DE10044226C2 - Magnetisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Magnetisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Element, umfassend ein Substrat, das eine Oberflächenrauhigkeit von kleiner als 5 nm und gesättigte Bindungen an den Oberflächen aufweist, und einen mindestens auf einer Seite des Substrats aufge­ brachten MPt3-Film mit zur Filmebene senkrechter magnetischer Anisotropie, wo­ bei M aus einem Metall der 5. bis 9. Nebengruppe des Periodensystems, Nickel oder Gadolinium ausgewählt ist, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie die Verwendung eines solchen Elements als magnetisches Bauelement, beispiels­ weise als magnetischer Sensor oder magneto-optisches Speicherelement.
Als magnetische bzw. magneto-optische Speichermedien werden unter anderem dünne, auf ein Substrat aufgebrachte Legierungsfilme eingesetzt. In einem sol­ chen Fall werden an derartige Legierungsfilme Anforderungen wie insbesondere eine senkrechte magnetische Anisotropie, d. h. die bevorzugte Magnetisierungs­ richtung ist senkrecht zur Filmebene, mit 100% Remanenz, eine Curie- Temperatur in einem Bereich von 100°C bis 500°C, eine geeignete Temperatur­ abhängigkeit der Koerzitivfeldstärke zur Gewährleistung einer hohen Schreib- /Lesestabilität und eine einfache Herstellung gestellt. Die Kristallitteilchen, die derartige Filme aufbauen, sollen dabei eine kleine Korngröße aufweisen. Die Korngröße solcher Kristallitteilchen liegt derzeit üblicherweise bei etwa 20 nm.
Eine Möglichkeit, Speichermedien mit höheren Speicherdichten zu entwickeln, besteht u. a. darin, die Korngröße der Film-bildenden Kristallitteilchen zu verklei­ nern, was zu einer Reduzierung der Bit-Speichergröße führen kann. Dies bewirkt jedoch zwangsläufig Probleme hinsichtlich der thermischen Stabilität (superpara­ magnetisches Limit) der gespeicherten Information und begrenzt die erreichbare Speicherdichte. Materialien, welche eine größere magnetische Anisotropie auf­ weisen, sollen jedoch bei einer kleineren Korngröße der Film-bildenden Kristallitteilchen stabil bleiben.
Magnetische Speichermedien mit einer starken senkrechten Anisotropie besitzen gegenüber herkömmlichen Speichermedien mit einer longitudinalen Anisotropie entscheidende Vorteile, und zwar eine Stabilisierung der gespeicherten Informa­ tion (bit) gegen Demagnetisierung und daher eine höhere Speicherdichte.
Derzeit werden als magnetische Speichermedien vorwiegend Materialien einge­ setzt, die aus ternären Systemen, wie beispielsweise CoPtCr Legierungssyste­ men, aufgebaut sind. Die Herstellung solcher Systeme erfordert jedoch aufwendi­ ge und kostenintensive Verfahrensschritte, wie insbesondere die thermische Akti­ vierung der einzelnen Legierungsbestandteile.
Auch bei binären Legierungssystemen werden gute magnetische bzw. magneto- optische Eigenschaften gefunden. So beschreibt beispielsweise Appl. Phys. Lett. 69 (8), 1996, Seiten 1166 bis 1168, die strukturellen und magnetischen Eigen­ schaften von FexPt1-x-Filmen, die eine große Kerr-Rotation zeigen. Auch im Stand der Technik verfügbare Co-Pt-Legierungssysteme zeichnen sich beispielsweise durch eine große Kerr-Rotation aus. Untersuchungen eines mittels Molekular­ strahlepitaxie hergestellten CoPt3(111)-Legierungsfilms auf einer Pt(111)- Keimschicht haben gezeigt, daß sich erst bei einer Aufdampftemperatur zwischen 550°C und 700°C eine langreichweitig chemisch geordnete fcc(111)-Phase (L12- Phase) bildet, bei der alle Co-Atome die Ecken der Elementarzelle besetzen und sich die Pt-Atome in den Flächenzentren befinden. Um diese geordnete Struktur zu erhalten, muß demnach die Volumendiffusion durch thermische Aktivierung stark erhöht werden, d. h. eine Temperatur von 550°C bis 700°C ist zwingend er­ forderlich. Die derart hergestellten Filme zeigen allerdings eine longitudinale Ani­ sotropie. Die für magnetische Anwendungen bevorzugte senkrechte Anisotropie tritt aber nur bei Aufdampftemperaturen in einem Bereich von 200°C bis 400°C auf. Diese Eigenschaft resultiert aus wachstumsinduzierten Prozessen (Segregationstendenz).
Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, magnetische Bau­ elemente, wie z. B. magnetische Sensoren oder magneto-optische Speicherelemente, bereitzustellen, die sich durch Abscheiden einer magnetischen Schicht auf ein Substrat bei niedrigen Abscheidetemperaturen herstellen lassen, wobei sich die magnetische Schicht bzw. der magnetische Film durch eine hohe senkrechte magnetische Anisotropie auszeichnen soll und gleichzeitig die Korngröße der die magnetische Schicht bildenden Kristallitteilchen weniger als 20 nm betragen soll.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausfüh­ rungsformen gelöst.
Insbesondere wird ein Element bzw. eine Einheit bereitgestellt, das bzw. die ein Substrat, das eine Oberflächenrauhigkeit von kleiner als 5 nm und gesättigte Bin­ dungen an den Oberflächen aufweist, und einen mindestens auf einer Seite des Substrats aufgebrachten MPt3-Film mit zur Filmebene senkrechter magnetischer Anisotropie umfasst, wobei M aus einem Metall der 5. bis 9. Nebengruppe des Periodensystems, Nickel oder Gadolinium ausgewählt ist.
Die verwendeten Substrate zeichnen sich durch sogenannte Van der Waals-Oberflächen aus und zeigen eine äußerst geringe Oberflächen­ rauhigkeit von kleiner als 5 nm, beispielsweise im Bereich von 1 bis 5 nm, vor­ zugsweise von kleiner als 2 nm, wie beispielsweise durch Rasterkraftmikroskopie oder Rastertunnelmikroskopie gemessen. Die Substratoberflächen sind chemisch passivierte Oberflächen und sind somit inert, d. h. es liegen keine freien kovalen­ ten oder ionischen Bindungen an den Oberflächen vor. Aufgrund dieser spezifi­ schen Oberflächenbeschaffenheit der erfindungsgemäß verwendeten Substrate stellen sich sehr schwache Oberflächenbindungen zu Adatomen, d. h. an einer Oberfläche adsorbierte Atome, ein, so daß diese im Gegenzug eine stark erhöhte Oberflächenbeweglichkeit zeigen. Zudem wird infolge der schwachen Bindung zu Adatomen ein stark "entnetzendes" Wachstumsverhalten ermöglicht, was zu ei­ nem granularartigen Kristallwachstum führt (Volmer-Weber-Wachstumsmodus). Dieser stark ausgeprägte Volmer-Weber-Wachstumsmodus bewirkt zwangsläufig ein granularartiges Kristallitwachstum, was bei entsprechenden Bedingungen zu einer Reduzierung der Korngröße führt, wodurch wiederum die Speicherdichte erhöht werden kann.
