DE1619968C3

DE1619968C3 - Verfahren zum Herstellen einkristalliner Ferritfilme

Info

Publication number: DE1619968C3
Application number: DE1619968A
Authority: DE
Inventors: Richard Joseph Yorktown Heights N.Y. Gambino (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-04-25
Filing date: 1967-04-25
Publication date: 1974-11-21
Also published as: DE1619968A1; FR1513081A; US3498836A; DE1619968B2; GB1135168A; JPS4944239B1

Description

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eine pulverförmige Mischung gebildet hat. Dann wird Beispiel I

Alkohol hinzugefügt und die Mischung umgerührt,

bis ein Brei entsteht, welcher die Konsistenz dünner Es liegt ein Substrat aus Magnesiumoxyd vor, das

Sahne aufweist. für die erwünschten Lichtwellenlängen durchlässig

Vor der eigentlichen Herstellung des Filmes wird 5 ist. Das Substrat hat eine Fläche, die in einer der die Oberfläche des Magnesiumoxyd-Substrates 1 mit wichtigen kristallographischen Ebenen orientiert ist, Alkohol gespült, getrocknet und gewogen. Um den d.h. in der (Hl)-Ebene oder der (100)-Ebene. Eine epitaktischen Film zu bilden, wird der Ferrit- und (lOO)-Ebene kann erzielt werden, indem der Kristall Flußmittelbrei auf die Kristallfläche des Substrates gespalten wird. Das Substrat wird vorbereitet, indem aufgetragen, und zwar aus einem Medizin-Tropfen- io es mit Isopropyl-Alkohol gewaschen und anschließend zähler jeweils drei oder vier Tropfen. Anschließend getrocknet wird. Eine Mischung aus gleichen Gewird der Ferrit-und Flußmittelbrei während mindestens wichtsteilen von wasserfreiem Natriumkarbonat und 15 Minuten an der Luft getrocknet. Dann wird das einem Lithium-Chromferrit der Formel
Substrat für 5 bis 10 Minuten auf eine Heizplatte

gelegt. Ein dünner homogener Ferrit- und Flußmittel- 15 Li₀,₅Fe₂,₅-aCra;O₄, mit
überzug bedeckt eine Fläche des Substrates 1, wenn O < χ < 2,0
die verschiedenen Stufen des oben erläuterten Verfahrens ausgeführt wurden. Anschließend wird das wird in Alkohol gemischt, indem es in einem Mörser Substrat 1 und der Überzug gewogen, um festzustellen, zu einem homogenen Brei zerstoßen wird. Typische ob genügend Ferrit auf die Oberfläche aufgetragen 20 Mengen von Flußmittel und Ferrit zur Bildung der wurde, um einen Film der gewünschten Stärke zu Mischung sind 0,2 g von jeder Substanz. Der Brei wird erzielen. Werden dickere Schichten gewünscht, muß an der Luft getrocknet, damit ein Pulver entsteht, das Auftragen und das Erhitzen des Breis wiederholt und nochmals mit soviel Alkohol gemischt, daß ein werden, bis ein Überzug der gewünschten Dicke ent- Brei mit einer Konsistenz entsteht, die der von dünner standen ist. 25 Sahne entspricht. Tröpfchen dieses Breis werden dann

Befindet sich ein Überzug der gewünschten Stärke auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht und

auf dem Substrat 1, wird das Substrat 1 in ein Platin- während 15 Minuten an der Luft getrocknet. Der

gefäß gelegt und in einen Brennofen geschoben, der Trocknungsprozeß wird durch Erhitzen auf einer

auf etwa 1200⁰C geheizt wurde. Das überzogene Sub- Heizplatte während 5 bis 10 Minuten fortgesetzt. Der

strat wird dann während ungefähr 20 Stunden in Luft 30 Brei kann vorteilhaft durch Sprühen, Aufmalen oder

oder Sauerstoff erhitzt. Eintauchen aufgebracht werden. Je nach der ge-

Nach der gewünschten Brennzeit wird das Platin- wünschten Stärke des Filmes kann das Aufbringen und

gefäß aus dem Brennofen herausgeholt, und die Trocknen des Breis verschiedene Male wiederholt

