一种具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土‑过渡合金薄膜的制备方法与流程

本发明涉及磁自旋电子学及磁记录技术材料领域，具体涉及的是一种用于磁自旋电子器件的具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土-过渡合金薄膜的制备方法。

背景技术：

传统垂直磁记录材料及激光辅助磁记录介质非晶稀土-过渡合金薄膜材料由于具有大的垂直磁各向异性和高的热稳定性等优点而一直受到人们的广泛关注。这种合金薄膜材料中稀土元素(tb或者dy)与过渡族元素(feco)子晶格的磁矩呈现反平行耦合排列，导致在这类材料中还可能存在一个特定的补偿点成分，对应于这个补偿点成分合金薄膜的磁化强度为零但是矫顽力为无限大。对于易磁化方向垂直膜面的稀土-过渡合金薄膜成分一般位于补偿点成分附近。室温时合金薄膜材料中稀土元素子晶格的磁矩大于过渡族元素子晶格的磁矩则合金薄膜成分为富稀土，反之则为富过渡。

当前，随着磁自旋电子学这一新兴领域的快速发展，具有大垂直磁各向异性和高热稳定性的稀土(tb、dy)-过渡族(feco)合金薄膜材料在高密度、低功耗的磁随机存储器件及电流驱动畴壁运动等方面得到新的应用。磁随机存储器件要求该稀土-过渡族合金薄膜具有不同的垂直矫顽力，以满足不同功能层的要求。因此寻找可应用在磁电器件上典型特征厚度为3～35nm同时具有垂直矫顽力大范围可调特性的稀土-过渡族合金薄膜的制备方法，在当前磁自旋电子学器件特别是电流直接诱导磁化翻转等新型信息存储器领域具有重要意义，并有可能产生巨大的经济效应。

稀土-过渡合金薄膜的矫顽力大小与薄膜中稀土和过渡元素的成分直接相关。通过改变薄膜中稀土与过渡元素的成分比可以实现不同的矫顽力。实际应用中，该类稀土-过渡合金薄膜一般是通过直流或者射频溅射的方法制备的，薄膜成分可由变化复合镶嵌靶上的贴片位置与比例或者使用不同成分比例的三元合金靶来改变。但是，以上方法都需要破坏真空换靶，操作不便，制备周期长，而且，使用不同比例成分的三元合金靶的价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土-过渡合金薄膜的制备方法，成本低廉，制备周期短。该制备方法可以在不破坏真空的情况下，通过简单地控制溅射时间来改变生长薄膜的厚度，控制实现薄膜特性的连续变化，扩大制备薄膜的矫顽力范围，方便寻找合适矫顽力的稀土-过渡合金薄膜及及探索最佳性能厚度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将稀土贴片与铁钴合金靶组成的复合镶嵌靶或者三元合金靶作为磁控溅射的靶材，安装固定在磁控溅射室的溅射靶座上，所述稀土贴片为tb贴片或者dy贴片，所述稀土贴片的顶角为15～40°，所述三元合金靶为tbfeco合金靶或者dyfeco合金靶，所述复合镶嵌靶中稀土贴片的数量为3～6片，所述三元合金靶中的稀土含量为23～28％；

(2)将清洗烘干后的基片安置固定于磁控溅射室的基片台上，调整靶基距为4～8cm；

(3)将溅射真空室抽真空达到真空度1×10^-5pa以下，通入纯度≥99.99％的氩气作为工作气体，控制氩气的进气流量在30～100sccm范围内；

(5)在溅射工作气压0.2～1.0pa的条件下，对所述靶材预溅射10～30min；

(6)调节基片台每分钟旋转5～15圈，打开基片台和溅射靶座之间的挡板，以1.5～6w/cm²的溅射功率密度溅射所述靶材，溅射速率为0.1～0.3nm/s，控制溅射时间在15～150s，得到3～35nm厚的稀土-过渡合金薄膜。

步骤(1)中，所述稀土贴片为呈等腰三角形的纯度≥99.9％的稀土贴片，所述铁钴合金靶的纯度≥99.9％，各片所述稀土贴片以所述铁钴合金靶的圆心为中心点贴在所述铁钴合金靶上，形成溅射用的复合镶嵌靶。

