DE1275699B - Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Duennschichtanordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

HOIf

Deutsche Kl.: 21g -31/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 75 699.9-33 (J 24932)

14. Dezember 1963

22. August 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Dünnschichtanordnung.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von im Vakuum aufgebrachten, aufgestäubten oder plattierten dünnen magnetischen Schichten für Speichervorrichtungen erfordert das Entfernen eines beschichteten Trägers aus einer Vakuumkammer oder einer anderen primären Überzugsvorrichtung, um Trennungen zwischen den einzelnen Speicherschichtelementen durch Ätzen oder auf andere Weise herstellen zu können. Es ist dadurch notwendig, daß das Vakuum bzw. die für die Schichtaufbringung hergestellten Bedingungen unterbrochen werden.

Ein anderes bekanntes Verfahren zum Herstellen magnetischer Dünnschichtbereiche besteht darin, die Aufbringung durch eine Maske vorzunehmen, die einen Niederschlag nur in ausgewählten Bereichen gestattet. Die Anwendung dieses Verfahrens bereitet aber Schwierigkeiten, wenn es sich um die Herstellung sehr kleiner Elemente handelt, die in engem Abstand voneinander liegen. Aber auch in anderen Fällen erfordert die Herstellung der Maske wegen der erforderlichen hohen Genauigkeit einen erheblichen Kostenaufwand, der insbesondere dann in einem ungünstigen Verhältnis zu den Gesamtherstellungskosten der Anordnung steht, wenn die zu produzierenden Stückzahlen klein sind.

Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetspeicherplatte mit magnetisch voneinander isolierten Speicherbereichen bekannt, welches darin besteht, daß eine erste Schicht aus einem ferromagnetischen Material mit einer zweiten Schicht aus einem nichtmagnetischen Material, welche an den den magnetisierbaren Bereichen entsprechenden Stellen Aussparungen aufweist, derart verschmolzen wird, daß das nichtmagnetische Material die erste Schicht in ihrer ganzen Dicke durchdringt und sich mit dem ferromagnetischen Material zu einem nichtmagnetischen Material legiert. Für die nichtmagne- tische Schicht wird von diesem Verfahren Kupfer verwendet, das auf die ferromagnetische Schicht unter Verwendung von Masken aufgalvanisiert oder aufgedampft werden kann. Auch dieses Verfahren weist die vorausgehend für das Aufdampfen dünner Magnetschichten unter Verwendung von Masken erläuterten Nachteile auf.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Dünnschichtanordnungen anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren insofern vermeidet, als es eine Herstellung beliebiger Magnetschichtstrukturen ohne Verfahren zur Herstellung einer magnetischen
Dünnschichtanordnung

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y.(V.St.A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. A. Bittighofer, Patentanwalt,

7030 Böblingen, Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Bruce Irving Bertelsen,

Poughkeepsie, Dutchess, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 24. Dezember 1962
(246 834)

Unterbrechung des Vakuums und unter Verwendung von Masken gestattet. Das Verfahren gemäß der Erfindung verwendet hierzu das oben erläuterte Prinzip der bereichsweisen Neutralisierung oder magnetischen Eigenschaften eines Magnetmaterials durch ein diesem benachbart angeordnetes nichtmagnetisches Material bei Wärmeeinwirkung. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß eine mit einer dünnen Magnetschicht und einer dieser benachbarten dünnen, homogenen nichtmagnetischen Schicht des neutralisierenden Materials versehene Trägerplatte in einer Vakuumkammer im Bereich eines koordinatenförmig auslenkbaren Elektronenstrahls angeordnet wird, dessen Auftreffenergie auf die Trägerbeschichtung ausreicht, um die notwendige Wärmemenge für ein örtlich begrenztes Legieren oder chemisches Reagieren der Magnetschicht mit der Neutralisationsschicht zu erzeugen, und daß die Auslenkung des Elektronenstrahls entsprechend der geforderten Magnetschichtstruktur gesteuert wird.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung sind aus den Ansprüchen in Verbindung mit einem nachfolgend an Hand von Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiel ersichtlich.

