DE69904019T2

DE69904019T2 - Verfahren zur magnetischen gravur für magnetische oder magneto-optische aufzeichnung

Info

Publication number: DE69904019T2
Application number: DE69904019T
Authority: DE
Inventors: Harry Bernas; Claude Chappert; Jacques Ferre
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1998-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: FR2773632B1; WO1999035657A1; CN1289442A; NO20003570D0; DE69904019D1; JP4511026B2; NO320305B1; US7132222B2; KR20010034090A; AU1974499A; CN1183529C; CA2318350A1; EP1050056A1; FR2773632A1; ATE228266T1; CA2318350C; AU737624B2; KR100740844B1; NO20003570L; ES2185303T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur magnetischen Gravur.
Spezieller findet die Erfindung vorteilhafter Weise Anwendung bei der magnetischen Aufzeichnung hoher Dichte (Fertigung diskreter magnetischer Materialien, magnetische Speicherschaltungen, logische Schaltungen mit magnetischer Steuerung, ...), optische Aufzeichnung des Typs mit ROM-Speicher (CDROM, DVDROM, ...) und bei der Herstellung optischer Schaltungen mit magnetischer Steuerung (Beugungsgitter, Materialien mit photonischer Bandlücke ...), welche eine gesteuerte Variation der mit dem Magnetismus verbundenen optischen Indexkomponente nutzt.

STAND DER TECHNIK

Die außergewöhnliche Entwicklung der Multimedia- Technologien und -Dienste der letzten Jahre hat einen Wettlauf um die Erhöhung der Aufzeichnungsdichte vorangetrieben. Obwohl die optischen Technologien (Phasenänderung) sich rapide entwickeln, sichern sich die magnetischen Techniken im Bereich der wiederbeschreibbaren Platten den ersten Platz, insbesondere die Festplatte mit ihrer hohen Übertragungsgeschwindigkeit. Jedoch werden die magnetischen Techniken auf Aufzeichnungsdichten von 100 Bits/cm² limitiert sein.
Eine der limitierenden Faktoren wird besonders der Aufzeichnungsdurchsatz des Kontakts sein, für Abstände zwischen dem Schreibkopf und dem Speichermedium von weniger als 10 nm: Man spricht von einer Entwicklung hin zu Aufzeichnungstechnologien des Typs "Tunneleffekt- Mikroskopie" («STM like storage» ist der angelsächsische Ausdruck), oder von "Nahfeld".
Mehrere technologische Sprünge wurden während der letzten Jahre in dieser Richtung vorgeschlagen, beispielsweise die Nahfeld-CD-ROM, oder die magneto-optische Nahfeld-Aufzeichnung. In dieser Hinsicht kann man sich vorteilhafterweise auf die folgenden verschiedenen Veröffentlichungen beziehen:
Y. Martin, S. Rishton, H. K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 71, 1 (1997)
Y. Betzig, J. K. Trautman, T. D. Harris, J. S. Weiner, R. L. Kostelak, Science 251, 1468 (1991)
B. D. Terris, H. J. Mamin, D. Rugar, W. R. Studenmund, G. S. Kino, Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994)
E. Betzig et al., Appl. Phys. Lett. 61, 142 (1992)
M. Myamoto, J.. Ushiyama, S. Hosaka, R. Imura, J. Magn. Soc. Jpn. 19-S1, 141 (1994)
T. J. Silva, S. Schultz, D. Weller, Appl. Phys, Lett. 65, 658 (1994)
M. W. J. Prinz, R. H. M. Groeneveld, D. L. Abraham, H. von Kempen, H. W. von Kesteren, Applied Phys. Lett. 66, 1141 (1995)
Genauso könnte man sich auch auf die folgende Veröffentlichung beziehen:
B. D. Terris H. J. Mamin, D. Rugar, Appl. Phys. Lett. 68, 141 (1996) in welcher die bevorstehende Vermarktung einer Festplatte mit magneto-optischem Lesekopf durch die Gesellschaft 3M angekündigt wird, der eine SIL (Solid Immersion Lense) benutzt.
Jedoch sollte die hauptsächliche Beschränkung der magnetischen Techniken durch das "paramagnetische Limit" gegeben sein, d. h. durch die Größe, unterhalb derer die Bits sich selbst aufgrund thermischer Effekte löschen.
Bei der Technologie gegenwärtiger Festplatten ist das Speichermedium ein spezielles Material (magnetische Körner in einer nichtmagnetischen Matrix, oder auch magnetische Körner, welche durch Zwischenräume aus nichtmagnetischen Körnern separiert sind (ME-Tape)). Nun erzwingt aber die Lärmverringerung eine Vergrößerung der vom Lesekopf gesehenen Zahl der magnetischen Teilchen, während diese Teilchen soweit wie möglich magnetisch entkoppelt sein müssen. Die Größe der Teilchen ist deshalb viel kleiner als die Größe der Bits. Extrapoliert man die gegenwärtigen Daten, so werden die Teilchen unterhalb von 8 nm paramagnetisch, was die Aufzeichnungsdichte auf einen Bereich von etwa 100 Bits/um² beschränkt.
