DE3111657C2

DE3111657C2 - Verfahren zur Herstellung von Magnetschichten auf Substraten mit Granatstruktur

Info

Publication number: DE3111657C2
Application number: DE3111657A
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: 1983-02-03
Also published as: US4293371A; JPS571216A; FR2479277A1; FR2479277B1; DE3111657A1; CA1171342A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetschicht auf einem Substrat mit Granatstruktur, bei dem ein Substrat mit einer bestimmten ersten Zusammensetzung in ein« Schmelze einer vom Substrat verschiedenen Zusammensetzung eingetaucht und in ihr gedreht wird, die mindestens zwei verschiedene Oxide enthält, die eine Schicht bilden, die durch eine magnetische Ausrichtung in einer Ebene charakterisiert ist die parallel zur Oberfläche der Schmelze verläuft, und das Substrat aus der Schmelze entfernt wird, wenn die Schicht auf dem Substrat zu einer gewünschten Dicke gewachsen ist

Es handelt sich dabei um das Wachstum von epitaxialen Magnetschichten auf Substraten mit Granatstruktur zur Herstellung von Verbundstrukturen zur Verwendung in der Magnetblasen-Technik. Insbesondere bietet die vorliegende Erfindung eine Methode zur Herstellung solcher Verbundkörper hoher Qualität aus Magnetschichten auf Substraten mit Granatstruktur, bei denen diese Schichten eine verbesserte uniaxiale Anisotropie aufweisen.

Die Verwendung eines Dünnschicht-Substrat-Verbundes für die Magnetblasen-Technik ist bekannt, und Verfahren für die Herstellung solcher Verbund-Strukturen oder -Körper durch Flüssigphasen·Epitaxie (LPE) sind in der US-PS 37 90 405 und in der US-PS 38 37 911 beschrieben.

In einem bekannten LPE-Verfahren wird eine geschmolzene Oxid-Flußmittel-Lösung unterkühlt und ein in geeigneter Weise kristallographisch orientiertes Substrat mit Granatstruktur, z. B. in Plattenform, das geeigneterweise 0,05 cm dick ist und 2,5 bis 7,5 oder mehr Zentimeter im Durchmesser mißt, in die unterkühlte Schmelze eingetaucht, so daß auf der Substratoberfläche ein Schichtwachstum stattfindet, wobei die Zusammensetzung der Schicht selektiv verschieden ist von der Zusammensetzung des Substrates, so daß die auf dem Substrat gewachsene LPE-Schicht durch eine uniaxiale magnetische Aniso

tropie charakterisiert ist. Eine Schichtwachstumsrate in der Größenordnung von 0,25 bis I · 10-^J mm pro Minute kann durch das LPE-Verfahren leicht erreicht werden und die gewünschte Schichtdicke kann in wenigen Minuten erhalten werden. Das LPE-Verfahren wird unter isothermen Bedingungeil durchgefühlt und es ist üblich, die eingetauchte Substratplatte während des Wachstums in einer Ebene parallel zur Oberfläche der unterkühlten Oxidschmelze für die Ausbildung einer Granatstruktur kontinuierlich zu rotieren oder schwingen zu lassen, um ein über die Plattenoberfläche gleichmäßiges Schichtwachstum zu erreichen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Flüssigphasen-Epitaxieverfahren zur Herstellung von einem Verbund dünner magnetischer Schichten auf einem Substrat mit Granatstruktur zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art das eingetauchte Substrat nach Erreichen der gewünschten Magnetschicht-Dicke noch 0.5 Sekunden bis 5 Minuten stationär in der Schmelze gehalten wird.

Im folgenden wird -die Erfindung unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert

F i g. 1 zeigt eine Vorrichtung, die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung geeignet ist und

F i g. 2 zeigt eine -Jetailliertere Ansicht eines Teils der Vorrichtung von F i g. 1.

Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung wird eine Schmelze eines Magnetschicht-bildenden Materials verwendet, die mindestens zwei verschiedene Elemente in Form von Oxiden enthält, die unter Ausbildung einer Schicht reagieren, die durch eine magnetische Ausrichtung charakterisiert ist Geeigneterweise wird eine oxidhaltige Schmelze verwendet, die eine magnetische Schicht mit Granatstruktur bildet, die eine uniaxiale Anisotropie aufweist, wie in der oben genannten US-PS 38 37 911 beschrieben ist, d. h, eine Zusammensetzung, die mindestens zwei Kationen enthält, gewöhnlich zwei fönen seltener Erden, in dodekaedrischer Anordnung, geeigvietenveise der allgemeinen stöchiometrischen Zusammensetzung YjFe₅Oi₂. Beispiele geeigneter Schichtzusammensetzungen, wie sie in der US-PS 38 37 911 genannt sind, sind:

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

(Fe₂ O₈Ge₀₉₂)0,₂ {Y_{n 46}Sm_{0 46}Ca_n.₇Lu_{0 J}

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

Zusätzlich zu den oben genannten Schichtzusammensetzungen mit Granatstruktur sind als weitere geeignete Schichtzusammensetzungen hexagonale Ferrite zu nennen,z. B. Ba₂Zm₂Fe₁₂O₂₂, BaFe₁₃Oi₉ und Spinell-Ferrite Me³⁺Ga₂O₄, Me²⁺La₂O₄, Me²⁺FeO₄, worin Me³+ Mg, Ni oder Cu ist

Ein Substrat mit Granatstruktur, worauf die Magnetschicht wachsen kann, ist eine {111) oder (100) Platte mit Granatstruktur mit einem Raumgitter-Parameter, der bei Raumtemperatur nahe dem der Schicht liegt, wie in der oben genannten US-PS 38 97 911 beschrieben ist; die bevorzugten Substrate, die ebenfalls in der US-PS 38 97 911 beschrieben sind, sind Gd₃Ga₅O₁₂ und Nd₃Ga₅O₁₂, weitere geeignete Substrate sind Sm₃Ga₅O₁₂, Eu₃Ga₅Oi₂, Gd₃In₂Ga₃O₁₂, Gd₃Sc₂Ga₃Oj₂.

Bei einem geeigneten Substrat, z. B. einer (111) Platte aus Gd₃Ga₅OirGadorinium-GaIlium-granatartigen Substrat (GGG) und einer unterkühlten Schmelze, z. B. einer der vorerwähnten bevorzugten Zusammensetzungen mit Granatstruktur in Lösung mit einem Flußmittel, wie z.B. einem PbO- oder Bi₂O₃-System bei einer Temperatur von 360° C wird die Platte unter isothermen Bedingungen in die unterkühlte Schnulze eingetaucht, wobei die flache Oberfläche der eingetauchten Platte, auf die die Schicht aufgebracht werden soll, parallel zur Oberfläche der Schmelze ist und in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Schmelze gedreht wird. Auf einer solchen Oberfläche der eingetauchten GGG-Platte findet das Schichtwachstum statt und wenn die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, beispielsweise 3 - IO-³ mm, wird die Drehung der Platte beendet und die Platte wird stationär noch 0,5 bis 50 Sekunden in der Schmelze gehalten. Wenn die Drehung beendet wird, findet nur noch eine sehr kleine Zunahme der Schichtdicke statt, beispielsweise 1 bis 80 ■ IO-⁹ m. Die Zusammensetzung der nur noch sehr kleinen Schichtzunahme, die stattfindet, während die Platte stationär ist, ist unterschiedlich von der Zusammensetzung, die während der Rotation infolge der ausgewählten Wachstumsbedingungen erhalten wird. Die Änderung in der Zusammensetzung ist nur sehr klein und ist nicht direkt bestimmbar, sie wird jedoch durch eine sich ergebende Zunahme der magnetischen Anisotropie gezeigt. Nach der stationären Periode wird die Platte aus der Schmelze entfernt. Die während der Rotation gewachsene Schicht ist in senkrechter Richtung zur Schichtoberfläche, d. h. zur Substratoberfläche, anisotrop und der leichte Zuwachs während der stationären Periode ist in der Zusammensetzung in der glichen Richtung anisotrop und verbessert die Anisotropie der magnetischen Eigenschaften in dieser Richtung in signifikanter Weise.

