ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 9, с. 54-57
УДК 620.179
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ И ПОЛЕЙ РАССЕЯНИЯ МАГНИТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЭМС
© 2015 г. О. В. Гасанов1, А. И. Иванова1, Л. Е. Афанасьева3, Э. Т. Калимуллина4, Р. М. Гречишкин1, 2 *
1Тверской государственный университет, 170100 Тверь, Россия 2Национальный исследовательский технологический университет МИСиС,
119049 Москва, Россия 3Тверской государственный технический университет, 170026 Тверь, Россия 4Институт радиотехники и электроники РАН, 119454 Москва, Россия *Е-таИ: Rostislav.grechishkin@tversu.ru Поступила в редакцию 19.02.2015 г.
Проведено экспериментальное исследование возможностей визуализации распределений магнитных полей рассеяния вблизи поверхности одноосных высокоанизотропных магнетиков и рабочих полей пленочных постоянных магнитов, предназначенных для использования в качестве элементов микроэлектромеханических систем Продемонстрирована возможность визуализации распределения магнитного поля вблизи базисной и призматической плоскостей одноосных кристаллов, обусловленного наличием доменной структуры 180-градусного типа. Предложена методика сегментации магнитного контраста объекта путем исключения топографической компоненты полного изображения с помощью подвижного металлического экрана.
Ключевые слова: растровая электронная микроскопия, магнитный контраст, доменная структура, микроэлектромеханические системы.
Б01: 10.7868/80207352815090061
ВВЕДЕНИЕ
Попытки применения растровой электронной микроскопии (РЭМ) для исследования микрораспределений магнитного поля и доменной структуры магнитных материалов были предприняты вскоре после изобретения РЭМ и выпуска первых коммерческих приборов [1]. Дальнейшие экспериментальные и теоретические исследования привели к созданию концепции двух типов магнитного контраста в РЭМ — контраст первого и второго типов [2]. Контраст первого типа возникает при воздействии полей рассеяния образца на вторичные электроны с малой (менее 10 эВ) энергией. Этот механизм характерен для материалов с одноосной магнитной анизотропией. Контраст второго типа действует в магнитомягких материалах с кубической магнитной анизотропией, способствующей образованию магнитных потоков, замкнутых внутри материала образца. В этом случае первичные электроны, проникшие в материал, взаимодействуют с внутренними полями и подвергаются упругому рассеянию. Контраст этого типа подробно изучался применительно к иссле-
дованию доменной структуры быстрозакаленных фольг магнитомягких сплавов Ре—81—Б—Си [3].
Настоящая работа посвящена экспериментальному изучению возможностей использования РЭМ для наблюдения доменной структуры другого типа материалов — сплавов высокоанизотропных одноосных магнетиков, используемых для производства постоянных магнитов, — и визуализации распределения рабочих полей изготовленных из них элементов микроэлектромеханических систем (МЭМС). Постановка работы и ее актуальность связаны с непрерывным возрастанием роли МЭМС в микроэлектронике, магнито-электронике, средствах автоматизации, робототехнике, биомедицинских исследованиях и других отраслях науки и техники [4—7].
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ
В работе использовался немодифицирован-ный растровый электронный микроскоп 1БОЬ 18М 6610 ЬУ. Исследовались монокристаллические образцы интерметаллических высокоанизотропных сплавов 8шСо5 и Мё—Ре—Б, получен-
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИИ КОНТРОЛЬ доменной структуры
55
Рис. 1. РЭМ-изображения доменной структуры монокристалла 8шСс>5 на разных плоскостях: а — базисной (Руск = = 25 кВ, /зонд = 10 пА); б — близкой к призматической (Куск = 30 кВ, /зонд = 12 пА).
Рис. 2. РЭМ-изображения многополюсного пленочного ротора из сплава Sm—Co—Cu—Fe (Recoma) бесконтактного микродвигателя постоянного тока, полученные в режиме вторичных электронов (магнитный контраст первого типа): а — исходное изображение (Руск = 15 кВ, /зонд = 6 пА); б — половина образца справа от разделительной линии закрыта алюминиевой фольгой толщиной 5 мкм (Ууск = 10 кВ, /зонд = 5 пА).
ных в лаборатории магнитоэлектроники Тверского госуниверситета, и пленочные образцы постоянных редкоземельных магнитов 8ш—Сс—Си—Ре, полученные методом магнетронного распыления в Институте Нееля Академии наук Франции [4, 5].
На рис. 1 представлены изображения поверхности монокристалла 8шСс5, выявляющие доменную структуру на базисной и призматической плоскостях образца при нормальном падении электронного пучка на поверхность. В отличие от метода эффекта Керра, при РЭМ-наблюдениях выявляются не домены, а доменные границы материала.
Для исследования рабочих полей микромагнитов использовались различные образцы профилированных магнитотвердых элементов из редкоземельных сплавов на основе 8ш—Сс и
Мё—Ре, в частности многополюсные роторы для микроприводов и квадрупольные магнитные системы для диамагнитного подвеса микрообъектов [4—6].