F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Substrat mit den Schichten der Anordnung von Speicherelementen vor dem Diffusionsprozeß;

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Fig. 2 stellt in Perspektive das Speichersubstrat dar, das in einer Vakuumkammer gegenüber einer Elektronenschleuder angeordnet ist, die einen Strahl darauf richtet, um den magnetischen Überzug in horizontale und vertikale Abschnitte zu unterteilen, während der Strahl auf die äußere Chromschicht einwirkt, um diese in die magnetische Schicht und die Legierungstrennschichten horizontal und vertikal einzudiffundieren;

F i g. 3 zeigt einen Schnitt durch die Speicherebene nach Durchführung des Diffusionsprozesses und nach dem Aufbringen einer äußeren Siliziummonoxydschicht auf die Außenseite;

F i g. 4 zeigt einen Schnitt zu einem noch späteren Zeitpunkt, nachdem der äußere Überzug aus Siliziummonoxyd einen Kupferüberzug erhalten hat, der entsprechend einem vorgegebenen Schema zu ätzen ist, um die Wicklungen zur Steuerung der magnetischen Schaltung der Elemente der Anordnung zu formieren; als Alternative dazu können auch die Kupferwicklungen abgedeckt und direkt im Vakuum aufgebracht werden, um den Ätzvorgang auszuschalten;

F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch eine fertige Speicherebene mit den Wicklungen, wobei die äußere Kupferschicht zu einem Muster leitender Linien geätzt ist, bei denen es sich um Lese- und Schreibsteuerwicklungen für die Speicherelemente handelt, die sich direkt unter den Wicklungen befinden und von ihnen nur durch eine dünne Siliziummonoxydschicht getrennt sind.

Die Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung kann bei den verschiedenen Verfahren des Aufbringens aufeinanderfolgender Schichten aus magnetischen Substanzen und anderer Schichten auf die verschiedenen Schichten des Speichersubstrats verschieden sein. Nachstehend wird für die Veranschaulichung der Erfindung das Verfahren der Aufbringung im Vakuum gewählt. Hierbei kann das Substrat zunächst mit einer vorläufigen Glättungsschicht aus irgendeinem keramischen Material versehen werden und dann der übliche Nickeleisenüberzug als eine durchgehende Schicht aufgebracht werden, die die magnetischen Speichereffekte ausführen soll. Für die Bildung mehrerer getrennter Bitspeicherelemente ist es natürlich nötig, diese einzige große Schicht in getrennte Elemente zu unterteilen. Das geschieht gewöhnlich durch ein Ätz- oder Schleifverfahren, aber im vorliegenden Fall wird zu diesem Zweck ein vorläufiger Überzug aus Chrom aufgetragen, und danach werden bestimmte Linien oder Flächen dieses Chromüberzuges so erhitzt, daß das Chrom in und zwischen die getrennten, unbeeinflußten magnetischen Bereiche diffundiert, wodurch nichtmagnetische Bereiche entstehen, die die einzelnen Speicherelemente von allen Seiten umgeben. Das Erhitzen des Chroms in einem bestimmten Bereich wird durch einen Elektronenstrahl bewirkt, der genau gesteuert und sehr scharf gebündelt werden kann, so daß auch sehr viele getrennte Elemente mit sehr kleinem Flächenbereich gebildet werden können.

Durch die Anwendung dieses Verfahrens ergeben sich mehrere wirtschaftliche Vorteile. Einer von ihnen besteht darin, daß eine ganze Anordnung getrennter Speicherelemente hergestellt werden kann, ohne daß ihr Träger aus dem Vakuum herausgenommen wird und ohne daß Masken verwendet werden.

