DE1564141A1

DE1564141A1 - Magnetische Speicheranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1564141A1
Application number: DE19661564141
Authority: DE
Inventors: Davidse Pieter Dirk; Maissel Leon Israel; Flur Barry Leon
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-05-05
Filing date: 1966-04-26
Publication date: 1972-03-30
Also published as: NL6606085A; FR1479806A; DE1564141C3; DE1564141B2; US3480922A; SE341942B; CH448175A; JPS497433B1

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H.E. BÖHMER - BÖBLINGEN / UÜRTT.

• . Sindeli'inger Straße m-9

Tel. (O 70 Ji) 661 30

Belegexemplar

Darf nicht geändert werden

BÖblingen, 25-, April x966 km-oc

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N..Y. 10 50Λ

Amtliches"Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin:

Neuanmeldung Docket 14 126

Magnetische Speicheranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine magnetische Datenspeicheranordnung, die ala Speiohermedium eine dünne anisotrope Magnetschicht verwendet und einen plattenförmigen Träger aufweist, auf dem eine Schicht aus einem dielektrischen Material aufgebracht ist, welche die Orundlage für die Magnetschicht bildet.

Bei der Herstellung der bekannten magnetischen Dünnschichtspeicher bereitet es erhebliohe Schwierigkeiten, für den Datenspeicherbetrieb günetige und über alle Speicherzellen der Anordnung gleiohm&eige Eigenschaften der dünnen Magnefcsohiehten zu erzielen·

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OahWierigiteifcen weruttn in starkem Maße duron das beeinflußt, auf dem die Magnetschicht angeordnet ist. Das Substratmaterial und seine Struktur, d.h. sein amorpher, polykristalliner oder einkristalliner Zustand, sowie seine Oberflächentopographie und sein Oberflächenprofil spielen eine bedeutende Rolle bei der Bestimmung der Eigenschaften der aufgebrachten Magnetschicht» Obgleich noch nicht alle Mechanismen und Phänomene erforscht sind,·die als Folge einer bestimmten Sub-™ stratoberfläche die magnetischen Eigenschaften der dünnen Speicherschichten beeinflussen, hat eine Arbeitshypothese, die auf theoretischen und experimentellen'Beobachtungen beruht, zu bedeutsamen Einsichten geführt. Es wurde gefunden, daß die Oberfläohenrauhigkeit, die mikroskopisch gesehen aus einer ungleichförmigen Verteilung von Bergen und Tälern besteht, die Ursache für die Ausbildung von lokalen Demagnetislerungsfeldern ist. Die Oberflächenrauhigkeit beeinflußt weiterhin das Wachsen der dünnen Magnetsehioht durch subtile Übertragungen der kritallinen k Eigenschaften während des Epitaxionsprozesses. Da aber die Substratoberfläche mikroskopische ι Unregelmäßigkeiten aufweist, sind diese kristallinen Austauschwirkungen innerhalb der Schicht von Bereich zu Bereich verschieden, wodurch örtlich verschiedene Anisotropiekräfte erzeugt werden, üblicherweise hat eine große Oberflächenrauhigkeit des Substrates eine hohe Koerzitivkraft, eine große Winkeldispersion und Schiefstellung der Anisotropieachse sowie eine große Streuung dieser Werte über die gesamte Schicht zur Folge, de größer diese Werte und ihre Streuung sind,

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ist αϊ® sum Betrieb der Anordnung notwendig««. Impulsleistung und desto geringer ist die erreichbare Funktionssicherheit.

Es wurden verschiedene Wege beschriften, um diese Schwierigkeiten zu lösen. Bekannte Speicher dieser Art verwenden als Substratmaterial Glas, da bei Glas eine glattere Oberfläche als bei anderen Materialien erreichbar 1st. Es ist auch bereits bekannt^ einen zusätzlichen Glättungseffekt dadurch zu erzlelen_ä daß eine Siliciumoxydschieht auf dem Glas angeordnet wird, bevor die Magnetschicht aufgebracht wird. Es ist ferner eine Anordnung bekannt geworden, bei der auf einer polierten Substratplatte aus Metall ein Silicium-dioxydfilm aufgedampft ist, über dem die Magnetschicht angeordnet ist (USA-Paterit 3 l6l 9^6). Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Substratplatte als RUckleitung für die Treiberströme verwendbar ist» wodurch sich di® Leitungsinduktivität und damit auch die Operationsgeschwindigkeit erhöhte,

Bei der Verwendung von glättenden Siliciumoxydschichten auf Metall hat sieh jedoch gezeigt, daß durch Temperaturunterschiede während des Auftragens zwischen der Siliciumoxydschicht und dem Metall, durch die Abhängigkeit der Schiefstellung der Anisotropie vom Auftragungswinkel des Siliciumoxyds und durch die Spannungen, die im Siliciumoxyd während der Kondensation auftreten» die Eigenschaften der Magnetschicht verschlechtert werden·

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Dies Aurgftbö ve**! lösender 2£x<rindung beat eilt darin, eine magnetische DUnnschichtspeicheranordnung herzustellen, deren Speicherschicht gegenüber den bekannten Anordnungen bessere und über den gesamten Schichtbereich gleichförmigere-Eigenschaften aufweist, die nicht zufällig auftreten, sondern reproduzierbar sind. Dies wird nach der Erfindung im wesentlichen dadurch erreicht, daß bei einer Speicheranordnung der eingangs erläuterten Art die dielektrische Schicht eine durch Hochfrequenz-Zerstäubung aufgebrachte Schicht ist.