Als Substratmaterial kann prinzipiell jedes Material eingesetzt werden, das die vorstehend angeführten Oberflächenbeschaffenheiten zeigt, d. h. solange das Substratmaterial eine hohe Oberflächengüte und eine schwache Bindung (Van der Waals-Wechselwirkungen) zu Adatomen aufweist und damit im Vergleich zu beispielsweise metallischen Substraten, wie z. B. Platin, eine höhere Oberflächen­ diffusion von Adatomen ermöglicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Substrat aus der Gruppe, bestehend aus Schichthalbleitern, Graphit oder Polymerfilmen, ausgewählt. Als Schichthalbleiter können in vorteilhafter Weise insbesondere Mo­ Se2, MoS2, ReSe2, ReS2, WSe2 oder WS2 verwendet werden. Bei der Verwen­ dung derartiger Schichthalbleiter wird eine extrem hohe Oberflächendiffusion von Adatomen festgestellt. Beispielsweise ist die Oberflächendiffusion bzw. -beweg­ lichkeit von Cobalt und Platin, abgeschieden als Adatome auf einem WSe2- Substrat bei Raumtemperatur, 100-fach größer als auf einem Pt(111)-Substrat. Darüberhinaus ist es möglich, die vorstehend beschriebenen Schichthalbleiter in hoher Qualität, einfach, großflächig und preisgünstig herzustellen, was wesentli­ che Anforderungen für eine großtechnische Herstellung von solchen magneti­ sches Bauelementen, wie z. B. magnetische Sensoren oder magneto-optische Speicherelemente, sind.
Die als Substrat verwendeten Polymerfilme unterliegen keinerlei Beschränkung hinsichtlich des Polymermaterials, so lange die vorstehenden Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit erfüllt sind. Vorzugsweise werden als Polymer­ filmmaterial Polyolefine verwendet, die befähigt sind, derartige Van der Waals- Oberflächen aufzuweisen und sich durch die erfindungsgemäß gekennzeichnete Oberflächenrauhigkeit auszuzeichnen. Beispielsweise können derartige Polyolefi­ ne Polystyrol, Polyethylen, Polypropylen, Poly(meth)acrylsäure oder teilweise oder vollständig fluorierte Polyolefine, wie z. B. Teflon®, sein. Derartige Polymerfilme mit den vorstehend beschriebenen Oberflächeneigenschaften sind beispielsweise durch Spin-coating-Verfahren auf z. B. Siliziumsubstraten oder Glassubstraten er­ hältlich.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Elements ist das Metall M in dem MPt3-Film aus Cobalt, Chrom, Gadolinium, Eisen, Nickel, Mangan oder Vanadium, mehr bevorzugt aus Cobalt, ausgewählt. In einer besonders be­ vorzugten Ausführungsform ist der MPt3-Film ein granularartiger Film, der aus ein­ kristallinen fcc-CoPt3-Körnern aufgebaut ist, die keine chemische Ordnung auf­ weisen.
Die den MPt3-Film bildenden Kristallitteilchen des erfindungsgemäßen Elements weisen vorzugsweise eine Korngröße in einem Bereich von 2 bis 20 nm, mehr bevorzugt von 2 bis 8 nm, auf. Die Dicke des auf dem Substrat aufgebrachten MPt3-Films kann in Abhängigkeit von der Anzahl der abgeschiedenen Adatomla­ gen beispielsweise 2 nm bis 200 nm betragen. Das erfindungsgemäße Substrat unterliegt hinsichtlich der Dicke keinerlei Beschränkung. Beispielsweise kann die Dicke des erfindungsgemäß verwendeten Substrats 2 nm bis 0,1 mm betragen. Dabei kann das erfindungsgemäß verwendete Substrat selbst wiederum als Dünnfilm bzw. dünne Schicht auf einem Träger bzw. Trägersubstrat, wie z. B. Glas oder ITO, abgeschieden sein.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines solchen Elements, umfassend die Schritte:
  • a) Bereitstellen eines vorstehend definierten Substrats in einer Abscheideanla­ ge und
  • b) gleichzeitiges Abscheiden von Pt und einem Metall M, ausgewählt aus der 5. bis 9. Nebengruppe des Periodensystems, Nickel oder Gadolinium, mit einer Abscheiderate in einem Bereich von 0,001 bis 5 nm/s, vorzugsweise 0,001 bis 0,2 nm/s, wobei die Abscheidetemperatur in einem Bereich von 0°C bis 700°C, vorzugsweise 0°C bis 200°C, mehr bevorzugt 20°C bis 200°C, liegt, unter Bildung eines MPt3-Films auf dem Substrat.
