DE19900447C2 - Ferromagnetisches Schichtmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Ferromagnetisches Schichtmaterial und Verfahren zu seiner Herstellung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein ferromagnetisches Schichtma­ terial, bei dem auf einem Substrat ein ferromagnetischer Film aufgetragen ist, der ein epitaktisch auf das Substrat aufgewach­ sener, Wismut-haltiger Film mit einlegiertem Mangan ist.
Ein derartiges Schichtenmaterial ist aus Journal of Applied Phy­ sics, Vol. 84, No. 7 vom 01.10.1998 bekannt. Hierbei wird ein Wismut-Film auf einem GaAs-Substrat durch Molekularstrahlepita­ xie aufgetragen und nachfolgend Mangan einlegiert, wodurch ein ferromagnetischer Film ausgebildet wird.
Die JP 48-16 193 (A) beschreibt ein Verfahren zum epitaktischen Aufwachsen eines MnBi-Einkristall-Filmes auf einem Substrat.
Die US 3,539,383 beschreibt weiterhin die Ausbildung eines Man­ gan-Wismut-Filmes auf verschiedenen Substraten. In Thin Solid Films, Vol. 62 (1979), Seite 41-51 wird das epitaktische Auf­ wachsen eines MnBi-Filmes durch simultane Aufbringung von Mn und Bi beschrieben. Journal of Applied Physics 78 (1995), Seite 5391-5394 zeigt die Ausbildung eines nicht epitaktischen MnBi-Filmes, bei dem nacheinander eine Mn-Schicht und eine Bi- Schicht auf einem Glassubstrat abgeschieden und nachfolgend er­ hitzt werden. Hier wird weiterhin die Ausbildung mehrerer alter­ nierener Schichten beschrieben.
Die US 3,837 003 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein anfäng­ lich aufgebrachter Bi-Film erhitzt wird, bevor Mn aufgetragen wird.
Bei derartigen ferromagnetischen Schichtmaterialien wird auf einem Substrat ein Film aufgetragen, der auf dem Wismut-Mangan- Kristallsystem beruht, das im wesentlichen eine Nickelarsenid (NiAs)-Kristallstruktur oder orthorombische Struktur aufweist. Derartige Filme, insbesondere dünne Filme, zeigen eine große Remanenz, eine große einstellbare Koerzitivfeldstärke und ein relativ hohes magnetisches Moment und können somit zum Beispiel für magnetische Speichermedien verwendet werden. In die Filme können zur Erreichung gewünschter Eigenschaften weitere Elemente eingebracht werden. Die ideale Kristallstruktur dieses Systems ergibt sich bei einem Verhältnis von 50 : 50 von Mangan und Wis­ mut. Problematisch ist dabei insbesondere, daß Wismut und Mangan dazu neigen, sich zu entmischen.
Derartige Schichtmaterialien werden dabei üblicherweise herge­ stellt, indem auf einem Substrat wie Glas, Glimmer oder Quarz ein Wismut-Film aufgetragen wird, darauf ein Mangan-Film aufge­ tragen wird und dieses Ausgangsmaterial getempert wird, wobei die Wismut-Schicht und Mangan-Schicht hierbei legieren und einen gewünschten Mangan-Wismut-Film ausbilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gegenüber dem Stand der Technik Verbesserungen zu erreichen und insbesondere die Ausbildung eines Films mit hohem magnetischen Moment, großer Remanenz und großer, einstellbarer Koerzitivfeldstärke zu ermög­ lichen.
Diese Aufgabe wird bei einem ferromagnetischen Schichtmaterial der eingangs genannten Art gelöst, indem
  • - der ferromagnetische ein Film ein Bufferfilm ist, auf dem ein ferromagnetischer Endfilm ausgebildet ist, der durch gleichzeitiges epitaktisches Aufwachsen von Wismut und Man­ gan ausgebildet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe gelöst, indem als ferromagnetischer Film ein Bufferfilm verwendet wird, auf dem Bufferfilm nachfolgend ein ferromagnetischer Endfilm ausgebildet wird, indem Wismut und Mangan gleichzeitig epitak­ tisch auf dem Bufferfilm abgeschieden werden.