Durch eine derartige Ausbildung werden die kristallinen Anisotropien gegenüber den bekannten Anordnungen erheblich reduziert. Es hat sich ferner gezeigt, daß die durch eine mangelhafte Temperaturübereinstimmung,,durch unterschiedliche Einfallswinkel bei der Auftragung und durch innere Spannungen hervorgerufenen Störeinflüsse der dielektrischen Schicht durch die erfindungsgemäße Anordnung eliminiert oder zumindest unter Kontrolle gebracht werden können· Ein weitererVorteil besteht darin, daß an die Vorbehandlung des Substratmaterials, wie Schleifen und Spiegelglanzpolieren, geringere Anforderungen gestellt werden können, da die durch HF-Aufstäuben hergestellte dielektrische Zwischenschicht sehr gute Glättungseigenschaften aufweist.

Weitere Merkmale der Erfindung sind aus den Ansprüchen ersichtlich. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungs-

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' ⁵■"'" ■::'. ■■'.■■ ^: M564141

gemäßen Speicheranordnung und eine Einrichtung zu Ihrer Herstellung anhand von Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Hochfrequenzzerstäubungsanlage, die zur Herstellung der dielektrischen Zwischenschicht bei der Speicheranordnung nach der Erfindung verwendet wird,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen DUnnschichtspeicheranordnung,

Fig. 2 ein typisches Impulsprogramm, wie es zum Betrieb der Anordnung nach Fig. 2 Verwendung finden kann,

Flg. 4 eine schematische Darstellung der mikroskopischen Abweichungen der Magnetisierungsvektoren von der beabsichtigten Vorzugsrichtung der Magnetisierung zur Illustration der Schiefstellung und der Winkel- ' dispersion»

Fig· 5 eine schematische Darstellung einer 5 χ 5 cm großen magnetischen Dünnschichtfläche mit Numerierung derjenigen Bereiche, in denen die magnetischen Schichteigenschaften geraessen wurden» um eine Bewertung gemäß Flg. 6 zu gestatten.

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Fig. 6a u. 6b eine Tabelle in der die Koerzitivkraft, die Anisotropiefeldstärke_r die Winkeid Ispers Lon und die Schiefstellung einer erfindungsgemäßen Speichereinrichtung dargestellt sind, und

Fig. 6c . eine Tabelle, in der die Koerzitivkraft, die

Anisptropiefeldstärke, die Winkeldispersion

^ und die Schiefstellung einer bekannten magne

tischen DUnnschichtspeicheranordnung, deren Speicherschicht auf eine Schicht aus Silicium monoxyd aufgebracht ist, dargestellt werden.

Die Fig. 2 zeigt eine einzelne Speicherzelle 10. Eine magnetische Vorrichtung kann natürlich aus einer Vielzahl dieser Speicherzellen bestehe, die in Reihen und Spalten angeordnet sind. Der Speicherzelle 10 sind eine Wortleitung W^ und die gemeinsame Bit-Abfühlleitung BS₁ zugeordnet, die so angeordnet sind, daß ' sie etwa senkrecht zueinander verlaufen. Die Speicherzelle 10 hat einen Basisteil 12, bei dem es sich um ein Dielektrikum, wie z.B. Glas oder Glimmer handeln kann, jedoch vorzugsweise um ein leitendes Material, wie z.B. Metall. Metall wird bevorzugt, da es als ErdrUckfUhrung für die Leitung W₁ und BS₁ dient, wodurch eine engere induktive Kopplung für die Vorrichtung erreicht wird. Auf den Basisteil 12 ist eine Haftschicht 14 aufgebracht; diese besteht aus einem oxydbildenden Metall, wobei das Metalloxyd so beschaffen 1st, dafl es sich mit Glas verträgt, wie z.B. Chrom,

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Tantalt Niob oder Molybdän. Welches Metall als Haftmittel verwendet wird, ist nicht kritisch, solange es die erforderlichen Kristallisationskerne und Bindungsfeider für das Anhaften der .aufgesprühten dielektrischen Schicht an dem Substrat bildet.,

Auf die Haftschicht 14 ist die dielektrische Schicht 16 aufgebracht. Diese dünne; Schicht wird mit hoher Frequenz auf eine Stärke von ca. 25 x-.1CK Angstromeinheiten aufgestäubt. Eins Anordnung und ein Verfahren zum Aufstäuben eines Dielektrikums miCwCls Hochfrequenz ist in der deutschen Patentanmeldung J 29 880 VIb/48b vom 21. Januar I966 im Detail beschrieben. Nachstehend wird der Vorgang der Hochfrequenzzerstäubung soweit zum Verständnis der Erfindung notwendig erläutert.

Die dünne magnetische Schicht 18 und die Treiberleitungen W, und BS₁ vervollständigen die Vorrichtung. Der Pfeil 100 stellt die magnetische Vorzugsrichtung dar, und die Treiberleitung W₁ verläuft parallel zu dieser Achse W₁- Der PfeH 200 stellt die "schwere" Achse dar, zu der die Treiberleitungen BS₁ parallel liegen. Das heißt mit anderen Worten» daß die Treiberleitungen BS₁ quer zur Vorzugsachse 100 verlaufen, Die Bitzelle ^ 100 ist "wortorganisiert", und zwar liefern die Wortleitungen W₁ bei ihrer Erregung ein quer zur magnetischen Vorzugsrichtung verlaufendes Feld, das stark genug 1st, um die Magnetisierung um 90° von der Vorzugsachse wegzudrehen, während die Bitabfühlleitungen BS₁ bei Ihrer Erregung ein parallel zur Vorzugsachse '

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100 liegendes Feld erzeugen.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren mit Hilfe der in den Zeichnungen beispielsweise gezeigten sche,-matischen Darstellungen beschrieben, und zwar werden die verschiedenen Verfahrensschritte nacheinander erläutert. Der Basisteil 12 (Basisplatte) ist eine elektrisch leitende, nicht-ferromagnetische, metallische Folie oder Platte. Die Stärke der Blatte ist nicht kritisch, aber sie muß dick genug sein, um selbsttragend zu sein. Bei Verwendung von Silber-Kupfer-Platten als Basisch ho tn

teil, sind Stärken von ca. £k geeignet. Natürlich werden auch andere Metalle als„Basismaterial verwendet, aber da der Basi&eil auch als RUckleitung für die Treiberleitungen dient, wird die Wahl der Basismaterialien vorzugsweise auf diejenigen Metalle beschränkt, die eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Eine solche Gruppe umfaßt Kupfer» Gold, Silber, Aluminium, Molybdän oder dergleichen.

