DE2063211B2 - Schichtkörper mit je einem einkristallinen, magnetischen Film auf wenigstens einer Seite eines elektrisch isolierenden, einkristallinen Substrats - Google Patents

Schichtkörper mit je einem einkristallinen, magnetischen Film auf wenigstens einer Seite eines elektrisch isolierenden, einkristallinen Substrats

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Description

Das gegenwärtige Interesse an Orthoferriteinkristallen hat seinen Grund darin, daß man in dünnen Schichten mit der richtigen kristallografischen Orientierung bewegliche Einwandbereiche oder magnetische Blasenbereiche herstellen kann, wie es in dem Aufsatz »Properties and Device Applications of Magnetic Domains in Orthoferrite« von A. H. B ο b e c k, veröffentlicht in Bell System Technical Journal, Bd. 46, S. 1901 (1967), beschrieben ist. Diese Bereiche können durch magnetische Felder beeinflußt werden, so daß sie logische und Speicherfunktionen erfüllen, wie es in der US-Patentschrift 34 60 U 6 beschrieben ist.
Große Orthof er ritkristalle sind bereits aus Lösungen gezogen worden, und zwar entweder durch eine Schmelzflußtechnik, wie es in der US-Patentschrift 30 79 240 beschrieben ist, oder durch eine hydrothermische Technik, wie es in dem Aufsatz »The Hydrotherman Growth of Rare Earth Orthoferrite« von E. D. KoIb, D. L. Wood und R. A. Laudise, veröffentlicht im Journal of Applied Physics, Bd. 39, S. 1362 (1968), beschrieben ist. Beide Züchtungsmethoden ergeben jedoch leicht Kristalle mit Lösungsmitteleinschlüssen oder Poren, wie dies durch die Autoren dieser Veröffentlichungen festgestellt wird.
Schichten oder Filme aus polykristallinen magnetisierbaren Metallen, welche dem Einfluß von Magneten ausgesetzt werden können, um magnetische Bereiche zu erzeugen, sind in der US-Patentschrift 29 19 432 beschrieben. In dieser Patentschrift ist speziell ein Dünnschichtbereich-Wandschieberegister beschrieben, bei dem ein umgekehrt magnetisierter Bereich, der durch vordere und rückwärtige Bereichswandungen umgeben ist, an einer Anfangsstelle in der Schicht erzeugt und entlang einer ersten Achse in der Schicht durch ein entlanglaufendes mehrphasiges Verschiebefeld vorwärts getrieben wird. Eine solche Bereichswandvorrichtung ist gewöhnlich durch eine anisotrope magnetische Schicht gekennzeichnet, bei welcher die Fortbewegung eines umgekehrten Bereichs entweder entlang der leichten oder der schweren Achse erfolgt
br> und die Bereichswandungen, die den umgekehrten Bereich begrenzen, sich bis zum Rand der Schicht in einer Richtung orthogonal zu der Fortbewegungsachse erstrecken. Sofern die Wandungen des Bereichs durch die Ränder der Schicht gebildet werden, wird die Fortbewegung dieser Bereiche auf eine der Achsen entlang der Querrichtung der Schicht beschränkt.
In der US-Patentschrift 34 60 116 ist gezeigt, daß ein umgekehrt magnetisierter Bereich durch einen Einwandbereich umgeben werden kann. Ein solcher Bereich unterscheidet sich von dem umgekehrten Bereich, der gemäß der US-Patentschrift 29 19 432 fortbewegt wird, dadurch, daß der Einwandbereich, welcher den ersteren umgibt, eine Querschnittsform aufweist, die von der Breite der Schicht abhängig ist, mit anderen Worten heißt das, daß sie nicht durch den Rand der Schicht begrenzt ist. Diese Bereiche werden als Einwandbereiche bezeichnet.
Der Hauptnachteil der Schichten der US-Patentschriften 29 19 432 und 34 60 116 besteht darin, daß bei der ersteren ein anisotroper Film oder eine anisotrope Schicht aus einem Material verwendet wird, welches streifige oder fingerartige Bereiche im wesentlichen über die gesamte Breite oder Länge der Schicht ergibt, während im letzteren Fall keine Substratscheibe verwendet wird, um einen Halt für die Materialschicht zu schaffen, wodurch die Herstellung von sehr dünnenSchichten, wie z. B. mit einer Dicke unter 250 000 A, verhindert wird, welche bei Anwendungen mit einer hohen Bereichsdichte Vorteile besitzt.