Ein weiterer Vorteil besteht in der Ausschaltung von Oberflächemmterbrechungen, die manchmal bei Ätzoder Maskierungsverfahren auftreten, wenn mit deren Hilfe viele magnetische Dünnschichtbereiche einer Anordnung voneinander getrennt werden sollen. Das trifft besonders dann zu, wenn die Anordnung dadurch miniaturisiert werden soll, daß die sehr dichten Elemente sehr klein gemacht und durch feine Linien, deren Stärke zwischen einem hundertstel und einem tausendstel Millimeter liegen kann, voneinander getrennt werden. Ohne Niveauunterbrechungen verhindert die Unterteilung durch Diffusion die magnetische Wechselwirkung des Blochwandkriechens. Da das Substrat nicht aus einer Vakuumkammer herausgenommen zu werden braucht, werden die Gesamtkosten durch die Zahl der dünnen Schichten, die vor und nach dem Aufbringen der Nickeleisen- und Chromschichten aufgebracht werden, nicht wesentlich erhöht. Man kann also bei Anwendung des neuartigen Verfahrens ohne weiteres einen zusätzlichen Schutzüberzug, z. B. aus Siliziummonoxyd, auf der Außenseite versehen. Obwohl die Erfindung hier so dargestellt ist, daß es sich nur um eine Folge von Schichten handelt, dürfte es klar sein, daß, solange das Substrat sich in der Vakuumkammer befindet, mehrere aufeinanderfolgende Reihen von Schichten aus magnetischen, nichtmagnetischen, nichtleitenden und leitenden Materialien übereinander aufgebracht werden können, um Elemente mit geschlossenem Flußpfad oder magnetische Elemente und alle dafür nötigen Treiber- und Abfühlleitungen zu bilden.

F i g. 1 zeigt einen vergrößerten Querschnitt durch ein Subtrat vor der Einwirkung des Elektronen-Strahls. Das Substrat 20 soll aus einem Metall, wie z. B. Silber, Silberlegierungen, Kupfer, Aluminium oder anderem gutleitendem Material, oder aus Keramik, wie z. B. Glas oder einem der gegenüber hohen Temperaturen resistenten Kunststoffe, mit einem Überzug aus einem der genannten Metalle oder Legierungen bestehen. Bei dem vorläufigen Überzug 21 handelt es sich um eine dünne Schicht aus Siliziummonoxyd, die eine ebene Oberfläche oder eine glatte Unterschicht zum Aufnehmen der dünnen Schicht 22 aus Nickeleisen bildet, welche vorzugsweise durch Aufdampfung im Vakuum aufgebracht wird, aber auch durch Kathodenzerstäubung, Galvanisieren, nichtelektrische chemische Abscheidung oder irgendein anderes von mehreren bekannten Verfahren zum Herstellen orientierter Niederschläge aus ferromagnetischem Material aufgebracht werden kann. Nach der Erfindung wird auf die Nickeleisenschicht eine dünne Schicht 32 aus Kupfer oder Chrom aufgetragen, und zwar ebenfalls nach einem von mehreren bekannten Aufbringungsverfahren, aber vorzugsweise durch Aufdampfen im Vakuum, damit eine ununterbrochene Reihe von Operationen in einer Vakuum- und Strahlleitkammer ausgeführt werden kann. Beim Übereinanderlegen mehrerer Anordnungen erfolgt die Abschirmung durch Zwischenschichten aus stark leitendem Metall.

