CN1183529C - 尤其用于磁或磁光记录的磁蚀刻方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁蚀刻方法，其特征在于包括对薄层材料进行可控辐射以便在微米数量级或更小宽度的区域上局部地改变所述材料的磁性特性，例如尤其是其矫顽磁性、磁性各向异性或其居里温度。

Description

尤其用于磁或磁光记录的磁蚀刻方法
本发明涉及一种磁蚀刻工艺。
更确切地说，本发明利用一种与磁性有关的光学指标分量的可控变化形式而有利地应用于超高密度的磁记录(离散磁性材料的生产，磁存储电路、可磁性控制的逻辑电路等等)，只读存储类型(CDROM、DVDROM等)的光记录以及可磁性控制的光电路的生产(衍射光栅、光子间隙材料等)。
近年来多媒体技术和服务的巨大进步诱发了一场旨在提高记录密度的竞赛。在可改写磁盘领域，虽然光学(相变)技术发展得很快，但是磁性技术由于其高传送速度因此仍然是首选技术，尤其是在“硬盘”生产中。然而，磁性技术应该限制在100bits/cm2的存储密度上。
对于在记录头和记录介质之间距离小于10nm来说其中一个限制因素尤其在于向接触式磁记录的转变，目前存在一种向“遂道效应显微术”(“STM一类存储”)或“近场”型记录技术演化的趋势。
近年来在这个方向上已经提出了几次技术飞跃，如近场CD-ROM或近场光磁记录。在这点上，可以有利地参考以下的各种出版物：
Y.Martin，S.Rishton，H.K.Wickramasinghe，Appl.Phys.Lett.71，1(1997)；
Y.Betzig，J.K.Trautman，T.D.Harris，J.S.Weiner，R.L.Kostelak，Science 251，1468(1991)；
B.D.Terris，H.J.Mamin，D.Rugar，W.R.Studenmund，G.S.Kino，Appl.Phys.Lett.65，388(1994)；
E.Betzig et al.，Appl.Phys.Lett.61，142(1992)；
M.Myamoto，J.Ushiyama，S.Hosaka，R.Imura，J.Magn.Soc.Jpn.19-S1，141(1994)；
T.J.Silva，S.Schultz，D.Weller，Appl.Phys.Lett.65，658(1994)；
M.W.J.Prinz，R.H.M Groeneveld，D.L.Abraham，H.van Kempen，H.W.van Kesteren，Applied.Phys.Lett.66，1141(1995)。
还可以参看下列出版物：
B.D Terris H.J.Mamin，D.Rugar，Appl.Phys.Lett.68，141(1996)，其中它公开了3M公司将马上推出一种采用了一种固体浸没透镜(SIL)的磁光记录“硬盘”。
然而，磁性技术的主要的局限性应该在于“顺磁性限制”，即一定尺寸，低于该尺寸时数据会由于热效应而自行消失。
在目前的硬盘技术中，记录介质是一种特殊的材料(在一个非磁性矩阵中的磁性粒子或由非磁性晶界(ME磁带)隔开的磁性粒子(晶粒))。最大限度地降噪就必须增加由记录头所看见的磁性粒子，而这些粒子必须尽可能地进行磁性去耦。因此粒子的尺寸比一个比特要小得多。通过把这个当前数据外推，这些粒子会在小于8nm时呈现顺磁性，从而就把记录密度限制在大约100比特/μm2。
在磁光记录中，目前采用的材料为稀土/过渡金属类无定形合金，也可以用随着兰色激光产生的Co/Pt多层或合金来代替。60nm大小的比特实际上可以通过一种热磁效应写入连续的Co/Pt多层中，但是由记录介质(畴稳定性、畴壁粗糙度)导致的噪音问题很可能会在比特尺寸比60nm大很多的地方出现。
为了消除这一限制，最近提出用松散材料来代替目前的记录介质材料，该松散材料中磁性比特限制将由平版印刷法以几何学方式限定：
在一个蚀刻表面上进行沉积的方法：
S.Gadetsky，J.K.Erwin，M.Mansuripur，J.Appl.Phys 79，5687(1996)
