DE2332036A1

DE2332036A1 - Verfahren zur herstellung eines einkristallinen substratkoerpers

Info

Publication number: DE2332036A1
Application number: DE2332036A
Authority: DE
Inventors: Martinus Johannes Geertru Hout; John Mackay Robertson
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-07-14
Filing date: 1973-06-23
Publication date: 1974-01-31
Also published as: FR2192869A1; CA1018439A; DE2332036B2; DE2332036C3; JPS4964576A; FR2192869B1; GB1432686A; SE7608675L; IT989842B; NL7209744A

Description

Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Substrat-

i körpers.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines einkristallinen Substratkörpers.

Ein einkristalliner Substratkörper wird bei der Herstellung dünner einkristalliner Schichten durch einen epitattischen Wachsvorgang verwendet. Dünne !einkristalline Schichten finden verschiedene Anwendungen. So finden einkristalline magnetische Schichten mit einer magnetischen Vorzugsrichtung senkrecht zu der Ebene der Schicht bei der Erzeugung und Verschiebung magnetischer Domänen Anwendung. Eine derartige Schicht ist dann auf einem einkristallinen nichtmagnetischen Substratkörper befindlich. Dabei ist es wichtig, dass die Schicht keine Inhomogenitäten

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in der Zusammensetzung und keine Gitterfehler aufweist und planparallel ist. U#a. wird dies durch die Güte der Oberfläche des einkristallinen Substratkörpers bestimmt, die möglichst glatt und frei von ungleichmässigen Gitterspannungen sein soll. Ausserdem ist es von Bedeutung, dass verschiedene Schichten nahezu gleiche magnetische Eigenschaften aufweisen, zu welchem Zweck die Oberflächen verschiedener einkreistalliner Substratkörper nahezu der gleichen Güte sein sollen.

Es ist bekannt, dass durch mechanisches Polieren eines einkristallinen Substratkörpers nicht eine genügend glatte Oberfläche erhalten wird, während ausserdem Spannungen in die Oberfläche eingeführt werden; hinzu kommt noch, dass diese Behandlung sehr viel Zeit beansprucht. Ausserdem erstreckt sich die Oberfläche eines auf diese Weise polierten Substratkörpers nicht genau längs dessen Kristallflächen, so dass eine durch einen epitaktischen Wachsvorgang darauf gebildete dünne einkristalline Schicht nicht genügend'planparallel ist. Ferner ist es bekannt, dass einkristalline Substratkörper chemisch mit Hilfe einer Säure, in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Substratkörpers, abgeätzt werden können. Dies führt jedoch zu rauhen Oberflächen, in denen etwa im Substratkörper vorhandene Fehler zusätzlich angeätzt werden. Eine Kombination eines mechanischen'; Poliervorgangs und eines chemischen Abätzvorgangs, z.B. mit einer Suspension feiner SiO₂- und/ oder AIpO„-Teilchen in einer wässrigen NaOH-Lösung, führt zwar zu einer glatten Oberfläche, die sich nahezu längs der

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Kristallflächen erstreckt, aber auch diese Behandlung beansprucht viel Zeit, während ausserdem die Oberfläche nach dieser Behandlung noch mit grösster Sorgfalt gereinigt werden muss, um die schwer entfernbaren Verunreinigungen loszuwerden.

Bei den genannten Verfahren ergibt sich ausserdem nach wie vor das Problem, dass mehrere auf diese Weise hergestellte einkristalline Substratkörper keine Oberflächen genügend gleicher Güte aufweisen, so dass, wenn magnetische einkristalline Schichten darauf angebracht werden, eine Anzahl Schichten erhalten wird, deren magnetische Eigenschaften zuviel voneinander verschieden sind. Eine Anzahl einkristalliner Substratkörper wird z.B. dadurch erhalten, dass ein durch Aufziehen hergestellter einkristalliner Stab in Scheiben geschnitten wird. Die Gitterkonstante des Stabes ist Über das ganze Volumen nicht stets dieselbe, weil die Zusammensetzung des aus mehr als einen Element aufgebauten Stabes nicht überall genau gleich ist., Dies äussert sich

u.a. in Wachsbändern und Wachsflächen in dem Stab. Infolgedessen sind die Oberflächen der Scheiben auch nach den genannten Oberflächenbearbeitungen einander nicht gleich.