Fig. 2 zeigt, wie eine solche Vakuumkammer mit einer Elektronenstrahlanordnung versehen werden kann, um die Chromschicht örtlich zu beeinflussen, damit ein Teil davon in das Nickeleisen diffundiert und dadurch eine Reihe von Grenzen bildet, wie z. B. horizontale und vertikale Linien, die die Nikkeleisenschicht in quadratische oder rechteckige EIe-

mente unterteilen, von denen jedes geeignet ist, einen umschaltbaren Zustand magnetischen Flusses in Abhängigkeit von den üblichen Wicklungen für Schreib-, Abfühl-, Lese- und Sperrwirkungen zu speichern. Die den Strahl erzeugende Apparatur umfaßt die übliche Elektronenschleuder 24 und eine Anzahl von Ablenkplatten, zu denen die vertikalen Platten 25 und die horizontalen Platten 26 gehören, die sich zwischen der Schleuder und dem Substrat 20 befinden, welches so angeordnet ist, daß die Chromschicht 23 der Schleuder zugewandt ist. Ein Elektronenstrahl 35 kann somit schnell horizontal und vertikal über die Oberfläche des Substrats gelenkt werden.

Wenn das mit dem Überzug versehene Substrat 20 (F i g. 2) als Anode in der Vakuumkammer oder wahlweise in einer getrennten kathodenstrahlröhrenartigen Vorrichtung eingestellt wird, erhitzt ein fokussierter Elektronenstrahl 35 die Schichten in denjenigen Bereichen, wo die Elektronen als dünner gebündelter Strahl in einem Überstreichungsmuster auftreffen. Da die Auftreffenergie des Elektronenstrahls so hoch gemacht werden kann, daß die Schichttemperatur örtlich auf eine geeignete Diffusionstemperatur angehoben wird, werden die Bereiche oder Umfassungslinien des magnetischen Schichtüberzugs, die durch den Elektronenstrahl erhitzt und legiert werden, dauerhaft nichtmagnetisch.

Obwohl zum Zweck der Veranschaulichung nur eine Elektronenschleuder 24 gezeigt ist, können natürlich eine oder mehrere Reihen oder Gruppen von Schleudern und Folgen von Strahlen 35 gleichzeitig verwendet werden, um eine Reihe von Gitterlinien auf einem vorbeilaufenden Substrat in einem Durchgang zu erzeugen, und eine sich kreuzende Reihe von Strahlen aus ein und demselben oder einem anderen Satz von Schleudern könnte horizontale und vertikale Trennlinien von Speicherbereichen erzeugen.

Die zeitliche Folge der Einwirkung des Strahls wird so gesteuert oder programmiert, daß zunächst aufeinanderfolgende Schichten aus Siliziummonoxyd, Nickeleisen und Chrom hergestellt werden, bevor der Elektronenstrahl wirksam wird, um die Diffusion vor den anderen Schritten zu bewirken, die nachstehend in Verbindung mit F i g. 3 bis 5 erläutert werden.

Aus F i g. 3 ist ersichtlich, daß sich die Speicherebene in zwei Punkten von der Darstellung in F i g. 1 unterscheidet. Der eine Unterschied liegt in den kleinen Trennbahnen oder -linien 30 in der Nickeleisenschicht 22. Es handelt sich dabei um die eindiffundierten Legierungstrennlinien 30, die nichtmagnetisch sind und als Unterteilungen für die anderen Bereiche der magnetischen Schicht, die die magnetischen Eigenschaften beibehalten, wirken. Der andere Unterschied ist der zweite Überzug 27 aus Siliziummonoxyd, der auf das Chrom aufzubringen ist als Vorbereitung für das leitende Material, das die Wicklungen zum Lesen und Schreiben bilden soll, indem der Speicherzustand des magnetischen Flusses der verschiedenen Dünnschichtbereiche umgeschaltet wird.

Nach der Aufdampfung des Siliziummonoxyds 27 im Vakuum wird eine weitere Kupferschicht 28 auf das Substrat aufgebracht, wie es F i g. 4 zeigt. Diese bildet das Material, das durch Ätzen oder auf andere Weise in getrennte Leiter 29 unterteilt werden kann, wie es F i g. 5 erkennen läßt. Natürlich kann an Stelle des Ätzens der Leitungen 29 ein Abdeckverfahren verwendet werden, um diese Leiter direkt in derselben Vakuumkammer festzulegen, in der auch alle anderen dünnen Schichten aufgebracht werden, und in diesem Fall kann der Prozeß hinsichtlich der Schichten 21 bis 29 mehrere Male wiederholt werden, so daß man eine dreidimensionale Speicheranordnung in einem durchgehenden Arbeitsgang erhält.

