尤其用于磁或磁光記錄的磁蝕刻方法

專利名稱：尤其用于磁或磁光記錄的磁蝕刻方法
技術領域：
本發明涉及一種磁蝕刻工藝。
更確切地說，本發明利用一種與磁性有關的光學指標分量的可控變化形式而有利地應用于超高密度的磁記錄(離散磁性材料的生產，磁存儲電路、可磁性控制的邏輯電路等等)，只讀存儲類型(CDROM、DVDROM等)的光記錄以及可磁性控制的光電路的生產(衍射光柵、光子間隙材料等)。
近年來多媒體技術和服務的巨大進步誘發了一場旨在提高記錄密度的競賽。在可改寫磁盤領域，雖然光學(相變)技術發展得很快，但是磁性技術由于其高傳送速度因此仍然是首選技術，尤其是在“硬盤”生產中。然而，磁性技術應該限制在100bits／cm2的存儲密度上。
對于在記錄頭和記錄介質之間距離小于10nm來說其中一個限制因素尤其在于向接觸式磁記錄的轉變，目前存在一種向“遂道效應顯微術”(“STM一類存儲”)或“近場”型記錄技術演化的趨勢。
近年來在這個方向上已經提出了幾次技術飛躍，如近場CD-ROM或近場光磁記錄。在這點上，可以有利地參考以下的各種出版物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．van Kempen，H．W．van Kesteren，Applied．Phys．Lett．66，1141(1995)。
還可以參看下列出版物B．D Terris H．J．Mamin，D．Rugar，Appl．Phys．Lett．68，141(1996)，其中它公開了3M公司將馬上推出一種采用了一種固體浸沒透鏡(SIL)的磁光記錄“硬盤”。
然而，磁性技術的主要的局限性應該在于“順磁性限制”，即一定尺寸，低于該尺寸時數據會由于熱效應而自行消失。
在目前的硬盤技術中，記錄介質是一種特殊的材料(在一個非磁性矩陣中的磁性粒子或由非磁性晶界(ME磁帶)隔開的磁性粒子(晶粒))。最大限度地降噪就必須增加由記錄頭所看見的磁性粒子，而這些粒子必須盡可能地進行磁性去耦。因此粒子的尺寸比一個比特要小得多。通過把這個當前數據外推，這些粒子會在小于8nm時呈現順磁性，從而就把記錄密度限制在大約100比特／μm2。
在磁光記錄中，目前采用的材料為稀土／過渡金屬類無定形合金，也可以用隨著蘭色激光產生的Co／Pt多層或合金來代替。60nm大小的比特實際上可以通過一種熱磁效應寫入連續的Co／Pt多層中，但是由記錄介質(疇穩定性、疇壁粗糙度)導致的噪音問題很可能會在比特尺寸比60nm大很多的地方出現。
為了消除這一限制，最近提出用松散材料來代替目前的記錄介質材料，該松散材料中磁性比特限制將由平版印刷法以幾何學方式限定在一個蝕刻表面上進行沉積的方法S．Gadetsky，J．K．Erwin，M．Mansuripur，J．Appl．Phys 79，5687(1996)或單獨磁性晶粒的成長，其尺寸和位置由平版印刷術所限定，S．Y．Chou，M．S．Wei，P．R．Krauss，P．Fischer，J．Appl．Phys．76，6673(1994)。
上述技術允許每一比特只有一個單一磁性晶粒。
另外，基于一個由電子平版印刷所限定的矩陣的壓制技術已經被開發出來，S．Y．Chou，P．R．Krarss，P．J．Renstrom，Science272，85(1996)Y．Xia，X．M．Zhao，G．M．Whitesides，Microelecton．Eng．32，255(1996)，這種技術，正如在X-射線或干涉平版印刷中，會在不久的將來允許大量生產在幾個cm2的面積上具有尺寸比一個微米更小的圖案的蝕刻介質，滿足未來磁盤的需要。