Auf die Oberfläche des Basisteiles 12 ist eine dünne metallische Schicht 14 aus Tantal aufgebracht. Das Tantal ist durch Kathoden-

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Zerstäubung in einem Vakuum von 7 x 10 Torr in einer Argonatmosphäre durch herkömmliche Zerstäubungsverfahren aufgebracht worden. Der Zerstäubungsprozeß bestand aus einer zwei Minuten dauernden Reinigung des Basisteiles 12 bei einem Potential von 1700 Volt zwischen Basisteil und geerdeter Anode und einem Strom von 20 mA. Dann wurde die Schicht 14 bis-zu einer Stärke von

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ca. 17 /U aufgewachsen, und zwar durch Einprägen einer Spannung von 3300 Volt zwischen Kathode und Anode bei einem Strom von

420 mA. . ■ .. ■ .

Die Vorbedingung für das Metall der Schicht 14 besteht darin, daü das Metall zu der Klasse gehört, die an dem Basisteil haftet und.ein oberflächliches Oxyd bildet, das mit Glas verträglich ist. Die Schicht erfüllt sozusagen die Funktionen eines Klebemittels: die danach aufzubringen Schichten benötigen diesen Träger, um an dem Basisteil haften zu können, wenn dieses aus einem Material besteht, das kein mit dem Dielektrikum verträgliches Oxyd bildet. Das Metall der Schicht 14 hat eine Rekristallisatibnstemperatur, die Über der Aufbringungstemperatur der nachfolgenden Schichten liegt* einen niedrigen Partialverdarapfungsdruck und ist chemisch stabil. Zu diesem Zweck stehen verschiedene Metalle zur Verfügung» 3.B, Chrom, Niob, Molybdän, Titan und dergleichen. Die Aufbringung der Schicht 14 1st nicht auf die Zerstäubung beschränkt, sondern kann auch durch Aufdampfend, Galvanisieren, chemische Reduzierungsprozesse oder dergleichen erfolgen·

Wenn es gewünscht wird, kann die Schicht 14 durch eine sorgfältige Wahl des Basismetalls weggelassen werden. In dem oben beschriebenen Beispiel ist das Basismetall eine Silber-Kupfer-Platte, die den zusätzlichen Bindungsträger erfordert, aber bei einem Basismaterial wie z.B. Molybdän haftet die später aufge-

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brachte dielektrische Schicht direkt an dem Substrat, so daß eine Haftschicht unnötig 1st. Aufgrund mehrerer anderer Überlegungen, wie z.B. der Verfügbarkeit des Metalls, der Bequemlichkeit des Arbeitens und der Wirtschaftlichkeit, ist jedoch Silber-Kupfer in dem hier besprochenen Fall ale Basis verwendet worden.

fc Auf die Schicht 14 wird die mit hoehfisquenter Erregung zerstäubte dielektrische dünne Schicht 16 aufgebracht. Das geschieht in einer Anordnung wie der in Fig. 1 dargestellten. Die Hochfrequenz-Zerstäubungsapparatur besteht aus einer Niederdruck-Gasionisierungskammer in einem Hohlraum 80, der die Form Glocke hat, aus einem geeigneten Material, wie z.B. Glas, besteht und auf der Basisplatte 82 abnehmbar befestigt ist. Vor der Einleitung der Zerstäubung wird die Kammer auf einen Druck von ca. 1 χ 10 ^J Torr mittels der Vakuumpumpe 86 ausgepumpt» Das Bombardierungsmittel zur Beseitigung der dielektrischen Teilchen als Zerstäubungsprodukt wird durch die öffnung Qk eingeführt; in dem hier beschriebenen Beispiel war dieses Mittel Argon, das mit einem Druck von ca. 1 χ 10 Torr injiziert wurde. In der Glocke 80 befinden sich zwei Elektroden, die hier als Kathodenanordnung 88 und Anodenanordnung 90 bezeichnet werden.

In einem Zerstäubüngsprozeß mit Hochfrequenzerregung sind, wie man erkennen wird, die Ausdrücke Kathode und Anode lediglich

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und bedeuten keine PunKtieften, da der ZerstJiubunj'sapparafc durch eine hochfrequente Energiequelle betätigt wird. Die als Kathode bzw. Anode bezeichneten Teile der Anordnung funktionieren als beides, dem die hochfrequente Erregung besteht aus zwei Halbperioden entgegengesetzter Polarität. Daher hat während der einen Halbperiode die Kathode eine negative Spannung gegenüber der Anode, während sie während der nächsten Halbperlode positiv gegenüber der Anode ist. Da jedoch die Elektronenbeweglichkeit viel großer ist als die lonenbeweglichkeit und da der reine Gleichstrom zu der dielektrischen Fangelektrode gleich null sein muß, spannt sich die Oberfläche der dielektrischen Fangelektrode selbst negativ vor gegenüber dem Plasma. Dies wird nachstehend genauer erläutert.

