Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе многослойных периодических наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Костюк Дмитрий Валентинович

• Костюк Дмитрий Валентинович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Костюк Дмитрий Валентинович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

5

1 Глава 1. Анализ современных тонкопленочных МР наноструктур и преобразователей магнитного поля на их основе

1.1 Магниторезистивные наноструктуры

1.1.1 Анизотропные магниторезистивные наноструктуры

1.1.2 Спин-вентильные магниторезистивные наноструктуры

1.1.3 Многослойные периодические магниторезистивные наноструктуры

1.1.4 Спин-туннельные магниторезистивные наноструктуры

1.1.5 Оборудование и методики измерения основных характеристик магниторезистивных наноструктур в составе кремниевых пластин

1.1.5.1 Методики измерения параметров МР наноструктур в составе кремниевых пластин

1.1.5.2 Методика измерения коэрцитивной силы МР наноструктур

1.1.5.3 Методика измерения поля магнитной анизотропии МР наноструктур

1.1.5.4 Методика измерения поверхностного сопротивления МР наноструктур

1.1.5.5 Методика измерения магниторезистивного эффекта МР наноструктур

1.2 Преобразователи магнитного поля на основе магниторезистивных наноструктур 32 1.2.1 Преобразователи магнитного поля на основе

анизотропных магниторезистивных наноструктур

1.2.2 Преобразователи магнитного поля на основе спин-вентильных и многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

1.2.3 Преобразователи магнитного поля на основе спин-туннельных магниторезистивных наноструктур

1.2.4 Прочие магниторезистивные преобразователи магнитного поля

1.2.5 Основные электрофизические характеристики преобразователей магнитного поля на основе магниторезистивных наноструктур и оборудование для

их измерения

1.2.6 Сравнительный анализ преобразователей магнитного поля на основе магниторезистивных наноструктур разных типов

Постановка задачи

Выводы по главе

2 Глава 2. Разработка конструкции и технологии изготовления высокочувствительного преобразователя магнитного поля на основе многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

2.1 Разработка конструкции высокочувствительного преобразователя магнитного поля на основе многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

2.2 Исследование и расчёт усиливающих свойств концентраторов магнитного поля

2.3 Разработка технологии изготовления высокочувствительного преобразователя магнитного поля на основе многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

Выводы по главе

3 Глава 3. Исследование и выбор состава многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

3.1 Оптимизация многослойной периодической магниторезистивной наноструктуры на основе сплава Со90Ре10

3.2 Оптимизация многослойной периодической магниторезистивной наноструктуры на основе сплава М76Ее10Со14

Выводы по главе

4 Глава 4. Изготовление и исследование электрофизических характеристик высокочувствительного преобразователя магнитного поля на основе многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

4.1 Изготовление высокочувствительного преобразователя магнитного поля на основе многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

4.2 Исследование электрофизических характеристик высокочувствительного преобразователя магнитного поля на основе многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

4.3 Анализ и обобщение результатов исследования высокочувствительного преобразователя магнитного поля на основе многослойных периодических магниторезистивных наноструктур

Выводы по главе

Заключение

Список используемых источников и цитируемой литературы 106 Благодарности

Приложения

Введение

На основе тонкоплёночных магниторезистивных (МР) наноструктур разрабатываются, исследуются и серийно выпускаются преобразователи магнитного поля, электрического тока, биосенсоры, головки считывания для магнитных дисков, гальванические развязки, логические элементы, МР запоминающие устройства с произвольной выборкой, микросистемы и датчики на их основе, как с аналоговым, так и с цифровым видом выходного сигнала [1]. Эти изделия имеют ряд преимуществ перед другими, построенными на основе полупроводниковых преобразователей магнитного поля, поскольку обладают более высоким быстродействием, более высокой чувствительностью к магнитному полю, более широким динамическим диапазоном, смещенным в область слабых магнитных полей, могут выдерживать более высокую рабочую температуру (до 200 °С) [1-6].

Детектирование изменения слабых магнитных полей является актуальной задачей для таких приложений как магнитная интроскопия, биомедицинская техника, поисковые приборы и устройства обнаружения в охранных комплексах. Как правило, такое детектирование происходит на фоне действующего магнитного поля Земли или на фоне внешнего подмагничивающего магнитного поля от постоянного магнита или электромагнита (соленоида) [4-8].

Для детектирования слабых магнитных полей могут применяться МР преобразователи магнитного поля (ПМП) на основе монослойных или многослойных тонкоплёночных наноструктур. На рынке существует широкая номенклатура МР ПМП, реализованных как на анизотропном, так и гигантском магниторезистивном эффектах. Поскольку при детектировании изменения магнитного поля решающую роль играет не определение направления вектора магнитной индукции, а лишь факт его изменения [5], то для этого больше подходят МР ПМП на основе наноструктур с гигантским магниторезистивным (ГМР) эффектом [1, 3, 5-8]. Данные ГМР ПМП характеризуются высоким значением магниторезистивного эффекта и чётной передаточной характеристикой [5].

Наиболее распространёнными в секторе рынка ГМР ПМП являются преобразователи фирмы NVE, США (серия ААН002), применяемые, как правило, для детектирования изменения слабого магнитного поля. Однако, их порог чувствительности находится на уровне 10 нТл и не удовлетворяет требованиям для ряда прикладных задач, требующих детектирования более низких значений изменения магнитного поля. Кроме того, данные преобразователи обладают гистерезисом на уровне 15-20 %, что также затрудняет их применение. Поэтому совершенствование существующих МР ПМП путем разработки и исследования новых конструктивных решений будет способствовать созданию высокочувствительных МР ПМП с улучшенными характеристиками, что является актуальной задачей микромагнитоэлектроники [1, 6-9].

В основе ГМР ПМП лежит многослойная МР наноструктура, из которой формируются чувствительные элементы изделия - магниторезисторы. Технологический процесс формирования таких многослойных наноструктур обычно производится на установках магнетронного напыления с пятью и более мишенями. Особенностью технологического процесса напыления является прецизионное формирование слоев ферромагнитных и немагнитных материалов толщиной от 2 до 15 нм. Величина, например, ГМР эффекта в спин-вентильной МР наноструктуре зависит от качества разделительного слоя меди между двумя ферромагнитными пленками [5, 9-12].

МР ПМП предназначены для преобразования магнитного поля в электрический сигнал. Основными электрофизическими характеристиками МР ПМП являются чувствительность к магнитному полю (коэффициент преобразования), гистерезис и нелинейность выходной характеристики, ток потребления, разрешающая способность по магнитному полю (порог обнаружения), сопротивление мостовой схемы, отношение сигнал/шум.

Современные требования для ряда приборов и устройств на основе МР

ПМП диктуют необходимость достижения порога чувствительности

10-10 Тл в полосе частот 0,1-10 Гц. Для решения данной задачи могут быть

использованы современные конструктивные и технологические решения,

6

направленные на повышение отношения сигнал/шум, за счет повышения уровня сигнала путем комбинации ряда конструктивно-технологических решений по увеличению коэффициента преобразования изделия. Один из эффективных способов повышения уровня сигнала - применение в конструкции МР ПМП концентраторов магнитного поля (КМП) [13].

В РФ ведутся работы по созданию МР наноструктур с ГМР эффектом и ПМП на их основе (институт физики металлов имени М. Н. Михеева УрО РАН, АО «Научно-производственное объединение автоматики имени академика Н. А. Семихатова», и другие). НПК «Технологический центр» занимает одну из лидирующих позиций в России в части разработки и изготовления МР ПМП на основе МР наноструктур, в том числе, обладающих ГМР эффектом.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе многослойных периодических наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом»

Цель работы

Целью диссертационной работы является исследование и разработка конструкции и технологии изготовления высокочувствительного МР ПМП для детектирования слабых магнитных полей менее 10 нТл.

Задачи

1. Анализ информации, современных конструкций и способов изготовления высокочувствительных МР ПМП.

2. Определение путей повышения чувствительности к магнитному полю МР

ПМП.

3. Разработка новых конструктивно-технологических способов построения высокочувствительного МР ПМП.

4. Исследование многослойных периодических МР наноструктур для высокочувствительного ПМП.

5. Изготовление и исследование высокочувствительного ПМП на основе многослойной периодической МР наноструктуры.

Научная новизна работы

1. Показано, что использование в конструкции высокочувствительного ПМП на основе МПМР наноструктуры объёмных концентраторов магнитного поля и экранирующих компонентов из пермаллоя позволяет повысить чувствительность к магнитному полю в 2 раза относительно конструкции ПМП с тонкопленочными концентраторами магнитного поля из пермаллоя. Эффект наблюдается без изменения рабочего диапазона по магнитному полю, что дает возможность увеличить разрешающую способность по магнитному полю в диапазоне от 1 до 10 Гц более чем в 2 раза.

