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Verfahren zum Herstellen aufgedampfter Gadolinium-Kobalt-Schichten
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum ITerstellen von amorphen,
mindestens Gadolinium (Gd) und Kobalt (Co) enthaltenden Schichten durch Aufdampfen.
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Schichten bzw. Filme der genannten Art können als Speichermedium in
sogenannten magnetischen Zylinderdomänen-Speichern (Bubble-Speichern) verwendet
werden.
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wird ein äußeres Magnetfeld eines bestiriiiaten Feldstärkebereichs
senkrecht zur Filmebene angelegt, so entstehen, wenn die Schicht weiter unten angeführte
Vorraussetzungen erfiillt, magnetische Zylinderdomänen (Bubbles) mit einer entgegengesetzt
zum äußeren Feld gerichteten Magnetisierung in dem Magnetfilm, welcher parallel
zui äußeren Magnetfeld magnetisiert ist. Die Zylinderdomänen sind in einem bestimmten
äußeren Feldstärkebereich stabil können durch Erzeugen geeigneter Magnetfeldgradienten
ba Film bewegt werden. Dies kann z. B. durch Aufbringen bestimmter periodischer
5 trukturen in Schichten aus magnetischem Material auf dem Zylinderdomänen-Film
geschehen, die durch ein in der Filmebene rotierendes Magnetfeld periodisch ummagnetisiert
werden. Durch dieses periodische Ummagnetisieren können Zylinderdomänen entlang
der Struktur bewegt werden. Das
Vorhandensein bzw. Fehlen von Zylinderdomänen
innerhalb einer Periodizitätslänge der Struktur erlaubt die Speicherung binärer
Daten.
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Für die Eignung eines magnetischen Filmmaterials sind u. a.
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folgende Eigenschaften maßgebend: 1. Es muß eine zur Filmebene senkrechte
leichte Magnetisierungsrichtung, im folgenden senkrechte Anisotropie genannt, vorhanden
sein, wobei die Zylinderdomänen um so stabiler sind, je größer diese senkrechte
Anisotropie ist und 2. muß das Material weichmagnetisch sein, d. h., daß bereits
geringe Feldgradienten in Richtung der Filmebene eine Bewegung der Zylinderdomänen
hervorrufen. Weichmagnetische Materialien haben eine geringe Koerzitivkraft.
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Amorphe Schichten, welche mindestens eine Seltene Erde und ein 3d-Element
enthalten, haben sich als sehr gut geeignet für magnetische Zylinderdomänen-Speicher
erwiesen. Solche Schichten sind ferrimagnetisch, d. h., sie haben die für Zylinderdomänen-Speicher-Anwendungen
notwendigen niedrigen magnetischen Momente, und sie zeichnen sich aus durch eine
große Bit-Packungsdichte, kleine Koerzitivkräfte und dadurch, daß sich bei ihnen
das Atomverhältnis der Komponenten ohne Berücksichtigung von Stöchiometriebetrachtungen
sehr fein einstellen läßt.
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Amorphe Schichten aus Seltene Erden und 3d-Metalle enthaltenden Materialien
werden in erster Linie durch Hochfrequenzkathodenzerstäubung unter Anlegung einer
Anodenvorspannung oder durch Aufdampfen erzeugt. Im Vergleich zur Aufdampftechnik
hat das Kathodenzerstäuben folgende Nachteile: ihm liegen wesentlich komplexere
phylikalische Zusammenhänge zugrunde, es zeigt eine hohe unkontrollierte Restgasbeeinflussung
durch das Plasmatreibgas, es ist wenig flexibel, da eine vorgefertigte Fangelektrode
mit gewünschter Zusammensetzung bereitgestellt
werden muß und die
notwendige Vorrichtung ist technisch aufwendiger und damit teuerer.
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Im allgemeinen ist es daher vorzuziehen, die Schichten durch Aufdampfen
aufzubringen.