Substratfläche ist mit einem epitaktischen Einkristall werden,

eines Spinell-Ferrits überzogen. 35 Das Gewicht der Mischung aus Ferrit und Fluß-

Es ist darauf hinzuweisen, daß die Bestandteile jedes mittel, die auf das Substrat aufgebracht werden muß,

verwendeten Ferrits auch getrennt bezogen und um die gewünschte Stärke zu erzielen, kann errechnet

gebrannt werden können, um den erwünschten Ferrit werden, wenn die Dichte des Ferrits, die Oberfläche

zu erhalten, anstatt von den umgesetzten Ferriten des Substrats und der Gewichtsprozentsatz des Ferrits

auszugehen, wie das oben vorgeschlagen wurde. 40 in der Mischung bekannt sind. Wenn ein Film von

Das Bilden des epitaktischen Filmes erklärt sich so: einer Stärke von 20 μ (20 χ 10~⁴ cm) auf einem SubWenn das Substrat und der Überzug in den Brennofen strat mit einer Fläche von 1 cm² erforderlich ist, wobei gebracht werden, schmilzt das Flußmittel zuerst bei die Dichte des Ferrits 6 g/cm³ betragen soll, dann einer Temperatur von etwa 700⁰C. Während sich sind 0,0120 g Ferrit erforderlich, die man durch Verdas Substrat auf die Ofentemperatur erwärmt, löst 45 wendung von 0,024 g einer 50-Gewichtsprozent-Ferritsich der Ferrit in dem Flußmittel auf und bildet eine Flußmittelmischung erhält. Das Gewichtsverhältnis Flußmittel-Ferrit-Lösung, welche die Oberfläche des von Flußmittel zu Ferrit ist nicht kritisch und kann Substrates benetzt und somit eine flüssige Schicht beträchtlich variieren ohne die Verwendbarkeit des einheitlicher Stärke bildet. Im geschmolzenen Zustand erhaltenen Ferritfilms zu beeinträchtigen. Das Vertritt ein durch Konvektion bedingter Rührvorgang 50 hältnis von Flußmittel zu Ferrit kann in dem Bereich innerhalb des Materials ein, und zwar so, daß das Fluß- von 1 Gewichtsteil Flußmittel zu 3 Gewichtsteilen mittel, welches eine geringere Dichte aufweisen muß als Ferrit bis zu 9 Gewichtsteüen Flußmittel zu 1 Geder Ferrit, sich in dem geschmolzenen Material nach wichtsteil Ferrit variieren.

oben bewegt. Anschließend verdampft das Flußmittel Das Substrat wird dann in ein flaches Platingefäß langsam und läßt eine übersättigte Lösung von Ferrit 55 gelegt und in einen Brennofen gebracht, der bevorzugt in dem geschmolzenen Flußmittel zurück. Bei weiterer auf eine Temperatur von 1200⁰C geheizt wurde. Verdampfung des Flußmittels sinkt die übersättigte Brenntemperaturen zwischen 1050 und 1300° C wurden Lösung in dem geschmolzenen Material nach unten, erfolgreich angewandt, ohne daß die Qualität des er- und Ferrit schlägt sich auf der Fläche des Substrates zielten epitaktischen Filmes beeinträchtigt worden nieder, das eine kristalline Struktur besitzt und ergibt 60 wäre. Das Substrat wird bei einer Brenntemperatur einen epitaktischen Film aus Spinell-Ferrit, der eine (1200° C) während 20 Stunden in Luft oder Sauerstoff Stärke von 5 bis 50 μ aufweist, je nach dem anfäng- erhitzt. Die Zeitspanne von 1 Stunde bis zu 48 Stunden liehen Gewicht von Ferrit pro Oberflächeneinheit des wurden ebenfalls erfolgreich zur Erzielung von epiSubstrates, taktischen Ferritfilmen angewandt. Je dicker der

Im folgenden werden spezielle Beispiele des Her- 65 gewünschte Film sein soll, desto langer ist die Brenn-

stellungsverfahrens für dünne epitaktische Filme aus zeit zur Verdampfung des Flußmittels. Nach dem