2. Обнаружен эффект увеличения поля насыщения на 20-25% в наноструктуре (Ni80Fe20)60Cr40/[Co90Fe10/Cu]8/Ta без изменения гистерезиса наноструктуры, при уменьшении толщины Co90Fe10 на 24-26 %, что обеспечивает возможность применения более длинных концентраторов магнитного поля.

3. Доказан эффект снижения собственных шумов изделия за счет формирования магниторезистора из МПМР наноструктуры на основе Co90Fe10 в виде меандра специальной формы с прямоугольными переходами. Среднеквадратичное значение спектральной плотности шума в диапазоне частот от 1 Гц до 1 МГц при этом снижается в 2,4 раза относительно прямого функционального зарубежного аналога.

4. Установлена зависимость чувствительности к магнитному полю ПМП на основе МПМР наноструктуры (Ni80Fe20)60Cr40(50A)/[Co90Fe10(12A)/Cu(22,7A)]8/Ta(40A) в диапазоне температур от минус 50 до +125 °С, и определен температурный коэффициент чувствительности для возможности реализации схем температурной компенсации в узлах и блоках радиоэлектронной аппаратуры.

Достоверность и обоснованность результатов

Достоверность экспериментальных результатов, полученных в

диссертационной работе, подтверждается использованием для их получения

общеизвестных физических принципов и подходов для разработки конструкции и

8

технологии изготовления ПМП на основе МПМР наноструктур. Обоснованность результатов работы и выводов подтверждается согласованием полученных экспериментальных данных с теоретическими, а также практическим сравнением электрофизических характеристик полученных образцов высокочувствительного ПМП на основе МПМР наноструктур с функциональными аналогами.

Практическая значимость

1. На основе разработанных конструктивно-технологических решений и экспериментальных исследований МПМР наноструктур на основе сплавов Со9^е10 и Ni76Fe10Co14 разработаны ПМП с электрофизическими характеристиками для различных применений, включая ПМП на основе МПМР наноструктур, сопоставимые по чувствительности к магнитному полю, но имеющие гистерезис в 7 раз меньше, чем прямой функциональный зарубежный аналог, для использования его в ряде задач с целью прецизионного преобразования магнитного поля.

2. Достигнутое значение относительной чувствительности к магнитному полю высокочувствительного ПМП на основе МПМР наноструктур обеспечивает создание пороговых гальванически изолированных преобразователей электрического тока с разрешением 5-10 мА.

3. Полученные в работе конструктивно-технологические решения создания высокочувствительного ПМП на основе МПМР наноструктур использованы для создания датчиков и систем контроля и детектирования слабых магнитных полей менее 10 нТл на низких частотах.

4. Практические результаты и экспериментальные данные, полученные в диссертационной работе, использованы для разработки и замещения более 5 наименований зарубежных ПМП на основе МР наноструктур.

5. Полученные в работе результаты были использованы НПК «Технологический центр» при выполнении ряда НИОКР и имеют высокую практическую значимость.

Основные положения, выносимые на защиту

1. При использовании в конструкции высокочувствительного ПМП на основе МПМР наноструктуры (Ni80Fe20)60Cr40(50A)/[Co90Fe10(12A)/Cu(22,7A)]8/Ta(40A) объёмных концентраторов магнитного поля и специализированных компонентов из пермаллоя для экранирования балластных магниторезисторов, вынесенных за область чувствительного элемента, достигается относительная чувствительность к магнитному полю 35 мВ/(В*Э) и среднеквадратичная разрешающая способность по магнитному полю в диапазоне частот от 1 до 10 Гц 34,6 мкЭ (3,46 нТл).

2. Добавление в МПМР наноструктуру на основе сплава буферного слоя (Ni80Fe20)60Cr40 толщиной 50 A, при толщине медных слоёв в наноструктуре 22-23 A и толщине слоёв Co90Fe10 11-13 A, позволяют достичь МР эффекта 23,8 %, поля насыщения 250 Э при гистерезисе не более 60 Э.

3.Топология магниторезистора, зависимости характеристик МПМР наноструктуры и конструктивно-технологическое исполнение ПМП с интегрированными объёмными КМП и экранирующими компонентами

из пермаллоя позволили понизить значение спектральной плотности шума

1/2

в диапазоне частот от 1 Гц до 1 МГц до 14 нВ/Гц и понизить ток потребления на 50% по сравнению с лучшим зарубежным функциональным аналогом при сохранении рабочего диапазона по магнитному полю от 0,6 до 3,0 Э и гистерезиса не более 15 %.

4. Температурный коэффициент чувствительности к магнитному полю высокочувствительного ПМП на основе МПМР наноструктуры (Ni8oFe2o)6oCr4o(50Ay[Co9oFelo(12AyCu(22,7A)yTa(40A) составил минус 0,28 %/°С в диапазоне температур от минус 50 до +125 °С.

Реализация результатов работы

Результаты исследований были использованы в одной научно-исследовательской и одной опытно-конструкторской работах, выполненных

НПК «Технологический центр» в период с 2015 по 2020 год.

10

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы представлены докладами на следующих конференциях:

- 3 Международная научно-техническая конференция «Технологии микро-и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике - «Исследование и создание тонкопленочных магниторезистивных наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом» Микроэлектроника и пассивная электронная компонентная база», 2012 г., г. Москва, Россия;

- 5 международная научно-техническая конференция «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике» - «Исследование магниторезистивных наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом», 2016 г., г. Москва, Россия;

- Международный форум «Микроэлектроника-2018», 4 Международная конференция «Электронная компонентная база и микроэлектронные модули» -«Тонкопленочные магниторезистивные микросистемы с высокой крутизной преобразования», 2018 г., Республика Крым, г. Алушта;

- 12 Всероссийская научно-техническая конференция «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» - «Тенденции развития магниторезистивных микросхем для повышения эффективности технических средств обнаружения», 2018 г., г. Пенза, Россия.

- 6 Международная научно-техническая конференция «Технологии микро-и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике» - «Технологические особенности производства отечественных магниторезистивных микросистем», 2019 г., г. Москва, Россия.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано одиннадцать работ, включая девять статей в изданиях, входящих в перечень ВАК. Получен патент Российской

Федерации на изобретение № 2568148 от 14.10.2015.

11

Личный вклад соискателя

Результаты, изложенные в настоящей диссертационной работе и приведенные в положениях, выносимых на защиту, получены автором лично. Личный вклад автора включает постановку целей и задач исследования, участие в разработке конструкции и технологии создания МПМР наноструктур и высокочувствительного ПМП на их основе, в изготовлении и исследовании экспериментальных образцов, в проведении анализа теоретических и экспериментальных данных, в обобщении полученных результатов.

Глава 1. Анализ современных тонкопленочных МР наноструктур и преобразователей магнитного поля на их основе

ПМП применяются в таких областях как приборостроение, авиастроение, судостроение, космонавтика, машиностроение, контрольно-измерительные приборы, автомобильная электроника, медицинское оборудование, научно-исследовательская техника. На основе ПМП изготавливаются датчики электрического тока, электронные компасы, датчики скорости, вращения и угла поворота, датчики положения, биосенсорные устройства и другие изделия [14-29].

Под рынком ПМП на приведенных ниже диаграммах понимаются все магнитополупроводниковые изделия, включая МР ПМП, датчики Холла, феррозондовые датчики и другие изделия, предназначенные для контроля, измерения и преобразования магнитного поля в электрический сигнал, как с аналоговым видом выходного сигнала, так и с цифровым [1, 3, 6].

На рисунке 1 представлена диаграмма, показывающая изменение рынка ПМП, предназначенных для применения в различных изделиях, на период с 2021 по 2027 год.

Рисунок 1 - диаграмма, показывающая изменение рынка ПМП на период с 2021

по 2027 год [30]

На рисунке 1 CAGR (англ. Compound annual growth rate) - совокупный среднегодовой темп роста. Из рисунка 1 видно, что на момент 2027 года наибольший темп роста в 16 % может показать применение ПМП для измерения и контроля электрического тока.

В [30] определено, что на 2021 год рынок ПМП составляет 2,6 миллиарда долларов США, а также, что ведущими производителями ПМП в мире являются фирмы Allegro Microsystems (США), Infinion Technologies (Германия), AKM (Япония) (рисунок 2).

