一種新的製備(002)織構Fe薄膜的方法

2023-05-02 19:10:21 1

專利名稱：一種新的製備(002)織構Fe薄膜的方法
技術領域：
本發明屬信息存儲技術領域，具體涉及用於織構誘導FePt (001)結構生長的緩衝層 的製備方法。 技術背景為實現更高的記錄密度，磁存儲技術巳經從縱向記錄方式轉變到垂直磁記錄方式。通 常，這要求記錄介質薄膜的易磁化軸沿膜面的法線方向。為克服減小記錄位而變得明顯的 超順磁效應，高磁晶各向異性能的￡1G相FePt有序合金材料成為下一代超高記錄密度介質 材料的研究重點。由於FePt有序合金薄膜的易磁化軸沿面心四方結構的c軸方向，因此， 丄lo相FePt薄膜的c軸垂直取向成了需要解決的關鍵問題。在實際應用中，可以通過增加具有織構的緩衝層(Underlayer，或Buffer layer)來影 響磁性記錄層的晶粒生長，控制薄膜的取向，進而改善磁記錄性能，如利用Cr層來控制 CoCrPt薄膜的取向[l]。根據現有文獻，c軸垂直取向的FePt有序合金薄膜也可以通 過這種方式來獲得，通常採用的材料為CrRu、 NiTa/Cr等[2]。由於這些材料的晶格常數於 FePt有較小的晶格失配，FePt原子可以直接沿著它們晶格的格點生長；同時，通過摻雜還 可以調節緩衝層的晶格常數，促進薄膜的有序化，如在(002)織構的Cr薄膜中摻入少量 Ru，當Ru含量為9at。/。時，FePt薄膜表現出好的垂直取向。但是Cr在FePt薄膜中的擴散 會導致磁性能的變壞。因此尋找新的合適的緩衝層材料和結構成為研究重點。Fe是體心立方結構，晶格常數a為0.2866納米，對角原子的間距d為0.4053納米[3]。 丄loFePt有序合金是面心四方結構，晶格常數a、 c分別是0.3852和0.3713納米，與Fe對 角原子間距d的失配度分別為5.2 %和9.2 %。相比較於CrwRii9約6.4 %的失配度，可以預 期Fe膜也能誘導出好的c軸垂直取向的薄膜。 一般情況下，Fe薄膜表現出(110)的織構， 這是因為對於體心立方結構而言，(110)面的能量最低，最容易生長。但是，數據比較表 明，Fe具有和Cr相同的晶體結構，相近的晶格常數、原子半徑等物理性能。因此，我們 預期通過仔細控制薄膜的生長條件，可以獲得(002)織構的薄膜。接下來的問題是，如何控制Fe在FePt薄膜中的擴散？對於這個問題，可以通過調節 FePt薄膜的成分來補償Fe的擴散，在這裡Fe不是摻雜原子，而且FePt中Fe的成分可以 在較寬的範圍內變化。我們的實驗結果驗證了這一點。相比較於Cr， Fe是鐵磁性的薄膜，並且表現出軟磁特性，用(002)織構的Fe作為 緩衝層，既可以誘導FePt (001)取向晶粒的生長，又可以利用Fe與FePt之間的耦合，制 備交換耦合複合介質(ECC)，通過Fe的磁化翻轉帶動FePt磁矩的翻轉，從而降低整個結 構的寫入場。最近，在磁電子學材料研究方面，以氧化鎂單晶薄膜作為中間勢壘層的Fe(001)/MgO (001) /Fe (001)隧道結表現出很高的隧道磁電阻效應(超過400%)，遠高於使用非晶 A1203薄膜作為勢壘層的隧道結[4]。其原因在於當隧穿在晶體勢壘中發生時，只有全對稱 的Ai能帶中的電子才有高的隧穿機率，同時多數自旋的Ai能帶和費米面有交疊，少數自 旋的Ai能帶和費米面無交疊，因此有很高的磁電阻效應。這一發現使得磁隨機存儲器 (MRAM)的開發前景變得光明。在這種隧道結中，MgO晶體薄膜是關鍵，通常採用分 子束外延和濺射的方法在單晶或者織構Fe薄膜表面上生長，因此，製備高質量的Fe(002) 薄膜是獲得高性能隧道結的關鍵。