DE1814472A1 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung duenner,eine unaxiale Anisotropie aufweisender Magnetschichten - Google Patents

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Matdiinen Getelhchaft mbH

Böblingen, 12. Dezember 1968 km-sr-oc

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: Docket YO 967 103

Verfahren und Einrichtung zur Herstellung dünner, eine uniaxiale Anisotropie aufweisender Magnet schichten

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung dünner, eine uniaxiale Anisotropie aufweisender Magnetschichten sowie auf eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.

Dünne Magnetschichten mit uriiaxialer Anisotropie der Magnetisierung werden als Speichermedium in Informationsspeichern verwendet. Derartige Schichten werden durch Vakuumauf dampfung niedergeschlagen. Andere Verfahren zur Erzeugung eines Magnetschichtniederschlages sind die Kathodenzerstäubung oder die elektrodische Abscheidung. Es ist bei Anwendung dieser Verfahren bekannt, eine uniaxiale Anisotropie in der niedergeschlagenen Schicht dadurch herzustellen, daß während des Niederschlagsvorganges ein Magnetfeld parallel zu der zu beschichtenden Oberfläche eines Schichtträgers angelegt wird. Dies ist beispielsweise aus dem Artikel "Preparation of Thin Magnetic Films and their Properties" von M. S. Blois, Jr., Journal of Applied Physics, Vol. 26, Nr. 8, August 1955, Seiten 975 bis 980 ersichtlich. Eine auf diese Weise erzeugte

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uniaxiale Anisotropie in der Magnetschicht hat zur Folge, daß sich die Magnetisierungsvektoren entlang einer magnetischen Vorzugsachse oder leichten Achse einzustellen bestrebt sind. Andererseits ist die Magnetisierung in einer quer zur leichten Achse verlaufenden Achse erschwert (schwere Achse).

Mit diesem bekannten Verfahren ist es schwierig, eine einheitliche uniaxiale Anisotropie über einen relativ großen Magnetschichtbereich zu erzielen. Bei Verwendung der Schichten in Informationsspeichern ist jedoch eine hochgradige Homogenität der uniaxialen Anisotropie über die gesamte Fläche einer Speicherebene erforderlich, um einen sicheren Speicherbetrieb zu gewährleisten. Außerdem ist man bestrebt, die Speicherkapazität zu vergrößern, wozu größere Speicherebenen und demzufolge auch größere Magnetschichtbereiche mit einer ausreichenden Homogenität der uniaxialen Anisotropie notwendig sind.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens zur Erzeugung einer uniaxialen Anisotropie in einer Magnetschicht besteht darin, daß dieses Verfahren nicht anwendbar ist, wenn das niederzuschlagende Material bei der Niederschlagstemperatur nichtmagnetisch ist. Beispielsweise ist das für

Speicherschichten verwendbare Europiumoxyd oberhalb von 20 C nichtmagnetisch, während seine Verdampfungstemperatur wesentlich höher liegt. Anisotrope Europiumoxydschichten konnten daher durch Vakuumaufdampfung bisher nicht hergestellt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung dünner, uniaxialer Magnet schichten anzugeben, durch das eine gut ausgeprägte und über einen relativ großen Schichtbereich weitgehend einheitlich ausgerichteter Anisotropie erzielt werden kann und das von der Curie-Temperatur des niederzuschlagenden Materials unabhängig ist. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß während des Niederschlages ein elektrisches Feld an die Oberfläche des Schichtträgers angelegt wird, wel-

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ches stark genug ist, eine uniaxiale magnetische Anisotropie in der niedergeschlagenen Schicht zu erzeugen.

Magnetschichten, die nach diesem Verfahren hergestellt werden,weisen außer gewöhnlich gute magnetische Eigenschaften auf. Der Dispersionswinkel et für die Anisotropie und der Schräg stellung swinkel O der magnetischen Vorzugsachse gegenüber der Richtung des angelegten Feldes zeigen über einen großen Schichtbereich, z.B. ca. 6400 cm , im wesentlichen einheitliche Werte. Außerdem ist die Formierungseigenschaft des elektrischen Feldes für die magnetische Anisotropie nicht von der Curie-Temperatur des Schichtmaterials abhängig, da das elektrische Feld über die temperaturunabhängige Ladungsverteilung auf die Schicht einwirkt.

