DE2732282A1

DE2732282A1 - Magnetische speicherschicht

Info

Publication number: DE2732282A1
Application number: DE19772732282
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dipl Phys Heitmann; Jens-Peter Dr Ing Krumme; Ch Prof Dr Schmelzer; Reimar Dr Spohr; Klaus Witter
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1977-07-16
Filing date: 1977-07-16
Publication date: 1979-01-18
Also published as: US4314894A; DE2732282B2; FR2397707A1; FR2397707B1; DE2732282C3; GB2001219B; GB2001219A; JPS5421133A; JPS5916358B2; CA1141464A; US4274935A

Description

GESELLSCHAFT FÜR SCHWERIONEN- Darmstadt, den 14. Juli 1977

FORSCHUNG MBH, DARMSTADT PLA 7747 Sdt/sz

Magnetische Speicherschicht

— 1 "

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INSPECTED

Beschreibung

Magnetische Speicherschicht

Die Erfindung betrifft eine magnetische Schicht auf einem Substrat zur Speicherung von Informationen in Form ortsstabiler geometrischer Muster von Doiaänen mit mindestens zwei unterschiedlichen MagnetiGierungörichtungen in der magnetischen Schicht, bei der die die Domänen voneinander abgrenzenden magnetischen Y/ände durch örtliche Gradienten der magnetischen Eigenschaften der magnetischen Schicht fixiert sind.

Derartige Schichten werden insbesondere für magnetooptische Speicher verwendet, wie in IEEE Transactions on Magnetics, vol. Kag-11, no. 5, September 1975, Seite 1097 bis 1102 beschrieben ist. Dabei besitzt die magnetische Schicht eine zur Oberfläche senkrecht gerichtete Magnetisierung, und die gespeicherte binäre Information ist durch die Rbhtung dieser Magnetisierung gegeben. Damit in einer Schicht eine große Informationsmenge gespeichert werden kann, muß diese Schicht in einzelne Bereiche unterteilt werden, die vorzugsweise die Form von in Reihen und Spalten angeordneten Quadraten oder Kreisen haben. Die Unterteilung muß so vorgenommen v/erden, daß sich die magnetische Domäne eines Bereiches nicht auf den nächsten Bereich ausbreiten kann, was bei der bekannten magnetischen Schicht dadurch erreicht wurde, daß diese Schicht an den Bereichsgrenzen bis auf ein Substrat weggeätzt wurde. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von magnetischen Inseln auf dem Substrat gebildet, wobei jeweils eine Domäne einer Insel entspricht, d.h. die Domänengrenze ist der Rand der Insel. Dadurch entsteht ein örtlicher Gradient der magnetischen Eigenschaften beim Übergang von der magnetischen Schicht am Rand der Insel zu einem unmagnetischen Material, im allgemeinen Luft.

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Bei der bekannten magnetischen Schicht wurde das Gittermuster in diese Schicht dadurch geätzt, daß die Schicht mit einer . Maske bedeckt wird, die die Schicht an den Stellen der Bereiche bzw. Domänen bedeckt und an den Stellen der auszuätzenden Gitterrauster freiläßt. Durch die wegen eines ausreichenden Signal-VRauschverhältnisses geforderte Dicke der magnetischen Schicht müssen die herausgeätzten Nuten aus technologischen Gründen eine bestimmte Mindestbreite haben. Andererseits v/ird jedoch angestrebt, die einzelnen Domänen und deren Abstände klein zu halten, um eine möglichst hohe Speicherdichte, d.h. eine möglichst große Informationsmenge pro Flächeneinheit zu erreichen. Alle bekannten Ätzverfahren liefern jedoch nur begrenzte Auflösung und Kantensteilheit bei gegebener Ätztiefe, so daß der Wunsch nach einem leistung fähigeren Scruktiirit rungsverfahren besteht, das zudem geometrisch beliebige Domänenmuster zuläßt.

Aufgabe der ErÄidung ist es, eine magnetische Schicht anzugeben, in der die Domänen kleiner, dichter und beliebig angeordnet sind ,verglichen mit den bekannten Speicherschichten. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die Domänen durch magnetische WSnde abgegrenzt sind, deren Verschiebung ein relativ großes Koerzitivfeld erfordert. Dabei v/ird das Koerzitivfeld K zur Wandbewegung durch Einbringung örtlicher Gradienten der Größe und/oder Richtung der magnetischen Anisotropie und/oder der raagnetischen Austauschenergie ohne wesentliche Änderung der Größe der Magnetisierung erhöht, die durch Änderungen des mechanischen Spannungszustandes und/oder Gitterperfektion in einem wesentlichen Teil der Dicke der magnetischen Schicht mittels Bestrahlung dieser Schicht durch beschleunigte Ionen hervorgerufen sind. Bei Bestrahlung durch Ionen lassen sich nämlich im Prinzip wesentlich feinere Strukturen erreichen, so daß eine hohe Speicherdichte erzielt werden kann.

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1) Implantation rait Ionendosen>iO ^cm" geeigneter Ionenenergien durch Masken aus Schwermetall geeigneter Dicke:

Zum Erreichen hochauflösender Domänenmuster können verschiedene Methoden angewendet werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein Verfahren zu Herstellung der erfindungsgemäßen magnetischen Schicht dadurch gekennzeichnet, daß vor der Bestrahlung der magnetischen Schicht eine Maske in Form einer Schicht aus einem Element mit hohem Atomgewicht, z.B. Gold, aufgebracht wird, die die magnetische Schicht außer an den Stellen, wo örtliche Gradienten erzeugt werden sollen, bedeckt, und daß diese Schicht nach der Bestrahlung entfernt wird.Diese Masken können sehr feine Strukturen haben, wie aus der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen bekannt ist.