考慮到濺射的方法成本低，在工業上有廣泛的應用，所 以研究用濺射的方法製備(002)織構的Fe薄膜顯得非常重要。基於以上兩方面的重要性，本發明提出了採用熱處理的製備工藝，包括濺射時基板加 熱和濺射完後熱處理兩種方式，能夠方便快捷地製備(002)織構的Fe磁性薄膜。本發明 系統地研究了影響Fe薄膜織構形成的因素，界定了該工藝所需要的條件。在此基礎上， 製備了高取向和高有序度的Zlo相FePt薄膜。參考文獻[1] M丄.Plumer, J. Van Ek, D. Weller, The Physics of Ultrahigh-density Magnetic Recording, Berlin ; New York : Springer, 2001[2] R.F.C.Farrow， D.Weller, R.F.Marks, et al., J. Appl. Phys., 1996, 79(8), 5967-5969; Chen J,S., Lim B.C., Wang丄R, Appl. Phys. Lett., 81， 2002， (10):薩-1850; Xu Y. F. ， Chen J.S., Wang J.P.， Appl. Phys. Lett., 2002, 80 (18): 3325-3327; Z. G. Zhang, K. Kang and T. Suzuki, Appl. Phys. Lett.， 2003， 83(9)， 1785-1787; MaedaT, IEEE Trans, on Magn" 2005,41 (10): 3331-3333 [3]X射線多晶(粉末)衍射資料庫(JCPDS: Joint Committee on Powder Diffraction Standards) [4] S.S.P. Parkin, C. Kaiser, A. Panchula， P.M. Rice， B. Hughes， M. Samant and S.H. Yang， Nature Materials, 3， 862 ， S. Yuasa, T. Nagahama， A. Fukushima, Y. Suzuki and K. Ando, Nature Materials, 3， 868 發明內容本發明的目的在於提出一種製備過程簡單，製備難度降低的製備(200)織構Fe薄膜 的方法，並提出本發明方法製備的薄膜在製備超高密度磁存儲介質方面的應用。本發明提出的製備(002)織構Fe薄膜的方法，採用直流磁控濺射設備，具體步驟如下(1) 在襯底上沉積Fe薄膜-將經過預處理的襯底放入磁控濺射設備的濺射腔室；將濺射腔室的本底氣壓降到小於5X10—8Torr的真空環境，開始製備薄膜；以氬氣作為工作氣體，通入濺射腔室，使濺射 氣壓不高於5. 0mTorr;在一選定的氣壓值下，在襯底禾喊Fe靶材之間加上一濺射功率(不 限定)，室溫下在襯底上沉積Fe薄膜，厚度為10nm-50nm;(2) 對Fe薄膜進行熱處理。沉積完Fe薄膜後，停止通入工作氣體，將濺射腔室抽回至氣壓小於5X10—8T0rr的 真空環境。打開樣品(襯底上面Fe薄膜)上方的滷素燈，對樣品進行輻照加熱，升溫速 率控制在20'C/min 5(TC/min之間，並維持小於1X l(T Torr的真空環境，退火溫度控 制在40(TC-600°C，具體視Fe薄膜厚度而定，退火時間為10-20分鐘，即得到(200)織 構Fe薄膜。退火結束後關掉電源，薄膜樣品自然冷卻。本發明中，襯底可採用玻璃，襯底預處理的通常方法為將襯底放入洗潔精溶液中， 用超聲波清洗機超聲15分鐘左右，用大量去離子水衝洗。再將襯底放入98%濃硫酸和雙 氧水1:1的溶液中浸泡15分鐘左右，用大量去離子水清洗。然後將清洗好的襯底吹乾。傳 送到濺射腔室。等濺射腔的本底氣壓降低到小於5X10—STorr之後開始製備薄膜。本發明中，室溫下直接沉積得到的Fe薄膜的晶粒不完整，X射線衍射分析顯示出這些 晶粒呈現微弱的(110)取向。通過對薄膜進一步的熱處理，可以獲得具有很好(002)織 構的Fe薄膜。由於通常的真空濺射設備具有原位加熱裝置，因此可以同時用於薄膜製備 和樣品熱處理。