Eine weitere Aufgabe vorliegender Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Einrichtung zur Ausführung des erfindungs gemäß en Verfahrens anzugeben. Eine derartige Einrichtung besteht gemäß der Erfindung darin, daß im Bereich der Beschichtungsoberfläche eines in einer Vakuumkammer befindlichen Schichtträgers wenigstens ein Leitungspaar angeordnet ist, dessen Leitungen parallel zueinander verlaufen und während der Beschichtung soper ation an eine Hochspannungsquelle angeschlossen sind.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den Ansprüchen ersichtlich« Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel und ein Anwendung sbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

Fig, 1 eine schematische Darstellung einer Unterlage für die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellenden Magnetfilme sowie auf der Unterlage angeordnete Leiterbahnen und eine Schaltung, durch die ein an die Oberfläche der Unterlage angrenzendes elektrisches Feld angelegt wird, um eine uniaxiale Anisotropie in einem auf der Oberfläche der Unterlage gewachsenen magnetischen Film zu erzeugen;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Verdampfungsanlage, durch die magnetisches Material auf der Unterlage von Fig. 1 niedergeschlagen wird;

Fig. 3A, Kurvenbilder, die die physikalischen Parameter eines erfindungs-3B und 3C gemäß hergestellten Magnetfilmes zeigen;

Fig, 4 eine Kurve, welche der im niedergeschlagenen Film fließende Strom in Abhängigkeit von der Film dicke angibt;

Fig. 5 eine Kurve, welche die maximale Schrägstellung der magnetischen Vorzugsachse der niedergeschlagenen Schicht in Abhängigkeit von den Temperaturen der Unterlage für ein angelegtes elektrisches Anfangsfeld von 1 500 Volt/cm angibt;

Fig. 6 eine Kurve, welche die maximale Schrägstellung der magnetischen Vorzugsachse in Abhängigkeit von der Größe des angelegten elektrischen Feldes in Volt/cm angibt für einen Film, der eine maximale Dicke* von Γ 000 A aufweist und auf eine Unterlagenoberfläche niedergeschlagen wurde, die auf einer Temperatur von 350 C gehalten wurde und -■■■'■

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Fig. 7 einen Datenspeicher, in dem die erfindungsgemäßen Magnetfilme als Speicherelemente verwendbar sind.

Der in Fig. 1 gezeigte Grundträger 10 besteht z.B. aus Quarz und Glas. Auf seiner Oberfläche 12 sind eine Reihe von parallelen Leitungen 14 aus Kupfer durch Aufdampfen oder Elektroplattierung aufgebracht. Die parallelen Leitungen 14 sind abwechselnd elektrisch miteinander verbunden, und ein elektrisches Potential ist zwischen die beiden Leitungsgruppen angelegt. Das Potential wird von einer Hochspannungsquelle 16 geliefert, die auf der einen Seite über einen festen Widerstand 24 mit Masse und auf der anderen Seite über einen Regelwiderstand 18 und einen Schalter 20 mit diesen Leitungen 14 verbunden ist. Wenn der Schalter 20 geschlossen ist, wird auf der Oberfläche 12 des Grundträgers 10 ein elektrisches Feld aufgebaut. Ein Anschluß der Hochspannungsquelle 16 ist über den festen Widerstand 24 mit Erde verbunden und der Y-Eingang eines nicht dargestellten X- Y-Aufzeichnungsgerätes ist an den Anschluß 25 angeschlossen. Die durch Anlegen des Potentials zwischen zwei benachbarten Paaren der Leitungen 14 auftretenden elektrischen Feldlinien sind durch die Pfeile 28 dargestellt. Der Grundträger 10 mit den auf seiner Oberfläche 12 ausgebildeten Leitungen 14 wird in das in Fig. 2 gezeigte Auf dampf gerät 30 gesetzt, welches aus der Quelle 32 die Bestandteile des auf der Oberfläche 12 niederzuschlagenden magnetischen Filmes entnimmt.

Das Aufdampfgerät 30 ist schematisch in Fig. 2 dargestellt. Der Grundträger 10 wird in einer in der Zeichnung nicht näher angegebenen Weise in einer Dampfglocke 31 oberhalb der Quelle 32 angeordnet, um das von dieser Quelle abgegebene Material aufzunehmen. Der niedergeschlagene Magnetfilm 11 erstreckt sich darstellungsgemäß nur über einen Teil der Oberfläche 12, da die nicht dargestellte Halterung für den Grund träger 10 den Niederschlag auf einem Teil der Oberfläche verhindert. Über dem Grundträger 10 ist eine Widerstandsheizung 13 angeordnet, die dessen Oberfläche 12 auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt« Die Quelle 32 besteht aus einer ElefctrÖnenscMeüder 34 Üncl einer Fang elektrode 36 auf einem Sockel 37.