Рисунок 2 - Круговая диаграмма основных производителей ПМП в мире на 2021

год [30]

Из рисунка 2 видно, что три предприятия на момент 2021 года покрывают 41 % мирового рынка потребления ПМП.

Существует широкая номенклатура ПМП, основанных на различных физических принципах, МР ПМП, датчики Холла, СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерферометр), Fluxgate магнитометр (феррозондовый магнитометр), ПМП на основе гигантского магнитоимпеданса (ГМИ) и квантовый магнитометр с оптической накачкой

На рисунке 3 представлена спрогнозированная в [30] круговая диаграмма распределения рынка в 15,7 миллиардов долларов США по типам ПМП.

Рисунок 3 - Круговая диаграмма распределения рынка в 15,7 миллиардов

долларов США по типам ПМП [30]

Из рисунка 3 видно, что на момент 2027 года наибольшее потребление ПМП могут составлять преобразователи и датчики Холла (69 %), при этом на ПМП на основе ГМР наноструктур приходится всего 5 % мирового рынка.

Датчики Холла и другие типы ПМП предназначены для выполнения разных задач, например, по сравнению с преобразователями и датчиками Холла МР ПМП ориентированы на преобразование магнитного поля в электрический сигнал в диапазоне магнитных полей 5 нТл до 1 мТл, обладают рабочим частотным диапазоном до 5 МГц, имеют стойкость к специальным внешним воздействующим факторам, в том числе к факторам космического пространства и воздействию тяжёлых заряженных частиц (ТЗЧ), что делает преобразователи и датчики Холла в ряде задач невостребованными.

На рисунке 4 представлена иллюстрация рабочего частотного диапазона и порога обнаружения по магнитному полю ПМП различных типов, включая МР ПМП, датчики Холла, СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерферометр), Б1их§а1е магнитометр (феррозондовый магнитометр), ПМП на основе гигантского магнитоимпеданса (ГМИ) и квантовый магнитометр с оптической накачкой.

Рисунок 4 - Иллюстрация частотного диапазона работы и порога обнаружения по магнитному полю ПМП различных типов [31]

Из рисунка 4 видно, что МР ПМП, по сравнению, например с преобразователями и датчиками Холла, обладают разрешающей способностью по магнитному полю (порогом обнаружения по магнитному полю) более чем на три порядка меньше, а также имеют рабочий частотный диапазон выше более чем на два порядка, что делает разработку и исследование новых конструкций МР ПМП актуальным направлением.

1.1 Магниторезистивные наноструктуры

МР ПМП, как было сказано во введении и следует из рисунка 4, обладают рядом преимуществ перед другими типами ПМП. В основе МР ПМП лежит МР тонкоплёночная наноструктура, обладающая магнетосопротивлением или магниторезистивным эффектом.

МР эффект заключается в изменении электрического сопротивления материала под влиянием внешнего магнитного поля. В металлических

многослойных тонкоплёночных ферромагнитных наноструктурах величина сопротивления зависит от ориентации вектора намагниченности М ферромагнитной плёнки, направление которого определяется, в том числе, и направлением внешнего магнитного поля Н относительно направления протекания электрического тока в материале. Эту разновидность МР эффекта принято называть анизотропным (АМР) эффектом [1, 32-35].

1.1.1 Анизотропные магниторезистивные наноструктуры

Анизотропное магнетосопротивление, открытое в 1857 году Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) [32-34], встречается в ферромагнитных материалах. Оно называется анизотропным, потому что, в отличие от ранее известного обычного магнетосопротивления, зависит от угла между протекающим электрическим током и направлением намагничивания. На рисунке 5 представлена иллюстрация АМР эффекта.

Сопротивление, создаваемое рассеянием, является максимальным, когда направление намагниченности параллельно (то есть 0° или 180°) направлению протекания электрического тока и минимальным, когда намагниченность перпендикулярна протеканию электрического тока (рисунок 5).

Рисунок 5 - Иллюстрация АМР эффекта, показывающая искажение электронных орбиталей и результирующую разницу рассеяния, когда намагниченность (а) -

параллельна протеканию электрического тока; (б) - перпендикулярна направлению протекания электрического тока; (в) изменение сопротивления материала как функция угла между током и намагниченностью°[32-33]

Зависимость изменения сопротивления АМР наноструктуры AR от угла ф между вектором намагниченности М ферромагнетика и направлением протекающего через него электрического тока I имеет вид:

ДЯ = (Др/р)Ясо/ф, (1)

где Др/р - коэффициент МР эффекта [1, 33].

Типовая АМР наноструктура имеет вид З / Ф / З, где З - защитный слой (обычно Та или Т1), Ф - ферромагнитный слой (обычно пермаллой или сплав БеМСо). В качестве магнитных материалов в однослойных АМР структурах обычно используется пермаллой, а в многослойных структурах - пермаллой и обладающие повышенным значением поля анизотропии сплавы БеМСо. Толщина АМР наноструктур обычно составляет десятки нанометров, коэрцитивная сила 1 -2 Э, а поле магнитной наведенной анизотропии - до нескольких эрстед для пермаллоя и до 20 Э для сплавов БеМСо. АМР эффект тонкоплёночных АМР наноструктур достигает 1,5-2,5 % для пермаллоевых и около 2,0-3,5 % - для наностуктур на основе сплава БеМСо [18]. В качестве разделительного слоя в многослойных АМР наноструктурах используется высокорезистивный немагнитный материал, обычно Та, Т или их нитриды толщиной в единицы нанометров [34, 35].

1.1.2 Спин-вентильные магниторезистивные наноструктуры

ГМР наноструктуры в общем случае состоят из двух или более слоев ферромагнитного металла (обычно NiFe, CoFe или схожего сплава переходного металла), разделенных прослойками из немагнитного металла (Си, Аи или Ru). Типовая спин-вентильная МР (СВМР) наноструктура имеет вид:

З / Ф1 / Н / Ф2 / АФ / З, где:

- З - защитный слой - обычно Та или Т1;

18

- Ф1 - ферромагнитный «свободный» (незакрепленный) - обычно БеМСо, или СоБе, или БеМ;

- Н - немагнитный слой - обычно Си,

- Ф2 - ферромагнитный («закрепленный») слой - обычно БеМСо, или СоБе, или БеМ,

- АФ - антиферромагнитный («фиксирующий») слой - БеМп, или 1гМп, или

РШп.

Таким образом, СВМР наноструктура состоит из двух магнитных слоев, один из которых «закреплён» антиферромагнетиком, разделенных немагнитным слоем. В результате различия в ориентации спинов электроны будут рассеиваться на границах соответствующих антипараллельно намагниченных слоев. Таким образом, длина свободного пробега будет мала, а сопротивление структуры высоким. Если к СВМР наноструктуре приложено магнитное поле достаточной величины (рисунок 6), в направлении ортогональном направлению тока в резисторе (в плоскости пленки), то оно подавляет антиферромагнитное взаимодействие между двумя магнитными слоями, делая их намагниченность параллельной. При этом спины электронов в обоих слоях становятся одинаковыми по ориентации, что приводит к увеличению длины свободного пробега электрона, следовательно, уменьшается сопротивление всей наноструктуры [10, 32-34, 36-43].

Минимальное и максимальное сопротивления СВМР наноструктуры соответствуют параллельному ТТ и антипараллельному Т^ расположению векторов намагниченности в соседних ферромагнитных пленках (рисунок 6).

О 90 180 270 360 .

•I

Угол между закрепленный и свободным слоями, град

Рисунок 6 - (а) СВМР наноструктура без приложенного магнитного поля; (б) СВМР наноструктура при воздействии магнитного поля; (в) зависимость сопротивления СВМР наноструктуры от угла между закрепленным и свободным

слоями [43]

СВМР наноструктуры могут обладать МР эффектом на уровне 4-20 %, полем насыщения до 300 Э и гистерезисом от 1 до 15 %, в зависимости от состава наноструктуры [9, 12, 34, 42-43].

1.1.3 Многослойные периодические магниторезистивные

наноструктуры

ГМР наноструктуры с повторяющимися блоками определенных слоев или МПМР наноструктуры в общем случае имеют вид: Б1 / [ Ф1 / НМ ^ / Ф2 / З, где:

- Б1 - буферный слой из Fe, М и их сплавов с добавлением

- Ф1, 2 - ферромагнитные слои, обычно состоящие из Бе, Со, N1 и их сплавов;

- НМ - слой немагнитных металлов, например, Си, N -количество повторений;

- З - защитный слой - обычно Та или Т1.

