基于射频磁控溅射法的CoFeB薄膜制备及磁性能研究

摘要

近年来，CoFeB薄膜以其低的矫顽力、低阻尼系数、高自旋极化率、高饱和磁化强度，在众多领域有着广泛的应用，特别是作为铁磁层应用于磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）中。磁隧道结作为磁随机存储器（Magnetic Random Access Memory，MRAM）的基本存储单元，其性能，例如隧穿磁阻比、磁化翻转临界电流密度、功耗等，与磁隧道结铁磁层的薄膜类型、结构尺寸以及制备工艺有很大的联系。因此，如何通过优化薄膜的制备工艺来提升CoFeB薄膜性能是很有研究意义的。 本文采用射频磁控溅射法，通过引入强磁靶、减小靶材厚度的方法解决了磁控溅射难以稳定溅射沉积磁性薄膜的问题，详细探究了Co60Fe20B20薄膜制备工艺及其退火工艺对薄膜性能的影响，主要工作如下： 研究了薄膜制备工艺对Co60Fe20B20薄膜形貌结构及其软磁性能的影响，主要的工艺参数包括溅射功率、溅射气压、溅射时间。分析了溅射参数影响薄膜沉积的机理，随后的实验结果验证了分析理论。通过实验获得了最佳的Co60Fe20B20薄膜制备工艺：背底真空度为7×10-4 Pa，氩气流量为20 sccm，溅射功率为90 W，溅射气压为0.3 Pa，溅射时间为12 min。最佳溅射参数下的Co60Fe20B20薄膜具有较好的表面形貌结构，薄膜表面光滑，一致性好，粗糙度低，具有优异的软磁性能，薄膜的矫顽力为42.1 Oe，饱和磁化强度为1132.4 emu/cm3。 研究了真空退火工艺对Co60Fe20B20薄膜形貌结构及其软磁性能的影响，主要调控退火温度。实验获得了最佳的退火工艺：真空度为13 Pa，退火温度为300℃，退火时间为1 h。退火处理后的Co60Fe20B20薄膜有优异的晶体结构，晶粒尺寸细小，薄膜表面平整性较好，无明显的大颗粒物质。退火处理提高了薄膜的软磁性能，薄膜的矫顽力为31.9 Oe，饱和磁化强度达到了1257.1 emu/cm3。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 磁学简介

1.2.1 磁性起源

1.2.2 材料的磁化

1.2.3 铁磁材料的分类

1.3 CoFeB薄膜的研究现状

1.3.1 磁隧道结

1.3.2 垂直磁各向异性

1.3.3 CoFeB薄膜的制备

1.4 论文主要研究内容

第2章 薄膜的制备及表征方法

2.1 薄膜的制备方式和生长过程

2.2 磁控溅射

2.2.1 磁控溅射原理

2.2.2 磁控溅射特点

2.3 薄膜制备

2.3.1 基本操作流程

2.3.2 典型问题及解决方法

2.4 薄膜的表征方法

2.4.1 X射线衍射

2.4.2 原子力显微镜

2.4.3 振动样品磁强计

第3章 CoFeB薄膜的制备工艺及磁性能研究

3.1 薄膜的制备工艺

3.2 CoFeB薄膜的制备及表征

3.2.1 溅射功率对薄膜性能的影响

3.2.2 溅射气压对薄膜性能的影响

3.2.3 溅射时间对薄膜性能的影响

3.3 本章小结

第4章 退火处理对CoFeB薄膜性能的影响

4.1 CoFeB薄膜退火处理的工艺参数

4.2 退火处理对CoFeB薄膜晶相结构的影响

4.3 退火处理对CoFeB薄膜表面形貌的影响

4.4 退火处理对CoFeB薄膜磁性性能的影响

4.5 本章小结

总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果