МАГНИТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ БУДУЩЕГО: ЗНАТЬ ПЛЮС УМЕТЬ

Более 20 лет назад в Институте физики металлов УрО РАН были получены первые образцы многослойных магнитных наноструктур. Уральские ученые активно продолжают развивать технологии создания и исследования этих материалов. Тем более что интерес к ним во всем мире только растет. В первую очередь это связано с бурным развитием микроэлектроники. Подробнее о современных достижениях института в этом направлении и перспективах внедрения технологии в промышленность корреспонденту «НУ» рассказал ведущий научный сотрудник лаборатории электрических явлений ИФМ, кандидат физико-математических наук Михаил Анатольевич Миляев.
— Наиболее типичная область применения магниточувствительных наноматериалов — современные считывающие головки жестких дисков. Пленочные технологии позволили уменьшить их размеры и в сотни раз увеличить плотность записи информации. Магнитные наноструктуры широко применяются также в сенсорах магнитного поля, которые служат основой для изготовления датчиков различного назначения: тока, угловых поворотов, смещений и т.д. Наша страна по этим направлениям значительно отстает от передовых — ориентировочно на 10–15 лет. И это касается не столько изготовления самих магниточувствительных наноструктур, сколько разработки нового поколения сенсорных устройств на их основе.
Сейчас в институте создаются и исследуются структуры двух типов: магнитные металлические сверхрешетки и спиновые клапаны. Фактически наноструктуры — это когда на подложку наносятся послойно различные материалы, каждый из которых выполняет свою функцию. И для того чтобы получить нужный магниторезистивный эффект, используется определенная комбинация слоев. Изменяя толщину немагнитных прослоек между ферромагнитными слоями, можно управлять диапазоном магнитных полей, в которых материал обладает оптимальной чувствительностью. Сверхрешетки могут применяться для средних и сильных магнитных полей, а спиновые клапаны — для слабых.
Слои наносятся по определенной программе с помощью специальных высоковакуумных технологий. И здесь важно, чтобы воспроизводимость толщины отдельных слоев была очень высокой, лучше всего — один атомный слой, потому что от этого зависит качество наблюдаемых эффектов. К сожалению, наша магнетронная установка не позволяет отслеживать нанесение отдельных слоев, но, варьируя скорость их нанесения, мы можем задавать номинальную (расчетную) толщину каждого слоя с точностью до десятых долей ангстрема. Эту единицу используют для измерения межатомных расстояний. Далее от пластины с напыленной на ее поверхности наноструктурой отрезаются отдельные кусочки, которые используются для изучения различных свойств. Если что-то не получилось или необходимо целенаправленно изменить какие-то свойства материала, мы корректируем процесс, в частности, время напыления отдельных слоев, и снова проверяем результат. И так пошагово мы можем улучшать функциональные характеристики наноструктур.
В сенсорах обычно используются объекты микронных размеров, которые изготавливают из исходных пленочных материалов литографическими методами. В зависимости от задач применяется разная технологическая цепочка операций. Фактически на выходе мы получаем некий прототип сенсора магнитного поля, полуфабрикат, который можно уже использовать для дальнейших исследований. У нас есть установка, которая позволяет прямо на пластине тестировать свойства микросенсоров, но для более точных измерений необходим готовый объект с припаянными проводами. Все это показывает, что для проведения исследований и изготовления прототипов сенсоров надо иметь не только лабораторное оборудование, но и ряд установок, используемых в промышленном производстве микроэлектроники.
— То есть применяются те же установки, но только в меньшем масштабе?
— Да, но на заводах идет все ориентировано на выход готовой продукции. Там большую роль играют экономические характеристики. Для проведения же научных исследований нет необходимости исследовать 500 одинаковых элементов. Если мы сделали себе десяток и на нем отработали какой-то технологический процесс, то этот процесс или часть процедур можем рекомендовать или передать предприятию радиоэлектронной промышленности.
Так, более 15 лет мы тесно сотрудничаем с «НПО Автоматики». И сейчас совместно работаем в рамках проекта, цель которого — изготовление прототипов магниточувствительных датчиков. Мы отвечаем за изготовление наноструктур и технологическое обеспечение некоторых операций, которые дополняют заводской процесс. С другой стороны, заводские возможности используются для того, чтобы довести наши многослойные пленки до прототипов датчиков. Опыт изготовления конкретных изделий накапливается постепенно. Бывает и так, что на каком-то этапе заводского технологического процесса наноструктуры разрушаются. Например, в результате перегрева идет либо взаимная диффузия между слоями, либо окисление микрообъектов. В конечном же итоге важные свойства материала теряются.