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Das bisher am intensivsten untersuchte Material für magnetische Zylinderdomänen-Speicheranwendungen,
GdCo (mit eventuellen Metallzusätzen wie z. B. Cr, Mo, Cu, Au, Pd und andere Seltene
Erden) konnte jedoch bisher nur durch Kathodenzerstäuben hergestellt werden, da
alle Versuche, mittels Aufdampfens eine senkrechte Anisotropie zu erhalten, fehlschlugen.
Von solchen Versuchen berichteten z. B. A. Onton und K. Lee auf der Intermag 76,
Pittsburgh, USA in einem Vortrag mit dem Titel "Magnetic Anisotropy in Thermally
Evaporated GdCo", N. Heiman u. a.
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("Uniaxial Anisotropy in Rare Earth (Gd, Ho, Tb)-Transition Metal
(Fe, Co) Amorphous Films"), in AIP Proceedings 1974, Seite 573 und Z. Frail ("Ferromagnetic
Resonance and Relaxation in Evaporated GdCo Amorphous Thin Films"), in Physics Letters,
Bd.
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55A, Seite 429, Januar 1976.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein wirtschaftliches Verfahren zum
fabrikmäßigen Herstellen von mindestens Gd und Co enthaltenden, amorphen, aufgedampften
Schichten anzugeben, welche eine senkrechte Anisotropie und im übrigen die sonstigen
für magnetische Zylinderdomänen-Speicher Anwendungen günstigen magnetischen Eigenschaften
aufweisen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art
mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
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Zwar ist es aus der Offenlegungsschrift 2 342 886 bekannt, beispielsweise
in amorphe oder polykristalline Schichten aus GdCo nichtmagnetische Elemente, wie
Sauerstoff, Kohlenstoff, Phosphor
und Stickstoff einzubauen. Es
wird dazu ausgeführt, daß Zusätze dieser Elemente unter zwei Atomprozent die magnetischen
Eigenschaften nicht beeinflussen und zur Erleichterung des Herstellens amorpher
Schichten dienlich sein können. Zusätzlich wird allgemein erwähnt, daß - was allerdings
für den Fachmann selbstverständlich ist - Zusätze solcher Elemente zwischen 2 und
50 Atomprozent die mangetischen Eigenschaften verändern, wobei beispielhaft der
Einbau von Stickstoff zur Veränderung der Magnetisierung und von Sauerstoff zur
Veränderung der Koerzitivkraft von polykristallinen Schichten genannt werden. Es
findet sich kein Hinweis darauf, daß eine Atmosphäre reaktiver Gase beim Aufdampfen
amorpher GdCo-Schichten deren Richtung der leichten Magnetisierung beeinflußt.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es zum ersten Mal möglich,
mittels der Aufdampftechnik GdCo-Schichten mit einer senkrechten Anisotropie herzustellen.
Dieses Ergebnis läßt sich bisher nicht exakt physikalisch erklären.
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Das Verfahren läßt sich gut steuern und das Aufdampfen dauert dabei
nicht unangemessen lang. Der Partialdruck des bzw. der reaktiven Gase wird so eingestellt,
daß die freie Weglänge der aufzudampfenden Elemente auf keinen Fall unter den für
das Aufdampfen notwendigen Wert absinkt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist nur eine verhältnismäßig einfache Modifizierung einer konventionellen
Aufdampfapparatur notwendig.
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Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine Variation der magnetischen
Eigenschaften der aufzudampfenden Schicht in weiten Grenzen je nach dem in Ausicht
genommenen Verwendungszweck.
