組み合わせたストライプパターン化FeCoBSi膜の厚さに依存する磁気およびマイクロ波共鳴特性評価

背景

電気通信技術の急速な発展に伴い、高周波でそのようなシステムの性能を低下させる電磁推論（EMI）の問題は、大きな注目を集めています[1,2,3,4,5]。 EMIシールド材料の要件を満たすために、磁性膜の広帯域で制御可能な共振が望まれます[6、7]。一方、設計周波数での高いダンピングファクターは、有望なEMIデバイスの実現に貢献します[8、9]。フィルムの面内一軸異方性により、ギガヘルツ周波数で十分に柔らかい磁気特性が得られる可能性があります。したがって、より優れた吸収特性、誘導磁場[10]、堆積中の誘導応力[11]、多層設計[12]などのいくつかの方法があります。 、および外部磁場下でのポストアニーリング[13、14]が調査されました。さらに、人工構造によって設計された誘導形状異方性を備えたパターン化された磁性膜は、その制御可能で堅牢な特性により、大きな注目を集めています[15、16]。これに照らして、ダブルストライプパターンのFeCoベースの磁性膜が以前の研究[17]で提案されました。実験中に二重共鳴ピーク現象を伴う広い共鳴帯域が観察されました。これは、独立した磁気ストライプによる二重共鳴源の重ね合わせによるものです。

したがって、本論文では、共鳴帯域をさらに拡大するために、5つの異なる幅のさまざまなストライプを含む独自の組み合わせストライプパターンFeCoBSi薄膜を紹介し、Landau-Lifshitz-Gilbert（ LLG）行列運動の定式化。広い共振帯域の現象は、薄い厚さ、つまり実験では45nmで4GHzの半値全幅（FWHM）で強化されました。一方、共振周波数の変化は、減磁係数に関連する数式によって予測できます。結果は、ストライプ幅が際立っているために形成された形状誘導の有効異方性によってさらに説明できます。これにより、実際のアプリケーションで従来のリソグラフィプロセスによる制御が可能になりました。

実験

Fe ₆₆ Co ₁₇ B ₁₆ Si ₁ 室温でのDCマグネトロンスパッタリングにより、シリコン（111）基板上に異なる厚さの薄膜を堆積させた。図1に示すように、基板の短軸に沿って500 Oeの外部磁場を印加して、面内の一軸異方性を誘導しました。従来の紫外線（UV）リソグラフィ技術とリフトオフ法を使用して、組み合わせたストライプパターンを作成しました。幅の異なるさまざまなストライプを含む、組み合わせたストライプパターンのFeCoBSiフィルムを処理しました。ストライプは、幅のシーケンスがそれぞれ5、10、15、20、25μmになるように連続して配置されました。特徴的なストライプの分離ギャップは5μmに固定されました。パターン化されたフィルムの厚さは45〜135nmの範囲で変化しました。

堆積中の外部誘導磁場のスキーム（ a ）および組み合わせたストライプパターン化磁性膜（ b ）。各ストライプの幅は、それぞれ5、10、15、20、25μmでした。 2本のストライプ間のギャップの幅は5μmに固定されました。フィルムの最終構造を露出させるために、堆積後にリフトオフプロセスが行われました

フィルムの厚さは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による断面観察によって決定された。磁性膜の対応する静的特性、すなわちヒステリシスループは、振動試料型磁力計（VSM）によって測定されました。マイクロ波特性は、0.5〜6GHzの周波数範囲でベクトルネットアナライザに接続された短絡マイクロストリップ伝送線路摂動法によって特徴づけられました。

結果と考察

図1aは、外部誘導磁場を使用した堆積セットアップのスキームを示しています。面内の一軸異方性を誘発するために、堆積中に500Oeの外部磁場が適用されました。フィルムのパターン化された構造に露光するために、堆積後にリフトオフ法が処理された。図1bは、磁性膜のストライプパターン構造の組み合わせを示しています。各ストライプの幅のシーケンスは、それぞれ5、10、15、20、25 µmに対応しますが、各ストライプ間のギャップは5 µmに固定されています。以前の研究によると、XRD測定中に基板からのSi（111）を除いて、明らかな結晶ピークはありませんでした[18]。したがって、私たちのフィルムの結晶構造はアモルファスまたはナノ結晶でした。