Spinell-Ferriten angegeben, bei denen verschiedene Erhitzen wird das Substrat auf Zimmertemperatur

Ferrite und Flußmittel Anwendung finden. abgekühlt und der erhaltene epitaktische Ferritfilm

mit dem Substrat verwendet (MgO ist durchsichtig), wendeten Ferrit um

oder das Substrat wird durch Schleifen oder Spalten

entfernt. Der erhaltene Ferritfilm hat eine Stärke von MgFe₂O₄

5 bis 50 μ, je nach dem Gewicht von Ferrit pro handelt.

Flächeneinheit des Substrates. 5 η · · . ,,

Beispiel X

Beispiel II P^Ie Verfahrensschritte sind dieselben wie in Beispiel II, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem ver-Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- wendeten Ferrit um
spiel I, mit der einen Ausnahme, daß als Flußmittel io MeF O

wasserfreies Lithiumkarbonat an Stelle von wasser- ^{e2 4}

freiem Natriumkarbonat verwendet wird. handelt.

Beispiel XI
Beispiel III

15 Die Verfahrensschritte sind dieselben wie in Bei-

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- spiel I, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem verspiel I, mit der Ausnahme, daß der verwendete Ferrit wendeten Ferrit um
die Formel CoFe₂O₄
Li₀₅₅Fe₂₅₆O_{4 ao} handelt.

Beispiel XII

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei-

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- spiel II, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem verspiel II, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem ver- 35 wendeten Ferrit um

wendeten Ferrit um _ „ ^

CoFe₂O₄

Li₀₁₅Fe₂₅₅O_{4 handelt}

handelt. j_n ^_em J_n ρ j g 2 schematisch dargestellten magneto-

BeisoielV ³° °P^t'^sc'^ien Gerät wird ein einkristalliner Film eines

Spinell-Ferrits 2 auf einem Substrat 1 zwischen in

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- Abständen angeordneten gekreuzten Polarisationsspiel I, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem ver- filtern (d. h. zwischen Polarisator 3 und Analysator 4) wendeten Ferrit um angebracht. Der Kristall wird in ein magnetisches

χ,-ρ Q 35 Feld gebracht (z. B. das Feld, welches durch einen

²⁴ Elektromagneten 5 oder durch Helmholtz-Spulen erhandelt. _zeugt wird) Eine Lichtquelle 6 und eine Photozelle 7

Beisoiel VI werden so angebracht, daß das Licht, mit welchem

die Photozelle 7 belichtet wird, dasjenige ist, welches

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- 40 bei Lichtquelle 6 seinen Ursprung hat und hinterspiel II, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem ver- einander den Polarisator 3, den Monokristallfüm 2, wendeten Ferrit um das Substrat 1 und den Analysator 4 durchläuft. Da

NiPe Q der Grad der Drehung der Ebene des polarisierten

^{2 4} Lichtes, welches den Monokristallfilm aus Spinellhandelt. ₄₅ p_errj_t durchläuft, vom magnetischen Feld abhängt,

B e i s η i e 1 VII kann der Grad der Drehung des Lichtes, das seinen

Ursprung in der Lichtquelle 6 hat und durch den

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- Polarisator, den Analysator und den monokristallinen spiel I, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem ver- Film zur Photozelle 7 gelangt, dadurch verändert wendeten Ferrit um 50 werden, daß die Stärke des Magnetfeldes des Magneten

geändert wird. Im Bereich der magnetischen Sättigung

Ni₁-^ZHyFe₂O₄ handelt, mit ist die Drehung nicht von dem angelegten Magnetfeld

O < y < 1. abhängig, und es kann eine maximale Drehung erzielt

werden.

B e i s ο i e 1 VIII ⁵⁵ In F i g. 2 durchdringt 34 % des einfallenden Lichtes

mit einer Wellenlänge von 0,8 einen Kristall aus

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- Li₀₅₅Fe₂₅₅O₄, dessen Herstellung im Zusammenhang spiel II, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem ver- mit den obengenannten Beispielen III und IV erwähnt wendeten Ferrit um wurde und der eine Stärke von 5 μ aufweist. Die

60 magnetooptische Drehung bei Sättigung für dieses

Nii-j,Z%FeO₄ handelt, wobei Material hat 1000° Drehung pro Zentimeter Stärke.