Unter Abscheidetemperatur wird dabei die Temperatur des verwendeten Substrats verstanden. Die Abscheideraten können beispielsweise mittels eines in der Abscheideanlage angeordneten Schwingquarzes und eines Massenspektro­ meters separat eingestellt werden. Vorzugsweise erfolgt das Abscheiden von Pla­ tin und dem Metall M mittels Molekularstrahlepitaxie oder Sputtertechnik, jedoch ist auch ein Abscheiden mittels CVD- oder MOCVD-Verfahren denkbar. In einer bevorzugten Ausführungsform wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfah­ rens als Abscheideanlage eine Vakuumkammer mit einem Basisdruck im Bereich von 10-4 Pa bis 10-9 Pa, vorzugsweise 10-6 Pa bis 10-8 Pa, verwendet. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wer­ den Pt und das Metall M mittels Elektronenstrahlverdampfern aufgeheizt und ver­ dampft. Bei dem Elektronenstrahlverdampfungsverfahren wird ein Hochleistungs- Elektronenstrahl auf eine Festkörperoberfläche des aufzudampfenden bzw. abzu­ scheidenden Materials gerichtet. Diese Vorgehensweise ist dahingehend vorteil­ haft, daß auch hochschmelzende Materialien abgeschieden werden können.
Überraschenderweise können mittels des Verfahrens durch die spezifische Verwendung der vorstehend beschriebenen Substrate, die infolge derartiger Van der Waals-Oberflächen eine schwache Bindung zu Adatomen auf­ weisen und somit eine stark erhöhte Oberflächenbeweglichkeit der Adatome er­ möglichen, bereits bei geringen Abscheidetemperaturen, wie z. B. Raumtempera­ tur, magnetische MPt3-Filme bzw. Schichten erhalten werden, die sich durch eine hohe senkrechte magnetische Anisotropie auszeichnen, wobei gleichzeitig aber die Korngröße der die magnetische Schicht bildenden Kristallitteilchen weniger als 20 nm beträgt, was für die Erhöhung der Speicherdichte im Rahmen einer An­ wendung beispielsweise als magnetischer Sensor oder magneto-optisches Spei­ cherelement günstig ist. Beispielsweise ist es möglich, auf WSe2(0001) schon bei Raumtemperatur als Abscheidetemperatur bzw. Aufdampftemperatur einen gra­ nularartigen CoPt3(111)-Film in einer fcc-Phase und mit zur Filmebene senkrech­ ter magnetischer Anisotropie zu erhalten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung des er­ findungsgemäßen Elements als magnetisches Bauelement, beispielsweise als magnetischer Sensor oder magneto-optisches Speicherelement.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
Zur Materialdeposition bzw. -abscheidung auf ein WSe2-Substrat wurde eine Molekularstrahlepitaxie-Apparatur bei einem Basisdruck von 10-8 Pa verwendet, wo­ bei Co und Pt mittels Elektronenstrahlverdampfern aufgeheizt und verdampft wur­ den. Das Substrat befand sich etwa 0,5 m oberhalb der Co- und Pt- Verdampfungsquellen und konnte durch ein in dem Substrathalter angebrachtes Heizfilament auf die entsprechende Abscheidetemperatur eingestellt werden. Das Abscheiden bzw. Aufdampfen des CoPt3(111)-Films auf das WSe2(0001)-Substrat erfolgte bei Raumtemperatur als Abscheidetemperatur und einer Abscheiderate von 0,01 nm/s. Es wurde ein granularartiger CoPt3(111)-Film, welcher eine einkri­ stalline fcc-Phase aufwies, erhalten. Diese Phase bleibt bis zu einer Temperatur von 700°C erhalten. Es wurden in analoger Weise weitere erfindungsgemäße Elemente hergestellt, wobei die Abscheidetemperaturen in einem Bereich von 20°C bis 200°C lagen.
