DE3111657A1

DE3111657A1 - Verfahren zur herstellung von magnetfilmsubstrat-zusammensetzungen

Info

Publication number: DE3111657A1
Application number: DE19813111657
Authority: DE
Inventors: Milan Rastislav Kokta; Roger William San Diego Calif. Taylor
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1980-03-27
Filing date: 1981-03-25
Publication date: 1982-01-28
Also published as: DE3111657C2; CA1171342A; US4293371A; JPS571216A; FR2479277A1; FR2479277B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Wachstum von epitaxialen Hagnetfilmen auf granatartigen Substraten zur Herstellung von Zusammensetzungen zur Verwendung bei Kagnetbläschen-Anwendungen. Insbesondere gibt die vorliegende Erfindung eine Methode zur Herstellung von Zusammensetzungen hoher Qualität von Hagnetfilmen auf granatartigen Substraten, wobei diese Filme eine verbesserte uniaxiale Anisotropie aufweisen.

Die Verwendung von dünnen Filmsubstratzusammensetzungen für Magnetbläschenanwendungen ist bekannt, und Verfahren für die Herstellung solcher Zusammensetzungen durch Flüssigphasen-Epitaxie (LPE) sind in der US-PS 3 790 405 und in der US-PS 3 837 911 beschrieben.

In einem bekannten LPE-Verfahren wird eine geschmolzene Oxidflußlösung unterkühlt und ein in geeigneter Weise kristallographisch orientiertes granatartiges Substrat, z.B. in Waferform, das geeigneterweise etwa 0,05 cm (0,02 inch) dick und etwa 2,5 bis 7,5 oder mehr Zentimeter (1 bis 3 oder mehr inches) Durchmesser hat, in die unterkühlte Schmelze eingetaucht, so daß auf der Substratoberfläche ein Filmwachstum stattfindet, wobei die Zusammensetzung des Films selektiv verschieden ist von der Zusammensetzung des granatartigen Substrats, so daß der auf dem Substrat gewachsene LPE-FiIm durch eine uniaxiale magnetische Anisotropie charakterisiert ist. Eine Filmwachstumsrate in der Größenordnung von etwa 0,25 bis 1 Mikron pro Minute kann durch das LPE-Verfahren leicht erreicht werden und die gewünschte Filmdicke kann in wenigen Minuten erhalten werden. Das LPE-Verfahren wird unter isothermen Bedingungen durchgeführt und es ist üblich, das eingetauchte Wafersubstrat während des Wachstums

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in einer Ebene parallel zur Oberfläche der unterkühlten granatartigen Oxidschmelze kontinuierlich zu rotieren oder zu oszillieren, um über die Waferoberfläche ein im wesentlichen gleichförmiges Filmwachstum zu erreichen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Flüssigphasen-Epitaxieverfahren zur Herstellung dünner Magnetfilm-granatartiger Substratzusammensetzungen zu schaffen.

Weitere Ziele werden aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen offenbar.

Figur 1 zeigt eine Vorrichtung, die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist und

Figur 2 zeigt eine detailliertere Ansicht eines l'eils der Vorrichtung von Fig. 1.

Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wird eine Schmelze eines Magnetfilm-bildenden Materials verwendet, die mindestens zwei verschiedene Elemente in Form von Oxiden enthält, die unter Ausbildung eines Films reagieren, der durch eine magnetische Ordnung charakterisiert ist. Geeigneterweise wird eine granatartige oxidhaltige Schmelze verwendet, die einen magnetischen granatartigen Film bildet, der eine uniaxiale Anisotropie aufweist, wie in der oben genannten US-PS .3 837 911 beschrieben ist, d.h., eine granatartige Zusammensetzung, die mindestens zwei Kationen enthält, gewöhnlich zwei Ionen seltener Erden, in dodekaedrischer Anordnung, geeigneterweise der allgemeinen nominellen Stöchiometrie Y^Fe₁-O_{1 ?}. Beispiele geeigneter Filmzusammensetzungen, wie sie in der US-PS 3 837 911 genannt sind, sind:

