铁磁合金Co-Fe-C薄膜器件的制作方法

本实用新型涉及一种同时具有高磁致伸缩系数、低能量衰减系数和高热稳定性的铁磁合金薄膜器件，在电子学领域具有广泛应用的潜力，属于电子学和材料工程领域。

背景技术：

近年来，寻找具有优异性能的铁磁合金材料一直是一个颇具挑战的课题。新型磁性器件的发展，要求铁磁材料同时具备多项优异的性能，推动了相关的结构和材料领域研究工作的开展。早在上世纪70年代，传统的双元铁磁合金材料nixco1-x,nixfe1-x和coxfe1-x就已展开，但是磁性器件的发展需要材料能够实现工业化尺度、各向同性、纳米级别平整度的薄膜生长。研究发现，在双元铁磁合金材料的背底中掺入少量非金属元素有助于大尺度平整薄膜的生长。其中，铁磁非金属合金co-fe-b薄膜因为具有完美的软磁性、极高的自旋极化率、可控制的磁各向异性、极其容易的工业化尺度生长在自旋电子学领域成为“明星材料”。然而，co-fe-b合金薄膜性质热稳定性并不高，超过350摄氏度的高温工作环境或者制备过程中的热退火对合金性质的破坏极其显著，这对磁性器件要求长时间工作在电流、电压环境下是非常不利的。之前，有研究人员在co-fe-b/mgo的复合结构中，通过更换缓冲层和表面层的材料，实现了器件热稳定性的提高。但是他们并没有考虑更换合金层材料来提高器件的热稳定性。

同时，铁磁非金属合金co-fe-b薄膜的磁致伸缩系数和能量衰减系数也并不优异。co-fe-b薄膜的磁致伸缩系数的典型值是20百万分之一，与优异的体系(如hunter等人在退火co-fe合金薄膜中测量到的)相比相差一个数量级。不够优异的磁致伸缩系数限制了薄膜在磁电耦合器件应用中机械能和磁能之间的转换效率。而通过设计co-fe-b合金薄膜器件的结构，能量衰减系数可以改进到0.004，但与磁性氧化物y3fe5o12体系相比依然相差巨大。因此，薄膜在微波器件中能量传递的效率和灵敏度是受限的。值得注意的是，现有的合金材料中，磁致伸缩系数，能量衰减系数和热稳定性也许会有某一个系数表现得特别优异，但没有材料体系可以同时优异。

因此，寻找一种比co-fe-b合金薄膜性质更加优异的，尤其是找到三大系数同时优异的合金材料是非常迫切和需要的。

技术实现要素：

本实用新型要克服现有技术的上述缺点，提供一种铁磁合金co-fe-c薄膜器件。

本实用新型在铁磁非金属合金co-fe-c薄膜体系中，寻找同时具有高磁致伸缩系数、低能量衰减系数和高热稳定性的最优成分比，并以此为基础做成器件。

本实用新型提出的铁磁合金co-fe-c薄膜器件，由作为表面层的第一钽层、合金层、作为缓冲层的第二钽层、氧化硅层和硅衬底层组成；所述的第一钽层、合金层、第二钽层、氧化硅层和硅衬底层由上而下依次重叠，其中所述的第一钽层的厚度为5纳米，所述的合金层的厚度为20纳米，所述的第二钽层的厚度为5纳米，所述的氧化硅层为自然氧化层2纳米，所述的硅衬底层的厚度为0.2和0.5毫米。

上述铁磁合金co-fe-c器件，进行磁致伸缩系数测量需要加工成30×3×0.2mm³(长×宽×厚)的长条形状，进行能量衰减系数测量需要加工成6×5×0.5mm³(长×宽×厚)的长方形状。

上述器件中，所述的硅衬底层是[001]取向，单面抛光，电阻率1-100欧姆×厘米，表面自然氧化没有做任何特殊处理的单晶硅。

本实用新型找到的具有最优成分比的铁磁合金co-fe-c薄膜器件，本实用新型的优点是：测量得到的磁致伸缩系数达到75百万分之一，是广泛使用的co-fe-b合金的3倍之多，这在磁电耦合器件应用中可以大幅提升机械能和磁能的转换效率；测量得到的能量衰减系数达到0.002，是co-fe-b合金的一半，这在自旋电子学器件应用中可以更有效的节省能耗，提高灵敏度；测量得到的热稳定性达到500摄氏度，远高于co-fe-b合金的200-300摄氏度，使器件在高温、热退火或者大电流条件下能更稳定的工作。

