DE3541621A1

DE3541621A1 - Anordnung zum abscheiden einer metallegierung

Info

Publication number: DE3541621A1
Application number: DE19853541621
Authority: DE
Inventors: Otto Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1985-11-25
Filing date: 1985-11-25
Publication date: 1987-05-27

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Abscheiden einer Metallegierung als Dünnfilm durch Hochfrequenz- Kathodenzerstäubung jeweils abwechselnd von zwei Targets.

Zur magnetischen Aufzeichnung von Digitalinformationen auf der Spur eines Informationsträgers gibt es bekanntlich verschiedene Verfahren. Die Digitalinformation ist jeweils in aufeinanderfolgenden Spurgebieten enthalten, die als Zellen bezeichnet werden. Die benachbarten Felder aufeinanderfolgender Zellen sind magnetisch entgegengesetzt gerichtet und durch Übergänge getrennt. Die verschiedenen Werte der Digitalinformation werden entweder durch unterschiedliche Länge der Zellen ausgedrückt. Zum Schreiben und Lesen der Information dient ein kombinierter Magnetkopf, der einen den magnetischen Fluß führenden Leitkörper mit Polschenkeln enthält. Diesen Polschenkeln ist mindestens eine Spulenwicklung zugeordnet, deren Windungen sich zwischen den Polschenkeln erstrecken. Für das bekannte Prinzip der senkrechten oder vertikalen Magnetisierung dienen beispielsweise Magnetspeicherplatten mit mindestens einer magnetischen Magnetspeicherplatten mit mindestens einer magnetisierbaren Speicherschicht, die beispielsweise aus einer Nickel-Eisen-Legierung oder auch aus einer Kobalt- Chrom-Legierung sowie einer Kobalt-Zirkon-Legierung oder Kobalt-Hafnium-Legierung mit Zusätzen bestehen kann. Ein zum Schreiben und Lesen geeigneter Magnetkopf enthält eine Schreib- und Lesespule sowie Polschenkel, die in Dünnschichttechnik hergestellt und auf einem Substrat angeordnet sind, das vorzugsweise aus Titancarbid bestehen kann. Die Polschenkel können vorzugsweise aus einer Eisen-Nickel-Legierung mit hoher magnetischer Suszeptibilität und einstellbarer Magnetostriktion bestehen, deren Nickelanteil etwa 36 bis 81% betragen kann (Permalloy). Ferner sind beispielsweise Legierungen aus Kobalt/Hafnium oder auch Kobalt/Zirkon geeignet,

Diese Magnetschichten, deren Dicke im allgemeinen wenige µm nicht wesentlich überschreitet, können durch Sputtern, Aufdampfen oder auch durch galvanische Abscheidung aufgebracht und jeweils durch eine nicht- magnetische Zwischenlage, beispielsweise aus Siliciumdioxid, Aluminiumoxid oder Fotolack, von den Spulen getrennt werden. Die Magnetisierung dieser Magnetschichten liegt in der Schichtebene. Durch den Herstellungsprozeß werden diese Magnetschichten mit einer uniaxialen Anisotropie versehen, d. h. jede Magnetschicht hat zwei um 90° gedrehte Anisotropieachsen, die als leichte, bzw. schwere Richtung bezeichnet werden. Die Magnetisierung liegt bevorzugt parallel oder antiparallel zur leichten Richtung, die beispielsweise beim Aufbringen der jeweiligen Schicht durch ein angelegtes Magnetfeld induziert werden kann. Sie liegt im allgemeinen senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses in den Polschenkeln und parallel zur Oberfläche des Aufzeichnungsmediums. Bei der Herstellung dieser Magnetschichten durch Sputtern sind die Eigenschaften diese Schichten außer von den Sputterbedingungen noch wesentlich abhängig von der Legierungszusammensetzung der Targets. Insbesondere die Magnetostriktion kann nur in begrenztem Umfang von den Sputterbedingungen an die Forderungen der Anwender angepaßt werden, Targets mit der erforderlichen engen Toleranz der Zusammensetzung herzustellen, die im allgemeinen etwa 0,1% nicht wesentlich überschreiten darf, ist sehr schwierig, weil auch die Analysenverfahren nicht mehr die hierzu erforderliche Genauigkeit aufweisen. Man ist deshalb gezwungen, aus einer Anzahl von Targets empirisch diejenigen auszusuchen, welche die genannten Anforderungen erfüllen. Die "Feineinstellung" der Eigenschaften erfolgt durch die Wahl der Sputterbedingungen, die für jedes Target neu bestimmt werden müssen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zum Herstellen einer Metallegierung als Dünnfilm anzugeben, bei der die Bestandteile der Komponenten in sehr engen Grenzen gehalten werden können, insbesondere sollen Magnetschichten mit einstellbarer Magnetostriktion hergestellt werden.

