoAlO饱和磁化强度接近 n nFe65Co35 饱和磁化强度达饱和磁化强度达 n nFe/Co 多层膜 F

21、e层为0.1-4nm,Co层为0.1-2nm.总厚度100nm。可以比可以比FeFe6565CoCo3535高高%.%.读头的基本结构磁阻传感器绝缘层屏蔽层核心为磁阻传感器，可以灵敏的感受微弱的磁场变化。永磁体用来确定自由层的激化方向。屏蔽层用来屏蔽来自相邻比特的杂散场，提高磁头的灵敏度。永磁体软磁屏蔽层，需用高磁导率的软磁材料，目前所用的为坡镆合金Ni80Fe20，制备方法为电镀。用非晶软磁合金用作软磁屏蔽也在考虑中。读写头的结构读写头的结构Permalloy shields2 m mmCu 线圈读头传感器写头RF 磁场磁场Air bearing surface2 m mm在实际的中,写头和

22、读头被集成在一起。写头的产生的磁场被屏蔽层限制在写入的比特范围内，从而避免误写相邻的比特。自旋电子学及相关磁性器件巨磁阻效应(GMR)1986 1986 年年,德国人德国人P1GrunbergP1Grunberg在在Fe/Cr/Fe/Cr/FeFe三明治结构中发现三明治结构中发现,当当Cr Cr 层厚度层厚度合适时合适时,两两FeFe层之间存在反铁磁耦合层之间存在反铁磁耦合作用作用.根据这一结果根据这一结果,几十年来一直几十年来一直致力于研究薄膜中磁致电阻现象的致力于研究薄膜中磁致电阻现象的法国巴黎大学的物理学家法国巴黎大学的物理学家A.Fert A.Fert 设计了图设计了图1 1所示的所示

23、的(Fe/Cr)(Fe/Cr)n n 多层多层膜膜,成功地使磁电阻效应得到放大成功地使磁电阻效应得到放大,使之成为巨磁电阻使之成为巨磁电阻.随后随后,大量的工大量的工作表明作表明,GMR,GMR 效应广泛存在于过渡效应广泛存在于过渡金属多层膜，自旋阀，以及颗粒膜。金属多层膜，自旋阀，以及颗粒膜。n nGMR(%)=(RGMR(%)=(RAPAP-R-RP P)/R)/RP PR RAPAP:磁矩反平行时的电阻磁矩反平行时的电阻R RP P:磁矩平行时的电阻磁矩平行时的电阻巨磁阻效应原理两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层后,遇到另一个磁矩取向与其自旋方向相反的磁层,

24、并在那里受到强烈的散射作用,也就是说,没有哪种自旋状态的电子可以穿越两个或两个以上的磁层当相邻磁性层的磁矩平行排列时，在传导电子中,自旋方向与磁矩取向相同的那一半电子可以很容易地穿过许多磁层而只受到很弱的散射作用,而另一半自旋方向与磁矩取向相反的电子则在每一磁层都受到强烈的散射作用.二流体模型电子导电有并联的两个通道，当磁矩反平行的的时候，两个通道的电阻都很高，因而，系统处于高阻态。而当磁矩平行的时候，有一个低阻通道，因而，总电阻小，系统处于低阻态。不同类型的GMR效应n n多层膜多层膜 GMR:GMR:磁性层间的分磁性隔离层很薄。磁性层间存在磁性层间的分磁性隔离层很薄。磁性层间存在 RKKY

25、 RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)耦合。耦合。特点：特点：值大，一般有几十，但饱和场也大。值大，一般有几十，但饱和场也大。n n自旋阀自旋阀 GMR:GMR:非磁性层约为纳米非磁性层约为纳米,磁性层间无磁性层间无 RKKY RKKY 耦合。耦合。值一般小于，饱和场小。值一般小于，饱和场小。n n颗粒膜颗粒膜GMRGMR磁性颗粒在非磁性的基体中，通过颗粒间的耦合作用达到磁性颗粒在非磁性的基体中，通过颗粒间的耦合作用达到反平行状态。反平行状态。如如Co CuCo Cu颗粒膜颗粒膜实现平行与反平行的方法