Beim Bestrahlen können Ionen verschiedener Elemente mit unterschiedlichen Energien und Dosen verwendet werden, deren Eindringtiefe jedoch nicht wesentlich kleiner als die Dicke der magnetischen Schicht ist, wobei die Anzahl der in die magnetische Schicht eindringenden Ionen größer als 10 ^ Ionen

ρ
pro cm sein sollte. Die einges. ahlten bzw. implantiert η Ionen erzeugen in dem Material eine hohe Störstellendichte und . setzen dadurch das Gitter unter Druckspannung, deren Hof sich in die unbestrahlte Schiebt ausdehnt. Durch die magnetostriktiven Eigenschaften der Schicht ergibt sich ein magnetischer Anisotropiegradient in der Randsone zwischen Kernspur bzw. Implantat und ungestörter Schicht, so daß an diesen Stellen bei geeignet gewähltem äußeren Feld gegebenenfalls auch im feldfreien Zustand die Domänenwände haften. Für genügende Haftung der Wand» d.h. genügend hohes H_c , sol].te sich dieser Spannungshof bis zum Substrat hinunter erstrecken. D.h. die Eindringtiefe der Ionen muß bis auf 1-j3um der Schichtdicke entsprechen.

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Aus dem Buch "ION IMPLANTATION IN SEMICONDUCTORS AND OTHER MATERIALS", Plenum Publishing Corporation, New York, Seite . 505 bis 525 ist es bereits bekannt, durch Ionenimplantation eine gewisse Haftung für frei bewegliche Domänen zu erreichen. Dabei handelt es sich jedoch nicht um magnetcoptische Speicher, sondern um Speicher mit Domänen., die durch äußere Felder bewegt worden. D:.bei ist di& Größe und Beweglichkeit der Domänen durch die Zusammensetzung ^^er magnetischen Schicht und das äußere Feld bestimmt und soll durch die Ionenimplantation auch nicht beeinflußt werden, während, bei der magnetischen Schicht nach der Erfindung die l.aye und Oröße dc-r Domänen durch die ei-finclungSf-ceriiä.Opii Maßnahs^n festgelegt vcrden. Außerdem erfolgt bei ocr bekannten magnetischen Schicht eine Ionenimplantation nur in dem obersten Teil dieser Schicht.

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2) Ionenbestrahlung mit Dosen von 10 bis etwa 10 cm ohne Maske:

Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine auf ein Substrat aufgebrachte magnetische Schicht verwendet wird, die sich in einem mechanischen Spannungszustand insbesondere infolge einer Fohlanpassung der Kristallgitterkonstanten des Substrates und der magnetischen Schicht befindet, daß zum Bestrahlen hochenergetische Ionen verwendet werden, die auf eine derartige Energie beschleunigt sind, daß die mittlere Eindringtiefe der Schichtdicke entspricht, wobei die Anzahl der in die magnetische Schicht eindringenden

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Ionen etwa 10 bin 10 Ionen pro cm" ist, und daß die magnetische Schicht nach der Bestrahlung einer Ätzbehandlung unterzogen wird, so daß die Kernspuren der Ionen mindestens in dem überwiegenden Teil der Dicke der magnetischen Schicht ausgeätzt werden. Die hochenergetischen Ionen hinterlassen nämlich beim Eindringen in die magnetische Schicht Kernspuren hoher Defektdichte und einem Durchmesser von etwa 100Ä. Das gestörte Volumen dieser Kernspuren läßt sich durch selektive Ätzmittel herauslösen, wodurch Kanäle mit zylindrischem oder prismatischem Querschnitt

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entstehen. Der "Einfangquerschnitt" dieser Ätzkanäle für magnetische V/ände läßt sich weit über deren Abmessungen auf etwa die "Dicke" der V/ände erweitern, wenn Schichten z.B. mit planaren Misfit-Spannungen bestrahlt werden, so daß sich Spannungshöfe an den Ätzkanälen ausbilden können. Über Magnetostriktion wirken diese Sparmungshöfe als Haftregionen für magnetische V/ände. Natürlich würde eine ähnliche Haftwickung auf die magnetischen Wände von den geätzten Kernspuren ausgehen, wenn diese durch genügend langes Ätzen auf etwa die Wanddicke aufgeweitet würden. Dadurch allerdings entstehen optische Streuzentren, wodurch Auslesewirkungsgrad und magnetooptischer Kontrast stark vermindert werden.Die Erfindung indessen ermöglicht in gespannten Schichten eine hohe Haftv/irkung bei relativ geringem spezifischem Volumen der Kanäle. Wird durch Wärmepuls, z.B. mittels fokussiertein Laserstrahl, im äußeren Feld örtlich eine magnetische Domäne erzeugt, so bleibt die umgebende magnetische V/and nach dem Wärmepuls an den nächstgelegenen Ätzkanälen haften.

