DE1940640A1

DE1940640A1 - Verfahren zur Herstellung duenner epitaktischer Granatfilme

Info

Publication number: DE1940640A1
Application number: DE19691940640
Authority: DE
Inventors: Eric Kay; Erich Sawatzky
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-10-11
Filing date: 1969-08-09
Publication date: 1970-04-23
Also published as: US3607698A; GB1235812A; FR2020368A1

Description

IBM Deutschland internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH

Böblingen, den 26. Februar 1969 id-sr

Anmelder: International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Ϋ. 10 504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz. der Anmelderin: Docket SA 968 055

Verfahren zur Herstellung dünner epitaktischer Granatfilme

Die Herstellung von dünnen Seltene Erden-Eisen-Grariatfilmen mit definierten physikalischen Eigenschaften erlangte in den letzten Jahren eine besondere Bedeutung.

Derartige dünne Schichten besitzen Anwendungsmöglichkeiten als Lichtmodulatören, als Kopplungselemente oder als Modulatoren für Mikrowellensysteme sowie als aktive Elemente in Speichervorrichtungen, die mittels elektromagnetischer Strahlen adressierbar sind. Ein derartiges, durch Strahlen adressierbares Speichersystem wird beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 15 24 875.( beschrieben.

In der deutschen Patentanmeldung P 17 65 644. 9 wird ein Verfahren zur Herstellung von dünnen einphasigen Seltene Erden-Eisen-Granatfilmen durch Kathodenzerstäubung beschrieben. Die erhaltenen Filme besitzen über große Flächenbereiche von etwa 1 qmm kontrollierbare Eigenschaften.

In letzter Zeit wurde es möglich, die Kompensationstemperaturen und Koerzitiv-

kräfte über wesentlich kleinere Flächenbereiche, wie beispielsweise 5 η zu prüfen und es zeigte sich, daß nicht tolerierbare Variationen in der Kompensationstemperatur und der Koerzitivkraft von Bit zu Bit auftraten. Diese Variationen

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stören die thefmomagnetischen Schreib- und Ausleseverfahren insbesondere bei hohen Bitdichten und machen es schwierig, ein hohes Signalstörverhältnis zu erhalten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dünne Filme herzustellen, die auch auf mikroskopischen Flächeribe reichen einen fast rechteckigen Verlauf der Hysteresekurve aufweisen und die geringere Anforderungen an die Koerzitivkraft bei Temperaturen, die beispielsweise in dem in der deutschen Anmeldung P 15 24875. 6 beschriebenem Speichersystem auftreten, zeigen.

Ψ Der Gegenstand der Erfindung geht von einem Verfahren zur Herstellung

dünner epitaktischer Gränatfilme auf eine Unterlage durch Kathodenzerstäubung aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage ein in der (111) Orientierung vorliegender Granat ist.

Der Granatfilm wird mit einer bekannten Kathodenzerstäubungsvorrichtung, die beispielsweise mit HF-Energie betrieben wird, auf eine Unterlage aufgetragen. Die Unterlage wird von einem Granatsubstrat gebildet, das·sich

ο während der Kathodenzerstäubung auf einer geringeren Temperatur als 500 C befindet. In der Entladungskammer besteht während der Kathodenzerstäubung ein Sauerstoffpartialdruck von mindestens 10 %. Nach Abscheidung des Filmes von einem als kathodische Materialquelle dienenden Granatkörper er-

o folgt die Kristallisation bei einer Temperatur zwischen 700 und 1100 C in einer kontrollierten Atmosphäre. Mit Ausnahme der Substrattemperatur, die in diesem Falle bis zu 500 C betragen kann, verläuft das bisher geschilderte Verfahren entsprechend dem in der deutschen Patentanmeldung P 17 65 644.9 beschriebenen Verfahren.

Als Verbesserung wurde gegenüber diesem Verfahren gefunden, daß es möglich ist, epitaktische Granatfilme mit annähernd rechteckförmigen Hystereseschleifen und temperaturstabilen Bereichen zu erhalten, wenn als Unterlage ein in der (111) Orientierung vorliegender Graiat verwendet wird. Die derart Docket SA 968 055 009817/1275

erhaltenen epitaktischen Granatfilrne sind insbesondere für durch Strahlen adressierbare Speichersysteme zu verwenden. Es wurde gefunden, daß bei der Verwendung derartiger in (111) Orientierung vorliegender Granate als Unterlagen epitaktische Filme bereits bei Temperaturen von etwa 700 C erhalten werden. Epitaxie wurde bisher nur bei bestimmten Aufdampfve-rfahren' bei Temperaturen von etwa 1200 C erhalten. Da die nach der vorliegenden Erfindung erhaltenen Filme bei relativ geringer Temperatur hergestellt werden, sind sie sehr widerstandsfähig gegen Restbildung und weisen eine hohe Knickfestigkeit auf. Die Filme zeigen weiterhin einen nicht zu erwartenden rechteckigen Verlauf der Hysteresekurve und stabile Gebiete über einen weiten Temperaturbereich und sind daher für durch Strahlen adressierbare Speichersysteme verwendbar. Versuche mit anderen Einkristallunterlagen, wie beispielsweise MgO, Al O , SiO und andere'n sowie mit Granatunterlagen, die