Bei der magneto-optischen Speicherung sind die momentan benutzten Materialien amorphe Legierungen des Typs Seltenerd/Übergangsmetall, welche mit Erfindung des blauen Lasers ersetzt werden könnten durch Legierungen oder Multischichten aus Co/Pt. In der Tat konnten Bits der Größe 60 nm mittels des thermo-magnetischen Effekts in kontinuierliche Co/Pt-Multischichten geschrieben werden, aber es ist wahrscheinlich, daß Rauschprobleme aufgrund des Speichermediums (Domänenstabilität, Wandrauheit) bei Bitgrößen von viel mehr als 60 nm auftreten.
Um diese Grenze weiter zu verschieben, wurde kürzlich vorgeschlagen, die momentanen Speichermedien durch diskrete Materialien zu ersetzen, bei denen die Grenzen der magnetischen Bits geometrisch durch Lithographietechniken definiert sind:
Entweder durch Auftragung auf einer gravierten Oberfläche,
S. Gadetsky, J. K. Erwin, M. Mansuripur, J. Appl. Phys 79, 5687 (1996)
oder durch Anwachsen isolierter magnetischer Teilchen von definierter Größe und Position mittels Lithographie,
S. Y. Chou, M. S. Wie, P. R. Krauss, P. Fischer, J. Appl. Phys. 76, 6673 (1994)
Diese letztgenannte Technik erlaubt es, nur noch ein einzelnes magnetisches Teilchen pro Bit zu haben.
Parallel dazu wurden Drucktechniken entwickelt, welche auf einer durch elektronische Lithographie definierten Matrize basieren,
S. Y. Chou, P. R. Krauss, P. J. Renstrom, Science 272, 85 (1996),
Y. Xia, X. M. Zhao, G. M. Whitesides, Microelecton. Eng. 32, 255 (1996),
welche, auf gleiche Weise wie die Röntgenlithographie oder die Interferenzlithographie in naher Zukunft die Massenproduktion von gravierten Speichermedien mit Mustergrößen viel kleiner als ein Mikrometer, auf Oberflächen von einigen cm² ermöglichen könnten, was wahrscheinlich für zukünftige Platten ausreichen würde.
Gemäß der momentan vorliegenden Publikationen zeigen diese verschiedenen Techniken jedoch mehrere Nachteile auf:
1. Welcher Art die in Betracht gezogene Technik auch sei, wird eine Aufzeichnung im Kontaktmodus ein Material mit geringer und kontrollierter Oberflächenrauheit erfordern: die bisher vorgeschlagenen gravierten Materialien werden demnach einen letzten, möglicherweise komplizierten Einebnungsschritt erforderlich machen.
2. Im Falle magneto-optischer Aufzeichnung im Nahfeld, werden grobe Variationen des optischen Index (der Reflexion) des gravierten Materials zu Beugungseffekten führen, welche sich als Polarisationsveränderungen auswirken können, die viel stärker sind als die durch die magnetische Domänen induzierten, was Quelle inakzeptablen Rauschens ist.
3. Ein letztes Problem sehr hoher Dichten auf diesen gravierten Materialien betrifft die Gleichmäßigkeit der Spur. Es wird möglicherweise erforderlich, eine "Spur" zu entwickeln, die auf diesen Effekt spezialisiert ist, aber ohne die darunter, frei gelegten Punkte zu beschädigen.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung schlägt ihrerseits ein Verfahren zur Einbringung auf einem Material vor, bei welchem man das Material mittels eines Strahles leichter Ionen, wie He+- Ionen, mit einer Energie in der Größenordnung von etwa 100 keV oder kleiner bestrahlt, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Material aus auf einem Substrat aufgetragenen, vergrabenen dünnen Schichten ist, daß ein oder mehrere Felder von einer Größe im Mikrometerbereich oder kleiner bestrahlt werden, wobei die Bestrahlungsdosis gesteuert wird, damit sie einige 10¹&sup6; Ionen/cm² oder kleiner ist, und die Bestrahlung die Zusammensetzung der atomaren Ebenen im Material an einer Grenzfläche zwischen zwei von dessen Schichten modifiziert. Man modifiziert so die magnetischen Eigenschaften des Materials, wie beispielsweise seine Koerzitivkraft, seine magnetische Anisotropie oder seine Curie-Temperatur.
