автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Магнитооптический метод метрологического контроля изделий и его применение в технологии твердотельных приборов

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ РАДИ ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 538.61

I ТОПОРОВ_АНДР.ЕЙ.Ю£ЬЕВИЧ

МАГНИТООПТИЧЕСКИЙ МЕТОД МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ 8 ТЕХНОЛОГИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ

ПРИБОРОВ

( 05.27.01-твердотельная электроника и микроэлектроника )

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена на кафедре "Электроника конденсированных сред" Московского государственного института радиотехники, электроники и автоматики (Технического университета)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор A.C.Сигов.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.К.Звездин. доктор физико-математических наук, профессор В.Л.Преображенский.

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский

институт "Волна".

Защита состоится ,Я-^иа заседании специализированного Совета

Д 063.54.03 при Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (Техническом университете) по адресу: 117454, г. Москва, проспект Вернадского 78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА (ТУ).

Автореферат разослан " "_1995 г.

Ученый секретарь

специализированного Совета: кандидат химических наук,

В.И.Сайтов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из важнейших задач технологий производства изделий и приборов была и остается проблема обеспечения метрологического контроля. На решение этой проблемы ежегодно во всем мире затрачиваются значительные материальные средства, над разработкой новых, более совершенных методов метрологического контроля трудятся многие разработчики и специалисты.

С ростом сложности современных приборов, с повышением требований, предъявляемых к этим приборам, растут и требования, предъявляемые к методам исследования их качества. Появление микро- и нанотехнологий нового поколения заставило создавать контрольно-измерительную аппаратуру, соответствующую требованиям сегодняшнего дня.

Рассматривая метрологические проблему полупроводниковой электроники необходимо выделить как одну из важнейших задачу контроля распределения тока по проводникам в микросхемах. Имеющиеся методы контроля не всегда позволяют решать эту задачу. Не решена проблема экспресс-контроля однородности намагниченности постоянных магнитов. Все это заставляет вести работы по созданию новых методов метрологического контроля, а также по улучшению характеристик имеющихся приборов.

3 последние годы в метрологии получили широкое распространение магнитооптические (МО) методы и приборы, основанные на использовании эффектов Фарадея и Керра, т.е. на зависимости оптических свойств ряда материалов от величины окружающего магнитного поля. Это объясняется относительной технической простотой, высокой информативностью, безинерционностью и неразрушающим характером измерительных приборов, использующих МО эффекты. С помощью МО методов возможны не только измерение и визуализация магнитных полей, оценка дефектов изделий из ферромагнетиков, но и измерение электрических токов и контроль распределения токов по проводникам.

Достоинством МО методов измерения и контроля является их высокая чувствительность к магнитному полю. 8 частности, использование в качестве магниточувствительных материалов ферромагнетиков на основе железо-иттриевого граната, активированного ионами висмута, для которых наблюдается явление аномального увеличения эффекта Фарадея, приближает МО сенсоры магнитного поля по чувствительности кСКВИД-магнетометрам. Кроме того, МО методы характеризуются высоким пространственным разрешением. Поскольку зондирующим инструментом в этих методах является пучок света, то разрешение, определяемое длиной волны света и используемой оптикой .аказктартгя гюгггаточным для измерения магнитных полей, локализованных в весьма малых объемах. Все это заставляет считать МО метод и основанные на нем приборы перспективними при использовании их для контроля изделий электронной и электротехнической промышленности.

К сожалению, до последнего времени МО метод не применялся в метрологии полупроводниковой электроники и изделий электротехнической промышленности. Это связано с тем, что, с одной стороны, известные на сегодняшний день МО материалы не были испытаны на применимость их в

метрологии микросхем и транзисторов, т.е. не было изучено их поведение в высокочастотных электромагнитных полях, не были оценены пространственное разрешение и чувствительность, достигаемые с их помощью в измерениях. С другой стороны, не были разработаны конструкции приборов, которые позволяли бы фиксировать малые магнитные поля (соответствующие малым токам в микросхемах), локализованные в достаточно малых областях. Решение этих задач и составило содержание настоящей работы.

Актуальность поставленной в работе задачи определяется практической важностью решения проблемы контроля изделий микро-, ВЧ- и С8Ч-электроники, а также контроля качества постоянных магнитов и ферритов, для которыхсоздание и определение однородности магнитного потока становится все более важной проблемой.

Следует отметить, что методы и приборы для измерения и визуализации малых локальных магнитных полей могут оказаться полезными и при расшифровке данных, записанных на магнитной ленте "черного ящика", подвергнутого воздействию высоких температур при авиакатастрофах, когда носитель частично размагничивается. И, наконец, полученные в результате выполнения этой работы технические решения могут оказаться полезными для биологии и медицины благодаря возникающей при использовании магнитооптики возможности регистрации магнитной активности живых организмов. Известно, что нервное волокно является своего рода электрическим проводником, по которому распространяется сигнал возбуждения. Возможность оценивать параметры этого сигнала непосредственно связана с решением задачи, поставленной в работе, а именно, измерением и визуализацией слабых и ультраслабых магнитных полей с источниками, локализованными в микрообъемах и в широком диапазоне частот.

Целью работы являлось создание МО методики и основанных на ней приборов для визуализации и топографирования магнитных полей в широком интервале величин напряженности и частоты, включая магнитные микрополя и поля, локализованные в микрообъемах.

Задачи исследования. Для выполнения поставленной цели требовалось: -выбрать схему МО измерений и подобрать магнитоактианый материал, обеспечивающие высокое пространственное разрешение и магнитную чувствительность в широком диапазоне частот;

-определить структуру магнитной анизотропии и режимы использования магнитоактивных материалов, обеспечивающие максимальную магнитную восприимчивость и скорость перемагничивания;

-разработать методики и приборы для измерения магнитной анизотропии, коэрцитивности, дисперсии анизотропии и магнитной чувствительности выбранных (специально изготовленных) МО пленок, а также изучить влияние воздействия дополнительных смещающих полей на магнитную восприимчивость и скорость перемагничивания;

-выбрать (разработать) оптимальные схемы поляриметрических измерений, оптического зондирования МО пленки и цифровой обработки оптического изображения.