В МПМР наноструктуре отсутствует антиферромагнитный слой. В равновесном состоянии (без воздействия магнитного поля) намагниченность ферромагнитных слоев антипараллельна друг другу за счёт размагничивающих полей соседних ферромагнитных слоёв, и сопротивление наноструктуры высокое. При воздействии магнитного поля, направленного параллельно протеканию электрического тока в наноструктуре, намагниченность ферромагнитных слоев становится параллельной, и сопротивление уменьшается (рисунок 7).

|Кт„„ - »„,¡,1/1*0 * " 00% = 10 .. 16%

ЬIС О ,----

ьосо---# --

I 4900-------

Гг 4800----Ж-----

Г? 4/00----\ -

; 4<Щ0--/--\-

| 4500---/---Дг-

;; 4400--/----\-

Д 4300—----

А 2 0 0 -I----

-50 -75 О 25 50 в.,

Приложенное поле, м г

Рисунок 7 - (а) МПМР наноструктура без приложенного магнитного поля; (б) - МПМР наноструктура при воздействии магнитного поля; (в) - зависимость сопротивления МПМР наноструктуры от магнитного поля [43].

В МПМР наноструктуре, когда векторы намагниченности всех ферромагнитных слоев при воздействии магнитного поля становятся сонаправленными, электроны из одного ферромагнитного слоя могут относительно свободно проходить в соседние ферромагнитные слои через прослойки немагнитных слоев (диамагнитных слоев меди) за счет одинаковой электронной поляризации, как показано на рисунке 8б. В случае равновесного состояния (без воздействия магнитного поля), если векторы намагниченности ферромагнитных слоев противоположно направлены, электроны с различной спиновой поляризацией, не могут свободно проходить между ферромагнитными слоями (рисунок 8а), следовательно, из-за ослабления неоднородных магнитных полей электронов проводимости сопротивление наноструктуры увеличивается.

Ферромагнитные слои. Со>^

Металлические слои, Си

а) б)

Рисунок 8 - а) МПМР наноструктура без приложенного магнитного поля; б) - МПМР наноструктура с приложенным магнитном полем [32-33]

МР эффект МПМР наноструктур может составлять от 10 до 70 %, диапазон поля насыщения может от 50 до 300 Э, гистерезис, в зависимости от состава и толщин материалов, входящих в состав наноструктуры может составлять от единиц до десятков % [9, 12, 34, 42-43].

К основных характеристикам МПМР наноструктур относятся МР эффект, поле насыщения и гистерезис [1, 12, 34].

1.1.4 Спин-туннельные магниторезистивные наноструктуры

Типовая СТМР наноструктура имеет вид:

З / Ф1 / Н / Ф2 / АФ / З, где:

- З - защитный слой Ta/Ti;

- Ф1 - ферромагнитный «свободный» (незакрепленный) - обычно FeNiCo или CoFe или CoFeB;

- Н - немагнитный слой - обычно А1203 или MgO;

- Ф2 - ферромагнитный («закрепленный») слой - обычно FeNiCo или CoFe или CoFeB;

- АФ - антиферромагнитный («фиксирующий») слой - обычно FeMn или IrMn или PtMn [44-48].

Физика изменения сопротивления СТМР наноструктур состоит в том, что электрический ток протекает не в горизонтальной плоскости (по телу или в плоскости магниторезистора), а вертикально, от верхнего магнитомягкого материала к нижнему через тонкий слой диэлектрика, например, MgO, толщина которого обычно составляет 1,5-3,5 нм. СТМР наноструктуры структуры схожи с СВМР наноструктурами - верхний магнитный слой фиксируется в процессе напыления с помощью слоя антиферромагнетика. Действие магнитного поля разрушает взаимодействие свободного и закреплённого слоев, в результате спины электронов в обоих слоях становятся одинаково ориентированными, что приводит к увеличению длины свободного пробега электрона и, следовательно, возможности туннелирования сквозь барьер разделительного слоя диэлектрика. В итоге, ток возрастает и сопротивление наноструктуры снижается. Схематичное изображение работы СТМР наноструктуры приведено на рисунке 9.

Высокая вероятность туннепиров ания

а

Рисунок 9 - а, б - туннелирование электронов в СТМР наноструктуре в случаях сонаправленности и разнонаправленности свободного и фиксированного слоев; в - зависимость сопротивления СТМР наноструктуры от магнитного поля

[32, 33]

СТМР наноструктуры обычно обладают МР эффектом от 50 до нескольких сотен %, полем насыщения более 250 Э и гистерезисом от единиц до десятков % в зависимости от состава и толщин слоев наноструктуры [44-45].

МПМР наноструктуры, по сравнению с СВМР наноструктурами, обладают большим МР эффектом и полем насыщения. Отличие СТМР наноструктур от МПМР и СВМР заключается в том, что электрический ток течет не в плоскости наноструктуры, а туннелирует через тонкий диэлектрический барьер, в связи с чем существенно ограничивается напряжение питания, которое может привести к пробою СТМР наноструктуры, при этом СТМР наноструктуры обладают сопротивлением, в несколько раз превышающим сопротивление СВМР и МПМР наноструктур.

1.1.5 Оборудование и методики измерения основных характеристик магниторезистивных наноструктур в составе кремниевых пластин

Для измерения и контроля характеристик тонкоплёночных МР наноструктур в составе кремниевых пластин диаметром до 200 мм может применяться магнитная измерительная система MESA-200 (Shb Instruments, США). MESA-200 (рисунок 10), которая утверждена как тип средств измерений

(свидетельство об утверждении типа ОС.Е.34.002А №74484, приложение 1). Соответственно, погрешность измерения характеристик МР наноструктур определяется полной погрешностью МЕБЛ-200 и составляет 1,0 % при доверительной вероятности Р=0,95 в диапазоне напряженности магнитного поля от 0 до 80000 А/м и в диапазоне частот от 1 Гц до 10 Гц.

Рисунок 10 - Фотография внешнего вида МЕБЛ-200 [49]

МЕБЛ-200 позволяет проводить измерения МР наноструктур в составе кремниевых пластин диаметром до 200 мм следующих характеристик:

- коэрцитивная сила;

- поле магнитной анизотропии;

- величина магниторезистивного эффекта;

- удельное и поверхностное сопротивления;

- величина насыщения;

- остаточная намагниченность;

- величина магнитного рассеяния;

- магнитную проницаемость материалов.

Магнитная измерительная система МБ8Л-200 предназначена для измерения характеристик магнитных пленок при напряженности поля до 80000 А/м (1 кЭ).

Основные возможности:

- измерения в режиме реального времени до 10 Гц (10 петель в секунду);

- не требуется резка пластин;

- цифровая фильтрация фонового шума для подавления влияния внешних полей;

- компенсация влияния магнитного поля Земли;

- измерение поля магнитной анизотропии;

- режим автоматического выполнения измерений.

Для создания необходимого магнитного поля измерительная система включает в себя 400 мм соленоид основной оси и 450 мм соленоид поперечный оси. Максимальная намагничивающее поле составляет 80000 А/м по основной оси и 8000 А/м по поперечной оси.

Блок-схема устройства установки MESA-200 представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Блок-схема устройства установки MESA-200: 1 - подложка с магнитной пленкой; 2,3 - управляющие катушки; 4 - источник питания; 5,6 -считывающие катушки; 7 - сумматор; 8 - осциллограф; ИБ - измерительный

блок; БОС - блок обработки сигнала

Для достоверного использования МЕБЛ-200 были разработаны методики измерения коэрцитивной силы, поля магнитной анизотропии, магниторезистивного эффекта и поверхностного сопротивления. Методики аттестованы ФГУП «ВНИИМС» (г. Москва). Получены соответствующие свидетельства об аттестации методик и метрологические заключения (Приложения 2-5).

В процессе изготовления высокочувствительных ПМП на основе МПМР наноструктур контролировались исходные характеристики МПМР наноструктур в составе кремниевых пластин диаметром 100 мм.

МЕБЛ-200 входит в состав ЦКП НПК «Технологический центр» Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники».

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Костюк Дмитрий Валентинович, 2023 год

Список используемых источников и цитируемой литературы

1. Chao Zheng, Ke Zhu, Susana Cardoso de Freitas, Jen-Yuan Chang, Joseph E. Davies, Peter Eames, Paulo P. Freitas, Olga Kazakova, CheolGi Kim, Chi-Wah Leung, Sy-Hwang Liou, Alexey Ognev, S. N. Piramanayagam, Pavel Ripka, Alexander Samardak, Kwang-Ho Shin, Shi-Yuan Tong, Mean-Jue Tung, Shan X.Wang, Fellow, IEEE, Songsheng Xue, Xiaolu Yin, and Philip W. T. Pong. Magnetoresistive Sensor Development Roadmap // IEEE Transactions on magnetics - 2019. - Vol. 55, No. 4. - 30 pp.