由上述方法製備得到的(200)織構Fe薄膜，可以作為磁記錄材料L1。相FePt薄膜的 緩衝層，從而在製備超高密度磁存儲介質方面獲得應用。具體做法為製備得(002)織 構Fe薄膜之後，將襯底溫度升高到480 。C 520 。C，然後在其上生長FePt薄膜。這裡 生長FePt薄膜的方法和控制條件與通常的生長FePt薄膜的方法一樣。實驗結果表明丄10相 FePt有序合金薄膜的c軸垂直於薄膜表面，同時Fe原子在Fe緩衝層和FePt薄膜之間的擴 散使得雙層薄膜中FePt的成分偏離FePt單層薄膜的成分。薄膜的結構採用X射線衍射儀(XRD)來測量，Fe (110)和(200)衍射峰的出現分 別說明薄膜中Fe (110)和(200)結構的存在。對於FePt薄膜，(002)是其c軸取向的 基本峰，有序和無序結構中都存在；而(001)峰是超晶格峰，只存在於有序結構中。因 此，通常用(001)和(002)衍射峰的強度比值S來表徵薄膜的有序化程度。


圖1為Corning Glass/Fe (15nm)薄膜的衍射圖譜，其中(a)、 (b)分別為未經退火 和經過退火的樣品的XRD圖。圖2為Corning Glass/Fe (10nm, 15nm, 25nm， 50nm) 在不同溫度下退火所得樣品的衍 射圖譜。其中，(al)、 (a2)、 (a3)、 (a4)是lOnm的Fe樣品分別經過600度、500度、400度、 300度退火後的XRD圖譜；(bl)、 (b2)、 (b3)、 (b4)是L5nm的Fe樣品分別經過600度、 500度、400度、300度退火後的XRD圖譜；(cl)、 (c2)、 (c3)、 (c4)是25nrn的Fe樣品分 別經過600度、500度、400度、300度退火後的XRD圖譜；(dl)、 (d2)、 (d3)、 (d4)是50nm 的Fe樣品分別經過600度、500度、400度、300度退火後的XRD圖譜。圖3為ComingGlass/Fe(15nm)薄膜在不同功率下濺射成膜的衍射圖譜。其中，(a)、(b) 、 (c)、 (d)分別是濺射功率為120W、 95W、 50W、 40W時樣品的XRD圖譜。圖4為Corning Glass/Fe (15nm)薄膜在不同氣壓下濺射成膜的衍射圖譜。其中，(a)、(b)、(c) 、 (d)分別是濺射氣壓分別為12.0 mTorr、 8.0mTorr、 5,0mTorr、 2.0mTorr時樣品的XRD 圖譜。圖5為Corning Glass/Fe (15nm)/FePt (7nm) 在固定Pt濺射功率為40W，改變Fe 的濺射功率製備的樣品的X射線衍射圖譜。其中，(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)分別對應Fe 的不同濺射功率20W、 30W、 50W、 60W和80W。
具體實施方式
