СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ МАГНИТНЫХ ПЛЕНОК Российский патент 1999 года по МПК H01L51/40 

Изобретение относится к технологии получения тонких (≥ 0,1 мкм) магнитных пленок (ТМП) с применением метода имплантации ионов магнитных элементов в материал подложки и может быть использовано в микроэлектронике и информатике, в частности, для изготовления магнитных и магнитооптических запоминающих сред. Такие пленки характеризуются повышенной механической прочностью, твердостью и химической стойкостью, а также максимальной адгезией к подложке.

Известен способ [1] получения ТМП в полупроводнике. Способ заключается в том, что в кремниевую подложку имплантируют ионы магнитных элементов с энергией E = 10 - 500 кэВ; дозой облучения (D), определяемой из соотношения D = n • d, где n - концентрация атомов имплантированных элементов в материале ТМП, d - заданная толщина ТМП; плотностью потока ионов (j), лежащей в диапазоне 6 • 10¹² - 6 • 10¹³ ион/см²с. Однако полученные ТМП состоят из мелкодисперсных ферромагнитных силицидов с невысокими значениями намагниченности.

Известен способ [2] получения ферромагнитной пленки при имплантации в твердотельную подложку быстрых ионов переходных элементов группы железа. Для расширения частотного диапазона и улучшения магнитных характеристик ферромагнитной пленки в качестве подложки используют кварц, и облучают ее при плотностях потока ионов j = 6 • 10¹² - 9 • 10¹³ ион/см²с с дозами D = 5 • 10¹⁶ - 10¹⁷ ион/см². Например, при имплантации подложки из плавленного кварца на ускорителе ИЛУ-3 ионами ⁵⁶Fe⁺ с энергией E = 40 кэВ, дозой D = 8 • 10¹⁶ ион/см² при плотностях потока ионов j = 6 • 10¹³ ион/см²с были синтезированы ТМП с эффективной намагниченностью насыщения ≈ 4000 Гс.

Однако полупроводниковые и кварцевые подложки не нашли широкого применения для записи информации вследствие неудовлетворительных механических характеристик и достаточно высокой стоимости материала.

В настоящее врем более перспективными являются магнитные и магнитооптические среды, в которых в качестве подложки используют полимерный материал - полиметилметакрилат (ПММА) [3, 4].

Известен способ получения ТМП в ПММА [5]. Этот способ является наиболее близким к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Способ заключается в следующем. Плоскопараллельные пластины ПММА толщиной 1 мм бомбардируют в вакуумной камере ионно-лучевого ускорителя ИЛУ-3 ионами Fe⁺ с энергией E = 40 кэВ, дозой превышающей 10¹⁷ ион/см², и плотностью потока ионов j < 2,4 • 10¹³ ион/см²с. Методами ферромагнитного резонанса, просвечивающей электронной микроскопии, Оже-спектроскопии было установлено образование ферромагнитной пленки, состоящей из мелкодисперсных частиц α-Fe с поперечным размером от 5 до 100 нм. Эффективная намагниченность насыщения 4πM_эфф составляла от 500 до 10000 Гс.

Однако для получения ТМП в ПММА требуются большая доза облучения ионами Fe⁺ (> 10 ион/см²) и низкая плотность потока ионов, что приводит к значительному увеличению времени имплантации, то есть к удорожанию процесса, а также к увеличению числа радиационных нарушений и, как следствие, к ухудшению магнитных характеристик пленки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается, во-первых, в улучшении магнитных характеристик пленки за счет уменьшения числа радиационных нарушений и, во-вторых, в сокращении времени имплантации и удешевлении процесса.

В способе получения тонких магнитных пленок в полимерах, включающем имплантацию ионов железа в подложку - для решения поставленной задачи - в качестве подложки используют полиэтилентерефталат (ПЭТФ), а имплантацию осуществляют с дозой 10¹⁶ - 10¹⁷ ион/см² при плотности потока ионов 6 • 10¹² - 10¹⁴ ион/см².

Нами экспериментально установлено, что при энергии E = 40 кэВ минимальная доза формирования ТМП в ПЭТФ составляет D_min = 2 • 10¹⁶ ион/см², что на порядок величины меньше, чем для синтеза ТМП в ПММА. С ростом дозы имплантации зависимость намагниченности насыщения в ПЭТФ имеет экстремальный характер с максимумом при D ≈ 10¹⁷ ион/см² (равной 4πM_эфф~ 6500 Гс в максимуме). В то же время, максимальная эффективная намагниченность насыщения для ТМП, синтезированных в ПММА, при тех же условиях, достигается только при дозе > 4 • 10¹⁷ ион/см² и равна 4πM_эфф~ 4500 Гс, что на ≈ 70% ниже, чем для ПЭТФ.

