第一章緒論
1-1 研究動機
近年來與鈷鐵硼薄膜相關的研究非常多，2002 年日本 Sony 公司發表磁性隨 機存取記憶體(Magnetic random access memory,MRAM)製造技術，使用非結晶 CoFeB 作為磁穿隧效應的自由層，降低儲存與讀取時的失真情形[1]；2005 年文獻 研究以 CoFeB 作為穿隧磁阻的自由層和固定層，CoFeB/MgO/CoFeB 穿隧磁阻經 過退火處理後，在室溫下磁阻變化率高達 230%[2]；鈷鐵硼是一種具有高磁矩、低 矯頑場的軟鐵材料，並且有相當高的自旋極化率，這些特性使它廣泛地運用於自 旋電子元件上，例如磁性隨機存取記憶體以及磁感應器(magnetic sensor)、非揮發 性邏輯元件(nonvolatile logics)、磁感應器(magnetic sensor)以及硬碟(hard disk)[3]。 隨著科技的進展，在不久的將來，磁阻讀頭或磁性記憶體的反應時間將達到 奈秒等級，甚至更快的層級，在如此高速的反應時間內，動態磁化過程會被抑制 磁矩移動的阻尼效應強烈的影響[4]，為了瞭解電子元件受阻尼效應影響的程度，
我們從蘭道-利佛席茲吉爾伯特方程式(Landau-Lifshitz Gilbert equation)中獲得的 阻尼常數(damping constant)窺知一二。
然而到目前為止，鈷鐵硼薄膜參雜銅的效應並未被討論過，本篇論文，我們 將使用磁光科爾儀以及鐵磁共振儀研究共濺鍍鈷鐵銅硼薄膜，系統化的改變銅參 雜比例，討論銅參雜比例對矯頑場、方正度以及阻尼常數的影響。
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1-2 文獻回顧
1.鈷鐵硼 vs 穿隧磁阻
使用氧化鎂作為交換層，並以鈷鐵硼作為自由層與固定層的自旋閥式穿隧 磁阻，在氧化鎂與鈷鐵硼間的磁穿隧介面，於室溫下有一極高的磁電阻比值，自 此，鈷鐵硼開始備受注目，藉由高解析穿透式電子顯微鏡(high resolution
transmission electron microscope, HRTEM)分析樣品微觀結構，從圖 1.1 樣品剖面 圖(a)顯示磁穿隧界面非常清晰且平滑，並從圖 1.1 (b)瞭解鈷鐵硼確實為非結晶態 (amorphous)，其中些微的結晶行為可能來自於高溫退火處理(360℃,2 小時)，另外 成長於鈷鐵硼上的氧化鎂出現良好的結晶態；將多層膜樣品分別在低溫與室溫量 測磁阻比例，從圖 1.2 顯示在低磁場(150Oe)的磁阻比值為 230%[2]。
圖 1.1 高解析穿透電子顯微鏡剖面圖
(a)Ru/Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ru/CoFe/PtMn/Ta(b)CoFeB/MgO/CoFeB[2]
圖 1.2 低溫與室溫的磁阻變化[2]
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2.鈷鐵硼 vs 阻尼常數
鐵磁材料的阻尼常數是非常重要的材料特性，影響磁性記憶體達到高速磁化 強度開關(magnetization switch )的可能性，此外，降低磁矩反轉過程中關鍵電流 密度的大小[5]。
使用鐵磁共振儀量測各個角度下的共振頻譜，將不同角度的共振磁場代入朗 道-利佛席茲-吉爾伯特方程式，作數值擬合解出阻尼常數，得到鈷鐵硼薄膜在各 種不同組成成分下的阻尼常數，其中從圖 1.3 得到 20nm 的Co40Fe40B20的阻尼常 數約為 0.0035[5]。
圖 1.3 不同比例下的鈷鐵硼的阻尼常數[5]
阻尼效應的來源，可分為固有阻尼(intrinsic damping)以及非固有阻尼
(extrinsic damping)，固有阻尼指材料內原子受頻率、溫度以及渦電流效應等環境 因素影響材料阻尼的大小，而非固有阻尼則是受材料結構缺陷、異質交接面以及 包含的物質影響阻尼常數[4]。
3.鈷鐵硼 vs 結構
鐵鈷合金(Fe65Co35)參雜硼元素觀察結構與矯頑場的變化，圖 1.4 X 射線繞射 儀實驗數據顯示，硼參雜比例為零時，鐵鈷合金塊材的結晶結構為體心立方晶格 (body central cubic)，Ｘ射線繞射角度出現在 2θ = 45°，從圖 1.5 顯示鈷鐵硼合金 薄膜矯頑場大小約為 70Oe；當硼參雜比例在 4-10%範圍內，鈷鐵硼薄膜自然的形 成非結晶狀態，其矯頑場亦隨之降低，形成軟鐵材料[8]。實驗室鈷鐵硼合金為 Co40Fe40B20，從Ｘ射線繞射儀數據顯示材料結構為非結晶。
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圖 1.4 鐵鈷合金參雜不同比例硼的 X 射線繞射頻譜[6]
圖 1.5 鐵鈷合金參雜不同比例硼的矯頑場大小[6]
分析材料結構時，依據材料中具有週期排列區域的尺寸大小來界定，可區分 為單晶(single crystal)、多結晶(polycrystalline)以及非結晶(amorphous)三種類型，
週期排列區域代表原子或分子在材料內有規律性的排列，可表示為原子或分子間 有長程對稱(long range symmetry)的性質；非結晶材料僅有數個原子或分子呈現規 律排列，多結晶材料則是有數十到數百個原子或分子週期性的排列，整個材料可 區分成多個尺寸不相同的局部規律排列，且每個區域排列方向並不一致，理想的 單晶材料為整個材料空間皆呈現周期性排列[7]，圖 1.6 為三種結構類型的示意圖 形。
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圖 1.6 (a)單晶(b)多結晶 (c)非結晶材料原子或分子排列示意圖[8]
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