Научная новизна работы. ■

Теоретически рассмотрено влияние констант магнитной анизотропии 4-го и 6-го порядков на магнитную восприимчивость магнетиков. Показана возможность обращения а нуль поля насыщения магнетика при ненулевых константах кубической анизотропии.

Экспериментально изучены МО свойства Bi-содержащих феррит-гранатовых пленок на подложках из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) с ориентацией (111) и легкоплоскостной анизотропией.

Определена зависимость характеристик перемагничивания Bi-содержащих феррит-гранатовых пленок от величины смещающего поля.

Установлена зависимость магнитной восприимчивости изученных пленок от величины магнитных полей смещения.

Экспериментально исследованы временные характеристики перемагничивания легкоплоскостных Bi-содержащих феррит-гранатовых пленок. Показано, что механизм перемагничивания хорошо описывается моделью "вязкого потока". Использование данной модели позволило установить взаимосвязь между временем перемагничивания пленок и величинами управляющих и подмагничивающих полей.

Практическая значимость работы

Результаты работы послужили основой для создания ряда новых методов и устройств для исследования магнитных свойств материалов МО способом. В частности, разработаны метод и устройство для исследования характера анизотропии МО пленок, метод и устройство для измерения коэрцитивное™ таких пленок, устройство для определения магнитной восприимчивости и исследования магнитного затухания пленок.

В результате комплекса научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ созданы лабораторный вариант устройства для МО визуализации магнитных микрополей в широком диапазоне частот, которое может быть использовано для контроля изделий твердотельных технологий, и прибор для визуализации сильных магнитных полей, который может быть использован для контроля однородности намагничивания постоянных магнитов, а также дефектоскопии изделий из ферромагнитных материалов.

Разработанные схемы оптического сканирования с автоматической коррекцией нелинейности отклонения светового луча электродинамических сканеров и компьютерным формированием оптического изображения позволили создать сканирующий компьютерный микроскоп и его модификации широкого спектра применения, включая дактилоскопию и криминалистические исследования.

Апробация работы. Основные результаты выполненной работы докладывались и обсуждались на XII Всесоюзной школе-семинаре "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Новгород, 1990 г.); на XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.Петербург, 1991 г.); на VI Международной конференции по ферритам (Токио, 1992 г.); на V и VI Международных Объединенных конференциях "МММ-Интермаг" (Питтсбург, 1991 г., Нью-Мексико, 1994 г.); на Международных конференциях "Интермаг-92" и "Интермаг-95" (Ст.Луис, 1992 и Сан Антонио, 1995 г.); на 37-й и 38-й Ежегодных конференциях по магнетизму и магнитным материалам (Хьюстон, 1992 г., Миннеаполис, 1993 г.), на Международном

симпозиуме по нелинейным электромагнитным системам (Кардифф, 1995 г.), на Межотраслевой научной конференции "Контрольно-аналитическое аппаратурное обеспечение в различных отраслях промышленного производства" (Москва, 1995 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа: 9 статей и 12 тезисов докладов.

Основные защищаемые положения. На защиту выносятся: -теоретический анализ влияния констант кубической анизотропии на магнитную восприимчивость магнетиков;

-совокупность экспериментальных результатов изучения магнитной восприимчивости легкоплоскостных В1-содержащих феррит-гранатовых пленок на подложках из ГГГ, обосновывающая возможность резкого повышения восприимчивости за счет наложения на пленку дополнительного смещающего магнитного поля;

-установление на основе использования модели "вязкого потока" аналитической зависимости скорости перемагничивания В'|-феррит-гранатовых пленок с анизотропией типа "легкая плоскость" от величин управляющих и подмагничивающих полей;

-совокупность экспериментальных результатов исследования характеристик перемагничивания легкоплоскостных В1-содержащих феррит-гранатовых пленок, обосновывающая возможность резкого уменьшения времени перемагничивания пленок при реализации режима перемагничивания однородным вращением вектора намагниченности;

-способ определения типа и величины магнитной анизотропии МО пленок;

-способ определения коэрцитивности пленок МО материалов;

-способ исследования магнитного затухания МО пленок;

-схема оптического сканирования микро- и макрообъектов с автоматической

коррекцией нелинейности отклонения светового луча электродинамическими

дефлекторами;

-схема поляризационных измерений в геометрии наклонного падения зондирующего пучка света, позволяющая использовать для повышения чувствительности явление полного внутреннего отражения в МО пленках и высокочувствительные плоскостные пленки;

-схема МО установки для визуализации магнитных полей с напряженностью от 1 мкЭ до нескольких эрстед, в частотном диапазоне от 0 до 50 МГц и разрешением до 1.5 мкм.

-конструкция визуализатора сильных магнитных полей, позволяющая осуществлять контроль однородности намагничивания постоянных магнитов. Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы (135 наименование). Работа изложена на 201 стр. машинописного текста, содержит 63 рисунка и 3 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, указана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приведен обзор, в котором рассмотрены основные работы по магнитооптике и МО визуализации магнитных полей. Сформулированы задачи исследований, которые необходимо провести для реализации поставленной цели.

Вторая глава посвящена выбору материалов, необходимых для решения поставленной задачи, и обоснованию возможности улучшения свойств известных МО материалов.

Третья глава посвящена описанию результатов исследования магнитных и МО свойств специально изготовленных МО пленок.

В четвертой главе описаны выбранные и разработанные методики поляриметрических измерений, оптического зондирования и обработки изображений, использованные для визуализации магнитных полей.