Um bezüglich des Prozesses genauere Parameter anzugeben, seien die einzelnen Schritte des Prozesses nochmals mit einer Anzahl von Zahlen, die sich als wirksam erwiesen haben, beschrieben.

Zunächst wird ein poliertes Metallsubstrat mit einer 1 bis 1,5 μηα starken Schicht aus SiO überzogen, um die Oberfläche zu glätten. Ohne Unterbrechung des Vakuums wird dann eine 50 bis 100 nm starke Schicht aus Ni-Fe (81%, 19%) aus einer zweiten Aufdampfquelle aufgetragen. Anstatt dann das Substrat herauszunehmen, um getrennte Ni-Fe-Elemente durch Photoätzverfahren zu bilden, wie es bei bekannten Verfahren gemacht wird, wird jetzt die kontinuierliche Ni-Fe-Schicht mit Chrom (20 bis 100 nm) aus einer dritten Aufdampfquelle überzogen. Dadurch, daß über das Substrat ein Elektronenstrahl 35 entsprechender Energie und Größe hinwegbewegt wird, kann das Chrom zum Hineindiffundieren in das Ni-Fe veranlaßt werden, und zwar in einem Schema, das dem der gewünschten magnetisch unwirksamen Bereiche entspricht. Da nur ein Anteil von 20 bis 30% Cr in der Ni-Fe-Cr-Legierung nötig ist, um den Curiepunkt unter die Zimmertemperatur hinabzudrücken, ist keine übermäßige Einwirkungsdauer und Stärke der Energie erforderlich. Es genügt, daß die nötige Einwirkung eines Elektronenstrahls von 0,3 mm Durchmesser, 2 kV und 100 μΑ kürzer ist als 1 Millisekunde, um die dünne Schicht (100 nm Ni-Fe, 50nmCr) aut 1000⁰C zu erhitzen und eine vollständige Wanderung des Cr durch die Ni-Fe-Schicht zu gestatten. Es sind insgesamt 1,7 · 10⁴ Strahldurchmesser der Bewegung erforderlich in einer Fläche von 5 · 5 cm zur Herstellung von 2304 Bits mit je 0,3 · 0,65 mm² Fläche. Die erforderliche Einwirkungszeit liegt also in der Größenordnung von 20 Sekunden bei Verwendung einer einzigen Strahlquelle. Diese Zeit ist mit den Schritten des Aufbringungsprozesses vereinbar, aber parallele Strahlen sind relativ einfach vorzusehen und können sowohl Schwierigkeiten in bezug auf Ausrichtung und Kompliziertheit des Transportmechanismus verringern als auch die Behandlungszeit verkürzen.

In der obenerwähnten speziellen Anwendung können die nächsten Schritte darin bestehen, eine weitere SiO-Schicht und schließlich entweder eine dünne leitende Schicht zum nachfolgenden Galvanisieren und Ätzen zu dem Abfühlleiterschema aufzubringen oder das Aufdampfen im Vakuum bis zur vollen Dicke mit oder ohne Markieren fortzusetzen und dann eine Photoätzung auszuführen. Die weiteren Schichten werden auf diese Weise mit sehr geringen Kosten erzeugt, indem einfach eine andere Quelle zur Einwirkung gebracht wird, ohne das Vakuum zu unterbrechen.

Während das Maskieren von Speicherelementbereichen mit hoher Dichte an sich nicht für Anwendungen mit hoher Temperatur empfohlen wird, ist es möglich, wahlweise Masken für Wicklungen

und Leiter zu benutzen, wie z. B. die Masken 31 und 32, die auf die Oberfläche des Substrats aufgelegt werden können, wenn Kupfer aufgedampft wird, um die Leiter, wie z. B. die Leiter 29, aufzubringen.