3) Ionenbestrahlung mit Dosen zwischen etwa 10 und 10 cm und Ätzung durch eine Maske:

Es ist auch möglich, daß vor dem Ätzen die magnetische Schicht über den Speicherzellen mit einer Maske aus einem Material bedeckt wird, das weitgehend resistent gegen den Ätzvorgang ist, und daß die Maske nach dem Ätzen der Kernspuren entfernt wird. Dadurch werden nur die Kernspuren ausgeätzt, die nicht von der Maske bedeckt sind. Die nicht geätzten Kernspuren bleiben magnetisch praktisch wirkungslos, da ihr Durchmesser (etwa 100$) wesentlich kleiner als die Dicke der Wande^OOoS) ist. Dadurch läßt sich wieder ein definiertes Muster erzeugen. Außerdem sind optische Streuverluste im Bereich der Speicherzellen minimiert. Dabei lassen sich auch in relativ dicken Schichten (z.B.£iOum) sehr gute Auflösungen erzielen, da es Unterätzung nicht gibt und im unten beschriebenen Fall eine hochauflösende Maskenstruktur erreichbar ist. Deshalb kann die Dosis relativ hoch

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gewählt werden (äriCKcnT ), woraus ein großes H resultiert.

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Bei d = 10 cm ergibt sich dann etwa ein spezifisches Streuvolumen von 3"10" , also zu vernachlässigen gegenüber dem magnetooptischen Wirkungsgradienten und Auslesekontrast der ungestörten Speicherzelle. Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens 3) ist die Anwendung einer Ätzmaske mit einer sagen wir, um eine Größenordnung verbesserten Auflösung. Dadurch wird wieder, wie im Verfahren 2) quasi eine, verglichen mit der Speicherplatzdichte unstrukturiorto Schicht erhalten, die dem Laser-Ablenker keine Randbedingungen setzt. Das ist möglich, weil das Maskenätzen von Kernspuren hochauflösend ist, sofern die Dosis nicht zu hoch gewählt wird und hochauflösende Masken resistent gegen das Ätzmittel sind.

Zum Ätzen können verschiedene selektiv wirkende Ätzlösungen verwendet werden. Vorteilhaft ist es zum Beispiel, daß als Ätzlösung eine auf 50⁰C bis 80⁰C erwärmte wässerige Lösung von 2596 konzentrierter Salpetersäure, 25?ό konzentrierter Essigsäure verwendet wird. Eine andere Ausgestaltung, die nicht mit einer flüssigen Ätzlösung arbeitet, ist dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle der Behandlung mit Atzlösung ein Sputterätzen in einer sauerstoffhaltigen Edelgasatmosphäre angewendet wird. Durch die Anwesenheit von Sauerstoff wird zwar die Ätzrate verringert, jedoch die Selektivität beim Ätzen erhöht. Allerdings ist die Tiefe der Ätzkanäle bei letzterer Ätztechnik geringer als bei ersterer und ihre Form ähnelt Kratern.

Ausführungsbeispiole der Erfindung worden nachstellend anhand der Zeichnungen naher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 eine scheinatische Darstellung einer gesamten Speicheranordnung ,

Fig. 2 die Abhängigkeit der Magnetisierung in einem ferrimacnetischen Granatmaxorial von der Temperatur,

Fig. 3 schematisch die bekannte Strukturierung durch Inselbildung,

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Fig.A einn durch Ionenbestrahlung mit hoher Dosis gebildete Doinänengrenze,

Fig.5 die Bildung von Domänengrenzen bei Bestrahlung mit Ionen kleiner Dosis und Ätzung durch Masken,

Fig.6 die Doinänenwandhaftung bei Ausätzung aller Kernspuren.

In der Speicheranordnung nach Fig.1 erzeugt der Laser 1 einen linoai' polarisierten Lichtstrahl, der in einem Lichtablenker 2, beispielsweise einem elektrooptischen Polarisationsschalter mit doppclbrechenden Prismsn, in verschiedene Richtungen wahlweise abgelenkt wird. Die Richtung der Lichtablenkung bestimmt ein Adressensignal am Eingang 3.

Das abgelenkte Licht fällt Je nach Richtung auf einen der magnetisierliaren Bereiche auf der Speicherplatte 4, die auf einen unmagnetisehen Substrat eine Anzahl in diesem Beispiel durch Inseln gebildete Bereiche aus einem ferrimagnetischen Graiiatmaterial besitzt. Dieses Material möge auf Grund des Herstellungsverfahrens eine derartige Anisotropie besitzen, daß der Magnetisierungsvektor senkrecht zur Oberfläche, d.h. in der Richtung des Lichtes oder entgegengesetzt, steht.

Ferrircapnetzjchc Granatmaterialien haben die Eigenschaft, daß sie eine unterhalb der Curietemperatur Tq und oft im Bereich der Raumtemperatur liegende Kompensationstemperatur T besitzent bei der die Magnetisierung verschwindet, wie aus Fig.2 zu erkc-nnen ist, die optische Aktivität Jedoch erhalten bleibt. In diesem Punkt läßt sich die Magnetisierungsrichtung durch äußere Magnetfelder praktisch nicht verändern. Zum Einschreiben einer Information wird ein Bereich auf der Speicherplatte A durch den Lichtstrahl so auf eins Schalttemperatur T erwärmt, bei der die Magnetisierung wesentlich von Null unterschieden ist, und gleichzeitig wird ein Schaltmagnetfcld H₃ angelegt. Venn der Magnetisierungsvektor des be-