Nach der Erfindung wird eine Oberflächenschicht des Substratkörpers in einer Schmelze gelöst, die heben einem Flussmittel die Bestandteile des Substratkörpers enthält, wonach auf der dann erhaltenen Oberfläche aus einer Schmelze, die neben einem Flussmittel die Bestandteile des Substratkörpers enthält, eine einkristalline Oberflächen-

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schicht angebracht wird. Durch Anwendung der Löslichkeitskurve der Zusammensetzung des Substratkörpers in bezug auf die Schmelzen können der Lösungsvorgang und .der AnwachsVorgang bei ihrer Durchführung geregelt werden. In einer viel kürzeren Zeit als bei der obenbeschriebenen mechanisch-chemischen Bearbeitung wird eine Oberfläche erhalten, die sich nahezu genau längs der Kristallflächen erstreckt, unabhängig von der Gestalt und der Lage der Oberfläche des Substratkörpers in bezug auf die Kristallflächen. Ferner sind keine Verunreinigungen auf der Oberflächenschicht vorhanden. Ausserdem sind in dem ursprünglichen Substratkörper vorhandene Wachsbänder und Wachsflächen in der Oberflächenschicht bereits wesentlich herabgesetzt. Dies hat zur Folge, dass eine darauf angebrachte magnetische Schicht ein gleichmässiges magnetisches Spannungsmuster aufweist. Das erfindungsgemässe Verfahren hat ferner den Vorteil, dass bei einer Anzahl von Substratkörpern, die in derselben Schmelze mit einer Oberflächenschicht versehen sind, der Unterschied in der Gitterkonstante dieser Oberflächenschichten viel geringer als der Unterschied in der Gitterkonstante der Oberflächen der nichtbehandelten Substratkörper ist. Die später auf den mit einer Oberflächenschicht versehenen Substratkörpern gebildeten einkristallinen Schichten weisen dann nahezu die gleichen Eigenschaften auf. So dürfen z.B. bei magnetischen Schichten, in denen magnetische Domänen erzeugt und verschoben werden, die Gitterkonstanten verschiedener mag-

netischer Schichten im Falle von Granaten höchstens um O, OO 5 A voneinander verschieden sein, wenn mehrere Schichten nahezu

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die gleichen magnetischen Eigenschaften aufweisen sollen. Wegen der die Anisotropie bestimmenden Magnetostriction muss auch die Gitterspannung über die Oberfläche mehrerer magnetischen Schichten konstant sein, was erfordert, dass keine Wachsbänder und.Wachsflächen vorhanden sind. Die eirikristallinen magnetischen Schichten werden auf einem einkristallinen nichtmagnetisehen Substratkörper angebracht. Obgleich Untersuchungen ergeben haben, dass im Falle von Granaten die Gitter-

konstante der magnetischen Schicht höchstens 0,018 A niedriger

und 0,030 A höher als die Gitterkonstante der Oberfläche sein darf, auf der die magnetische Schicht angebracht ist, sofern es die Haftung anbelangt, wird die Anisotropie der magnetischen Schicht durch den in Wirklichkeit bestehenden Unterschied bestimmt. Dies bedeutet, dass die Gitterkonstante der Oberflächen, auf denen die magnetischen Schichten angebracht werden, innerhalb viel engerer Grenzen liegen muss, um magnetische Schichten mit nahezu gleichen magnetischen Eigenschaften zu er-, halten. Die Gitterkonstante der Oberflächen einer Anzahl aus einem Stab geschnittener Scheiben liegt jedoch nicht innerhalb derartiger enger Grenzen, während, wenn jede Scheibe gemäss der Erfindung in derselben Schmelze mit einer Oberflächenschicht versehen wird, die Gitterkonstante dieser erhaltenen Oberflächenschichten wohl innerhalb dieser Grenzen liegt.

Das Lösen der Oberflächenschicht und das an-

schliessende Anbringen einer neuen einkristallinen Oberflächenschicht werden vorteilhaft in demselben Tiegel durchgeführt, indeed zunächst auf eine die Sättigungstemperatur etwas überschreitende Temperatur erhitzt wird, bei der das Lösen statt-

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findet, wonach die Temperatur auf eine die Sättigungstemperatur etwas unterschreitende Temperatur herabgesetzt wird, bei der die neue Oberflächenschicht gebildet wird. Insbesondere werden daher das Lösen der Oberflächenschicht und das anschliessende Anbringen der einkristallinen Oberflächenschicht in derselben Schmelze durchgeführt.

Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen einkristallinen Substratkörper, der durch das beschriebene Verfahren erhalten ist.

Auch bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen magnetischen Schicht, die durch chemisches Niederschlagen aus der Gasphase oder durch Flüssigkeitsepitaxie auf dem einkristallinen Substratkörper angebracht wird. Die Anwendung des einkristallinen Substratkörpers bei magnetischen einkristallinen Schichten 1st günstig, weil die magnetischen Eigenschaften in derartigen dünnen Schichten von Spannungen durch das Vorhandensein von Wachsbändern und Wachsflächen stark abhängig sind.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1.

Ein einkristalliner Stab aus Gadolinium-Gallium-Granat, Gd„Ga_0₁₂, mit einem Durchmesser von etwa 2 cm wurde in der |_1.1. ij -Orientation mit Hilfe des Czochralski-Verfahrens gewachsen. Dann wurden senkrecht ζλχ der Wachsrichtung Scheiben mit einer Dicke von etwa 500 /um aus diesem Stab geschnitten.

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Einige dieser Scheiben aus verschiedenen

Teilen dieses Stabes wurden 2,5 Stunden lang auf jeder
Seite mit Hilfe einer Suspension feiner SiO„-Teilchen in
einer wässrigen NaOH-Lösung mechanisch-chemisch geätzt und
danach während einer halben Stunde gereinigt. Eine optische Kontrolle zeigte, dass in diesen einkristallinen Scheiben
Wachsbänder in einem regelmässigen kreisförmigen Muster,
und namentlich in der Mitte Wachsflächen mit dreifacher
Symmetrie, vorhanden waren. Ausserdem stellte sich heraus,
dass die Scheiben nicht die gleiche Gitterkonstante aufwiesen,

Einige andere Scheiben aus verschiedenen Teilen des Stabes wurden nach dem erfindungsgemässen Verfahren
behandelt. Dieses Verfahren wurde in einem Platintiegel
durchgeführt, der eine Schmelze der nachstehenden Zusammensetzung enthielt:

1,67 Mol.# Gd₂O ,

3,33 Mol.# Ga₂O₃,
87,5 Mol.$ PbO und

7,5 Mol.# B₂O₃.
Das Verhältnis zwischen den Mengen an Gd„0„ und an Ga„0„ in dieser Zusammensetzung (1 : 2) weicht wesentlich von diesem Verhältnis in dem Gadolinium-Gallium-Granat (3 ί 5) ab, wobei der Unterschied in der Löslichkeit von Gd₂0„ und Ga„0„
in einem Flussmittel von PbO und B 0 in einem Verhältnis
von 87,5 : 7,5'berücksichtigt wurde. Die Sättigungstemperatur dieser Schmelze war, wie sich herausstellte, etwa 97O°C.

Eine Gadolinium -Gallium-Granat-Scheibe wurde

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mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/min in einem senkrechten rohrförmigen Ofen bis gerade oberhalb der Oberfläche der Schmelze geführt, die auf eine Temperatur von etwa 1030⁰C, d.h. etwa 60°C oberhalb der Sättigungstemperatur der Schmelze, erhitzt war. Nach einer kurzen Aufenthaltzeit gerade oberhalb der Schmelze, wobei die Scheibe nahezu die gleiche Temperatur annahm, wurde die Scheibe in die Schmelze eingeführt. In etwa 10 Minuten wurde die Schmelze mit der eingetauchten Scheibe auf etwa 95O°C, d.h. etwa 20°C unterhalb der Sättigungstemperatur, abgekühlt. Anschliessend wurde die Scheibe schnell aus der Schmelze entfernt und dann mit einer Geschwindigkeit von 20 mm/min in etwa 10 Minuten ausserhalb des Ofens geführt. Eine Kontrolle ergab, dass die Scheibe etwa 80 /um dünner geworden war, während sich deutlich eine geschichtete Struktur erkennen liess, die aus einem Kern der ursprünglichen Scheibe mit auf jeder Seite einer etwa 10 /um dicken Schicht bestand. Die Wachsbänder und Wachsflächen waren, obwohl noch vorhanden, deutlich weniger ausgeprägt als in den mechanisch-chemisch behandelten Scheiben.