Die mit Hochfrequenz aufgestäubte Schicht l6 entsteht von der Fangelektrode T aus. Die Zerstäubung mit hochfrequenter Erregung wird nachstehend der Einfachheit halber als Hochfrequenzzerstäubung bezeichnet. Die Fangelektrode T, das zu zerstäubende dielektrische Material, ist auf der Elektrode 22 befestigt, die indirekt von einer hohlen Trägersäule 24 getragen wird, jedoch von ihr isoliert istj, wobei der untere geflanschte Teil an der Grundplatte.82 befestigt ist, Die Säule 24 ist elektrisch leitend und befindet sich in direktem elektrischem Kontakt mit der geerdeten Basißplatte 82. Die Säule 24 hat also Erdpotential. Auf dem oberen geflanschten Ende der zylindrischen Säule 24 sitzt eine metallische Abschirmung 28, deren nach oben stehender

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ringförmiger Teil ?6 die der F.ingelektrode benachbarte Elektrode 22 teilweise umschließt. Eine zylinderförmige Metallmuffe JO ist an der Unterseite der Abschirmung 28 befestigt und ragt von dort aus nach unten konzentrisch zu der sie umschließenden zylindrischen Säule 24. Innerhalb der Muffe J50 befindet sich eine in ihrem Durchmesser kleinere Muffe J52 aus einem geeigneten Isoliermaterial, wie z.B. Teflon, die nach oben in eine Mittelöffnung in dem Abschirmungselement 26 hineinragt. Die Metall-" röhre ~$k verläuft vertikal durch die isolierte Muffe ;52 hindurch und wird durch Reibung von der Muffe ;52 in ihrer vertikalen Lage gehalten. Eine Zwinge oder Hülse J>6, die mit einem vorspringenden ringförmigen Teil der Muffe 32 zusammenwirkt, ist an der Außenseite der Muffe ^O aufgeschraubt, und wenn die Hülse 36 angezogen ist, werden die Teile JO, 32 und 34 zusammengepreßt, wodurch die Röhre 34 entlang der vertikalen Achse der Säule 24 festgehalten wird, während sie elektrisch gegen sie isoliert ist. Die oberen und unteren Planschen der Säule 24 weisen luftdichte Verbindungen mit der Abschirmung 28 und der Grundplatte 82 auf, und die isolierende Muffe 32 bewirkt ebenfalls eine luftdichte Verbindung zwischen der Röhre 34 und der Abschirmung 26. Das Innere der Säule 24 ist also gegenüber dem die Säule 24 umgebenden Raum, der ein Teil der Niederdruck-Gaskammer ist, luftdicht abgeschlossen. Das Innere der Säule 24 steht unter normalem Luftdruck.

Die Elektrode 22 sitzt auf dem oberen Ende der vertikalen Röhre

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Jk und ist eohelöenrörmig. Um eine einheitliche AbfUhlwlrkung sicherzustellen, befindet sich in dem Raum 22 ein scheibenförmiges Abschirmungselement 46. Dieses weist eine Mittelöffnung auf, die mit dem oberen Ende einer vertikalen Röhre 50 kleinen Durchmessers in Verbindung steht, welche sich durch das Innere der Röhre 34 Koaxial zu dieser erstreckt. Das* untere Ende der Röhre J54 ragt in die Metallhülse oder -muffe 52 hinein/ so daß ein Haftsitz zwischen ihnen besteht. Während des Betriebs wird Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit durch die äußere Röhre J54 eingespritzt. Das Wasser zirkuliert um das Element 46 herum innerhalb des Raums 44 in der Elektrode 22 und fließt'dann durch die Röhre 50 aus, wodurch die Elektrode 22 und die darauf sitzende Fangelektrode T abgekühlt werden. Hierdurch wird dazu beigetragen, einen übermäßigen Emissionsrückgang oder ein Durchhängen der Fangelektrode zu verhindern. Bei Verwendung von Wasser oder einer anderen elektrisch leitenden Kühlflüssigkeit sind die Eintritts- und die Austrittsvorrichtung für da3 Wasser jeweils mittels eines langen Kunststoff- oder Gummischlauches mit der Quelle verbunden, wodurch ein Pfad hohen Widerstandes zur Erde geschaffen wird. Bei einem etwa fünf Meter langen Schlauch mit einem Innendurchmesser von etwa 6 mm erhält man einen Widerstand von etwa 10 Megohm gegen Erde. Es geh"^ daher fast keine Energie zur Erde verloren. Ebenso weist die eine Abschirmung 28 einen Hohlraum 45 auf, durch den Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit mittels der Einlaß-leitung und der Auslaßleitung 96 geleitet wird.

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UIe Spannung wird der Elektrode aus einer Hochfrequenzqueile (nicht gezeigt) zugeführt. Die elektrische Verbindung wird über die HUlse 52 und die Röhre 34 zur Elektrode. 22 hergestellt. Wie schon angedeutet, ist die Röhre 34 gegenüber der Abschirmung elektrisch isoliert. Auf der Abschirmung 26 wird Erdpotential aufrechterhalten, da die Abschirmung mit dem Träger 24 elektrisch verbunden ist, der auf der geerdeten Basisplatte 82 befestigt ist. Die geerdete Abschirmung 26 soll eine Glimmentladung verhindern, die sonst zwischen der Fangelektrode T nahe der Elektrode 22 stattfinden könnte.

Die Form der Abschirmung 28 und der Abstand von der Elektrode 22 sind wichtige Faktoren. Der Rand 26 der Abschirmung 28 ragt nicht nach oben an der Elektrode 22 vorbei und ragt auch nicht seitlich über den Außenrand der Fangelektrode T hinaus. Außerdem wird der Zwischenraum D zwischen der Abschirmung 28 und der Elektrode 22 innerhalb vorherbestimmter Grenzen gehalten. Insbesondere dürfen die oberen Grenzen des Zwischenraums D nicht größer sein als die Stärke des Kathodendunkelraums in der Glimmentladung.