Erfindungsgemäß wird somit ein Wismut-haltiger Film epitaktisch auf einem Substrat abgeschieden. Dabei kann insbesondere ein einkristallines Substrat verwendet werden, bei dem entsprechend eine einkristalline ferromagnetische Schicht ausgebildet wird, oder auch ein polykristallines Substrat, bei dem entsprechend ein polykristalliner ferromagnetischer Film ausgebildet wird. Bei einem derartigen polykristallinen ferromagnetischen Film liegen entsprechend jeweil einkristalline Bereiche vor, die ne­ beneinander angeordnet sind. Es ist weiterhin die Verwendung amorpher Substrate möglich.
Überraschenderweise wurde festgestellt, daß derartige epitaktische Filme höhere magnetische Momente, eine größere Remanenz und eine größere, einstellbare Koerzitivfeldstärke als solche Filme aufweisen, die auf einem gewöhnlichem Substrat wie Quarz oder Glimmer ohne epitaktisches Wachstum ausgebildet werden. Derarti­ ge Eigenschaften stellen sich auch bei erfindungsgemäßen poly­ kristallinen Filmen heraus, die ein höheres magnetisches Moment aufweisen als polykristalline Wismut- und Mangan-haltige Filme, die auf einem Substrat ohne epitaktisches Wachstum aufgebracht sind.
Erfindungsgemäß kann dabei zum einen ein Wismut-reicher Film, der zum Beispiel 80% bis 100% Wismut enthält, auf einem Substrat epitaktisch abgeschieden werden, anschließend Mangan auf diesen Film ohne epitaktisches Wachstum aufgetragen, zum Beispiel auf­ gedampft werden und der so erzeugte Film getempert werden, so daß ein Wismut- und Mangan-haltiger Film der 30% bis 70% Wismut und 30% bis 70% Mangan enthält, erreicht wird.
Zum anderen kann erfindungsgemäß ein epitaktischer Film auf ei­ nem Substrat aufgetragen werden, indem Wismut und Mangan direkt epitaktisch auf dem Substrat aufgewachsen werden.
In beiden Fällen stellt sich ein Film heraus, der vorzugsweise 30% bis 70% Wismut und 30% bis 70% Mangan enthält. Dabei ist insbesondere eine Kombination dieser Schichten interessant, bei dem auf einem Substrat, insbesondere einem einkristallinen Sub­ strat, epitaktisch ein Wismut-Film aufgetragen wird, anschlie­ ßend Mangan aufgedampft wird, und das so hergestellte Schichtmaterial bei Temperaturen von beispielsweise bis zu 225°C getempert wird. Eine derartiger alternierender Schichtaufbau aus epitaktisch aufgewachsenen Wismut und nicht-epitaktisch aufge­ tragenen Mangan kann, wie auch das Aufwachsen der Manganschicht, gegebenenfalls wiederholt werden, mit anschließendem Tempern. Die so auf einem Substrat abgeschiedene ferromagnetische Schicht dient dabei als Buffer zum Auftragen einer ferromagnetischen Endschicht, die durch gleichzeitiges epitaktisches Auftragen von Wismut und Mangan erreicht wird und für das die Bufferschicht eine gute Grundlage für das epitaktische Wachstum liefert. In diesem Fall dient entsprechend die Bufferschicht als Grundmate­ rial für das epitaktische Wachstum der ferromagnetischen End­ schicht.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeich­ nungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau eines ferromagnetischen Schichtmaterials gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 a, b, c den Aufbau und die Herstellung eines ferromagnetischen Schichtmaterials gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 a, b, c den Aufbau eines ferromagnetischen Schichtmaterials gemäß einer dritten und vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 den Aufbau eines ferromagnetischen Schichtmaterials gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 1 wird auf einem einkristallinen oder polykristalli­ nen Substrat 1, das beispielsweise Bariumflorid (BaF2), Saphir, Indiumarsenid (InAs), Galliumarsenid (GaAs) oder ein anderes passendes Substrat mit entsprechender Kristallstruktur, bei­ spielsweise auch Wismut, ist, ein ferromagnetischer Film 3 auf­ getragen. Dieser Film wird direkt epitaktisch aufgewachsen, wo­ bei gleichzeitig Wismut und Mangan zugeführt werden. Das Zufüh­ ren kann beispielsweise durch Aufdampfen, Aufsputtern oder eine Molekularstrahlepitaxie erreicht werden. Die Wachstumsgeschwin­ digkeiten liegen im Bereich von 0,005 Å/s bis 10 Å/s, bspw. 0,01 Å/s bis 1 Å/s, vorzugsweise 0,05-0,15 Å/s. Es bildet sich ein Film mit 30% bis 70% Wismut und 30% bis 70% Mangan heraus, der überraschenderweise ein sehr hohes magnetisches Moment, eine große Remanenz und eine große, einstellbare Koerzitivfeldstärke aufweist, das höher ist als bisher durch alternierendes Auftra­ gen von Wismut und Mangan und anschließendes Tempern erreichte ferromagnetische Filme. Ein vorteilhaftes stöchiometrisches Ver­ hältnis liegt bei 55% Mangan und 45% Wismut, wobei anzunehmen ist, daß das hohe magnetische Moment bei einer Kristallstruktur mit einem Verhältnis von Mangan zu Wismut von 3 : 2 bzw. 60% : 40% erreicht wird, wobei hierbei bei einem freien Platz in der Grundzelle der Kristallstruktur von MnBi, das eine Nickelarsenid (NiAs)-Kristallstruktur aufweist, ein freier Gitterplatz durch ein zusätzliches Manganatom belegt wird und hierdurch auf über­ raschende Weise eine Erhöhung des magnetischen Moments festge­ stellt wird.
