Si衬底上制备CoPt薄膜及其磁性

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伴随着电子产业的爆发式发展,人们期望获得尺寸更小、容量更大的存储器件。L10相的CoPt合金具有较高的磁晶单轴各向异性能,Ku值比传统硬盘使用的磁记录介质材料要高一个数量级,且超顺磁极限小至3.6 nm,在磁记录这一研究领域受到了极大的关注。根据理论分析证明,以CoPt合金制造的硬盘面密度可比传统硬盘高10~20倍。采用磁控溅射在室温下制备的CoPt薄膜,Co、Pt原子分布在晶格格点上的位置是任意的,呈现软磁性的A1相;需要通过高温热处理使原子获得能量,发生位置移动,最终相变为按原子种类进行逐层有序化排列的L10相CoPt。在本文中,由于Si基片价格低廉还能与当今的微电子器件集成,选择了Si(001)作为薄膜沉积的衬底。在Si(001)衬底上生长厚度为50 nm的CoPt,为了减少CoPt与衬底的晶格不匹配度,还制备了在Si/CoPt之间插入了非磁性隔离层Si O2、Mg O的薄膜样品。CoPt薄膜的磁晶各向异性以及磁性能,主要取决于薄膜中L10相CoPt所占的比例,因此薄膜表现出的性能会受到热处理温度的影响,所以设置了不同的温度对样品进行热处理。最后对样品的结构、形貌、磁性进行分析。另外,本文通过制备(CoPt:Mg O)掺杂单层膜、[CoPt/Mg O]n多层膜、[(CoPt:Mg O)/Mg O]n多层掺杂膜,探究不同掺杂方式的非磁性氧化物Mg O对CoPt薄膜的影响。本文主要结论如下:1、在Si衬底上直接生长厚度为50 nm的CoPt,在350℃时,薄膜形态就遭到了严重破坏,矫顽力能够达到的最大值为8 k Oe。插入Si O2隔离层之后,热处理温度即使高达500℃,薄膜的最大高低差也低于预设厚度,能够保持薄膜的连续性,极大的提高了薄膜的耐热性。而插入Mg O隔离层,将薄膜能够保持连续的温度提高到了450℃,薄膜能够达到的最大矫顽力为12.5 k Oe,比没有插入隔离层和插入Si O2层时都要大。同时,插入Mg O隔离层的薄膜还拥有更小的表面最大高低差,在Ta≤450℃时,均小于7 nm,拥有更好的光滑度。此外,在保证薄膜完好的情况下,无论是否插入隔离层,薄膜的矫顽力均随着热处理温度升高而增大。2、在Si衬底上通过不同的方式生长掺杂膜。掺杂膜在500℃时,薄膜形貌均能保持完整,说明Mg O的引入提高了薄膜的耐热性。其中单层掺杂膜,共溅射的Mg O颗粒镶嵌在CoPt中,影响了A1相与L10相CoPt颗粒之间的交换耦合作用,同一热处理温度下,测得矫顽力要明显低于纯CoPt膜。即少量的Mg O掺杂就可以对薄膜矫顽力造成较大的影响,为CoPt矫顽力的调控除了采用热处理外,提出新的解决路径。3、多层膜与多层掺杂膜的矫顽力最大值分别为13.5 k Oe和13.5 k Oe,都要高于单层掺杂膜,说明薄膜采用多层结构有助于矫顽力的提高,在多层结构下增加了界面应力的作用,有利于薄膜有序化。但结合两种掺杂模式制备的多层掺杂膜,热处理后的高低差最大值最小,平整度更好。同时,多层结构使得薄膜的磁化曲线具有更好的矩形比。4、三种掺杂膜的矫顽力大幅度增加,均在热处理温度达到400℃时才出现,比纯CoPt膜所需温度更高,应该同透明的Mg O其热辐射吸收和热传导能力较小,影响了薄膜对热量的吸收和利用有关。此外,与纯CoPt薄膜相比,掺杂膜中CoPt颗粒的平均尺寸更小,说明引入Mg O可以减少晶粒的团聚长大。
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