В пятой главе приведено описание разработанных приборов и устройств, а также примеры их использования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Использование магнитооптики в метрологии

Обзор литературы, касающейся использования магнитооптики в метрологии, а также для топографироаания магнитных полей, позволяет сделать вывод о возможности использования магнитооптики для визуализации и топографирования малых, локализованных в микрообъемах магнитных полей в широком частотном диапазоне.

На основе рассмотрения научныхоснов магнитооптики с использованием микроскопического описания МО активности ферромагнетиков и объяснения МО эффектов на микроуровне проведено сопоставление областей использования эффектов Фарадея и Керра.

Анализ опубликованных данных показал, что использование МО метода, а развитие которого существенный вклад внесен работами А.К.Зеездчна, В. А. Котова, Г.С.Кринчика, А.М.Балбашова, В. В. Ран дошки на, А.Я.Червоненкиса, Ф.В.Лисовского, и других российских ученых, позволяет визуализировать магнитные поля с весьма высоким пространственным разрешением. При этом сопоставление относительных величин эффектов Керра и Фарадея показало преимущество последнего для визуализации пространственно неоднородных магнитных полей. Действительно, при использовании методики Керра удавалось получить разрешение до 0.5 мкм, однако недостаточная чувствительность не позволяла измерять и визуализировать поля с напряженностью меньшей, чем поля рассеяния доменных структур (порядка десятков эрстед).

В то же время, хотя описанные в литературе случаи успешного использования эффектаФарадея для визуализации касались лишь достаточно сильных магнитных полей, тем не менее анализ опубликованных данных по свойствам современных МО материалов позволяет сделать вывод о возможности с помощью тонких эпитаксиальных МО пленок решить задачу визуализации не только сильных, но и ультраслабых (а том числе и высокочастотных) магнитных полей. А это, в свою очередь, приводит к заключению о возможности использования магнитооптики для метрологического контроля изделий твердотельных технологий.

Глава 2. Обоснование выбора состава, структуры и режимов использования МО материала для визуализации малых локализованных магнитных полей в широком частотном диапазоне

Анализ и сопоставление свойств существующих МО материалов позволил

сделать вывод о том, что наиболее перспективным материалом для визуализации и топографирования магнитных полей на сегодняшний день являются Bi-содержащие феррит-гранатовые пленки (Bi-ФГ-пленки). Однако изготовляемые промышленностью одноосные Bi-ФГ-пленки, нашедшие широкое применение для создания приборов на ЦМД, в силу особенностей магнитной анизотропии не могут использоваться для визуализации малых магнитных полей из-за высоких значений полей насыщения. В то же время проведенный анализ зависимости МО свойств Bi-ФГ-пленок от структуры и типа магнитной анизотропии показал, что за счет изменения этих параметров можно добиться резкого увеличения их магнитной чувствительности.

Из рассмотрения влияния ориентации подложки на магнитные свойства зпитаксиальных пленок сделан вывод о целесообразности использования для визуализации и топографирования малых полей Bi-ФГ-пленок с ориентацией (111). Это обусловлено тем, что в материалах с кубической симметрией поля анизотропии достигают минимальной величины в плоскости (111). При этом, в случае реализации магнитной анизотропии типа "легкая плоскость", при которой константа одноосной анизотропии равняется нулю, магнитные характеристики пленки определяются величиной констант кубической анизотропии четвертого К, и шестого l<2 порядков. А это, в свою очередь, приводит к появлению у материала максимальной чувствительности к внешним магнитным полям.

До последнего времени было оценено влияние на магнитную восприимчивость магнетиков только константы К,. В то же время у Bi-ФГ величина константы К^ может быть сопоставима с величиной К,. Поэтому в работе был проведен теоретический анализ влияния констант кубической анизотропии на магнитную восприимчивость. При этом были получены очень важные для практики результаты. В частности, установлено, что для пленок из магнитных материалов, обладающих кубической структурой при ориентации (111), величина поля насыщения может обращаться в нуль при ненулевых значениях величин констант кубической анизотропии (при

(К Л?

условии,когда К^ v 1 6 ■ где Ms" намагниченность насыщения). А Т 2 кМ,

достижение условий равенства нулю поля насыщения приводит, как известно, к резкому возрастанию восприимчивости пленки к внешнему магнитному полю.

Возможность за счет целенаправленного подбора пленок с соответствующими значениями величин констант кубической анизотропии обеспечить резкое возрастание магнитной восприимчивости делает реальным измерение и визуализацию малых магнитных полей. В связи с этим, на основе анализа оптических и МО свойств Bi-ФГ-пленок проведена оценка оптимальной толщины пленокЬ, необходимой для обеспечения максимальной МО добротности при визуализации полей, локализованных в областях с линейными размерами L При этом оказалось, что для обеспечения при максимальной чувствительности высокого разрешения необходимо

соблюдение условия h < L.

В связи с необходимостью визуализации магнитных полей в широком частотном диапазоне рассмотрены известные механизмы перемагничивания и оценены времена перемагничивания ферромагнитных материалов. Для визуализации малых переменных полей единственно возможной является реализация режима, обеспечивающего перемагничивание по механизму вращения вектора намагниченности и являющегося наиболее быстрым.

На основе использования модели Стонера-Вольфарта рассмотрены и определены условия реализации процесса перемагничивания по механизму однородного вращения вектора намагниченности.