Ein solches Verfahren erlaubt die Lösung der oben genannten Probleme. Besonders:
1. Die Rauheit des Ausgangsfilms wird durch Bestrahlung nicht verändert und kann deshalb auf unabhängige Weise abgestimmt werden. Insbesondere kann man in Betracht ziehen, eine Auftragung nach der Bestrahlung unter ausgezeichneten Wachstumsbedingungen (% bei einer gravierten Oberfläche) wieder aufzunehmen (um die Vorrichtung herzustellen).
2. Die Variation des optischen Index bleibt für deutliche Änderungen der magnetischen Eigenschaften schwach, und andererseits können mittels der Struktur des Substrats oder der Energie der Ionen die erzielten magnetischen Variationen auf quasi unabhängige Weise in einem bestimmten Bereich kontrolliert werden.
3. Der Effekt der Bestrahlung ist kumulativ: Man kann die Bestrahlung auch mehrmals durchführen und dabei das gleiche Resultat erhalten, wie bei einer einzelnen Bestrahlung mit der kumulierten Dosis. Dieser Aspekt kann genutzt werden, wenn man mehrere Zonen der Probe mit verschiedenen Werten bestrahlen will, oder bei verschiedenen Schritten bei der Herstellung einer Vorrichtung.
4. Man kann den Effekt der Bestrahlung leicht in Realzeit steuern, indem man die Entwicklung der Eigenschaften (zum Beispiel magnetische) in einer Test-Zone mißt.
5. Die Technik kann leicht bei der Massenfertigung von Speichermedien angewandt werden, und zwar auf ökonomische Weise, da die dazu benötigten Werkzeuge entwe der schon in der Mikroelektronik (Bestrahlung) benutzt werden, oder gegenwärtig entwickelt werden (beispielsweise Drucklithographie für große Oberflächen und Großen im Nanometerbereich).
Vorteilhafter Weise wird die Bestrahlung mittels eines Ionen-Strahls durchgeführt.
Andere Techniken der Energiedeponierung wären in Betracht zu ziehen.
Die Bestrahlung kann durch eine Harzmaske hindurch oder mit Hilfe eines fokusierten Ionenstrahls durchgeführt werden.
Das oben genannte Gravurverfahren wird vorteilhaft bei der magnetischen oder magneto-optischen Aufzeichnung binärer Informationen bei ultra-hoher Dichte verwendet, u. a. für die Herstellung diskreter magnetischer Materialien, magnetischer Speicherschaltungen oder logischer Schaltungen mit magnetischer Steuerung.
Insbesondere weist die vorliegende Erfindung den Vorteil auf, das Schreiben magnetischer Domänen mit Größen weit unterhalb von 100 Nm und perfekt definierter Position und Geometrie zu ermöglichen, was es ermöglicht, das Signal-Rausch-Verhältnis zu maximieren und die Probleme der Spurverfolgung zu optimieren, wobei die Oberflächenrauheit exakt unter Kontrolle bleibt.
Ebenso wird das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren zur Herstellung eines optischen Aufzeichnungsmediums des Typs mit ROM-Speicher (CDROM/ DVDROM, ...) angewandt.
Man weiß allerdings, daß die optischen Nahfeld- Aufzeichnungstechniken möglicherweise glatte Einschreibungsmaterialien mit einem Schreibkopf, der einige Nanometer überhalb dem Material fliegt (30 nm für eine derzeitige Platte) benutzen werden müssen. Die aktuellen Techniken zur optischen Aufzeichnung des ROM-Speicher- Typs sind nun aber nicht ausreichend: Die auf Matrizen basierenden Druckverfahren können Größen ergeben, die unterhalb von 100 nm liegen, aber das dadurch erhaltene Speichermedium ist rauh; die Schreibverfahren mittels fo kusierten Laserstrahl (Ablation, Phasenänderung) erlauben es ihrerseits nicht, mit Pixelgrößen der Größenordnung von 100 nm oder kleiner zu arbeiten.
Andere Anwendungen für die Aufzeichnung binärer Informationen sind denkbar. Unter anderem wird das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren zur magnetischen Gravur vorteilhaft bei der Herstellung optischer Schaltungen mit magnetischer Steuerung (Beugungsgitter, Materialien mit photonischer Bandlücke, ...) benutzt, wobei eine kontrollierte Variation der mit dem Magnetismus verbundenen optischen Indexkomponente zur Herstellung von Aufnehmern (Lesekopf einer Festplatte, ...) oder von magnetischen Speicherschaltungen (Speicher, basierend auf dem außerordentlichen Hall-Effekt, magnetoresistive Speicher, vom Spin abhängige Tunneleffekt-Speicher) benutzt wird.
