DE3642161A1

DE3642161A1 - Verfahren zur herstellung eines magneto-optischen speichers

Info

Publication number: DE3642161A1
Application number: DE19863642161
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Phys Klahn; Marlis Dr Hartmann; Heinrich Dr Heitmann; Klaus Witter
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1986-12-10
Filing date: 1986-12-10
Publication date: 1988-06-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines magneto-optischen Speichers mit einem Substrat aus einem für den sichtbaren bis infraroten Spektralbereich transparenten Material, auf das nacheinander eine dielektrische, für den sichtbaren bis infraroten Spektralbereich transparente Schicht mit einem Brechungsindex, der größer als der Brechungsindex des Substrates ist und die eine Diffusionsbarriere für Sauerstoff und/oder Wasser darstellt, eine im wesentlichen amorphe und/oder im wesentlichen mikrokristalline magneto-optische Schicht mit uniaxialer Anisotropie und einer magnetischen Ordnungstemperatur größer Raumtemperatur und eine Deckschicht, die als Reflexions- oder Interferenzschicht und als Diffusionsbarriere für Sauerstoff und/oder Wasser wirksam ist, aufgebracht sind.

Bei löschbaren magneto-optischen Speichern kann das Einschreiben, Auslesen und Löschen von Information durch Anwendung einer lokalisierten elektromagnetischen Strahlung bewirkt werden.

Das Auslesen von Information erfolgt unter Ausnutzung entweder des magneto-optischen Kerr-Effektes in Reflexion oder des Faraday-Effektes in Transmission.

Ein löschbarer magneto-optischer Speicher mit einem im wesentlichen amorphen und/oder im wesentlichen mikrokristallinen magneto-optischen Speichermaterial ist z. B. aus DE-PS 23 40 475 bekannt.

Die die magneto-optische Schicht bedeckende(n) dielektrische(n) Schicht(en) hat (haben) die Aufgabe, den Kerreffekt des magneto-optischen Speichers zu erhöhen und das Einschreib-, Auslese- und Löschverhalten des magneto-optischen Speichers zu optimieren.

Zur Optimierung des Auslesewirkungsgrades ist es zweckmäßig, daß auf der magneto-optischen Schicht Schichten vorhanden sind, die entweder als Reflexions- oder als Interferenzschicht wirksam sind.

Alle an die magneto-optische Schicht angrenzenden Schichten haben außerdem die weitere Funktion, die magneto-optische Schicht vor die Langzeitlebensdauer eines Speichers beeinträchtigenden Umwelteinflüssen, z. B. Oxidation oder Korrosion, zu schützen.

Es hat sich nun gezeigt, daß die Langzeitstabilität magneto-optischer Speicher trotz ausreichender guter Schutzwirkung der die magneto-optische Schicht bedeckenden Schichten immer noch sehr begrenzt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Langzeitstabilität magneto-optischer Speicher zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Speicher während und/oder nach der Abscheidung der Schichten in nahezu trockener Atmosphäre über eine Dauer von 1 min bis 100 h in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis knapp unterhalb der Kristallisationstemperatur des Materials der magneto-optischen Schicht einem Temperprozeß unterzogen wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Langzeitstabilität magneto-optischer Speicher, die durch untere und obere Grenzen der magnetischen Eigenschaften des magneto-optischen Materials, wie z. B. die Anisotropie K _u, die Koerzitivfeldstärke H _c oder die Kompensationstemperatur T _comp, gegeben ist, beeinträchtigt wird durch Diffusionsprozesse in den Grenzbereichen zwischen den Schichten, durch Migrationsprozesse innerhalb des magneto-optischen Materials und durch eine Strukturrelaxation innerhalb der magneto-optischen Schicht. Diese Prozesse verlaufen relativ langsam und sind ein Grund für die nicht-optimale Langzeitstabilität bekannter magneto-optischer Speicher. Durch eine Temperbehandlung eines magneto-optischen Speichers während und/oder nach dem Anbringen der für den Aufbau des Speichers erforderlichen Schichten in einem erhöhten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis knapp unterhalb der Kristallisationstemperatur des magneto-optischen Materials werden die für die Langzeitstabilität eines magneto-optischen Speichers nachteiligen Effekte wie Diffusion und Migration oder die innere Strukturrelaxation des magneto-optischen Materials innerhalb sehr kurzer Zeiträume (10 min bis 100 h) bereits soweit abgeschlossen, daß sich relativ stabile Endwerte der magnetischen Kenngrößen einstellen.

