Opublikowano

Wyniki konkursu o nagrodę im . Janusza Groszkowskiego w roku 2004

Polskie Towarzystwo Próżniowe
OGŁOSZENIE WYNIKÓW KONKURSU

O NAGRODĘ

im . JANUSZA GROSZKOWSKIEGO

na najlepsze prace dyplomowe i doktorskie z dziedziny próżni

wykonane w roku 2004

Komisja Konkursowa w składzie:

 

doc. dr Jerzy Marks Przemysłowy Instytut Elektroniki,
prof. dr hab. Leszek Michalak Instytut Fizyki, Uniwersytet im. Marii Curie-Skłodowskiej,
dr hab. inż. Piotr Szwemin Przewodniczący Komisji Konkursowej ; IMiO, Politechnika Warszawska,
prof. dr inż. Jerzy Zdanowski Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki, Politechnika Wrocławska

 

informuje, że

w kategorii rozpraw doktorskich:

dr Andrzej Stec otrzymał Nagrodę

za rozprawę p.t ” Metoda kontroli stanu plazmy podczas magnetronowego wyładowania jarzeniowego” wykonaną na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki

Politechniki Rzeszowskiej

Promotor prof. dr hab. Edward Leja

W kategorii prac magisterskich

mgr inż. Michał Ślązak otrzymał Wyróżnienie

za pracę p.t. ” Badanie charakterystyk magnetycznych i magnetorezystancyjnych elementów spintronicznych „ wykonaną w Katedrze Elektroniki Akademii Górniczo Hutniczej
pod kierunkiem prof. dr hab. Tomasza Stobieckiego

Uroczyste wręczenie dyplomow odbędzie się w dniu 19 września 2005 r. w czasie Sesji Specjalnej
VII Krajowej Konferencji Techniki Próżni w Cedzynie

Przewodniczący Komisji Konkursowej

dr hab. inż. Piotr Szwemin

METODA KONTROLI STANU PLAZMY PODCZAS MAGNETRONOWEGO WYŁADOWANIA JARZENIOWEGO

Andrzej Stec *

* praca wykonana w Katedrze Elektroniki AGH, pod opieką prof. dr hab. E. Leji

Reaktywne rozpylanie magnetronowe umożliwia pokrywanie przedmiotów związkami będącymi produktem reakcji rozpylanego materiału katody (targetu) i gazu aktywnego chemicznie, najczęściej tlenu lub azotu. O rodzaju i właściwościach uzyskanej powłoki decyduje tryb pracy (tzw. mod). Najkorzystniejsze warunki wzrostu warstwy uzyskuje się w trybie przejęciowym. Można wtedy otrzymać duże szybkości rozpylania oraz wpływać na stechiometrię osadzanej powłoki. Niestety jest to tryb pracy bardzo trudny do kontrolowania, z którym dodatkowo związana jest histereza.

Badając charakterystyki prądowo-napięciowe wyładowania w reaktywnym rozpylaniu magnetronowym, autor pracy wyznaczyć empiryczną zależność pozwalającą na określenie trybu pracy magnetronu na podstawie aktualnych wartości prądu i napięcia:

(1)

gdzie:

U , I – aktualne wartości prądu i napięcia,

U r 1 , I r 1 – napięcie i prąd w trybie reaktywnym,

U m 1 , I m 1 – napięcie i prąd w trybie metalicznym,

q – wielkość charakteryzująca tryb pracy magnetronu,

n r , n m – współczynniki bezwymiarowe

Powyższa zależność została wykorzystana do opracowania modelu reaktywnego rozpylania dla celów sterowania procesem. Przyjęto, że wszystkie wielkości zmieniają się w sposób inercyjny, w tym również q przyjmująca wartości z zakresu od 0 do 1. W oparciu o proponowany model można wyjaśnić przyczyną skuteczności lub nieskuteczności niektórych metod sterowania w obszarze trybu przejściowego. Rysunek 1 przedstawia różnicą między sterowaniem prądowym i napięciowym, przy stałym przepływie gazu reaktywnego.

Rys. 1. Modelowanie dynamiki reaktywnego rozpylania przy stałym przepływie gazu reaktywnego : a) sterowanie prądowe, b) sterowanie napięciowe .

