第六章 稀土磁泡材料

第六章 稀土磁泡材料

6.1 磁泡材料的构造和特性

磁泡材料是指在一定外加磁场作用下具有磁泡畴结构的磁性薄膜材料。当外加磁场增加到某一程度时，磁性晶体的一些磁畴便缩成圆柱状，其磁化强度与磁场方向相反，在外磁场作用下可以移动，像一群浮在膜面上的小水泡(称为磁泡)。泡的存在与否对应于信息存贮中的“1”和“0”即可作为存贮器使用。

磁泡存贮器的载体是一磁化矢量垂直于膜面的磁性薄膜，用光刻的方法将坡莫合金薄膜作成适当的形状(如T-I棒)，在平面磁场的驱动下可使磁泡做发生(记录)、传输、分裂、消灭(擦除)和读出等动作，以此来实现磁泡的记录和检测信息的功能。用磁泡作存贮器件的设想是1967年由美国贝尔实验室提出的，它的特点是无机械活动零件、完全固体化、可靠性高，体积小、质量轻，与半导体存贮器相比，具有非易失性，抗辐射、耐恶劣环境、很少需要维修等优点。国外磁泡存贮器已用在军用微机、飞行记录器、终端机、电话交换机、数控机床、机器人等方面。特别是用其制作的记录器，可靠性大为改善，因此解决了卫星、火箭发射和飞行过程中记录器易出故障的问题。中国也将磁泡器件用在导弹飞行记录器中。

作为小型便携式存贮系统，磁泡存贮器具有得天独厚的长处，但由于在记录密度和存取速度上不敌磁盘和以后发展起来的光盘，它的应用范围只限于军事、航天和电子交换机等方面，芯片的容量为4Mb。可用作磁泡的材料主要有石榴石型稀土铁氧体系、Tb-Fe系、Cd-Co系非晶磁膜、钙钛石型铁氧体系等。 一、磁泡的构成：

磁泡(Magnetic Bubble)是在磁性薄膜中形成的一种圆柱形磁畴。下图给出了垂直磁化膜中磁畴与偏置磁场的关系。在膜面垂直方向易磁化轴的铁磁性薄片上不加外磁场HB时，形成图6-1(a)所示的磁畴方向向上和向下的迷宫状结构。外加磁场HB时，与磁场同向的磁畴因在能量上稳定，逐渐长大，而反向磁畴却变小[图6-1 (b)]。如果HB进一步加大，则在某一范围内，会形成孤立的圆柱状磁畴[图6-1 (c)]，这就叫磁泡。磁场更进一步增大时，磁泡逐渐变小，当外磁场达到某一强度时，HB稍微增加，磁泡会突然消失。

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图6-1 垂直磁化膜中磁畴与偏置磁场的关系

二、磁泡的特性

磁泡存贮器是用磁泡薄膜材料做成的，要求具有一定的特性， 以便在一定偏置直流磁场作用下，形成数目很多、比较稳定的 磁泡。

表征磁泡材料的特性主要有两个参数，即品质因子（Ｑ）和材 料特征长度 （ｌ）。 品质因子 Q?KU ?1 （式6-1）22?MS材料特征长度 l??W/(4?Ms2) （式6-2） 式中，KU为磁各向异性；Ms为饱和磁化强度；σw为畴壁能（?W?4KUA，A为交换积分常数）。

最佳磁泡直径(d)和薄膜厚度（h）分别与特征长度（l）的关系为：d=8l和h=4l（为了增大磁泡的检出信号，一般取h=8l）。

表征磁泡动的特性也有两个参数，即磁泡迁移率μＷ （单位磁场下的平面畴壁的移动速度）和材料临界速度ＶＰ。其表达式分别为： 磁泡迁移率 ?W???A （式6-3） KU材料临界速度 VP?24?A/(hKU) （式6-4） 式中，Ａ为交换积分常数；α为阻尼系数；γ为旋磁比。