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nicht in der (111) Orientierung vorlagen, waren völlig unbefriedigend.

In dünnen E inkristallplättchen wurden bisher stabile Bereiche nur in größeren Durchmessern als etwa 0, 050 bis 0, 075 mm erhalten. Nach der vorliegenden Erfindung wurden stabile Bereiche mit einem Durchmesser von etwa 1 Mikron erhalten und es ist möglich, daß durch verbesserte Prüfungsmethoden noch wesentlich kleinere stabile Bereiche nachgewiesen werden können.

Die vorliegende Zeichnung zeigt schematisch den im ra^mzentrierten kubischen Gitter vorliegenden Granat mit der (111) Ebene,entlang der die Unterlage orientiert sein soll. Die Definitionen 001, 010 und 100 bedeuten die drei kristallographischen Hauptachsen entsprechend der üblichen Terminologie.

Für die Anwendung der nach der Erfindung erhaltenen Filme in durch elektromagnetische Strahlen adressierbare Speichersysteme wird vorzugsweise ein Eisengranat auf eine nichtmagnetische Granatunterlage abgeschieden. Eisengranate besitzen die allgemeine Formel M Fe O , in der M aus

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Yttrium oder einem anderen Seltene Erden-Metall besteht. Beispiele derar-Docket SA 968 055 0 0 9 8 17/1275

tiger Materialien sind Gd Fe O , Y Fe O und Eu Fe O_1n, die als eisen-

3 5 Ic. 3 5 12 -5 5 12

haltige Granate ferrimagnetisch sind. Beispiele für nichtferrimagnetische Granate sind Y Al O , Y Ga O und Gd Al O . Die Auswahl des Granat-

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films und der Granatunterlage hängt von dem gewünschten Verwendungszv^eck ab. Bei der Anwendung für Mikrowellensysteme wird vorzugsweise ein Y Fe O -Film auf einer Y Al O -Unterlage abgeschieden, während für durch Strahlen adressierbare Speicher als Film vorzugsweise Gd Fe O

3 5 12

und als nichtmagnetische Unterlage Y Al O benutzt wird, da die Kompen-

J ö Λ. Li

sationstemperatur von Gd'Fe O in der Nähe der Raumtemperatur liegt.

O O J- Li

In dem im folgenden beschriebenen Beispiel wird als Anlage für die Kathodenzerstäubung die in der deutschen Patentanmeldung P 17 65 644. 9 beschriebene Anlage verwendet. Es können jedoch auch im Handel zu erhaltende mit HF-Energie betriebene Kathodenzerstäubungsanlägen, wie beispielsweise von der Materials Research Corporation hergestellte Anlagen benutzt werden. Eine notwendige Hilfsvorrichtung der benutzten Anlage ist eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der zur Zerstäubung dienenden Kathode zwecks Verhütung einer thermischen Verdampfung des kathodischen Quellenmaterials. Die Zerstäubung sapp a ratur wurde mit Vakuumpumpen bis zu einem Druck von etwa 5 . 10 Torr evakuiert. Als Energiequelle für die Zerstäubungseinrichtung diente ein normaler Hochfrequenzverstärker mit einer Ausgangsenergie von etwa 1000 Watt, der von einem HF-Oszillator mit einer Leistung von etwa· 50 Watt angesteuert wurde. Die Betriebsfrequenz lag hierbei bei 13, 56 MHz. Als Material für die kathodische Zerstäubungsquelle wurde ein Körper aus Gadolinium-Eisen-Granat (Gd Fe O ) und als Substrat ein Einkristall eines nichtoptomagnetischen Yttrium-Aluminium-Granates (Y Al O ) benutzt.

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Die Unterlage wurde aus einem Yttrium-Aluminium-Granat-Einkristall so ausgeschnitten, daß ihre Oberfläche mit der (111) Ebene des Einkristalls übereinstimmte. Die Oberfläche der so erhaltenen Unterlage wurde vorsichtig poliert und geläppt und anschließend im Ultraschallverfahren gereinigt.