45〜135 nmのさまざまな厚さで堆積された、組み合わされたストライプパターン膜の静磁気特性が調査されました。容易軸は誘導磁場の方向と同じであると定義され、硬軸はそれに直交していました（図2）。 M / Ms の現在の部分 -現場で測定されたフィルムのHループは、100〜-100 Oe の範囲です。 。容易軸と硬軸の違いは、誘導された面内一軸異方性を明確に示しています。これは、誘導された磁場とストライプ形状によって引き起こされた異方性によってもたらされたものです。さらに、図2のヒステリシスループは、 H で非常に柔らかい磁気特性を示しました。 _ch 最小13Oe、ここで H _ch はハード軸に沿った保磁力であり、 H _ce は容易軸に沿った保磁力です。膜厚の増加に伴い、 H _ch これは、Herzer [19]によって提案されたランダム異方性モデルに準拠した45nmの32Oeから135nmの13Oeに減少します。詳細はすべて、以前の作品[18]に記載されています。

異なる厚さの組み合わされたストライプパターン化磁性膜のヒステリシスループ。結果は、各写真の誘導磁場方向によって定義されるイージーハード軸から示されています。 a から d へ 、フィルムの厚さは45〜135nmの範囲で変化しました

図3は、さまざまな厚さの周波数の関数での、組み合わせたストライプパターンフィルムの透磁率スペクトルの実数成分と虚数成分を示しています。 t でそれを見つけるのは興味深いことです =45 nm、 f に現れる分裂共鳴ピークがあります _低 および f _高 それぞれ、測定された周波数範囲にわたる周波数。このグラフによると、 t =45 nm、μ 'は約170と高く、 f _低 約3.2GHzと f に到達します _高 は約5GHzです。厚みが増すにつれて、 f の値 _低 常に増加します。 t の場合 =135 nm、μ 'であることがわかります それでも170の適切なレベル、 f にとどまることができます _低 f が同時に、4.2GHzのかなりの値に増加します。 _高 測定された周波数範囲6GHzから外れている可能性があります。半値全幅（FWHM）として定義される共振帯域は、45nmの厚さで4GHz以上に広がり、2GHzのダブルストライプパターンフィルムのFWHMよりも広くなっています[18]。それは、広帯域マイクロ波EMI吸収体としての将来のアプリケーションのためのより良い道を開くかもしれません。バンドの広がり現象は、5つの異なる幅のストライプによって引き起こされた異なる形状の異方性フィールドによるものでした。ギャップの固定幅を5μmと考えてください。これは、結合効果なしで2つの連続するストライプを磁気的に分離するのに十分な大きさです。したがって、各ストライプは実際には互いに独立しており、マイクロ波励起下で別々の磁気応答をもたらしました。高周波電磁界に対する全体的な応答は、5つの異なる幅のストライプを数学的に追加する必要があります。さらに、形状の異方性は、フィルムの有効な異方性、つまり共振周波数を決定するために重要な役割を果たす可能性があります[20]。したがって、マイクロマグネティック解析では減磁係数を考慮する必要があります。薄膜の動的特性を実証するために、反磁界効果と組み合わせたLLGギルバート方程式式[21]を使用して、一軸異方性を持つ磁性薄膜の高周波現象を説明しました。したがって、高周波透磁率は次の式で表すことができます。

さまざまな厚さのストライプパターン化されたFeCoBSi薄膜を組み合わせて室温で測定された透過性スペクトルは、膜の実際の透過性を明らかにします（ a ）そして想像上の透過性を示します（ b ）

ここで、4π M _s 飽和磁化αとして定義されます は減衰係数、γ は磁気回転比（1.76×10 ⁷ 大江 ^-1 s ^-1 FeCo合金の場合）、 H _e 有効な異方性が提出され、 N _x 、 N _y 、 N _z は、それぞれ3つの直交する方向に沿った減磁係数です。 f _r キトルの方程式から次のように導き出すことができます