Es ist bekannt, daß durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung (Sputtern) Legierungen mit verschiedenen Komponenten als Dünnfilme dadurch hergestellt werden können, daß die einzelnen Komponenten von zwei verschiedenen Targets jeweils abwechselnd nacheinander aufgetragen werden (Cosputtern). Dabei wird das Substrat, auf dem die Legierung abgeschieden werden soll, durch eine Rotationsbewegung jeweils abwechselnd nacheinander durch die Abscheidungsfelder der beiden Targets geführt. Die Legierungskomponenten werden als atomare Schichten mit einer Dicke von weniger als 1 nm abgeschieden. Man erhält damit Dünnschichten, bei denen die Zusammensetzung der Legierungskomponenten nur etwa um ± 1% abweicht (Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Bd. 11 (1982), Nr. 3, S. 145 bis 148).

Die erwähnte Aufgabe wird nun erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Damit erhält man Dünnfilme aus einer Legierung, bei welcher die Abweichung von einer vorbestimmten Zusammensetzung ihrer Komponenten 0,1% nicht wesentlich überschreitet und insbesondere wesentlich weniger als 0,1% beträgt. Ein besonderer Vorteil der Anordnung besteht darin, daß magnetische Schichten abgeschieden werden können, bei denen durch die Wahl der Legierungszusammensetzung die Größe und das Vorzeichen der Magnetostriktion vorbestimmt werden kann.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figur ein Ausführungsbeispiel einer Anordnung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.

In der dargestellten Ausführungsform einer Einrichtung zum Cosputtern sind in einem evakuierbaren Gehäuse 2, das mit einem Vakuumanschluß 3 versehen ist, mindestens eine Substrathalterung, vorzugsweise wenigstens zwei Substrathalterungen 4 und 6, angeordnet, die mit einem Rotationsantrieb versehen sind, was in der Figur durch einen Pfeil einer Antriebswelle 8 angedeutet ist, die gegenüber dem Gehäuse 2 elektrisch isoliert ist. Zwischen den Substrathalterungen 4 und 6 und einem Energieverteiler 12 liegt die Spannung eines Hochfrequenzgenerators 14. Der Energieverteiler 12 kann beispielsweise ein elektronischer Umschalter sein, der vorzugsweise mit einer Einrichtung zur Steuerung der Sputterleistung gekoppelt sein kann. Oberhalb der Substrathalterungen 4 und 6 sind mehrere Targets beispielsweise zwei Targets 16 und 18, angeordnet, denen jeweils eine Abschirmung 19 bzw. 20 zugeordnet ist.

Anstelle des dargestellten Energieverteilers 12 kann beispielsweise auch jedes Target mit einer entsprechenden Speiseeinrichtung versehen sein.

In der dargestellten Ausführungsform der Anordnung zum Cosputtern nach der Erfindung sollen beispielsweise mehrere Substrate 20 und 22 jeweils mit einem Dünnfilm 21 bzw. 23 aus einer Metall-Legierung, beispielsweise einer Eisen-Nickel-Legierung, mit einer vorbestimmten Zusammensetzung und einer vorbestimmten Magnetostriktion hergestellt werden. Zu diesem Zweck besteht das eine Target 16 aus einer Eisen-Nickel-Legierung, deren Eisenkomponente etwa 0,1 bis 2%, insbesondere 0,2 bis 0,5%, höher ist als der geforderte Eisenanteil an den herzustellenden Dünnfilmen 21 und 23. Das zweite Target 18 besteht ebenfalls aus einer Eisen-Nickel- Legierung, bei der jedoch der Eisenanteil etwa 0,1 bis 2%, insbesondere 0,2 bis 0,5%, niedriger ist als der Eisenanteil an dem herzustellenden Dünnfilm 23. Dadurch kann trotz der unvermeidlichen Streuung der Sputterparameter mit genügender Genauigkeit eine Schicht mit der erforderlichen Zusammensetzung abgeschieden werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch die Vermehrung der möglichen Sputterparameter eine Optimierung auf verschiedene Eigenschaften, beispielsweise die Anisotropie-Feldstärke H _k, leichter möglich ist.

Durch die Aufteilung der Sputterleistung und somit die Sputterrate zwischen jedem der beiden Targets 16 und 18 und den Substraten wird das Mischungsverhältnis der Komponenten Nickel und Eisen eingestellt. Die Dicke der jeweils bei einem Durchgang unter einem der Targets auf die Substrate 20 und 22 aufgesputterten Schichten, die vorzugsweise weniger als 1 nm beträgt, erhält man durch die Einstellung der Drehzahl am Antrieb 8 in Verbindung mit der Sputterrate. Die Gesamtdicke der Dünnschichten 21 und 23 ergibt sich aus der gesamten Sputterzeit.