步骤(1)中，所述稀土贴片的数量为3～6片，从而保证制备得到的稀土-过渡合金薄膜中的稀土元素成分介于23～28％。

步骤(5)中，在预溅射所述靶材前，先在所述基片上溅射金属缓冲层或者氧化物缓冲层，所述金属缓冲层为ta缓冲层、pd缓冲层或者pt缓冲层，所述氧化物缓冲层为sio2缓冲层、mgo缓冲层或者al2o3缓冲层。

步骤(6)中，在得到的所述稀土-过渡合金薄膜上溅射保护层，以防止氧化，所述保护层为ta保护层、pd保护层或者pt保护层。

采用上述技术方案后，本发明一种具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土-过渡合金薄膜的制备方法，具有以下优势：通过简单控制溅射时间来改变生长的薄膜厚度，实现纳米厚度稀土-过渡合金薄膜磁特性的连续变化，得到具有2个数量级以上的大变化范围的垂直矫顽力。不需要改变复合镶嵌靶材中稀土元素贴片的数量以及位置或者使用不同比例成分的三元合金靶，在不破坏真空改变靶材的情况下，在典型器件应用的薄膜厚度范围3～35nm内，可以实现薄膜磁特性的连续变化，方便调整合金薄膜的矫顽力。该制备方法可用于制备矫顽力在很宽范围内可调的纳米厚度稀土-过渡合金薄膜及探索最佳性能厚度。该制备方法简单，操作性强，重复性好、成本低廉，在不破坏真空的情况下一次性可制备具有不同磁特性的系列薄膜样品，满足不同磁电器件及记录技术领域功能层材料的要求。

附图说明

图1为a)典型商用带300nm热氧化sio2层单晶si基片上生长的tbfeco薄膜的反常霍尔曲线，b)矫顽力与膜厚度变化曲线；

图2为a)典型具有mgo缓冲层单晶si基片上生长的tbfeco薄膜的反常霍尔曲线，b)矫顽力与膜厚度变化曲线；

图3为典型具有ta缓冲层单晶si基片上生长的tbfeco薄膜的反常霍尔曲线，b)矫顽力与膜厚度变化曲线。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

实施例一

一、薄膜材料的制备

一种具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将四片呈等腰三角形的高纯度(纯度为99.95％)的tb贴片贴在半径为1英寸的高纯度(纯度为99.9％)的铁钴合金靶上，形成溅射用的复合镶嵌靶，各片tb贴片以铁钴合金靶的圆心为中心点分布在铁钴合金靶上，tb贴片的顶角为28°，tb贴片的腰长为2cm，厚度为2mm；

(2)将复合镶嵌靶作为磁控溅射的靶材，安装固定在磁控溅射室的溅射靶座上；

(3)以典型商用带300nm热氧化sio2层单晶si为基片，对基片依次用丙酮、酒精、异丙醇超声清洗后烘干，将烘干处理后的基片安置固定于磁控溅射室的基片台上，调整靶基距为6.5cm；

(4)将溅射真空室抽真空达到真空度为1×10^-5pa，通入高纯度的氩气(纯度为99.999％)作为工作气体，控制氩气的进气流量在60sccm；

(5)调整闸板阀关闭的程度，使溅射工作气压稳定并维持在0.6pa，对复合镶嵌靶预溅射20min；

(6)调节基片台每分钟旋转10圈，打开基片台和溅射靶座之间的挡板，以5.18w/cm²的溅射功率密度溅射复合镶嵌靶，溅射速率为0.233nm/s，溅射时间为15～150s，溅射完毕后冷却，即得到基片上生长的3.5～35nm厚的tbfeco合金薄膜，制备得到的tbfeco合金薄膜中的稀土元素成分为～26％。

二、性能测试

该tbfeco合金薄膜的磁特性表征如图1所示，不同溅射时间下溅射制备tbfeco合金薄膜的反常霍尔曲线表明在3.5～35nm厚度范围内tbfeco合金薄膜的磁特性发生水平到垂直以及富过渡到富稀土的连续变化。

