一种磁性多层膜结构研制方法与流程

本发明涉及一种磁性多层膜结构研制方法，它包含了磁性多层膜结构的沉积，实时、原位磁性表征及界面调控。属于自旋电子学科基础研究技术领域。

背景技术：

自旋电子技术被广泛认为是突破电子行业“后摩尔时代”功耗这一瓶颈问题的关键技术之一，已经陆续发展了自旋传感器、非易失性磁随机存储器、片上高频自旋微波器件等一系列应用。其中，磁性多层膜的制备是自旋电子器件制备的基础，在此基础上进行图形化刻蚀，可得到各种类型的器件。磁性多层膜厚度的精度、成膜均匀性和杂质等因素直接决定了所制备自旋电子器件的性能。

此外，很多新奇的自旋相关效应都是基于磁性多层膜的某些特性产生的，如界面诱导磁各向异性、界面自旋注入、自旋轨道相互作用及Dzyaloshinskii–Moriya Interaction(DMI)效应等，更好的掌握这些效应的机理可以提高自旋器件的热稳定性、功耗等方面的性能指标，还能实现很多新奇的功能。因此，对磁性多层膜的研究已经成为了自旋电子器件研究中的热点关键问题。在这样的背景下，传统的磁性薄膜制备、表征及调控的方式逐渐难以满足磁性多层膜研制对效率和精度的要求。

传统的磁性多层膜研究中，磁性多层膜的制备、调控与表征多为分开进行。由于大多数磁性薄膜沉积方式和离子辐照等调控手段需要在真空中进行，导致磁性多层膜结构需要频繁地进出高真空环境。这消耗了大量的时间，同时也极易对样品表面造成粘污和氧化；采用离子辐照等非原位界面调控方式，只能实现对特定深度范围内的界面进行调控，无法进行特定界面的调控。这些都降低了磁性多层膜研究的效率和精度。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对上述背景介绍中提到的问题，本发明公开了一种磁性多层膜结构研制方法，以实现磁性多层膜磁特性定制化研制，提高了磁性多层膜结构研制的精度和效率。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明公开了一种磁性多层膜结构研制方法，该方法在真空环境中集成了薄膜沉积设备、磁性表征设备与界面调控设备。它包括以下步骤：

步骤一：磁性多层膜定制化制备参数标定。在真空环境下进行磁性多层膜结构的薄膜沉积，采用一定参数进行界面调控，借助磁性表征设备判断此时磁性是否达标。若磁性不达标，则调整薄膜沉积以及界面调控参数，重复上述过程，直至磁性表征结果达标，得到标定后的薄膜沉积及界面调控参数。

步骤二：薄膜沉积并根据需要进行界面调控。按照步骤一中得到的制备参数，进行磁性多层膜薄膜沉积，并根据需要进行界面调控，完成一定结构的磁性多层膜制备。

步骤三：界面调控作用研究。借助磁性表征设备，将经过界面调控前后的磁性多层膜的磁学特性进行对比，研究界面调控对磁性多层膜磁学特性的影响。

步骤四：特定功能层作用研究。首先借助薄膜沉积设备制备一定的磁性多层膜结构层，借助磁性表征设备对其磁学特性进行表征，继续进行薄膜沉积，增加特定功能层，进行磁性表征。分析对比增加特定功能层前后磁学特性的变化，研究特定功能层对磁性多层膜磁学性质的影响。所述特定功能层包括：覆盖层、缓冲层和钉扎层。

步骤五：磁性多层膜磁特性定制化研制。依据步骤一至步骤四得到的结论和对磁性多层膜磁特性的定制化要求，设计磁性多层膜结构及制备方案，进行薄膜沉积并根据需要进行特定界面调控。再进行磁性表征得到其磁学特性，验证其磁特性是否达到定制化要求，完成磁性多层膜结构研制。

(三)有益效果

一种磁性多层膜结构研制方法，跟传统磁性多层膜研制方式相比，由于在高真空下集成了磁性多层膜结构的沉积、调控及表征，具有以下优点：

(1).可实现磁性多层膜磁特性定制化研制。

(2).高真空集成，可实现磁性多层膜沉积、界面调控及磁性表征的连续、交互、快速操作，提高了研制效率；

(3).整个研制过程在高真空环境，避免了样品的粘污、吸水及氧化；

(4).可实现对磁性多层膜结构中特定界面的调控。

附图说明

图1为本发明一种磁性多层膜结构研制方法流程图，包含了本发明的五大步骤。

图2为本发明一种磁性多层膜结构研制方法具体实施结构示意图。

图3为本发明步骤一界面调控参数标定流程图，图中省略了真空互联传输部分。

图4为本发明步骤二特定界面调控微观示意图，其中图4(a)为目标界面调控前示意图，图4(b)为目标界面调控后示意图，图4(c)为目标界面调控后继续沉积后续膜层示意图。

图5为本发明步骤五磁性多层膜结构研制流程图，图中省略了真空互联传输部分。

401为样品衬底；

402为沉积原子A；

403为沉积原子B；

404为沉积原子C。

具体实施方式

下面参照附图，进一步说明本发明的技术方案。附图为示意和流程图。其中涉及的各功能层和区域大小和形状非实际尺寸。在此公开的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是描述特定实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。

