Устройство для измерения параметров тонких магнитных пленок Советский патент 1984 года по МПК G01R33/12 

Изобретение относится к технике магнитных измерений и наиболее эффективно может быть использовано при технологическом контроле стати ческих и динамических параметров эпитаксиальных феррит-гранатовых магнитных пленок с цилиндрическими магнитными доменами. Устройства такого типа имеют не достаточную точность измерени, по строение кривой поглощения энергии ДГ ведется, в основном, по точкам и требует больших затрат времени. Кроме того, эти устройства не позволяют измерять такие важные стати ческие параметри ТМП как поле анизотропии и намагниченность насыщения . Известно устройство для определения параметров эпитаксиальных феррит-гранатовых пленок, в которо на исследуемую пленку воздействуют электромагнитным полем с последующим получением спектра ферромагнит ного резонанса при различных ориен тациях оси легкого намагничивания и направления магнитного поля и фи сируют переход доменной структуры феррит-гранатовой пленки из ненасыщенного состояния в насыщенное в области частот 10-100 мГц l. , Однако использование устройства требует сложной и дорогостоящей аппарат.уры, необходимости применен специальных резонаторов, отстройки от сигнала, получаемого от немагнитной подложки, а также характеризуется невозможностью проведения измерений при частотах свыше 100 мГ Наиболее близким к изобретению по техг ической сущности является устройство для измерения параметров тонких магнитных пленок, содержащее соединенные генератор высокой частоты и высокочастотный контур, соед ненные синхронный детектор и регист ратор, генератор низкой частоты, электромагнит, катушку модуляции, расположенную на электромагните, и блок питания электромагнита, причем первый и второй выходы генератора низкой частоты соединены соответственно с катушкой модуляции и опорны входом синхронного детектора, первы и второй выходы блока питания элект ромагнита подключены соответственно к электромагниту и второму вхоЯУ регистратора, а высокочастотный контур расположен в рабочем объеме электромагнита Сз. Недостатками известного устройст ва являются невысокая чувствительность, обусловленная детектированием сигнала непосредственно с датчика; наличие раздельных систем генер ции ВЧ сигнала и его измерения, нал чие ТМП на подложке и отдельно самой подложки. Проведение экспресс-анализа ТМП на такой установке трудноосуществимо, а сама установка конструктивно достаточно сложна. Целью изобретения является повышение точности измерений как динамических, так и статических параметров ТМП. Цель достигается тем, что в устройстве для измерения параметров тонких магнитшь-х пленок, содержащем соединенные генератор высокой частоты и высокочастотный контур, соединенные синхронный детектор и регистратор, генератор низкой частоты, электромагнит, катушку модуляции, расположенную на электромагните, и блок питания электромагнита, причем первый и второй выходы генератора низкой частоты соединены соответственно с катушкой модуляции и опорным входом синхронного детектора, первый и второй- выходы блока питания электромагнита подключены соответственно к электромагниту и второму входу регистратора, а высокочастотный контур расположен в рабочем объеме электромагнита, в качестве генератора высокой частоты использован автодин, выход которого соединен с входом синхронного детектора. Автодин перестраивается в диапазоне 20-200 МГц и совмещает в себе функции генератора высокочастотного сигнала и приемника-измерителя. Предварительные исследования показали, что в отличие от измерений методом ФМР немагнитная подложка, например из галлий-галолиниевого граната, практически не влияет на измеряемые характеристики тонкой магнитной пленки на основе эпитаксиально ВЕЛращенной феррит-гранатовой системы. Это позволяет размещать исследуемую ТМП. непосредственно в высокочастотном контуре автодина и существенно упростить конструкцию установки. Использование автодина для исследования магнитных характеристик веществ известно. Однако область применения таких автодинов обычно ограничена областью частот 1-30 МГц. Выбранный диапазон частот 20-200 МГц обусловлен тем, что-резонанс доменных границ ЦМД имеет место на частотах 50-200 мГц и даже выше. Однако при увеличении верхнего предела частоты автодина болье 200 МГц существенно усложняется его конструкция. Высокая чувствительность и широкая полоса частот генерации применяемого автодина С 20-200 мГц) достигнута за счетприменения в схеме автодина специальных