磁泡

“磁泡”是指在磁性薄膜中觀察到的圓形磁疇，因為這種柱狀磁疇從其柱軸方向看好像浮在表面的圓泡。已研究出的磁泡材料主要為稀土石榴石型鐵氧體系，其他還有稀土RFeO₃系、 BaFe₁₂O₁₉系等。製備磁泡材料主要採用液相外延法、氣相法、濺射法和共沉澱法等。 ^[1] 

磁泡技術是60年代末發展起來的一種新型信息存儲技術。它利用磁泡的有無來表 示二進制的“1”或“0”。在工作時通過各種 功能的脈衝電流來控制磁泡的產生、傳輸、存 儲、檢測和清除，以達到信息存儲的目的。磁 泡存儲器是一種全固體化電子式存儲器，它 沒有機械運動部分，性能可靠性高，同時它 有具有磁性存儲器特有的長處，信息可長期 保存而不丟失，操作時功耗小，且具有抗振 動、抗輻射、耐惡劣環境等特點。

磁泡存儲器除了在計算機、通信領域中應用外，在空間技術和軍事上也有較廣的應用。

磁性材料薄膜在外磁場作用下產生的圓柱形穩定磁化區域，其磁化方向垂直於薄膜材料的平面。

磁性晶體一般是由許多被稱為磁疇的小區域構成。在每個磁疇內部，原子的磁矩由於交換作用成平行排列狀態，即表現為自發磁化。在某些磁性石榴石單晶薄膜中，垂直於膜面的方向是易磁化方向，且滿足條件ku≥2πMs²，其中ku是單軸磁晶各向異性常數，Ms是飽和磁化強度，即磁疇的磁化在易磁化方向時能量最低。用偏光顯微鏡垂直於膜面觀察，可以清楚地看到膜中磁疇的形狀。在退磁狀態下呈彎彎曲曲的條狀磁疇。大約一半的磁疇磁化方向垂直於膜面向上，另一半垂直於膜面向下。垂直於膜面方向加一向上的外磁場HB，逐漸增加磁場強度。外磁場使磁化方向向上的磁疇逐漸擴張，使磁化方向向下的磁疇逐漸縮小。當外磁場增加到某一定程度時，磁化方向向下的磁疇便縮成圓柱狀，如《磁泡形成示意圖》所示。這些圓柱狀的磁疇在用偏光顯微鏡垂直於膜面方向觀察時呈圓形，運動起來很像一羣浮在水面上的小水泡,故被稱為磁泡。這類磁性石榴石單晶薄膜的例子之一是在無色透明無磁性的釓鎵石榴石(Gd₃Ga₅O₁₂)，簡稱 GGO)單晶基片上(晶體的〈111〉方向垂直於膜面)，用同構異質液相外延方法生長的一層數微米厚的成分為(YSmLuCa)₃(GeFe)₅O₁₂的薄膜。

磁性薄膜材料(magnetic thin film material)厚度在1微米以下的強磁性（鐵磁性和亞鐵磁性）材料。簡稱磁膜材料。製備方法主要有真空蒸發法、電沉積法、濺射法等。

其製備方法主要有：

①真空蒸發法。即在真空狀態下將加熱蒸發的磁性材料沉積在基片上。

②電沉積法。即將磁性材料和基片做成陽極和陰極，在電解液中通過電化學作用，磁性陽極材料沉積到陰極基片上。

③濺射法。即將磁性陽極材料和基片分別作為陰極和陽極，在抽真空後又充入惰性氣體電離成離子並高速轟擊陰極，使陰極表面濺射出的原子附着於陽極基片上。此外，還有外延生長法、化學鍍膜法等。

各種磁性材料幾乎都可製成成分和厚度可以控制的磁膜材料。一般按材料性質分為金屬和非金屬磁膜材料；按材料組織狀態分為非晶、多層調製和微晶磁膜材料。磁膜材料廣泛用於製造計算機存儲，光通信中的磁光調製器、光隔離器和光環行器等；也用作磁記錄薄膜介質和薄膜磁頭，以及磁光記錄盤等。 ^[2] 