Insbesondere weiß man, daß das Aufkommen der Materialien mit photonischer Bandlücke den Weg bereitet zur Herstellung von optischen Vorrichtungen und daß die Steuerung der Vorrichtung einer der zu lösenden Aspekte sein wird. Das von der Erfindung vorgeschlagene Verfahren erlaubt es, mittels Bestrahlung durch eine Maske, einen Wellenleiterfilm aus nichtmagnetischem Material herzustellen, der ein regelmäßiges Gitter von magnetischen Mustern (photonischer Kristall) mit optischem Index aufweist, das sich zugleich leicht von dem des Wirtsmaterials unterscheidet und mittels magnetischer Effekte steuerbar ist.
Im Allgemeinen kann das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren jedesmal angewandt werden, wenn es interessant ist, ein magnetisches Element genau zu begrenzen, während eine starke Ebenheit der Vorrichtung erhalten wird (beispielsweise um ein nachträgliches Wachtum zu begünstigen).
Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren kann auch dazu benutzt werden, eine bereits unter anderen unempfindlichen Schichten vergrabene Schicht unter Anpassung der Bestrahlungsbedingungen magnetisch zu gravieren.
Beispielsweise, aber nicht einschränkend, kann man gravierte elektrische Schaltungen in demselben magnetischen Material aus einem dünnen Film herstellen, bei dem nur der bedeutende Teil magnetisch geschützt wird, wobei die Kontakt spuren durch Bestrahlung inaktiv gemacht würden; man kann auf komplizierte Weise das Koerzitivfeld einer gegebenen Zone einer Probe derart schwächen, daß garantiert wird, daß die Umkehrung der Magnetisierung jeweils unter den gleichen Bedingungen und ausgehend vom gleichen Ort eintritt.
Das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren kann sich a priori an alle Materialien anpassen, für die eine minimale Variation der lokalen atomaren Anordnung zu einer starken Änderung der magnetischen Eigenschaften führen kann, d. h. an die Legierungen aus Übergangsmetallen (zum Beispiel CoPt, NiFe, ...), an die Seltenerd/Übergangsmetall-Legierungen (z. B. TbFeCo, etc. ...) und an die magnetischen Multischichten (z. B. Co/Pt, Fe/Tb, ...), ohne daß diese Liste einschränkend sei.
Die Multischichten Co/Pt sind jene Materialien, die potentiell interessant sind für die magneto-optische Aufzeichnung bei kurzen Wellenlängen im blauen Licht.

BESCHREIBUNG EINES ODER MEHRERER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Das Verfahren zur magnetischen Gravur mittels Bestrahlung wird im Folgenden für den Fall mittels eines Ionenstrahls bestrahlter magnetischer Multischichten beschrieben und weist mehrere Schritte auf, gemäß welchen:
- (i) die Zusammensetzung und die Rauheit der Grenzflächen und der Oberflächen der Schichten vor der Bestrahlung genau gesteuert wird;
- (ii) die Multischichtstruktur mittels eines Ionenstrahls bestrahlt wird, wobei die durch den Strahl hervorgerufene strukturelle Veränderung kontrolliert wird; insbesondere steuert man die, durch den Strahl deponierte Energiedichte durch Auswahl der Masse und Energie der einfallenden Ionen;
- (iii) gegebenenfalls die Bestrahlung ergänzt wird durch thermisches Erhitzen, das geeignet ist, um Spannungen zu verringern und/oder eine lokales Ordnen hervorzurufen.
Im Fall magnetischer Materialien sind die Effekte des Verfahrens wichtig für Legierungen (Legierungen aus Übergangsmetallen, Legierungen aus seltenen Erden und seltenen Erden/Metall-Übergängen), und für Multischichtstapel jeglichen Typs.
Das Verfahren wird vorteilhafter Weise mit Co/Pt- Multischichten realisiert. Es sei bemerkt, daß diese Materialien zum einen bereits hinsichtlich ihrer Eigenschaft der rechtwinkeligen magnetischen Anisotropie untersucht wurden, und andererseits hinsichtlich des starken magneto-optischen Kerr-Effekts; sie stellen deshalb interessante Kandidaten für die magneto-optische Aufzeichnung dar.