ламп-нувисторов. На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства на фиг. 2 - зависимость поглощения высокочастотной энергии магнитной пленкой от величины магнитного поля на фиг. 3 - зависимость расстройки частоты автодина Дбо /21Г от величины магнитного поля Н„. . Исследуемый образец тонкой магнитной пленки 1 помещен в высокочастотный контур 2 автодина 3, поме щенный между полюсными наконечниками электромагнита 4, который может вращаться вокруг своей вертикальной оси. Генератор 5 низкой частоты служит для питания катушек модуляци магнита, кроме того, с него подается опорное напряжение на синхронный детектор 6. Сигнал поглощения с выхода синхронного детектора 6 поступает на вход -i регистратора 7. Вели чина поля электромагнита задается с блока 8 питания. Кроме того устройство содержит частотомер 9 и катушку модуля.ции 10. Предложенное устройство работает следующим образом. Исследуемый образец тонкой магнитной пленки 1 помещают в высокочастотный контур 2 автодина 3 таким образом, чтобы высокочастотное поле автодина 3 прикладывалось вдол оси легкого намагничивания исследуе мой пленки 1, т.е. перпендикулярно ее плоскости. Измерения проводятся в нулевом поле смещения. Автодин. 3 настраивается на одну из возможных частот, измеряемых- частотомером 9 в диапазоне 20-200 мГц. Регулировко тока с блока 8 питания электромагнита 4 изменяется величина магнитного поля , тем самым изменяется добротность системы высокочастотный контур 2 плюс тонкая магнитная плен ка 1 и получается сигнал на выходе автодина,3, который с выхода автодина 3 поступает на синхроннь й детектор б, на опорный вход которого поступает сигнал с генератора 5, соединенного также с катушкой 10 мо дуляции . С выхода синхронного детек тора сигнал поступает на вход з ре гистратора 7, на вход -Х поступает напряжение с блока 8 питания. В ре гистраторе 7 записывается спектр поглощения высокочастотной мощности, состоящей из двух кривых. в качестве иллюстрации на фиг.2 представлен спектр поглощения эпитаксиальной феррит-гранатовой системы (Ео , Т|т, Y, Са) (Ре, С,е ) О j толщиной 2,5 мкм. Участок 11 кривой соответствует резонансу доменных границ, а участок 12 - переходу пленки в однодоменное состояние, т.е. эффективному полю анизотропии Н Нд - 45 Мд. Участок 11 имеет сильную зависимость от частоты автодина 3 в диапазоне частот 20200 МГц, а участок 12 в указанном диапазоне от частоты не зависит. Устройство позволяет одновременно определять как динамические, так и статические параметры ТМП. Определение параметров магнитной пленки 1 по измеренному спектру поглощения осуществляется следующим образам. По первому участку кривой можно судить о резонансном поле Н ipgj, ширине линии поглощения йН (расстояние между экстремумами первой производной) и коэффициента затухания cL Н 2Нрез Поворачивая электромагнит 4 во-о круг своей оси (относительно нормали к поверхности пленки) и записывая соответствующие спектры поглощения можно определить магнитную анизотропию в плоскости пленки 1. Для определения намагниченности насыщения необходимо приложить высокочастотное поле параллельно оси легкого намагничивания пленки и параллельно внешнему магнитному полю , создаваемое электромагнитом 4. Изменяя магнитное поле и изменяя тем самым магнитное состояние образца, изменяется индуктивность системы пленки 1 плюс высокочастотный контур 2, что находит свое выражение в расстройке частоты автодина 3 с изменением внешнего магнитного поля и можно судить о поле коллапса Н и поле эллиптической неустойчивости 1(фиг.З), знание которых дает возможность определить 47JM5 . Время записи спектра поглощения на одной заданной частоте составля-. ет не более двух минут.

УСТРОЙСТЮ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК, содержащее соединенные генератор высокой частоты и высокочастотный контур,, соединенные синхронный детектор и регистратор, генератор низкой частоты, электромагнит, катушку модуляции, расположенную на электромагните, и блок питания электромагнита, причем первый и второй выходы генератора низкой частоты соединены соответственно с катушкой модуляции и опорным входом синхронного детектора, первый и второй выходы блока питания электромагнита подключены соответственно к электромагниту и второму входу регистратора, а высокочастотный контур расположён в рабочем объеме электромагнита, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в качестве генератора высокой частоты использован автодин, выход косл торого соединен с входом синхронного детектора. 00 оо

0.12

0.8

I

TJ

0.4

ff80 720 Н„л.9

ал, Нк .

°Фиг.З