然而在目前公開的方法中，這些不同的技術存在幾個缺點1．不論采用什么技術，以接觸模式的記錄會需要一種具備小的而且可以控制的表面粗糙度的材料因此直到現在所采用的蝕刻材料都需要一個最終并且大概很困難的平面化步驟。
2．在近場磁光記錄的情況中，蝕刻材料的光學指標的突然變化會引起衍射效應，這可以通過比那些由磁疇引起的更大程度上的極化改變體現出來-一種不想要的噪音。
3．在這些蝕刻材料上非常高的密度處，最后一個問題涉及磁道的跟蹤，這或許有必要為此而開發出一種專門“磁道”，但是這并未緩解上述缺點。
本發明涉及一種磁蝕刻工藝，其特征在于薄層磁性材料(由幾層原子平面構成)是被可控地進行輻射的，以便在寬度在微米或更小數量級的區域上局部地改變所述材料的磁特性，例如，尤其是其矯頑磁性、磁性各向異性或居里溫度。
這樣一種方法可以使上述問題得到解決。尤其是1．原始膜的粗糙度并未由于輻照而被改變，因此其粗糙度可以單獨地進行調整。尤其是，可以設想在良好的生長條件(在一個蝕刻表面處的％)下進行輻照后的沉積(用于裝置的生產)。
2．對于磁性特性的顯著改變，光學指標仍然改變較小，而且光學指標能夠在一個特定范圍內以幾乎與得到的磁性變化無關的方式通過基片的結構或離子的能量進行控制。
3．輻射的效果是累積的這就有可能進行幾次輻射，并且可能獲得和采用累積輻射量一次輻射相同的結果。這對于以不同輻射量輻射樣品多個區域的情況很有用，或對于一個裝置制備過程中不同步驟很有用。
4．輻射效果易于通過測量測試區域上性質(例如磁性)改變來實時控制。
5．該技術易于應用于記錄介質的大量生產，由于該技術需要用的工具已經用在微電子技術(輻射)中或正在研制中(例如，在大面積和納米尺寸的情況中通過壓制進行平版印刷)，因此該技術非常節約成本。
輻射有利地通過離子束進行。
可以設想采用其它的能量沉積技術。
該輻射可以通過樹脂掩模或借助聚焦離子束進行。
上述蝕刻方法有利地用于超高密度二進制信息的磁或磁光記錄，并且尤其可用于磁性存儲電路或磁性控制邏輯電路的松散磁性材料的生產。
尤其是，上述方法具有使其能夠寫入尺寸比100nm小很多的磁疇，并且該磁疇的位置和幾何結構得到完美限定并因此最大限度地提高信號／噪音比并使軌道方面的問題最優化，同時使表面粗糙度得到充分控制。
另外由本發明提出的方法有利地被用于生產一種只讀存儲類型的光記錄元件(CDROM、DVDROM等)。
眾所周知，近場光記錄技術有可能必須采用光滑的寫入材料，具有一個在上述材料上面幾nm處(目前，對于硬盤來說是30nm)隨意移動的讀頭。目前的只讀存儲類型的光記錄技術并不令人滿意采用矩陣壓制方法可以產生小于100nm的尺寸，但是所獲得的記錄介質是粗糙的；而采用一種聚焦激光束的寫入方法(燒蝕、相變)不可能加工出100nm數量級或更小的比特尺寸。
可以設想除了二進制信息記錄之外的其它應用。尤其是，由本發明提出的磁蝕刻方法有利地被用于利用一種與磁性有關的光學指標分量的可控變化生產可磁性控制的光學電路(衍射柵、光子間隙材料等)、被用于生產傳感器(硬盤讀頭等)或磁性存儲電路(尤其是霍爾效應存儲器、磁致電阻式存儲器、與自旋相關的隧道效應存儲器)。
尤其是，眾所周知光子間隙材料的出現打開了生產光學元件的道路并且所要解決的一個方面將會是該元件的控制。由本發明提出的方法使得可以通過輻射穿過一個掩模來制造一種由非磁性材料制成的波導薄膜，該薄膜由規則的磁性單元(光子晶體)陣列構成，該磁性單元具有既與基質材料有細微差別又可磁性控制的光學指標。