Hiermit ist der für die praktische Anwendung löschbarer magneto-optischer Datenspeicher sehr wichtige Vorteil verbunden, daß magneto-optische Speicher auch über lange Benutzungszeiträume reproduzierbar genau arbeiten. Insbesondere wird erreicht, daß für die Koerzitivenergiedichte
(Sättigungsmagnetisierung M _s × Koerzitivfeldstärke H _c)
stabile Werte erreicht werden und daß die Kompensationstemperatur T _comp des magneto-optischen Materials sich nicht mehr im Laufe der Zeit in Richtung auf tiefere Temperaturen verschiebt.

Die Dauer eines Temperprozesses ist abhängig von der Art und der Dicke der am Speicheraufbau beteiligten Schichten und von der Höhe der Tempertemperatur. Diese Werte jeweils zu ermitteln, liegt für den Fachmann im Rahmen seines fachmännischen Vorgehens.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und in ihrer Wirkungsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Prinzipdarstellung der Schichtenfolge eines magneto-optischen Speichers,

Fig. 2 Graphische Darstellung der Abhängigkeit der normierten Koerzitivfeldstärke H _c (t)/H _c(0) unterschiedlich dicker magneto-optischer Schichten von der Temperdauer bei einer Temperatur von 150°C,

Fig. 3a-3c SIMS (secondary ion mass spectrometry) von Sauerstoff eines magneto-optischen Speichers mit einer magneto-optischen Schicht und einer auf ihr angebrachten Reflexionsschicht nach unterschiedlicher Temperdauer,

Fig. 4 Graphische Darstellung der Abhängigkeit der normierten spezifischen elektrischen Leitfähigkeit σ (t)/ σ(0) einer magneto-optischen Schicht von der Temperdauer und der Tempertemperatur.

In Fig. 1 ist eine für den Aufbau eines magneto-optischen Speichers geeignete Schichtenfolge dargestellt. Nacheinander sind auf ein durch Führungsrillen strukturiertes Glassubstrat 1 einer Dicke von 1 mm eine dielektrische Schicht 3, z. B. aus AlN einer Dicke von 80 nm, eine magneto-optische Schicht 5, z. B. aus weitgehend amorphem GdTbFe einer Dicke von 45 nm und einer als Reflexionsschicht wirksame Deckschicht 7, z. B. aus Al, einer Dicke von 30 nm angebracht.

Die Schichten 3, 5, 7 wurden für dieses Beispiel in einem kontinuierlichen Prozeß durch Magnetron-Kathodenzerstäubung abgeschieden, wobei vermieden wurde, den Abscheidungsprozeß nach jeder Schicht zu unterbrechen, um den Einbau von z. B. Sauerstoff so gering wie möglich zu halten.

Die Abscheidung der Schichten erfolgte mit folgenden Parametern:

Auf dem Substrat 1 wird zunächst als dielektrische Schicht 3 die AlN-Schicht von 80 nm Dicke abgeschieden, wobei ein hochreines Al-Target benutzt wird und der Reaktionsraum mit Stickstoff als Reaktionsgas eines Druckes von p _N = 1,6 · 10^-3 mbar sowie mit Argon bis zu einem Gesamtdruck von 4 · 10^-3 mbar gefüllt wird. Die Abscheidung der AlN-Schicht erfolgt bei einer Anodenspannung von 400 V unter einem Magnetfeld einer Feldstärke von ≈50 · 10³ A/m und einer Leistungsdichte von 6 J/s/cm². Anschließend wird als magneto-optische Schicht 5 die 45 nm dicke GdTbFe-Schicht mittels eines der gewünschten Schichtzusammensetzung entsprechenden Targets abgeschieden. Hierzu wird im Reaktionsraum ein Argondruck von p = 1 · 10^-2 mbar eingestellt. Die Schicht wird bei einer Anodenspannung von 250 V unter einem Magnetfeld von 32 · 10³ A/m bei einer Leistungsdichte von 1,6 J/s/cm² abgeschieden.

Anschließend wird auf der magneto-optischen Schicht 5 die als Reflexionsschicht wirksame Deckschicht 7 aus Al einer Dicke von 30 nm mittels eines hochreinen Aluminium-Targets abgeschieden. Hierzu wird im Reaktionsraum ein Argondruck von p = 7 · 10^-3 mbar eingestellt. Die Schicht wird bei einer Anodenspannung von 390 V unter einem Magnetfeld von 50 · 10³ A/m und bei einer Leistungsdichte von 1,5 J/s/cm² abgeschieden.

