專利名稱：一種新的制備(002)織構(gòu)Fe薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬信息存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及用于織構(gòu)誘導(dǎo)FePt (001)結(jié)構(gòu)生長的緩沖層 的制備方法。 技術(shù)背景為實(shí)現(xiàn)更高的記錄密度，磁存儲(chǔ)技術(shù)巳經(jīng)從縱向記錄方式轉(zhuǎn)變到垂直磁記錄方式。通 常，這要求記錄介質(zhì)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(yīng)，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(zhì) 材料的研究重點(diǎn)。由于FePt有序合金薄膜的易磁化軸沿面心四方結(jié)構(gòu)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(guān)鍵問題。在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過增加具有織構(gòu)的緩沖層(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(jìn)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(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，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，通常采用的材料為CrRu、 NiTa/Cr等[2]。由于這些材料的晶格常數(shù)于 FePt有較小的晶格失配，F(xiàn)ePt原子可以直接沿著它們晶格的格點(diǎn)生長；同時(shí)，通過摻雜還 可以調(diào)節(jié)緩沖層的晶格常數(shù)，促進(jìn)薄膜的有序化，如在(002)織構(gòu)的Cr薄膜中摻入少量 Ru，當(dāng)Ru含量為9at。/。時(shí)，F(xiàn)ePt薄膜表現(xiàn)出好的垂直取向。但是Cr在FePt薄膜中的擴(kuò)散 會(huì)導(dǎo)致磁性能的變壞。因此尋找新的合適的緩沖層材料和結(jié)構(gòu)成為研究重點(diǎn)。Fe是體心立方結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a為0.2866納米，對(duì)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(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)a、 c分別是0.3852和0.3713納米，與Fe對(duì) 角原子間距d的失配度分別為5.2 %和9.2 %。相比較于CrwRii9約6.4 %的失配度，可以預(yù) 期Fe膜也能誘導(dǎo)出好的c軸垂直取向的薄膜。 一般情況下，F(xiàn)e薄膜表現(xiàn)出(110)的織構(gòu)， 這是因?yàn)閷?duì)于體心立方結(jié)構(gòu)而言，(110)面的能量最低，最容易生長。但是，數(shù)據(jù)比較表 明，F(xiàn)e具有和Cr相同的晶體結(jié)構(gòu)，相近的晶格常數(shù)、原子半徑等物理性能。因此，我們 預(yù)期通過仔細(xì)控制薄膜的生長條件，可以獲得(002)織構(gòu)的薄膜。接下來的問題是，如何控制Fe在FePt薄膜中的擴(kuò)散？對(duì)于這個(gè)問題，可以通過調(diào)節(jié) FePt薄膜的成分來補(bǔ)償Fe的擴(kuò)散，在這里Fe不是摻雜原子，而且FePt中Fe的成分可以 在較寬的范圍內(nèi)變化。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一點(diǎn)。相比較于Cr， Fe是鐵磁性的薄膜，并且表現(xiàn)出軟磁特性，用(002)織構(gòu)的Fe作為 緩沖層，既可以誘導(dǎo)FePt (001)取向晶粒的生長，又可以利用Fe與FePt之間的耦合，制 備交換耦合復(fù)合介質(zhì)(ECC)，通過Fe的磁化翻轉(zhuǎn)帶動(dòng)FePt磁矩的翻轉(zhuǎn)，從而降低整個(gè)結(jié) 構(gòu)的寫入場(chǎng)。最近，在磁電子學(xué)材料研究方面，以氧化鎂單晶薄膜作為中間勢(shì)壘層的Fe(001)/MgO (001) /Fe (001)隧道結(jié)表現(xiàn)出很高的隧道磁電阻效應(yīng)(超過400%)，遠(yuǎn)高于使用非晶 A1203薄膜作為勢(shì)壘層的隧道結(jié)[4]。