26、n n耦合耦合RKKY RKKY 耦合耦合n n交换偏置交换偏置利用铁磁与反铁磁交换耦合作用利用铁磁与反铁磁交换耦合作用n n不同的矫顽力不同的矫顽力两磁性层的矫顽力不同，当较软的磁性层在磁场中反转，两磁性层的矫顽力不同，当较软的磁性层在磁场中反转，较硬的磁性层并没有反转。较硬的磁性层并没有反转。JThickness(D)交换偏置自旋阀被钉扎层的回线由于交换偏置作用而发生偏移，自由层与被钉扎层无耦合作用，从而使得平行与反平行状态得以实现。特点：具有极高的灵敏度，灵敏度由自由层的磁特性决定。自由层非磁性隔离层被钉扎层反铁磁钉扎层CIP和CPP巨磁电阻CIP 电流平行于膜面CPP电流垂直于膜面CP

27、P预测有更高的GMR,然而，电阻过小，实现起来比较困难，需要更多更复杂的工艺。CPP有可能被用于下一代读头中。巨磁阻器件的应用n n巨磁阻器件的功能巨磁阻器件的功能 存储：高阻和低阻两个状态可以对应数字记录中的存储：高阻和低阻两个状态可以对应数字记录中的“0”0”和和“1 1”-MRAM-MRAM 响应微弱磁场响应微弱磁场-各种巨磁阻传感器各种巨磁阻传感器n n巨磁阻传感器的特点：巨磁阻传感器的特点：可以很灵敏的探测微弱的磁场变化。可以很灵敏的探测微弱的磁场变化。应用应用 1 1）磁记录的读头）磁记录的读头 2 2）各种传感器）各种传感器转速，位角，生物医学转速，位角，生物医学举例：举例：巨磁

28、阻生物阵列巨磁阻生物阵列巨磁阻传感器的制备要求n n传感器的设计传感器的设计不同类型的巨磁阻传感器，不同的应用领域，侧重点不同。不同类型的巨磁阻传感器，不同的应用领域，侧重点不同。一般所关系的参数：灵敏度、饱和场、信噪比、稳定性。一般所关系的参数：灵敏度、饱和场、信噪比、稳定性。如：多层膜的制备，对膜厚特别是非磁性层的膜后又较严如：多层膜的制备，对膜厚特别是非磁性层的膜后又较严格的要求。格的要求。n n交换偏置自旋阀传感器：非磁性层厚度不能太小，也不可交换偏置自旋阀传感器：非磁性层厚度不能太小，也不可太大；两磁性层间磁矩需要相互垂直以得到良好的线性关太大；两磁性层间磁矩需要相互垂直以得到良好的

29、线性关系；自由层需要用足够软的磁性材料以提高灵敏度同时材系；自由层需要用足够软的磁性材料以提高灵敏度同时材料的导电性能要好；磁性层的磁畴结构料的导电性能要好；磁性层的磁畴结构-单畴；交换偏置单畴；交换偏置效应要强效应要强n n对于应用于高频的传感器要求磁性材料的磁化强度高，各对于应用于高频的传感器要求磁性材料的磁化强度高，各向异性能大。向异性能大。隧道磁电阻效应隧道效应-1.5-1-0.500.511.5-2-1.5-1-0.500.511.522.53Energy,Wave FunctionxTunneling Through Simple BarrierEnergyVB根据量子力学理论，电

30、子具有波动性，当遇到势垒，波呈衰减趋势，当势垒宽度不大的时候，穿过势垒后，波幅并不为零，也就是说，有部分电子可以穿过势垒，从而形成一定的电流。隧道磁电阻器件隧道磁电阻效应与自旋阀磁电阻有相似之处，磁滞回线的及磁电阻回线的有相似的形状形状和特点。然而一般来说然隧道磁电阻效应的电阻变化率比自旋阀大很多。对于中间的绝缘层，一般用开始用Al2O3 现在普遍采用MgO.。用MgO 为绝缘层的隧道结MgO 层要求(001)织构，可以通过才有非晶态的CoFeB合金膜为磁性层达到，这样的隧道结有巨大的磁电阻效应，电阻变化率室温下可达几百自旋阀磁阻与隧道磁阻自旋阀磁阻与隧道磁阻n n相似处：都有自旋激化，在费米