附图说明

图1是本实用新型提出的同时具有高磁致伸缩系数、低能量衰减系数和高热稳定性的铁磁合金薄膜co-fe-c器件的侧视图。

图2～图4是不同碳元素含量下的铁磁合金co-fe-c薄膜器件的高分辨率电子显微镜照片。

图5是对本实用新型的器件进行磁致伸缩系数测试的装置示意图，左边是顶视图，右边是侧视图。

图6是本实用新型的器件在室温下，沿长条方向进行磁致伸缩系数测量时，器件的饱和磁致伸缩系数随co-fe-c合金层碳含量的变化关系。

图7是对本实用新型的器件进行能量衰减系数测试的装置示意图。

图8是本实用新型的器件在室温下，沿长方向进行能量衰减系数测量时，器件的能量衰减系数随co-fe-c合金层碳含量的变化关系。

图9是当器件中co-fe-c合金层分别含碳0％、4.4％和13.2％时，进行不同退火温度处理后的能量衰减系数测试结果。

图1、图5和图7中，1是第一钽(ta)层，2是铁磁合金(co-fe-c)层，3是第二钽(ta)层，4是自然氧化的氧化硅层，5是单晶硅衬底层，6是磁致伸缩测量仪中固定样品的夹子，7是长条状的器件，8是传感器聚焦在器件一端的激光光点，9是线圈电磁铁，13是宽频带铁磁共振系统中的宽频微波源，14是铁磁共振系统的线圈电磁铁，15是共面波导管，16是长方状的器件，17是锁相放大器用来测量吸收后的微波信号。

具体实施方式

本实用新型提出的同时具有高磁致伸缩系数、低能量衰减系数和高热稳定性的铁磁合金co-fe-c薄膜器件，其结构如图1所示，由第一钽层1、合金层2、第二钽层3、自然氧化层4和硅衬底层5组成；所述的第一钽层1、合金层2、第二钽层3、自然氧化层4和硅衬底层5由上而下依次重叠，其中所述的第一钽层1的厚度为5纳米，所述的合金层2的厚度为20纳米，所述的第二钽层3的厚度为5纳米，所述的自然氧化层4厚度为2纳米，所述的硅衬底层5的厚度为0.2和0.5毫米。

本实用新型提出的同时具有高磁致伸缩系数、低能量衰减系数和高热稳定性的铁磁合金co-fe-c薄膜器件，其制备过程可以采用超高真空磁控溅射系统，包括以下各步骤：

(1)购买取向[001]，单面抛光，电阻率1-100欧姆×厘米，p型，厚度为0.5和0.2毫米的两种单晶硅片，并加工成硅衬底层5，使衬底层5的尺寸为长(沿[100]方向)×宽(沿[010]方向)×厚(沿[001]方向)等于30×3×0.2毫米³和6×5×0.5毫米³。

(2)采用磁控溅射方法，在硅衬底5的自然氧化层4表面上生长作为缓冲层的第二钽层3，磁控溅射的工艺参数为：在室温下使用超高真空系统，将背底真空抽至10^-6pa以下，使用纯度99.99％的ta靶材，直流30瓦特进行磁控溅射生长150秒。

(3)采用磁控溅射方法，在上述第二钽层3上面原位生长20纳米的合金层2，磁控溅射的工艺参数为：在室温下使用超高真空系统，将背底真空抽至10^-6pa以下，同时使用纯度99.99％的co0.5fe0.5和c的靶材，维持直流30瓦特在co0.5fe0.5靶上，射频60～70瓦特在c靶上，联合溅射生长大约20分钟。

(4)采用磁控溅射方法，在上述合金层2的表面生长作为保护层的第一钽层1，磁控溅射条件同上述第二钽层3。

本实用新型提出的同时具有高磁致伸缩系数、低能量衰减系数和高热稳定性的铁磁合金co-fe-c薄膜器件，采用磁控溅射方法在[001]切向、单面抛光、具有自然氧化层4的硅衬底5上生长缓冲层金属钽(ta)3、co-fe-c功能层2和表面层金属钽(ta)1。具有类似表面粗糙度的其他相似材料如al2o3、石英等，也可以用作衬底。co-fe-c功能层2中的碳元素含量由射频功率大小决定，本实例中运用60～70瓦特可以实现碳掺杂5％左右，可以根据设备具体条件自行调整。本实用新型利用自行研制的磁致伸缩测量仪(图5)和宽频带铁磁共振(fmr)系统(图7)进行磁致伸缩系数和能量损失系数的测量。此外，合金薄膜的热稳定性是将器件放在密封的管式炉中，以5摄氏度/分钟的升温和降温速度，高纯度氩气保护环境下高温100～500摄氏度退火一小时后，冷却到室温再次进行能量衰减系数测量得到的。

根据本实用新型，硅衬底层5的尺寸：以长(沿[100]方向)×宽(沿[010]方向)×厚(沿[001]方向)30×3×0.2毫米³适合磁致伸缩系数的测量；以长(沿[100]方向)×宽(沿[010]方向)×厚(沿[001]方向)6×5×0.5毫米³适合能量衰减系数的测量；可以根据实用需要合理改变。根据本实用新型，自然氧化层4可以根据实际需要加厚到2～20纳米。根据本实用新型，co-fe-c合金层2的厚度可在10～50纳米之间，以20纳米为宜。根据本实用新型，厚度可在2～40纳米范围内的金属钽(ta)长在合金层之下和之上，以5纳米为宜，作为缓冲层3，是增加合金层在衬底上的附着力，作为表面层1，是防止其中磁性元素co、fe被氧化。

