一種磁性多層膜結構研製方法與流程
2023-05-01 10:01:56 1
本發明涉及一種磁性多層膜結構研製方法，它包含了磁性多層膜結構的沉積，實時、原位磁性表徵及界面調控。屬於自旋電子學科基礎研究技術領域。
背景技術：
自旋電子技術被廣泛認為是突破電子行業「後摩爾時代」功耗這一瓶頸問題的關鍵技術之一，已經陸續發展了自旋傳感器、非易失性磁隨機存儲器、片上高頻自旋微波器件等一系列應用。其中，磁性多層膜的製備是自旋電子器件製備的基礎，在此基礎上進行圖形化刻蝕，可得到各種類型的器件。磁性多層膜厚度的精度、成膜均勻性和雜質等因素直接決定了所製備自旋電子器件的性能。
此外，很多新奇的自旋相關效應都是基於磁性多層膜的某些特性產生的，如界面誘導磁各向異性、界面自旋注入、自旋軌道相互作用及Dzyaloshinskii–Moriya Interaction(DMI)效應等，更好的掌握這些效應的機理可以提高自旋器件的熱穩定性、功耗等方面的性能指標，還能實現很多新奇的功能。因此，對磁性多層膜的研究已經成為了自旋電子器件研究中的熱點關鍵問題。在這樣的背景下，傳統的磁性薄膜製備、表徵及調控的方式逐漸難以滿足磁性多層膜研製對效率和精度的要求。
傳統的磁性多層膜研究中，磁性多層膜的製備、調控與表徵多為分開進行。由於大多數磁性薄膜沉積方式和離子輻照等調控手段需要在真空中進行，導致磁性多層膜結構需要頻繁地進出高真空環境。這消耗了大量的時間，同時也極易對樣品表面造成粘汙和氧化；採用離子輻照等非原位界面調控方式，只能實現對特定深度範圍內的界面進行調控，無法進行特定界面的調控。這些都降低了磁性多層膜研究的效率和精度。
技術實現要素：
(一)要解決的技術問題
針對上述背景介紹中提到的問題，本發明公開了一種磁性多層膜結構研製方法，以實現磁性多層膜磁特性定製化研製，提高了磁性多層膜結構研製的精度和效率。
(二)技術方案
為了達到上述目的，本發明公開了一種磁性多層膜結構研製方法，該方法在真空環境中集成了薄膜沉積設備、磁性表徵設備與界面調控設備。它包括以下步驟：
步驟一：磁性多層膜定製化製備參數標定。在真空環境下進行磁性多層膜結構的薄膜沉積，採用一定參數進行界面調控，藉助磁性表徵設備判斷此時磁性是否達標。若磁性不達標，則調整薄膜沉積以及界面調控參數，重複上述過程，直至磁性表徵結果達標，得到標定後的薄膜沉積及界面調控參數。
步驟二：薄膜沉積並根據需要進行界面調控。按照步驟一中得到的製備參數，進行磁性多層膜薄膜沉積，並根據需要進行界面調控，完成一定結構的磁性多層膜製備。
步驟三：界面調控作用研究。藉助磁性表徵設備，將經過界面調控前後的磁性多層膜的磁學特性進行對比，研究界面調控對磁性多層膜磁學特性的影響。
步驟四：特定功能層作用研究。首先藉助薄膜沉積設備製備一定的磁性多層膜結構層，藉助磁性表徵設備對其磁學特性進行表徵，繼續進行薄膜沉積，增加特定功能層，進行磁性表徵。分析對比增加特定功能層前後磁學特性的變化，研究特定功能層對磁性多層膜磁學性質的影響。所述特定功能層包括：覆蓋層、緩衝層和釘扎層。
步驟五：磁性多層膜磁特性定製化研製。依據步驟一至步驟四得到的結論和對磁性多層膜磁特性的定製化要求，設計磁性多層膜結構及製備方案，進行薄膜沉積並根據需要進行特定界面調控。再進行磁性表徵得到其磁學特性，驗證其磁特性是否達到定製化要求，完成磁性多層膜結構研製。
(三)有益效果
一種磁性多層膜結構研製方法，跟傳統磁性多層膜研製方式相比，由於在高真空下集成了磁性多層膜結構的沉積、調控及表徵，具有以下優點：
(1).可實現磁性多層膜磁特性定製化研製。
(2).高真空集成，可實現磁性多層膜沉積、界面調控及磁性表徵的連續、交互、快速操作，提高了研製效率；
(3).整個研製過程在高真空環境，避免了樣品的粘汙、吸水及氧化；
(4).可實現對磁性多層膜結構中特定界面的調控。
附圖說明
圖1為本發明一種磁性多層膜結構研製方法流程圖，包含了本發明的五大步驟。
圖2為本發明一種磁性多層膜結構研製方法具體實施結構示意圖。
圖3為本發明步驟一界面調控參數標定流程圖，圖中省略了真空互聯傳輸部分。
圖4為本發明步驟二特定界面調控微觀示意圖，其中圖4(a)為目標界面調控前示意圖，圖4(b)為目標界面調控後示意圖，圖4(c)為目標界面調控後繼續沉積後續膜層示意圖。
圖5為本發明步驟五磁性多層膜結構研製流程圖，圖中省略了真空互聯傳輸部分。
401為樣品襯底；
402為沉積原子A；
403為沉積原子B；
404為沉積原子C。
具體實施方式