下面通過實施例進一步具體描述本發明。實施例1. Corning Glass/Fe (15nm)退火與不退火的對比用計算機控制的CMS-18多功能磁控濺射設備製備Corning Glass/ Fe (15nm)樣品。 採用Corning Glass (康寧玻璃)作為襯底，濺射功率為80W，濺射氣壓3.0mTorr， Fe 薄膜厚度為15nm。最後在真空中用碘鎢燈輻照樣品，在60(TC下原位退火15分鐘。如圖 l所示，(a)、 (b)分別是Fe樣品沉積態和經過退火後的XRD圖譜。沉積態樣品只有微弱的 (110)峰，說明其晶粒步完整，且呈現(110)取向。退火之後樣品只有很強的(200)衍 射峰，說明所製備的多晶薄膜完全實現了 (002)織構。實施例2. Corning Glass/Fe (lOnm, 15nm, 25nm, 50nm)厚度與退火溫度的關係 用計算機控制的CMS-18多功能磁控濺射設備製備不同厚度的Fe薄膜樣品Coming Glass/Fe (10nm， 15nm， 25nm, 50nm)。採用Coming Glass作為襯底，濺射功率為70W，濺 射氣壓為4.0mTorr ，通過控制濺射時間控制Fe薄膜的厚度分別為10nm， 15nm， 25nm， 50nm。最後在真空中用碘鎢燈輻照樣品，分別在300 。C、400。C、500 。C、600°C下退火15分鐘。如圖2所示，(al)、 (a2)、 (a3)、 (a4)是10nm的Fe樣品分別經過600 。C、 500 。C、 400 。C、 300。C退火後的XRD圖譜。在300。C熱處理時，X射線譜圖中看不 到(110)衍射峰；當退火溫度升高到400 。C後，(200)峰開始出現，並隨著溫度的提高 逐漸變得明顯，並形成很好的(002)織構；(bl)、 (b2)、 (b3)、 (b4)是15nm的Fe樣品分別 經過600。C、 500 。C、 400 。C、 300 。C退火後的XRD圖譜。在300。C熱處理時，X射線譜 圖中出現微弱的(UO)衍射峰；同樣地，經過400°C、 500 。C和600 。C熱處理的Fe薄膜 中實現了 (002)織構；(cl)、 (c2)、 (c3)、 (c4)是25nm的Fe樣品分別經過600 。C、 500 。C、 400°C、 300。C退火後的XRD圖譜。值得注意的是，在較低溫度GOO。C、 400 。C)下熱處 理的樣品，顯示出(110)織構，而經過較高溫度GOO。C、 400 。C)退火的樣品都實現完 全的(200)結構；(dl)、 (d2)、 (d3)、 (d4)是50nm的Fe樣品分別經過600 。C、 500 。C、 400 。C、 300 。C退火後的XRD圖譜。結果顯示，在600 。C製備的Fe薄膜才能實現完全的(002) 織構。由此可見，在相同的熱處理條件下，獲得很好的(002)織構的熱處理溫度隨著Fe 薄膜的厚度而增加。實施例3. Corning Glass/Fe (15nm)改變濺射功率用計算機控制的CMS-18多功能磁控濺射設備在不同功率下製備Corning Glass/Fe (15nm)。採用Corning Glass作為襯底，濺射氣壓3.0mTorr，薄膜厚度保持在15nm，室 溫下濺射。沉積結束後，在真空中用碘鎢燈對樣品進行輻照加熱，在600 。C下退火15分 鍾。如圖3所示，(a)、 (b)、 (c)、 (d)分別是濺射功率為120W、 95W、 50W、 40W時樣品的 XRD圖譜。結果顯示只有(200)衍射峰出現，表明在Fe薄膜實現了完全的(002)織構。 由此可見，實現(002)織構Fe薄膜的製備與濺射功率無關的。 實施例4. Corning Glass/Fe(15nm)改變濺射氣壓 用計算機控制的CMS-18多功能磁控濺射設備在不同濺射氣壓下製備Corning Glass/ Fe( 15nm)。採用Corning Glass作為襯底，濺射功率為80W，濺射氣壓為12.0mTorr、8.0mTorr、 5.0mTorr、 2.0mTorr，薄膜厚度保持為15nm，室溫下濺射。