以下介绍本实用新型的实现过程：

首先，制备同时具有高磁致伸缩系数、低能量衰减系数和高热稳定性的铁磁合金co-fe-c薄膜器件。

购买取向[001]、单面抛光的单晶硅衬底，将衬底加工成尺寸为长(沿[100]方向)×宽(沿[010]方向)×厚(沿[001]方向)等于30×3×0.2毫米³和6×5×0.5毫米³两种衬底。利用超高真空磁控溅射方法，在硅衬底的自然氧化层4上生长缓冲层金属钽(ta)3，磁控溅射的工艺参数为：在室温下使用超高真空系统，将背底真空抽至10-⁶pa，使用纯度99.99％的ta靶材，直流30瓦特进行磁控溅射生长150秒，厚度5纳米。然后，通过相同的超高真空磁控溅射装置，在co0.5fe0.5和c靶材上分别使用直流30瓦特和射频60～70瓦特联合溅射生长合金层co-fe-c2大约20分钟，厚度20纳米。最后用和生长缓冲层金属钽(ta)相同的方法生长表面层金属钽(ta)15纳米，其结构如图1所示。

图2～图4是利用高分辨电子显微镜对含有不同量碳元素的器件横截面进行结构分析的结果。当器件中不含碳元素时，合金层2的衍射图案是点阵，说明合金层是结晶薄膜(图2)。当器件中含碳元素13.2％时，合金层2的衍射图案是光斑，说明合金层是非晶薄膜(图4)。而当器件中含碳元素4.4％时，合金层2的衍射图案是一些圆环，说明合金层是中间型薄膜(图3)。

其次，测量上述器件的磁致伸缩系数、能量衰减系数和热稳定性。

如图5所示，将尺寸为30×3×0.2毫米³的器件7放入磁致伸缩测量仪中，用夹子6固定器件7的一端，而将器件7的自由端置于线圈电磁体9的中心。先用磁场强度5000奥斯特的磁铁沿长条状方向饱和磁化器件7，然后撤去磁场，再沿着短条状方向慢慢增加交流磁场的强度，用传感器聚焦的激光光点8监测自由端的光反射位置的变化，通过测量得到的位移变化可换算得到器件7的磁致伸缩系数。如图6所示，表示为合金层2中含有不同量的碳元素时，器件7所具有的磁致伸缩系数。而根据高分辨电子显微镜分析结果，不同量碳元素可以划分为3个区域，结晶薄膜区10、非晶薄膜区12和中间型薄膜区11。含量为5％左右的中间型薄膜，系数是最优的。

如图7所示，将尺寸为6×5×0.5毫米³的器件16正面朝下放在共面波导管15上，放在宽频带铁磁共振系统的线圈电磁体14的中心，设置沿短边长施加的直流磁场慢慢从3000奥斯特降低到0，此时由宽频微波源13产生的微波信号流经共面波导管15后，由锁相放大器17接收。监测流经共面波导管15中不同频率的微波吸收情况，要求测量至少6个不同频率的微波吸收情况。整理不同频率微波的吸收峰宽，做线性拟合可得到器件16的能量衰减系数。如图8所示，表示为合金层2中含有不同量的碳元素时，器件16所具有的能量衰减系数。含量为5％左右的中间型薄膜，系数是最优的。

将上述的30×3×0.2毫米³和6×5×0.5毫米³的器件7和16，以5摄氏度/分钟的升温和降温速度，在高纯度氩气保护环境下高温100～500摄氏度退火一小时后，冷却到室温然后继续上述的能量衰减系数测量，就可以得到不同退火温度后的规律。比较合金层2中含有不同量的碳元素时，能量衰减系数随退火温度变化的规律，就能发现热稳定性的差异。如图9所示，碳元素含量在5％左右的中间型薄膜，热稳定性是最优的。

综上所述，碳元素在5％左右的中间型co-fe-c合金薄膜器件具有比co-fe-b合金薄膜更优的磁致伸缩系数、能量衰减系数和热稳定性，这对于应用具有重大意义。

本实用新型制备的co-fe-c合金薄膜器件在合金层2含碳元素5％左右时具有最优性能的原因如下：

合金材料的纳米结构对材料自身在电场或磁场作用下的机械响应影响巨大，表现为当材料内部出现多种结构相混合时，机械响应反馈特别明显。这是因为结构相界面触发的界面能能提升材料自身的机械响应系数，而在co-fe-c体系中，5％掺杂是提升界面能最大的掺杂量。合金材料的能量衰减系数和材料费米面附近的自由电子数有关，计算发现，5％掺杂是材料费米面附近自由电子数最少的掺杂量。而较高的热稳定性与材料自身的热弛豫系数较低有关。这三个性质的最优值可以在同一成分的合金薄膜中实现，对合金薄膜在磁电耦合器件和自旋电子学器件的应用中有重大意义。本说明书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也及于本领域技术人员根据本实用新型构思所能够想到的等同技术手段。