Das Hauptpatent betrifft einen Schichtkörper mit je einem einkristallinen, magnetischen Film auf wenigstens einer Seite eines elektrisch isolierenden, einkristallinen Substrats, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der Film aus einem Orthoferriteinkristall der Formel JQO3 besteht, worin J mindestens eines der Elemente Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Lanthan und Yttrium und worin Q mindestens eines der Elemente Aluminium, Gallium, Indium, Scandium, Titan, Vanadin, Chrom, Mangan und Eisen bedeutet und wobei das Substrat aus einem Oxid der Formel J*Q/}z besteht, worin J mindestens eines der Elemente Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Lanthan, Yttrium, Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Blei, Cadmium, Lithium, Natrium und Kalium und worin Q mindestens eines der Elemente Indium, Gallium, Scandium, Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Rhodium, Zirkon, Hafnium, Molybdän, Wolfram, Niob, Tantal und Aluminium bedeutet.
Die Erfindung betrifft eine weitere Ausbildung des Gegenstandes des Hauptpatentes. Gegenstand der Erfindung ist ein Schichtkörper mit je einem einkristallinen, magnetischen Film auf wenigstens einer Seite eines elektrisch isolierenden, einkristallinen Substrats, bei dem der Film aus einem JQ-Oxid besteht, wobei J gleich mindestens eines der Elemente Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Lanthan und Yttrium ist, und wobei Q Eisen und Aluminium, Eisen und Gallium, Eisen und Indium, Eisen und Scandium, Eisen und Titan, Eisen und Vanadium, Eisen und Chrom oder Eisen und Mangan ist, nach Patent 20 62 058, der dadurch gekennzeichnet ist, daß der JQ-Oxid vom Granat-Typ ist und das Substrat aus Gd3GasOi2 besteht.
Der Film gemäß DE-PS 20 62 058 besteht aus Orthoferrit-Einkristallen der Formel JQO3, während der hier beanspruchte Film ein JQ-Oxid vom Granat-Typ ist und das Substrat aus Gd3Ga5Oi2 besteht.
Aus 1EE-Transaction on Magnetics, Vol. MAG-5, Nr. 4, Dezember 1969, S. 717—727, sind Film/Substratkombinationen bekannt, die Filme mit der allgemeinen Zusammensetzung J3Q5O12 einschließen, doch ist der Q-Bestandteil bei diesen Filmen nur Eisen allein. Dagegen ist erfindungsgemäß der Q-Bestandteil eine Kombination von zwei Elementen aus Eisen und einem weiteren Element. Dieser Unterschied ist deswegen signifikant, weil ein Granatfilm, bei dem Q nur Eisen ist, eine zu hohe Magnetisierung besitzt, als daß normale magnetische Blasenbereiche getragen werden können. Wenn man aber einen Teil des Eisens durch andere Elemente ersetzt, indem man als Q eine Kombination aus Eisen und mindestens einem weiteren Element nimmt, dann kann die Magnetisierung des Granats bis zu einem Wert vermindert werden, bei dem der Granatfilm normale magnetische Blasendomänen tragen kann. Der Unterschied zwischen Filmen, bei denen Q Eisen allein ist und bei denen Q Eisen und ein weiteres Element ist, ist somit für die bestimmungsgemäße Verwendung signifikant.
Die F i g. 1 zeigt einen T-förmigen Reaktor 10 für die Verwendung zur Abscheidung eines Films.
Fig.2 erläutert eine Hilfskammer, die mit dem Eintritt des Vormischrohres 36 verbunden werden kann.
Der Reaktor ist für verhältnismäßig hohe Temperaturen gebaut, um beispielsweise die niedrige Flüchtigkeit von Materialien, die Quellen für Metallhalogeuide darstellen, zu berücksichtigen. Der T-förmige Reaktor besitzt eine horizontale Kammer 20 und eine vertikale Kammer 30. Um die horizontale Kammer herum ist ein Heizer 21 für die Reaktionszone vorgesehen. Um die vertikale Kammer sind einzelne Heizer 31, 32 und 33 angeordnet, um die Temperaturen der Ausgangsmaterialien zu regeln. In der vertikalen Kammer sind Schmelztiegel 34 und 35 für die Aufnahme der Ausgangsmaterialien eingeschlossen. Diese Schmelztiegel sind in ein Vormischrohr 36 eingeführt, sind in der richtigen Lage angebracht, werden dort gehalten und sind in das Vormischrohr 36 eingeschlossen. Ein Rohr 37 besitzt eine Eintrittsöffnung für die Einführung von HCl-Gas, welches den Transport des Ausgangsmaterials im Tiegel 34 unterstützt, so daß das Ausgangsmaterial in Gasform zur Reaktionskammer 20 transportiert wird. Das Rohr 37 wird auch dazu verwendet, den Tiegel 34 im Vormischrohr 36 zu heben oder zu senken. Die Lage des Tiegels 35 im Vormischrohr kann durch einen Haltestab 38 verändert werden. Ein Eintrittsrohr 39 ist im Vormischrohr 36 für die Einführung von Heliumgas vorgesehen. Das gesamte Vormischrohr 36, welches die Tiegel 34 und 35 und die Enden der Teile 37, 38 und 39 enthält, die sich aus dem Vormischrohr heraus erstrecken, kann vertikal nach Wunsch innerhalb der Kammer 30 bewegt werden. Das Vormischrohr 36 ist mit einer Austrittsöffnung 40 am oberen Ende versehen, wodurch die verdampften Ausgangsmaterialien in Mischung mit den verschiedenen Trägergasen, die in das Vormischrohr 36 eingeführt werden, hindurchtreten
ίο können.