2. Ripka P. Achievements in the field of magnetic field sensors // Magazine IEEE Sensors - 2010. - vol. 10. - no. 6. - P. 1108-1116.

3. Freitas, P.P.; Ferreira, R.; Cardoso, S. Spintronic Sensors. Proc. // IEEE. -2016. - Vol. 104, - P. 1894-1918.

4. Jogschies, L.; Klaas, D.; Kruppe, R.; Rittinger, J.; Taptimthong, P.; Wienecke, A.; Rissing, L.; Wurz, M. Recent Developments of Magnetoresistive Sensors for Industrial Applications // Sensors. - 2015. - Vol. 15. - P. 2866528689.

5. Амеличев В.В., Костюк Д.В., и др. Тонкопленочные магниторезистивные микросистемы с высокой крутизной преобразования // Наноиндустрия. - 2019. - S89. - С. 506-508.

6. Ripka P. Advances in Magnetic Field Sensors // IEEE Sensors Journal.

- 2010. - Vol. 10. - № 6. - P. 1108-1116.

7. Maurice Hott , Peter A. Hoeher and Sebastian F. Reinecke Magnetic Communication Using High-Sensitivity Magnetic Field Detectors // Sensors.

- 2019, - Vol. 19. - № 3415.

8. Reinecke, S.F.; Hampel, U. Instrumented flow-following sensor particles with magnetic position detection and buoyancy control. // J. Sens. Sens. Syst.

- 2016. - Vol. 5. P.- 213-220.

9. В.В. Амеличев, П.А. Беляков, Д.В. Костюк, Д.В. Васильев, Е.П.

Орлов, Ю.В. Казаков, С.И. Касаткин, А.И. Крикунов. Создание совмещенной

106

технологии спин-вентильных магниторезистивных элементов и микромагнитов // Журнал технической физики. - 2018. - том 88. - вып. 6. -С. 874-876.

10. Luong, V.S., Nguyen, A.T., Hoang, Q.K., Nguyen, T.N., Nguyen, A.T., Nguyen, T.A., Giap, V.C. Magnetoresistive performances in exchange-biased spin valves and their roles in low-field magnetic sensing applications // J. Sci. Adv. Mater. Devices. - 2018. - Vol. 3(4). - P. 399-405.

11. Shen, H.M.; Hu, L.; Fu, X. Integrated giant magnetoresistance technology for approachable weak biomagnetic signal detections // Sensors. -2018. - Vol 18. - P. 148.

12. Вяткин А.Ф., Матвеев В.Н., Волков В.Т., Кононенко О.В., Левашов

B.И., Ерёменко В.Г., Амеличев В.В., Костюк Д.В., Ходос И.И. Многослойные наноструктуры с эффектом гигантского магнетосопротивления. // Нано- и микросистемная техника. -2013. - № 11. - С. 26-29.

13. Амеличев В.В., Сауров А.Н. Микросистемы с высоким коэффициентом преобразования слабого магнитного поля на основе магниторезистивных наноструктур // Известия вузов. Электроника. - 2020. - № 5. - С. 432-439.

14. Reig C., Beltran MD.C., Munoz D.R. Magnetic field sensors based on giant magnetoresistance (GMR) technology: Applications in electrical current sensing // Sensors. -2009. -Vol.9. -P.7919-7942

15. O. Ueberschär, M.J. Almeida, P. Matthes, M. Müller, R. Ecke, R. Rückriem, J. Schuster, H. Exner, S.E. Schulz Optimized Monolithic 2-D Spin-Valve Sensor for High-Sensitivity Compass Applications // IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, -2015. -Vol. 51. -№ 1.

16. Kokkinis, G.; Cardoso, S.F.; Cardoso, F.A.; Giouroudi, I. Microfluidics for the Rapid Detection of Pathogens Using Giant Magnetoresistance Sensors // IEEE Trans. Magn.- 2014. - Vol. 50. - P. 1-4.

17. H. T. Huang, P. Garu, C. H. Li, W. C. Chang, B. W. Chen, S. Y. Sung,

C. M. Lee, J. Y. Chen, T. F. Hsieh, W. J. Sheu, H. Ouyang, W. C. Wang, C. R.

107

Chang, C. L. Wang, M. S. Hsu and Z. H. Wei. Magnetoresistive Biosensors for Direct Detection of Magnetic Nanoparticle Conjugated Biomarkers on a Chip // SPIN. - 2019. - Vol. 09, No. 02, P. 1002-1012.

18. Nordling J., Millen R.L., Bullen H., Porter M.D. Giant magnetoresistance sensors. Detection of biorecognition events at self-referencing and magnetically tagged arrays // Analical Chemistry. - 2008. - Vol. 80.

- P. 7940-7946.

19. P. P. Freitas et al., Spintronic platforms for biomedical applications // Lab-on-Chip. - 2012. - Vol. 12. - no. 3. - pp. 546-557.

20. Lecoeur, M.P; Parkkonen, L; Chollet, N.S; Polovy, H; Fermon, C; Fowley, C. Magnetocardiography with sensors based on giant magnetoresistance // Appl. Phys. Lett. - 2011.- Vol. 98. P. - 153705.

21. Nording, F.; Bischel, W.; Ludwig, F.; Schilling, M. Offsetunterdrücktes AMR-Magnetometer mit 100 kHz Frequenzbandbreite. // m-Tech. Mess.- 2017.

- Vol. 84. P. - 102-105.

22. Dmitry Murzin, Desmond J. Mapps, Kateryna Levada, Victor Belyaev, Alexander Omelyanchik, Larissa Panina and Valeria Rodionova Ultrasensitive Magnetic Field Sensors for Biomedical Applications // Sensors.

- 2020. - Vol 20. - P. 1569

23. Silva, A.V.; Leitao, D.C.; Valadeiro, J.; Amaral, J.; Freitas, P.P.; Cardoso, S. Linearization strategies for high sensitivity magnetoresistive sensors // EPJ Appl. Phys.- 2015. - Vol. 72. - P. 10601.

24. Cubells-Beltran, M.D.; Reig, C.; Madrenas, J.; De Marcellis, A.; Santos, J.; Cardoso, S.; Freitas, P.P. Integration of GMR sensors with different technologies // Sensors. - 2016. - Vol. 16. - P. 939.

25. Reig, C; Beltran, M.D.C; Munoz, D.R. Magnetic Field Sensors Based on Giant Magnetoresistance (GMR) Technology: Application in Electrical Current Sensing // Sensors. - 2009. - Vol. 9. -P. 7919-7942.

26. Reig, C., Cardoso, S., Mukhopadhyay, S. Giant Magnetoresistance (GMR) Sensors-From Basis to State-of-the-Art Applications // Springer-Verlag: Berlin, Germany; Heidelberg, Germany. - 2013. - 6 pp.

27. Касаткин С.И., Муравьёв А.М., Васильева Н.П. Перспективные направления магнитной спинтроники: наноэлементы с переносом спина. // Датчики и системы. - 2014. - № 1. - С. 55-59.

28. Marina Diaz-Michelena. Small Magnetic Sensors for Space Applications // Sensors - 2009. - Vol. 9, - P. 2271-2288.

29. Freitas, P.P.; Ferreira, R.; Cardoso, S.; Cardoso, F. Magnetoresistive sensors // J. Phys. Condens. Matter. - 2007. - Vol. 19. - P. 165-221.

30. Сайт компании Yole Developpement. [Электронный ресурс]. URL: http://www.yole.fr/ (дата обращения: 31.08.2022) [Yole Magnetic Sensor Market and Technology Report 2022].

31. R. S. Popovic, P. M. Drljaca, C. Schott. Bridging the gap between AMR, GMR, and Hall magnetic sensors // Physics. - 2011. - Vol. 199. - P. 1-4.

32. Albrecht Jander, Carl Smith, Robert Schneider. Magnetoresistive Sensors for Nondestructive Evaluation // Presented at the 10th SPIE International Symposium, Nondestructive Evaluation for Health Monitoring and Diagnostics, Conference 5770. -2005. - 13 pp.

33. Nourane G. Tawfik, Yara Hussein, Eman Azab Analysis of Magnetoresistive Sensors for Nondestructive Evaluation // IEEE Sensors Applications Symposium (SAS). - 2018. - Vol. 17699265.

34. Ennen, I.; Kappe, D.; Rempel, T.; Glenske, C.; Hütten, A. Giant Magnetoresistance: Basic concepts, microstructure, magnetic interactions and applications // Sensors. - 2016. - Vol. 16. - P. 904.