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Das Substrat wurde zur Sicherstellung einer wohldefinierten Substrattemperatur während des Niederschiagens mit Gallium an eine temperatursteuerbare Gegenelektrode angelötet. Während des Niederschlagens wurde das Substrat auf eine Temperatur von 150C+ IC mit Hilfe eines in der amerikanischen Patentschrift 3 369 989 geschilderten Verfahrens konstant gehalten. Außerhalb der Vakuumkammer wurde eine Anordnung von Helmholtz-Spulen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes mit rechtwinkligem Kraftlinienverlauf zur Oberfläche des dielektrischen Granates angebracht. Durch das genannte magnetische Feld kann die Niederschlagsrate wesentlich erhöht werden, wobei gleichzeitig eine Stabilisation und eine Eingrenzung der Glimmentladung in demRaum zwischen den beiden Elektroden erhalten wird. Während des gesamten Verfahrens betrug die Feldstärke 40 Gauss.

_7 Die Zerstäubungsapparatur wurde zunächst auf 10 Torr evakuiert, anschlies-

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send wurde Sauerstoff bis zu einem Druck von etwa 20 . 10 Torr hinzugelassen. Der Abstand zwischen der Materialquelle und dem Substrat betrug 2. 5 cm. Die Niederschlagsrate lag bei etwa 85 A/Min, und die erzeugten Filme hatten eine Dicke von 0. 7 Mikron.

Nach Herausnahme der Schichten aus der Zerstäubungsapparatur waren die Filme völlig amorph. Diese amorphen dünnen Schichten wurden durch Erhitzen auf 900 C in einer Sauerstoffatmosphäre in einphaige epitaktisch orientierte Gadolinium-Eisen-Granatfilme umgewandelt. Die Wärmebehandlung wurde in einem Ofen mit stabförmigen Glimmrohren von etwa 5 cm Länge betrieben. Der Ofen besaß eine programmgesteuerte Energiequelle, die die

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Erhitzungs- und Abkühlungsraten bei 600 C pro Stunde und bei 200 C pro Stunde hielt. Zum Nachweis der Anwesenheit von kristallographisehen Phasen bzw. zur Prüfung der relativen Konzentration von Gd und Fe innerhalb der dünnen Schicht wurden als Hilfsmittel Streuungsmessungen mittels Röntgen- und Elektronenstrahlen benutzt. Während des Kristallisationsschrittes wurde unter Benutzung einer Ultramikrowaage das Gewicht der dünnen Schicht genau überprüft bzw. gesteuert,und zwar innerhalb Docket SA 968 055 0098 17/1275

genau überprüft bzw. gesteuert,und zwar innerhalb eines Bereiches von 10 g.

Besaßen die dünnen Schichten ein Verhältnis von Gadolinium zu Eisen von 3 : 5, was durch Streuungsmessungen mittels Röntgenstrahlen bestätigt -wurde, so zeigten Streuungsmessungen mittels Elektronenstrahlen deutlich, daß Gadolinium-Eisen-Granat als einzige Phase vorlag und daß die dünnen Schichten keinerlei Gewichts Zuwachs während der Kristallisations schritte erfuhren, weshalb angenommen werden kann, daß der Sauerstoffgehalt nicht wesentlich von der Zusammensetzung Gd Fe O abweicht. Mit den obengenannten Hilf s-

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mitteln wurde eindeutig gezeigt, daß die entstehenden dünnen Schichten aus Gadolinium-Eisen-Granat in Form von einphasigen, dünnen, epitaktisch orien- ψ tierten Filmen vorlagen.

Verschiedene Substrate wurden über eine Fläche von etwa 30 cm mit einer dünnen Schicht bedeckt. Messungen an den erhaltenen Filmen zeigten, daß die Koerzitivkraft um weniger als 1 % und die Kompensationstemperatur um nicht mehr als + 1 C über den gesamten Flächenbereich variieren. Die chemischen und strukturellen Eigenschaften des Films zeigten keine Variationen in Abhängigkeit von der Dicke und eine mikroskopische Untersuchung zeigte, daß der Film keinerlei Risse besaß.

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Claims

19406A0 PATENTANSPRÜCHE

1./ Verfahren zur Herstellung dünner epitaktischer Granatfilme auf eine Unterlage durch Kathodenzerstäubung, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage ein in der (Hl) Orientierung vorliegendes Granat ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage während der Kathodenzerstäubung eine geringere Temperatur als

ο
5oo C aufweist.

3. · Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß

bei der Herstellung ferrimagnetischer Granatfilme das Substrat ein nichtmagnetisches Granat ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage aus Y Al O besteht.

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