Ajustement de la résonance micro-onde dans les films FeCoBSi à motifs de bandes : caractérisation magnétique dépendante de l'épaisseur

Résumé

Nous avons fabriqué une série de films multicouches FeCoBSi avec motifs de bandes combinés d'épaisseurs variables en utilisant la lithographie UV et le pulvérisation DC. Lors des tests haute fréquence, une large bande de résonance est apparue, atteignant une largeur à mi-hauteur (FWHM) de 4 GHz pour l'échantillon de 45 nm d'épaisseur. Cet élargissement résulte de multiples pics de résonance générés par les largeurs de bandes distinctes, chacune produisant son propre champ d'anisotropie de forme. Comme les bandes sont magnétiquement isolées par des gaps de 5 µm, les pics de résonance restent indépendants, permettant un ajustement précis de la réponse micro-onde en ajustant la géométrie des bandes et l'épaisseur du film. Nos résultats démontrent une méthode fiable pour concevoir des propriétés micro-onde à large bande dans les films magnétiques, pertinente pour des solutions de blindage EMI avancées.

Contexte

L'interférence électromagnétique (EMI) pose un défi croissant aux systèmes de communication haute fréquence. Pour y contrer, des résonances large bande, ajustables dans les films magnétiques sont essentielles pour un blindage EMI efficace. Un facteur d'amortissement élevé à la fréquence cible améliore encore la performance d'absorption.

L'anisotropie uniaxiale dans le plan, souvent induite pendant le dépôt ou par recuit post-déposition, donne un comportement magnétique doux aux fréquences gigahertz. Cependant, obtenir une réponse large bande contrôlable nécessite des stratégies de conception additionnelles. Les films magnétiques structurés, conçus avec anisotropie de forme par lithographie, offrent une voie robuste et scalable pour adapter les caractéristiques de résonance.

Notre travail antérieur sur films FeCo à double bande a démontré une résonance à double pic, confirmant que des bandes magnétiques indépendantes peuvent se superposer pour élargir la réponse. S'appuyant sur cette idée, la présente étude introduit un design à cinq bandes, chacune différant en largeur, pour étendre davantage la bande de résonance. Nous analysons le comportement micro-onde résultant en utilisant le cadre Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG), en tenant compte des effets de désaimantation, et confirmons que la bande élargie est mathématiquement prévisible et expérimentalement réalisable.

Expérience

Des films Fe₆₆Co₁₇B₁₆Si₁ ont été déposés par pulvérisation magnétron DC sur substrats Si(111) à température ambiante. Un champ de 500 Oe aligné sur l'axe court du substrat a induit une anisotropie uniaxiale dans le plan (Fig. 1a). La lithographie UV suivie de lift-off a défini le motif de bandes combiné, comprenant des bandes de 5, 10, 15, 20 et 25 µm de largeur, séparées par des gaps de 5 µm. Les épaisseurs de film variaient de 45 à 135 nm.

Schéma de dépôt (a) et motif de bandes résultant (b). Largeurs : 5, 10, 15, 20, 25 µm ; gap : 5 µm.

L'épaisseur a été vérifiée par MEB en coupe transversale. Les propriétés magnétiques statiques ont été mesurées avec un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM). La perméabilité micro-onde a été obtenue en utilisant une méthode de perturbation par ligne microstrip court-circuitée couplée à un analyseur de réseau vectoriel, couvrant 0,5–6 GHz.

Résultats et discussion

La géométrie de dépôt (Fig. 1a) a assuré un champ de 500 Oe pendant la croissance, conférant un axe facile dans le plan clair. Le lift-off post-déposition a produit le motif de bandes prévu (Fig. 1b). Le DRX n'a révélé aucun pic cristallin hormis Si(111), confirmant la nature amorphe ou nanocristalline des films.

Les boucles d'hystérésis (Fig. 2) illustrent une anisotropie uniaxiale prononcée : la coercivité sur l'axe dur (H_ch) chute de 32 Oe à 45 nm à 13 Oe à 135 nm, cohérent avec le modèle d'anisotropie aléatoire de Herzer. Les faibles valeurs H_ce (< 13 Oe) confirment la qualité magnétique douce des films.

Boucles d'hystérésis pour films 45–135 nm, montrant axes facile et dur. L'épaisseur augmente de (a) à (d).

Les spectres de perméabilité (Fig. 3) révèlent des pics de résonance dédoublés pour le film 45 nm : μ′ ≈ 170 à f_low ≈ 3,2 GHz et f_high ≈ 5 GHz. À mesure que l'épaisseur croît, f_low se décale vers le haut ; pour 135 nm, f_low atteint 4,2 GHz tandis que f_high se situe probablement au-delà de 6 GHz. Le FWHM s'étend à plus de 4 GHz à 45 nm, surpassant la largeur de 2 GHz observée dans les films à double bande. Cette amélioration provient des champs d'anisotropie de forme distincts dans les cinq largeurs de bandes, chacun agissant indépendamment grâce à la séparation de 5 µm.

Pour modéliser la dynamique, nous avons employé l'équation LLG incorporant les facteurs de désaimantation (N_x, N_y, N_z) pour chaque bande :

En utilisant les expressions de N_x et N_y (Éqs. 3–5), la fréquence de résonance pour chaque largeur de bande a été calculée (Fig. 4). Avec α = 0,03, M_s = 1345 emu cm⁻³, et H_e = 40 Oe, le modèle prédit des fréquences de résonance qui se décalent vers le haut avec l'épaisseur, élargissant la bande globale. Lorsque le film dépasse 110 nm, la résonance de la bande 5 µm dépasse la limite de mesure 6 GHz, réduisant le FWHM par rapport à l'échantillon 45 nm.

Fréquences de résonance calculées pour bandes 5–25 µm selon épaisseurs. La bande bleue marque la fenêtre de mesure 6 GHz.

La Figure 5 compare la perméabilité imaginaire mesurée du film à bandes combinées (bande rouge) avec la réponse calculée pour bande unique. L'excellent chevauchement confirme que la bande élargie résulte de la superposition de résonances de bandes indépendantes.

Perméabilité imaginaire mesurée et calculée pour film 45 nm ; zone rouge indique FWHM bandes combinées. Courbes calculées bande unique démontrent l'origine de la bande large.

Conclusions

En concevant un motif FeCoBSi à cinq bandes et en contrôlant l'épaisseur du film, nous avons atteint une bande de résonance de 4 GHz de large — une amélioration par rapport aux designs à double bande précédents. La réglabilité offerte par la largeur des bandes et l'épaisseur rend cette approche hautement adaptée pour le blindage EMI de prochaine génération et dispositifs micro-ondes.

Abréviations

EMI:

Interférence électromagnétique

FWHM:

Largeur à mi-hauteur

LLG:

Landau-Lifshitz-Gilbert