35. Амеличев В.В., Д.В. Костюк, Жуков Д.А., Шевченко А.Б., Касаткин С.И., Поляков О.П., Шевцов В.С., Поляков П.А. Расчет передаточной характеристики анизотропного магниторезистивного преобразователя магнитного поля // Наноиндустрия. - 2020. - Т. 13. № 3-4. - С. 230-240.

36. Naumova, L. I., Milyaev, M. A., Pavlova, A. Y., Maksimova, I. K., Krinitsina, T. P., Chernyshova, T. A., Zavornitsyn, R. S. High-Sensitive Sensing Elements Based on Spin Valves with Antiferromagnetic Interlayer Coupling // Physics of Metals and Metallography. - 2019. - Vol. 120, №4, P. 653-659.

37. Milyaev M., Naumova L., Chernyshova T., Proglyado V., Kamensky I., Ustinov V. «Spin-flop in synthetic antiferromagnet and anhysteretic magnetic reversal in FeMn-based spin valves» // IEEE Trans. Magn. -2016. - Vol. 52. -P. 132-137.

38. Свалов А.В., Савин П.А., Курлядская Г.В., Гутиеррес И., Васьковский В.О. Спин-вентильные магниторезистивные структуры на основе многослойных пленок Co/Tb // Журнал технической физики. - 2002. - Т. 72, Вып. 8. - С. 25-32.

39. Milyaev, M., Naumova, L., Proglyado, V., Krinitsina, T., Bannikova, N., Ustinov, V. High GMR Effect and Perfect Microstructure in CoFe/Cu Multilayers // IEEE Transactions on Magnetics. -2019. -Vol 55, №4. - P. 451-455.

40. Банникова Н.С., Миляев М.А., Наумова Л.И., Патраков Е.И., Проглядо В.В., Каменский И.Ю., Рябухина М.В., Устинов В.В. Гигантское магнитосопротивление и гистерезисные явления в сверхрешетках CoFe/Cu с высокосовершенной кристаллической текстурой // ФММ. - 2018. - Т. 119. №11. - С. 1132-1137.

41. Банникова Н.С., Миляев М.А., Наумова Л.И., Криницина Т.П., Патраков Е.И., Проглядо В.В., Чернышова Т.А., Устинов В.В. Сверхрешетки NiFeCo/Cu с высокой магниторезистивной чувствительностью и слабым гистерезисом // Физика твердого тела. - 2016. - V. 58. - № 10. - P. 1940-1946.

42. Костюк Д.В., Амеличев В.В., Орлов Е.П., Васильев Д.В., Беляков П.А., Казаков Ю.В., Жуков Д.А. Исследование магниторезистивных наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом // 5-ая Международная научно-техническая конференция «Технологии микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике». г. Москва, (апрель 2016 г.). - С. 167-169.

43. Сайт компании NVE. [Электронный ресурс] URL: https://www.nve.com/analogSensors.php (дата обращения: 31.08.2022).

44. Амеличев В.В., Беляков П.А., Васильев Д.В., Жуков Д.А., Казаков Ю.В., Орлов Е.П., Касаткин С.И., Крикунов А.И. Спин-туннельные магниторезистивные элементы на основе многослойных наноструктур // Журнал технической физики. - 2017. - Т. 87, № 8. - С. 1268-1270.

45. Park C., Zhu J.-G., Moneck M.T., Peng Y., Laughlin D.E. Annealing effects on structural and transport properties of rf-sputtered CoFeB / MgO / CoFeB magnetic tunnel junctions // Journal of applied physics. -2006. - № 99. - P. 322-328.

46. Stearrett R., Wang W.G., Shah L.R., Gokcel A., Xiao J.Q., Nowak E.R. Evolution of barrier-resistance noise in CoFeB-MgO-CoFeB tunnel junctions during annealing // Journal of applied physics. - 2010. - № 107. - P. 111-119.

47. Wang W.G., Ni C., Miao G.X., Weiland C., Shah L.R. Understanding tunneling magnetoresistance during thermal annealing in MgO-based junctions with CoFeB electrodes // Physical review. - № 81. - 2010. - 6 pp.

48. Liu X., Mazumdar D., Shen W., Schrag B. D., Xiao G. Thermal stability of magnetic tunneling junctions with MgO barriers for high temperature spintronics // Appl. Phys. Lett. - 2006. - Vol. 89, № 2, - P. 023-504.

49. Сайт компании Shb Instruments [Электронный ресурс] URL: https://www.shbinstruments.com/ (дата обращения: 12.02.2020).

50. A. Silva, D. Leitao, J. Amaral, J. Valadeiro,S. Cardoso, and P. P. Freitas. Linearization strategies for high sensitivity magnetoresistive sensors // Eur. Phys. J. Appl. Phys. - 2015. - vol. 72. - Art. № 10601.

51. Сайт компании Honeywell [Электронный ресурс] URL: https://aerospace.honeywell.com/en/learn/products/sensors/magnetic-sensors-and-transducers (дата обращения: 31.08.2022).

52. Д.В. Костюк, Жуков Д.А., Васильев Д.В., Орлов Е.П. , Амеличев

В.В., Казаков Ю.В., Беляков П.А. Исследование влияния конструктивно-

технологических параметров низкорезистивных шунтов на характеристики

анизотропных магниторезистивных преобразователей магнитного поля // Датчики и системы. - 2020. - № 2. - С. 53-56.

53. Касаткин С.И., Муравь ё в А.М. и др. Анизотропные магниторезистивные датчики магнитного поля и тока // Автоматика и телемеханика. - 2009. - № 6. - С. 141-152.

54. Жуков Д.А., Куприянова М.А., Мокринский Ю.И., Амеличев В.В., Васильев Д.В., Орлов Е.П. Влияние конструктивных параметров на электрофизические характеристики анизотропных магниторезистивных преобразователей магнитного поля с полюсами барбера // Нано- и микросистемная техника. - 2018. - Т. 20, № 10. - С. 579-584.

55. Luong, V., Jeng, J., Lai, B., Hsu, J., Chang, C., Lu, C.: Design of 3-D magnetic field sensor with single bridge of spin-valve giant magnetoresistance films // IEEE Trans. Magn. - 2015. - Vol. 51(11), -P. 1-4.

56. Djamal, M.; Ramli, R. Giant Magnetoresistance Sensors Based on Ferrite Material and Its Applications. In Magnetic Sensors: Development Trends and Applications // Asfour, A., Ed.; BoD-Books on Demand: Norderstedt, Germany. - 2017. - pp. 111-132.

57. Mitra Djamala and Ramlia. Development of Sensors Based on Giant Magnetoresistance Material // Procedia Engineering. - 2012. - Vol. 32. - P. 60-68.

58. Djamal M, Ramli. Thin film of Giant Magnetoresistance (GMR) material prepared by sputtering method // Advanced Materials Research. - 2013. - Vol. 770. - P. 1-9.

59. O. Ueberschär, M.J. Almeida, P. Matthes, M. Müller, R. Ecke, R. Rückriem, J.Schuster, H. Exner, S.E. Schulz, Optimized monolithic 2-d spin-valve sensor for high-sensitivity compass applications // IEEE Trans. Magn. - 2015. -Vol. 51 (1). - P. 4002404.

60. W. Qiua, L. Chang, Y. Liang, J. Litvinov, J. Guo, Y. Chen, B. Vu, K. Kourentzi, S.Xu, T.R. Lee, Y. Zu, R.C. Willson, D. Litvinov, Spin-valve based magnetoresistive nanoparticle detector for applications in biosensing // Sens. -2017. - Actuators A. - P. - 265.

61. Р.Д. Тихонов, А.А. Черемисинов, Д.В. Горелов, Ю.В. Казаков. Магнитные свойства пленок Co-Ni-Fe полученных электрохимическим осаждением по методу Тихонова // Нано- и микросистемная техника. - 2020.

- Т. 22, №3. - С. 611-614.

62. Marinho Z., Cardoso S., Chaves R., Ferreira R., Melo L. V., Freitas P. P. Three dimensional magnetic flux concentrators with improved efficiency for magnetoresistive sensors // Journal of Applied Physics. -2011. - Vol. 109. - Is. 7,

- P. 07E521-07E521 -3.

63. Xiaoming Zhang, Yu Bi, Guobin Chen, Jun Liu, Jie Li, Kaiqiang Feng, Chen Lv, and Wanjun Wang. Influence of size parameters and magnetic field intensity upon the amplification characteristics of magnetic flux concentrators // AIP ADVANCES 8. - 2018. - №125222 . - P. 125222-2 - 125222-10.