或单独磁性晶粒的成长，其尺寸和位置由平版印刷术所限定，
S.Y.Chou，M.S.Wei，P.R.Krauss，P.Fischer，J.Appl.Phys.76，6673(1994)。
上述技术允许每一比特只有一个单一磁性晶粒。
另外，基于一个由电子平版印刷所限定的矩阵的压制技术已经被开发出来，
S.Y.Chou，P.R.Krarss，P.J.Renstrom，Science 272，85(1996)
Y.Xia，X.M.Zhao，G.M.Whitesides，Microelecton.Eng.32，255(1996)，
这种技术，正如在X-射线或干涉平版印刷中，会在不久的将来允许大量生产在几个cm2的面积上具有尺寸比一个微米更小的图案的蚀刻介质，满足未来磁盘的需要。
然而在目前公开的方法中，这些不同的技术存在几个缺点：
1.不论采用什么技术，以接触模式的记录会需要一种具备小的而且可以控制的表面粗糙度的材料：因此直到现在所采用的蚀刻材料都需要一个最终并且大概很困难的平面化步骤。
2.在近场磁光记录的情况中，蚀刻材料的光学指标的突然变化会引起衍射效应，这可以通过比那些由磁畴引起的更大程度上的极化改变体现出来—一种不想要的噪音。
3.在这些蚀刻材料上非常高的密度处，最后一个问题涉及磁道的跟踪，这或许有必要为此而开发出一种专门“磁道”，但是这并未缓解上述缺点。
本发明涉及一种磁蚀刻工艺，其特征在于薄层磁性材料(由几层原子平面构成)是被可控地进行辐射的，以便在宽度在微米或更小数量级的区域上局部地改变所述材料的磁特性，例如，尤其是其矫顽磁性、磁性各向异性或居里温度。
这样一种方法可以使上述问题得到解决。尤其是：
1.原始膜的粗糙度并未由于辐照而被改变，因此其粗糙度可以单独地进行调整。尤其是，可以设想在良好的生长条件(在一个蚀刻表面处的％)下进行辐照后的沉积(用于装置的生产)。
2.对于磁性特性的显著改变，光学指标仍然改变较小，而且光学指标能够在一个特定范围内以几乎与得到的磁性变化无关的方式通过基片的结构或离子的能量进行控制。
3.辐射的效果是累积的：这就有可能进行几次辐射，并且可能获得和采用累积辐射量一次辐射相同的结果。这对于以不同辐射量辐射样品多个区域的情况很有用，或对于一个装置制备过程中不同步骤很有用。
4.辐射效果易于通过测量测试区域上性质(例如磁性)改变来实时控制。
5.该技术易于应用于记录介质的大量生产，由于该技术需要用的工具已经用在微电子技术(辐射)中或正在研制中(例如，在大面积和纳米尺寸的情况中通过压制进行平版印刷)，因此该技术非常节约成本。
辐射有利地通过离子束进行。
可以设想采用其它的能量沉积技术。
该辐射可以通过树脂掩模或借助聚焦离子束进行。
上述蚀刻方法有利地用于超高密度二进制信息的磁或磁光记录，并且尤其可用于磁性存储电路或磁性控制逻辑电路的松散磁性材料的生产。
尤其是，上述方法具有使其能够写入尺寸比100nm小很多的磁畴，并且该磁畴的位置和几何结构得到完美限定并因此最大限度地提高信号/噪音比并使轨道方面的问题最优化，同时使表面粗糙度得到充分控制。
另外由本发明提出的方法有利地被用于生产一种只读存储类型的光记录元件(CDROM、DVDROM等)。
众所周知，近场光记录技术有可能必须采用光滑的写入材料，具有一个在上述材料上面几nm处(目前，对于硬盘来说是30nm)随意移动的读头。目前的只读存储类型的光记录技术并不令人满意：采用矩阵压制方法可以产生小于100nm的尺寸，但是所获得的记录介质是粗糙的；而采用一种聚焦激光束的写入方法(烧蚀、相变)不可能加工出100nm数量级或更小的比特尺寸。
可以设想除了二进制信息记录之外的其它应用。尤其是，由本发明提出的磁蚀刻方法有利地被用于利用一种与磁性有关的光学指标分量的可控变化生产可磁性控制的光学电路(衍射栅、光子间隙材料等)、被用于生产传感器(硬盘读头等)或磁性存储电路(尤其是霍尔效应存储器、磁致电阻式存储器、与自旋相关的隧道效应存储器)。
尤其是，众所周知光子间隙材料的出现打开了生产光学元件的道路并且所要解决的一个方面将会是该元件的控制。由本发明提出的方法使得可以通过辐射穿过一个掩模来制造一种由非磁性材料制成的波导薄膜，该薄膜由规则的磁性单元(光子晶体)阵列构成，该磁性单元具有既与基质材料有细微差别又可磁性控制的光学指标。