In auf ultradünnen Schichten basierenden Materialien, werden die Eigenschaften durch den Wettstreit zwischen den Grenzflächeneffekten und den Volumeneigenschaften dominiert. Die Richtung leichter Magnetisierung ist beispielsweise durch das Vorzeichen eines effektiven Anisotropiekoeffizienten Keff, gegeben, der sich in erster Ordnung schreibt als:
Keff = -Kd + Kv + (Ks1 + Ks2)/tCo
Der erste Term repräsentiert die dipolare Formanisotropie (Kd > 0), der zweite die Volumenanisotropie (Kv > 0 für Co), und der letzte geht auf die Grenzflächen zurück (Ks > 0 im Fall der Grenzfläche Co/Pt), deren Einfluß mit dem Inversen des Durchmessers tCo des Co variiert (Ks1 und Ks2 bezeichnen die magnetischen Anisotropiekoeffizienten der beiden Grenzflächen des Co-Films). Entsprechend dem Vorzeichen von Keff, ist die Achse leichter Magnetisierung entweder die zur Ebene der Schichten senkrechte Achse (Keff > 0), oder die Ebene des Films. Es ist naheliegend, die rechtwinkelige Konfiguration für die magneto-optische Aufzeichnung zu nutzen, was möglicherweise zur Norm aller gängigen Techniken für die magnetische Aufzeichnung bei ultrahohen Dichten werden wird.
Man beschränkt sich vorzugsweise Weise auf Bestrahlungen, die zu schwachen Energiedeponierungen führen (niedrige Anzahl atomarer Versetzungen auf den uns interessierenden Grenzflächen). Dies kann beispielsweise mit leichten Ionen (zum Beispiel He+) niedriger Energien (einige keV bis etwa 10 keV) realisiert werden, oder aber mit schweren Ionen (zum Beispiel Massen der Größenordnung 100) mit relativ hohen Energien (typischerweise im MeV- Bereich). Die Bestrahlung verändert zuerst die Zusammensetzung der Grenzfläche und dabei insbesondere die Anisotropie. Für die dünnsten Filme (1 oder 2 Atomschichten), oder für höhere Dosen, wird auch (mittels Atomtransfer von einer Schicht zur anderen) die Zusammensetzung des Films verändert, also sein Volumenmagnetismus: im speziellen Fall des Co/Pt, nimmt die Curie-Temperatur der Legierung CoPt mit der Pt-Konzentration ab, um bei etwa 75% Pt kleiner zu werden als die Umgebungstemperatur.
Die Erfinder haben beispielsweise Proben mit einem Dicke tCo von 0,5 nm bei gewöhnlichen Temperaturen kontrolliert paramagnetisch gemacht, indem mit auf 30 KeV beschleunigten He+-Ionen bei einer (sehr schwachen) Dosis von 10¹&sup6; Ionen/cm² bestrahlt wurde.
Die Bestrahlungseffekte wurden zunächst bei den mittels kathodischer Pulverisierung aufgetragen amorphen einfachen Sandwich-Strukturen Pt (3,4 nm)/Co (tCo)/Pt(6,5 nm)/Substrat (polierte Kieselerde Herasil, SiO&sub2;/Si, Si&sub3;N&sub4;/Si) gekennzeichnet.
Mit der benutzten Auftragungstechnik erzielt man vor der Bestrahlung magnetische Filme mit einer senkrechten Achse leichter Magnetisierung und exakt quadratischem polaren Hysteresezyklus (100% Restmagnetisierung) im Bereich von Co-Dicken von 0,3-1,2 nm.
Die Bestrahlung dieser Proben bei einem He+- Ionenfluß von bis zu 2 10¹&sup5; Atomen/cm², beschleunigt auf Energien zwischen 5 und 100 keV, erlaubt in der Tat die magnetischen Eigenschaften einer ultradünnen Co-Schicht einzustellen:
1. auf Schichten mit 0,5 nm Duchmesser (ungefähr 2,25 Atomschichten) ist der Haupteffekt eine Erniedrigung der Curie-Temperatur, die für eine Dosis der Größenordnung 2 10¹&sup6; Ionen pro cm² unter die Umgebungstemperatur sinken kann. Bis zu diesem Zeitpunkt behält der Film eine senkrechte Achse leichter Magnetisierung und einen quadratischen Zyklus bei, bei dem aber das Koerzitivfeld gleichmäßig abnimmt, wenn die Bestrahlungsdosis erhöht wird. Es wurden quadratische Magnetisierungszyklen mit Koerzitivitäten um einige Oe erzielt. Interessante Anwendungen für die Herstellung von Nahfeld-Aufnehmern können in Betracht gezogen werden.
2. auf Proben mit einer Dicke von 1 nm (ungefähr 5 Atomschichten) ist der Haupteffekt der Bestrahlung ein Kippen der Achse leichter Magnetisierung in die Ebene des Films verbunden mit einer Abschwächung des Grenzflächenanisotropieterms Ks. Der Effekt wird bei schwachen Dosen erzielt, weil die Anfangsdicke nahe der liegt (1,2 nm), bei welcher der Kippeffekt in der Ausgangsprobe auftritt.