Der Basisteil 12 mit der darauf befindlichen Tantalschicht 14 ist in geeigneten Halterungen 91 befestigt und befindet sich auf der · Unterseite der Anode 90. Diese wiederum ist an der Unterseite, der Platte 76 befestigt, welche durch Träger 78 gehalten wird. Die Anode 90 liegt räumlich getrennt und parallel zur Fangelektrode

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a©** ίΊ^Ββ -fö uöi'tnden sioh MnIWindungen yä, um die Anode 90 zu kühlen. Wenn der Elektrode 22 hochfrequente Spannungen zugeführt werden, funktioniert die Fangelektrode T als HF-Elektrode in denjenigen Halbperioden, in denen ein Patent IaI der Elektrode negativ bezüglich der Erde ist. Während der dazwischenliegenden positiven Halbperiode steigt das Potential der Elektrode 22 leicht Über den Erdpegel an und zieht dadurch Elektronen an die Fangelektrode T an, um die positive Ladung zu beseitigen, die vorher durch bombardierende Ionen auf die Fangelektrode T gelangt ist. Es werden viel mehr Elektronen von der Fangelektrode T angezogen' als schwerere Ionen, aber da die Fangelektrode T dielektrisch und die Elektrode 22 gut abgeschirmt sind, fließt kein Gleichstrom durch die HF-Kathodenanordnung 88. Infolge der Wechselwirkung zwischen·Ionen und Elektronen hält sich die Fangelektrode T bei einer allgemein negativen Spannung gegenüber der Erde, und wenn sie kurzzeitig ein positives Potential erhalt, genügt dieses nicht, um den Zerstäubungsprozeß umzukehren und das Zerstäuben von untermassigen Metallteilchen, die der HF-Anodenstruktur zugeordnet sind,zu bewirken.

Das Entstehen einer Glimmentladung mit Hochfrequenz zwischen der Fangelektrode T und der Anode 90 bewirkt die Bildung einer positiven Ionenschicht um die negative Fangelektrode T herum. Bei der Bombardierung der Fangelektrode durch Ionen in der

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Schicht werden Atomteilchen des Fangelektrodenmaterials abgestäubt und auf dem Substrat in der Halterung yi, die an der Gegenelektrode oder Anode 90 angebracht ist, niedergeschlagen, während an anderen Stellen nur ein sehr- geringer Teil des zerstäubten dielektrischen Materials angelagert werden.

Während des Zerstäubungsprozesses wird ein Magnetfeld verwendet, um die Ionisierungswirkung der Glimmentladung zu verstärken. Das Feld B wird quer zur Ebene der Fangfläche angelegt. Die Wirkung eines Magnetfeldes auf die Ionisierungswirkung einer Glimmentladung ist in der Technik bekannt, aber zusätzlich zu dem,.was zu erwarten ist, erleichtert die Anwesenheit des Magnetfeldesdie Abstimmung der HF-Stromquelle und deren Anpassung an die , Last unter den Betriebsbedingungen. Das Magnetfeld wird zwischen 70 und 110 Gauss in der beschriebenen Anordnung gehalten.

Bei der HF-Aufεtäubung der dielektrischen Schicht l6 für die

• *

magnetische Vorrichtung von Fig. 2 hat die HF-Kathode einen Durchmesser von ca. l8 cm, und die Fangelektrode ist etwa jj mm stark. Zwar eignen sich mehrere dielektrische Materialien für den Prozeß und führen.· zu guten Resultaten in bezug auf die Schicht, und dazu gehören Borosilikate, Bleiborosilikate, Kalziumaluminosilikat und Quarzglassorten. In dem hier besprochenen Beispiel wurde das Glas "Pyrex 77^0" verwendet; dieses Glas besteht aus 80 Gewichts-^ SiO₂, JJ, 8 Gewichts-^

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2,2 Gewichts-^ Al₃O , 0,4 Gewichts-^ K₃O und 12,9 Gewichts-^
BpO,. Die Anode ist etwa 30 χ ^O cm groß. Es wird eine Frequenz von 13,56 Milz benutzt, aber es können auch beliebige andere
Frequenzen benutzt werden, obwohl sie vorzugsweise zwischen 5 und 27 MHz liegen sollten. Der Eingangsstrom und das Elektrodenpotential sind entsprechend der nachstehenden Tabelle I geregelt
worden: ,

■■■'.. " V '

TABELLEI

Sub- Material "Durchmesser Primär- Elektroden- Nieder- Substrat-

strat der Fang- der Fang- ffürffifrf"? potential Schlags- temperatur

Nr. elektrode elektrode (KW) Spitze- rate

(cm) ₄ Spitze in (X/min)

Volt}

D709 Pyrex 19 l.}6 9OO 210 gekühlt 7740

D510 Pyrex 19 1-38 900 210 gekühlt 7740

Die vorstehende Tabelle I stellt nacheinander dar: die Probenummern bzw.Sub3tratkennzeichnung, das verwendete Fangelektroden .material, den Durchmesser der Fungelektrode, die Primär>-energie
in Kilowatt, das Elektrodenpotential als Spitze-Spitze-Spannung, die Aufbringungsgeschwindigkeit in Angströmeinheiten pro Minute
und den Temperaturzustand des Basisteiles bzw« Substrats während des Prozesses· Unter den gegebenen Bedingungen wurde die dielektrische Schicht auf eine Stärke von ca. 2,5 /U aufgewachsen.