Dann wurde auf den mit einer Oberflächenschicht versehenen Scheiben sowie auf den mechanisch-chemisch behandelten Scheiben durch Flüssigkeitsepitaxie eine dünne Schicht aus einem magnetischen Granat der Zusammensetzung: Y_ .-,Gd nFe, „Ga „Q _Λ „ angebracht. Es stellte sich heraus, dass die Gleichmässigkeit der magnetischen Schicht auf den mit einer Oberflächenschicht versehenen Scheiben viel grosser als die der magnetischen Schicht auf den mechanisch-chemisch

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behandelten Scheiben war, was eine wesentliche Verbesserung der gewünschten magnetischen Eigenschaften zur Folge hatte; so wiesen die Schichten eine niedrigere Koerzitivkraft auf, so dass liei einem bestimmten angelegten äusseren Feld eine höhere Bewegungsgeschwindigkeit der magnetischen Domänen auftrat. Bei Vergleich einer Anzahl mit einer Oberflächenschicht versehener Scheiben stellte sich heraus, dass die darauf angebrachten magnetischen Schichten nahezu die gleichen magnetischen Eigenschaften aufwiesen. Beispiel 2

Ein einkristalliner Stab aus Saraarium-Gallium-Granat, Sm„Ga_0..p, mit einem Durchmesser von etwa 2 cm wurde in der |_1.O.OJ -Orientation mit Hilfe des Czochralski-Verfahrens gewachsen. Anschliessend wurden senkrecht zu der Wachsrichtung Scheiben mit einer Dicke von etwa 500 /um aus diesem Stab geschnitten.

Einige dieser Scheiben aus verschiedenen Teilen dieses Stabes wurden auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise mechanisch-chemisch geätzt und gereinigt. Bei optischer Kontrolle zeigte sich, dass die Scheiben neben Wachsbänder auch Wachsflächen mit einer vierfachen Symmetrie aufwiesen.

Einige andere Scheiben aus verschiedenen Teilen des Stabes wurden gemäss dem Verfahren nach der Erfindung behandelt, und zwar auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise. Die Zusammensetzung der Schmelze war folgende:

1,67 Mol.# Sm₂O₃,

3,33 'Mol.£ Ga₂O₃,

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87,5 Mol.# PbO und

7,5 Mol.# B₂O₃.

Auch in diesem Falle weicht das Verhältnis zwischen den Mengen an Sm„0„ und an Ga„0„ in der Schmelze von dem des Granats ab. Die Sättigungstemperatur der Schmelze war etwa 93O°C. Eine Scheibe aus Samarium-Gallium-Granat wurde in die auf etwa 1050°C erhitzte Schmelze eingeführt, wonach die Schmelze in etwa 15 Minuten auf etwa 900°C abgekühlt wurde. Eine Kontrolle ergab, dass die Scheibe etwa 100 /um dünner geworden war, während sich deutlich eine geschichtete Struktur erkennen liess, die aus einem Kern der ursprünglichen Scheibe mit auf jeder Seite einer etwa 10 /Um dicken Schicht bestand. Die Wachsbänder und Wachsflächen, obwohl noch vorτ handen, waren deutlich weniger ausgeprägt als in den mechanisch-chemisch behandelten Scheiben.

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Claims

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1. Verfahren zur-Herstellung eines einkristallinen Substratkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenschicht des Substratkörpers in einer Schmelze gelöst wird, die neben einen Flussmittel die Bestandteile des Substratkörpers enthält, wonach auf der dann erhaltenen Oberfläche aus einer Schmelze, die neben einem Flussmittel die Bestandteile des Substratkörpers enthält, eine einkristal— line Oberflächenschicht angebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösen der Oberflächenschicht und das anschliessende Anbringen der einkristallinen Oberflächenschicht in derselben Schnelle durchgeführt werden.

3. Einkristalliner Substratkörper, der durch das Verfahren nach ein» der Ansprüche 1 und 2 erhalten ist.

h. Verfahren zur Herstellung einer einkristallinen

magnetischen Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass diese durch chemisches Niederschlagen aus der Gasphase oder durch Flüssigkeitsepitaxie auf einem einkristallinen Substratkörper nach Anspruch 3 angebracht wird.

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