3. auf Proben mittlere Dicke (0,8 nm, entsprechend 4 Atomschichten) ergeben die gleichen Dosen keinerlei sichtbare Wirkung auf den Hysteresezyklus: bei diesen Dicken ist die Curie-Temperatur bereits sehr erhöht (nahe der von festem Co) und ist damit wenig empfindlich auf schwache Veränderungen der Grenzfläche, und man ist auch sehr weit entfernt von der für ein Kippen der Achse leichter Magnetisierung natürlichen Dicke. Dies stellt eine interessante Eigenschaft des Verfahrens dar, da es zum einen eine Bestrahlung einer Zweischichtenstruktur erlaubt, ohne eine der Schichten zu modifizieren, und zum anderen mit stärkeren Dosen zu arbeiten, die für die Homogenität günstiger sind.
Es sollte bemerkt werden, daß die Beschleunigungsenergie der Ionen auf die magnetischen Eigenschaften keinen geringeren Einfluß hat, als auf die Tiefenverteilung der Versetzungshäufigkeit im Material. Dies kann die Anwendung des Verfahrens bei dünnen Schichten ermöglichen, welche eingegraben sind in deutlich größeren Tiefen, als die im Demonstrationsbeispiel benutzten.
Eine grundlegende Eigenschaft des vorgeschlagenen Verfahrens besteht darin, daß wenn die Ausirkung der Bestrahlung auf den Magnetismus groß ist, ihre Auswirkung auf die optische Reflektivität der Probe schwach bleibt.
Der Kontrast ist für das blose Auge unsichtbar und nur mit Mühe in einem guten Mikroskop sichtbar (Kontrast, vergleichbar mit dem einer Domänenwand in einer Probe Pt/Co/Pt). Die Schwäche des optischen Effekts steht in Verbindung mit der Schwäche der hervorgerufenen strukturellen Veränderungen.
Es wurden ebenso Versuche mit Multischichtstapeln (Pt/Co)&sub6;/Pt durchgeführt. Die Strukturen dieser Multischichten (Dicken, Zahl der Perioden Co/Pt) wurden in der Umgebung der gewöhnlich für magneto-optische Speichermedien benutzten Werte gewählt. Im Verhältnis zu dem einfachen Bild der Anisotropieänderung mit der Dicke des Co, das für die einfachen Filme darauf ausgesetzt ist, sind in den Multischichten die Wirkungen der Bestrahlung auf die magnetischen Eigenschaften komplexer aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Schichten, welche entweder dipolaren Ursprungs sein könnte oder eine Austauschwechselwirkung, die von den Elektronen der Leiterplatine getragen wird. Diese letzte Wechselwirkung, welche sich für die Grenzschichten gerade durch einen Ferromagnetismus des Pt auswirkt, trägt zu einer Verstärkung der Curie-Temperatur der Multischichten bei, besonders wenn die Dicke des Co sehr gering ist. Die Gegenwart dieser zwei Wechselwirkungen führt auch zu einer ausreichend ausgedehnten Dickendomäne des Co, wo das System in regelmäßige magnetische Zonen zerfällt, innerhalb derer die Magnetisierung sogar für schwach negative Werte von Keff, bei welchen man eine Ebene leichter Magnetisierung erwarten würde, senkrecht ist (Gestalt der Domänen "in Bändern").
Die Versuche wurden durchgeführt auf zwei Serien von Proben mit gleicher Dicke des Co (daher gleicher Anisotropie der einzigen Schicht), gleicher Periodenzahl und unterschiedlicher Dicke der Separationsschicht aus Pt.
Serie A: Pt(2 nm)/[Pt(1.4 nm)/Co(0.3 nm)]&sub6;/Pt(6.5 nm)
Serie B: Pt(2 nm)/[Pt(0.6 nm)/co(0.3 nm)]&sub6;/Pt(6.5 nm)
Im Fall der Serie B wäre die Pt-Konzentration in der Legierung nach totaler Interdiffusion von der Größenordnung 66% (ferromagnetische Legierung), während sie für die Serie B von der Größenordnung 82% (nichtmagnetische Legierung) wäre. Im Gegensatz dazu stehen in der Serie B, bei welcher der Pt-Einschub dünner ist, die Schichten aus Co in stärkerer Wechselwirkung, was es a priori leichter macht, mittels einer Verringerung der Anisotropie die Gestalt in Domänen ("in Bändern") zu erhalten, also die Ebene leichter Magnetisierung.
Im Bereich der getesteten Dosen (bis zu 1016 für die Serie A, und 2.6 10¹&sup6; für die Serie B) zeigen die Resultate der Bestrahlung auf qualitative Weise für die beiden Serien die gleichen Effekte: zunehmender (und leicht steuerbarer) Durchtritt einer senkrechten Achse leichter Magnetisierung (mit einer exakt quadratischen Hysterese, bei der das Koerzitivfeld mit der Strahlungsdosis abnimmt), mit einer Gestalt der Domänen "in Bändern", also mit einer Ebene leichter Magnetisierung. Wie oben gerechtfertigt, ergibt sich dieses Kippen für die Serie B bei einer schwächeren Dosis (3 10¹&sup5; gegenüber 6 10¹&sup5; Ionen/cm²). Bei Umgebungstemperatur bleiben bei den benutzten Dosen alle Proben ferromagnetisch.