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treffenden Bereiches vorher in der Richtung des Lichtes verlief, wird er jetzt durch das Schaltmagnetfeld in die entgegengesetzte Richtung umgeschaltet (oder umgekehrt), ohne daß die umliegenden Bereiche durch das Schaltmagnetfeld beeinflußt werden, wenn die Erwärmung des einen Bereiches kurz genug andauert, so daß die umliegenden Bereiche sich noch nicht erwärmen. Zum Auslesen wird ein polarisierter Lichtstrahl ohne angelegtes Feld auf den auszulesenden Bereich gerichtet, und aus der Richtung der Drohung der Polarisationsebene des Lichtes des aus der Speicherplatte austretenden Lichtstrahles ergibt sich die gespeicherte Information. Durch einen der Photodiode bzw. der Photodiodenmatrix 5 vorgeschalteten Analysator 7 kann die Polarisation des aus der Speicherschicht 4 austretenden Lichtes in Hclligkeitsunterschiede umgewandelt werden, die dann die Information angeben und die über Photodioden in elektrische Signale umgewandelt und gegebenenfalls nach Verstärkung am Ausgang 6 abgegeben werden.

Um die Speicherschicht 4 gut auszunutzen und möglichst viele Informationen speichern zu können, soll jeder Information nur ein flächenrnäßig kleiner Bereich zugeordnet v/erden. Von der Speicheranordnung lur ist die minimale Größe und die maximale Dichte der Bereiche durch den kleinsten Durchmesser des Lichtfleckes auf der Speicherschicht begrenzt, auf den der Lichtstrahl fokussiert werden kann, sowie durch die Genauigkeit der Ablenkung. Außerdem müssen die einzelnen Bereiche sowohl in der Größe wie auch in der Lage sehr stabil sein, um ein reproduzierbares Auslesen zu ermöglichen. Es ist bekannt, daß in spontan magnetisierten Schichten magnetische Domänen existieren können, deren Magnetißierungsrichtung zu der der angrenzenden Domänen entgegengesetzt ger fchtet ist. Benachbarte Domänen trennt eine magnetische Wand.·. Diese Domänen sind jedoch bei den Schichten, die für raagnetooptische Speicher verwendet werden und die sich mit geringen Schaltmagnetfeldern umschalten lassen, oft zu groß und unter Umständen zu leicht

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verschiebbar. Sie müssen also durch zusätzliche Maßnahmen kleiner und ortsstabil gemacht werden. Nach der aus der eingangs genannten Druckschrift "IEEE Transactions on Magnetics, vol Mag-11, no.5, September 1975, Seite 1097 bir, 1102" wird die ferrimagnetische Granatschicht daher in einzelne Inseln unterteilt, wie in Fig.3 dargestellt ist. Dazu wird auf ein Substrat 10 eine ferromagnetische Granatschicht 11 aufgebracht und danach mit einer Maske bedeckt, die die Granatschicht an der Stelle der späteren Vertiefungen 12 frei läßt, und dann wird die Granatschicht einem komplizierten Ätzprozeß ausgesetzt, der das Granatinaterial an den unbedeckten Stellen entfernt, so daß die Vertiefungen 12 entstehen. Eine in einer Insel 11 vorhandene Domäne erstreckt sich dann bis an den Rand dieser Insel. Magnetische Wände können diesen Rand Jedoch nicht überschreiten, so daß jede Insel ein Eindomänengebiet darsteilt, das unabhängig von den umliegenden Inseln und deren Magnetisierung ist.

Da wie erwähnt alle bekannten Ätzverfahren nur begrenzte Auflösung liefern, ist in Fig.4 noch einer Ausführungsform der Erfindung ο in Substrat 10 aus einem unmagnetischen Mats rial vorhanden, auf dem eine ferrimagnetische Granatschicht 11 aufgebracht worden ist, beispielsweise durch Flüssig-Epitaxie. Auf dieser Sranatschicht ist eine Maske in Form einer Schicht aus einem Element mit hohem Atomgewicht, beispielsweise Gold, so angebracht, daß die Granatschicht 11 außer an den Stel&i bedeckt ist, an denen die Grenzen der magnetischen Bereiche und damit der Informationsbereiche entstehen sollen. Die so mit einer Maske geeigneter Dicke (etwa 1,5Mm Gold) bedeckte Granatschicht νοη;£3μπι Dicke wird nun mit Kelium-Ionen bestrahlt, die auf eine Energie von hier z.B. 350 keV beschleunigt wurden. Ihre mittlere Reichweite in der Schicht 11, ist etwa 1μπι. Dadurch werden die Ionen die Schicht 11 im Bereich 12 in etwa konstanter Dichte durchsetzen und im Kristallgitter eine hohe Defektdichte hinterlassen. Bei einer Strahlungsdosis von

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d>iO Ionen pro cm' ergibt sich dann eine ausreichend große,