На рис. 2 представлены РЭМ-изображения многополюсного ротора бесконтактного микродвигателя постоянного тока. Изображения получены с помощью механизма формирования магнитного контраста первого типа в режиме вторичных электронов. В ходе исследований было обнаружено, что экранирование части поверхности образца тонкой (толщиной 5 мкм) алюминиевой фольгой не препятствует получению магнитного изображения. Более того, контраст магнитного изображения образца с фольгой повышается по сравнению с исходным образцом.
Этот феномен был более подробно изучен на примере квадрупольной магнитной системы, об-
Рис. 3. Квадрупольная магнитная система, образованная четырьмя дисковыми (диаметром 500 мкм) постоянными магнитами из сплава Мё—Ре—Б с чередующейся полярностью: а — полное изображение с топографическим и магнитным контрастом (Ууск = 8 кВ, /зонд = 4 пА); б — образец полностью закрыт экраном из алюминиевой фольги толщиной 5 мкм (Куск = 8 кВ, 2зонд = 4 пА).
разованной четырьмя дисковыми микромагнитами. На рис. 3 для сравнения представлены два изображения одного и того же объекта — обычной конфигурации и с использованием алюминиевого экрана. Формирование изображения неэкра-нированного образца обеспечивается механизмом как топографического, так и магнитного контраста. В данном конкретном случае поверхность объекта характеризуется глубоким рельефом и значительными загрязнениями, которые маскируют магнитные эффекты. При введении экрана качество магнитной картины значительно улучшилось, что позволило получить более полное представление о распределении магнитных полей изучаемой системы (рис. 4).
|В|, отн. ед
80 40 20
0
300 У, отн. ед
300
X, отн. ед.
Рис. 4. Квазитрехмерное представление распределения модуля поля |В| в плоскости ХУ на поверхности квадру-польной магнитной системы из сплава Мё—Ре—Б с блокированным топографическим контрастом.
Этот эффект можно объяснить с помощью схемы, представленной на рис. 5. При толщине экранирующей фольги порядка 5 мкм практически все первичные электроны поглощаются или отражаются от поверхности экрана. В результате взаимодействие с поверхностью образца отсутствует. В то же время алюминиевый немагнитный экран не препятствует распространению сквозь него статического магнитного поля. В результате исключения из суммарной картины вклада рельефа поверхности образца существенно снижается неинформативный фон, соответственно, повышается качество магнитного изображения.
Изменение расстояния 8 (рис. 5) между изучаемыми магнитными объектами и экраном открывает новые возможности наблюдения распределения поля на заданных расстояниях от поверхности образцов. Немагнитный электропроводящий экран (пунктирная линия) имеет толщину, превышающую глубину проникновения первичных электронов, благодаря чему исключается формирование топографического контраста поверхности образца. Магнитный контраст формируется за счет полей рассеяния, действующих на расстоянии 8 от поверхности образца.
Рис. 5. Схема распределения магнитных потоков над поверхностью образца.
5
0
ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ
57
ВЫВОДЫ
В проведенной работе экспериментально продемонстрирована практически важная возможность выявления магнитной доменной структуры сплавов высокоанизотропных одноосных редкоземельных магнетиков, используемых для изготовления постоянных магнитов, и визуализации пространственных распределений магнитных полей рабочих элементов микроэлектромеханических систем с помощью стандартных РЭМ. Предложенная новая схема сегментации топографического и магнитного контрастов изображения структуры образцов в режиме вторичных электронов путем блокировки топографического вклада с помощью электропроводящего немагнитного экрана проста в реализации и позволяет существенно повысить качество магнитных изображений. Предложенная методика открывает ранее нереализованные возможности исследования пространственного распределения магнитного поля на разных расстояниях от поверхности образца.
Работа выполнена при софинансировании Министерства образования и науки РФ по программе повышения конкурентоспособности
НИТУ МИСиС среди ведущих мировых научно-образовательных центров на 2013—2020 гг. (№ К1-2014-008) в рамках выполнения работ по госзаданиям проекта № 1651 и обеспечения проведения научных исследований.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вейнберг Ф. Приборы и методы физического металловедения. М.: Мир, 1974. 386 с.
2. Hubert A., Schafer R. Magnetic Domains. The Analysis of Magnetic Microstructures. Berlin, Heidelberg, New York: Springer, 2009. 707 р.
3. Varga I., Pogany L, Hargitai C., Bakonyi I. // J. Magn. Magn. Mater. 2006. V 302. P. 405.
4. Walther A., Marcoux C., Desloges B., Grechishkin R., Givord D., Dempsey N. M. // J. Magn. Magn. Materials.
2009. V 321(6). P. 590.
5. Dumas-Bouchiat F., Zanini L.F., Kustov M., Dempsey N. M., Grechishkin R. // Appl. Phys. Lett.
2010. V 96(10). P. 102511.
6. Profijt H.B., Pigot C., Reyne G., Grechishkin R.M., CugatO. // J. Magn. Magn. Materials. 2009. V. 321(4). P. 259.
7. Фомин Л.А., Маликов И.В., Винниченко В.Ю. и др. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. ис-след. 2008. №
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.