31、面以下，两种自旋态的态都有自旋激化，在费米面以下，两种自旋态的态密度不同。如果没有自旋激化，则两种磁电阻效密度不同。如果没有自旋激化，则两种磁电阻效应都不会发生。应都不会发生。应用的方面基本相同。应用的方面基本相同。n n不同处：不同处：起源不同：自旋阀起源于界面处的自旋相关散射，起源不同：自旋阀起源于界面处的自旋相关散射，而隧道磁电阻则由于量子隧道效应导致。而隧道磁电阻则由于量子隧道效应导致。磁阻式随即存取存储器(MRAM)每个存储单元都是一个隧道磁电阻器件，写入时，有两个电流，任何一个电流产生的磁场都不足以写入信号，只有当二者相交的那个点才有足够大的磁场将信号写入。此为MRAM 的定位与写

32、入机制。新的写入机制 新的写入过程：新的写入过程：Toggle Toggle 写入写入n n采用旋转的电流来改变自由层的磁化方向采用旋转的电流来改变自由层的磁化方向n n只需要一个电流只需要一个电流热辅助写入热辅助写入n n加热要写入的单元，从而使其对磁场响应更灵敏减小写入场。加热要写入的单元，从而使其对磁场响应更灵敏减小写入场。自旋矩自旋矩 转移转移n n用自旋激化的电流来使自由层反转。用自旋激化的电流来使自由层反转。n n能够得到更高的存储密度和更快的写入速度。能够得到更高的存储密度和更快的写入速度。薄膜器件的制备方法 刻蚀的工艺流程沉积薄膜涂光刻胶暴光暴光刻蚀刻蚀去胶去胶 等离子体辅助加

33、工过程工艺等离子体辅助加工过程工艺等离子刻蚀等离子刻蚀补充补充惰性惰性气体气体吸收与表面物质反应表面物质的扩散Subsequent surface reactionsdesorption去掉的物质去掉的物质电场电场ionsCathodeRFPower消耗消耗13.56 MHzStraight Sidewalls光刻胶又名光致抗蚀剂是一种光光刻胶又名光致抗蚀剂是一种光敏感材料，在曝光前后对特定的敏感材料，在曝光前后对特定的溶剂溶剂(光刻胶冲洗液）具有不同光刻胶冲洗液）具有不同的溶解性。分为正光刻胶与负光的溶解性。分为正光刻胶与负光刻胶。刻胶。负光刻胶负光刻胶:曝光前，可溶于冲洗曝光前，可溶于冲洗

34、液，曝光后不溶于冲洗液。用负液，曝光后不溶于冲洗液。用负光刻胶可以把掩模版上的图案互光刻胶可以把掩模版上的图案互补地印下来。补地印下来。正光刻胶正光刻胶:曝光前，不溶于冲曝光前，不溶于冲洗液；曝光后，溶于冲洗液。用洗液；曝光后，溶于冲洗液。用正光刻胶可以把模版上的图案直正光刻胶可以把模版上的图案直接印下来。接印下来。光刻胶Negative LithographyNegative LithographyIslandsilicon substrateoxidephotoresistWindow曝光过的区域聚合化对冲洗液有抵抗作用光刻胶冲洗后得到的形状photoresistoxidesilicon

35、substrateUltraviolet Light曝光的区域被遮挡的区域掩模版负光刻silicon substrateoxidephotoresistPositive LithographyPositive LithographyIslandWindow曝光过的区域变得可溶冲洗后得到的图案未曝光区曝光区掩模版photoresistsilicon substrateoxideUltraviolet Light正光刻同样的模版产生不同的图案掩模版上图形传递到光刻胶上，然后通过刻蚀，传递到薄膜上。涂光刻胶工艺涂光刻胶工艺n n基片被真空吸附在底座上，在基片被真空吸附在底座上，在基片上滴入约基片上滴

36、入约5ml 5ml 光刻胶光刻胶n n让底座亦较低的速度旋转让底座亦较低的速度旋转 500 rpm500 rpmn n逐步加快转速至逐步加快转速至 3000-5000 3000-5000 rpmrpmn n对涂光刻胶工艺进行分析优化对涂光刻胶工艺进行分析优化 考虑的主要参数有考虑的主要参数有:n n所需时间所需时间n n转速转速n n厚度厚度n n均匀性均匀性n n颗粒和缺陷颗粒和缺陷vacuum chuckspindleto vacuum pumpphotoresist dispensern n光刻胶的厚度取决于光刻胶的厚度取决于:n n转速转速n n溶液的浓度溶液的浓度n n分子的重量分子