本發明方法通常可以應用在有利于精確地限定一個磁性元件并且同時保持該元件的極高的平面度(例如，為了便于隨后的成長)的場合。
本發明方法還可以用于通過調節輻射條件來磁性地蝕刻已經隱藏在其它不敏感層下的層。例如，但非限定性地，可以生產在同樣的薄膜磁性材料中蝕刻的電路，并且只有該電路的大部分保留了磁性，接觸磁道通過輻射而被賦予不活躍性；樣品的一個給定區域的矯頑磁場可以可控地降低，以便確保反向磁化總是在同樣的條件下從同樣的位置出現。
本發明方法可以先驗地適用于任意一種其中局部原子排列中的微小改變便會導致磁特性巨大變化的材料，也就是說適用于過渡金屬合金(例如CoPt、NiFe等)、稀土／過渡金屬合金(例如TbFeCo等)以及磁性多層(例如Co／Pt、Fe／Tb等)，等等，這些列舉是非限定性的。
Co／Pt多層是用于在藍光中的短波長磁光記錄的潛在的材料。
一個或更多實施方案的說明下面在用一種離子束對磁性多層進行輻射的情況下對通過輻射進行磁蝕刻工藝進行說明，該工藝包括以下幾個步驟，其中
-(ⅰ)在輻射之前小心地控制界面處和多層表面上的組成和粗糙度；-(ⅱ)采用一種離子束對該多層結構進行輻射，控制通過該離子束引起的結構改性；尤其是，通過選擇瞬時離子的能量和質量來控制由離子束所輻射的能量強度；-(ⅲ)可以通過一個合適的熱退火工序來完成該輻射過程，以便消除應力和／或促使局部有序。
在磁性材料的情況中，該工藝的效果對于合金(過渡金屬合金、稀土合金以及稀土／過渡金屬合金)和所有類型的多層存儲棧很重要。
該工藝有利地被應用在Co／Pt多層膜上。應該注意的是，這些材料的性能，首先是垂直磁各向異性、其次是強磁光克爾效應已經被廣泛地研究；因此它們成為磁光記錄的便利的候選材料。
在基于超薄層的材料中，其性能是通過界面效應和體積性能之間的競爭決定的。比如說，易磁化方向是由一個有效的各向異性系數Keff的正負號所給出的，該系數首先被寫成Keff=-Kd+Kv+(Ks1+Ks2)tCo]]>第一項表示偶極子形狀的各向異性(Kd＞0)，第二項表示體積各向異性(在Co的情況下Kv＞0)，最后一項來源于界面(在Co／Pt界面情況下Ks＞0)，它的作用隨著Co厚度tCo變化而反向變化(Ks1和Ks2表示Co膜兩個界面的磁各向異性系數)。根據Keff的正負號，易磁化軸線不是垂直于多層平面的軸線(Keff＞0)就是垂直于膜平面的軸線。該垂直設計對于磁光記錄來說是必要的并且將有可能成為超高密度磁記錄方面的所有技術的標準。
該工藝最好限制在引起低能量聚集的輻射上(在我們所感興趣的界面處的小數量級的原子位移)。這可以例如通過低能量(從幾keV到大約一百keV)的輕離子(如He+)或也可通過高能量(一般1MeV)的重離子(如質量序數為100)來達到。該輻射首先會改變界面的組成，并因此尤其是改變了界面的各向異性。對于最薄的薄膜(1或2層原子平面)來說或對于更高的輻射量來說薄膜的組成以及其體積磁性也會被改變(通過把原子從一層轉移到另一層)在Co／Pt的特定情況下，該CoPt合金的居里溫度隨著Pt的含量降低，并且在Pt含量約為75％時低于室溫。
例如，本發明者已經在常溫下以可控方式，通過以一個(非常低)1015離子／cm2輻射量借助被加速到300keV的Kr-離子以及借助30keV He+離子以1016離子／cm2的輻射量輻射賦予厚度tCo為0．5nm的樣品以順磁性。
輻射效果的特點首先在于通過陰極濺射沉積的單一的Pt(3．4nm)／Co(tCo)／Pt(6．5nm)／無定形基底(Herasil磨光的二氧化硅SiO2／Si，Si3N4／Si)夾層。