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Die rejfäfüiwaaifieieiöone dünne äehiehfc 10 wipa aunti »acth ainar herkömmlichen Methoden auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht 16 aufgebracht. Die magentische Schicht wird in einer

-5 _2l

Vakuumkammer, in der der Druck auf etwa .10 bis 10 Torr reduziert worden ist, verdampft und im Vakuum auf dem Substrat niedergeschlagen. Die Substrattemperatur wird überwacht, um das Entstehen einheitlicher Eigenschaften auf der Schichtoberfläche zu gewährleisten. Die Stärke der Schicht beträgt gewöhnlich zwischen 700 und 1000 8, kann aber entsprechend den gewünschten Eigenschaften variieren. Im Laufe der Aufdampfung im Vakuum entsteht in der Schicht eine einachsige Anisotropie, und zwar ist eine Helmholtzsche Spule so angeordnet, daß ein Feld in der Richtung der gewünschten Anisotropie erzeugt wird. Die magnetische dünne Schicht ähnelt einem Permalloy, und zwar enthält sie 55 bis 8556 (Gewicht) Nickel und im übrigen Eisen. Ein Teil des Nickels, und zwar bis zu ca. 10 Gewichts-^, kann durch ein anderes Metall, wie z. B. Molybdän, Kobalt, Palladium oder dergleichen ersetzt werden.

Die Treiberleitungen W, und BS,, die die Felder zum Speichern und Lesen der Informationen liefern, werden., auf die magnetischen Schichten aufgebracht, womit die Speicherzelle 10 vollständig ist. Zwar zeigt Fig. 2 W^ und BS₁ als Drahtleitungen, aber in der Praxis werden gedruckte Schaltungen auf polymeren Unterlagen, wie z.B. Polyesterterephthalat, verwendet. Ee gibt auch andere Möglichkeiten, die zum bekannten Stand der Technik gehören, und

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zwar wird die magnetische dünne Schicht 18 mit einem Isoliermaterial, wie z.B. dem dielektrischen Material 16 überzogen. Mit Hilfe herkömmlicher Maskierungsverfahren wird das gewünschte Muster von Steuerleitungen auf der Isolierschicht hergestellt. Danach werden die Leitungen auf die Schicht aufgebracht. Dann werden je nach Bedarf weitere Steuerleitungen Über dem ersten Satz mit den erforderlichen Isolierschichten zwischen den Leitungen aufgebracht. _r

Für den Betrieb der Magnetspeicherschichtvorrichtung werden Felder verwendet, die sowohl von der Wy als auch von der BS,-Leitung erzeugt werden. Wenn die remanente Magnetisierung gespeicherte Daten darstellt, die.dadurch dargestellt werden, daß die magnetischen Dipole entlang der Vorzugsachse 100 zum Ort 101 hin gerichtet sind, erzeugen elektrische Impulse, die über die Treiberleitung W, herangeführt werden, ein Feld, welches die Magnetisierung vom Ort 101 der Vorzugsachse 100 weg zum Ort 10J der "harten" Achse hin dreht. Bei der Übertragung elektrischer Signale über die Treiberleitung BS, werden dann durch die Vektor* summierung der Felder von W₁ und BS^ die Dipole zum Ort 102 oder zum Ort 101 der Vorzugsachse 100 hin gedreht, wobei die eingeschlagene Richtung von der Polarität des durch BS, erregten Feldes abhängt» Die binäre Bezeichnungsweise, nämlich Einsen und Nullen« ist eins Funktion der Richtung« die die magnetischen Dipole entlang der Vorzugsachse annehmen.

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Zum Abfragen der entlang derVorzugsachse der Magnetschichtspeichervorrichtung 10 aufgezeichneten Informationen wird die Treiberleitung W, erregt. Die über sie übertragenen elektrischen Impulse erzeugen ein Feld, welches eine Drehung der magnetischen Dipole von der Vorzugsachse weg zur "harten" Achse hin bewirkt, und der Drehung dieser magnetischen Dipole entspricht eine Induzierte Spannung, deren Polarität von der Lage aus bestimmt wird, in der eich die magnetischen Dipole vor der Störung durch das Feld der Wortleitung befunden haben: die ursprünglich zum Ort 101 der Vorzugsachse 100 hin orientierten magnetischen Dipole drehen sich im Uhrzeigersinne, während die ursprünglich ' zum Ort 102 hin orientierten magnetischen Dipole sich entgegen dem Uhrzeigersinne drehen.

Dies wird weiter veranschaulicht durch Fig. 3, die ein typisches Impulsprogramm zum Schreiben und Lesen binärer Informationen in der Speicherzelle 10 darstellt. Für die Zwecke der Erläuterung ) wird die Richtung zum Ort 101 der Vorzugsachse 100 als binäre 0 und zum Ort 102 als binäre 1 bezeichnet. Bei Orientierung der magnetischen Dipole zum Ort 101 hin wird eine binäre 1 mit dem Impulsprogramm geschrieben, wie es unter "Schreibe l" in Fig. 5 dargestellt ist. Die Wortleitung wird erregt, und während der Anstiegszeit des elektrischen Impulses drehen sich die magnetischen Dipole zur "harten" Achse hin und erzeugen eine Spannung der einen Polarität in der Abfühlanordnung. Dies zeigt Fig. 2· Nach der Erregung der Wortleitung wirddmn ein positiver