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örtlich quasi homogene Dehnung des Kristallgitters der Schicht 11, daß an der Randzone zum nichtbestrahl ten, unter der Maske 13 liegenden Gebiet der Schicht 11 ein genügender Spannv;ngr,gradicnt auftritt, der die magnetischen Eigenschaften der Schicht an dieser Stelle" verändert. In Fig.A ist ein schraffiertes Profil 12 der implantierten Helium-Ionen der Schicht 11 dargestellt, da3 nicht bis zum Grund dieser Schicht reicht. Durch die Kristallgitterdehnung bildet sich jedoch ein senkrecht dazu schraffierter Spnnnungshof aus, der mindestens eine Reichweite von 1μιη aufweist, ao daß Do;nänenmuster in Magnetschichten von etwa 2 bis 3 μιη Dicke dadurch ausreichend stabilisiert werden. Durch den mechanischen Spannungszustand in Büroich 12 der Schicht 11 wird die magnetische Anisotropie K für negative Magnetostriktionskonstante an dieser Stelle stark vermindert, und durch die gestörten Kristallgitter v/ird außerdem die magnetische Austauschonergie A verringtiit, so daß die Wandenergie o_tf im Bereich 12 ein Minimum hat, wie im oberen Teil der Fig.4 dargestellt ist. Dadurch wird sich eine Domäne in der Schicht 11 bei nicht zu großem äußeren Magnetfeld bis zu diesem Minimum ausbreiten, jedoch nicht darüber hinauslaufen, so daß auf beiden Seiten des Bereiches 12 Domänen mit unterschiedlicher Richtung der Magnetisierung M bestehen könran, Wenn die Maske aus einer Goldschicht mit einer Dicke von ca. 1,5 μιη besteht, können darin durch Sputterätzen in Argon-Sauerstoff-Plasma öffnungen in etwa der gleichen Größenordnung eingeätzt werden, so daß die Trennung^gebiete 12 zwischen den einzelnen Informationsgebieten entsprechend schmal werden und. somit eine hohe Informationsdichte möglich ist. Die Goldmoake 1j5 v/ird nach cli.m Bestrahlen entfernt. Dieses Strukturiorungsvorfahren hat dan Vorteil nahezu perfekter Abbildung der Maske auf die Schicht ohne Probleme der Unterätzung. Die Goldmaske läßt sich außerdem durch Sputterätzen hochauflösond herstellen.

An Stelle einer Erniedrigung der Wandenergie a_w bildet sich bei einem Material mit positiver Magnetostriktionskonstanten ein

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Maximum der Wandenergie σ., im bestrahlten Bereich der magnetischen Schicht aus. Auch dadurch können Doraänenmuster stabilisiert werden.

Durch Verringerung der magnetischen Anisotropie im bestrahlton Bereich der magnetischen Schicht, sowie durch die Drehung dos Anisotropievektors ergibt sich eine höhere Empfindlichkeit der ria^nctioiorungsrichtAing gegenüber einem äußeren magnetischen Schaltfeld. V,^renn also ein solches, durch implantierte Bereiche umschlossenes Gebiet der Magnetschicht bei Anwesenheit eines äußeren Magnotfeldes entgegengesetzter Richtung durch z.B. einen Laserstrahl über die Ko:nponsaticnstemperatur erwärmt wird, kann die Magnetisierung in den Randbereichen, wenn diese mit erwärmt werden, leichter dem äußeren magnetischen Schaltfeld folgen und umklappen, wodurch sich eine magnetische Wand bildet, die durch Wannbov.'ogung dann auch den Rest des Gebietes umklappt. Durch die Strukturierung mittels Ionenimplantation kann sich also eine erhöhte Einschreibernpfindlichkeit der so gebildeten Speicherschicht ergeben.

Fall: die Haftung der magnetischen Wände an den Rändern der einzelnen Gebiete, d.h. am übergang zum bestrahlten Bereich, noch verbessert werden muß, ist es möglich, die bestrahlten Bereiche herauszuätzen. Dazu können selektive Ätzverfahren vorwendet worden, die später näher beschrieben werden und in denen gestörte Kristallbsreiche wesentlich schneller herausgelöst v/erden als ungestörte Bereiche. Dadurch kann das implantierte: Material nahezu exakt herausgelöst werden, so daß ein weitgehend rechtwinkliger Graben mit senkrechten Wänden ohne Unterätzung entsteht.

In Fig.5 ist eine Speicherschicht in Draufsicht und darunter im Schnitt längs de3" Lirie A-A dargestellt, die auf eine etwas andere Weise strukturiert wurde. Auch hier ist wieder ein Substrat 10 vorhander, das beispielsweise aus (Gd,Ca), (Ga, Zr)₁^ O₁^ bestehen kam und urimagnetisch ist. Darauf ist z.B. auch eine torririi^gnotii^be einltristallinc Granatschicht bei-

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spielsweise mit der Zusammensetzung (Gd,Bi), (Fe,AIjGa)₅O₁₂ durch Flüssig-Epitaxie aufgebracht, deren Gitterkonatante nicht genau angepaßt ist. Diese Granatschicht wird einer Bestrahlung mit Ionen ausreichend hoher Energie aber kleiner Dosis ausgesetzt.