60年代末期，開始提出用磁泡作存儲器的想法。利用在磁性薄膜的某一位置上“有”和“無”磁泡的兩種物理狀態代表“1”和“0”，可實現信息的存儲。控制磁泡的產生、消滅、移動和檢出等可實現信息的寫入、傳輸和讀出。利用磁泡間的排斥作用還可以實現邏輯功能。用磁泡存儲、處理信息的技術稱為磁泡技術。

磁泡存儲器具有非易失性，存儲密度高，可靠性高，無高速旋轉的機械部分，適合在運動條件下工作。缺點是速度慢，取數時間是數毫秒，比磁盤稍快，但較半導體存儲器慢得多。

當然，使用磁性進行信息的存儲和處理，受到環境和時間的影響，總歸有去磁的那一天，這點在使用磁性和磁能的時候，是必需要注意到的。

由於磁泡存儲器有上述的優點和缺點，它將在某些領域獲得應用。 ^[3] 

化學氣相沉積(CVD)是半導體工業中應用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術，包括大範圍的絕緣材料，大多數金屬材料和金屬合金材料。從理論上來説，它是很簡單的：兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內，然後他們相互之間發生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。沉積氮化硅膜(Si₃N₄)就是一個很好的例子，它是由硅烷和氮反應形成的。

然而，實際上， 反應室中的反應是很複雜的，有很多必須考慮的因素，沉積參數的變化範圍是很寬的：反應室內的壓力、晶片的温度、氣體的流動速率、氣體通過晶片的路程、氣體的化學成份、一種氣體相對於另一種氣體的比率、反應的中間產品起的作用、以及是否需要其它反應室外的外部能量來源加速或誘發想得到的反應等。額外能量來源諸如等離子體能量，當然會產生一整套新變數，如離子與中性氣流的比率，離子能和晶片上的射頻偏壓等。

然後，考慮沉積薄膜中的變數：如在整個晶片內厚度的均勻性和在圖形上的覆蓋特性(後者指跨圖形台階的覆蓋)，薄膜的化學配比(化學成份和分佈狀態)，結晶晶向和缺陷密度等。當然，沉積速率也是一個重要的因素，因為它決定着反應室的產出量，高的沉積速率常常要和薄膜的高質量折中考慮。反應生成的膜不僅會沉積在晶片上，也會沉積在反應室的其他部件上，對反應室進行清洗的次數和徹底程度也是很重要的。

化學家和物理學家花了很多時間來考慮怎樣才能得到高質量的沉積薄膜。他們已得到的結論認為：在晶片表面的化學反應首先應是形成“成核點”，然後從這些“成核點”處生長得到薄膜，這樣澱積出來的薄膜質量較好。另一種結論認為，在反應室內的某處形成反應的中間產物，這一中間產物滴落在晶片上後再從這一中間產物上澱積成薄膜，這種薄膜常常是一種劣質薄膜。

化學氣相沉積法是傳統的製備薄膜的技術，其原理是利用氣態的先驅反應物，通過原子、分子間化學反應，使得氣態前驅體中的某些成分分解，而在基體上形成薄膜。化學氣相沉積包括常壓化學氣相沉積、等離子體輔助化學沉積、激光輔助化學沉積、金屬有機化合物沉積等。

磁控濺射法是在高真空充入適量的氬氣，在陰極（柱狀靶或平面靶）和陽極（鍍膜室壁） 之間施加幾百K 直流電壓，在鍍膜室內產生磁控型異常輝光放電，使氬氣發生電離。

最常用的製備CoPt 磁性薄膜的方法是磁控濺射法。氬離子被陰極加速並轟擊陰極靶表面，將靶材表面原子濺射出來沉積在基底表面上形成薄膜。通過更換不同材質的靶和控制不同的濺射時間，便可以獲得不同材質和不同厚度的薄膜。磁控濺射法具有鍍膜層與基材的結合力強、鍍膜層緻密、均勻等優點。 ^[4]