然後在真空中用碘鎢燈輻照樣 品，分別在600。C下退火15分鐘。如圖4所示，(a)、 (b)、 (c)、 (d)分別是濺射氣壓分別為 12.0 mTorr、 8.0mTorr、 5.0mTorr、 2.0mTorr時樣品的XRD圖譜。當氣壓不小於8.0mTorr 時，所獲得的薄膜中同時出現(110)和(200)衍射峰，表明Fe薄膜中同時存在(110) 和(200)取向的晶粒。而當濺射氣壓低於5.0mTorr時，薄膜呈現出很強的(200)衍射峰， 而(110)衍射峰非常微弱，表明在該條件下可以獲得具有很好(002)織構的Fe薄膜。 實施例5. Corning Glass/Fe (15nm)/FePt (7nm)用計算機控制的CMS-18多功能磁控濺射設備製備了 Corning Glass/Fe (15nm)。採用Corning Glass作為襯底，濺射功率為80W，濺射氣壓3.0mTorr，厚度為15nm。然後在 真空中用碘鎢燈輻照樣品，在600。C下原位退火15分鐘。最後，在500。C的條件下，通 過共濺射的方法，在Fe薄膜表面上生長FePt薄膜，固定Pt的濺射功率為40W， Fe的濺 射功率從20W變到80W，以補償Fe原子的擴散造成的FePt成分的偏離。濺射氣壓5.0mTorr， 厚度為7nm。由圖5可知，FePt的(001)和(002)衍射峰很明顯，而(111)峰很微弱， 表明獲得了具有(001)織構、c軸垂直於薄膜表面的Zlo相FePt有序合金薄膜。
權利要求
1、一種製備(002)織構Fe薄膜的方法，採用直流磁控濺射設備，具體步驟如下(1)在襯底上沉積Fe薄膜將經過預處理的襯底放入磁控濺射設備的濺射腔室；將濺射腔室的本底氣壓降到小於5×10-8Torr的真空環境，開始製備薄膜；以氬氣作為工作氣體，通入濺射腔室，使濺射氣壓不高於5.0mTorr；在一選定的氣壓值下，在襯底和純Fe靶材之間加上一濺射功率，室溫下在襯底上沉積Fe薄膜，厚度為10nm-50nm；(2)對Fe薄膜進行熱處理沉積完Fe薄膜後，停止通入工作氣體，將濺射腔室抽回至氣壓小於5×10-8Torr的真空環境，打開樣品上方的滷素燈，對樣品進行輻照加熱，升溫速率控制在20℃/min～50℃/min之間，並維持小於1×10-6Torr的真空環境，退火溫度控制在400℃-600℃，退火時間為10-20分鐘，即得到(200)織構Fe薄膜。
2、 一種製備磁存儲介質FePt薄膜的方法，其特徵在於利用權利要求1所述方法製備 得到的(200)織構Fe薄膜，作為磁記錄材料n。相FePt薄膜的緩衝層，從而在製備超高 密度磁存儲介質方面獲得應用。
全文摘要
本發明屬於信息存儲技術領域，具體為一種製備(002)織構Fe薄膜的方法。本發明通過熱處理的方式實現Fe磁性薄膜完全的(002)取向，具體是首先在玻璃襯底上，通過磁控濺射的方式沉積一層厚度為10納米到50納米的Fe薄膜；然後，將樣品在真空環境中退火，加熱的方式是用滷素燈對Fe膜進行輻照，退火溫度在400℃到600℃之間，時間為10-20分鐘。由此製備得到的Fe薄膜具有完全的(002)取向。本發明系統研究製備過程中影響最終結構的各個因素，為用磁控濺射的方式製備Fe(002)織構磁性薄膜提供了完整的參數要求。在(002)織構Fe薄膜上進一步生長FePt薄膜，使得L10相FePt薄膜的C軸垂直於薄膜表面，成為性能優良的磁存儲介質。
文檔編號C23C14/35GK101215689SQ20071017330
公開日2008年7月9日 申請日期2007年12月27日 優先權日2007年12月27日
發明者何世海, 金慶原, 斌 馬 申請人:復旦大學