Die Granatschicht 11 wird ohne Bedeckung mit einer Maske vollständig mit Ionen bestrahlt. Die einzelnen Ionen hinterlassen im Kristallgefüge der Granatschicht 11 sogenannte Kernspuren mit einem Durchmesser in der Größenordnung I00S, in denen das Kristallgitter stark gestört ist, wa3 sich jedoch praktisch noch nicht auf die magnetischen Wände der Schicht auswirkt, da diese Dimensionen weit unterhalb der Wandstärke von Domänen liegen.Es wurden selektive Ätzlösungen gefunden, beispielsweise eine heiße wässerige Lösung von 25 vol % konz.HN0,+25 vol % konz. CH, COOH, in der das gestörte Kristallgefüge ein sehr viel größeres Lösungsvermögen hat als das ungestörte Kristallgefüge, (xm beschriebenen Fall einige 10 :i). Auch beim Sputterätzen in einer Atmosphäre aus Argon und Sauerstoff wird durch den Sauerstoffanteil das gestörte Kristallgefüge stärker abgetragen als das nichtgestörte. Wenn also eine bestrahlte Granatschicht beispic"¹ rweise ... der o.g. flüssigen Ätzlösung bei 70° während 30 Min. behandelt wird, werden die Kernspuren als Kanäle 12 mit Kraterrand an der Schichtoberfläche ausgeätzt. Diese können bei geeigneter Dicke der Granatschicht 11 bzw. hinreichend hoher Ionenenergie durch die ganze Schicht hindurch bis in das Substrat hineinreichen. Derartige Ätzkanäle 12 und ein Querschnitt eines von diesen sind in Fig.5 dargestellt. Dort ist die Granatschicht 11 nach dem Bestrahlen mit Ionen durch eine Maske 13 abgedeckt worden, deren Material gegen das verwendete Ätzverfahren weitgehend resistent ist, und dann wurde die Schicht einer Ätzbehandlung ausgesetzt. Dadurch sind also nur die Kernspuren zu Kanälen ausgeätzt worden, die nicht von der Maske 13 bedeckt wurden. Die Bereiche mit ungeätzten Kernspuren stellen die Informationsspeicherzellen dar, in denen das

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gestörte Schichtvolumen anteilmäßig sehr gering ist. Hier sollten zweckmäßigerweise die Spannungshöfe Minima der Wandenergie darstellen, d.h. bei planer Druckspannung sollte die Schicht eine positive Magnetostriktionckonstante X ,bei planer Zugspannung eine negative Magnetostriktionskonstante λ aufweisen.

Denn besonders wirksam haften Magnetwände an diesen Ätz1:unneXn, wenn die Granatschicht 11 sich in einem Spannungszustand befindet d.h. daß in dieser Schicht beispielsweise eine planare Druckspannung besteht, die dadurch erzeugt werden kann, daß die Kristallgitterkonstante der Granatschicht 11 etwas größer ist als die des Substrates 10, beispielsweise einen Unterschied von 0,02 S besitzt. An den Stellen der ausgeätzten Kanäle 12 gleicht sich diese Druckspannung dann zumindest zum Teil aus, so daß in der Umgebung eines Ätztunnels ein mechanischer Spannungsgradient auftritt, wie durch den schraffierten Bereich im Querschnitt der Fig.5 in der Umgebung des Tunnels 12 angedeutet ist. Durch diesen mechanischen Spannungsgradienten tritt über die Magnetostriktion ein Gradient der magnetischen Anisotropie auf. Dadurch ändert sich die Vandenergie o_w bei negativem X, wie in Fig.h angegeben, so daß eine Domäne in ihrer Verschiebung durch einen solchen Kanal behindert wird. Liegen derartige Kanäle genügend dicht, läßt sich die Wand mir durch größere Magnetfelder verschieben. Dabei sollten sich jedoch die Spannungshöfe nicht überschneiden, damit der volle Anisotropiegradi&nt auf die V/and wirksam wird. Daher erscheinen in diesem Fall Dosen3> 10^/cm nicht zweckmäßig.

Dadurch ist es also möglich, daß in den infolge der Maske 13 nicht ausgeätzten Bereichen unabhängig voneinander Domänen bestehen können, die sich gegenseitig praktisch nicht bsoinflussan Die minimale stabile Größe der durch geätzte Kernspuren stabilisierten Domänen hängt bei optimaler Dosis von der Wandenergie und dem Anisotropiegradienten ab. Bei optimaler Dosis kann die Auflösung dadurch vergrößert werden, daß die Gitterfehlanpassung vergrößert oder die Ätzzeit verlängert oder ein Material

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mit einer größeren Magnetos triktionskonstr.nten gewühlt wird. In allen Fällen wird nämlich der Wirkungsquerschnitt der Krater vergrößert. Es ist auch zweckmäßig, die uniaxiale magnetische Anisotropie zu verringern. Wird die Do.sis wesentlich über 10 cm " erhöht, so entstehen durch Atzung quasi zusammenhängende Lücken im Kristallgitter, die in der Wirkung dem in Fig.3 dargestellten Verfahren entsprechen.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Speicherschicht 11 i£'t dagegen weder beim Bestrahlen mit Ionen noch bein Ätzen eine Maske verwendet worden. Dadurch sind alle Ionen, die die Speicherschicht beim Bestrahlen getroffen haban, danach zu Kanälen 12 ausgeätzt worden, wie in Fig.6 zu ersehen ist. Vorteil dieses Verfahrens ist, daß also zunächst überhaupt keine feste Struktur für die Informationsbereiche vorgegeben ist.