由于磁泡是在一定外加恒磁场条件下才形成的，其最低值和最高值分别用H2和H0 表示，两者相差几百安每米为佳，但对于一个薄膜来说，H0 值偏差不能超过1/10Ms。为减小驱动磁场和功率，希望磁泡畴壁矫顽力低。另外，要求磁泡在外界驱动磁场作用下运动要快，这就要求畴壁的迁移率μＷ 要大，以提高磁泡传输信息的速度，一般在8×103～8×104cm/(s·A/m）。综合上述特性可以看出，材料的KU、A和MS 都要适当，并要求薄膜的厚度h小，这样才能使泡径小 （d≌2h），磁泡稳定，运动较快。除此，还要求磁泡各磁参量对温度、时间、振动等环境因素的稳定性要高。石榴石铁氧体是比较实用的磁泡薄膜材料，其次是六角铁氧体。

几种典型磁性石榴石材料的组成及其特性见表6-1。

表6-1 典型磁性石榴石材料的组成及特性

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6.2 磁泡材料应具备的条件

作为磁泡材料，关键是能实现垂直磁化，且磁泡容易反转，其应具备如下条件：

（1） 作为垂直磁化的条件，要求垂直单轴磁各向异性能K⊥应分别满足：

K??2MS2?0 (式6-5)

（2）磁泡的直径要小，磁学特性与温度相关性要小。同时要求材料晶格缺陷要小，且为透明膜。磁泡直径 d 与外加磁场强度有关，而其最小直径决定与材料自身的磁学特性，即与材料的自发磁化MS和畴壁能σw有关：

d?2?W (式6-6) 2?MS（3）磁泡的迁移率要比较大。由式?w?2?aA知，为提高磁泡的迁移率，KU1材料的K⊥不宜过大。同时，若材料的 K⊥值过大，还会导致磁泡直径大，不利于高密度记录，因此必须探求最佳磁学特性的范围。

6.3 磁泡材料

磁泡材料主要有单晶石榴石外延薄膜和非晶态合金薄膜两种类型，目前使用的是单晶石榴石外延膜，其基片是非磁性的GGG（Gd3Ga5O12：钆镓石榴石）。 最早曾用正铁氧体（REFe3：RE为Y或La～Lu的稀土元素，亚铁磁体）做磁泡材料，但由于磁矩很低，以致泡径大到100μm，无法达到高密度。另外，正铁氧体是弱铁磁性材料，因此，成分可调范围小，难以生长无缺陷的大单晶。更不利的是缺乏合适的衬底，制作正铁氧体外延膜尤为困难。另外，六角晶系铁氧体虽具有单轴各向异性，但由于畴壁迁移率很低，因而数据传输速率极低，所以不能采用。

直到1970年初，博贝克等人发现了石榴石（M3Fe5O12）具有感生单轴各向异性，这为磁泡技术的发展开辟了广阔的前景。几十年来，对石榴石磁泡材料进行了大量的试验和研究，其中包括探讨小泡径材料，以提高存储密度；提高畴壁迁

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移率，以便提高数据传输速率；同时改善温度系数以满足应用的要求。目前常用的材料有：(EuEr)3(FeGa)5O12，(EuY)3(FeGa)5O12，(SmY)3(FeGa)5O12，(YSmLuCa)3(FeGe)5O12等。通用的磁泡外延膜材料有四个系列，而最通用的是 Ca-Ge系列，调整组分元素和元素摩尔比，可以获得不同泡径和不同性能的材料。表6-2中汇总了以YIG为主开发的各种磁性石榴石的泡径、饱和磁感应强度、膜厚等有关数据。图6-2中分组表示不同磁泡材料的适用范围。 表 6-2 磁性石榴石系磁泡材料及磁泡直径