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Zum Erzielen einer gewünschten Magnetisierung und einer gewünschten
Anisotropiekonstanten ist es vorteilhaft, wenn die Aufdampfges chwindigkeiten der
Schichtkomponenten aufeinander und auf den Partialdruck des oder der reaktiven Gase
bzw. nur auf das letztere abgestimmt werden. Bei nur aus Gadolinium und Kobalt zusammengesetzten
Schichten liegt der Kompensationspunkt,
id. h. die Zusammensetztung,
bei der sich die magnetischen Momente der beiden Komponenten bei Zimmertemperatur
gerade aufheben, bei einem Gadoliniumgehalt von etwa 21 Atomprozent. Wird, was bei
der anwendung für magnetische Zylinderdomänen-Speicher häufig erwünscht ist, eine
Sättigungs-Magnetisierung 4tMs von etwa 1000 :Gauss angestrebt, so muß der Gadoliniumgehalt
in GdCo-Schichten zwischen etwa 18 und etwa 20 Atomprozent liegen. Dieser Bereich
igilt wenn ohne Zusatz eines reaktiven Gases aufgedampft wird.
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Wird ein reaktives Gas bzw. ein Gemisch reaktiver Gase zugesetzt,
so muß man bei der Festlegung der Aufdampfgeschwindigkeiten be-,rücksichtigen, daß
das Gd offenbar teilweise mit den reaktiven Gasen, insbesondere mit Sauerstoff,
reagiert und daß das chemisch ;umgesetzte Gd nicht mehr magnetisch aktiv ist. Man
kann, wenn Gd lund Co in Gegenwart von beispielsweise Sauerstoff aufgedampft werden,
sagen, daß wenn das Verhältnis Gd (magnetisch aktiv) : Co konstant gehalten wird,
in erster Näherung unabhängig von Saueristoffpartialdruck dieselbe Magnetisierung
erzielt wird. Beim Aufdampfen von zusätzlichen Elementen ist bei der Abschätzung
deren tagnetischer Wirkung zu berücksichtigen, ob sie, wie z. B. Cr tmit Sauerstoff,
mit dem oder den reaktiven Gasen reagieren oder nicht. Bezüglich der Richtung der
leichten Magnetisierung wurde festgestellt, daß, wenn man den Partialdruck des reaktiven
Gases allmählich ansteigen läßt, innerhalb eines relativ kleinen Druckintervalls
die Richtung der leichten Magnetisierung von der Richtung parallel zur Filmebene
plötzlich umklappt in die Richtung senkrecht zur Filmebene. Läßt man den Partialdruck
des reaktiven Gases weiter ansteigen, so nimmt die Anisotropiekonstante zunehmend
ab. Dies läßt sich solange verfolgen, bis schließlich die aufgedampfte Schicht ein
superparamagnetisches erhalten annimmt. Was man unter der Anisotropiekonstanten
versteht, wird in der Beschreibung im Zusammenhang mit der ErlAuterung der gemessenen
magnetischen Eigenschaften definiert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in vorteilhafter Weise zum
Herstellen von Schichten verwenden, welche entweder ausschließlich Gadolinium und
Kobalt enthalten oder welche außer
Gadolinium und Kobalt zusätzlich
ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Cr, Mo, Cu, Au, Pd und Seltene Erden enthalten.
Der Zusatz der genannten Elemente bewirkt eine magnetische Verdünnung.
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Dadurch läßt sich eine geringere Temperaturabhängigkeit der magnetischen
Eigenschaften erreichen, andererseits ist es aber notwendig, die Schichtzusammensetzung
bzw. die Aufdampfgeschwindigkeiten entsprechend dieser magnetischen Verdünnung zu
ver--ändern, weil diese Verdünnung eine Verschiebung des Kompensationspunkts zur
Folge hat.
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Es ist vorteilhaft, wenn als reaktives Gas Sauerstoff verwendet wird,
da man dann Güte-Faktoren von < 10 erreichen kann. Die Definition des Güte-Faktors
wird in der Beschreibung gegeben. Es ist bei den für magnetische Zylinderdomänen-Speichern
verwendeten Schichten erwünscht, daß der Güte-Faktor wesentlich größer als 1 ist.