In allen oben beschriebenen Fällen konnte für extrem schwache Ausgangsrauheiten der Größenordnung 0,2 nm rms dennoch keinerlei Veränderung der Oberflächenrauheit der Probe mittels AFM unter Luft festgestellt werden.
Es wurden auch Bestrahlungen durch eine Harzmaske durchgeführt.
Auf den einfachen Sandwich-Proben Pt(3,4 nm)/Co(0,5 nm)/Pt(6,5 nm)/Herasil wurden zwei Harzarten getestet:
1. Ein negatives Shipley-Harz, ausgelegt für submikroskopische Lithographie mittels Röntgenstrahllithographie. Das Harz wurde als dicke Schicht (0.8 um) auf nur die Hälfte der Probe aufgetragen, und daraufhin unter gewöhnlichen Bedingungen erhitzt. Der Probenkomplex wurde dann bestrahlt und das Harz, immer noch unter gewöhnlichen Bedingungen (warmes Trichlorethylen-Bad), beseitigt.
Die nicht durch das Harz geschützten Bereiche reproduzieren die weiter oben beschriebenen Bestrahlungseffekte, während die geschützten Bereiche keinerlei Veränderung ihrer Eigenschaften aufzeigen. Folgt man den bereits anderweitig dargelegten Vorgängen, ermöglicht die Benutzung des gleichen Harzes, jedoch mit einem zusätzlichen Röntgenlithographieschritt, um dort ein Lochgitter zu definieren, prinzipiell wenigstens Gitter gravierter magnetischer Bits der Dimensionen 0,2 um beabstandet durch 0,2 um zu erhalten, was eine Aufzeichnungsdichte von 25 Bits pro um² ergibt, was nahezu, 20 mal größer ist als die aktuellen Dichten.
2. Ein für die elektronische Lithographie ausgelegtes positives PMMA-Harz. Das Harz wurde als eine Schicht mit einer Dicke in der Größenordnung von 0,85 um aufgetragen und in diesem Fall nicht erhitzt, was einen Einfluß auf die Qualität der Ränder des Musters haben kann. Unter normalen Erhitzungsbedingungen dieses Harzes (160ºC, 30 mn) beginnen Effekte auf den Proben aufzutreten, aber bei niedrigeren Temperaturen (< 120ºC), bei denen die Proben unempfindlich sind, sind Erhitzungen der gleichen Güte möglich. Die Proben wurden danach einem Schritt zur elektronischen Lithographie unterworfen, um im Harz ein Liniengitter der Länge 1 um zu definieren, getrennt durch 1 um, auf einer Fläche von 800 · 800 um². Die gesamte Probe wird dann bestrahlt und das Harz unter Normalbedingungen entfernt. Die Beobachtung mittels magneto-optischer Mikroskopie zeigt, daß bei der gewählten Bestrahlungsdosis (10¹&sup6; Atome/cm²) der bestrahlte Bereich bei Umgebungstemperatur paramagnetisch wird (dieser Zustand weist den Vorteil auf, daß Kopplungen zwischen magnetischen Zonen unterdrückt werden). Der durch das Harz geschützte Bereich bleibt senkrecht magnetisiert mit einem quadratischen Zyklus ähnlich jenem der Ausgangsprobe.
Auf einer Multischicht Pt(2 nm)/[Pt(0,6 nm)/Co(0,3 nm)]&sub6;/Pt(6,5 nm) der Serie B wurde dasselbe oben beschriebene elektronische Lithographieverfahren angewandt, um das gleiche Liniengitter zu erzeugen, gefolgt von einer Bestrahlung mit der Dosis 2 10¹&sup5; Atome/cm². Aber im Gegensatz zum Fall der einfachen Schicht aus 0,5 nm Co erhalten beide Bereiche (geschützter Bereich und bestrahlter Bereich) eine senkrechte Magnetisierung und einen quadratischen Zyklus, in jedem Fall mit einem Koerzitivfeld, das für den bestrahlten Bereich schwächer ist. Tatsächlich zeigt eine Beobachtung mittels magnetooptischer Mikroskopie schön eine Umkehrung der Magnetisierung nach der Sättigung im inversen angewandten Feld, die zuerst in den bestrahlten Linien stattfindet und dann in die nicht bestrahlten Bereiche fortschreitet (Linien und Film außerhalb des Gitters). In der Zwischenzone erhält man folglich mittels Lithographie künstlich erzeugte magnetische Domänen. Danach wurden Versuche mittels magneto-optischer Nahfeldmikroskopie durchgeführt, die es ermöglichten, die künstlichen Domänen mit hoher Genauigkeit zu sehen. Dies zeigt folglich die Machbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens zur "Kontakt"-Auf Zeichnung. Im Gegensatz dazu zeigt auf ähnlichen, aber mittels Ablation von Materie gravierten Proben, dieselbe Nahfeldmikroskopietechnik nur Beugungseffekte.