Eine für die Herstellung eines solchen Schichtaufbaus einzusetzende Magnetron-Kathodenzerstäubungsanlage sollte zweckmäßigerweise mehrere mit entsprechenden Targets ausgestattete Sputterkathoden aufweisen, damit das zu beschichtende Substrat in einem einzigen kontinuierlichen Prozeß mit Schichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung versehen werden kann, ohne daß die Vorrichtung geöffnet werden muß, damit die Anlagerung z. B. von Sauerstoff minimiert wird.

Bei bekannten Verfahren zur Herstellung magneto-optischer Bauelemente wird so vorgegangen, daß die Verfahrensparameter derart eingestellt werden, daß sich die gewünschten magnetischen Kenngrößen nach Abscheiden des magneto-optischen Materials ergeben.

Der gemäß dem vorliegenden Verfahren zusätzlich eingesetzte Temperschritt verschiebt die Werte für die magnetischen Kenngrößen. Im Hinblick auf die gewünschten Kenngrößen des fertigen Bauelementes nach dem Temperprozeß wird der Fachmann diese Verschiebung bei der Auswahl der Verfahrensparameter zur Herstellung des ungetemperten Zwischenproduktes im Rahmen seines fachmännischen Vorgehens also jeweils berücksichtigen.

Aus den Versuchen, die zu dem vorliegenden Verfahren geführt haben, hat sich gezeigt, daß sich die Werte für die Kompensationstemperatur T _comp und die Koerzitivenergiedichte immer in Richtung auf niedrigere Werte nach einem Temperprozeß verschieben. Hier wird der Fachmann also so vorgehen, daß er die Verfahrensparameter zum Abscheiden des magneto-optischen Materials jeweils so wählt, daß das ungetemperte Bauelement Werte für die Kompensationstemperatur T _comp oder die Koerzitivenergiedichte aufweist, die höher liegen als für das getemperte Endprodukt gewünscht.

Bei dem nach dem vorliegenden Verfahren gemäß dem Ausführungsbeispiel zu Fig. 1 hergestellten Speicher wurde für den fertigen Speicher nach dem Tempern eine Kompensationstemperatur T _comp = 210 K gewünscht. Mit den für dieses Ausführungsbeispiel beschriebenen Parametern wurde ein magneto-optischer Speicher mit einer Kompensationstemperatur T _comp ≈ 250 K hergestellt. Nach einem Temperprozeß in nahezu trockener Atmosphäre (relative Feuchte 10%) bei einer Temperatur von 150°C und einer Temperdauer von 10 min hatte der magneto-optische Speicher eine Kompensationstemperatur T _comp = 210 K.

Aus Vergleichsversuchen wurde festgestellt, daß der nach dem Temperprozeß eingestellte Wert für die Kompensationstemperatur sich nach einem Jahr innerhalb der Meßgenauigkeit von 5 K unter Standard-Raumbedingungen nicht geändert hatte, wogegen sich bei nicht-getemperten Proben die Kompensationstemperatur um typisch 30 K verringert hatte.

Am Beispiel der Werte für die normierte Koerzitivfeldstärke H _c (t)/H _c(0) für einen wie vorstehend beschrieben hergestellten Speicher zeigt sich, daß sich die Werte bereits nach einer Temperdauer von 10 min auf einen nahezu stabilen Wert eingestellt haben (vergleiche nachfolgende Tabelle).

Normierte Koerzitivfeldstärke bedeutet das Verhältnis zwischen der Koerzitivfeldstärke H _c nach einem Temperschritt der Zeitdauer t und der Koerzitivfeldstärke H _c direkt nach der Herstellung der magneto-optischen Schicht.

In Fig. 2 ist die normierte Koerzitivfeldstärke H _c (t)/H _c(0) unterschiedlich dicker magneto-optischer Schichten aus GdTbFe in Abhängigkeit von der Temperdauer dargestellt. Für diese Versuche wurden die magneto-optischen Schichten direkt auf ein Glassubstrat aufgebracht und auf den magneto-optischen Schichten wurde jeweils eine Reflexionsschicht aus Al einer Dicke von 50 nm mittels Magnetron-Kathodenzerstäubung angebracht. Die Parameter für den Kathodenzerstäubungsprozeß entsprechen denen wie z. B. gemäß Fig. 1 beschrieben für die entsprechenden Schichten.