下面參照附圖，進一步說明本發明的技術方案。附圖為示意和流程圖。其中涉及的各功能層和區域大小和形狀非實際尺寸。在此公開的實施例，其特定的結構細節和功能細節僅是描述特定實施例的目的，因此，可以以許多可選擇的形式來實施本發明，且本發明不應該被理解為僅僅局限於在此提出的示例實施例，而是應該覆蓋落入本發明範圍內的所有變化、等價物和可替換物。
參考圖2，通過真空互聯傳輸系統，將磁性多層膜研製中用到的薄膜沉積、界面調控、磁性表徵與進樣室在真空環境中集成，使得樣品可以在真空環境中在各功能區之間傳輸。本發明方法所應用的設備為一種超薄膜製備、界面表徵及調控集成系統，該集成系統主要由多組多功率磁控濺射設備、原位時間分辨磁光克爾測量儀、多角度離子輻照設備組成。通過超高真空互聯裝置將上述三組設備進行集成，依次進行磁性多層膜製備、界面表徵、調控；
其中，所述的超高真空互聯裝置包括多個真空腔及多段真空互聯傳輸段，用於將所有設備進行集成；
其中，所述的多組多功率磁控濺射設備，具體結構為：在單個真空腔內集成有多個濺射靶，分為多組，每組的濺射靶位於同一迴轉式轉盤上，每組分別由獨立的直流或射頻電源驅動；在該真空腔體內設置有旋轉升降臺，樣品通過旋轉升降臺移動至多組濺射靶的指定位置；同時樣品可以勻速轉動；
其中，所述的多角度離子輻照設備，採用了三級差分抽氣設計與離子束的精準聚焦設計，具體方案如下：
三級差分抽氣設計：將離子輻照設備腔室分為第一抽氣單元即離子源腔室，第二抽氣單元即磁鐵腔室、透鏡和偏轉板區域，以及第三抽氣單元即輻照樣品腔室三個抽氣單元，每個抽氣單元之間用不同孔徑的超高真空法蘭隔開，其中第一抽氣單元與第二抽氣單元之間用帶有第一小孔的超高真空法蘭隔開，第二抽氣單元與第三抽氣單元之間用帶有第二小孔的超高真空法蘭隔開；
離子束的精準聚焦設計：在離子源腔室內依次設置有離子源、定義光闌和中心定位板，用於將從離子源射出的離子束進行定位、聚焦；在磁鐵腔室、透鏡和偏轉板區域內依次設置有離子束偏轉磁鐵、透鏡及偏轉板；
其中，所述的超高真空互聯裝置，具體結構包括：
進樣室，該進樣室是樣品從大氣進入真空環境的過渡腔體，與多級泵相聯，可實現不低於10-6Pa的真空度；
真空互聯傳輸段，連接進樣室和終端設備不同的真空互聯傳輸段可分為主傳輸段和分支傳輸段，在主傳輸段和分支傳輸段相交處設置有過渡腔室；在不同真空互聯傳輸段安裝全金屬密封的閘板閥，通過控制閘板閥的開關可實現不同傳輸段的互聯與隔絕；
可自由伸縮的傳樣杆機械臂，機械臂末端有樣品託，用於支撐樣品；機械臂在主傳輸段及連接設備的分支傳輸段內各有一個。
藉助上述集成系統，可以進行磁性多層膜結構的定製化研製，參考圖1，共有五大步驟。以下敘述中均省略了真空互聯傳輸環節：
步驟一：磁性多層膜定製化製備參數標定。參考圖3，在真空環境下進行磁性多層膜結構的薄膜沉積，採用一定參數進行界面調控，藉助磁性表徵設備判斷此時磁性是否達標。若磁性不達標，則更改薄膜沉積及界面調控所用參數，並重新進行薄膜沉積、界面調控與磁性表徵。重複以上步驟，直至磁性表徵達標，得到標定後的界面調控參數。所述參數包括調控時間、退火溫度、離子輻照中離子能量和入射角度。
步驟二：薄膜沉積及特定界面調控。參考圖4，首先進行薄膜沉積，得到如圖4(a)所示的膜層結構。其次按照上步驟一中標定後的界面調控參數，對樣品進行界面調控，得到如圖4(b)所示的調控後的膜層結構。在此基礎上進行後續薄膜沉積，可得到圖4(c)所示的膜層結構。從圖4(c)中可以看出，僅有下層界面受到了調控，而上層界面並未受界面調控的影響，實現了對磁性多層膜沉積及特定界面的精準調控。
步驟三：界面調控作用研究。藉助磁性表徵設備，將界面調控前後磁性多層膜的磁學特性進行對比，研究界面調控對磁性多層膜磁學特性的影響。
步驟四：特定功能層作用研究。首先藉助薄膜沉積設備沉積一定的磁性多層膜結構層，藉助磁性表徵設備對其磁學特性進行表徵。繼續進行薄膜沉積，增加特定功能層，進行磁性表徵。分析對比增加特定功能層前後磁學特性的變化，研究特定功能層對磁性多層膜磁學性質的影響。所述特定功能層包括：覆蓋層、緩衝層和釘扎層。
步驟五：磁性多層膜磁特性定製化研製。依據步驟一到步驟四的結果，可以標定界面調控參數、進行特定界面調控、分析界面調控及加蓋特定功能層對磁性多層膜磁學特性的影響。參考圖5，依據以上結論設計磁性多層膜結構，進行薄膜沉積及特定界面調控。最後，在不破壞真空的情況下，對製成的樣品進行磁性表徵，驗證磁性多層膜磁學性質是否滿足定製化要求，完成磁性多層膜結構研製。