Die derart auf ein WSe2(0001)-Substrat aufgedampften CoPt3(111)-Filme wiesen eine starke zur Filmebene senkrechte magnetische Anisotropie, eine Curie- Temperatur von etwa 200°C, eine Koerzitivfeldstärke von 200-2000 Oe und 100% Remanenz auf.
Im Anfangsstadium des Kristallitwachstums von CoPt3 auf WSe2 wurde eine wohldefinierte Größenverteilung von Kristalliten, die einkristallin vorliegen und eine typische Korngröße von etwa 3 nm aufweisen, festgestellt. Die Kristallite wachsen mit zunehmender Filmdicke und bilden eine granularartige Filmstruktur. Die Korn­ größe dieser Kristallite liegt für 5 nm dicke CoPt3-Filme, die bei Raumtemperatur (20°C) aufgedampft wurden, zwischen 5 und 10 nm, was für hohe Speicherdich­ ten günstig ist.

Claims (14)

1. Element, umfassend ein Substrat, das eine Oberflächenrauhigkeit von kleiner als 5 nm und gesättigte Bindungen an den Oberflächen aufweist, und einen mindestens auf einer Seite des Substrats aufgebrachten MPt3- Film mit zur Filmebene senkrechter magnetischer Anisotropie, wobei M aus einem Metall der 5. bis 9. Nebengruppe des Periodensystems, Nickel oder Gadolinium ausgewählt ist.
2. Element nach Anspruch 1, wobei das Substrat aus der Gruppe, beste­ hend aus Schichthalbleitern, Graphit und Polymerfilmen, ausgewählt ist.
3. Element nach Anspruch 2, wobei der Schichthalbleiter aus der Gruppe, bestehend aus MoSe2, MoS2, ReSe2, ReS2, WSe2 und WS2, ausgewählt ist.
4. Element nach Anspruch 2, wobei der Polymerfilm aus einem Polyolefin, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polystyrol, Polyethylen, Poly­ propylen, Poly(meth)acrylsäure und teilweise oder vollständig fluorierten Polyolefinen, aufgebaut ist.
5. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei M aus Cobalt, Chrom, Gadolinium, Mangan, Eisen, Nickel oder Vanadium ausgewählt ist.
6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die den MPt3-Film bil­ denden Kristallitteilchen eine Korngröße in einem Bereich von 2 bis 20 nm aufweisen.
7. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der MPt3-Film eine Dicke in einem Bereich von 2 nm bis 200 nm aufweist.
8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat eine Dic­ ke in einem Bereich von 2 nm bis 0,1 mm aufweist.
9. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der MPt3-Film ein gra­ nularartiger Film ist, der aus einkristallinen fcc-CoPt3-Körnern aufgebaut ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte:
  • a) Bereitstellen des Substrats in einer Abscheideanlage und
  • b) gleichzeitiges Abscheiden von Pt und einem Metall M, ausgewählt aus einem Metall der 5. bis 9. Nebengruppe des Periodensystems, Nickel oder Gadolinium, mit einer Abscheiderate in einem Bereich von 0,001 bis 5 nm/s, wobei die Abscheidetemperatur in einem Be­ reich von 0°C bis 700°C liegt, unter Bildung eines MPt3-Films auf dem Substrat.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Abscheiden mittels Molekular­ strahlepitaxie oder Sputtertechnik erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei als Abscheideanlage eine Vakuumkammer mit einem Basisdruck im Bereich von 10-4 Pa bis 10-9 Pa verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei Pt und das Metall M mittels Elektronenstrahlverdampfern aufgeheizt und verdampft werden.
14. Verwendung des Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als magne­ tisches Bauelement, insbesondere als magnetischer Sensor oder ma­ gneto-optisches Speicherelement.
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