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Günstige Herstellungsbedingungen hinsichtlich der Steuerbarkeit und
der Zeitdauer des Prozesses sind gegeben, wenn ein Sauerstoffp f tialdruck im Bereich
zwischen etwa 2,5 x 1018 und etwa 2 x 10 7 aufgebaut wird und wenn, sofern ausschließlich
Gadolinium und Kobalt aufgedampft werden, mit einer Aufdampfgeschwindigkeit des
Gadoliniums zwischen etwa 3,5 und etwa 4 i pro Sekunde gearbeitet wird und die Kobaltaufdampfgeschwindigkeit
unter BerUcksichtigung des Sauerstoffpartialdrucks so festgelegt wird, daß die,
Sättigungsmagnetisierung 4sM8 der aufgedampften Schicht immer in der Größenordnung
von 1000 Gauss liegt. Wird dabei ein xSauerstoffpartialdruck im Bereich zwischen
etwa 2,5 x 1018 und etwa 5 x 10'8 Torr aufgebaut, so werden die höchsten Güte-Faktoren
der aufgedampften Schichten erreicht.
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Da die aufzudampfenden Stoffe unterschiedliche Dampfdrücke haben,
,i8t es zur Herstellung-homogen zusammengesetzter Schichten besonder8 vorteilhaft,
wenn für jede aufzudampfende Komponente eine eigene Quelle vorgesehen wird und aus
diesen Quellen gleichzeitig die Substrate bedampft werden.
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Es ist günstig, wenn als Substratmaterialien Glas, SiO2, Silizium
oder NaCl verwendet werden.
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Um sicherzustellen, daß die aufgedampfte Schicht amorph ist, ist es
vorteilhaft, das Substrat während des Aufdampfens zu kühlen.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgedampften Schichten haben
bevorzugt eine Schichtdicke zwischen 800 und 50 000 wobei bei dem heutigen Stand
der Technologie für die Herstellung von magnetischen Zylinderdomänen-Speichern Schichtdicken
zwischen 4000 und 5000 9 am günstigsten sind. Bei Schichtdicken unterhalb 800 R
wird es zunehmend schwieriger die senkrechte Anisotropie aufrechtzuerhalten. Da
der Durchmesser der optimalen magnetischen Zylinderdomänen mit zunehmender Schichtdicke
zunimmt. (die Stabilität des Zylinderdomänendurchmessers bei Feldstärkeschwankungen
ist am größten, wenn ihr Durchmesser in etwa gleich der doppelten Schichtdicke ist),
läßt sich mit zunehmender Schichtdicke immer weniger Information pro Flächeneinheit
der Gadolinium und Kobalt enthaltenden Schicht speichern. Ein solcher Speicher arbeitet
also mit zunehmender Schichtdicke zunehmend unwirtschaftlicher und außerdem teurer.
Man wird also im allgemeinen möglichst dünne Schichtdicken anstreben. Da jedoch
- die oben erwähnten periodischen Strukturen zum Erzeugen geeigneter Magnetfeldgradienten
im Film heute im allgemeinen mittels photolithographischer Verfahren hergestellt
werden, deren minimale Auflösung bei einer Linienbreite von etwa 1 pm liegen, strebt
man magnetische Zylinderdomänen mit einem Durchmesser von etwa 1 ):Un an, und die
bevorzugtesten Schichtdicken der Gadolinium und Kobalt enthaltenden Schichten liegen
deshalb im Bereich zwischen etwa 4000 und etwa 5000 Die Erfindung wird anhand von
durch eine Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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Es zeigt: die Figur in einem Diagramm die Abhängigkeit der Anisotropie-Konstanten
K von Schichten konstanter festgelegter Sättigungs-Magnetisierung von dem Sauerstoffpartialdruck
beim Aufdampfen.
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Bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durchgehend
Sauerstoff als reaktives Gas benutzt. Sauerstoff ist ein typisches, reaktives Gas,
das in großer Reinheit billig erhältlich ist und sich bequem und einfach handhaben
läßt. Jedoch sei klargestellt, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die
Verwendung von Sauerstoff beschränkt ist.