Nach Beendigung des Sputtervorganges werden die hergestellten Dünnfilme 21 und 23 analysiert und Abweichungen von einer gewünschten Zusammensetzung beim folgenden Sputtervorgang durch entsprechende Änderung der Sputterparameter, insbesondere die Sputterrate, geändert. Ist beispielsweise der Eisenanteil im hergestellten Dünnfilm 21 bzw. 23 zu hoch, so wird die Sputterrate des Targets 16 entsprechend vermindert und gegebenenfalls zugleich die Sputterrate des Targets 18 entsprechend erhöht. Damit erhält man jede vorbestimmte Zusammensetzung der Dünnfilme 21 und 23.

Die dargestellte Ausführungsform der Einrichtung zum Cosputtern ist auch geeignet zum Herstellen einer Legierung mit drei Komponenten, sofern der Anteil der dritten Legierungskomponente nicht verändert werden muß. Die beiden Targets 16 und 18 enthalten dann beide diese Komponente mit dem gewünschten genauen Anteil.

Soll eine Metallegierung mit drei oder mehr Komponenten mit genau einstellbaren Anteilen hergestellt werden, so sind auch drei bzw. mehr Targets erforderlich. Soll beispielsweise eine Metallegierung mit den Komponenten A_x, B_y und C_z hergestellt werden, wobei beispielsweise A _x Kobalt Co, B_y Zirkon Zr und C_z Niob Nb und x, y und z deren prozentuale Anteile sind, so ist

x + y + z = 1.

Stehen die Komponenten y und x in einem vorbestimmten Verhältnis so ist y = x·V
und aus x + x·V + z = 1

erhält man als Anteile

Sofern die Anteile x und y feststehen, ergibt sich

z = 1-x-y.

Die drei Targets enthalten die drei Legierungskomponenten mit jeweils verschiedenen Anteilen. Beispielsweise enthält Target a die Komponenten A_x und C_z im Überschuß ∆ x bzw. ∆ z und man erhält den Anteil

z _l = z + ∆ z

und mit dem Verhältnis die übrigen Anteile Target b enthält die Komponenten B_y und C_z im Überschuß ∆ y bzw. ∆ z und man erhält den Anteil

Zum Verändern des Anteils z benötigt man ein drittes Target c, das die Anteile x und y ohne Überschuß, dagegen aber den Anteil z im vorzugsweise wenigstens doppelten, insbesondere n-fachen Unterschuß enthält, damit der Überschuß x und y der Komponenten A_x und B_z in den anderen Targets a und b und mit einer verhältnismäßig kleinen Menge kompensiert werden kann. Es ist somit der Anteil

Mit relativen Sputterraten der 3 Targets R ₁ bzw. R ₂ bzw. R ₃ und der Bedingung R ₁ + R ₂ + R ₃ = 1 erhält man die Anteile x, y und z der Komponenten A_x, B_y und C_z

x = R ₁ · x ₁ + R ₂ · x ₂ + R ₃ ·X x ₃
-y = R ₁ · y ₁ + R ₂ · y ₂ + R ₃ · y ₃-
z = R ₁ · z ₁ + R ₂ · z ₂ + R ₃ · z ₃-

Je nach Anforderung kann entweder die Zielgenauigkeit der Zusammensetzung oder der Bereich der verschiedenen Konzentrationen optimiert werden.

Zum Herstellen einer Metallegierung mit drei Komponenten in einem vorbestimmten Mischungsverhältnis, von denen nur eine Komponente verändert werden soll, sind zwei Targets ausreichend, die mit der erforderlichen Genauigkeit hergestellt sind und die beiden anderen Komponenten bereits in dem gewünschten Mischungsverhältnis enthalten.

Claims

1. Anordnung zum Abscheiden einer Metallegierung als Dünnfilm durch Hochfrequenz-Kathodenzerstäubung jeweils abwechselnd von mehreren Targets, dadurch gekennzeichnet, daß alle Targets (16 und 18) die Metallkomponenten der abzuscheidenden Metalllgierung, jedoch mit unterschiedlichen Anteilen, enthalten.

2. Anordnung nach Anspruch 1 zum Abscheiden einer Nickel-Eisen-Legierung mit hoher magnetischer Suszeptibilität und einstellbarer Magnetostriktion, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Target (16, 18) 0,1 bis 2%, vorzugsweise 0,2 bis 0,5%, mehr und das andere Target (18 bzw. 16) 0,1 bis 2%, vorzugsweise 0,2 bis 0,5%, weniger Eisen enthält als die abzuscheidende Nickel-Eisen-Legierung.