本发明方法通常可以应用在有利于精确地限定一个磁性元件并且同时保持该元件的极高的平面度(例如，为了便于随后的成长)的场合。
本发明方法还可以用于通过调节辐射条件来磁性地蚀刻已经埋置在其它不敏感层下的层。例如，但非限定性地，可以生产在同样的薄膜磁性材料中蚀刻的电路，并且只有该电路的大部分保留了磁性，接触磁道通过辐射而被赋予不活跃性；样品的一个给定区域的矫顽磁场可以可控地降低，以便确保反向磁化总是在同样的条件下从同样的位置出现。
本发明方法可以先验地适用于任意一种其中局部原子排列中的微小改变便会导致磁特性巨大变化的材料，也就是说适用于过渡金属合金(例如：CoPt、NiFe等)、稀土/过渡金属合金(例如：TbFeCo等)以及磁性多层(例如：Co/Pt、Fe/Tb等)，等等，这些列举是非限定性的。
Co/Pt多层是用于在蓝光中的短波长磁光记录的潜在的材料。
一个或更多实施方案的说明
下面在用一种离子束对磁性多层进行辐射的情况下对通过辐射进行磁蚀刻工艺进行说明，该工艺包括以下几个步骤，其中：
-(i)在辐射之前小心地控制界面处和多层表面上的组成和粗糙度；
-(ii)采用一种离子束对该多层结构进行辐射，控制通过该离子束引起的结构改性；尤其是，通过选择瞬时离子的能量和质量来控制由离子束所辐射的能量强度；
-(iii)可以通过一个合适的热退火工序来完成该辐射过程，以便消除应力和/或促使局部有序。
在磁性材料的情况中，该工艺的效果对于合金(过渡金属合金、稀土合金以及稀土/过渡金属合金)和所有类型的多层存储栈很重要。
该工艺有利地被应用在Co/Pt多层膜上。应该注意的是，这些材料的性能，首先是垂直磁各向异性、其次是强磁光克尔效应已经被广泛地研究；因此它们成为磁光记录的便利的候选材料。
在基于超薄层的材料中，其性能是通过界面效应和体积性能之间的竞争决定的。比如说，易磁化方向是由一个有效的各向异性系数Keff的正负号所给出的，该系数首先被写成：
K eff = - K d + K v + ( K s 1 + K s 2 ) t Co
第一项表示偶极子形状的各向异性(Kd＞0)，第二项表示体积各向异性(在Co的情况下Kv＞0)，最后一项来源于界面(在Co/Pt界面情况下Ks＞0)，它的作用随着Co厚度tCo变化而反向变化(Ks1和Ks2表示Co膜两个界面的磁各向异性系数)。根据Keff的正负号，易磁化轴线不是垂直于多层平面的轴线(Keff＞0)就是垂直于膜平面的轴线。该垂直设计对于磁光记录来说是必要的并且将有可能成为超高密度磁记录方面的所有技术的标准。
该工艺最好限制在引起低能量聚集的辐射上(在我们所感兴趣的界面处的小数量级的原子位移)。这可以例如通过低能量(从几keV到大约一百keV)的轻离子(如He+)或也可通过高能量(一般1MeV)的重离子(如质量序数为100)来达到。该辐射首先会改变界面的组成，并因此尤其是改变了界面的各向异性。对于最薄的薄膜(1或2层原子平面)来说或对于更高的辐射量来说薄膜的组成以及其体积磁性也会被改变(通过把原子从一层转移到另一层)：在Co/Pt的特定情况下，该CoPt合金的居里温度随着Pt的含量降低，并且在Pt含量约为75％时低于室温。
例如，本发明者已经在常温下以可控方式，通过以一个(非常低)1015离子/cm2辐射量借助被加速到300keV的Kr-离子以及借助30keVHe+离子以1016离子/cm2的辐射量辐射赋予厚度tCo为0.5nm的样品以顺磁性。
辐射效果的特点首先在于通过阴极溅射沉积的单一的Pt(3.4nm)/Co(tCo)/Pt(6.5nm)/无定形基底(Herasil磨光的二氧化硅SiO2/Si，Si3N4/Si)夹层。
通过所采用的沉积技术，在辐射之前就可以获得在0.3-1.2nm的Co厚度范围内具有一个垂直的易磁化轴线以及一个最佳正方形的极化磁滞回线(100％剩余磁化)的磁性薄膜。
在He+离子流量高达大约2×1015原子/cm2并且这些离子被加速到5和100keV之间的能量的条件下对这些样品的辐射，能够有效地调节一个超薄Co层的磁性特性：