Es soll darauf hingewiesen sein, daß sich das PMMA- Harz nach der Bestrahlung schwieriger entfernen läßt. Es bleiben Rückstände längst des Musters erhalten, die eine Rauhigkeit sowie schwachen optischen Kontrast nichtmagnetischen Ursprungs ergeben, was ein zusätzliches "Sauerstoffplasma"-Beizverfahren nötig macht (ein in der Mikrotechnologie wohlbekanntes Verfahren).
Letztendlich läßt sich erhoffen, daß mit der Präzision der elektronischen PMMA-Harz-Lithographie Bit- Abmessungen erreichbar sind, die unterhalb von 100 nm liegen, das heißt eine Dichte von mehr als 100 Bits/um².
Die Techniken der gerade beschriebenen Art werden vorteilhafterweise angewandt, bei der Herstellung von Schichten, die eingegrabene magnetische Strukturen aufweisen, insbesondere für die Herstellung magnetisch strukturierter Speichermedien oder magneto-elektronischer Vorrichtungen, wie beispielsweise M-RAM-Speicher. Logikschaltungen, etc..
Sie ermöglichen eine ebene magnetische Gravur von eingegrabenen magnetischen Schichten, welche die Oberflächenrauheit des Materials nicht verändert, und erlauben eine Steuerung der Variationen der optischen Eigenschaften, um sie beispielsweise vernachlässigbar zu machen.
Diese Techniken sind für die industrielle Massenproduktion geeignet.
Benutzt man leichte Ionen, implantieren sich jene Ionen, die keinen Gravur-Effekt erbringen, tief in das Substrat, weit unterhalb der Schicht. Der Parameter, welcher für hohe Dosen eine ausgezeichnete Steuerung der elektromagnetischen Veränderungen erlaubt, was einen Homogenitätseffekt ergibt, ist die im Mittel durch die Ionen entlang der Flugbahn deponierte Energie - und nicht die durch schwere Ionen erzeugten Defektkaskaden.
Andererseits erhält man mit der vorgeschlagenen Technik eigentlich eine Zone leichter Keimbildung, die auf die Umkehrung der Magnetisierung zurückgeht und mit den Phänomenen in Verbindung steht, welche am Rand der bestrahlten Zone auftreten. Dies ist ein bedeutender Vorteil für die Steuerung und Vereinheitlichung des Magnetisierungsumkehrfeldes in einem Konglumerat magnetischer "Teilchen", zum einen für ein Material für Speichermedien, zum anderen für einen Speicherchip oder einen Logikchip, wobei diese Liste nicht als beschränkend aufgefaßt werden darf.

Claims

1. Einbringungsverfahren, bei dem ein Material mittels eines Strahles leichter Ionen, wie He+-Ionen, mit einer Energie in der Größenordnung von etwa hundert keV oder kleiner bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein Material aus auf einem Substrat auf getragenen, vergrabenen dünnen Schichten ist, daß ein oder mehrere Felder von einer Größe im Mikrometerbereich oder kleiner bestrahlt werden, wobei die Bestrahlungsdosis gesteuert wird, damit sie einige 10¹&sup6; Ionen/cm² oder kleiner ist, und die Bestrahlung die Zusammensetzung der atomaren Ebenen im Material an einer Grenzfläche zwischen zwei von dessen Schichten modifiziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Maske bestrahlt wird.

3. Verfahren zur magnetischen oder magneto-optischen Aufzeichnung von Binärinformation, insbesondere zur Fertigung diskreter magnetischer Materialien, magnetischer Speicherschaltungen oder logischer Schaltungen mit magnetischer Steuerung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einbringungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche angewandt wird.

4. Verfahren zur optischen Aufzeichnung nach Art eines ROM-Speichers, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einbringungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 angewandt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufzeichnungsmaterial ein magnetisches Mehrschichtmaterial ist, dessen einzelne Schichten reine Metalle oder Legierungen von Übergangsmetallen oder seltenen Erden sind.

6. Verfahren zur Herstellung optischer Schaltungen mit magnetischer Steuerung, die eine gesteuerte Variation der mit dem Magnetismus verbundenen optischen Indexkomponente anwenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einbringungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 angewandt wird.