1973年发现了非晶态磁泡材料，泡径约在0.08～5μm 之间，畴壁迁移率为61.5～376.9cm/s?A/m。这种材料适合制造高密度，高操作速度的磁泡存贮器。因为是非晶态，所以制作薄膜时无需单晶基片，并省去了单晶生长、切割、研磨、抛光等大量繁琐的工艺，同时降低了成本。然而非晶态磁泡材料有温度性能差的明显缺点，所以很难用此种材料制作磁泡器件。

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图 6-2 不同磁泡材料的适用范围

6.4 磁泡器件的制作

磁泡存储器和半导体集成电路制作工艺类似。制作时先制备基片，在基片上外延生成一层石榴石单晶膜，然后蒸发、光刻磁路和导体做成芯片，进而组装成器件，其工艺流程如图6-3所示。下面着重介绍GGG单晶的生长、基片的制备以及磁泡外延膜制备技术。

图 6-3 制备磁泡器件的工艺流程

1．GGG单晶的生长

要获得理想的磁泡器件，必须要有好的GGG单晶作磁泡基片材料。一般对它有严格的要求：

平均晶格常数12.382±0.001?； 横切面晶格常数变化<0.0005?； 无内核； 无包杂；

位错密度<5个/cm2； 直径变化<1%；

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直径一般应不小于25mm。

为了生长出满足上述要求的GGG单晶，最重要的是单晶炉的热稳定性和机械稳定性要好，使得在整个比较长的生长周期内保持最佳的生长条件，生长出的单晶一致性和重复性好。一般采用自动控制方法生长GGG单晶。此外，为了获得缺陷密度低的晶体，原料的质量也有一定的要求，Ga2O3的纯度至少应为99.999%，Gd2O3应为99.99%，其中二价杂质应在百万分之一至五的范围内，并且单晶生长应在净化房间内进行。 2．GGG基片制备

要把GGG单晶加工成单晶薄片，薄片必须表面高度平整、表面粗糙度小于Ra 0.008μm、无损伤，还要有合适的厚度（约 0.4mm），否则将会带来不良的影响。如果 GGG 薄片表面上存在划痕，会引起外延膜的不连续，并引入大量的缺陷。表面不平，将使光刻掩膜不能很好地与基片保持平行，造成光刻图形畸变，从而在大面积光刻中严重影响精度，造成套刻失败。基片厚度不合适，会造成工艺上一系列的困难。

GGG 单晶薄片制备工艺基本上与硅单晶片相同，只是化学机械抛光和退火等有所差异。

化学机械抛光所用抛光剂一般用硅胶抛光膏，也可以用硅材料生产废液或水玻璃加入适量的盐酸配制。pH 值约 10，抛光盘转速为 50～100r/min，被抛光压强为 100～300g/cm2，给抛光料速度1滴/秒。退火时，将GGG单晶片放在铂金舟中，在空气中以200℃/h升温至1200℃，保温3h，然后以200℃/h降温至400℃，然后随炉冷至室温。 3．磁泡外延膜制备

在获得质量好的基片后，就可以生长磁泡外延膜。图6-4和图 6-5 分别给出了化学气相沉积（CVD）外延法和液相外延法（LPE）的示意图。目前多采用 LPE 技术外延制备单晶磁性石榴石膜。在图 6-6所示Fe2O3-YFeO3系相图中，ACB所示区域液相与YIG共存。使其处

于饱和温度TS下，经一段时间的搅拌达到饱和，从该状态慢慢冷却到晶体生长温度Tg，过冷度为ΔT＝TS－Tg，在基板旋转的同时，浸入熔融液体中，开始外延生长。控制旋转速度及基板水平度，可获得膜厚均匀的石榴石膜。由于该方法是在熔点以下的低温进行生长，可以获得晶体缺陷很少的优质单晶膜。

图 6-4 化学气相沉积（CVD）外延法

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图6-5 液相外延法

图 6-6 模式化的 Fe2O3+YFeO3相图

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