Проведенный анализ позволил сформулировать требования к МО материалу, необходимому для реализации разрабатываемого МО метода визуализации ультраслабых магнитных полей, локализованных в микрообъемах и в широком частотном диапазоне. Эти требования включают, прежде всего, использование МО пленок с анизотропией типа "легкая плоскость", с малыми полями насыщения в плоскости, с высокими значениями удельного фарадеевского вращения и малыми величинами параметра затухания Ландау. Выполнение этих требований у Bi-ФГ-пленок возможно при соблюдении следующих условий: использование режима зттитаксиального выращивания, который позволяет получать оптимальное соотношение между константами кубической анизотропии, обеспечивающее максимальную восприимчивость; введение в феррит-гранат висмута а количестве 0.6-1.0 формульных единиц; применение в качестве редкоземельных ионов Рг3-Г; использование в качестзе подложки либо монокристаллов чистого ГГГ, либо Са-, Мд-, Zr-замещенного ГГГ с ориентацией (111); при этом толщина эпитаксиальной пленки должна быть в пределах 1-5 мкм.

Глава 3. Экспериментальные исследования свойств Bi-содержащих

феррит-гранатовых пленок

8 НИИ Материаловедения (г. Зеленоград) и в КБ "Домен" (г. Симферополь) с соблюдением указанных выше требований были изготовлены образцы МО пленок состава (по шихте): (BiPrLu)3(FeGa)50!2; (BiPrYb)3(FeGa)5012 на подложках из ГГГ с ориентацией (111) и пленки (BiPrY)3(FeGa)50,2 на подложках из Са-, Мд-, Zr-замещенного ГГГ с ориентацией (100). Толщина пленок составляла 2-4 мкм.

Перед использованием пленок в качестве МО датчиков они были подвергнуты исследованиям с целью определения чувствительности и пределов работоспособности.

Методом рентгенофлюоресцентного анализа изучен элементный состав материала пленки, оказавшийся полностью идентичным составу, определенному по составу шихты.

Методом брэгговского отражения рентгеновских лучей на двухкристальном дифрактометре изучена структура пленок. При этом установлена высокая степень монокристалличности эпитаксиальных слоев.

На спектрофотометре Perkin-Elmer сняты спектральные характеристики

оптического поглощения пленок, оказавшиеся близкими к типовым, описанным а литературе.

При исследовании магнитных характеристик пленок, наряду со стандартными, использовались специально разработанные оригинальные приборы и методы исследований. Для изучения магнитокристаллической анизотропии МО пленок разработана специальная методика и создан прибор, позволяющий исследовать магнитную анизотропию путем МО определения угла выхода вектора намагниченности М из плоскости пленки при воздействии внешнего вращающегося перемагничивающего поля. Зависимость угла выхода от констант анизотропии была выведена теоретически.

Блок-схема установки показана на рис.1. Луч лазера 1, пройдя через поляризатор 2, направляется на расщепитель пучка 3, который разделяет луч на два пучка. Один пучок направляется на опорный фотоприемник 4, а второй-на исследуемый образец 7 по нормали к его поверхности. Образец 7 крепится в держателе, расположенном внутри системы из двух пар катушек Гельмгольца 6, создающихвращающееся магнитное поле в плоскости пленки. Катушки Гельмгольца подключены к 12-ти разрядными ЦАП 13 через усилители тока 11. После прохождения через образец 7 лазерный пучок расщепляется поляризационной призмой 8 (являющейся анализатором в 45-градусной системе поляризатор-анализатор) на два пучка с ортогональной поляризацией, которые направляются на вход дифференциального фотоприемника 9. Сигнал с фотоприемника через усилитель 10 подается на 12-разрядный АЦП 12 интерфейса 14 компьютера 15. Туда же подается сигнал (через усилитель 5) с опорного фотоприемника 4.

Вращение внешнего поля вызывает поворот вектора намагниченности М исследуемой пленки. Выход вектора М из плоскости пленки, обусловленный наличием кубической анизотропии, будет изменять нормальную компоненту намагничести, а следовательно, и удельное фарадеевское вращение пленки. Последнее, в свою очередь, приводит к изменению интенсивности света в плечах поляриметра и появлению тока разбаланса. Таким образом, колебания тока фотоотклика за время одного оборота внешнего поля позволяют определить зависимость угла выхода вектора М из плоскости пленки от направления внешнего перемагничивающего поля. Разработанный пакет программ обеспечивал выведение на экран дисплея 16 персонального

| I—и-

1 11 ¡1" 1

1 1

1" 1" 1

Нп ¿3

Рис.1. Схема установки для исследования магнитной анизотропии МО-пленок.

компьютера картины, которая прочерчивается концом вектора М 8 полярной системе координат.

Проведенные с помощью описанного прибора исследования показали, что пленки одинакового состава и выращенные по одинаковой технологии обладали различной магнитной анизотропией. На рис. 2 в качестве примера показаны картины изменения проекций вектора намагниченности М на направление распространения сзета в зависимости от направления внешнего поля для двух образцов ЕК-ФГ-пленок одного состава. В первом случае (рис.2а) имеет место чисто кубическая анизотропия, а во втором-присутсвие ромбической. Разработанный прибор позволил осуществить отбор образцов пленок с чисто кубической анизотропией.

Описанная установка оказалась удобной не только для определения магнитной анизотропии, но и для измерения полей насыщения.

При минимальных изменениях эта установка могла быть использована для измерения коэрцитивности и дисперсии анизотропии. При этом образец ориентируется под углом 30 градусов к падающему лазерному лучу. Одна пара катушек Гельмгольца используется для создания насыщающего поля, а вторая-смещающего поперечного, (изменяющегося по специальному

закону) поля н, ■ Измерение

коэрцитивности методом осциллирующего поля заключается в определении

суммы углов отклонения вектора остаточной намагниченности от

направления насыщающего поля в момент равенства нулю перемагничивающего поля при перемагничивании пленки из одного состояния в противоположное. При этом измерение углов отклонения

осуществляется МО методом. Форма и площадь под кривой д ф=[{Н) могут

служить мерой дисперсии анизотропии.

Описанная установка позволяет также проводить исследования магнитной чувствительности МО пленок. При этом одна пара катушек также создает постоянное поле смещения, а вторая-измеряемое (постоянное или переменное) магнитное поле. Были проведены измерения зависимости фотоотклика от величины поперечного постоянного поля при постоянной величине измеряемого (постоянного или переменного) полей. Обнаружено существенное уменьшение величины фотоотклика при измерении переменных полей и резкое увеличение коэрцитивности 8 нулевых смещающих полях.