Na podstawie przedstawionego modelu opracowany został układ regulacji (rys. 2) składający się z dwóch obwodów z regulatorami PID. Pierwszy z nich odpowiada za stabilizacją napięcia. Obwód ten charakteryzuje krótki czas regulacji wynikający z małej inercji toru zasilania. Dynamika całości procesu zależy głównie od zmian ciśnienia cząstkowego gazu reaktywnego. Ciśnienie to wpływa na tryb pracy układu, a tym samym na wartość pradu. Zadaniem drugiego obwodu regulacji jest stabilizacja prądu poprzez zmianą przepływu gazu reaktywnego wprowadzanego do komory procesowej. Współczynnik q charakteryzujący tryb pracy magnetronu, związany ze stopniem utlenienia powierzchni katody, wykorzystywany jest do wyboru lub korygowania punktu pracy, a także do ustalania granicznych wartości sygnałów sterujących. Blok kalkulatora uchybów (BKU), na podstawie charakterystyki statycznej lub opracowanej wcześniej zależności analitycznej, przelicza wartości zadane na sygnały porównywane z wielkościami wyjściowymi. Wyliczone w ten sposób sygnały uchybów są podawane na wejścia regulatorów.

Rys. 2. Schemat układu regulacji.

Wstępna weryfikacja skuteczności proponowanego układu i metody sterowania została przeprowadzona w oparciu o obliczenia symulacyjne w pakiecie MATLAB-SIMULINK. Zaproponowany model dynamiki procesu, bazujący na rzeczywistych charakterystykach prądowo-napięciowych, cechowało duże podobieństwo symulowanych przebiegów czasowych do przebiegów otrzymanych eksperymentalnie. Ostatnim etapem było wykonanie próbek powłok na przemysłowej linii technologicznej L.E.J.A. MAR 2100 do próżniowej metalizacji tafli szklanych o kontrolowanej przepuszczalności światła, zlokalizowanej w firmie Maryland z Rzeszowa. Otrzymane powłoki charakteryzowało zróżnicowanie zarówno właściwości optycznych jak i elektrycznych w zależności od trybu pracy magnetronu.

Prof. Andrzej Hałas wręcza nagrodę i dyplom dr inż. Andrzejowi Stecowi laureatowi konkursu im. Janusza Groszkowskiego za najlepszą pracę doktorską obronioną w 2004 roku

BADANIE CHARAKTERYSTYK MAGNETYCZNYCH

I MAGNETOREZYSTANCYJNYCH ELEMENTÓW SPINTRONICZNYCH

Michał Ślęzak *

e-mail: mislezak@agh.edu.pl

* praca wykonana w Katedrze Elektroniki AGH, pod opieką prof. dr hab. T. Stobieckiego

Zasada działania i praca tradycyjnych urządzeń oraz obwodów elektronicznych opierają się na fakcie, iż elektrony posiadają ładunek elektryczny, który pozwala kontrolować ich przepływ, przykładowo za pomocą pola elektrycznego. Inną fundamentalną własnością elektronów jest ich spin, dający przyczynek do magnetyzmu ciał stałych. Dzięki spinowi elektron oddziałuje z polem magnetycznym i dlatego pod pojęciem „spintronika” należy rozumieć zagadnienia dotyczące związku spinu elektronów z ich transportem.

Do najważniejszych z punktu widzenia spintroniki należą efekty magneto-rezystancyjne (gigantyczna magnetorezystancja GMR, międzywarstwowe sprzężenie wymienne IEC, tunelowa magnetorezystancja TMR) oraz ich najciekawsze zastosowania (głowice odczytujące HDD, pamięci MRAM, czujniki). Wychodząc z równania całkowitej energii powierzchniowej wyliczono charakterystyki namagnesowania i magnetorezystancji w funkcji pola magnetycznego, dla wszystkich możliwych przypadków magnetycznego sprzężenia wymiennego, jakie występują w strukturach układów wielowarstwowych.

Badane w pracy próbki zostały wytworzone metodą rozpylania jonowego (sputtering) w firmie Singulus Technologies AG, w Niemczech (Rys.1). Metoda ta jest szybka, wydajna i w związku z tym atrakcyjna z punktu widzenia preparatyki na skalą przemysłową.

Rys.1 Aparatura do nanoszenia cienkowarstwowych struktur spintronicznych firmy Singulus

Analiza własności magnetycznych badanych w pracy układów przeprowadzona została w oparciu o zmierzone krzywe namagnesowania M(H).