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Er₂Eu₁Ga₇Fe₄ 5O₁

^Gd2,79^Tb0,21^Fe5°12

^Y1,00^2,00^Α10,33^Fe4,67°12 ^Υ1,03^1,29^Yb0,68^Al0,7^Fe4,3°12 ^Y1,75^Gd1,0^Eu0,25^Al0,6^Fe4,4°12

Bevorzugte Filmzusammensetzungen, die auf dem Vorstehenden basieren, werden mit Calcium und Germanium modifiziert und enthalten Samarium, Thulium und Lutetium. Beispielhafte Zusammensetzungen sind die folgenden:

£^Y0,462^Sm0,28^Ca0,94^Lu0,318} [^Lu0,022^Fe1,958^Ge0,02J ^(Fe2,08^Ge0,92⁾⁰12 £^Y0,46^Sm0,46^Ca0,7^Lu0,38} [^Lu0,020^Fe1,9s] (^Fe2,3^Ge0,72>°12

Solche Zusammensetzungen werden vorzugsweise durch Schmelzen einer Mischung der Oxide der jeweiligen Elemente hergestellt.

Zusätzlich zu den oben genannten granatartigen Filmzusammensetzungen sind als weitere geeignete Filmzusammensetzungen hexagonale Ferrite zu nennen, z.B. Ba₂Zm₃Fe₁₂O₂₂, Ba ^Fe-]2°19 und Spinell-Ferrite Me²⁺ Ga₃O₄, Me²⁺ La₃O₄, Me²⁺FeO₄, worin Me²⁺ Mg, Ni oder Cu ist.

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Ein granatartiges Substrat, worauf der Magnetfilm wachsen kann, ist ein (111) oder (100) granatartiger Wafer mit einem Raumgitter-Parameter, der bei Raumtemperatur nahe dem des Films liegt, wie in der oben genannten US-PS 3 897 911 beschrieben ist; die bevorzugten Substrate, die ebenfalls in der US-PS 3 897 911 beschrieben sind, sind Gd₃Ga₅O₁₂ und Nd₃Ga₅O₁₂, weitere geeignete Substrate sind Sm₃Ga₅O₁₂, Eu₃Ga₅O₁₂, Gd₃In₂Ga₃O₁₂, Gd₃Sc₂Ga₃O₁₂.

Bei einem geeigneten Substrat, z.B. einem (111) Wafer aus Gd₃Ga₅O₁₂ -Gadolinum-Gallium-granatartigen Substrat (GGG) und einer unterkühlten Schmelze, z.B. eine der vorerwähnten bevorzugten granatartigen Zusammensetzungen in Lösung mit einer Schmelze, wie z.B. einem PbO- oder Bi₂0₃-System bei einer Temperatur von 960⁰C, wird der Wafer unter isothermen Bedingungen in die unterkühlte Schmelze eingetaucht, wobei die flache Oberfläche des eingetauchten Wafer, auf die der Film aufgebracht werden soll, parallel zur Oberfläche der Schmelze ist und in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Schmelze gedreht wird. Auf einer solchen Oberfläche des eingetauchten GGG-Wafer findet das Filmwachstum statt und wenn die gewünschte nominelle Filmdicke erreicht ist, beispielsweise 3 Mikron, wird die Drehung des Wafer beendet und der Wafer wird stationär 0,5 bis 50 Sekunden in der Schmelze gehalten. Wenn die Drehung beendet wird, findet nur noch eine sehr kleine Zunahme der Filmdicke statt, beispielsweise 10 bis 800 S. Die Zusammensetzung der nur noch sehr kleinen Filmzunahme, die stattfindet, während der Wafer stationär ist, variiert in Abhängigkeit Von der Zusammensetzung, die während der Rotation infolge der ausgewählten Wachstumsbedingungen erhalten wird. Der Wechsel in der Zusammensetzung ist nur sehr klein und ist nicht direkt bestimmbar, er wird