64. Guedes, A.; Almeida, J.M.; Cardoso, S.; Ferreira, R.; Freitas, P.P. Improving magnetic field detection limits of spin valve sensors using magnetic flux guide concentrators // IEEE Trans. Magn. - 2007, -Vol. 43, - P. 2376-2378.

65. Edelstein, A.; Fisher, G.A.; Pedersen, M.; Nowak, E.R.; Cheng, S.F.; Nordman, C.A. Progress toward a thousand fold reduction in 1/f noise in magnetic sensors using an ac microelectromechanical system flux concentrator // J. Appl. Phys. - 2006, - Vol. 99, - P. 8-13.

66. Predrag M. Drljaca, Franck Vincent, Pierre-Andre Besse, Radivoje S. Popovic Design of planar magnetic concentrators for high sensitivity Hall devices // Sensors and Actuators A: Physical. - 2011. - Vol. 198. - P. 1-3.

67. Leitao, D.C.; Gameiro, L.; Silva, A.C.; Cardoso, S.; Freitas, P.P. Field Detection in Spin Valve Sensors Using CoFeB/Ru Synthetic-Antiferromagnetic Multilayers as Magnetic Flux Concentrators // IEEE Trans. Magn. - 2012. -Vol. 48, - P. 3847-3850.

68. Edelstein, A.; Fisher, G.A. Minimizing 1/f noise in magnetic sensors using a microelectromechanical system flux concentrator // J. Appl. Phys. - 2002.

- Vol. 91. - P. 77-95.

69. He, G., Zhang, Y., Qian, L., Xiao, G., Zhang, Q., Santamarina, J.C., Patzek, T.W., Zhang, X.: PicoTesla magnetic tunneling junction sensors integrated with double staged magnetic flux concentrators // Appl. Phys. Lett. - 2018. - Vol. 113(24), - P. 242401.

70. Zhang Jiao-Feng, Qian Zheng-Hong, Zhu Hua-Chen, Bai Ru, Zhu Jian-Guo. Model of output characteristics of giant magnetoresistance (GMR) multilayer sensor // Chinese Physics B. - 2019. - Vol. 28(8). - P. 087501.

71. Сайт компании Micromagnetics [Электронный ресурс] URL: http://micromagnetics.com/products_mtj_f_s.html, свободный (дата обращения: 31.08.2022).

72 Сайт компании MultiDimension (Dowaytech) [Электронный ресурс] URL: http://www.dowaytech.com/en/sensor/magnetic_field_sensors.html (дата обращения: 31.08.2022).

73. J. Cao and P. P. Freitas, Wheatstone bridge sensor composed of linear MgO magnetic tunnel junctions // J. Appl. Phys. -2010. - Vol. 107. - no. 9. - p. 09E712.

74. Сайт компании STMicroelectronics. [Электронный ресурс] URL: https://www.st.com/en/mems-and-sensors/e-compasses.html (дата обращения: 25.02.2020).

75. James G. Deak, Zhimin Zhou, and Weifeng Shen. Tunneling magnetoresistance sensor with pT level 1/f magnetic noise // AIP Advances. -2017. - Vol. 7. - P. 056676 - 056676-5.

76. Van Su Luong High-Resolution Pinning GMR Sensors for Extremely Low Frequencies Powered by a Simple Alternating Current-Biased Scheme // Journal of Superconductivity and Novel Magnetism. - 2021. - Vol. 34. - P. 339345.

77. E. Paz, S. Serrano-Guisan, R. Ferreira, and P. P. Freitas Room temperature direct detection of low frequency magnetic fields in the 100 pT/Hz05 range using large arrays of magnetic tunnel junctions // J. Appl. Phys., - 2014. -vol. 115, no. 17. - Art. no. 17E501.

78. Ozbay, A.; Gokce, A.; Flanagan, T.; Stearrett, R.A.; Nowak, E.R.; Nordman, C. Low frequency magnetoresistive noise in spin-valve structures // Appl. Phys. Lett. - 2009. - Vol. 94. - P. 202506.

79. Nathan A. Stutzke, Stephen E. Russek, David P. Pappas, et al. Low-frequency noise measurements on commercial magnetoresistive magnetic field sensors // Appl. Phys. -2005. - Vol. 97, - P. 10Q107.

80. Luong, V.S.; Nguyen, A.T.; Hoang, Q.K.; Nguyen, T.N.; Nguyen, A.T.; Nguyen, T.A.; Giap, V.C. Magnetoresistive performances in exchange-biased spin valves and their roles in low-field magnetic sensing applications // J. Sci. Adv. Mater. Devices. - 2018. - Vol. 3. - P. - 399-405.

81. Патент РФ № 2568148 от 12.08.2014. Магниторезистивный преобразователь / Амеличев В.В., Костюк Д.В., Васильев Д.В. , Орлов Е.П.

82. Амеличев В.В., Белов А.Н., Вернер В.Д., Красюков, Сауров А.Н. Создание интегральных компонентов усиления магнитного сигнала в беспроводной МЭМС на основе магниторезистивных элементов // Нано- и микросистемная техника. - № 3. - 2013. - С. 29-33.

83. Патент РФ №162094 от 26.05.2016. Корпус для кристаллов микросистем анализа магнитного поля / Амеличев В.В., Костюк Д.В., Васильев Д.В. , Орлов Е.П., Беляков П.А.

84. Амеличев В.В., Галушков А.И., Дягилев В.В., Касаткин С.И., Муравьев А.М., Суханов В.С. и др. Микроэлектронная магниторезистивная технология // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - № 3. - С. 22-26.

85. N. S. Bannikova, M. A. Milyaev, L. I. Naumova, V. V. Proglyado, T. P. Krinitsina, I. Yu. Kamenskii, and V. V. Ustinov. Giant magnetoresistance of CoFe/Cu superlattices with the (Ni80Fe20)60Cr40 buffer layer // Phys. Met. Metallogr. - 2015. - Vol. 116, -P. 987-992.

86. M. A. Milyaev, L. I. Naumova, V. V. Proglyado, T. P. Krinitsina, A. M. Burkhanov, N. S. Bannikova, and V. V. Ustinov Giant changes in magnetic and magnetoresistive properties of CoFe/Cu multilayers at subnanosized variations in

the thickness of the chromium buffer layer // Phys. Met. Metallogr. - 2011.

- Vol. 112, - P. 138-145.

87. N. S. Bannikova, M. A. Milyaev, L. I. Naumova, E. I. Patrakov, V. V. Proglyado, I. Yu. Kamenskii, M. V. Ryabukhina and V. V. Ustinov Giant magnetoresistance and hysteresis phenomena in CoFe/Cu superlattices with highly perfect crystallographic texture // Phys. Met. Metallogr.- 2018. -Vol. 119.

- P. 1073-1078.

88. Milyaev, M. A., Naumova, L. I., Bannikova, N. S., Proglyado, V. V., Patrakov, E. I., Krinitsina, T. P., Ustinov, V. V. Microstructure and magnetoresistance of Co90Fe10/Cu and Co65Fe26Ni9/Cu multilayers // Journal of Physics: Conference Series. -2019. - Conf. Ser. 1389 012156. - 7 pp.

89. D. Rafaja, J. Ebert, G. Miehe, N. Martz, M. Knapp, B. Stahl, M. Ghafari, H. Hahn, H. Fuess, P. Schmollngruber, P. Farber, and H. Siegle Changes in the real structure and magnetoresistance of Co90Fe10/Cu and Co90Fe10/Cu85Ag 10Au5 multilayers after annealing // Thin Solid Films. - 2004.

- Vol. 460. - P. 256-263.

90. Наумова, Л. И., Магнитная анизотропия, кристаллографическая текстура и гистерезисные свойства металлических наноструктур «спиновый клапан». - Библиогр.: с. 30-32. - 2014. - 126 с.

91. N. S. Bannikova, M. A. Milyaev, L. I. Naumova, T. P. Krinitsina, E. I. Patrakov, V. V. Proglyado, T. A. Chernyshova, V. V. Ustinov NiFeCo/Cu superlattices with high magnetoresistive sensitivity and weak hysteresis // Phys. Solid State 58. - 2016. - Vol. 58. - P. 2011-2017.

92. TIAN Wugang, HU Jiafei, WANG Wei, PAN Mengchun, CHEN Dixiang. Automated Testing System for Characteristics of Magnetoresistive Weak Magnetic Field Sensors // Chinese journal of sensors and actuators. - 2013.

- Vol. 26, №2. - P. 200-204.