Der Temperprozeß nach Anbringen der Schichten wurde bei einer relativen Feuchte von 10% bei einer Temperatur von 150°C durchgeführt.

Die Kurven 1 bis 3 in Fig. 2 betreffen magneto-optische Schichten unterschiedlicher Schichtdicken:

Kurve 1:  300 nm
Kurve 2:   80 nm
Kurve 3:   40 nm.

Aus den Kurven ist ersichtlich, daß innerhalb der ersten 10 min der Temperzeit die normierte Koerzitivfeldstärke H _c (t)/H _c(0) stark absinkt und sich danach nur noch langsam H _c (t)/H _c(0) stark absinkt und sich danach nur noch langsam linear im logarithmischen Maßstab ändert.

Die Dickenabhängigkeit der Degradation zeigt, daß sowohl Grenzschichteffekte (Diffusion, Migration) als auch Volumeneffekte (Strukturrelaxation) wirksam werden.

Von wie zu Fig. 2 beschrieben hergestellten Proben (Dicke der magneto-optischen GdTbFe-Schicht 80 nm, Dicke der Al-Deckschicht 50 nm) wurden SIMS-Profile von Sauerstoff im Schichtaufbau an einer ungetemperten Probe (Fig. 3a), an einer über einer Dauer von 10 min bei einer Temperatur von 250°C in nahezu trockener Atmosphäre (relative Feuchte 10%) getemperten Probe (Fig. 3b) und an einer über eine Dauer von 10 h bei einer Temperatur von 250°C in nahezu trockener Atmosphäre (relative Feuchte 10%) getemperten Probe (Fig. 3c) gemessen.

Aus den Profilen gemäß Fig. 3a bis 3c ist ersichtlich, daß zwischen der Deckschicht aus Aluminium und der magneto- optischen Schicht aus GdTbFe angelagerter Sauerstoff in die magneto-optische Schicht bei einem Temperprozeß eindiffundiert und sich homogen über die gesamte magneto- optische Schicht verteilt. Dieser Prozeß ist bereits nach einer kurzen Dauer von nur 10 min abgeschlossen und kann nicht mehr zu einer weiteren Degradation der magneto-optischen Schicht beitragen.

Nach einer Temperdauer von 10 h (Fig. 3c) zeigen sich Grenzschicht-Effekte an der Grenzfläche Glassubstrat/ magneto-optische GdTbFe-Schicht: solche Effekte sind vernachlässigbar, da bei einem realen System mit einem Glassubstrat zwischen Substrat und magneto-optischer Schicht stets noch eine dielektrische Schicht, z. B. aus AlN, zur Optimierung des Kerreffektes des Speichers vorhanden ist, die als Diffusionsbarriere wirkt.

An ebenfalls wie zu Fig. 2 beschrieben hergestellten Proben wurde die Abhängigkeit der normierten spezifischen elektrischen Leitfähigkeit σ (t)/ σ(0) der magneto-optischen Schicht von der Temperdauer und der Temperatur gemessen (Fig. 4).

Die magneto-optische Schicht aus GdTbFe hatte eine Dicke von 60 nm und eine auf ihr angebrachte dielektrische Deckschicht aus AlN hatte eine Dicke von 100 nm (Kurven 1 bis 3 in Fig. 4).

Die Proben gemäß den Kurven 4 bis 6 in Fig. 4 hatten lediglich magneto-optische GdTbFe-Schichten einer Dicke von 60 nm ohne Deckschicht.

Der Temperprozeß wurde in trockener Atmosphäre (relative Feuchtigkeit = 0%) durchgeführt.

Aus den Kurven gemäß Fig. 4 ist ersichtlich, daß Aluminiumnitrid AlN eine gute Diffusionsbarriere für Sauerstoff darstellt und daß die Degradation der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit der mit einer dielektrischen AlN-Schicht bedeckten magneto-optischen Schichten nach einer Temperdauer von ≈ 1000 min nahezu in eine Sättigung übergegangen ist. Dies ist gleichbedeutend mit einem stabilisierten Zustand.