1.在0.5nm厚的多层膜(大约2.25个原子平面)上，主要的效果在于降低了居里温度，该温度会在约为2×1016个离子/cm2的辐射量下下降到室温以下。在此温度下，薄膜保持着一个垂直的易磁化轴线和一个方形磁滞回线，但是当辐射量增加的时候，该薄膜的矫顽磁场会有规律地减小。获得具有几个Oe(1Oe＝1000/4πA/m)矫顽磁性的方形磁滞回线。可以想象在低磁场传感器的生产方面的有利的应用。
2.在1nm厚的试样(大约5个原子平面)上，辐射的主要效果在于在薄膜的平面中使易磁化轴线的倾斜，以及使界面各向异性常数Ks减小。该效果可以用低辐射量来获得，因为原始厚度接近于倾斜效果在最初样品中出现处的厚度(1.2nm)。
3.在中等厚度(0.8nm，即4个原子平面)的样品上，同样的辐射量对磁滞回线没有任何效果：在这些厚度下，居里温度已经很高了(接近于大块的Co的居里温度)，因此对界面的微弱改变已不太敏感，这些厚度也与易磁化轴线倾斜的正常厚度相差很远。这就构成了本工艺的有用的特点，一方面它使得可以在辐射一个双层时只改变其中一层。另一方面它可以在更高的辐射量下进行，更有助于同质。
应该注意的是，使离子加速的能量对磁性性能的改变上要比对于材料中位移程度的深度方面的分布上产生的影响效果差。这就使得该工艺能够应用在埋置在比示例中所用的薄层明显更深处的薄层中。
所述方法的一个基本特点在于，虽然辐射对磁性产生显著效果，但是其在样品的光反射率上的效果仍然较小。
这种差异对于裸眼来说是看不见的，并且仅仅在一个好的显微镜下才能看得见(与Pt/Co/Pt样品中的畴壁相比较的差异)。光效果的微小与所导致的结构改变的微小相关。
也进行了在(Pt/Co)6/Pt多层栈上的试验。这些多层结构(厚度、Co/Pt周期数)是围绕通常用于光磁记录介质的数值来选择的。与上面针对单一薄膜描述的各向异性随Co厚度的改变得到的情形相比较，在多层薄膜中由于源于相反的极性或铂的导电电子产生的互换作用导致层间相互作用使辐射对磁性能产生的效果变得更加复杂。这一通过用于界面层的Pt的铁磁性来表现的相互作用有助于提高多层的居里温度，尤其是在Co厚度非常小的时候。这两种相互作用的存在也会导致一个相当宽的Co厚度范围，在这个范围内系统被分解成有规则的磁畴，在这些磁畴中磁化是垂直的(“条状”畴结构)，甚至在可能产生易磁化平面的Keff值略呈负数的情况下也是如此。
这些测试在具有同样Co厚度(并因此具有同样的单层各向异性)以及同样的周期数但Pt分离层的厚度不同的两个系列的样品上进行：
A系列：Pt(2nm)/[Pt(1.4nm)/Co(0.3nm)]6/Pt(6.5nm)
B系列：Pt(2nm)/[Pt(0.6nm)/Co(0.3nm)]6/Pt(6.5nm)
在B系列的情况下，在完成相互扩散之后合金的Pt含量大约会是66％(铁磁合金)，而对于A系列来说Pt含量为82％(非磁性合金)。另一方面，在B系列中，Pt夹层更薄，Co层进行相互作用的能力更强，这样原则上使得更容易通过减小各向异性获得“条状”畴结构，随后形成易磁化平面。
在测试的辐射量范围(在A系列的情况中高达1016以及在B系列的情况中达2.6×1016)内，该辐射的结果对于两个系列来说在质量上显示出同样的效果：逐步的(并容易控制的)从一个垂直的易磁化轴线(具有一个最佳的方形磁滞回线，其矫顽磁场随着辐射量而减少)转换到一种“条状”畴结构，然后转换成一个易磁化平面。如上所述，这种倾斜对于B系列(3×1015相对于6×1015离子/cm2)而言发生在更低辐射量的时候。在所用的辐射量下，所有样品在常温下仍然保持铁磁性。
在所有上述情况下，无法通过空气中的AFM来探测出样品表面粗糙度的任何变化，甚至对于0.2nm均方值(rms)数量级的极其低的最初粗糙度来说，也是如此。
此外，还进行了让辐射穿过一个树脂掩模的试验。
在Pt(3.4nm)/Co(0.5nm)/Pt(6.5nm)/Herasil简单夹层的样品上，测试了两类树脂：