参考图2，通过真空互联传输系统，将磁性多层膜研制中用到的薄膜沉积、界面调控、磁性表征与进样室在真空环境中集成，使得样品可以在真空环境中在各功能区之间传输。本发明方法所应用的设备为一种超薄膜制备、界面表征及调控集成系统，该集成系统主要由多组多功率磁控溅射设备、原位时间分辨磁光克尔测量仪、多角度离子辐照设备组成。通过超高真空互联装置将上述三组设备进行集成，依次进行磁性多层膜制备、界面表征、调控；

其中，所述的超高真空互联装置包括多个真空腔及多段真空互联传输段，用于将所有设备进行集成；

其中，所述的多组多功率磁控溅射设备，具体结构为：在单个真空腔内集成有多个溅射靶，分为多组，每组的溅射靶位于同一回转式转盘上，每组分别由独立的直流或射频电源驱动；在该真空腔体内设置有旋转升降台，样品通过旋转升降台移动至多组溅射靶的指定位置；同时样品可以匀速转动；

其中，所述的多角度离子辐照设备，采用了三级差分抽气设计与离子束的精准聚焦设计，具体方案如下：

三级差分抽气设计：将离子辐照设备腔室分为第一抽气单元即离子源腔室，第二抽气单元即磁铁腔室、透镜和偏转板区域，以及第三抽气单元即辐照样品腔室三个抽气单元，每个抽气单元之间用不同孔径的超高真空法兰隔开，其中第一抽气单元与第二抽气单元之间用带有第一小孔的超高真空法兰隔开，第二抽气单元与第三抽气单元之间用带有第二小孔的超高真空法兰隔开；

离子束的精准聚焦设计：在离子源腔室内依次设置有离子源、定义光阑和中心定位板，用于将从离子源射出的离子束进行定位、聚焦；在磁铁腔室、透镜和偏转板区域内依次设置有离子束偏转磁铁、透镜及偏转板；

其中，所述的超高真空互联装置，具体结构包括：

进样室，该进样室是样品从大气进入真空环境的过渡腔体，与多级泵相联，可实现不低于10^-6Pa的真空度；

真空互联传输段，连接进样室和终端设备不同的真空互联传输段可分为主传输段和分支传输段，在主传输段和分支传输段相交处设置有过渡腔室；在不同真空互联传输段安装全金属密封的闸板阀，通过控制闸板阀的开关可实现不同传输段的互联与隔绝；

可自由伸缩的传样杆机械臂，机械臂末端有样品托，用于支撑样品；机械臂在主传输段及连接设备的分支传输段内各有一个。

借助上述集成系统，可以进行磁性多层膜结构的定制化研制，参考图1，共有五大步骤。以下叙述中均省略了真空互联传输环节：

步骤一：磁性多层膜定制化制备参数标定。参考图3，在真空环境下进行磁性多层膜结构的薄膜沉积，采用一定参数进行界面调控，借助磁性表征设备判断此时磁性是否达标。若磁性不达标，则更改薄膜沉积及界面调控所用参数，并重新进行薄膜沉积、界面调控与磁性表征。重复以上步骤，直至磁性表征达标，得到标定后的界面调控参数。所述参数包括调控时间、退火温度、离子辐照中离子能量和入射角度。

步骤二：薄膜沉积及特定界面调控。参考图4，首先进行薄膜沉积，得到如图4(a)所示的膜层结构。其次按照上步骤一中标定后的界面调控参数，对样品进行界面调控，得到如图4(b)所示的调控后的膜层结构。在此基础上进行后续薄膜沉积，可得到图4(c)所示的膜层结构。从图4(c)中可以看出，仅有下层界面受到了调控，而上层界面并未受界面调控的影响，实现了对磁性多层膜沉积及特定界面的精准调控。

步骤三：界面调控作用研究。借助磁性表征设备，将界面调控前后磁性多层膜的磁学特性进行对比，研究界面调控对磁性多层膜磁学特性的影响。

步骤四：特定功能层作用研究。首先借助薄膜沉积设备沉积一定的磁性多层膜结构层，借助磁性表征设备对其磁学特性进行表征。继续进行薄膜沉积，增加特定功能层，进行磁性表征。分析对比增加特定功能层前后磁学特性的变化，研究特定功能层对磁性多层膜磁学性质的影响。所述特定功能层包括：覆盖层、缓冲层和钉扎层。

步骤五：磁性多层膜磁特性定制化研制。依据步骤一到步骤四的结果，可以标定界面调控参数、进行特定界面调控、分析界面调控及加盖特定功能层对磁性多层膜磁学特性的影响。参考图5，依据以上结论设计磁性多层膜结构，进行薄膜沉积及特定界面调控。最后，在不破坏真空的情况下，对制成的样品进行磁性表征，验证磁性多层膜磁学性质是否满足定制化要求，完成磁性多层膜结构研制。