Исследования позволили четко определить области значений смещающих полей, при которых коэрцитивность падает практически до нуля, а фотоотклик (а следовтельно, чувствительность) достигают максимального

/ ^

си О О

Рис.2. Картины изменения проекций вектора намагниченности.

значения. В условиях пассивного подавления шумов (с помощью магнитного экрана) на установке были зарегистрированы переменные поля величиной 2.5х10'8 Э/Гц'/г. Использование активной защиты от помех за счет применения компенсации магнитных флуктуаций позволило фиксировать переменные поля (при ^50 кГц) порядка 10 Э/Гц'/г.

Исследование перемагничивания В|-ФГ-пленок проводились также на специально созданной установке, схема которой показана на рис.3. Излучение лазера 1, пройдя поляризатор 2, ф окусировалось цилиндрической линзой 3 сквозь стеклянную призму 4 и ГГГ-подложку 5 на границу раздела между Вь ФГ-пленкой 6 и воздухом, образуя вертикальную полосу в месте контакта ее с медной антенной 7. Свет, проходя через намагниченную среду, испытывал фарадеевское вращение плоскости поляризации. Испытав полное внутреннее отражение от границы раздела, излучение восстанавливалось второй цилиндрической линзой 8, анализатором 9 модуляция угла поворота поляризации света преобразовывалась в модуляцию интенсивности излучения, которое попадало на фотоприемное устройство 10. Сигнал фотоотклика подавался на осциллограф 11.

Исследование перемагничивания В|-ФГ-пленок в диапазоне 0-60 кГц показало, что величина фотоотклика (а следовательно, и чувствительности МО пленки) линейно возрастает с ростом величины смещающего поля и выходит на насыщение в полях, приближающихся по величине к полям статического насыщения.

Результаты исследования зависимости интенсивности сигнала фотоотклика (и чувствительности) пленокотчастоты измеряемого магнитного поля позволили сделать вывод, что чувствительность монотонно падает с частотой и .выходит на уровень фона при частоте 20 МГц.

Экспериментально установлено, что В1-ФГ-пленки с анизотропией "легкая плоскость" могут перемагничиваться в слабых полях. Экспериментально определенные времена ВЧ-перемагничивания изученных пленок составляют около 500 не, что находится в хорошем соответствии с теоретическими данными.

Использование дополнительного постоянного смещающего поля (поля подмагничивания) резко улучшает частотные характеристики пленок. Как при импульсном, так и при ВЧ-перемагничивании скорость перемагничивания и магнитная восприимчивость МО пленок в случае использования подмагничивания возрастают. При этом максимальные значения скорости

Рис.3. Установка для исследования процессов перемагничивания МО пленок.

перемагничивания и магнитной восприимчивости достигаются при приложении к МО пленке полей смещения, несколько превышающих поля статического насыщения. В качестве примера, свидетельствующего об улучшении временных характеристик и повышении чувствительности пленки на рис, 4 (б) и (в) приведены осциллограммы фотоотклика магнитной системы на импульс магнитного поля, создаваемого импульсом тока, изображенного на рис. 4 (а), при подмагничивании постоянным полем напряженностью Н=0 (б) и Н=8 Э (в). Откуда видно, что в отсутствии подмагничиаания материал пленки не успевает следовать за изменениями внешнего управляющего поля. Существенное изменение характеристик МО пленок обусловлено тем, что в состоянии насыщения изменяется механизм перемагничивания. Если до состояния насыщения пленки перемагничиваются движением доменных стенок, то при насыщении перемагничивание осуществляется вращением вектора намагниченности. При этом было показано, что механизм перемагничивания хорошо описывается моделью "вязкого потока". Отметим, что величины управляющих магнитных полей, вызывающих перемагничивание пленок в отсутствие подмагничивающих полей, составляли всего несколько эрстед, что свидетельствует о высокой магнитной чувствительности выбранных материалов. А результаты экспериментов с использованием подмагничивающих насыщающих полей, в свою очередь, свидетельствовали о возможности с помощью выбранных МО пленок измерять и визуализировать микрополя с частотой до сотен МГц.

На основе экспериментальной методики, применявшейся для исследования характеристик перемагничивания МО пленок был создан новый способ определения параметров магнитного затухания материала исследуемых пленок. Способ основывается на анализе параметров сигнала фотоотклика материала МО пленки на импульсное воздействие управляющим полем с известными параметрами.

Глава 4. Разработка методики МО визуализации и измерений

магнитных полей

В этой главе выделен методический материал, касающийся разработки методик МО визуализации магнитных полей, обосновано использование выбранной схемы регистрации МО эффектов, на основе анализа имеющихся данных с учетом решаемой задачи выбрана методика поляриметрических измерений и соответствующая геометрия системы поляризатор-анализатор, обеспечивающая максимальную чувствительность. Проведено сопоставление известных схем увеличения чувствительности поляриметрических измерений и обеспечения максимального отношения сигнала к шуму.

Для обеспечения высокой чувствительности поляриметрических

а

1 V т 1

1 / И-

п ! г" 1

/ Л | |

п /"V 1 в

/ V, ' Л

4 |

Рис.4. Осциллограммы импульсов фототклика.

измерений был выбран и применен метод компенсации избыточных шумов с использованием дифференциальной схемы включения фотоприемников в 45-градусной геометрии системы поляризатор-анализатор. Обеспечение высокой чувствительности поляриметрических измерений требует также применения для формирования оптического изображения растровой оптической микроскопии с оптическим сканированием МО пленки. Для визуализации магнитных микрополей выбрана схема растрового оптического микроскопа с использованием телецентрической системы линз и расширителей пучка, обеспечивающая при оптическом сканировании сохранение максимального разрешения оптической системы.