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Das Verfahren zur Herstellung der amorphen Schichten wird so gesteuert,
daß die Schichten außer der erfindungsgemäß erreichten senkrechten Anisotropie auch
die übrigen für in magnetischen Zylinderdomänen-Speicher benutzten Materialien günstigen
Eigenschaften aufweist. Zum Aufdampfen läßt sich eine im Grunde konventionelle Hochvakuumvorrichtung
verwenden, mit der sich ein Druck von < 10 8 Torr einstellen läßt. Die Apparatur
ist über ein Ventil, beispielsweise ein Feindosier-Leckventil, mit einer Sauerstoffquelle
verbunden. Zur Einstellung des Sauerstoffdrucks und zum Überwachen des Drucks während
des Aufdampfens sind Meßgeräte beispielsweise ein Ionisationsrohr, wie es unter
anderen die Firma Varian unter dem Namen Dual Range ionisation Gauge anbietet, und
welches den Gesamtdruck innerhalb der Vorrichtung zu messen erlaubt, und ein Massenspektrometer,
mit dem sich sehr genau Schwankungen des Sauerstoffdrucks feststellen lassen, vorhanden.
Für jede aufzudampfende Schichtkomponente ist eine Verdampfungsquelle vorgesehen.
Es wäre auch die Verwendung einer Mischquelle möglich, jedoch lassen sich wegen
der unterschiedlichen Dampfdrücke der einzelnen Komponenten bei der Anwendung mehrerer
Quellen leichter homogen zusammengesetzte Schichten erzeugen. Die Quellen werden
der leichten Handhabung
wegen mit Elektronenstrahlen beheizt. Es
läßt sich aber auch eine Wiederstands- oder eine induktive Heizung verwenden. Zur
Messung der Verdampfungsgeschwindigkeiten der einzelnen Komponenten sind Schwingquarzmeßinstrumente
vorgesehen, von denen je eines einer Quelle zugeordnet ist und die so angeordnet
sind, daß sie nur jeweils von dem von "ihrer" Quelle ausgehenden Dampf getroffen
werden. Die Schwingquarze sind so geeicht, daß sich mit ihnen während des Aufdampfens
einerseits die Menge und das Mein.
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1genverhältnis der bereits auf die Substrate aufgedampften Schichtkomponenten
und andererseits die jeweils vorhandene Gesamtdicke der auf dem Substrat aufgedampften
Schicht bestimmen läßt. Zur automatischen Regelung der Verdampfung sind Anordnungen
vorgesehen, welche mit einer Genauigkeit von etwa + 2 % aufgrund der an den Schwingquarzen
gemessenene Aufdampfgeschwindigkeiten mittels Rückkopplung die Quellenheizung steuern.
Es ist allerdings auch möglich, die Verdampfung von Hand zu regeln.
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1Der den Quellen gegenüber liegende Substrathalter, der eine Vielzahl
von Substraten aufzunehmen vermag, läßt sich abkühlen, beispielsweise mit flüssigem
Stickstoff auf dessen Siedetemperatur Zwischen den Quellen und dem Substrathalter
befindet sich eine schwenkbare Abschirmung, welche in ihrer einen Endstellung die
Substrate vollständig von dem bzw. von den Dampfstrahlen separiert und in ihrer
anderen Endstellung den ungehinderten Zutritt des Dampfes zu den Substraten gestattet.
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Die amorphen Schichten werden auf Substraten erzeugt, welche bevorzugt
aber nicht ausschließlich aus Glas, Quarz, Silizium oder NaCl bestehen. Diese Substrate
werden in Form dünner Platten in den Substrathalter eingelegt und gegebenenfalls
abgekühlt.
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Die Temperatur, auf die abgekühlt wird, ist nicht kritisch, solange
sie unterhalb derjenigen liegt, bei der die Schichten anfangen kristallin zu werden.
Dies ist mit Sicherheit gewährleistetX wenn die Substrate mit flüssigem Stickstoff
gekühlt werden.