37、的重量(由内粘滞系数来由内粘滞系数来衡量衡量)n n在公式中在公式中,K,K 常数常数,、C C 是聚合是聚合物的浓度是克每物的浓度是克每100100毫升溶液、毫升溶液、h h 代表内粘滞系数代表内粘滞系数,、w w 为每分为每分钟转的圈数钟转的圈数 (rpm)(rpm)n n当指数因数当指数因数a a、b b 和和g g 确定后，确定后，该公式可以用来预测不同浓度、该公式可以用来预测不同浓度、不同分子重量的溶液可形成膜厚。不同分子重量的溶液可形成膜厚。2.Photoresist Application软烘烤n n在涂完光刻胶后，须将基片放在涂完光刻胶后，须将基片放到一百度左右的温度下作短时到

38、一百度左右的温度下作短时间烘烤。烘烤时间为几分间烘烤。烘烤时间为几分钟。钟。n n低温烘烤，部分蒸发光刻胶溶低温烘烤，部分蒸发光刻胶溶剂剂n n提高附着力提高附着力n n改善均匀性改善均匀性n n提高对刻蚀的抵御能力提高对刻蚀的抵御能力n n改善线宽的控制改善线宽的控制n n优化光刻胶对光的吸收特性。优化光刻胶对光的吸收特性。效准与曝光效准与曝光n n将掩膜上的图案的像将掩膜上的图案的像传递到涂有光刻胶的传递到涂有光刻胶的底片上底片上n n曝光将激活光刻胶里曝光将激活光刻胶里面的光敏成分面的光敏成分.n n质量分析主要考虑质量分析主要考虑:n n线宽分辨率线宽分辨率n n图形的准确度图形的准确

39、度n n缺陷缺陷UV Light SourceMaskResistResistResistl源的种类源的种类刻蚀的源有很多种，不同的源波长不同从而分辨率不同。根据源的类型，刻蚀分为：光刻、电子束刻蚀、射线刻蚀、离子刻蚀可见光光源为高压汞灯，产生以上所示的可见光谱。可见光的吸收不应太强。曝光时，光刻胶需透明。几种不同的印刷方式接触准直接触式邻近式投影式接触式：掩模版与所涂得光刻胶层接触压紧，可以得到最平整的图形和最好的分辨率，但容易损坏掩模版。比邻式：掩模版与光刻胶层很接近但并不接触，掩模版的寿命增长，但牺牲了分辨率。投影式：在投影式印刷中,用镜头和反光镜使得像聚焦到硅平面上,其硅片和掩模版分得

40、很开.已经开发了不少投影印刷技术不同印刷方式的比较冲洗冲洗n n可溶性的光刻胶被冲洗液溶解可溶性的光刻胶被冲洗液溶解n n可见的图形显现在基片上可见的图形显现在基片上n n窗窗n n岛岛n n图形质量检测图形质量检测:n n线分辨率线分辨率n n均匀性均匀性n n检查表面是否有颗粒和缺陷检查表面是否有颗粒和缺陷to vacuum pumpvacuum chuckspindledeveloperdispenser硬烘烤w挥发剩余的光刻胶w进一步提高附着力w相对软烘烤，硬烘需用较高的温度7.Development Inspectionn nOptical or SEM metrology Opti

41、cal or SEM metrology n nQuality issues:Quality issues:n nparticlesparticlesn ndefectsdefectsn ncritical dimensionscritical dimensionsn nlinewidth resolutionlinewidth resolutionn noverlay accuracyoverlay accuracy等离子体刻蚀与加附加层n n通过由光刻胶组成的图案对所加通过由光刻胶组成的图案对所加工的表面进行选择性的去工的表面进行选择性的去主要有两类方法主要有两类方法:n n湿的酸性刻蚀湿

42、的酸性刻蚀n n干的干的 等离子刻蚀等离子刻蚀质量评估质量评估:n n粒子与缺陷粒子与缺陷n n台阶的高度台阶的高度n n选择性的强弱选择性的强弱n n最小能到达尺寸最小能到达尺寸n n加入另一种材料加入另一种材料(additive)(additive)主要的方法主要的方法:n n溅射溅射n n蒸发蒸发PlasmaPlasmaCFCF44等离子体刻蚀与与附加层光刻胶的去除光刻胶的去除n n在刻蚀之后，光刻胶就没在刻蚀之后，光刻胶就没什么作用了应该去除。什么作用了应该去除。n n常用的方法常用的方法:n n湿的酸性湿的酸性 剥落剥落n n干的干的 等离子体剥落等离子体剥落n n然后用湿清洗去掉剩