Для обеспечения возможности использования при измерениях МО пленок с плоскостной анизотропией применена схема наклонного падения света на образец-МО пленку. Использование геометрии наклонного падения пучка света на образец при оптическом сканировании позволяет реализовать режим полного внутреннего отражения от границы раздела МО пленка-воздух, что резко увеличивает чувствительность метода визуализации магнитных полей. При этом теоретический анализ влияния наклонности падения света на формирование оптического изображения показал возможность сохранения достаточно высокого пространственного разрешения (до 10 мкм) при увеличении поля зрения до 0.1x0.1 мм2.

На основе сопоставления технических характеристик существующих дефлекторов излучения для осуществления оптического сканирования МО пленоквыбраны электродинамические дефлекторы сторсионным креплением зеркала. Для устранения присущей таким дефлекторам нелинейности зависимости угла поворота зеркала от величины управляющего тока разработана система электронной коррекции, обеспечивающая точность установки зеркал по углу до 10"5 рад.

Сопоставительный анализ имеющихся схем поляриметрических измерений, методов формирования оптического изображения и оптического Сканирования позволил выбрать оптимальную для решения поставленной задачи совокупность технических решений, реализация которых позволила создать работоспособные визуализаторы магнитных полей.

Глава 5. Конструкции приборов для метрологического контроля

изделий твердотельных технологий

В результате проведенных научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ созданы действующие лабораторные образцы МО приборов: визуализаторамикроскопическихмагнитныхлолей и еизуализатсра сильных магнитных полей.

Схема визуапизатора микрополей приведена на рис.5. В качестве МО датчика используются пленки состава (В1Рг1и)3(РеСа)50,2 на ГГГ подложках. Взаимно ортогональные поля смещения, создаваемые катушками смещения 5 и 7 а плоскости пленки, зафиксированной в МО головке 6, обеспечивают при измерениях насыщение пленки поочередно в направлениях X и У, что позволяет определять проекции вектора исследуемого поля по отклонению вектора намагниченности от направления насыщающего поля. Углы отклонения вектора намагниченности определялись МО методом. Для этого

Рис.5. Блок-схема установки для Рис.6. Блок-схема МО головки визуализации магнитных микрополей. визуализатора.

луч аргонового лазера 1 с помощью сканирующей системы 3, состоящей из двух электродинамических дефлекторов и системы электронной коррекции нелинейности отклонения зеркала, сканировал поверхность МО пленки, находившейся под воздействием исследуемого магнитного поля. Свет, отраженный от МО пленки попадал на дифференциальный фотоприемник 10. Для обеспечения измерений з широком диапазоне частот магнитного поля с высоким отношением сигнала к шуму в установке применено оптическое гетеродинирование с помощью электрооптического модулятора 2 (марки МЛ-103). При этом сигнал регистрируется в полосе пропускания фильтра 11 на частоте, являющейся разностью между частотой генератооа 12 модулирующего фазу лазерного пучка, и частотой исследуемого магнитного поля (при испытаниях задаваемого вспомогательным генератором 4). Вся система управляется через интерфейс 9 компьютером 13.

Блок-схема МО головки визуализатора представлена на рис. 6. Эпитаксиальная структура приклеивается иммерсионной жидкостью 1 подложечной стороной 2 на широкую грань стеклянной призмы 4. Токовая структура 3, являющаяся источником исследуемого магнитного поля, приводится в контакт с поверхностью МО слоя 7, который находится в поле смещения, создаваемого катушками смещения 5.

Разработанный пакет программ позволяет получать на экране дисплея визуальную двумерную картину распределения исследуемых магнитныхполей в градациях серого цвета или в цветовой гамме. Предусмотрена возможность определять как величину и направление, так и частоту плоскостной компоненты исследуемого магнитного поля. Пространственное разрешение

установки _ 1.5 мкм. Минимальная напряженность фиксируемого магнитного поля 10'6 Э. Частотный диапазон от 0 до 100 МГц. Технические возможности разработанного прибора демонстрируются приводимыми примерами его применения. В частности, на рис.7 (а) и (б) приведены картины поля, создаваемого током величиной 100 мкА и 1 мкА,соответственно (на частоте 50 кГц), текущим по проволоке диаметром 20 мкм. Чувствитель-

Рис.7. Картины магнитного поля, создаваемого током частотой 50 кГц.

ность установки оказалась достаточной для визуализации сигналов, оставшихся на магнитной ленте, изъятой из поврежденного "черного ящика" разбившегося летательного аппарата.

Прибор для визуализации сильных магнитных полей показан на рис.8. 8 связи с необходимостью обеспечить высокую чувствительность в широком диапазоне напряженностей магнитных полей в качестве МО пленок использованы Ей-ФГ-пленки, выращенные на Са-,Мд-,2г-замещенных ГГГ подложках с ориентацией (100) и обладающие высокой отрицательной величиной константы одноосной анизотропии. Это позволило получить пленки с вектором намагниченности, ориентированным в плоскости пленки строго вдоль кристаллографической оси [001]. МО пленка 12 на подложке 13 через объектив 2, фильтр 3, поляризатор 4 и светоделитель 5 засвечивается линейно-поляризованным пучком света от галогеновой лампы 1 типа КГМ-27-150, питаемой от стабилизированного источника Б5-71. Для увеличения отношения сигнал/шум из спектра излучения лампы выделяется диапазон 500-700 нм. Падающий на МО пленку пучок света, пройдя сквозь нее, отражается от алюминиевого зеркала 11, нанесеного на поверхность эпитаксиального слоя. Отраженный пучок через делитель 5, анализатор 6 и подвижной объектив 7 попадает на ПЗС-камеру 8. В качестве поляризатора 4 и анализатора 6 используются поляризационные фильтры ПФ-49, закрепленные непосредственно на объективах 2 и 7.