Die gestrichelten Linien zwischen der Elektronenschleuder 34 und der Fangelektrode 36 stellen die Elektronenbahnen dar, die durch ein angelegtes, nicht dargestelltes Magnetfeld gebogen werden. Die Bestandteile, aus denen der magnetische Film, z.B. Nickel und Eisen, hergestellt werden soll, befinden sich in der Fangelektrode 36 in einem solchen vorbestimmten Verhältnis, daß der niedergeschlagene Film 11 diese beiden Elemente in einem "Verhältnis von 81:19 enthält. Andere herkömmliche Gesichtspunkte der Anordnung eines Aufdampfgerätes sind ein durch einen Knopf 39 regelbarer Verschluß 38, ein Oszillator 40, ein Kristall 41 und ein Ionenkollektor 42, Das z.B. aus Quarz bestehende Kristall 41 läßt den Oszillator 40 in Frequenzen arbeiten, deren Abstufung von der Dicke des auf der Kristalloberfläche niedergeschlagenen magnetischen Filmes abhängt. Daher erhält man durch die Überwachung der Frequenz des Oszillators 40 zu jedem beliebigen Zeitpunkt ein Maß für die Dicke des auf der Oberfläche IZ des Grundträgers 10 niedergeschlagenen Magnetfilmes 11, Der Ionenkollektor 42 ist über ein Mikro-Amperemeter 43 und eine Batterie 44 mit Erde 22 verbunden. Der durch das Mikro-Amperemeter 43 über die Ion en Sammlung am Ionenkollektor 42 überwachte Strom ist ein Maß für den Grad der Ionisierung des magnetischen Niederschlagsmaterials, das von der Fangelektrode 36 auf die Oberfläche 12 des Grundträgers transportiert wird. In dem von der Dampfglocke 31 und der Grundplatte 33 abgegrenzten Raum wird durch ein nicht dargestelltes herkömmliches Unterdruckgerät über die Rohrleitung 35 ein Unterdruck erzeugt. Genauere Einzelheiten über Aufdampfgeräte und Dünnfilmte chnolo gie sind der nachfolgend aufgeführten Literatur zu entnehmen;

a) "Thin Film Components and Circuits" von N. Schwartz et al. in PHYSICS OFTHINFILMS - Advances in Research and Development, Vol. 2, 1964, Academic Press, Seiten 363-425,

b) "Focused-Beam Electron Bombardment Evaporator" von D.H. Blackburn et al. in THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, Vol. 36, Nr. Ί, Juli 1965, Seiten 901-903.

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-γα) VACUUM DEPOSITION OF THIN FILMS, von L. Holland, Verlag Hohn Wiley and Sons, Inc., I960.

Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen der Erläuterung der Erfindung dienende Kurven mit den Parametern eines Magnetfilmes. In Fig. 3A ist bezüglich des auf der waagerechten Achse aufgetragenen Feldes H eine annähernd rechteckige Hysten-esisschleife gezeigt. Auf der senkrechten Achse ist die Magnetisierung M aufgetragen, die die positiven und negativen Koerzitivkräfte

H , -H aufweist. Die Größe der Koerzitivkraft ist in der Praxis ein wichc c

tiges Kriterium für die Auswahl ferromagnetischen Materials. Sie ist ein Maß für die Stärke des zum Ändern des Magnetisierungszustandes erforderlichen magnetischen Feldes, z.B. zur Änderung des remanenten Zustandes -M in den remanenten Zustand M . In der Fig. 3A, die die Hysteresis schleife für die schwer zu magnetisierende Achse, im folgenden schwere Achse genannt, eines Magnetfilmes gemäß der Erfindung zeigt, sind die positiven und negativen Anisotropiefelder H und -H₁ , In der Fig. 3C ist

k κ

der auf dem Träger 10 niedergeschlagene Magnetfilm 11 dargestellt. Die leicht zu magnetisierende Achse, im folgenden leichte Achse genannt, verläuft in Richtung eines während des Aufbringprozesses angelegten elektrischen Feldes, und die schwere Achse verläuft rechtwinklig zur leichten Achse, Die in Fig. 2 dargestellte Quelle 32 für das magnetische Material gibt teilweise ionisiertes Nickel und Eisen an den Grundträger 10 zur Bildung des Magnetfilmes 11 ab. Ein in üblicher Weise benutzter Parameter zur Angabe der Beschaffenheit von Magnetfilmen ist der DispersionswinkelOC, der anzeigt, daß 90 % der lokalen ferromagnetischen Anisotropie mindestens im Bereich dieses Winkels ausgerichtet sind. Der S chief stellung s win kely^ist der Winkel zwischen der Richtung des angelegten elektrischen Feldes E und der leichten Achse der induzierten Anisotropie.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen Versuchsdaten einer praktischen. Ausführung der Erfindung und die erwünschten Bereiche der Parameter.' zur Steuerung der ent spr echend der Erfindung in einem Magnetfilm zuanduzierenden Anisotro> pie. Der in dem auf dem Grundträger 10 niedergeschlagenen Film fließende

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Strom ist auf der Ordinate in willkürlichem Maßstab aufgetragen und die Dicke des Filmes in A auf der Abszisse. Aus der Kurve in Fig, 4 ist zu ersehen, daß der Film für eine Dicke bis zu ungefähr 8 A im wesentlichen nicht leitend ist. Erst danach beginnt er zu leiten. Wenn der Film bis auf etwa 10 A Dicke angewachsen ist, wird er schließlich voll leitend bis zur Leitfähigkeit eines Filmes des magnetischen Materials mit dieser Dicke, Die in Fig. 4 gezeigte Kurve belegt diese Hypothese, daß sich beim Wachsen des Filmes anfangs Inseln magnetischen Materials bilden, so daß ein diskontinuierlicher Film auf dem Grundträger entsteht. Im weiteren Verlaufe der Aufbringung, wenn die Filmdicke zunimmt auf Werte zwischen 8 und 10 A, fließen diese Inseln schnell zusammen und es entsteht ein kontinuierlicher Film,