Es werde angenommen, daß die Schicht in Fig.6 durch einen a'c.-a kreisförmigen Lichtfleck, der durch die schraffierte Fläche Vi angedeutet int, kurzzeitig aufgeheizt wird, während gleichzeitig ein Schaltmagnetfeld ausreichender Größe mit einer Richtung entgegengesetzt zu dem vorhandenen Magnetisierungsvektor anliege. Dann wird sich also in dem erwärmten Bereich die Magnetisierung umkehren, d.h. es wird eine Domäne mit etvn zylindrischer Wand gebildet. Da ein Schieb, traaterial verwendet wird, in dem sich ohne Störungen nur sehr große Domänen aufrechterhalten lassen (die Magnetisierung ist klein), wird sich die erzeugte Domäne also ausbreiten, bis die V/ände außerhalb des Lichtflecks durch Kanäle aufgehalten werden. Diese Donäm; sei durch die geradlinige Verbindung 16 der Kanäle 12 außerhalb bzw. auf dem Rand des Lichtflecks mit der quer aim Lichtfleck liegenden Schraffur angedeutet. Nach erfolgtem V/ärinepuls bleibt diese Domäne bei hinreichend hoher Defektdichte auf Grund der erhöhten Wandhaftung stab'· ' , eiern ihr Durchmesser und das

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Koerzitivfeld II nicht r-u kl ο in sind. Abgesehen davon, daß

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das Herstellungsverfahren einfacher ist, ergibt sich dadurch auch der Vorteil, daß das Lichtabienkermuster nicht mit einer vorgegebenen Schicht-Struktur übereinstimmen muß. Die unmagnetisiorten Bereiche, die jeweils eine Information enthalten, werden indessen durch den Lichtablenker selbst bestimmt. Die bei der Bestrahlung verwendete Dosis ist zum einen dadurch bestimmt, daß die einzelnen Tunnel 12 ge*· niigend eng bdeinander liegen, so daß sich auch bei Aufheizen eines kleinen Flecks nicht zu große Domänen ausbilden. Für eine Dostänengröße von unter iOum ist daher eine Dosis von etA^a

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10 Ionen pro cm oder größer notwendig. Andererseits darf die Dosis auch nicht zu hoch sein, damit sich die Spannungsausgleichhöfe um die einzelnen Tunnel 12 nicht überlappen. Aus diesem Grunde fct die maximale Dosis bei vorgespannten Schichten auf etwa 10 Ionen pro cm begrenzt. Im Fall 3) sind allerdings auch wesentlich höhere Dosen gestattet, wenngleich daraus in Schichten mit planarer Spannung keine wesentliche Steigerung

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des H zu erwarten ist, da sich dfe Spannungshöfe dann mehr und mehr überlappen.

Bei den zuletzt anhand der Fig.5 und 6 beschriebenen Schichten, bei denen die Haftstellen für die magnetischen Wände durch Bestrahlung mit Ionen niedriger Dosis und anschließendes selektives Zitzen erzeugt werden, tritt wie beim Verfahren 1) eine Erhöhung der Einschreibempfindlichkeit auf. An den durch Ätzen entstehenden Ätztunneln kann ein in die magnetische Schicht durch Gitterfehlanpassung ans Substrat eingebauter homogener Spannungszustand relaxieren, vobei ein Anisotropiegrrdient auftritt. Venn also das Material der magnetischen Schicht eine negative Magnotcstriktionskonstante hat und um die Ätzkanäle Senken einer planaren Zugspannung auftreten, lassen sich beim thermomagnetischen Schalten dort schon mit geringen Hagnetfeldern magnetische Wände erzeugen, die schließlich durch Verschiebung den ganzen Speicherplatz umklappen. Dieser Effekt ist bei den Magnetschichten gemäß Fig.6, bei denen alle Kemspuren ausgeätzt werden und somit auch die

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innerhalb eines Speicherbereiches liegenden, besonders ausgeprägt. Bei Speicherschichten gemäß Fig.5 tritt dieser Effekt nur auf, wenn beim Erwärmen eines Dereiches mjttols eines Laserstrahles auch der Randbereich, d.h. ein Teil des Dereichen'mit den Ätzkanälen zwischen den Speicherbereichen, merklich mit erwärmt wird.

In einem Beispiel, wurde eine epitaktisch aufgebrachte Eisengranatschicht der Zusammensetzung (Gd,Bi), (Fe,Ga,AI)₁-CLp verwendet, wobei die Kristallgitterfehlanpassung an das Substrat etwas größer als 1°/oo war. Die uniaxiale Anisotropie der ungestörten Schicht war kleiner 10 erg/cm und die Kompensationstemperatur der Magnetisierung lag zwischen etwa O⁰C und Ao°C. Bei Schichtdicken bis etwa 1Ομιη konnten nach Bestrahlung mit

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einer Dosis größer 10 Ionen /cm magnetische Domänen mit beliebiger Flächenverteilung und Durchmessern von kleiner i0um gespeichert werden.

Anstelle der Bestrahlung der magnetischen Schicht mit Ionen zur Erzeugung von Kristallgitterstörungen kann auch das einkristalline Substrat, auf das die magnetischen Schichten epitaktisch aufgebracht werden, durch Ionenbestrahlung gestört werden. Diese Störungen pflanzen sich bei dem Aufwachen der magnetischen Schicht in dieser fort, so daß sich diese annähernd wie bestrahlte Magnetschichten verhalten.

Es können also auf verschiedene V/eise Speichermaterialien hergestellt werden, in denen Domänen mit kleinen Abmessungen ortsstabil aufrechterhalten und umgeschaltet werden können. Allen Möglichkeiten ist gemeinsam, daß die Domänen bzw. deren Wände durch Unregelmäßigkeiten in der Speicherschicht festgehalten werden, die durch Bestrahlung mit Ionen erzeugt werden und die einen Gradienten der magnetischen Eigenschaft, d.h. der Anisotropie , der magnetischen Austauschenergie oder von beiden erzeugen. Die genaue physikalische Wirkung der in beschriebener Weise erzeugten Störstellen auf die Wandhaftung ist nicht im einzelnen beschrieben worden, da dies für das Prinzip der Erfindung und deren Verständnis nicht notwendig

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erscheint. Die Erfindung ist nicht auf ferrimagnetische Granatschichten oder auf durch Flüssig-Epitaxie hergestellte magnetische Schichten beschränkt.

