| note
| - Size-reduction for spiral inductors has brought soft ferromagnetic thin films to the attention of the RF-community. Consequently, designers for mobile communication circuits with material science people also think about new microwave or millimetric applications. This picture might be realistic shortly, if high permeability (μ'DC) and large ferromagnetic resonance frequency (fFMR) be achievable. However, ultra high magnetization (4πMs) and very large uniaxial anisotropy field (Hk) is believed to be impossible to combine with single-alloy materials. To overcome this limitation, we have proposed the use of high-4π Ms CoFe films, which are not naturally soft, into exchange-coupled multilayers. During my PhD, I have developed sputtered thin films consisting in antiferromagnetic/ferromagnetic/antiferromagnetic(AF/F/AF) multilayers. The main investigation has been completed for Co90Fe10 (4πMs = 17.5 kG) and Co35Fe65 (4πMs = 23.5 kG) as F-layers, respectively, and Ni50Mn50 as AF layer. For practical applications, such materials will be used as thick multilayered [NiMn/FeCo]*n films in order to cumulate adequate F-thickness (typically ≥ 0.5 μm). However, these materials might suffer from limitations (mainly eddy currents) due to an unfavourable filling ratio (fr = eF/eAF) < 1) and too large conductivities with FeCo and NiMn. We have enlarged the study to others AF layers such as IrMn and NiO. We have also developed new soft F-layers as CoFeN and CoFeHfN exhibiting high resistivity (∼ 180 μ.cm). As the exchange bias strength, critical thickness and temperature-dependence are known to strongly depend on the nature of the AF-layer, systematic investigations vs eAF and eF have been conducted. This work includes structural analyses (XRD, TEM) and annealing temperature investigations. Static properties have been investigated with VSM and Kerr effect. Dynamical properties have been investigated with a single coil permeameter up to 6 GHz and with coplanar wave guide lines up to 20 GHz. Large interfacial exchange energy densities Jex are achievable (1 erg.cm−2) with the AF/F/AF configuration which allows to adjust the pinning field (Hex) over a large range according to the classical 1/eF dependence. The combination of ultra high 4πMs and unique large Hk (50-700 Oe) has been successfully achieved, leading to the highest fFMR ∼ 10 GHz frequencies associated with μ'DC ∼ 50 never reported so far. Microwave permeability spectra agree LLG model and exhibit conventional damping parameter (0.01- 0.02), suitable for RF applications. Furthermore, microwave properties of such films are adequate regarding temperature stability : NiMn-coupled films do not show any significant changes up to 150°C. Finally, we have investigated the integration of such multilayered films in real devices. A new type of RF-inductor on silicon has been developed based on coplanar copper lines covered with the magnetic film. The realization features a new topology where the central stripe is fully encapsulated with the magnetic film including flanges. As a best result, the closed inductor exhibit the highest linear density of inductance with 1.5 nH.mm−1 being optimized up to 5 GHz. Indeed, the ratio between the operating frequency (Qmax) and the gyromagnetic frequency is found much more suitable than with spirals for Q optimization, considering moderate damping parameters. Integrated coplanar wave lines have been shown adequate for unusual high frequency permeability investigation (up to 20 GHz) while macroscopic techniques do not exceed ∼ 6 GHz typically. However, this advantage is balanced by a more complex interpretation of α which includes now extrinsic contributions to the material but realistic in terms of excitation.