Подвижной объектив 7 фиксируется в двух крайних положениях, которые являются сопряженными, обеспечивая, соответственно, в верхнем и нижнем положениях предельное пространственное разрешение 8 мкм и 50 мкм. Изображение МО пленки создается в плоскости приемного элемента ПЗС-камеры, причем в зависимости от положения объектива 7 в поле зрения может находиться вся пленка или только небольшой ее участок. Исследуемый объект-постоянный магнит 10 размещается на поверхности МО пленки. При этом в пленке возникает компонента намагниченности в направлении

распространения сзета. Это приводит к вращению плоскости поляризации света, проходящего через пленку. Угол поворота плоскости поляризации, пропорциональный этой компоненте, преобразуется анализатором в изменение интенсивности света, которое переводится в электрический сигнал ПЗС-камерой и затем оцифровывается и подается на монитор компьютера 9. ПЗС-камера имеет два канала вывода изображения: аналоговый выход видеосигнала подключается к ТВ-монитору, а цифровой выход к плате ввода в компьютер. Динамический диапазон по аналоговому выходу составляет 48 дБ, а по цифровому-42 дБ. Разработанный пакет сильных магнитных полей, программ позволяет получать

визуальное изображение магнитного поля, создаваемого различными объектами, либо з градациях серого цвета, либо в цветовой палитре, регулировать контраст и уровень фона, детально исследовать выбранные области объекта, строить рельеф магнитного поля в любом сечении, ' сохранять информацию в виде файла в Формате TIFF.

Прибор позволяет определять степень неоднородности намагничения магнита и количественные значения намагниченности в разных его точках (после соответствующей калибровки). Использование прибора позволило исследовать однородность намагничивания фабричных Sm-Co магнитов и обнаружить наличие на поверхности значительного числа участков с намагниченностью, отличающейся от средней по образцу (при этом максимальное и минимальное значения напряженности магнитного поля магнита составляли 1.5 кЭ и 1.2 кЭ). Исследование магнитных полей, создаваемых кольцевыми магнитами позволило в ряде случаев (кроме наблюдения неоднородности намагничивания самих магнитов) наблюдать также асимметрию распределения поля внутри кольца (см. рис, 9). Возможно применение прибора для дефектоскопии поверхностей изделий из ферромагнитных и слабоферромагнитных материалов после их предварительного намагничивания.

При решении задачи визуализации магнитных полей были не только усовершенствованы известные МО методики, но и разработаны оригинальные схемы сканирующей микроскопии и поляриметрии. Использование разработанных схем совместно с цифровой обработкой изображения позволили создать сканирующий лазерный микроскоп, пригодный как для контроля изделий твердотельных технологий, так и для простого наблюдения микрообъекгов. Незначительные конструктивные изменения микроскопа, позволившие осуществлять оптическое сканирование движущихся (вращаю-

гТта

о/

со

№

□

Ç3

Рис.8. Блок-схема МО визуализатсра

Рис.9. Картины магнитных полей, создаваемых Sm-Co магнитами.

щихся) объектов, расширяют сферу применения прибора. В частности на базе компьютерного растрового микроскопа создана автоматизированная система идентификации огнестрельного оружия по стреляным пулям.

ВЫВОДЫ

1. Терретически рассмотрено влияние констант анизотропии четвертого и шестого порядков на магнитную восприимчивость магнетиков. Показано, что для пленокиз магнитных материалов, обладающих кубической структурой при ориентации (111), величина поля насыщения может обращаться в нуль при ненулевых значениях констант кубической анизотропии. Это может приводить к резкому возрастанию восприимчивости материалов к внешним полям.

2. Экспериментально изучена магнитная восприимчивость Bi-содержащих феррит-гранатовых пленок на подложках из ГГГ с анизотропией типа "легкая плоскость". Установлено, что наложением дополнительного смещающего (подмагничиаающего) магнитного поля можно существенно повысить восприимчивость пленок к внешним полям.

3. Экспериментально изучены характеристики перемагничивания Bi-содержащих феррит-гранатоаых пленокс легкоплоскостной анизотропией. Установлено, что при перемагничивании по механизму движения доменных стенок максимальная регистрируемая частота магнитного поля равна 2.5 МГц. При реализации режима перемагничивания однородным вращением вектора намагниченности максимальная частота регистрируемого поля возрастает до 100 МГц.

4. На основе экспериментального исследования временных характеристик перемагничивания Bi-ФГ-пленок с анизотропией типа "легкая плоскость" сделан вывод о том, что механизм перемагничивания хорошо описывается

моделью "вязкого потока". Использование этой модели позволило установить взаимосвязь между временем перемагничивания пленок и величинами управляющих и подмагничивающих полей. Экспериментально показано, что при насыщающих величинах управляющего поля, минимальное время перемагничивания достигается в подмагничивающих полях, близких к насыщению.

5. Разработан новый способ и создана установка для определения типа и величины магнитной анизотропии МО пленок.

6. Разработан способ и создана установка для определения коэрцитивное™ материала МО пленок. Установка позволяет также определять величину полей насыщения МО пленок.

7. Создана установка для изучения параметров перемагничивания МО пленок. Разработан новый способ определения параметров магнитного затухания МО пленок.

8. Разработана установка для определения чувствительности МО пленок.

9. Разработана схема поляриметрических измерений в геометрии наклонного падения С8ета, позволяющая существенно повысить чувствительность МО измерений.

10. Разработана схема оптического сканирования микро- и макрообъектов с автоматической коррекцией нелинейности отклонения светового луча электродинамическими дефлекторами.

11. Разработана схема и создана установка для МО визуализации магнитных полей с напряженностью от 10'8 Э до 10 Э в частотном диапазоне до 100 МГц и разрешением до 1.5 мкм. Установка позволяет также определять частоту визуализируемого магнитного поля.