O < y < 1 ist. ' Auf diese Weise dreht ein Film von 5 μ Stärke die

Polarisationsebene um 0,5°. Spinell-Ferritfilme wie

diejenigen, welche in den anderen Beispielen be-

B e i s ρ i e 1 IX 65 schrieben wurden, geben ähnliche Drehungen unter

ähnlichen Bedingungen.

Die Verfahrensschritte sind dieselben wie bei Bei- Wenn Einkristallfilme aus Spinell-Ferrit und mit

spiel I, mit der Ausnahme, daß es sich bei dem ver- ausreichender Stärke erzeugt werden, kann das dar-

unterliegende Substrat entfernt werden, und zwar
entweder durch Spalten oder Abschleifen. Obgleich
die Filme im Zusammenhang mit Vorrichtungen
beschrieben wurden, die die Faraday-Drehung ausnutzen, ist darauf hinzuweisen, daß diese Filme auch

andere Verwendung finden können. Mehrere schichtförmig zusammengefügte Filme können z. B. einen magnetischen Aufzeichnungskopf bilden, welcher nur die magnetischen Eigenschaften der ferromagnetischen 5 Filme ausnutzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 filme mit bestimmter spezieller Oberfläche und ausPatentansprüche: reichend dünn erforderlich sind, um Licht durchzulassen, müssen sie vor ihrer Verwendung aus großen

1. Verfahren zum Herstellen eines einkristallinen, Einkristallen geschnitten und geschliffen werden. Risse epitaktisch auf ein Substrat aufgewachsenen Ferrit- S und andere Fehler, die durch diese Beanspruchungen films mit Spinellstruktur, dadurch gekenn- entstehen, beeinträchtigen im allgemeinen die magnetozeichnet, daß der Film aus einer mit dem optischen Eigenschaften des Kristalls.

Substrat in Berührung stehenden Lösung des Diese Nachteile werden mit einem Verfahren der

Ferritmaterials in einem Flußmittel durch Ver- eingangs genannten Art dadurch vermieden, daß der

dampfen des Flußmittels aufwachsen gelassen wird. io Film aus einer mit dem Substrat in Berührung stehen-

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- den Lösung des Ferritmaterials in einem Flußmittel zeichnet, daß als Flußmittel wasserfreies Soda durch Verdampfen des Flußmittels aufwachsen ge- und/oder Lithiumkarbonat verwendet wird. lassen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, In vorteilhafter Weise besteht ein Ferritmaterial dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung ver- »5 gemäß der Erfindung aus mindestens einem der wendet wird, in der das Gewichtsverhältnis von folgenden Ferrite:

Flußmittel zu Ferritmaterial sich in dem Bereich

von 1: 3 bis 9:1 bewegt. Li₀,₅Fe₂,_sO₄, Li₀₅₅Fe₂₅₅-^Cr₁O₄ mit O < χ < 2,0,

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, NiFe₂O₄, Ni₁-^ZnJ, Fe₂O₄ mit O < y < 1, MgFe₂O₄, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung ver- ao CoFe₂O₄.

wendet wird, in der das Gewichtsverhältnis von

Flußmittel zu Ferritmaterial 1:1 beträgt. Als Flußmittel wird vorteilhaft wasserfreie Soda

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, da- und/oder Lithiumkarbonat verwendet.

durch gekennzeichnet, daß das Flußmittel bei einer In vorteilhafter Weise läßt sich Magnesiumoxid,

Temperatur von 1050 bis 1300⁰C verdampft wird, as Nickeloxid oder Aluminiumoxid als Substratmaterial

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, verwenden. Die genannten Materialien sind leicht dadurch gekennzeichnet, daß das Flußmittel wäh- sauber und in der gewünschten Form erhältlich, rend eines Zeitraumes von 1 bis 48 Stunden ver- Außerdem sind sie für das Licht, das im allgemeinen dampft wird. in Verbindung mit magnetooptischen Vorrichtungen