- Dans le domaine de la microélectronique haute fréquence, les dimensions des composants passifs sont un frein à la miniaturisation des circuits. Dans ce contexte, la réduction des tailles pour les inductances spirales planaires a fait appel récemment à l’utilisation de films minces ferromagnétiques doux. Les concepteurs de circuits pour la communication mobile en lien avec les développeurs de matériaux ont alors pensé à étendre ces matériaux à d’autres domaines d’application à la frontière du micro-onde et du millimétrique. Ceci ne pourra être réalisé seulement si des films à forte perméabilité (μ'DC) et à fréquence de résonance (fFMR) très élevée sont développés. Cependant, une très forte aimantation (4πMs) et une grande anisotropie (Hk) sont très difficiles à combiner naturellement dans les alliages conventionnels. Afin de surmonter cette limitation, nous proposons une démarche en rupture pour le développement traditionnel pour les matériaux magnétiques doux avec l’utilisation de films de CoFe à très forte aimantation mais non doux naturellement, couplés avec un matériau antiferromagnétique (AF). Durant ma thèse, j’ai développé par PVD des structures Antiferromagnétique/Ferromagnétique/Antiferromagnétique (AF/F/AF) en couches minces. Les principales études ont été réalisées avec le Co90Fe10 (4πMs = 17.5 kG) et Co35Fe65 (4πMs = 23.5 kG), ce dernier présentant l’aimantation ultime, en tant que couche F et avec Ni50Mn50 en tant que couche AF. Pour des applications pratiques, ces matériaux seront utilisés en multicouches épais [NiMn/CoFe]*n afin d’obtenir une épaisseur fonctionnelle suffisante (typiquement ≥ 0.5 μm). Cependant, ces matériaux sont susceptibles de souffrir de limitations principalement dues aux courants de Foucault, en raison d’un facteur de remplissage non favorable (fr = eF/eAF) < 1) et de résistivités trop faibles avec CoFe et NiMn. Nous avons donc étendu l’étude à d’autres couches AF comme IrMn et NiO. Parallèlement, nous avons développé un nouveau film ferromagnétique hautement résistif, le CoFeHfN, qui présente également l’avantage d’un amortissement exceptionnellement faible. Afin d’étudier le couplage d’échange au travers des épaisseurs critiques mises en jeu et de la dépendance en température, nous avons réalisé une étude systématique en fonction des épaisseurs eAF et eF . Ce travail inclut également des analyses structurales ainsi que l’étude de recuits sous champ magnétique. La mesure des propriétés statiques a été réalisée au VSM et à l’effet Kerr. Les propriétés dynamiques ont été mesurées avec un perméamètre monospire de façon routinière et avec des lignes coplanaires intégrées, de façon isolée. Des densités de couplage Jex très importantes ont été obtenues (1 erg.cm−2) pour la configuration AF/F/AF, ce qui a permis d’ajuster le champ d’échange Hex sur une grande gamme selon sa variation classique en 1/eF . La combinaison d’une très forte aimantation 4πMs et d’anisotropies très élevées Hk (50 - 700 Oe) a été réalisée avec succès, aboutissant à des fréquences de résonance fFMR ∼ 10 GHz, associées à des perméabilités μ'DC ∼ 50, ce qui n’avait jamais été observé par ailleurs. Le spectre de perméabilité de tels films est correctement interprété par le modèle Landau-Lifschitz-Gilbert (LLG) et présente un paramètre d’amortissement classique (∼ 0.01 - 0.02), compatible avec les applications visées. De plus, les propriétés microondes de tels films sont acceptables concernant la stabilité thermique. Les films couplés avec NiMn ne présentent aucun changement significatif jusqu’à 150°C. Pour finir, nous avons discuté l’intégration de ces nouveaux matériaux dans des dispositifs utilisant des lignes coplanaires. Un nouveau type d’inductance RF pour l’intégration sur silicium a été développée, basé sur le concept d’un ruban central très faiblement dissipatif associé au matériau AF / F / AF. La réalisation comporte une nouvelle topologie où la ligne centrale est entièrement encapsulée par le film magnétique. Après avoir discuté des conditions d’excitation relevant des dimensions mises en jeu dans le dispositif (largeur du ruban central, largeur des gaps par rapport aux rubans de masse et largeur de l’élément magnétique, nous avons montré que ce nouveau type d’inducteur présente une densité d’inductance linéique parmi les plus élevée avec 1.5 nH.mm−1 avec un facteur de qualité optimisable jusqu’à 5 GHz grâce à un rapport entre la fréquence optimale (Qmax) et la fréquence gyromagnétique favorable sous réserve d’un coefficient d’amortissement modéré. Les lignes coplanaires se sont avérées également très pertinentes pour l’exploration des propriétés dynamiques des films AF / F / AF dans une gamme de fréquence inhabituelle (jusqu’à 20 GHz). Cependant, à la pertinence de cet outil exceptionnel, on peut opposer la difficulté d’interprétation du paramètre d’amortissement α dont l’aspect phénomènologique vient englober à cette échelle de réalisation des causes totalement extrinsèque au film mais révélatrice de son excitation réelle.
|
![[RDF Data]](/fct/images/sw-rdf-blue.png)