Die Schrägstellung /^ der leichten Achse in einem erfindungsgemäß hergestellten Film gibt die Winkelorientierung der leichten Achse relativ zur Richtung des angelegten elektrischen Feldes an. Es wurde gefunden, daß eine Beziehung zwischen der maximalen Abweichung in Winkelgraden und der Temperatur der Oberfläche 12 des Grundträgers 10 für ein gegebenes elektrisches Feld in der Ebene des Magnetfilmes 11 besteht. Die diese Annahme bestätigenden Versuchsdaten sind in Fig. 5 angegeben. Die Kurve der Fig. 5 zeigt, daß die Abweichung stark von der Temperatur zwischen etwa 150 C bis 2 50 C abhängig ist. Oberhalb 250 C steigt die Abweichung im wesentlichen konstant mit der Temperatur, Deswegen wird die Oberfläche 12 des Grundträgers 10, aufweiche ein Magnetfilm 11 aufgebaut wird, vorzugsweise auf einer Temperatur von mindestens 250 C für einen Nickel-Eisen-Film mit einem Mischungsverhältnis von 81 : 19 gehalten. Da die Oberflächentemperatur des Grundträgers der wichtigste Parameter ist, wie aus der Kurve in Fig, 4 ersichtlich ist, kann auch die Oberfläche durch eine Strahlungsenergiequelle auf einer entsprechenden Temperatur gehalten werden, ohne daß der ganze Grundträger diese Temperatur einnimmt.

Ein weiteres Kriterium für die Abweichung der leichten Achse von der Richtung des angelegten elektrischen Feldes ist aus der in Fig. 6 gezeigten Kurve

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ersichtlich. In dieser Figur ist die maximale Schrägstellung/$in Graden in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Feld aufgezeichnet, und zwar

• für einen Magnetfilm, der auf einem Grundträger bei einer Temperatur von

ο
ungefähr 350 C erzeugt wurde. Die in der Kurve in Fig. 6 aufgezeichneten Werte fürfi wurden bei verschiedenen Magnetfilmen 11 mit einer Dicke von 1 000 A gemessen. Die Kurve läßt erkennen, daß die Schrägstellung im wesentlichen konstant ist und für ein elektrisches Feld oberhalb 200 Volt/cm in der Ebene des wachsenden Filmes sehr niedrig liegt und daß die Schrägstellung scharf ansteigt bei einer relativ kleinen Änderung des angelegten elektrischen Feldes. Somit läßt sich die Größe der Schrägstellung durch die Stärke des angelegten elektrischen Feldes steuern. Für einen magnetischen Ni ekel-Ei s en-Film mit der Zusammensetzung 81 : 19 und gleichförmig induzierter Anisotropie sollte das angelegte elektrische Feld mindestens 200 Volt/cm stark sein.

In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Datenspeichers gezeigt, der der Einfachheit halber nur ein einziges Speicherelement 11 aufweist. Dieses Speicherelement ist nach dem beschriebenen Verfahren auf einer Grundplatte 12 aufgebracht, die z.B. eine elektrisch leitende Platte mit einer Isolierschicht an der Oberfläche ist. Die in horizontaler Richtung verlaufende leichte Achse des Filmes 11 ist durch den zweispitzigen Pfeil angezeigt. Eine Bitleitung 50 ist auf dem Magnetfilm 11 auf der Unterlage oder Grundplatte 12 rechtwinklig zur leichten Achse des Filmes 11 angeordnet, und eine Wortleitung 52 ist ebenfalls oberhalb des Filmes 11 auf der Grundplatte 12 angeordnet. Die Wortleitung 52 verläuft parallel zur leichten Achse. Der kreisförmig dargestellte Magnetfilm 11 kann bei Bedarf auch andere Formen annehmen. Die Breite der vorzugsweise streifenförmig en Leitungen 50 und 52 muß mindestens so groß sein wie der Durchmesser des Magnetfilmes 11, und die überlappenden Teile der beiden Leitungen sind direkt über dem Magnetfilm 11 angeordnet. Eine nicht dargestellte Isolierschicht aus z.B. Siliziummonoxyd liegt zwischen den beiden Leitungen 50 und 52, und weitere Isolierschichten können auf jeder Seite des Magnetfilmes 11 vorgesehen werden. Die Bitleitung 52 ist an. einem Ende mit einem ersten Schalter 54 und