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Nachdem die aufzudampfenden Materialien in die Verdampfungstiegel
eingefüllt worden sind, wird evakuiert. Das erreichte Hochvakuum
ist
unkritisch, solange - sofern bei den weiter unten angegebenen Aufdampfgeschwindigkeiten
gearbeitet wird - die Summe der Partialdrucke aller im Restgas vorhandenen reaktiven
Gase bei < 1O'8 Torr liegt. Nun werden, während sich die Abschirmung zwischen
den Quellen und dem Substrathalter befindet, die Quellen aufgeheizt und dann die
gewünschten Verdampfungsgeschwindigkeiten mit Hilfe der Schwingquarze eingestellt.
Es wird als vernünftier Kompromiß zwischen einer guten Steuerbarkeit des Aufdampfens
und einer in einer Fabrikation tragbaren Aufdampfdauer angesehen, wenn die Materialien
mit einer Geschwindigkeit von einigen pro Sekunde aufwachsen. Bevorzugt wird, wenn
ausschließlich Gadolinium und Kobalt aufgedampft wird, die Aufdampfgeschwindigkeit
des Gadoliniums auf 3 bis 4 i pro Sekunde festgesetzt und dann dazu passend unter
Berücksichtigung der gewünschten Magnetisierung und bis zu einem gewissen Grad auch
des gewählten Sauerstoffpartialdrucks die richtige Aufdampfgeschwindigkeit des Kobalts
ermittelt. Wird eine Magnetisierung 4WMs von etwa 1000 Gauss angestrebt, so liegen
die Aufdampfgeschwindigkeiten für das Kobalt bei ähnlichen Werten wie beim Gadolinium.
Am einfachsten -läßt sich das richtige Verhältnis der Aufdampfgeschwindigkeiten
durch Reihenversuche ermitteln, bei denen bei sonst gleichen Bedingungen die Aufdampfgeschwindigkeit
des Kobalts variiert wird und dann an den Proben gemessen wird, bei welcher Aufdampfgeschwindigkeit
die richtige Magnetisierung erzielt wird. Dasselbe gilt, wenn außer Kobalt und Gadolinium
noch andere Komponenten aufgedampft werden, für die Festlegung der Aufdampfgeschwindigkeiten
dieser zusätzlichen Komponenten.
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Anschließend wird in der Aufdampfvorrichtung ein Sauerstoff--partialdruck
festgelegter Größe, welcher über die ganze Verdampfung aufrechterhalten wird, aufgebaut.
Der verwendete Sauerstoff hat typischerweise eine Reinheit von 99,9 Atomprozent.
Bei einer Aufdampfgeschwindigkeit des Gadoliniums zwischen etwa 3 und etwa 4 i pro
Sekunde wird ein Sauerstoffpartialdruck aufgebaut, der zwischen etwa 2,5 x i0'8
und etwa 2 x 10 7 Torr liegt.
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Nach diesen Vorbereitungen wird die Abschirmung aus dem Raum zwischen
Quellen und Substrathalter herausgeklappt, wodurch das Niederschlagen des Materials
auf den Substraten beginnt. Nachdem die gewünschte Dicke der auf den Substraten
aufgedampften Schicht erreicht ist, was sich mit Hilfe der Schwingquarze feststellen
läßt, wird die Abschirmung wieder in den Dampfstrahl geschwenkt und die Heizung
der Quellen unterbrochen. Die aufgedampften Schicht ten werden nicht mehr nachbehandelt,
sondern können sofort vermessen bzw. in den nächsten Verfahrensabschnitt bei der
Herstellung von magnetischen Zylinderdomänenspeichern weiter gegeben werden.