Die Strömungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials aus dem Tiegel 35 kann dadurch verändert werden, daß die Temperatur des Heizers 33 verändert wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des Ausgangsmaterials des Tiegels 34 kann dadurch verändert werden, daß die Temperatur des Heizers 31 verändert wird, und auch dadurch, daß die Strömungsgeschwindigkeit des in den Tiegel durch das Rohr 37 eingeführten Gases verändert wird. Die horizontale Reaktionskammer besitzt einen
21) Eintritt 22, durch den Helium und Sauerstoff eingeführt werden können, und sie besitzt einen Austritt 23 für den Austritt der Gase aus der Kammer. Die aus der öffnung 40 austretenden Gase transportieren die vorgemischten Metallhalogeniddämpfe in die Reaktionszone des
2"> Reaktors.
Das Kristallsubslrat oder Impfsubstrat 26 befindet sich auf einem Halter 25 aus zusammengeschmolzenem Siliciumdioxid, welcher Halter sich in der horizontalen Kammer 20 befindet. Die Lage des Halters 25 kann während des Verfahrens gegebenenfalls verändert werden.
Ganz allgemein wird während des Verfahrens die Temperatur der Kristallsubstratscheibe mit Hilfe des Heizers 21 für die Reaktionszone erhöht. Die Heizer 31,
υ 32 und 33 für die Ausgangsmaterialien werden auf Temperaturen gebracht, so daß etwa 0,1 at Dampfdruck für jedes Metallhalogenid entsteht. Nachdem ein jeder Heizer die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird das Vormischrohr 36, welches die Tiegel 34 und 35 für
•κι die Ausgangsmaterialien enthält, in die vertikale Kammer 30 eingebracht. Gase werden in die vertikale Kammer durch das Rohr 37 und das Rohr 39 eingeführt, so daß die Metallhalogeniddämpfe durch die Öffnung 40 des Vormischrohres in die horizontale Reaktionskam-
4") mer 20 geführt werden. Hierauf wird Sauerstoff aus dem Eintritt 22 der Kammer 20 mit den Metallhalogeniddämpfen oberhalb der Substratkristalloberfläche in Reaktion gebracht, um darauf die gewünschte Verbindung herzustellen.
Eine Granatfilmzusammensetzung mit drei Metallen ist in der folgenden Tabelle angegeben. Eine typische Reaktion, welche einen solchen Film ergibt, kann durch die folgende Formel dargestellt werden:
6YCl., + 5GuCl., + 5FeCl2 + 12O2 ► 2Y.,Ga2-5Fe2.,O12 + \ CU
Der erzeugte Granatfilm ergibt bei der obigen Prüfung eine gelbgrüne Abscheidung auf dem Material der Testprobe.
Wenn ein dritter Metallbestandteil in den wachsenden Film eingearbeitet werden soll, dann muß ein wasserfreier Halogeniddampf dieses Metallbestandteils den Dämpfen in der Vormischkammer 36 zugeführt werden. Die Lage des Behälters für dieses Metallhalogenid hängt von der Temperatur ab, die erforderlich ist, um einen ausreichenden Dampfdruck zu erzeugen.