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am anderen Ende mit einem zweiten Schalter 56 verbunden. Der erste Schalter 54 verbindet ein Ende der Bitleitung 50 entweder mit einem Bittreiber oder einem Generator 58 oder mit Erde, während der zweite Schalter 56 das andere Ende der Bitleitung 50 entweder mit Erde oder mit einer Last 60 verbindet, die aus einem herkömmlichen Leseverstärker bestehen kann. Die Wortleitung 52 ist an einem Ende mit einem Worttreiber oder Generator 62 und am anderen Ende mit dem Wellenwiderstand 64 der Wortleitung 52 verbunden. Die beiden Schalter 54 und 56 sind so miteinander gekoppelt, daß das eine Ende der Bitleitung 50 über den ersten Schalter 54 mit dem Bittreiber 58 verbunden ist, wenn das andere Ende der Bitleitung 50 durch den zweiten Schalter 56 mit Erde verbunden ist, und daß dieses Ende über den Schalter 56 mit der Last 60 verbunden ist, wenn das erste Ende der Bitleitung 50 über den ersten Schalter 54 mit Erde verbunden ist. Durch diese beiden Schalter kann die Bitleitung 50 als Bit- und als Abfrageleitung dienen. Wenn die Schalter 54 und 56 nicht verwendet werden, muß eine dritte, der Bitleitung 50 ähnliche Leitung als Abfrageleitung vorgesehen werden. Bei Bedarf kann ein Ende der Bitleitung 50 anstatt der direkten Verbindung mit Erde ebenfalls über den Wellenwi der stand dieser Leitung an Erde gelegt werden, wenn der Schalter 54 die linke Stellung einnimmt. Wenn der Grundträger 12 aus einer geerdeten Leiterplatte besteht, dient diese als gemeinsame Rückleitung für alle Bit- und Wortleitungen des Speichers.

Die Arbeitsweise eines derartigen Speichers ist bekannt; es soll deshalb an diese Stelle nur kurz hierauf eingegangen werden. Beim Einschreiben von Daten in den Speicher wird ein Impuls an die Wortleitung 52 angelegt, der eine Auslenkung der Magnetisierung im Magnetfilm 11 aus der leichten Achse in die Richtung der schweren Achse bewirkt. Gleichzeitig hierzu wird ein Impuls vom Bittreiber 58 zur Bitleitung 50 geliefert, dessen Polarität von der einzuschreibenden Binär-Information abhängt. Der Wortimpuls wird kurze Zeit vor Beendigung des Bitimpulses abgeschaltet, so daß die Magnetisierung im Film 11 eine Richtung einnimmt, die von der Richtung des vom Bitstrom erzeugten Magnetfeldes bestimmt wird. Zur Entnahme der gespeicherten Daten wird lediglich ein Wortimpuls vom Worttreiber 62 an die Wort-

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leitung 52 geliefert. Bei der dadurch bewirkten Magnetisierung saus lenkung in Richtung der schweren Achse wird ein Leseimpuls in die Leitung 50 in duziert, die zu dieser Zeit auf Lesefunktion umgeschaltet ist, d.h. über den Schalter 54 mit Erde und über den Schalter 56 mit der Last 60 verbunden ist. Die Polarität des Leseimpulses hängt von der gespeicherten Information ab. Der Leseimpuls wird in der Last 60 in bekannter Weise ausgewertet.

Theorie der Erfindung

Für die der Erfindung zugrundeliegende Theorie sind folgende Veröffentlichungen von Interesse:

a) "Possible Influence of Electric Charge Effects on the Initial Growth Processes Occurring During the Vapor Deposition of Metal Films onto Substrates Inside the Electron Microscope" von D. B. Dove, JOURNAL OF APPLIEDPHYSICS, 35, Seite 2785 (1964).

b) "Growth of Thin Metal Films Under Applied Electric Field" von K. L. Chopra, APPLIEDPHYSICS LETTERS, 7, Seite 140 (1965).

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Beobachtung, daß ein während der Aufbringung eines Magnetfilmes angelegtes elektrisches Feld eine einachsiale Anisotropie in diesem Magnetfilm induzieren kann. Für die Praxis der Erfindung bedeutet dies, daß teilweise geladene Teilchen des Magnetmaterials aus dem Dampfzustand auf eine Unterlage niedergeschlagen werden, an die ein elektrisches Feld angelegt ist. Durch Steuerung der Größen des elektrischen Feldes, der Oberflächentemperatur der Unterlage und des Grades der Ionisierung der Einzelteile des magnetischen Materials während des Niederschlags auf der Unterlage_s lassen sich Größe und Richtung der einachsialen Anisotropie des Filmes steuern«,

Im Anfangsstadium des Aufwachsens des Filmes durch Dampfniederschlag werden Atome auf einer Unterlage kondensiert und bilden einzelne Kerne. Verschiedene Faktoren bestimmen Größe und Verteilung dieser Kerne, wie z.B. Schmelzpunkt des Verdampfungsmittels, Unterlagentemperatur, Größe des Unterdruckes und Art der Unterlagpnoberfläche. Einige Kerne wachsen

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durch Zusammenfließen mit anderen Kernen und bilden inselförmige Strukturen, Diese resultierenden inselähnlichen Strukturen fließen wiederum mit anderen zusammen und bilden schließlich einen kontinuierlichen Film auf der Unterlage.