Плотность потока ионов j при заданной дозе имплантации определяет время облучения и температуру подложки за счет радиационного нагрева. С одной стороны, чем больше j, тем меньше время облучения при заданной дозе. С другой стороны, известно, что при высоких j происходит деструкция полимера. Поэтому со стороны высоких j плотность ионного потока ограничена. Температура полимера при имплантации существенным образом зависит от качества теплового контакта с кассетой-держателем. При использовании исходной тонкой пленки ПЭТФ в качестве подложки тепловой контакт получается весьма плохим, и нами экспериментально было установлено, что максимальная плотность потока ионов в этом случае не должна превышать ≈ 3 • 10¹³ ион/см²с. При обеспечении хорошего теплового контакта, например, приклеиванием, плотность потока ионов можно увеличить до 10¹⁴ ион/см²с.

Рассмотрим способ на конкретных примерах.

Пример 1. В качестве подложки использовались 3 мкм пленки ПЭТФ, нанесенные на ≈ 0,04 мкм металлическое покрытие. Использование таких пленок позволяло осуществить достаточно хороший тепловой контакт с держателем образцов в процессе облучения. Имплантация ионов Fe⁺ проводилась на ионнолучевом ускорителе ИЛУ-3 при комнатной температуре с энергией E = 40 кэВ, дозой D = 10¹⁷ ион/см² при плотности потока ионов j = 2,4 x 10¹³ ион/см²с. Методом ферромагнитного резонанса установлено образование ферромагнитной пленки. Эффективная намагниченность насыщения оказалось равной 4πM_эфф~ 6500 Гс, что приблизительно в три раза больше величины, получаемой в ПММА при той же дозе имплантации.

Пример 2. Исходные пленки ПЭТФ, приведенные в примере 1, бомбардируют ионами Fe⁺ с E = 40 кэВ, дозой D = 10¹⁷ ион/см² при величине j = 1,2 • 10¹³ ион/см²с и температуре подложки, изменяемой в интервале от 20 до 150^oC. Полученные ферромагнитные пленки имели практически неизменную величину эффективной намагниченности насыщения, равную ≈ 6000 Гс.

Пример 3. Исходные пленки ПЭТФ, приведенные в примере 1, бомбардируют ионами Fe⁺ с E = 40 кэВ, дозой D = 3 • 10¹⁶ ион/см² и j = 2,4 • 10¹³ ион/см²c при комнатной температуре подложки. Полученные пленки имели величину эффективной намагниченности насыщения равную ≈ 950 Гс.

Пример 4. Исходные пленки ПЭТФ, приведенные в примере 1, бомбардируют при комнатной температуре подложки ионами Fe⁺ с E = 40 кэВ, j = 2,4 • 10¹³ ион/см²с и с дозой D > 10¹⁷ ион/см², а именно, с D = 2,4 • 10¹⁷ ион/см². Эффективная намагниченность насыщения в полученных пленках равнялась ≈ 3200 Гс, как для ПЭТФ, так и для образцов ПММА (условия имплантации идентичны).

Литература
Способ получения тонких магнитных пленок в полупроводниках// Авт.: В.Ю. Петухов, И.Б. Хайбуллин, М.М. Зарипов. - А.С. N 1114246 (СССР).

2. Способ получения ферромагнитных пленок на твердотельных подложках// Авт. : А. А. Бухарев, А. В. Казаков, И.Б. Хайбуллин, Н.Р. Яфаев. - А.С. N 1347789 (СССР).

3. М.Х. Крайдер. В мире науки. - 1987. - N 12. - С. 46 - 58.

4. Magnetic recoding medium and method for making the same//Inv. Kazufumi. Ogawa. - US Patent N 4751100.

5. V. Petukhov, V. Zhikharev, M. Ibragimova, E. Zheglov, V. Bazarov, I. Khaibullin. Ion synthesis of the granular ferromagnetic films in polymethyl-methacrylate. - Sol. St. Comm. - 1996. - V. 97, - N. 5. - P. 361 - 364. (Прототип).

Использование: изобретение относится к технологии получения тонких (≤ 0,1 мкм) магнитных пленок с применением метода имплантации ионов магнитных элементов в материал подложки и может быть использовано в микроэлектронике и информатике, в частности для изготовления магнитных и магнитооптических запоминающих сред. Технический результат изобретения заключается, во-первых, в улучшении магнитных характеристик пленки за счет уменьшения числа радиационных нарушений и, во-вторых, в сокращении времени имплантации и удешевлении процесса. Сущность изобретения: в качестве подложки используют полиэтилентерефталат. Имплантацию ионов железа в подложку осуществляют с дозой 10¹⁶--10¹⁷ ион/см² при плотности потока ионов 6х10¹²-10¹⁴ ион/см²c.

Способ получения тонких магнитных пленок, включающий имплантацию ионов железа в полимерную подложку, отличающийся тем, что в качестве подложки используют полиэтилентерефталат, а имплантацию осуществляют осуществляют с дозой 10₁₆-10₁₇ ион/см² при плотности потока ионов 6•10₁₂-10₁₄ ион/см²•c.