Bitimpuls über die Treiberleitung BS, Übertragen. Nach dem Entstehen des Bitimpulses, wird die Wortleitung aberregt, und das durch den Bitimpuls erzeugte Feld vervollständigt die Drehung der magnetischen Dipole, die in dem hier angenommenen Fall zum Ort 102 der Vorzugsachse 100 hin verläuft. Um nun eine binäre zu -'speichern-, wird das. Impulsprorrramm "Schreibe 0" von Fig* J verwendet. Wie bei der binaren 1 wird wieder die Wortleitung vor der Bitleitung erregt, und zwar mit derselben Polarität wie im vorhergehenden Falle. Danach wird der Bitimpuls über die Leitung BS, übertragen, aber in diesem Falle hat der Bitimpuls die entgegengesetzte Polarität wie der zum Speichern der binären 1 verwendete. Bei Beseitigung des Wortfeldes vervollständigt das Bitfeld, das eine andere Polarität als das im vorhergehenden Falle hat, die Drehung der magnetischen Dipole zum Ort 101 der Vorzugsachse hin. Die vom Bitimpuls zu erfüllenden Bedingungen sind, daß er groß genug sein muß, um eine vollständige Drehung rechts oder links von der "harten" Achse sicherzustellen, aber klein genüg, um keine Bits auf anderen Wortleitungen zu stören· Prinzipiell besteht für die Größe des Wortimpulses keine obere Grenze, aber in der Praxis bedingt die Wechselwirkung zwischen benachbarten Bits Einschränkungen.

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Daß die nach der Erfindung aufgebaute magnetische Speichervorrichtung eine besonders vorteilhafte Kombination von magnetischen

mit großer Einheitlichkeit und guter Steuerbarkeit , wie el· bisher nicht erreichbar waren« geht aus den

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in FIg. 6 und in der nachstehenden Tabelle II hervor. Die Daten stellen die magnetischen Parameter der Koerzitivkraft H ,des Anisotropiefeldes H. , der Dispersion η und der Schiefstellung oC der Vorzugsachse dar. Diese Daten sind bei der Bewertung einer Magnetschichtspeichervorrichtung von besonderer Bedeutung. Diese Ausdrücke sind in der Technik bekannt und ausführlich in der Literatur beschrieben. Siehe z.B. J.H. Kump "The Anisotropy Fields in Angular Dispersion of Permalloy Films", " 19$5> Proceedings of the International Conference on Non-Linear Magnetics, Article 12-5· Um aber die vorliegende Besprechung zu erleichtern, sei die Terminologie nochmals kurz aufgeführt.

Die Koerzitivkraft H_Q ist ein Maß für das Vorzugsrichtungsfeld, das nötig ist, um eine Blochwand in Bewegung zu setzen, also ein Schwellwert für die Wandbewegungsumkehrung.

Das Anisotropiefeld H. kann man slcftals die Kraft denken, die \ nötig ist, um die Magnetisierung aus ihrer bevorzugten Richtung in die "harte" Richtung zu drehen, und H. ist das Anisotropiefeld auf einer mikroskopischen Skala betrachtet.

Die Dispersion/^ wird zweckmäßig anhand.von Fig. 4 definiert, die einen Teil einei/nagnetischen Dünnschicht zeigt, der aus dem Aggregat von mikroskopischen magnetischen Bereichen η besteht· Jtdea der Bereiche η ist ein Magnetlslerungsvektor n* zugeordnet·

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Unter iaealen Bedingungen ist Jeder der Vektoren n¹, der sich .auf einen magnetischen Bereich η bezieht, dem anderen parallel, und ihre Vektorsummierung ergibt die beabsichtigte magnetische Vorzugsrichtung, wie der Pfeil 300 sie zeigt. Infolge verschiedener Unvollkommenheiten und Herstellungschwierigkeiten, die z.T. nachstehend besprochen werden, wird jedoch die beabsichtigte Vorzugsrichtung gemäß Pfeil 300 nicht erreicht. Das mathematische Mittel der Magnetisierungsvektoren n¹ führt zum Entstehen einer mittleren Vorzugsrichtung gemäß Pfeil 202, und der WinkelcC zwischen der beabsichtigten Vorzugsrichtung (Pfeil 300) und der mittleren Vorzugsrichtung (Pfeil302) ist die Schiefstellung, die nachstehend im einzelnen erläutert wird. Nun ist der Winkel, innerhalb dem sich 90$ der mikroskopisch kleinen Magnetisierungs-' vektoren η' der mikroskopisch kleinen magnetischen Bereiche η befinden, die Dispersion/3 . Dieser Wlnkel/3 ist in Pig. 4 graphisch als der Winkel zwischen der mittleren Vorzugsrichtung (Pfeil 302) und der Grenzlinie (Pfeil 304) dargestellt, der 90$ der Abweichungen des Magnetisierungsvektors n' von der beabsichtigten magnetischen Vorzugsrichtung (Pfeil 300)umfaßt. Die Messung der Dispersion ist besprochen in dem Artikel von T.S. Crowther, "Techniques for Measuring the Angular Dispersion of the Easys Axis of Magnetic. Film", Group Report Nr. 51-2, M.I.T. Lincoln Lab, Lexington, Massachusetts (1939)·

Die SchiefstellungoC < ist oben anhand von Fig. 4 definiert

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worden. Sie entsteht als Resultat des Durchschnitts der örtlichen Dispersionen der Vorzugsrichtung in den einzelnen magnetischen Bereichen. Die Summierung dieser ortlichen Dispersionen ergibt eine äußerlich wahrnehmbare durchschnittliche Vorzugsrichtung für die gesamte dünne Schicht, die mitcC , dem Winkel zwischen der tatsächlichen Vorzugsachse J5O2 und der beabsichtigten Vorzugsachse 300, bezeichnet ist. Die Schiefstellung kann man sich vorstellen als die makroskopische Abweichung der magnetischen ψ Vorzugsrichtung von der gewünschten Bezugsrichtung, während die Dispersion die mikroskopische Abweichung ist. Für die Abweichung von der beabsichtigten Vorzugsachse sind verschiedene Ursachen bekannt geworden: Inhomogenitäten des magnetischen Feldes, das verwendet wird, um die gewünschte Anisotropie zu erzeugen, magnetostriktive Effekte durch während der Aufbringung entstandene Beanspruchungen und Spannungen, Kratzer auf der Substratoberfläche und Temperaturgradienten. Bei der vorliegenden 'Erfindung werden niedrige Werte der Schief Stellung cC und der Dispersion β erreicht.