In den angegebenen Literatur stellen wird berichtet, daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Filmebene während des Niederschlages des Filmes ein Zusammenfließen der inselähnlichen Strukturen früher erfolgt als bei einem vergleichbaren Film, der ohne ein solches elektrisches Feld erzeugt wird. Außer diesem früheren Zusammenfließen der inselähnlichen Strukturen bei Anlegen eines elektrischen Feldes wurde bei früheren Versuchen beobachtet, daß die Orientierung der resultierenden Kristallstruktur etwas verstärkt wird. Es ist weiterhin bekannt, daß die resultierende Kernrate auf der Unterlage erhöht wird, wenn die verdampften Teilchen teilweise geladen sind. Außerdem war bisher bekannt, daß eine reineEMK zwischen geladenen Partikeln unterschiedlicher Größe, die beide Ladungen mit ,demselben Vorzeichen haben, auftreten kann. Durch die elektrostatische Anziehung bewegen sich die geladenen Partikel unter dem Einfluß des angelegten elektrischen Feldes und ihre Vermischung zu inselähnlichen Strukturen wird unterstützt. Bei dem bisherigen Stand der Technik wurde außerdem beobachtet, daß das Zusammenfließen von Partikeln zu inselähnlichen Strukturen in Richtung des angelegten elektrischen Feldes orientierte Wachstumsprozesse erzeugte. Die normale Kugelform der resultierenden inselähnlichen Strukturen wird durch das Vorhandensein von Ladungen auf diesen Strukturen verzerrt. Es wird für diese Erfindung angenommen, daß diese Verzerrung zur einachsigen Anisotropie des durch die Erfindung erhaltenen Magnetfilmes beiträgt.

In Versuchen, die im Zusammenhang mit der Erfindung gemacht wurden, wurde ein elektrisches Feld in der Ebene einer Unterlage angelegt, auf welcher eine Reihe von parallelen Leitern durch Aufdampfen aufgebracht worden war. Solche Leiter bestehen z, B, aus Gold, Silber oder Kupfer, Durch Anordnung äquidistanter Leitungen 14 (Fig, I) und Anlegen derselben Spannung zwischen benachbarten Leitern, z, B, durch Parallelverbindung jedes zweiten Leiters

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und Verbindung jeder Gruppe mit der entgegengesetzten Anschlußklemme einer Spannungsquelle, wurde ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches 'Feld 28in der Ebene des auf der Oberfläche 12 des Trägers 10 befindlichen Magnetfilmes 11 (Fig. 3C) aufgebaut. Die in Fig, 2 gezeigte Quelle 36 enthielt Nickel und Eisen in einem für den Magnetfilm 11 geeigneten Mischungsverhältnis von 81:19 zum Aufdampfen auf die Oberfläche 12 des Grundträgers 10, die auf einer Temperatur über 200 C gehalten wurde. Die Elektronenschleuder 34 wurde sowohl zum Erwärmen des magnetischen Materials bis zum V er dampfung s zustand als auch zur teilweisen Ionisierung der Teilchen verwendet. Die Verdampfungsrate, gemessen in der Zuwachsrate des Filmes, betrug ungefähr 5 A/ see., und es wurde ein Abstand von etwa 30 cm zwischen Quelle 32 und Grundträger 10 vorgesehen. Die Überwachung der Verdampfungsrate und der Dicke des Filmes 11 wurde mit Hilfe des Kristalls 41 und des Os-

2 zillators 40 vorgenommen. Ein Ionenkollektor 42 mit einer 4 cm großen Kollektorplatte wurde beim Niederschlag des Magnetfilmes 11 dazu benutzt, den Ionenstrom abzunehmen, der zwischen 5 und 15 mA verändert wurde. Während des Aufdampfens wurde ein Unterdruck zwischen 1 .· 10 Torr und 5.10 Torr über die Rohrleitung 35 aufrechterhalten. Bei einer Filmdicke von 1 000 A wurde das angelegte, elektrische Feld während des Niederschlags zwischen 50 Volt und 1 500 Volt/cm verändert. Die magnetischen Eigenschaften des resultierenden Filmes wurden bestimmt durch einen mit einer Frequenz von 60 Hz/sec. betriebenen magneto-optischen Hysteresis schreiber.

Die Filmdicke erreicht beim Wachsen einen kritischen Punkt, bei dem die elektrische Leitfähigkeit auftritt. Dieser Punkt läßt sich bestimmen, indem man den durch den Prüfwiderstand 24 (Fig. 1) fließenden Strom mit einem nicht dargestellten und an den Anschluß 25 angeschlossenen X- Y-Aufzeichnungsgerät überwacht. Beim durchgeführten Versuch lag die kritische Dicke bei ungefähr 10 Ä für ein angelegtes elektrisches Feld von 1 000 Volt/ cm. Im Gegensatz dazu war ein Film mit vergleichbaren magnetischen Eigenschaften, der mit einem angelegten magnetischen Feld gemäß einem der bekannten Verfahren niedergeschlagen wurde, ungefähr 100 A dick. Etwa 1 % der auf der Oberfläche 12 des Grundträgers 10 (Fig. 3C) niedergeschlagenen

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Atome wurde ionisiert, wie durch die Beziehung zwischen der durch den Oszillator 40 (Fig. 2) ermittelten Filmdicke und dem über die Kollektorplatte des Ionenkollektors 42 (Fig. 2) und das Mikroamperemeter 43 ermittelten Ionenstrom bestimmt wurde.