Wenn es eine höhere Temperatur als jedes der beiden «> anderen Metallhalogenide erfordert, dann kann ein zusätzlicher Schmelztiegel überhalb der Stelle 34 (nicht gezeigt) angeordnet werden, und die Temperaturen der Heizer 31 und 32 können dann entsprechend eingestellt werden. Wenn es bei einer Temperatur verdampft, die 6r> sehr nahe bei der Verdampfungstemperatur eines der anderen Bestandteile liegt, dann kann es in einen benachbarten Schmelztiegel (nicht gezeigt) angeordnet werden, oder es kann im richtigen Zusammensetzungs-
verhältnis einem der Bestandteile in einem der Tiegel 34 Tabelle oder 35 zugegeben werden. Wenn das Metallhalogenid bei einer Temperatur zwischen der Verdampfungstemperatur der beiden anderen Bestandteile verdampft, dann kann ein zusätzlicher Tiegel (nicht gezeigt) "> zwischen den Tiegeln 34 und 35 angeordnet werden. Wenn das Metallhalogenid bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur des unteren Tiegels verdampft, dann kann ein zusätzlicher Tiegel (nicht gezeigt) im Rohr 36 aber unterhalb des Tiegels 35 angeordnet werden. Wenn das Material bei einer so niedrigen Temperatur verdampft, daß jede Stelle innerhalb des vertikalen Teils der T-förmigen Reaktionskammer zu hoch ist, dann kann das Material außerhalb der Reaktionskammer 30 auf eine mäßige Temperatur i> erhitzt werden. Um eine solche Erhitzung eines Metallhalogenidmaterials außerhalb der Reaktionskammer 30 zu bewerkstelligen, wird der Eintritt 50 von F i g. 1 mit dem Austrittsrohr 54 der Kammer 51 von F i g. 2 verbunden. In der Kammer 51 wird ein Material 55 verwendet. Wenn das Material 55 in der Kammer 51 aus GaCb besteht, dann besitzt dieses Material bei jeder im Vormischrohr 36 vorkommenden Temperatur einen zu hohen Dampfdruck. Deshalb wird die äußere Kammer 51 kurz unterhalb der Reaktionskammer 30 2"> angeordnet. Die Kammer 51 wird durch einen Ofen 52 unabhängig erhitzt. Trockenes Chlorwasserstoffgas wird durch den Eintritt 53 eingeführt und trägt die Galliumchloriddämpfe durch das Austrittsrohr 54 und in den Eintritt 50 des vertikalen Teils der T-förmigen jo Reaktionskammer. Hierauf mischen sich die Galliumchloriddämpfe mit den Dämpfen der anderen Metallhalogenide und mit dem Trägergas, welche im Vormischrohr 36 anwesend sind. Die gemischten Halogenide treten dann durch die öffnung 40 aus und reagieren im i> horizontalen Teil der Reaktionskammer mit Sauerstoff.
Materialien und Bedingungen Zusammensetzung
Filmmaterial YjGa215Fe2-5O13
Substratmaterial Gd3Ga5O12
Substrattemperaturen in "C 1175
Vertikale Heliumströmungsge 9,5
schwindigkeit in l/min
Horizontale Heliumströmungsge 3,8
schwindigkeit in l/min
Chlorwasserstoffströmungsge 282
schwindigkeit in m!/min
Vertikale Chlorwasserstoffströ 123
mungsgeschwindigkeit in ml/min
Sauerstoffströmungsgeschwindig 32
keit in ml/min
Transportgeschwindigkeit des 1,45
GdCl., oder YCl3 in g/h
Transportgeschwindigkeit des FeCl2 18,0
in g/h
Strömungsgeschwindigkeit des 1,95
GaCl3 in g/h
Filmdicke in μηι 3,0
Versuchsdauer in min 20
Ausscheidungsgeschwindigkeit in 9,0
μηι/h
Kristallografische Orientierung (100)
des Films
Kristallografische Orientierung des (100)
Substrats
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Schichtkörper mit je einem einkristallinen, magnetischen Film auf wenigstens einer Seite eines > elektrisch isolierenden, einkristallinen Substrats, bei dem der Film aus einem JQ-Oxid besteht, wobei J gleich mindestens eines der Elemente Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Samarium, Europium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbi- κι um, Thulium, Ytterbium, Lutetium, Lanthan und Yttrium ist, und wobei Q Eisen und Aluminium, Eisen und Gallium, Eisen und Indium, Eisen und Scandium, Eisen und Titan, Eisen und Vanadium, Eisen und Chrom oder Eisen und Mangan ist, nach Patent 2062058.8 dadurch gekennzeichnet, daß das JQ-Oxid vom Granat-Typ ist und das Substrat aus Gd3Ga5Oi2 besteht.
?. Schichtkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film aus Y3Ga2.5Fe2.5012 besteht
DE2063211A 1970-03-04 1970-12-22 Schichtkörper mit je einem einkristallinen, magnetischen Film auf wenigstens einer Seite eines elektrisch isolierenden, einkristallinen Substrats Expired DE2063211C3 (de)

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