Celem pracy była charakterystyka porównawcza elementów magnetorezystancyjnych działających w oparciu o dwa różne efekty: GMR i TMR. We wszystkich próbkach warstwa buforowa, o zbliżonym składzie, naniesiona była na powierzchni monokrystalicznego podłoża Si(111). Ważnym elementem bufora była każdorazowo antyferromagnetyczna warstwa Pt 64 Mn 36 , zarodkowana warstwą Ta. Następnie nanoszono układ dwóch warstw ferromagnety-cznych Co 70 Fe 30 (w przypadku próbki 1533 drugą z warstw stanowiła CoFeB): określanych dalej jako AP1, AP2, oddzielonych przekładką Ru o grubości zapewniającej antyferromagne-tyczne sprzężenie ich magnetyzacji. Wytworzony w ten sposób układ pokryto niemagnetyczną przekładką Cu o grubości 2.2nm w przypadku próbki 530, oraz izolującą warstwą Al 2 O 3 dla próbek 703 i 1533 o grubościach odpowiednio 1.1nm i 0.9 nm.

Dla każdej z próbek kolejnym elementem układu była tzw. warstwa swobodna (Free Layer – FL) składająca się z naniesionych kolejno warstw NiFe/CoFe. Powodem dla którego jako przekładką warstw AP1 i AP2 użyto Ru, a nie Cu, jest mniejsza zdolność Ru do interdyfuzji, co zapewnia lepszą jakość interfejsów badanej struktury oraz duże sprzężenie antyferromagnetyczne. W ostatnim etapie preparatyki układy zostały pokryte zabezpieczającymi warstwami Ta/Cu.

Podsumowując należy stwierdzić, że przedmiotem niniejszej pracy były badania układów wielowarstwowych złożonych z metali ferromagnetycznych, przełożonych warstwami metali (lub izolatorów) nieferromagnetycznych. W szczególności prace eksperymenalne dotyczyły zaworów spinowych ze sztucznym podmagnesowaniem ( SAF – Synthetic Antiferromagnet ) oraz magnetycznch złącz tunelowych. Skoncentrowano się głównie na ich własnościach magnetycznych oraz transportowych, takich jak namagnesowanie, gigantyczna magnetorezystancja (GMR) oraz magnetorezystancja tunelowa (TMR). Analizy badanych zjawisk dokonano na podstawie wysoko- i niskopolowych pomiarów namagnesowania oraz rezystancji. Przykładowe pomiary zaprezentowano na (Rys.2).

Wyniki pomiarów układu 530 (zawór spinowy GMR) pozwalają na wyciągnięcie następujących wniosków:

– gigantyczna magnetorezystancja układu 530, zarówno przed jak i po procesie wygrzewania w zewnętrznym polu magnetycznym, wynosi ok. 6.5%,

– zarówno dane eksperymentalne jak i symulacje wykazują, że przyczynek do całkowitej magnetorezystancji układu 530 pochodzący od podstruktury AP1/Ru/AP2 ( SAF ) jest mały w porównaniu do GMR indukowanego w układzie FL/Cu/AP1,

– wykonane symulacje komputerowe pozwalają na ilościową interpretację korelacji pomiarów namagnesowania i magnetorezystancji,

– proces wygrzania próbki 530 w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje powstanie efektu podmagnesowania, odpowiedzialnego za asymetrie odpowiednich charakterystyk.

Następną grupą badanych układów były magnetyczne złącza tunelowe (próbki 703
i 1533 – zawory spinowe TMR). Należy zauważyć, że:

– efekt rezystancji tunelowej TMR (co warte podkreślenia, obserwowany w temperaturze pokojowej) jest zdecydowanie większy niż analogicznych elementów GMR (magnetorezystancja układu 703 jest o ok. 33.5% większa niż w układzie 530, w przypadku próbki 1533 różnica wynosi ok. 43.5% ),

– efekt TMR jest większy w złączu 1533, w którym jako warstwą AP1 zastosowano CoFeB (w układzie 703 było to CoFe).

Elementy GMR znajdują obecnie zastosowanie jako głowice odczytowe dysków twardych oraz różnego rodzaju czujniki, jednak w prowadzonych intensywnie pracach nad nowymi magnetycznymi pamięciami operacyjnymi M-RAM daje się zauważył wyraźna tendencja do zastosowania złącz tunelowych i efektu tunelowej magnetorezystancji TMR. Zasadność takich koncepcji potwierdzają duże wartości efektu TMR uzyskane w niniejszej pracy, przy jednoczesnej swobodzie modelowania orientacji namagnesowania odpowiednich warstw, a co za tym idzie charakterystyk magnetorezystancyjnych tych złącz.

Wyniki uzyskane w tej pracy wskazują na możliwość zastosowań badanych układów na skalę przemysłową w dziedzinie szeroko pojętej magnetoelektroniki.

Rys.2 Przykładowe charakterystyki magnetyczne zmian efektów GMR i TMR