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, da- 30 verwendet wird, durchlässig.

durch gekennzeichnet, daß als Substratmaterial Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich

Magnesiumoxid, Nickeloxid oder Aluminiumoxid aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit verwendet wird. den Zeichnungen, von denen zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht eines ein-35 kristallinen epitaktischen Filmes von Spinell-Ferriten,

der auf der Oberfläche eines einkristallinen Substrates

aufgebracht ist,

F i g. 2 schematisch die Darstellung eines magnetooptischen Systems, welches einen einkristallinen epi-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen 40 taktischen Film aus einem Spinell-Ferrit verwendet, eines einkristallinen, epitaktisch auf ein Substrat In F i g. 1 wird eine perspektivische Ansicht eines

aufgewachsenen Ferritfilms mit Spinellstruktur. Substrats 1 gezeigt, auf dessen Oberfläche sich ein

Filme aus magnetischem Material, die außerdem einkristalliner epitaktischer Film 2 aus Spinell-Ferrit lichtdurchlässig sind, haben wegen ihrer Verwend- befindet. Das Substrat 1 hat die Eigenschaft, daß es barkeit als magnetooptische Speichervorrichtungen 45 für die Wellenlängen des Lichtes, das im allgemeinen ein allgemeines Interesse erlangt. Üblicherweise wird in Verbindung mit magnetooptischen Vorrichtungen die Änderung der Polarisation eines einfallenden Licht- verwendet wird, durchlässig ist. Das Substrat hat Strahles auf Grund einer Veränderung eines Magnet- außerdem die Eigenschaft, daß es ein einkristallines feldes, das er durchläuft oder auf Grund von örtlichen Material ist. Indem das einkristalline Substrat vorVeränderungen im Magnetzustand des Filmes ver- 50 gesehen wird, sind die anschließend gebildeten Filme wendet, um Ausgangssignale zu erhalten, die die epitaktische Filme, d. h., sie entsprechen dem eingespeicherte Information anzeigen. kristallinen Aufbau des Substrats. Zusätzlich zu den Magnetooptische Filme und die Verfahren zu ihrer obenerwähnten Eigenschaften sollte das Substrat von Herstellung sind bekannt. Die Herstellungsverfahren der Art sein, daß es den schließlich gebildeten epifür solche Filme umfassen z. B. die Technik der 55 taktischen Film nicht verunreinigt. Ein Substrat, Vakuum-Abscheidung und der chemischen Reduktion welches alle die oben aufgezählten Kriterien besitzt, entsprechender Materialien. Die meisten der bekannten ist Magnesiumoxyd, Kristalle aus Aluminiumoxyd Verfahren liefern keine epitaktischen Einkristallfilme, und Nickeloxyd sind zwar weniger zufriedenstellend welche jedoch deshalb besonders erwünscht sind, weil als solche aus Magnesiumoxyd, sie sind jedoch auch bessere optische Durchlaßeigenschaften erzielt werden 60 schon erfolgreich verwendet worden,
können. Bekannte Dampfniederschlagsverfahren lie- Bei der Bildung des Filmes 2 wird zuerst ein Brei fern z. B. im allgemeinen polykristalline Filme, in bereitet, indem gleiche Gewichtsteile eines Flußmittels, welchen die Korngrenzen sowohl die optischen als z. B. Natrium- oder Lithium-Karbonat, mit einem auch die magnetischen Eigenschaften der sich er- Spinell-Ferrit, wie z. B. Lithium-, Lithium-Chrom-, gebenden Filme beeinträchtigen. Die bekannten Ver- 65 Nickel-Zink-, Nickel-Magnesium- oder Kobalt-Ferrit fahren sind außerdem beschränkt hinsichtlich der in Isopropyl-Alkohol gemischt werden. Die Mischung Größe des erzielbaren Films, der die erwünschten wird dann in einem Mörser zerstoßen, bis sie homogen Einkristall-Eigenschaften aufweist. Wenn Einkristall- ist, und anschließend an der Luft getrocknet, bis sich