Благодарности

В первую очередь хочу поблагодарить моего научного руководителя доктора технических наук Касаткина Сергея Ивановича за продуктивную работу, оказанную поддержку и практические знания в области магнитополупроводниковых изделий на протяжении более 10 лет.

Поблагодарить коллектив сотрудников НПК «Технологический центр», в частности кандидата технических наук Амеличева Владимира Викторовича, Белякова Петра Алексеевича и Григорьева Дмитрия Михайловича.

Отдельную благодарность хочу выразить доктору физико-математических наук Миляеву Михаилу Анатольевичу за большой вклад и помощь в исследовании и разработке МПМР наноструктур для создания на их основе высокочувствительного ПМП.

Благодарю сотрудников центра коллективного пользования НПК «Технологический центр» за вклад и помощь в исследовании МПМР наноструктур и ПМП на их основе.

Свидетельство об утверждении типа средств измерений МЕБА-200

ОС.Е.34.002.А №74484

Свидетельство об аттестации «Методика измерений коэрцитивной силы магниторезистивных наноструктур»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО НО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕД ПРИЯТ ИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИ ГУ I МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ» |ФГ N П «ВИИИМС») 119361, г. Москва, ул. (Мерная. 4(>

СВИДЕТЕЛЬСТВО

иб аттестации МЕТОДИКИ (МЕТОДА) ИЗМЕРЕНИЙ № 103.5-176-2015 /01.»0225-20 И

Методика измерений коэрцитивной силы магниторезистивных наноструктур, разработанная федеральным государственным бюджетным учреждением «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ», (124498, г. Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5 НИК Технологический центр), изложенная на 17 листах, и предназначенная для применения при производстве магниточувствитель-ных преобразователей на основе тонкопленочных магниторезистивных наноструктур в составе пластин диаметром 100 мм с использованием измерительной установка МП5А-200, аттестована в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009 «ГСИ. Методики (методы) измерений».

Аттестация осуществлена по результатам метрологической жспертизы материалов по разработке документа «Методика измерений коэрцитивной силы магниторезистивных наноструктур».

В результате аттестации установлено, что методика измерений, изложенная » документе «Методика измерений коэрцитивной силы магниторезистивных наноструктур». соответствует предъявляемым к ней метрологическим требованиям и обладает основными метрологическими характеристиками, приведенными в приложении к настоящему свидетельству.

Приложения: заключение по результатам метрологической экспертизы методики и информационные данные на методику измерений на 4 листах.

Зам. директора ФГУП «ВНИИМСз

В.Ю. Иванов

30 июня 2015

Свидетельство об аттестации «Методика измерений поверхностного сопротивления тонкопленочных магниторезистивных наноструктур»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ» (ФГУН «ВНИИМС») 119361, г. Москва, ул. 0)срнин, 46

Методика измерений поверхностного сопротивления юнкопленочных магниторезистивных наноструктур, разработанная федеральным государственным бюджетным учреждением «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ», (124498, г. Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5 НПК Технологический центр), изложенная на 15 листах, и предназначенная для применения при производстве магниточувствительных преобразователей на основе тонкопленочных магниторезистивных наноструктур в составе пластин диаметром 100 мм с использованием измерительной установка MESA-200, аттестована в соответствии с ГОС I Р 8.563-2009 «ГСИ. Методики (методы) измерений».

Аттестация осуществлена по результатам метрологической экспертизы материалов по разработке документа «Методика измерений поверхностного сопротивления тонкопленочных магниторезисгивных наноструктур»).

В результате аттестации установлено, что методика измерений, изложенная н документе «Методика измерений поверхностного сопротивления тонкопленочны.ч магниторезистивных наноструктур», соответствует предъявляемым к ней метрологическим требованиям и обладает основными метрологическими характеристиками, приведенными в приложении к настоящему свидетельству.

Приложения: заключение по результатам метрологической экспертизы методики и информационные данные на методику измерений на 4 листах.

СВИДЕТЕЛЬСТВО

об агтестанни

МЕТОДИКИ (МЕТОДА) ИЗМЕРЕНИЙ ЛЬ 103.5-180-2015 / 01.00225-2011

Зам. директора ФГУП «ВНИИМС»

Ш/;

/

В.Ю. Иванов

,-. ¡ ¡в л ' .

•Viil 0

30 июня 2015 i

Свидетельство об аттестации «Методика измерений магниторезистивного эффекта тонкопленочных магниторезистивных наноструктур»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ» (ФГУП «ВННИМС») IН361, г. Москва, ул. Озерная, 46

СВИДЕТЕЛЬСТВО

об аттестации МЕТОДИКИ (МЕТОДА) ИЗМЕРЕНИЙ № 103.5-178-2015/01.00225-2011

Методика измерений магниторезистивного эффекта тонкопленочных нанос г-руктур. разработанная федеральным государственным бюджетным учреждением «Научно-производсгвенный комплекс «Технологический центр» МИЭТ», (124498. г. Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5 НПК Технологический центр), изложенная на 17 листах, и предназначенная для применения при производстве магииio-чувствительных преобразователей на основе гонкопленочных магниторезистивных наноструктур в составе пластин диаметром 100 мм с использованием измерительной установка MESA-200, аттестована в соответствии с ГОСТ Р 8.563-2009 «ГСП. Методики (методы) измерений».

Аттестация осуществлена по результатам метрологической экспертизы материалов по разработке документа «Методика измерений магниторезистивного эффекта тонкопленочных наноструктур».

В результате аттестации установлено, что методика измерений, изложенная н документе «Методика измерений магниторезистивного эффекта тонкопленочных наноструктур», соответствует предъявляемым к ней метрологическим требованиям и обладает основными метрологическими характеристиками, приведенными в приложении к настоящему свидетельству .

Приложения: заключение по результатам метрологической экспертизы методики и информационные данные на методику измерений на 4 листах.

Зам. директора Ф1 УП «ВНИИМС»

т??

В.Ю. Иванов 30 июня 2015 I.

Свидетельство об аттестации «Методика измерений поля магнитной анизотропии тонкопленочных магниторезистивных наноструктур»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ Al ЕНТСТВО IIO ТЕХНИЧЕСКОМУ РЕГУЛИРОВАНИЮ И МЕТРОЛОГИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ I ОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯ Г Ш «ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧИ О- ИССЛ ЕДО В А ТЕЛ ЬС КИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ СЛУЖБЫ» (ФГУП «ВННИМС») 119361, г. Москва, ул. СЬсрнян. 46

Методика измерений поля магнитной анизотропии тонкопленочных магниторезистивных наноструктур, разработанная федеральным государственным бюджетным учреждением «Научно-производственный комплекс «Технологический центр» МИЭТ», (124498, г. Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5 НИК Технологический центр), изложенная на 18 листах, и предназначенная для применения при производстве магниточувствительных преобразователей на основе тонкопленочных магниторезистивных наноструктур в составе пластин диаметром 100 мм с использованием измерительной установка МЕ5А-200, аттестована в соответствии с ГОС' Г 1> 8 563-2009 «ГСП, Методики (методы) измерений».

Аттестация осуществлена по результатам метрологической экспертизы материалов по разработке документа «Методика измерений поля магнитной анизотропии тонкопленочных магниторезистивных наноструктур».

В результате аттестации установлено, что методика измерений, изложенная в документе «Методика измерений поля магнитной аннзотропни тонкопленочных магниторезистивных наноструктур», соответствует предъявляемым к ней метрологическим требованиям и обладает основными метрологическими характеристиками, приведенными в приложении к настоящему свидетельству.

Приложения: заключение по результатам метрологической экспертизы методики и информационные данные на методику измерений на 4 листах.

СВИДЕТЕЛ ЬСТВО

об аттестации МЕТОДИКИ (МЕТОДА) ИЗМЕРЕНИЙ № 103.5-177-2015 / 01.00225-2011

30 июня 2015

Патент на изобретение № 2568148 от 14.10.2015 «Магниторезистивный преобразователь»

Заме

ь<Щиректора по юшщвдеягелыюсти 1но^6ги ческни центр »

инновацио:

НПК «Техно:

ШШЕМИИ

В.Г; Сницар

ИЛИ I I

АКТ

о внедрении результатов диссертационной работы Костюка Д.В.

«Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе многослойных периодических наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом»

Настоящим актом подтверждается, что результаты, полученные Костюком Д.В. в диссертационной работе «Высокочувствительный преобразователь магнитного поля на основе многослойных периодических наноструктур с гигантским магниторезистивным эффектом», были использованы НПК «Технологический центр» при выполнении ряда НИОКР и имеют высокую практическую значимость.