通過所采用的沉積技術，在輻射之前就可以獲得在0．3-1．2nm的Co厚度范圍內具有一個垂直的易磁化軸線以及一個最佳正方形的極化磁滯回線(100％剩余磁化)的磁性薄膜。
在He+離子流量高達大約2×1015原子／cm2并且這些離子被加速到5和100keV之間的能量的條件下對這些樣品的輻射，能夠有效地調節一個超薄Co層的磁性特性1．在0．5nm厚的多層膜(大約2．25個原子平面)上，主要的效果在于降低了居里溫度，該溫度會在約為2×1016個離子／cm2的輻射量下下降到室溫以下。在此溫度下，薄膜保持著一個垂直的易磁化軸線和一個方形磁滯回線，但是當輻射量增加的時候，該薄膜的矯頑磁場會有規律地減小。獲得具有幾個Oe矯頑磁性的方形磁滯回線。可以想象在低磁場傳感器的生產方面的有利的應用。
2．在1nm厚的試樣(大約5個原子平面)上，輻射的主要效果在于在薄膜的平面中使易磁化軸線的傾斜，以及使界面各向異性常數Ks減小。該效果可以用低輻射量來獲得，因為原始厚度接近于傾斜效果在最初樣品中出現處的厚度(1．2nm)。
3．在中等厚度(0．8nm，即4個原子平面)的樣品上，同樣的輻射量對磁滯回線沒有任何效果在這些厚度下，居里溫度已經很高了(接近于大塊的Co的居里溫度)，因此對界面的微弱改變已不太敏感，這些厚度也與易磁化軸線傾斜的正常厚度相差很遠。這就構成了本工藝的有用的特點，一方面它使得可以在輻射一個雙層時只改變其中一層。另一方面它可以在更高的輻射量下進行，更有助于同質。
應該注意的是，使離子加速的能量對磁性性能的改變上要比對于材料中位移程度的深度方面的分布上產生的影響效果差。這就使得該工藝能夠應用在隱藏在比示例中所用的薄層明顯更深處的薄層中。
所述方法的一個基本特點在于，雖然輻射對磁性產生顯著效果，但是其在樣品的光反射率上的效果仍然較小。
這種差異對于裸眼來說是看不見的，并且僅僅在一個好的顯微鏡下才能看得見(與Pt／Co／Pt樣品中的疇壁相比較的差異)。光效果的微小與所導致的結構改變的微小相關。
也進行了在(Pt／Co)6／Pt多層棧上的試驗。這些多層結構(厚度、Co／Pt周期數)是圍繞通常用于光磁記錄介質的數值來選擇的。與上面針對單一薄膜描述的各向異性隨Co厚度的改變得到的情形相比較，在多層薄膜中由于源于相反的極性或鉑的導電電子產生的互換作用導致層間相互作用使輻射對磁性能產生的效果變得更加復雜。這一通過用于界面層的Pt的鐵磁性來表現的相互作用有助于提高多層的居里溫度，尤其是在Co厚度非常小的時候。這兩種相互作用的存在也會導致一個相當寬的Co厚度范圍，在這個范圍內系統被分解成有規則的磁疇，在這些磁疇中磁化是垂直的(“條狀”疇結構)，甚至在可能產生易磁化平面的Keff值略呈負數的情況下也是如此。
這些測試在具有同樣Co厚度(并因此具有同樣的單層各向異性)以及同樣的周期數但Pt分離層的厚度不同的兩個系列的樣品上進行A系列Pt(2nm)／[Pt(1．4nm)／Co(0．3nm)]6／Pt(6．5nm)B系列Pt(2nm)／[Pt(0．6nm)／Co(0．3nm)]6／Pt(6．5nm)
在B系列的情況下，在完成相互擴散之后合金的Pt含量大約會是66％(鐵磁合金)，而對于A系列來說Pt含量為82％(非磁性合金)。另一方面，在B系列中，Pt夾層更薄，Co層進行相互作用的能力更強，這樣原則上使得更容易通過減小各向異性獲得“條狀”疇結構，隨后形成易磁化平面。