An Stelle von Chrom können andere Materialien, wie z. B. Kupfer als Legierungsmetall, verwendet werden. Dieses kann wie Chrom leicht verdampft werden, es diffundiert unter Wärmeeinfluß, drückt den Curiepunkt von Ni-Fe hinab und hat eine vernachlässigbare Diffusionsrate bei Speicherbetriebstemperature^ die gewöhnlich nahe der Zimmertemperatur liegen.

Es kann sowohl eine chemische Reaktion· als auch eine Legierung verwendet werden, damit sich die Permeabilität der Trennbereiche bei Zimmertemperatur dem Wert 1 nähert. Wenn an Stelle von Chrom eine relativ stabile Verbindung, z. B. Magnesium-Fluorid, verwendet wird, bewirkt die bei diesem Verfahren mögliche sehr hohe Temperatur eine Zersetzung derselben und eine Reaktion zwischen einem Teil des freien Fluors und des Eisens sowie des Nickels. Das nichtmagnetische Fluorid wirkt in derselben Weise wie die obenerwähnten Chrom- und Kupferlegierungen, indem es einen nichtmagnetisierbaren Bereich erzeugt, der die einzelnen Speicherelemente voneinander trennt.

Außer der beschriebenen Ausführungsform, bei der der Chromfilm23 auf den Nickeleisenfilm 22 aufgebracht ist, ist es auch möglich, die Position dieser Schichten umzukehren und das Chrom unter das Nickeleisen zu legen, wobei die Schichten trotzdem bei örtlicher Erhitzung der Diffusionswirkung unterworfen sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind nicht nur Speicheranordnungen, sondern auch andere magnetische Dünnschichtanordnungen, wie z. B. Schaltmatrizen zur Herstellung logischer Verknüpfungen, zur Codeumwertung oder zur Koordinatenauswahl, herstellbar.

Claims (5)

Patentansprüche: 40

1. Verfahren zur Herstellung einer magnetischen Dünnschichtanordnung nach dem Prinzip der bereichsweisen Neutralisierung der magnetisehen Eigenschaften eines Magnetmaterials durch ein diesem benachbart angeordnetes nichtmagnetisches Material, wie Kupfer, bei Wärmeeinwirkung, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit einer dünnen Magnetschicht und einer dieser benachbarten dünnen, homogenen, nichtmagnetischen Schicht des neutralisierenden Materials versehene Trägerplatte in einer Vakuumkammer im Bereich eines koordinatenförmig auslenkbaren Elektronenstrahls angeordnet wird, dessen Auftreffenergie auf die Trägerbeschichtung- ausreicht, um die notwendige Wärmemenge für ein örtlich begrenztes Legieren oder chemisches Reagieren der Magnetschicht mit der Neutralisationsschicht zu erzeugen, und daß die Auslenkung des Elektronenstrahls entsprechend der geforderten Magnetschichtstruktur gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringung der Magnetschicht und der Neutralisationsschicht, der Neutralisationsvorgang sowie gegebenenfalls die Aufbringung weiterer Schichten im gleichen Vakuumgefäß ohne Unterbrechung des Vakuums erfolgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere magnetische Schichten mit je einer zugehörigen Neutralisationsschicht und mindestens je einer leitenden Schicht ohne Unterbrechung des Vakuums bzw. der für die Beschichtung hergestellten Bedingungen aufgebracht werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutralisationsschicht aus Chrom besteht, das unter Einwirkung des Elektronenstrahls mit der Magnetschicht legiert

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Neutralisationsschicht aus Magnesium-Fluorid besteht, das unter Einwirkung des Elektronenstrahls mit der Magnetschicht eine chemische Reaktion eingeht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1115 852.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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