Es wurde experimentell festgestellt, daß es für den Grundträger eine untere Grenztemperatur von 2 50 C bei Verwendung eines Nickel-Eisen-Filmes mit 81 % Nickel und 19 % Eisenanteilen gibt, oberhalb der eine gut abgegrenzte einachsige Anisotropie im resultierenden Film aufgebaut werden konnte. Unterhalb dieser Oberflächentemperatur neigte die Orientierung der leichten Achse dazu, willkürlich von der Richtung des angelegten elektrischen Feldes E abzuweichen. Außerdem wurde experimentell festgestellt, daß die untere Grenze für die Stärke des für die vorliegende Erfindung geeigneten elektrischen Feldes bei ungefähr 100 Volt/cm für dasselbe magnetische Material liegt. Filme, die mit dem angegebenen magnetischen Material nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt wurden, wiesen gemäß experimenteller Feststellung ähnliche magnetische Parameter auf, wie Filme mit induzierter einachsiger Anisotropie, die nach bisher bekannten Verfahren mit einem magnetischen Feld erzeugt wurden. Tabelle 1 zeigt typische Daten bestimmter magnetischer Eigenschaften eines als Beispiel gewählten Filmes mit einer Dicke von 1 000 A und einem Nickel-Eisen-Verhältnis von 81 : 19.

Tabelle I

HH OC Schrägstellung /S

c ic

2 Oe ^ 4.5 Oe -vl° < 1°

Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß man nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung einen Magnetfilm mit einem Nickel-Eisen-Verhältnis von 81 : und 1 000 Ä Dicke leicht durch Niederschlag des Materials auf eine auf etwa 350 C erwärmte Oberfläche eines Grundträgers erhält. Da das angelegte elektrische Feld zum Aufbau der einachsigen Anisotropie im Film

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nicht wirksam wird, wenn dieser einmal begonnen hat zu leiten, wird der Rest des Filmes mit einachsiger Anisotropie durch die Austauschkopplung mit dem unter Anlegen des elektrischen Filmes aufgebauten Filmschichtteiles hergestellt. Die Austauschkopplung bewirkt die Magnetisierung eines nicht magnetischen Materials entsprechend der Magnetisierung einer angrenzenden Schicht magnetischen Materials. Wenn das zum Aufbau des letzten magnetischen Filmes jeweils verwendete magnetische Material, z.B. EuO, bei der gewählten Nieder schlag stemperatur nicht magnetisch ist, wird nach dem Leitendwerden des Filmes eine Niederschlagstemperatur gewählt, bei der dieser Film magnetisch ist. Durch die Austauschkopplung mit der Magnetisierung des mit unter Anlegen eines elektrischen Feldes anfänglich" niedergeschlagenen Schichtteiles wird ein Film erzeugt, der eine Geometrie ,z.B. eine größere Fläche und eine Homogenität, z.B. eine größere Einheitlichkeit der S ehr ag stellung über die gesamte Fläche, aufweist, wie sie für Filme, die nach herkömmlichen Verfahren mit einachsig induzierter Anisotropie durch Anlegen eines magnetischen Feldes bisher nicht erreicht werden konnten«

Die größte Fläche eines magnetischen Filmes, der nach der bekannten Technik durch Anlegen eines entsprechenden magnetischen Feldes hergestellt

wurde, betrug ungefähr 60 cm , wogegen durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Magnetfilm mit einachsiger Anisotropie und einheitlicher Lage der leichten Achse zu erhalten ist, der eine wesentlich größere Fläche, z. B. 6 400 cm , aufweist.

Der nach dem er findung s gemäß en Verfahren hergestellte anisotrope Magnetfilm hatte ein Nickel-Eisen-Verhältnis von 81 : 19 und eine Dicke von etwa 12 A. Er wurde auf einer auf etwa 350 C erwärmten Oberfläche einer Trägerplatte niedergeschlagen, an die ein elektrisches Feld angelegt wird. Eine größere Dicke wird bei einem derartigen Film erhalten, wenn die Temperatur der Oberfläche des Grundträgers höher als 350 C liegt. Mit Hilfe der bekannten Verfahren war es dagegen nicht möglich, einen Magnetfilm mit einachsiger Anisotropie unter einer Dicke von etwa 35 Aherzu-

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stellen. Für ein bestimmtes magnetisches Material hängt die größte Dicke eines erfindungs gemäß unter Anlegen eines elektrischen Feldes hergestellten anisotropen Filmes von den physikalischen Eigenschaften des Materiales und der Oberflächentemperatur des Grundträgers ab. Grundsätzlich ist es jedoch möglich, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Anlegen eines elektrischen Feldes einen anisotropen magnetischen Film herzustellen, dessen Dicke unter 35 A liegt.