43、下的然后用湿清洗去掉剩下的光刻胶以及剥落留下的副光刻胶以及剥落留下的副产品。产品。OO22PlasmaPlasma最后的检验最后的检验通过显微镜或透镜对刻蚀过通过显微镜或透镜对刻蚀过的表面进行察看，主要注意的表面进行察看，主要注意以下几个方面：以下几个方面：n n光刻胶是否完全去除；光刻胶是否完全去除；n n基片上的图形是不是与掩基片上的图形是不是与掩模版上的一致模版上的一致 (正光刻正光刻)n n检查表面的质量检查表面的质量:n n缺陷的情况缺陷的情况n n是否有颗粒出现是否有颗粒出现n n台阶高度台阶高度n n界限尺寸界限尺寸磁性材料总结(一一)磁性的基础：磁性的基础：磁性的来源磁性的来源

44、 原子的磁性原子的磁性 磁性原子与非磁性原子磁性原子与非磁性原子 材料的磁性与磁性材料材料的磁性与磁性材料 材料磁性的分类及特点材料磁性的分类及特点 磁性材料总结(二)磁性材料基本概念：基本概念：自发磁化、磁畴、磁滞、磁各向异性，居里点自发磁化、磁畴、磁滞、磁各向异性，居里点软磁材料：定义、特点、性能要求，软磁材料：定义、特点、性能要求，主要的软磁材料主要的软磁材料 提高软磁性能的主要方法提高软磁性能的主要方法 软磁材料的应用软磁材料的应用 硬磁材料：定义、主要磁特性、性能要求硬磁材料：定义、主要磁特性、性能要求 硬磁材料的主要种类硬磁材料的主要种类 提高硬磁特性的工艺和方法：包括提高剩磁、矫

45、提高硬磁特性的工艺和方法：包括提高剩磁、矫顽力、稳定性顽力、稳定性磁性薄膜基础n n磁性薄膜的特点磁性薄膜的特点n n磁性薄膜的各向异性磁性薄膜的各向异性 分类、产生的机理分类、产生的机理 磁晶各向异性磁晶各向异性 交换各向异性交换各向异性n n磁性薄膜中的能量磁性薄膜中的能量 种类及定义种类及定义n n畴壁及畴壁种类与膜厚的关系畴壁及畴壁种类与膜厚的关系n n薄膜的磁化过程薄膜的磁化过程 连续反转与畴壁移动连续反转与畴壁移动n n薄膜磁性的热稳定性薄膜磁性的热稳定性薄膜的制备与表证n n物理与化学沉积物理与化学沉积n n溅射的原理溅射的原理 等离子体产生与维持等离子体产生与维持 射频与直流溅

46、射射频与直流溅射 溅射参数的选取溅射参数的选取n n基片的选取、处理和表征基片的选取、处理和表征n n薄膜生长的机制及影响薄膜生长的因素薄膜生长的机制及影响薄膜生长的因素n n薄膜表征的主要方法薄膜表征的主要方法磁记录与磁记录材料n n磁记录磁性材料磁记录磁性材料 介质、写头和读头介质、写头和读头n n磁记录的读写磁记录的读写n n平行磁记录与垂直磁记录平行磁记录与垂直磁记录n n磁记录的困境磁记录的困境:三难境地三难境地n n新概念介质：交换耦合复合介质、梯度介质新概念介质：交换耦合复合介质、梯度介质.n n写头：激励线圈写头：激励线圈+铁芯铁芯 n n读头：读头：磁性传感器磁性传感器 屏蔽层屏蔽层 磁性器件与制备n n巨磁阻效应巨磁阻效应 概念、种类概念、种类 自旋阀的种类、特点自旋阀的种类、特点 应用应用n n隧道磁阻效应隧道磁阻效应 与巨磁阻的异同与巨磁阻的异同 随机存储器随机存储器MRAMMRAMn n磁性薄膜器件的制备方法磁性薄膜器件的制备方法 刻蚀技术刻蚀技术