12. Разработана схема и создан прибор для визуализации сильных магнитных полей, позволяющий контролировать однородность намагничивания постоянных магнитов и выявлять отклонения от среднего значения с точностью до 0.1%, а также осуществлять дефектоскопию поверхностей изделий из ферромагнитных материалов.

13. Разработана конструкция компьютерного сканирующего микроскопа, реализованная в ряде модификаций.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:

1. Братусь А.Л.,...Севастьянов Б.К.,... Топоров А.Ю. и др. Квазинепрерывный лазер на кристаллах А1г03:"П37/Препринт N19, Институт кристаллографии АН СССР. М.: 1989, 16 С.

2. Севастьянов Б.К., Орехова В.П., Топоров А.Ю. и др. Квазинепрерывный перестраиваемый лазер на кристаллах А1г03:Т13+//Известия АН СССР, Сер. физическая, 1990, т.54, N8, С.1463-1466.

3. Севастьянов Б.К., Леонов Г.С., Топоров А.Ю. и др. Повышение эффективности ламповой накачки перестраиваемого лазера на корунде с титаном с длительностью импульса генерации 200 мкс.//Электрон. техника, Сер. Лазерная техника и оптоэлектроника, 1990, N3 (55), С.24-26.

4. Ветошко П.М., Топоров А.Ю. Исследование характеристик перемагничивания Bí-содержащих редкоземельных феррит-гранатовых пленок с

плоскостной анизотропией.//Тезисы докл. Х!1 Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". ч.1, Новгород, 1990, С.234.

5. Ветошко П.М., Кононов Р.И., Топоров А.Ю., Магнитооптический визуализатор микроскопических магнитных полей.//!"! риборы и техника эксперимента, 1993, N5, С. 151-156.

6. Валейко М.В., Ветошко П.М., Кононов Р.И., Перлов А.Я., Топоров А.Ю., Шаронов М.Ю. Магнитооптический визуализатор сильных магнитных полей.//Приборы и техника эксперимента, 1994, N2, С.115-121.

7. Валейко М.В., Ветошко П.М., Перлов А.Я., Топоров А.Ю. Влияние констант анизотропии на магнитную восприимчивость материалов с кубической кристаллической структурой.//Физика твердого тела, 1994, т.36, N10, С.3067-3070.

8. Топоров А.Ю., Валейко М.В. Временные характеристики перемагничи-вания монокристаллических феррит-гранатовых пленок с анизотропией типа "легкая плоскость".//Журнал технической физики, 1995, т.65, N7, С.134-142.

9. Vetoshko P.M., Volkovoy V.B., Zalogin V.N., Toporov A.Yu. Measuring of the low alternating magnetic fields .by means of Bi-contained rare earth ferrite-garnet films with planar anisotropy.//J.Appl.Phys., 1991, v.70, N10, P.6298-6300.

10. Vetoshko P.M., Kononov R.I., Toporov A.Yu. Universal analyser of magnetic fields.//Digests of the Sixth International Conference on ferrites. Tokyo, 1992, P.150.

11. Vetoshko P.M., Volkovoy V.B., Zalogin V.N., Toporov A.Yu. Measuring of the low alternating magnetic fields by means of Bi-contained rare earth ferrite-garnet fielms with planar anisotropy.//Abstracts of the 5th Joint MMM-lntermag Conference. Pittsburgh, 1991, P.258.

12. Valeiko M.V., Vetoshko P.M., Kononov R.I., Perlov A.Ya., Sharonov M.Yu., Toporov A.Yu. Magneto-optical visualizer of high magnetic field.//Abstracts of the 6th Joint MMM-lntermag Conference. Albuquerque, 1993, P.480.

13. Vetoshko P.M., Kononov R.I., Toporov A.Yu. Magneto-optical visualizer of magnetic field topology.//Digests of the Intermag Conference. St.Louis, 1992, P.JQ-10.

14. Boardman A.D., Voronko A.I., Vetoshko P.M., Volkovoy V.B., Toporov A.Yu. Enhancement of a magneto-optical quality of YIG films in a structure containing a thin metal film.//Abstracts of the 38th Annual Conference on МММ. Minneapolis, 1993, P.345-346.

15. Valeiko M.V., Vetoshko P.M., Kononov R.I., Perlov A.Ya., Sharonov M.Yu., Toporov A.Yu. Magneto-optical visualizer-magnetometer of high magnetic fields.//Abstracts of the 37th Annual Conference on МММ. Houston, 1992, P. DR-04.

16. Vetoshko P.M., Kononov R.I., Toporov A.Yu. Magneto-optical visualizerof magnetic field local distribution.//ibid., P. DR-05.

17. Boardman A.D., Voronko A.I., Vetoshko P.M., Volkovoy V.B., Toporov A.Yu. Enhancement of the magneto-optical quality of YIG films in a structure containing a thin metal film.//J.Appl.Phys., 1994, v.75, N10, P.6804.

18. Toporov A.Yu., Valeiko M.V. Investigation of the magnetization processes of thin Bi-substituted in-plane garnet films.//Digests of the Intermag Conference. San Antonio, 1995, P. FP08.

19. Топоров А.Ю., Ветошко П.М., Кононов Р.И., Валейко М.В. Магнетометр-визуализатор локальных магнитных полей.//Тезисы докладов "Межотраслевой научной конференции "Контрольно-аналитическое аппаратурное обеспечение в различных отраслях промышленного производства". Москва. 1995. С.73.

20. Топоров А.Ю., Валейко М.В., Ветошко П.!VI., Кононсз Р.И., Перлсэ А.Я. Прибор для контроля однородности магнитов и ферритов.//там же. С.74.

21. Топооов А.Ю., Валейко М.В., Кононов Р.И., Перлоа А.Я. Лазерный сканирующий микроскоп.//там же. С.75.