Der steil ergebende Verbund aus einer dünnen Magnetschicht auf einem Substrat mit Granatstruktur ist durch einen größeren Qualitätsfaktor charakterisiert, der ein MaB für die Blasenstabilität der Schicht ist, und zwar infolge einer verbesserten uniaxialen anisotropen Konstante Ku. Der Qualitätsfaktor <?für eine Schicht ist direkt proportional der Anisotropickonstante der Schicht Ku und ist durch die bekannte Gleichung wie folgt definiert:

(2 =

Ku

(2 st MsY

Kn die Anisotropiekc>'istante der Schicht und
Ms die Säitigiingsma^n; ;isierung der Schicht ist.

Die vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit F i g. 1 der Zeichnungen näher erläutert, worin ein Substrat mit Granatstruktur 10, beispielsweise eine kreisförmige GGG-Platte mit einer Dicke von 0,05 cm, 7,5 cm Durchmesser, (111) Orientierung, in einem Platindrahtträger 20 angeordnet ist, wie in F i g. 2 noch genauer gezeigt ist. Der Träger 20 ist fest mit einem Aluminiumstab 30 verbunden, der mit einer üblichen Kristallziehvorrichtung, die nicht gezeigt ist, verbunden ist, die so betätigt werden kann, daß der Träger 20 und das Substrat 10 gehoben und gesenkt und rotiert werden. Das Substrat 10 ist in einem elektrischen Heizofen 40 gelegen, der ein wassergekühltes Gehäuse 50 enthält, das von 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 vorgesehen. Ein Platintiegel UO ist auf dem Sockel 90 befestigt, sowie einr; Vielzahl von konzentrischen Platinblechen 120, die durch konzentrische Alumir'^moxidröhren 130, 140 separiert und gestützt werden, die ~ur Ausrichtung der Platinbleche dienen.

Nach dem Heizen des Ofens 40 bildet sich in der Aluminiumröhre 80 eine isotherme Zone 150 aus, beispielweise bei 960°C. Eine geeignete Oxid-Flußmittel-Schmelze 160, z. B. PbO : B₂O₃ mit Granatstruktur wird im Tiegel 100 vorgegeben. Die Schmelze wird bei der Temperatur der isothermen Zone 150 gehalten. Das Substrat mit Granatstruktur 10 wird k> der isothermen Zone 150 oberhalb der Oberfläche der Schmelze 160 mit seinen flachen Oberflächen parallel zur Oberfläche der Schmelze positioniert und die Temperatur der Platte wird auf die Temperatur der isothermen Zone 150 gebracht. Das Substrat 10 wird in einer Ebene parallel zur Schmelzoberfläche gedreht, z.B. mit 10 bis 500 U/min, wobei die schnelleren Umdrehungsgeschwindigkeiten bei Platten mit kleinerem Durchmesser, z. B. 24 cm verwendet werden und die langsameren Geschwindigkeiten bei Platten größeren Durchmessers, z. B. bis zu 10 cm. 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 Plattendrehung wird in weniger als etwa 10 MikroSekunden umgedreht. Das Substrat wird abgesenkt und unter fortwährender Rotation in die Schmelze 160 eingetaucht. Infolge der Konstruktion und bekannten Wirkung eines Heizapparates kann im allgemeinen ein Magnetschichtwachstum von der Schmelze auf die (111) flache Oberfläche des Substrats mit Granatstruktur, im allgemeinen im Bereich von 0,4 bis I₁O-IO-³ mm pro Minute, vorzugsweise 0,5-10-³mm pro Minute, erwartet werden. Wenn eine gewünschte bestimmte nominelle Schichtdicke erreicht worden ist, z. B. 75 · 10~³ mm, die geeignet ist zum ^Tragen von Magnetblaser', wird die Rotation des Substrats 10 beendet und der Verbund aus Substrat und Schicht wird 0,5 Sekunden, geeigneterweise 12 Sekunden, stationär in der Schmelze 160 gehalten. Die Länge der stationären Periode ist so, daß sie ausreicht, um eine Verbesserung der magnetischen Anisotropie infolge des sehr leichten zusä'zlichen Schichtwachstums während der stationären Periode zu ergeben. Eine gewisse Verbesserung ist in 0,5 Sekunden zu erhalten, wobei 10 bis 20 Sekunden hinreichend sind, um eine wesentliche Verbesserung /u bewirken, während bei mehr als 50 Sekunden praktisch keine weitere signifikante Verbesserung bewirkt wird- eine

stationäre Periode von mehr als ^ri Minuten kann /\i unerwünschter Kernbildung in der Schmelze führen. Während das Substrat station,ir ist. findet kein weiterer wesentlicher Zuwachs der Schichtdicke statt; jedoch wird eine sehr dünne Schicht von leicht unterschiedlicher Zusammensetzung gegenüber der während der Rotation gebildeten Schicht während der stationären Periode gebildet. Nach der stationären Periode wird der Verbundkörper aus Schicht und Platte aus der Schmelze gehoben und wiederum 3 Minuten lang mit 300 U/min rotieren gelassen und dann aus der Vorrichtung entfernt. Die magnetische Schicht des erhaltenen Verbundkörpers mit Granatstruktur 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.