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jedoch durch eine sich ergebende Zunahme der magnetischen Anisotropie gezeigt. Nach der stationären Periode wird der Wafer aus der Schmelze entfernt. Der während der Rotation geivachsene Film ist in senkrechter Richtung zur Filmoberfläche, beispielsweise zur Substratoberfläche, gerichtet anisotrop und der leichte Zuwachs während der stationären Periode ist in der Zusammensetzung in der gleichen Richtung gerichtet anisotrop und verbessert die Anisotropie der magnetischen Eigenschaften in dieser Richtung in signifikanter Weise.

Die sich ergebende dünne Magnetfilm-granatartige Substratzusammensetzung ist durch einen größeren Qualitätsfaktor charakterisiert, der ein Maß für die Blasenstabilität des Films ist, und zwar infolge einer verbesserten uniaxialen anisotropen Konstante Ku. Der Qualitätsfaktor Q für einen Film ist direkt proportional der Anisotropiekonstante des Films Ku und ist durch die bekannte Gleichung wie folgt definiert:

Q =

(2rMs)²

worin Ku die Anisotropiekonstante des Films und Ms die Sättigungsmagnetisierung des Films ist.

Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit Fig. 1 der Zeichnungen näher erläutert, worin ein granatartiges Substrat 10, beispielsweise ein kreisförmiger GGG-Wafer mit einer Dicke von 0,05 cm (0,020 inch), 7,5 cm (3 inch) Durchmesser, <C111> Orientierung, in einem Platindrahtträger 20 angeordnet ist, wie in Fig. 2 noch genauer gezeigt ist. Der !'rager 20 ist

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fest mit einem Aluminiumstab 30 verbunden, der mit einer übli- ^! chen Kristallziehvorrichtung, die nicht gezeigt ist, verbunden ist, die betätigt werden kann, so daß der Träger 20 und das Substrat 10 gehoben und gesenkt und rotiert v;erden kann. Das Substrat 10 ist in einem Heizofen 40 vom Resistortyp gelegen, z.B. Minibrate, Thermco Products Corp., der ein wassergekühltes Gehäuse 50 enthält, das auf einer Aluminiumoxidplatte 60 gestützt wird, sowie umhüllende konzentrische Aluminiumröhren 70, 80 und einen Aluminiumsockel 90. In dem Raum 100 unter dem Aluminiumsockel 90 ist zur Hitzeabschirmung eine keramische Isolierung, z.B. Fiberfrax (Warenzeichen der Carborundum Co.), vorgesehen. Ein Platintiegel 110 ist auf dem Sockel 90 befestigt, sowie eine Vielzahl von konzentrischen Platinblechen 120, die durch konzentrische Aluminiumoxidröhren 130, 140 separiert und gestützt werden, die zur Ausrichtung der Platinbleche dienen.

Nach dem Heizen des Ofens 40 bildet sich in der Aluminiumröhre 80 eine isotherme Zone 150 aus, beispielsweise bei 96O⁰C. Eine geeignete Oxidflußschmelze 16O, z.B. ein granatartiges Substrat PbOiBpO^ wird im Tiegel 100 vorgegeben. Die Schmelze wird bei der Temperatur der isothermen Zone 150 gehalten. Das granatartige Substrat 10 wird in der isothermen Zone 150 oberhalb der Oberfläche der Schmelze 160 mit seinen flachen Oberflächen parallel zur Oberfläche der Schmelze positioniert und die Temperatur des Wafer wird auf die Temperatur der isothermen Zone 150 eingestellt. Das Substrat 10 wird in einer Ebene parallel zur Schmelzoberfläche gedreht, z.B. mit 10 bis 500 UpM, wobei die schnelleren Umdrehungsgeschwindigkeiten bei Wafern mit kleinerem Durchmesser, z.B. 2,5 cm (1 inch) verwendet