Bei der Ausführungsform von Fig. 1 kann das epitaktische Wachs­ tum von einer Temperatur von kleiner/gleich 431°C durchgeführt werden.
Gemäß Fig. 2a wird auf einem Substrat 1, das beispielsweise Bariumflorid (BaF2), oder auch Saphir, Indiumarsenid (InAs), Gal­ liumarsenid (GaAs) oder ein anderes Substrat mit passender Git­ terstruktur ist, ein ferromagnetischer Film aufgetragen. Das Substrat 1 kann dabei insbesondere einkristallin sein, es können auch mehrere einkristalline Bereiche nebeneinander angeordnet sein, so daß das Substrat als ganzes polykristallin ist. Auf dem Substrat 1 wird nunmehr eine Wismut-reiche Schicht 2a von 80% bis 100% Wismut (Bi) epitaktisch aufgetragen. Dieses epitakti­ sche Aufwachsen kann beispielsweise durch Aufdampfen, Aufsput­ tern oder eine Molekularstrahlepitaxie (MBE) durchgeführt werden mit Wachstumsgeschwindigkeiten 0,005 Å/s bis 10 Å/s, z. B. von 0,01 Å/s bis 1 Å/s, wobei vorteilhafterweise eine Wachstumsrate von 0,05 bis 0,5, beispielsweise 0,35 Å/s gewählt wird. Auf dem Wismut-Film wird anschließend ein Mangan-Film 2b aufgebracht, wobei hier kein epitaktisches Wachstum erforderlich ist. Das so erreichte Schichtmaterial wird anschließend bei beispielsweise 20°C bis 225°C für einige Minuten, Stunden, Tage oder Wochen getempert, bis das Mangan in den Wismut-Film einlegiert und sich gemäß Fig. 2b ein Wismut-Mangan-haltiger Film herausgebildet hat, der zumindest in einem oberen Filmbereich 30% bis 70% Wis­ mut und 30% bis 70% Mangan enthält. Dieser Wismut-Mangan-haltige Film kann gemäß Fig. 2b ein weitgehend gleichmäßiger ferroma­ gnetischer Film 2 sein; es ist weiterhin nach Fig. 2c möglich, daß der ferromagnetische Film 2 in einem unteren Schichtbereich 20 im wesentlichen Wismut enthält, und lediglich in einem oberen Schichtbereich 21 die bereits genannten 30% bis 70% Wismut und 30% bis 70% Mangan aufweist.
Die Ausführungsform der Fig. 2 kann dahingehend erweitert wer­ den, daß wie in Fig. 3a gezeigt, nach dem Tempern weiterer Wis­ mut-reicher Filme 2c epitaktisch auf den einlegierten Bufferfilm 2 aufgetragen wird, anschließend ein Mangan-reicher Film 2d auf­ getragen wird und beim anschließenden Tempervorgang wiederum eine Einlegierung des Mangans in das Wismut erreicht wird. Die­ ser Vorgang kann gegebenenfalls ein- bzw. mehrfach wiederholt werden.