1.一种Shipley负树脂，适于通过X-射线平版印刷术进行的亚微细粒的平版印刷。该树脂只在一个样品的一半上已经沉积了厚为0.8μm的一层，然后在通常的条件下进行退火。然后再次在通常的条件(热三氯乙烯浴)下对整个样品进行辐射并去掉该树脂。
没有受到树脂保护的部分再现了上述的辐射效果，而受到保护的部分的性质没有任何改变。原则上，按照已经另外开发的方法，采用同样的树脂但另外还采用一种X-射线平版印刷步骤以限定其中一个的孔阵列，应该在最低限度上使其能够获得尺寸为0.2μm并相隔0.2μm的磁性蚀刻二进制数阵列，即25比特/μm2的记录密度，几乎比现有密度高20倍。
2.一种适用于电子平版印刷术的PMMA正树脂。该树脂被沉积成厚度约为0.85μm的一层并且在这种情况下不进行退火，这可能对图案边缘的质量有影响。在这种树脂的标准退火条件(160℃，30分钟)下，在样品中开始出现效果，但是在更低温度(＜120℃，在这个温度下样品是不敏感的)下也可能得到同样好的退火效果。接下来，对这些样品进行一个电子平版印刷步骤以便在一个800×800μm2面积上限定出如树脂中的凹槽一样的宽1μm相隔1μm的线条阵列。然后在标准条件下对整个样品进行辐射并去掉树脂。在一个磁光显微镜中观察，结果表明在所选择的辐射剂量(1016原子/cm2)下，受到辐射的部分在室温下变成顺磁性的(这个状态具有可消除磁性区域之间的耦合的优点)。受到树脂保护的部分仍然保持具有与原始样品类似的方形回路的垂直磁化。
如上同样的电子平版印刷方法可以应用在B系列的一个Pt(2nm)/[Pt(0.6nm)/Co(0.3nm)]6/Pt(6.5nm)多层上以便通过以2×1015原子/cm2的剂量进行辐射形成同样的线条阵列。然而，和在单一的0.5nmCo层的情况不同，这两个部分(受到保护的部分和受到辐射的部分)仍然保持一种垂直磁化和一个方形回路，然而受到辐射的部分的矫顽磁场更弱。实际上，在一个磁光显微镜中的观察清楚地显示出在磁性饱和之后在该反向的外加场中出现反向磁化，该磁化首先出现在受到辐射的线条中，然后扩散到没有受到辐射的部分中(阵列外部的线条和薄膜)。因此在中间区域中就能够获得由平版印刷人工地形成的磁畴。紧接着，用近场磁光显微镜进行检验，这样就能够非常精确地看到这些人工磁畴。因此这就证明了所提出的“接触”记录方法的可行性。另一方面，在同样的但是由材料烧蚀蚀刻的样品上，同样的近场显微技术只显示出衍射效应。
应该注意的是，在辐射之后，PMMA树脂变得更难去掉。沿着单元保留的残余物会引入粗糙之处以及一种非磁性类的不良光对比度，这就需要一种附加的“氧气等离子体”去膜步骤(一种显微技术中公知的方法)。
最后，由于PMMA树脂电子平版印刷的精确度，可以获得尺寸小于100nm的二进制位，即高于100比特/μm2的密度。
刚才描述的这种技术有利地用于制造包含有隐藏的磁性结构的层，尤其用于磁性结构记录介质或磁电子装置如M-RAM存储器、逻辑元件等的生产。
它们允许平面磁蚀刻隐藏的磁性层，这不会改变材料的表面粗糙度并且可以控制光学性能的变化例如至可以被忽略的程度。
这些技术可以用于工业上的大规模生产。
利用没有任何蚀刻效果的轻离子，这些轻离子能够被深深地植入基片中，明显地处在该层的下面。
该参数是沿着轨迹由离子沉积的能量而不是沿着由重离子产生的一连串缺陷，由此可以对电磁变化进行良好控制，对于高剂量来说，这样产生了同样的效果。
此外，借助本发明方法可以本质地获得一个由反向磁化导致的并与出现在辐射区域边界处的现象相关的易形成晶核的区域。这对于在一个磁性“粒子”组合中控制磁化反向磁场并使其均衡化或对于记录介质或一种存储器或逻辑片、当然不仅限于此是重要的保障因素与前提条件。

Claims (2)

1.磁光记录方法，其中记录材料被能量为5-100keV的He+离子束辐射，其特征在于该材料为包括沉积在基片上的埋置的Co/Pt磁性多层薄层材料，一个或多个尺寸为1微米或更小的区域受到辐射，辐射量被控制在2×1015-2×1016离子/cm2，辐射过程改变了该薄层材料的磁性特性。
2.权利要求1的方法，其特征在于辐射是通过穿过一个掩模来进行的。
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