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Leerseife

Claims

GESELLSCHAFT FÜR SCHWERIONEN- Darmstadt, den 14. Juli 1977

FORSCHUNG MBII, DARMSTADT PLA 7747 Sdt/sz

Patentansprüche :

ζΤ} Magnetische Schicht zur Speicherung von Informationen in Form ortsstabiler geometrischer Muster von Domänen mit ■ mindestens zwei unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen in der magnetischen Schicht, bei der die Domänenwändfv durch örtliche Gradienten der magnetischen Eigenschaften der magnetischen Schicht fixiert Kind, fy\6urch pokennzeiohnc^ daß die örtlichen Gradienten (12) Änderungen dor Größe und/oder Richtung der magnetischen Anisotropie und/oder der magnetischen Austauschenergie ohne wesentliche Änderung der Größe der Magnetisierung sind, die durch Änderungen des mechanischen Sparmungszustandes und/oder Gitterperfektion in einem wesentlichen Teil der Dicke der magnetischen Schicht (11) mittels Bestrahlung dieser Schicht durch beschleunigte Ionen hervorgerufen sind.
2. Verfahren zum Herstellen der magnetischen Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich.)et, daß vor der Bestrahlung der magnetischen Schicht eine Maske in Form einer Schicht aus einem Element mit hohem Ataingewicht,z.B. Gold, aufgebracht wird, die die magnetische Schicht außer an den Stellen, wo die örtlichen Gradienten erzeugt werden sollen, bedeckt, und daß diese Schicht nach der Bestrahlung entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Maske bedeckte magnetische Schicht duroh Ionen mit einer solchen Energie bestrahlt wird, daß die Eindringtiefe nicht wesentlich kleiner als die Dicke der magnetischen Schicht ist, wobei die Anzahl der in die magnetische Schicht

1t; ρ

eindringenden Ionen größer als 10 Ionen pro cm ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch trekemrzeichn ο t, daß eine auf ein Substrat aufgebrachte magnetische Schicht verwendet wii'd, die sich in einem mechanischen Spannungszustand ^ insbesonüere infolge einer Fehlanpassung der Kristallgitter- ..,_;. konstanten des Substrates und der magnetischen Schicht be- ?|

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findet, daß zum Bestrahlen hochenergetische Ionen verwendet, werden, die auf eine derartige Energie beschleunigt sind, daß die mittlere Eindringt!eie größer ist als die Schichtdicke, wobei die Anzahl der in die magnetische Schicht eindringenden

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Ionen etv/a 10 bis 10 Ionen pro cm ist, und daß die magnetische Schicht nach der Bestrahlung einer Ätzbehandlung unterzogen wird, so daß die Kernspuren der Ionen mindestens in.dem überwiegenden Teil der Dicke der magnetischen Schicht ausgeätzt werden.
5. Verfahren zum Herstellen der magnetischen Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf ein Substrat aufgebrachte magnetische Schicht verwendet wird, die sich in einem mechanischen Spannungszustand insbesondere infolge einer Fehlanpassung der Kristallgitterkonstante des Substrates und der magnetischen Schicht befindet, dai3 die magnetische Schicht durch hochenergetische Ionen bestrahlt wird, die auf eine derartige Energie beschleunigt sind, daß die mittlere Eindringtiefe größer ist als die Schichtdicke, wobei die Anzahl

6 Q der in die Schicht eindringenden Ionen etwa 10 bis 10 Ionen

pro cm ist, und daß die magnetische Schicht nach der Bestrahlungen einer solchen Ätzbehandlung unterzogen wird, daß die Kernspuren der Ionen mindestens in dem überwiegenden Teil der Dicke der magnetischen.Schicht ausgeätzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ätzen die magnetische Schicht außer an den Stellen der örtlichen Gradienten mit eitier Masko aus tinom Material bedeckt wird, das weitgehend resistent gegen die Ätzlösung ist, und daß die Maske nach dem Ätzen der Kernspuren ohne Beeinträchtigung der magnetischen Eigenschaften der Schicht entfernt v/ird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ,..ggkennzeichnet, daß das Substrat mit niederenergetischen Ionen geringer Dosis

fi Q —P

(10 bis 1(K cm" ) bestrahlt, selektiv geätzt, und danach erst die Magnatschicht, möglichst unter Gitterfehlanpassung, (epitaktisch) abgeschieden v/ird.

I α s o \ ε e 3 c ο s

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ORIGINAL WSPKTED
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch fc zei«bn£t, daß als Ätzlösung eine auf > 50° erwärmte wässerige Lösung von 25/j konzentrierter Salpetersäure, 25% konzentrierter Essigsäure verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 und 7, dndurch gekennzeichnet, daß als Ätzmaske ein Photoresist benutzt vird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7» dadurch cekennzc.i.chnfit, daß an Stelle der Behandlung mit ÄtzTösung ein Sputterätzen in einer sauerstoffhaltigen Edelgasatmosphäre angewendet v/ird.

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