Die Ausführungsform der Fig. 2 kann zusätzlich dahingehend er­ weitert werden, daß wie in Fig. 3b gezeigt, nach dem Tempern ein oder mehrere Mangan-reiche(r) Film(e) 2e auf den Bufferfilm 2 aufgetragen wird (werden) und beim anschließenden Tempervor­ gang wiederum eine Einlegierung des Mangans in das Wismut er­ reicht wird. Auch dieser Vorgang kann ein- oder mehrfach wieder­ holt werden.
Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform, bei der auf einem Substrat 1 entsprechend der Ausführungsform der Fig. 2 oder 3 zunächst ein Bufferfilm 2 ausgebildet wird, indem zu­ nächst ein Wismut-reicher Film 2a von 80% bis 100% Wismut epi­ taktisch auf dem Substrat 1 aufgetragen werden, anschließend ein Manganfilm 2b aufgedampft wird und das so erhaltene Schichtmate­ rial getempert wird bei Temperaturen von beispielsweise 20°C bis 225°C. Dieser Vorgang kann gemäß Fig. 3a-c zur Ausbildung dickerer Buffer-Filme wiederholt werden. Der so erreichte ferro­ magnetische Film dient als Bufferfilm 2 und bildet nach experi­ mentellen Ergebnissen eine sehr gute Grundlage für ein weiteres epitaktisches Wachstum gemäß der Ausführungsform von Fig. 1. Somit wird gemäß Fig. 4 auf dem Bufferfilm 2 nach dem Tempern ein ferromagnetischer Endfilm 3 epitaktisch aufgebracht bzw. aufgewachsen, indem gleichzeitig Wismut und Mangan zugeführt werden und der so erreichte ferromagnetische Endfilm 3 einen Mangangehalt von 30% bis 70% und ein Wismutgehalt von 30% bis 70% aufweist, wobei dem ferromagnetischen Endfilm während des epitaktischen Aufwachsens oder nach dem epitaktischen Aufwachsen weitere Elemente, wie zum Beispiel Aluminium (Al), Chrom (Cr), Platin (Pt), Kupfer (Cu), Antimon (Sb), Titan (Ti) usw. zuge­ führt werden können, wobei das Einfügen nach dem Wachstumsprozeß z. B. durch eine Ionenimplantation erreicht werden kann. Hier­ durch werden auch Anwendungen des ferromagnetischen Endfilms für z. B. Permanentmagnete in Dünnfilmausführung oder für magnetische und magneto-optische Medien ermöglicht.
Die Dicke der Bufferschicht 2 bei den einzelnen Ausführungsfor­ men beträgt beispielsweise kleiner/gleich 600 nm und die Dicke der ferromagnetischen Endschicht beispielsweise kleiner/gleich 100 nm. Beim Wachstum der Bufferschicht 2 kann beispielsweise eine Temperatur von 70 bis 140°C, beispielsweise 100°C verwen­ det werden.
Vorteilhafterweise kann durch die Einhaltung der angegebenen Parameter beim Temperprozeß an der Oberfläche der Bufferschicht eine einkristalline Wismutschicht ausgebildet werden, unterhalb der die ferromagnetische MnBi-Legierung ausgebildet ist. Diese einkristalline Wismutschicht kann bei der nachfolgenden epitak­ tischen Aufbringung der ferromagnetischen Endschicht 4 als eine reaktive Oberflächenschicht, eine sogenannte Surfactant dienen. Beim epitaktischen Aufbringen der ferromagnetischen Endschicht wird diese Surfactantschicht in den wachsenden Kristall mitein­ gearbeitet. Somit kann eine Surfactantschicht verwendet werden, ohne daß weitere Materialien verwendet werden müssen, die beim nachträglichen Auftragen der epitaktischen Schicht als Verunrei­ nigung zurückbleiben.
In allen Ausführungsformen kann ein abschließender Schutzfilm 4 aus z. B. Siliziumdioxid (SiO2) oder Calciumflourid (CaF2) oder einem anderen Material auf bekannte Weise aufgetragen werden.
Das ferromagnetische Schichtmaterial kann beispielsweise als magnetisches oder magneto-optische Speichermedium, als Mikrowel­ lenleiter oder Permanentmagnet in einem Mikro- bzw. Nanomotor verwendet werden.

Claims (15)

1. Ferromagnetisches Schichtmaterial, bei dem auf einem Grund­ material (1) ein ferromagnetischer Film (2, 3), der Wismut (Bi) und Mangan (Mn) enthält, aufgetragen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Film (2, 3) epitaktisch auf das Grund­ material (1) aufgewachsen ist.