Rpicnipl I — - - - _r . _ . .

Eine Schmelze mit der unten angegebenen Zusammensetzung wurde in einer Menge von 6000 g in einem 0,125 cm dicken Plalintiegel mit 10 cm innerem Durchmesser und 15 cm Höhe hergestellt.

Y₂Oj 17,071 5
Sm₂O₃ 538 g
Lu₂O₃11.938 g
CaO 33,97 g
GeO₂ 77,4337 g
Fe₂O₃ 487.7 g
B₂O₃105.18 g
PbO 5057,88 g

Der die Schmelze enthaltende Tiegel wurde durch einen elektrischen Widerstandsofen erhitzt, wodurch eine isotherme Zone bei einer Temperatur von 960°C um den Tiegel herum aufrechterhalten wurde. Ein Substrat von GGG (111) von 0.05 cm Dicke und 7,5 cm Durchmesser wurde durch einen Halter in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Schmelze im Tiegel gehalten und oberhalb der Schmelzoberfläche in der isothermen /one positioniert, um das Substr.it auf die Temperatur der isothermen /one aufzuheizen. Das erhitzte Substrat wurde mit 18 IJ/'min gedreht (2 Umdrehungen im Uhrzeigersinn, dann 1 Umdrehungen gegen ilen ■> Uhrzeigersinn mit einer Umkehrungszeit von weniger als IO Mikrosekiinden) in einer Lbene. 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 to dem in die Schmelze eingetauchten Substrat eine Zeit fortgesetzt, die hinreichend war. um eine 3 · 10 'mm dicke Schicht von

YLuCa[I-e_?Xl CjCJe)O,:

ii auf der (111) Oberfläche des Substrat. zu erzeugen; die Zeit des Schichtwachstums betrug b 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

:o 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 der Schicht auf dem Substrat bestimmt, der erhaltene Wert war 2.19 · K) 'J/cm¹.

Beispiel 2

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt. außer dal3 die Rotation des eingetauchten Substrats

in kontinuierlich war und nicht angehalten wurde. Der Wert für Ku war 1,68 10-^J J/cm'.

Durch Vergleich der Werte von Ku nach Beispiel 1 entsprechend der vorliegenden Erfindung mit dem Wert, erhalten nach Beispiel 2, ist ersichtlich, daß ein

ii wesentlicher Anstieg von Ku durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erhalten werden kann, was einen wesentlichen Anstieg der in der Schicht erzeugten Anisotropiezunahme bedeutet, ohne eine Unterdriikkung der Beweglichkeit der Magnetblasen, wie in dem Fall einer Schicht mit Granatstruktur, die hohe Samarium-Thulium-Konzentrationen enthält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Magnetschicht auf einem Substrat mit Granatstruktur, bei dem ein Substrat mit einer bestimmten ersten Zusammensetzung in eine Schmelze einer vom Substrat verschiedenen Zusammensetzung eingetaucht und in ihr gedreht wird, die mindestens zwei verschiedene Oxide enthält, die eine Schicht bilden, die durch eine magnetische Ausrichtung in einer Ebene charakterisiert ist, die parallel zur Oberfläche der Schmelze verläuft, und das Substrat aus der Schmelze entfernt wird, wenn die Schicht auf dem Substrat zu einer gewünschten Dicke gewachsen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eingetauchte Substrat nach Erreichen der gewünschten Magnetschicht-Dicke noch 0,5 Sekunden bis 5 Minuten stationär in der Schmelze gehalten wird

2. Verteilen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingetauchte Substrat 03 bis 50 Sekunden stationär in der Schmelze gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eingetauchte Substrat 10 bis 20 Sekunden stationär in der Schmelze gehalten wird.