Совместными усилиями мы попытаемся довести эту работу до изготовления различных магниточувствительных датчиков. Планируется, что к концу этого года будут созданы прототипы датчиков на основе магнитных наноструктур с эффектом гигантского магнитосопротивления.
— Есть ли в планах запуск массового производства?
— Это все-таки не наша задача. Мы лишь можем помочь в этом процессе. Насколько я знаю, у «НПО Автоматики» такие планы есть. Так, например, датчики на основе пермаллоя, магнитомягкого сплава железа и никеля, там выпускаются массово. Если характеристики магнитных наноструктур будут достаточно высокими, то, несомненно, появится необходимость и в массовом выпуске изделий на их основе. Между тем мы уже приближаемся к состоянию, когда прототипы магнитных сенсоров сможем полностью изготавливать от начала и до конца в нашем институте.
— Совсем не обращаясь на предприятие?
— Да, но мы пока не ставим себе именно такую цель, потому что сотрудничество у нас взаимовыгодное. Если речь идет о готовом изделии в виде микросхемы с «ножками», то это требует использования дополнительного оборудования, которого в институте нет и которое вряд ли появится. Это, например, относится к технологии корпусирования. С другой стороны, в нашем институте имеется нанотехнологическое оборудование, которого нет у наших партнеров на предприятии. Важно, что такое сотрудничество дает возможность довести результаты научных исследований до изготовления новых отечественных изделий микроэлектроники.
В целом работа с наноструктурами подразумевает выход на те характеристики материала, которые важны для практического применения. Чтобы добиваться хороших результатов, необходимо динамично организовать весь процесс изготовления наноструктур и исследовательский цикл. Надо, чтобы от планирования и изготовления материала до получения результатов исследования его свойств проходил минимальный срок. Уже сейчас в нашей лаборатории все технологические процессы отстроены так, что мы в течение дня можем приготовить три образца наноструктур и к вечеру знать их магниторезистивные характеристики.
— В начале нашего разговора вы сказали, что в этом направлении наша страна отстает от передовых на 10–15 лет. Можно ли это отставание как-то преодолеть?
— Конечно, мы пытаемся сократить отставание. По крайней мере, магнетронную технологию приготовления двух типов наноструктур мы уже освоили. Но есть важные для практического использования типы микронных и субмикронных объектов, относящихся к «металлической» спинтронике, которые уже длительное время активно исследуются за рубежом, но слабо представлены в России. К ним относятся, например, латеральные спиновые клапаны, спин-туннельные микрообъекты, наноосцилляторы и другие. К их синтезу и исследованиям мы только приступаем. Без дорогостоящего литографического оборудования и опыта работы с ним изготовить подобные объекты невозможно. Приобретение такого оборудования обычно занимает 5–10 лет и более. Это касается как нашего, так и других академических институтов и организаций иного профиля, заинтересованных в подобных работах. Я не знаю ни одной организации в России, у которой был бы достаточный набор аналитического и технологического оборудования и накопленный опыт для успешной работы с современными объектами спинтроники.
— Есть ли проблемы с преодолением отставания за счет обмена опыта с коллегами из-за рубежа?
— В принципе уже имеется очень большой объем информации: что делать, как делать и на чем делать. И вообще специалисты, которые по долгу службы обязаны это знать, имеются. Но вот специалистов, которые бы не просто знали, но и умели, не хватает. И здесь чужой опыт сильно не поможет. Синтез наноструктур, проводимый в США или, например, в Португалии, выполняется на определенном оборудовании. У нас при точном соблюдении известных режимов напыления, но используя другой тип оборудования, приготовить образцы с теми же свойствами не получится, так как есть много тонкостей в этом процессе. И в научных статьях, как правило, сообщают только часть основных технологических параметров. Поэтому тезис «знать мало, нужно уметь» становится сегодня крайне важным.

Беседу вел Павел КИЕВ
На фото: М.А. Миляев (снимок С. Новикова); установка магнетронного напыления;
недавно приобретенное ИФМ оборудование для плазменного травления