Für die Herstellung der für den Aufbau eines magneto-optischen Speichers erforderlichen Schichtenfolge ist bei den oben beschriebenen Beispielen ein Magnetronkathodenzerstäubungsprozeß eingesetzt worden. Die Schichten können selbstverständlich auch auf jede andere zweckmäßige Weise, z. B. mittels Elektronenstrahlverdampfen, hergestellt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines magneto-optischen Speichers mit einem Substrat aus einem für den sichtbaren bis infraroten Spektralbereich transparenten Material, auf das nacheinander eine dielektrische, für den sichtbaren bis infraroten Spektralbereich transparente Schicht mit einem Brechungsindex, der größer als der Brechungsindex des Substrates ist und die eine Diffusionsbarriere für Sauerstoff und/oder Wasser darstellt, eine im wesentlichen amorphe und/oder im wesentlichen mikrokristalline magneto-optische Schicht mit uniaxialer Anisotropie und einer magnetischen Ordnungstemperatur < Raumtemperatur und eine Deckschicht, die als Reflexions- oder Interferenzschicht und als Diffusionsbarriere für Sauerstoff und/oder Wasser wirksam ist, aufgebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher während und/oder nach der Abscheidung der Schichten in nahezu trockener Atmosphäre über eine Dauer von 1 min bis 100 h in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis knapp unterhalb der Kristallisationstemperatur des Materials der magneto-optischen Schicht einem Temperprozeß unterzogen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher dem Temperprozeß über eine Dauer von 10 min unterzogen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der magneto-optischen Schicht und der Deckschicht eine weitere dielektrische, für den sichtbaren bis infraroten Spektralbereich transparente Interferenzschicht angebracht wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Substrat Glas gewählt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Substrat ein Kunststoff, insbesondere ein Polycarbonat, gewählt wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die dielektrische und die weitere dielektrische Schicht aus der Gruppe von Oxiden oder Nitriden oder Oxinitriden von Metallen oder Halbleitern ausgewählt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Material für die dielektrische und für die weitere dielektrische Schicht Aluminiumnitrid AlN gewählt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische und die weitere dielektrische Schicht Siliziumoxid SiO_x gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische und die weitere dielektrische Schicht Aluminiumoxinitrid AlO_xN_y gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische und die weitere dielektrische Schicht Zirkonoxinitrid ZrO_xN_y gewählt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische und die weitere dielektrische Schicht Titanoxinitrid TiO_xN_y gewählt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die dielektrische und die weitere dielektrische Schicht Tantaloxinitrid TaO_xN_y gewählt wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die magneto-optische Schicht ein ternäres oder quaternäres System aus mindestens einem Seltenerdmetall und mindestens einem Übergangsmetall und gegebenenfalls mindestens einer weiteren metallischen Komponente gewählt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die magneto-optische Schicht ein ternäres oder quaternäres System von Gadolinium und/oder Terbium und Eisen und/oder Kobalt gewählt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die magneto-optische Schicht Gadolinium/Terbium/Eisen oder Terbium/Eisen/Kobalt gewählt wird.

16. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Deckschicht Metall oder ein Oxid, Nitrid oder Oxinitrid eines Metalls oder eines Halbleiters gewählt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Deckschicht Aluminium gewählt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Deckschicht Chrom gewählt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Deckschicht Nickel/Chrom gewählt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Deckschicht Siliciumoxid SiO_x gewählt wird.

21. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten auf das Substrat durch Magnetron-Kathodenzerstäubung aufgebracht werden, wobei die gesamte Schichtenfolge in einem kontinuierlichen Prozeß ohne Öffnen der Vorrichtung aufgebracht wird.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher folgende Dickenbereiche im Schichtsystem aufweist: Substrat: 0.3 bis 3 mm
Dielektrische Schicht(en): 10 nm bis 400 nm
Magneto-optische Schicht: 10 nm bis 1 µm
Deckschicht: 10 nm bis 1 µm.

23. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat aus Glas einer Schichtdicke von 1 mm durch Magnetron-Kathodenzerstäubung zunächst eine dielektrische Schicht aus Aluminiumnitrid AlN einer Schichtdicke von 80 nm, anschließend eine magneto-optische Schicht aus Gadolinium/Terbium/Eisen GdTbFe einer Schichtdicke von 45 nm, und schließlich eine Deckschicht aus Aluminium Al einer Schichtdicke von 30 nm angebracht werden, wobei der Speicher nach dem Aufbringen der Schichten über eine Dauer von 30 min bei einer Temperatur von 150°C getempert wird.