In Abänderung der beschriebenen Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann anstelle der Leiteranordnung von Fig. 1 auch ein Elektronenstrahlgerät zur Erzeugung des elektrischen Feldes Verwendung finden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch nicht auf die Herstellung von Nickel-Eisen-Schichten der genannten Zusammensetzung beschränkt. Beispielsweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Filmen verwendet werden, die aus Ubergangsmetallen oder Legierungen dieser Metalle oder aus Seltene-Erde-Metallen bzw, Legierungen dieser Metalle oder auch aus Seltene-Erde-Verbindungen, einem Gemisch dieser Verbindungen, bzw. Legierungen besteh en. Als Ubergangsmetalle und Legierungen dieser Metalle, welche üblicherweise oberhalb annähernd 20 C ferromagnetisch sind, kommen in Frage: Fe, Ni, Co, FeNi, FeCo, NiCo, FeNiCo sowie verschiedene ternäre und quaternäre Legierungen, die zumindest Fe, Ni oder Co enthalten. Als Seltene-Erde-Metalle und -legierungen, die üblicherweise unterhalb annähernd 20 C ferromagnetisch sind, kommen in Frage Gd, No, Dy und Tb sowie die Legierungen dieser Elemente. In die Seltene-Erde-Verbindungen sind einbezogene Oxyde, wie z.B. EuO, Nitrite, wie z.B. GdN, Tellurite, wie z.B. EuTe und Sulfide, wie z.B. EuS.

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Claims (16)

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung dünner, eine uniaxiale Anistropie aufweisender Magnet schicht en durch Niederschlag auf die Oberfläche eines Schichtträgers, dadurch gekennzeichnet, daß während des Niederschlages ein elektrisches Feld an die Oberfläche des Schichtträgers angelegt wird, welches stark genug ist, eine uniaxiale magnetische Anisotropie in der niedergeschlagenen Schicht zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial, aus dem die Schicht gebildet wird, vor der Aufbringung elektrisch geladen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial, aus dem die Schicht gebildet wird₃ in einer Vakuumkammer verdampft wird, daß das dampfförmige Magnetmaterial teilweise ionisiert wird und daß die der Verdampfungsquelle zugewandte Oberfläche eines in der Vakuumkammer befindlichen Schichtträgers während des Niederschlages einem parallel zur Oberflächenebene verlaufenden elektrischen Feld ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der uniaxialen Anisotropie in der-Schicht durch die Temperatur der Niederschlagsoberfläche des Schichtträgers gesteuert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichn et, daß der Grad der magnetischen Anisotropie der Schicht durch Stärke und Richtung des elektrischen Feldes bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Grad der magnetischen Anisotropie der Schicht durch den Grad der Ionisierung des dampfförmigen Magnetmaterials bestimmt wird.

909833/1213

Docket YO 967 103

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial zu 81 % aus Nickel und zu 19 % aus Eisen besteht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial aus Europiumoxyd besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial eine Seltene-Erde-Verbindung ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial eine Gadolinium-Europium-Lc-gierung ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetmaterial eine Seltene-Erde-Legierung ist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Niederschlagsmaterials, das bei der NÖier-

Schlagstemperatur nicht magnetiech oder nicht ferromagnetisch ist, die Oberfläche des Schichtträgers nach dem Niederschlag eines ersten Schichtteiles, dessen Anisotropie durch das elektrische Feld induziert wird, auf eine Temperatur gebracht wird, bei der das niederzuschlagende Material ferromagnetisch ist und daß die Anisotropie des danach niederzuschlagenden Schichtteils durch magnetische Austauschkopplung mit dem ersten Schichtteil induziert wird.

13. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Be schichtung s~ Oberfläche eines in einer Vakuumkammer befindlichen Schichtträgers (10) wenigstens ein Leitungspaar (14) angeordnet ist, dessenLeitungen parallel zueinander verlaufen und während der Beschichtungsoperation an eine Hochspannungsquelle (16) angeschlossen sind.

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14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Hochspannungsquelle (16) und das Leitungspaar (14) ein spannungsregelndes Glied (18) geschaltet ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vakuumkammer in der Nähe einer Quelle (36) für das zu verdampfende Magnetmaterial ein Elektronenstrahlgenerator (34) angeordnet ist und daß der Elektronenstrahl den Ausstrahlungsbereich der Verdampfungsquelle durchsetzt«

16. Einrichtung nach Anspruch 15₃ dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Quelle (36) und der Beschichtung sob er fläche des Schichtträgers (10) in der Nähe des letzteren eine Ionisierungsmeßvorrichtung (42, 43) angeordnet ist.

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