Quasi-statische magnetische Messungen der Wandbewegungsschwelle H , des Anisotropiefeldes H , der Dispersion/3 der Vorzugsachse

O »CO

und der Schiefstellung cC werden ausgeführt mit einem 60-Hz-Schleifenabtaster mit Kerr-Effekt, dessen Lichtpunkt kleiner als 2 /U im Durchmesser ist. Es wurden Messungen in den Mitten und an den vier Kanten Jeder Probe Vorgenommen, wie aus Fig. 5

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nervorgeht.

Pig. 6 zeigt einen Vergleich der magnetischen Eigenschaften, die mit einem durch HF-Zerstäubung aufgebrachten Film zwischen der Magnetschicht und dem Substrat erreicht werden, mit den magnetischen Eigenschaften, die mit ein^r magnetischen Dlinnschichtspeicherzelle erlangt werden, weiche eine herkömmliche aufgedampfte SiIi ziummonoxydschicht verwendet. Fig. 6a und 6b betreffen die Speicherzelle nach der Erfindung und Fig. 6c eine bekannte Speicherzelle mit einer aufgedampften Slliziummonoxydschlcht. Aus dem Vorstehenden geht hervor,, daß die Magnetspeichervorrichtung mit der durch HF-Zerstäubung aufgebrachten dielektrischen Schicht gekennzeichnet ist durch eine niedrige Koerzitivkraft H ein kleineres Anisotropiefeld H^₀, eine geringere Dispersion β und eine geringere Schiefstellung OC. Durch die Einheitlichkeit die nun für alle Eigenschaften mit der durch HF-Zerstäubung aufgebrachten Schicht und insbesondere bezüglich Dispersion und Schiefstellung möglich ist, wird die Zuverlässigkeit vergrößert und der Strombedarf verringert. Die Leistung der Speicherzelle nach der Erfindung ist allgemein der Leistung bekannter Speicherzellen überlegen.

Die Verbesserung der Einheitlichkeit, der. Steuerung und der Vorhersagbarkeit der Leistung geht weiter aus einem Vergleich der magnetischen Kennzeichen einer Speicherzelle gemäß der

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mit denen οΙλοχ* Speicherzelle hervor, die durch direktes Aufbringen von Permalloy auf ein Glassubstrat hergestellt worden ist. Die Worte für die letztgenannte Anordnung zeigt Tabelle II.

	^Hko	TABELLE II	CL
V	3-7	ß	+0.5°
2.6	3-7	5.5°	+0.5°
2.6	3.7	6.5°	+1.5°
2.4	3.7	4.0°	-0.2°
2.6	3-9	6.5°	+0.8°
2.8	9.0°

Es ist hieraus ersichtlich, welche wichtige Rolle die durch HF-Zerstäubung aufgebrachte dielektrische Schicht bei der Verbesserung der Gesamtleistung des magnetischen Speicherlementes spielt. Noch wichtiger ist aber die große Verbesserung, die durch diese Schicht bezüglich der Stabilisierung der magnetischen Parameter auf der ganzen Oberfläche des Speichermediums erreicht wird, welche In den bekannten Vorrichtungen eine Hauptquelle für Zuverlässigkeitssohwierigkeiten waren.

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Claims

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Belegexemplar

Darf nicht geändert werden

PATENTANSPRÜCHE

1, Magnetische Speicheranordnung mit einer dünnen anisotropen Magnetschicht und mit einem plattenförmigen Träger, auf dem eine Schicht aus einem dielektrischen Material aufgebracht ist, welche die Grundlage für die Magnetschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht eine durch Hochfrequenz-Zerstäubung aufgebrachte Schicht ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Hochfrequenz-Zerstäubung aufgebrachte dielektrische Schicht aus Glas besteht.

j>· Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die duroh HuQhfrGquonz-ZGrütäubung aufgebrachte Sohioht aus einem Material besteht, das 80 Gewichts-^ SiO^ » 3,8 Gewichts-^ Na₂O, 2,2 Gewichts-^ Al₃O₃, 0,4 Gewichts-^ K₂O und 12,9 Gewichts-^ B₂O, aufweist.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis J5# dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte aus einem elektrisch gut leitenden Material besteht, daß sich auf der Trägerplatte eine Zwischenschicht aus einem auf dem Trägerplattenmaterial gut haftenden und mit diesem ein Oxyd bildenden sowie mit Glas verträglichen

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Metall befindet, daß auf üer Zwischenschicht die durch Hochfrequenzzerstäubung aufgebrachte dielektrische Schicht . angeordnet ist und daß auf dieser die dünne anisotrope Magnetschicht angebracht ist. . .

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Metall-Zwischenschicht eine durch Hochfrequenz-Zerstäubung aufgebrachte Schicht 1st.

6. Verfahren zur Herstellung der Speicheranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche l'bis.5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringung einer die Unterlage für die. dünne, anisotrope Magnetschicht bildenden dielektrischen Schicht auf die Trägerplatte, die gegenbenenfalls mit einer an ihr gut haftenden und mit dem dielektrischen Material verträglichen Zwischenschicht versehen ist, durch Hochfrequenz-Aufstäubung erfolgt.

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