其原因在于當(dāng)隧穿在晶體勢(shì)壘中發(fā)生時(shí)，只有全對(duì)稱 的Ai能帶中的電子才有高的隧穿幾率，同時(shí)多數(shù)自旋的Ai能帶和費(fèi)米面有交疊，少數(shù)自 旋的Ai能帶和費(fèi)米面無交疊，因此有很高的磁電阻效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)使得磁隨機(jī)存儲(chǔ)器 (MRAM)的開發(fā)前景變得光明。在這種隧道結(jié)中，MgO晶體薄膜是關(guān)鍵，通常采用分 子束外延和濺射的方法在單晶或者織構(gòu)Fe薄膜表面上生長，因此，制備高質(zhì)量的Fe(002) 薄膜是獲得高性能隧道結(jié)的關(guān)鍵。考慮到濺射的方法成本低，在工業(yè)上有廣泛的應(yīng)用，所 以研究用濺射的方法制備(002)織構(gòu)的Fe薄膜顯得非常重要?；谝陨蟽煞矫娴闹匾?，本發(fā)明提出了采用熱處理的制備工藝，包括濺射時(shí)基板加 熱和濺射完后熱處理兩種方式，能夠方便快捷地制備(002)織構(gòu)的Fe磁性薄膜。本發(fā)明 系統(tǒng)地研究了影響Fe薄膜織構(gòu)形成的因素，界定了該工藝所需要的條件。在此基礎(chǔ)上， 制備了高取向和高有序度的Zlo相FePt薄膜。參考文獻(xiàn)[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)衍射數(shù)據(jù)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(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提出一種制備過程簡單，制備難度降低的制備(200)織構(gòu)Fe薄膜 的方法，并提出本發(fā)明方法制備的薄膜在制備超高密度磁存儲(chǔ)介質(zhì)方面的應(yīng)用。本發(fā)明提出的制備(002)織構(gòu)Fe薄膜的方法，采用直流磁控濺射設(shè)備，具體步驟如下(1) 在襯底上沉積Fe薄膜-將經(jīng)過預(yù)處理的襯底放入磁控濺射設(shè)備的濺射腔室；將濺射腔室的本底氣壓降到小于5X10—8Torr的真空環(huán)境，開始制備薄膜；以氬氣作為工作氣體，通入濺射腔室，使濺射 氣壓不高于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(duì)Fe薄膜進(jìn)行熱處理。沉積完Fe薄膜后，停止通入工作氣體，將濺射腔室抽回至氣壓小于5X10—8T0rr的 真空環(huán)境。打開樣品(襯底上面Fe薄膜)上方的鹵素?zé)?，?duì)樣品進(jìn)行輻照加熱，升溫速 率控制在20'C/min 5(TC/min之間，并維持小于1X l(T Torr的真空環(huán)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(shí)間為10-20分鐘，即得到(200)織 構(gòu)Fe薄膜。退火結(jié)束后關(guān)掉電源，薄膜樣品自然冷卻。本發(fā)明中，襯底可采用玻璃，襯底預(yù)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(jī)超聲15分鐘左右，用大量去離子水沖洗。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。然后將清洗好的襯底吹干。傳 送到濺射腔室。等濺射腔的本底氣壓降低到小于5X10—STorr之后開始制備薄膜。本發(fā)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(xiàn)微弱的(110)取向。通過對(duì)薄膜進(jìn)一步的熱處理，可以獲得具有很好(002)織 構(gòu)的Fe薄膜。由于通常的真空濺射設(shè)備具有原位加熱裝置，因此可以同時(shí)用于薄膜制備 和樣品熱處理。
由上述方法制備得到的(200)織構(gòu)Fe薄膜，可以作為磁記錄材料L1。相FePt薄膜的 緩沖層，從而在制備超高密度磁存儲(chǔ)介質(zhì)方面獲得應(yīng)用。具體做法為制備得(002)織 構(gòu)Fe薄膜之后，將襯底溫度升高到480 。C 520 。C，然后在其上生長FePt薄膜。這里 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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明丄10相 FePt有序合金薄膜的c軸垂直于薄膜表面，同時(shí)Fe原子在Fe緩沖層和FePt薄膜之間的擴(kuò) 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(jié)構(gòu)采用X射線衍射儀(XRD)來測(cè)量，F(xiàn)e (110)和(200)衍射峰的出現(xiàn)分 別說明薄膜中Fe (110)和(200)結(jié)構(gòu)的存在。對(duì)于FePt薄膜，(002)是其c軸取向的 基本峰，有序和無序結(jié)構(gòu)中都存在；而(001)峰是超晶格峰，只存在于有序結(jié)構(gòu)中。因 此，通常用(001)和(002)衍射峰的強(qiáng)度比值S來表征薄膜的有序化程度。