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werden und die langsameren Geschwindigkeiten bei Wafern größeren Durchmessers, z.B. Ms zu 10 cm (4 inches) verwendet werden. Die Drehung kann oszillierend sein, z.B. eine oder mehrere Umdrehungen im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, mit schnellem Wechsel der Drehungsrichtung, d.h. die Waferdrehung wird weniger als um etwa 10 Hikrosekunden umgedreht. Das Substrat wird abgesenkt und unter fortwährender Rotation in die SchiiELze 16O eingetaucht. Infolge der Konstruktion und bekannten Wirkung eines Heizapparates kann im allgemeinen ein Magnetfilmwachstum von der S_chmelze auf die <111> flache Oberfläche des granatartigen Substrats, im allgemeinen im Bereich von 0,4 bis 1,0 Mikron pro Minute, vorzugsweise 0,5 Mikron pro Minute, erwartet werden. Wenn eine gewünschte bestimmte nominelle Filmdicke erreicht worden ist, z.B. 7,5 Mikron-Zentimeter (3 microns inch), die geeignet ist zum !'ragen von Magnetblasen, wird die Rotation des Substrats 10 beendet und die Filmsubstratzusammensetzung wird 0,5 Sekunden, geeigneterweise etwa 12 Sekunden, stationär in der Schmelze 16O gehalten. Die Länge der stationären Periode ist so, daß sie ausreicht, um eine Verbesserung der magnetischen Anisotropie infolge des sehr leichten zusätzlichen Filmwachstums während der stationären Periode zu ergeben. Eine gewisse Verbesserung ist in etwa 0,5 Sekunden zu erhalten, wobei etwa 10 bis 20 Sekunden hinreichend sind, um eine wesentliche Verbesserung zu bewirken, während bei mehr als 50 Sekunden praktisch keine weitere signifikante Verbesserung bewirkt wird; eine stationäre Periode von mehr als 5 Minuten kann zu unerwünschter Kernbildung in der Schmelze führen. Während das Substrat stationär ist, findet kein weiterer wesentlicher Zuwachs der Filmdicke statt; jedoch wird ein sehr dünner Film

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von leicht unterschiedlicher Zusammensetzung gegenüber dem während der Rotation gebildeten Film während der stationären Periode gebildet. Nach der stationären Periode wird die Filmwafer-Zusammensetzung aus der Schmelze gehoben und wiederum 3 Minuten lang mit 300 UpM rotieren gelassen und dann aus der Vorrichtung entfernt. Der magnetische Film der erhaltenen granatartigen B'ilmsubstratzusammensetzung hat uniaxiale Anisotropie und kann Magnetblasen mit einer verbesserten Blasenstabilität speichern infolge des verbesserten Ku, der uniaxialen anisotropen Konstanten.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung näher.

Beispiel 1

Eine Schmelze mit der unten angegebenen Zusammensetzung wurde in einer Menge von 6000 g in einem 0,125 cm (0,05 inch) dicken Platintiegel, 10 cm (4 inches) innerer Durchmesser χ 15 cm (6 inches) hergestellt.

Y₂O₃ 17,071 g Sm₂O₃ 5,58 g Lu₂O₃ 11,938 g CaO 33,97 g GeO₂ 77,4337 g Fe₂O₃ 487,7 g B₂O₃ 105,18 g PbO 5057,88 g