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Außer der Schichtdicke und dem Atomverhältnis der aufgedampften Elemente,
welche routinemäßig bereits beim Aufdampfen und stichprobenweise mit einem Stufenmeßgerät,
beispielsweise mit dem im Handel erhältlichen Surfanalyzer der Firma Gould bzw.
mittels Röntgenfluoreszenz- oder Atomabsorptionsmessungen bestimmt werden, werden
zur Charakterisierung der hergestellten Schichten die Koerzitivkraft, das Kollapsfeld,
die Sättigungsmagnetisierung 47rM5, r die Anisotropiekonstante der senkrechten Anisotropie
und die Streifenbreite der Domänen gemessen. Diese Parameter sind wichtig für die
Anwendung eines Materials bei magnetischen Zylinderdomänen-Speichern. Unter der
Koerzitivkraft wird dabei die in Oersted gemessene Stärke des zur Schichtoberfläche
senkrecht gerichteten Magnetfeldes verstanden, welche notwendig ist, um die Remanenz
in der Schicht auf den Wert Null zu bringen. Das in Oersted gemessene Kollapsfeld
ist diejenige Stärke des senkrecht zur Filmoberfläche gerichteten Magnetfeldes,
bei welcher die Zylinderdomänen verschwinden. Die Sättigungsmagnetisierung 4#MS
wird in Gauss gemessen. Die in erg pro cm³ gemessene -Anisotropiekonstante K ist
diejenige Energie, welche notwendigist, um die senkrecht zur Schichtoberfläche gerichtete
Magnetisierung in die zur Schichtoberlfäche parallele Richtung umzuklappen. Durch
Division der Anisotropiekonstanten durch 2w-MS2 erhält man den sogenannten Güte-Faktor
Q,
im folgenden Q-Faktor genannt, welcher zur Charakterisierung
der Güte von Schichten in magnetischen Zylinderdomänen-Speichern benutzt wird. Es
wird angestrebt, daß der Q-Faktor wesentlich größer als 1 ist. Die in pm gemessene
Streifenbreite der Domänen hängt ab von der Schichtdicke, der Sättigungsmagnetisierung'und
von der Anisotropiekonstanten. Bei den bevorzugten Materialien für magnetische Zylinderdomänen-Speicher
gilt als Faustregel, daß die Streifenbreite in etwa gleich der doppelten Schichtdicke
ist.
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Die Koerzitivkraft und das Kollapsfeld werden mit dem Vibrationsmagnetometer
und dem magneto-optischen Kerreffekt (das Kollapsfeld ist außerdem auch mit dem
Polarisationsmikroskop meßbar) gemessen, während ein äußeres Magnetfeld senkrecht
zur Schichtoberfläche angelegt wird. Das Vibrationsmagnetometer hat gegenüber dem
nur Oberflächeneffekte registrierenden magneto-optischen Kerreffekt den Vorteil,
daß es die ganze Schicht erfaßt, dafür ist der magneto-optische Kerreffekt zur Untersuchung
kleiner Schichtbereiche geeigneter. Aufgrund der geschilderten unterschiedlichen
Eigenschaften ergänzen sich die beiden Meßverfahren so gut, daß sehr genaue Werte
der Koerzitivkraft und des Kollapsfeldes erhalten werden können. Bei der Messung
wird das angelegte Magnetfeld so variiert, daß die Hysteresekurve durchfahren wird.
Wird das äußere Magnetfeld parallel zur Schichtoberfläche angelegt und wiederum
so variiert, daß die Hysteresekurve durchfahren wird, so läßt sich mittels des Vibrationsmagnetometers
die Sättigungsmagnetisierung und die Anisotropiekonstante der Schicht bestimmen.
Die Streifenbreite der Domänen läßt sich mit einer Genauigkeit von t0,2 P mittels
eines Polarisationsmikroskops bestimmen.
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In der folgenden Tabelle 1 und in der Figur sind mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens erzielte Ergebnisse aufgelistet bzw.
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aufgezeichnet.