圖1為Corning Glass/Fe (15nm)薄膜的衍射圖譜，其中(a)、 (b)分別為未經(jīng)退火 和經(jīng)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(jīng)過600度、500度、400度、 300度退火后的XRD圖譜；(bl)、 (b2)、 (b3)、 (b4)是L5nm的Fe樣品分別經(jīng)過600度、 500度、400度、300度退火后的XRD圖譜；(cl)、 (c2)、 (c3)、 (c4)是25nrn的Fe樣品分 別經(jīng)過600度、500度、400度、300度退火后的XRD圖譜；(dl)、 (d2)、 (d3)、 (d4)是50nm 的Fe樣品分別經(jīng)過600度、500度、400度、300度退火后的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(shí)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(shí)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 的濺射功率制備的樣品的X射線衍射圖譜。其中，(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)分別對(duì)應(yīng)Fe 的不同濺射功率20W、 30W、 50W、 60W和80W。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步具體描述本發(fā)明。實(shí)施例1. Corning Glass/Fe (15nm)退火與不退火的對(duì)比用計(jì)算機(jī)控制的CMS-18多功能磁控濺射設(shè)備制備Corning Glass/ Fe (15nm)樣品。 采用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。最后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(tài)和經(jīng)過退火后的XRD圖譜。沉積態(tài)樣品只有微弱的 (110)峰，說明其晶粒步完整，且呈現(xiàn)(110)取向。退火之后樣品只有很強(qiáng)的(200)衍 射峰，說明所制備的多晶薄膜完全實(shí)現(xiàn)了 (002)織構(gòu)。實(shí)施例2. Corning Glass/Fe (lOnm, 15nm, 25nm, 50nm)厚度與退火溫度的關(guān)系 用計(jì)算機(jī)控制的CMS-18多功能磁控濺射設(shè)備制備不同厚度的Fe薄膜樣品Coming Glass/Fe (10nm， 15nm， 25nm, 50nm)。采用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(shí)間控制Fe薄膜的厚度分別為10nm， 15nm， 25nm， 50nm。最后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(jīng)過600 。C、 500 。C、 400 。C、 300。C退火后的XRD圖譜。在300。C熱處理時(shí)，X射線譜圖中看不 到(110)衍射峰；當(dāng)退火溫度升高到400 。C后，(200)峰開始出現(xiàn)，并隨著溫度的提高 逐漸變得明顯，并形成很好的(002)織構(gòu)；(bl)、 (b2)、 (b3)、 (b4)是15nm的Fe樣品分別 經(jīng)過600。C、 500 。C、 400 。C、 300 。C退火后的XRD圖譜。在300。C熱處理時(shí)，X射線譜 圖中出現(xiàn)微弱的(UO)衍射峰；同樣地，經(jīng)過400°C、 500 。C和600 。C熱處理的Fe薄膜 中實(shí)現(xiàn)了 (002)織構(gòu)；(cl)、 (c2)、 (c3)、 (c4)是25nm的Fe樣品分別經(jīng)過600 。C、 500 。C、 400°C、 300。C退火后的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(gòu)，而經(jīng)過較高溫度GOO。C、 400 。C)退火的樣品都實(shí)現(xiàn)完 全的(200)結(jié)構(gòu)；(dl)、 (d2)、 (d3)、 (d4)是50nm的Fe樣品分別經(jīng)過600 。C、 500 。C、 400 。C、 300 。C退火后的XRD圖譜。結(jié)果顯示，在600 。C制備的Fe薄膜才能實(shí)現(xiàn)完全的(002) 織構(gòu)。由此可見，在相同的熱處理?xiàng)l件下，獲得很好的(002)織構(gòu)的熱處理溫度隨著Fe 薄膜的厚度而增加。實(shí)施例3. Corning Glass/Fe (15nm)改變?yōu)R射功率用計(jì)算機(jī)控制的CMS-18多功能磁控濺射設(shè)備在不同功率下制備Corning Glass/Fe (15nm)。采用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(jié)束后，在真空中用碘鎢燈對(duì)樣品進(jìn)行輻照加熱，在600 。