薄膜矫顽力与膜厚度变化曲线表明：该tbfeco合金薄膜具有最大矫顽力的厚度位于14～21nm之间。

实施例二

一、薄膜材料的制备

一种具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将四片呈等腰三角形的高纯度(纯度为99.95％)的tb贴片贴在半径为1英寸的高纯度(纯度为99.9％)的铁钴合金靶上，形成溅射用的复合镶嵌靶，各片tb贴片以铁钴合金靶的圆心为中心点分布在铁钴合金靶上，tb贴片的顶角为28°，tb贴片的腰长为2cm，厚度为2mm；

(2)将复合镶嵌靶作为磁控溅射的靶材，安装固定在磁控溅射室的溅射靶座上；

(3)对单晶si基片依次用丙酮、酒精、异丙醇超声清洗后烘干，将烘干处理后的si基片安置固定于磁控溅射室的基片台上，调整靶基距为6.5cm；

(4)将溅射真空室抽真空达到真空度为1×10^-5pa，通入高纯度的氩气(纯度为99.999％)作为工作气体，控制氩气的进气流量在60sccm；

(5)调整闸板阀关闭的程度，使溅射工作气压稳定并维持在0.6pa，先对单晶si基片射频溅射1nm的mgo缓冲层，得到具有mgo缓冲层单晶si基片，然后对复合镶嵌靶预溅射20min；

(6)调节基片台每分钟旋转10圈，打开基片台和溅射靶座之间的挡板，再以5.18w/cm²的溅射功率密度溅射复合镶嵌靶，溅射速率为0.233nm/s，溅射时间为15～150s，溅射完毕后冷却，即得到基片上生长的3.5～35nm厚的tbfeco合金薄膜，制备得到的tbfeco合金薄膜中的稀土元素成分为～26％。

二、性能测试

该tbfeco合金薄膜的磁特性表征如图2所示，不同溅射时间下溅射制备tbfeco合金薄膜的反常霍尔曲线表明在3.5～35nm厚度范围内tbfeco合金薄膜的磁特性发生水平到垂直以及富过渡到富稀土的连续变化。

薄膜矫顽力与膜厚度变化曲线表明：该tbfeco合金薄膜具有最大矫顽力的厚度位于14～21nm之间。

实施例三

一、薄膜材料的制备

一种具有大范围可调矫顽力纳米厚度稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将四片呈等腰三角形的高纯度(纯度为99.95％)的tb贴片贴在半径为1英寸的高纯度(纯度为99.9％)的铁钴合金靶上，形成溅射用的复合镶嵌靶，各片tb贴片以铁钴合金靶的圆心为中心点分布在铁钴合金靶上，tb贴片的顶角为28°，tb贴片的腰长为2cm，厚度为2mm；

(2)将复合镶嵌靶作为磁控溅射的靶材，安装固定在磁控溅射室的溅射靶座上；

(3)对单晶si基片依次用丙酮、酒精、异丙醇超声清洗后烘干，将烘干处理后的si基片安置固定于磁控溅射室的基片台上，调整靶基距为6.5cm；

(4)将溅射真空室抽真空达到真空度为1×10^-5pa，通入高纯度的氩气(纯度为99.999％)作为工作气体，控制氩气的进气流量在60sccm；

(5)调整闸板阀关闭的程度，使溅射工作气压稳定并维持在0.6pa，先对单晶si基片直流溅射2nm的ta缓冲层，得到具有ta缓冲层单晶si基片，然后对复合镶嵌靶预溅射20min；

(6)调节基片台每分钟旋转10圈，打开基片台和溅射靶座之间的挡板，再以5.18w/cm²的溅射功率密度溅射复合镶嵌靶，溅射速率为0.233nm/s，溅射时间为15～150s，溅射完毕后冷却，即得到基片上生长的3.5～35nm厚的tbfeco合金薄膜，制备得到的tbfeco合金薄膜中的稀土元素成分为～26％。

二、性能测试

该tbfeco合金薄膜的磁特性表征如图3所示，不同溅射时间下溅射制备tbfeco合金薄膜的反常霍尔曲线表明在3.5～35nm厚度范围内tbfeco合金薄膜的磁特性发生水平到垂直以及富过渡到富稀土的连续变化。

薄膜矫顽力与膜厚度变化曲线表明：该tbfeco合金薄膜具有最大矫顽力的厚度位于14～21nm之间。

上述各实施例中的稀土贴片、铁钴合金靶以及单晶si基片均在市场上购买得到，只需按照纯度要求购买即可。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。