2. Ferromagnetisches Schichtmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial einen einkristallinen oder polykristallinen oberen Schichtbereich aufweist, auf den der ferromagnetische Film (2, 3) epitaktisch aufgewach­ sen ist.
3. Ferromagnetisches Schichtmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ferromagnetischen Film (2, 3) der Gehalt an Wismut (Bi) im Bereich von 30% bis 70% und der Gehalt an Mangan (Mn) im Bereich von 70% bis 30% liegt.
4. Ferromagnetisches Schichtmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Film (3) durch gleichzeitiges epitaktisches Aufwachsen von Wismut (Bi) und Mangan (Mn) ausbildbar ist.
5. Ferromagnetisches Schichtmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Film (2) ein epitaktisch auf dem Grundmaterial (1) aufge­ wachsener, Wismut-haltiger Film mit einlegiertem Mangan ist.
6. Ferromagnetisches Schichtmaterial nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) ein fer­ romagnetischer Bufferfilm (2) mit einlegiertem Mangan epi­ taktisch aufgewachsen ist und auf dem Bufferfilm (2) ein ferromagnetischer Endfilm (3) epitaktisch aufgewachsen ist.
7. Ferromagnetisches Schichtmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ferromagnetischen Film (2, 3) eine Schutzschicht (4), die vorzugsweise Siliziumdioxid (SiO2) enthält, aufgebracht ist.
8. Verfahren zum Herstellen eines ferromagnetischen Schicht­ materials, insbesondere eines ferromagnetischen Schichtma­ terials nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem auf einem Grundmaterial (1) ein ferromagnetischer Film (2, 3), der Wismut (Bi)-haltig und Mangan (Mn)-haltig ist, aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Film (2, 3) auf das Grundmaterial (1) epitaktisch aufgewachsen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das epitaktische Aufwachsen des ferromagnetischen Films (2, 3) durch Aufdampfen und/oder Aufsputtern und/oder Molekularstrahlepitaxie-Auftragung durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wachstumsrate des ferromagnetischen Films 0,005 bis 10 Å/s, vorzugsweise 0,05 bis 0,15 Å/s beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß beim epitaktischen Aufwachsen des ferro­ magnetischen Films (3) Wismut (Bi) und Mangan (Mn) gleich­ zeitig zugeführt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die ferromagnetische Schicht (3) auf einem Substrat (1) bei einer Temperatur von kleiner/gleich 430°C aufgewachsen wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ferromagnetische Film (2) hergestellt wird, indem
ein Wismut(Bi)-reicher Film (2a) epitaktisch auf einem Substrat (1) aufgewachsen wird,
darauf ein Mangan(Mn)-reicher Film (2b) aufgetragen wird, und
das Mangan in den Wismut-reichen Film (2a) einlegiert wird, indem das Schichmaterial getempert wird, vor­ zugsweise bei einer Temperatur von 150°C bis 300°C.
14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 und Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) ein Wismut-rei­ cher Film (2a) epitaktisch abgeschieden wird, darauf ein Mangan-haltiger Film (2b) abgeschieden wird, das Mangan in den Wismut-reichen Film einlegiert wird, indem das Schicht­ material derartig getempert wird, daß sich ein Bufferfilm (2) ausbildet, und nachfolgend Wismut und Mangan gleichzei­ tig epitaktisch auf dem ferromagnetischen Bufferfilm (2) als ferromagnetischer Endfilm (3) abgeschieden werden.
15. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12 und Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (1) ein Wismut-rei­ cher Film (2a) epitaktisch abgeschieden wird, darauf ein Mangan-haltiger Film (2b) abgeschieden wird, das Mangan in den Wismut-reichen Film einlegiert wird, indem das Schicht­ material derartig getempert wird, daß sich ein Bufferfilm (2) ausbildet, anschließend erneut ein Wismut-reicher Film (2c) epitaktisch abgeschieden wird, auf dem ein Mangan-rei­ cher Film (2d) abgeschieden wird, das Mangan in den Wismut- reichen Film durch Tempern einlegiert wird, wobei dieser Vorgang des alternierenden Aufbringens von Wismut und Man­ gan gegebenenfalls ein- oder mehrmals wiederholt wird, und nachfolgend Wismut und Mangan gleichzeitig epitaktisch auf dem ferromagnetischen Bufferfilm (2) als ferromagnetischer Endfilm (3) abgeschieden werden.
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