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Tabelle I
| Magnetische Schichteigenschaften |
| Sätti- |
| Aufdampfge- Koer- gungsma- |
| Bei- O2-Partial schwindigkeit Schicht Atom-Verhältnis Anisotropie
zitiv- gneti- Q-Fak- Kollaps Streifen |
| spiel -druck (Å/sec) -dicke in der Schicht -konstante kraft
sierung tor -feld -breite |
| Nr. (Torr) Gd Co (Å) Gd Co (erg.cm-3) (Oe) 4#M (Gauss) (µ) |
| (Gauss) |
| 1 4.10-8 4,0 3,0 ~5300 29,5 70,5 3,5.105 30 1000 8,8 510 ~1 |
| 2 3.10-8 3,6 3,4 ~5000 25,6 74,6 1,8.105 6 1480 2,1 550 ~0,5 |
| 3 7.10-8 4,0 2,9 ~5000 31,0 69,0 3,6.105 60 1130 7,1 380 ~1 |
| 4 1,2.10-7 3,3 2,6 ~4900 30,0 70,0 3,6.105 15 1400 5,6 305
~0,9 |
In der Tabelle I sind von vier Beispielen die Aufdampfbedingungen
und die damit erzielten Eigenschaften, nämlich die Schichtdicke, das Atomverhältnis
Gadolinium zu Kobalt und die magnetischen Eigenschaften aufgelistet. Als wesentlichstes
Ergebnis läßt sich der Tabelle die starke senkrechte Anisotropie und der hohe Q-Faktor
entnehmen. Außerdem zeigt die Tabelle, daß bei richtiger Wahl der Aufdampfbedingungen
auch für die übrigen magnetischen Eigenschaften für die Anwendung bei magnetischen
Zylinderdomänen-Speichern sehr brauchbare Werte erzielt werden.
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Die Kurve in der Fig. 1 zeigt das Ergebnis einer Versuchsreihe, bei
der verschiedene Chargen von Substraten bei unterschiedlichen Sauerstoffpartialdrucken
bedampft wurden, jedoch bei allen Chargen die Aufdampfgeschwindigkeit des Gadoliniums
zwischen 3,5 und 4 i pro Sekunde konstant gehalten wurde und die Aufdampfgeschwindigkeit
des Kobalts jeweils so festgelegt wurde, daß die erhaltenen Schichten eine Sättigungsmagnetisierung
4aMs von etwa 1000 Gauss zeigten (die schwarzen, dicken Punkte in der Figur sind
Meßwerte). Aus der Kurve ist ersichtlich, daß bei einem Sauerstoffpartialdruck,
der unter den gewählten Aufdampfbedingungen bei etwa 2,5 x 1018 Torr liegt, die
bei Sauerstoffpartialdrucken unter diesem Wert in der Filmebene liegende Richtung
der leichten Magnetisierung plötzlich in die zur Filmebene senkrechte Richtung der
leichten Magnetisierung mit großer Anisotropiekonstante umklappt. Wird der Sauerstoffpartialdruck
weiter erhöht, so bleibt die senkrechte Anisotropie der leichten Magnetisierung
erhalten, nimmt jedoch zunehmend ab. Diese abnehmende Tendenz der Anisotropiekonstanten
läßt sich bis etwa 2 x 10 7 Torr verfolgen. Oberhalb dieses Wertes zeigen die aufgedampften
Schichten ein superparamagnetisches Verhalten.
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IBei derselben Versuchsreihe wird auch gefunden, daß bei einem Sauerstoffpartialdruck,
der etwa bei 3 x 10 8 Torr liegt, die aufgedampften Schichten eine sehr geringe
Koerzitivkraft zeigen, welche unter 5 Oe liegt, und daß mit zunehmendem Partialdruck
die
Koerzitivkraft zunimmt. Da für die Anwendung bei magnetischen Zylinderdomänen-Speichern
Schichten mit einer großen Anisotropiekonstanten und möglichst kleiner Koerzitiv--kraft
angestrebt werden, werden demnach unter den in der Versuchsreihe angewandten Bedingungen
bei einem Sauerstoffpartialdruck zwischen etwa 2,5 x 10-8 8 und etwa 3 x 10 8 Torr
Schichten mit den günstigsten Eigenschaften erzeugt.
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L e e r s e i t e