C下退火15分 鐘。如圖3所示，(a)、 (b)、 (c)、 (d)分別是濺射功率為120W、 95W、 50W、 40W時(shí)樣品的 XRD圖譜。結(jié)果顯示只有(200)衍射峰出現(xiàn)，表明在Fe薄膜實(shí)現(xiàn)了完全的(002)織構(gòu)。 由此可見，實(shí)現(xiàn)(002)織構(gòu)Fe薄膜的制備與濺射功率無關(guān)的。 實(shí)施例4. Corning Glass/Fe(15nm)改變?yōu)R射氣壓 用計(jì)算機(jī)控制的CMS-18多功能磁控濺射設(shè)備在不同濺射氣壓下制備Corning Glass/ Fe( 15nm)。采用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。然后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(shí)樣品的XRD圖譜。當(dāng)氣壓不小于8.0mTorr 時(shí)，所獲得的薄膜中同時(shí)出現(xiàn)(110)和(200)衍射峰，表明Fe薄膜中同時(shí)存在(110) 和(200)取向的晶粒。而當(dāng)濺射氣壓低于5.0mTorr時(shí)，薄膜呈現(xiàn)出很強(qiáng)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(gòu)的Fe薄膜。 實(shí)施例5. Corning Glass/Fe (15nm)/FePt (7nm)用計(jì)算機(jī)控制的CMS-18多功能磁控濺射設(shè)備制備了 Corning Glass/Fe (15nm)。采用Corning Glass作為襯底，濺射功率為80W，濺射氣壓3.0mTorr，厚度為15nm。然后在 真空中用碘鎢燈輻照樣品，在600。C下原位退火15分鐘。最后，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(bǔ)償Fe原子的擴(kuò)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，F(xiàn)ePt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(gòu)、c軸垂直于薄膜表面的Zlo相FePt有序合金薄膜。
權(quán)利要求
1、一種制備(002)織構(gòu)Fe薄膜的方法，采用直流磁控濺射設(shè)備，具體步驟如下(1)在襯底上沉積Fe薄膜將經(jīng)過預(yù)處理的襯底放入磁控濺射設(shè)備的濺射腔室；將濺射腔室的本底氣壓降到小于5×10-8Torr的真空環(huán)境，開始制備薄膜；以氬氣作為工作氣體，通入濺射腔室，使濺射氣壓不高于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(duì)Fe薄膜進(jìn)行熱處理沉積完Fe薄膜后，停止通入工作氣體，將濺射腔室抽回至氣壓小于5×10-8Torr的真空環(huán)境，打開樣品上方的鹵素?zé)?，?duì)樣品進(jìn)行輻照加熱，升溫速率控制在20℃/min～50℃/min之間，并維持小于1×10-6Torr的真空環(huán)境，退火溫度控制在400℃-600℃，退火時(shí)間為10-20分鐘，即得到(200)織構(gòu)Fe薄膜。
2、 一種制備磁存儲(chǔ)介質(zhì)FePt薄膜的方法，其特征在于利用權(quán)利要求1所述方法制備 得到的(200)織構(gòu)Fe薄膜，作為磁記錄材料n。相FePt薄膜的緩沖層，從而在制備超高 密度磁存儲(chǔ)介質(zhì)方面獲得應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明屬于信息存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種制備(002)織構(gòu)Fe薄膜的方法。本發(fā)明通過熱處理的方式實(shí)現(xiàn)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；然后，將樣品在真空環(huán)境中退火，加熱的方式是用鹵素?zé)魧?duì)Fe膜進(jìn)行輻照，退火溫度在400℃到600℃之間，時(shí)間為10-20分鐘。由此制備得到的Fe薄膜具有完全的(002)取向。本發(fā)明系統(tǒng)研究制備過程中影響最終結(jié)構(gòu)的各個(gè)因素，為用磁控濺射的方式制備Fe(002)織構(gòu)磁性薄膜提供了完整的參數(shù)要求。在(002)織構(gòu)Fe薄膜上進(jìn)一步生長FePt薄膜，使得L1₀相FePt薄膜的C軸垂直于薄膜表面，成為性能優(yōu)良的磁存儲(chǔ)介質(zhì)。
文檔編號(hào)C23C14/35GK101215689SQ20071017330
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者何世海, 金慶原, 斌 馬 申請(qǐng)人:復(fù)旦大學(xué)