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Der die Schmelze enthaltende Tiegel wurde durch einen Resistorofen erhitzt, wodurch eine isotherme Zone bei einer 'i'emperatur von 960°C um den Tiegel herum aufrechterhalten wurde. Ein Substrat von GGG -c111^ von 0,05 cm (0,020 inch) Dicke und 7,5 cm (3 inch) Durchmesser wurde durch einen Halter in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Schmelze im Tiegel gehalten und oberhalb der Schmelzoberfläche in der isothermen Zone positioniert, um das Substrat auf die Temperatur der isothermen Zone aufzuheizen. Das erhitzte Substrat wurde mit 18 UpM gedreht (2 Umdrehungen im Uhrzeigersinn, dann 2 Umdrehungen gegen den Uhrzeigersinn mit einer Umkehrungszeit von weniger als 10 MikrοSekunden) in einer Ebene, die parallel zur Oberfläche der Schmelze im Tiegel war,und während der Rotation wurde das Substrat abgesenkt und in die Schmelze eingetaucht. Die Rotation wurde dann mit dem in die Schmelze eingetauchten Substrat eine Zeit fortgesetzt, die hinreichend war, um einen 3 Mikron dicken Film von Y LuCa fFe₂] (B^₂Ge)O₁₂ auf der <111> Oberfläche des Substrats zu erzeugen; die Zeit des Filmwachstums betrug 6 Minuten, wonach die Rotation des Substrats 12 Sekunden angehalten wurde, wobei das Substrat in der Schmelze eingetaucht blieb. Am Ende der 12 Sekunden langen stationären Periode wurde die Rotation des Substrats wieder aufgenommen und das Substrat wurde in 10 Sekunden aus der Schmelze gehoben. Nach Abkühlen auf Raumtemperatur wurde die anisotropische Konstante Ku des Films auf dem Substrat bestimmt, der erhaltene Wert war 2,19 χ 1O⁴ erg/cm⁵.

Beispiel 2

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt, außer daß die Rotation des eingetauchten Substrats kontinuierlich war und nicht angehalten wurde. Der Wert für Ku war 1,68 χ 10 erg/cm .

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Durch Vergleich der Werte von Ku nach Beispiel 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung mit dem Wert, erhalten nach Beispiel 2, ist ersichtlich, daß ein wesentlicher Anstieg von Ku durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann, was einen wesentlichen Anstieg der in dem Film erzeugten Anisotropiezunähme bedeutet, ohne eine Unterdrückung der Beweglichkeit der Magnetbläschen, wie in dem Fall eines granatartigen Films, der hohe Samarium-Thulium-Konzentrationen enthält.

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetische Filmsubstratzusammensetzungen verbesserter Qualität, die durch Rotieren eines granatartigen Substrats erhalten werden, das in eine Schmelze eines magnetischen Filmmaterials eingetaucht wird, wobei der Wuchs eines magnetischen Films resultiert, der eine uniaxiale Anisotropie auf dem Substrat rechtwinklig zur Substratoberfläche aufweist _c wobei das eingetauchte Substrat nach dem gewünschten Filmwuchs stationär in der Schmelze gehalten wird, um eine Verbesserung der anisotropen Konstante des Films zu bewirken.

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Claims

Qörtz, Or. Fuohs, Or. Harttert

Patentanwälte

Postfach 7003*5

Schneckenhofstraße 27

D-6000 Frankfurt am Mein 70

Telefon (0611) 61707»

24. Harz 1981 Ha/Ra.

Union Carbide Corporation, New York, N.Y. 10017 / U.S.A.

Verfahren zur Herstellung von Magnetfilmsubstrat-Zusammensetzungen

Patentansprüche

1, Verfahren zur Herstellung eines Magnetfilms auf einem granatartigen Substrat (garnet substrate), bei dem das granatartige Substrat einer bestimmten ersten Zusammensetzung in eine Schmelze einer hiervon verschiedenen Zusammensetzung, die mindestens zwei verschiedene Oxide enthält, die einen Film bilden, der durch eine magnetische Ordnung in einer Ebene charakterisiert ist, die im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Schmelze verläuft, eingetaucht wird und in ihr gedreht wird, und aus der Schmelze entfernt wird, wenn der Film auf dem Substrat zu einer geeigneten Dicke gewachsen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eingetauchte Substrat etwa 0,5 Sekunden bis 5 Minuten stationär in der Schmelze gehalten wird, nachdem der Film auf eine geeignete Filmdicke gewachsen ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingetauchte Substrat etwa 0,5 bis 50 see stationär in der Schmelze gehalten wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingetauchte Substrat etv/a 10 "bis 20 see. stationär in der Schmelze gehalten wird.

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