私たちのフィルムに含まれる異なる幅のストライプに照らして、スプリット共鳴ピークにつながる独特の形状異方性を誘発したので、スペクトル全体は、5つの別々のピークの数学的加算として特徴付けられる必要があります。 x に沿った減磁係数 、 y 、および z 方向は[20]

ここで L z に沿った長さです -軸、 W x に沿った幅です -軸、および T y に沿った厚さです -軸。式（3）、（4）、（5）、およびLLGの式を使用して、5〜25μmの磁気ストライプのさまざまな幅に対応する共振周波数をそれぞれ計算できます。

図4は、5〜25μmの太さの異なるストライプの計算された共振周波数を示しています。この計算では、α は0.03に設定しましたが、これは共振周波数の位置に少し影響を与えました。連続FeCoBSi膜の実験結果から抽出された飽和磁化と有効面内異方性磁場は、1345 emu / cm ³ に設定されました。 それぞれ40Oe [18]。アモルファス磁性膜では、結晶磁気異方性を無視することができ、[20]で実証された共振周波数決定プロセスにおける形状異方性が持つより本質的な役割につながります。したがって、異なる幅のストライプは、ギャップによって維持されるデカップリング効果のために特有の共鳴ピークに寄与するはずであり、理論的にはスペクトルに複数の共鳴ピークをもたらします。さらに、膜厚の増加に伴い、主共振周波数が増加し、異なる幅のストライプ間の周波数差（図4に示されている）が強化されました。したがって、フィルムの厚さが十分に薄い場合、複数の共鳴ピーク間に強いスーパーポジショニング効果があります。その場合、磁気スペクトルの帯域は、顕著な広がりのある挙動を示しました。厚みが増すにつれ、共振周波数の違いがより明確になるため、このような重ね合わせ効果は弱まりました。厚さが110nmを超えると、5 µmなどの特定の幅のストライプの共振周波数は、青い領域が示すように測定範囲外になり、45nmのフィルムと比較してFWHMが小さくなりました。数学的計算に関しても、共振周波数を予測することができます。ストライプの幅とフィルムの厚さを調整することで、実際のアプリケーションに合わせて各共振現象を制御できます。

異なる厚さに依存する異なるストライプ幅の共振周波数の数値計算。青い領域は、セットアップで使用可能な測定周波数範囲（最大6 GHz）を示しています

バンドの広がり効果が、個別のストライプによって引き起こされる独立した共鳴ピークの重ね合わせによるものであるという仮定は、図5のフィッティング結果から明確に理解できます。この仮定を検証するために、シングルストライプパターンフィルムの磁気スペクトルは次のようになりました。同様に計算されます。組み合わせストライプパターンフィルムと比較して、各ストライプの共振周波数は、赤い領域が示すように、組み合わせストライプパターンフィルムのFWHMの範囲内にあり、組み合わせストライプパターンフィルムの広帯域現象は重ね合わせによるものであるという我々の仮定を十分に裏付けています。異なるストライプによって誘発される特有の共鳴ピークの比較。

T と組み合わせたストライプパターンFeCoBSi薄膜の測定および計算された仮想透磁率 =45nmで、幅の異なるストライプの仮想透磁率を計算しました。赤い領域は、組み合わせたストライプパターンフィルムの共振バンド（FWHM）に対応します

結論

結論として、我々は、異なる厚さのストライプパターン化されたFeCoBSiを組み合わせた磁気およびマイクロ波共鳴の特性評価を研究しました。以前のダブルストライプパターンフィルムと比較して、5ストライプパターンのFeCoBSiパターンは、共振帯域（FWHM）をさらに4GHzまで拡張できます。広帯域化現象は、実際のアプリケーションの要件を満たすために、さまざまなストライプの幅と磁性膜の厚さを調整することで制御できます。これは、将来のEMIデバイスで役立つ可能性があります。

略語

EMI：

電磁推論

FWHM：

半値全幅

LLG：

ランダウリフシッツギルバート