在測試的輻射量范圍(在A系列的情況中高達1016以及在B系列的情況中達2．6×1016)內，該輻射的結果對于兩個系列來說在質量上顯示出同樣的效果逐步的(并容易控制的)從一個垂直的易磁化軸線(具有一個最佳的方形磁滯回線，其矯頑磁場隨著輻射量而減少)轉換到一種“條狀”疇結構，然后轉換成一個易磁化平面。如上所述，這種傾斜對于B系列(3×1015相對于6×1015離子／cm2)而言發生在更低輻射量的時候。在所用的輻射量下，所有樣品在常溫下仍然保持鐵磁性。
在所有上述情況下，無法通過空氣中的AFM來探測出樣品表面粗糙度的任何變化，甚至對于0．2nm rms數量級的極其低的最初粗糙度來說，也是如此。
此外，還進行了讓輻射穿過一個樹脂掩模的試驗。
在Pt(3．4nm)／Co(0．5nm)／Pt(6．5nm)／Herasil簡單夾層的樣品上，測試了兩類樹脂1．一種Shipley負樹脂，適于通過X-射線平版印刷術進行的亞微細粒的平版印刷。該樹脂只在一個樣品的一半上已經沉積了厚為0．8μm的一層，然后在通常的條件下進行退火。然后再次在通常的條件(熱三氯乙烯浴)下對整個樣品進行輻射并去掉該樹脂。
沒有受到樹脂保護的部分再現了上述的輻射效果，而受到保護的部分的性質沒有任何改變。原則上，按照已經另外開發的方法，采用同樣的樹脂但另外還采用一種X-射線平版印刷步驟以限定其中一個的孔陣列，應該在最低限度上使其能夠獲得尺寸為0．2μm并相隔0．2μm的磁性蝕刻二進制數陣列，即25比特／μm2的記錄密度，幾乎比現有密度高20倍。
2．一種適用于電子平版印刷術的PMMA正樹脂。該樹脂被沉積成厚度約為0．85μm的一層并且在這種情況下不進行退火，這可能對圖案邊緣的質量有影響。在這種樹脂的標準退火條件(160℃，30分鐘)下，在樣品中開始出現效果，但是在更低溫度(＜120℃，在這個溫度下樣品是不敏感的)下也可能得到同樣好的退火效果。接下來，對這些樣品進行一個電子平版印刷步驟以便在一個800×800μm2面積上限定出如樹脂中的凹槽一樣的寬1μm相隔1μm的線條陣列。然后在標準條件下對整個樣品進行輻射并去掉樹脂。在一個磁光顯微鏡中觀察，結果表明在所選擇的輻射劑量(1016原子／cm2)下，受到輻射的部分在室溫下變成順磁性的(這個狀態具有可消除磁性區域之間的耦合的優點)。受到樹脂保護的部分仍然保持具有與原始樣品類似的方形回路的垂直磁化。
如上同樣的電子平版印刷方法可以應用在B系列的一個Pt(2nm)／[Pt(0．6nm)／Co(0．3nm)]6／Pt(6．5nm)多層上以便通過以2×1015原子／cm2的劑量進行輻射形成同樣的線條陣列。然而，和在單一的0．5nmCo層的情況不同，這兩個部分(受到保護的部分和受到輻射的部分)仍然保持一種垂直磁化和一個方形回路，然而受到輻射的部分的矯頑磁場更弱。實際上，在一個磁光顯微鏡中的觀察清楚地顯示出在磁性飽和之后在該反向的外加場中出現反向磁化，該磁化首先出現在受到輻射的線條中，然后擴散到沒有受到輻射的部分中(陣列外部的線條和薄膜)。因此在中間區域中就能夠獲得由平版印刷人工地形成的磁疇。緊接著，用近場磁光顯微鏡進行檢驗，這樣就能夠非常精確地看到這些人工磁疇。因此這就證明了所提出的“接觸”記錄方法的可行性。另一方面，在同樣的但是由材料燒蝕蝕刻的樣品上，同樣的近場顯微技術只顯示出衍射效應。
應該注意的是，在輻射之后，PMMA樹脂變得更難去掉。沿著單元保留的殘余物會引入粗糙之處以及一種非磁性類的不良光對比度，這就需要一種附加的“氧氣等離子體”去膜步驟(一種顯微技術中公知的方法)。
最后，由于PMMA樹脂電子平版印刷的精確度，可以獲得尺寸小于100nm的二進制位，即高于100比特／μm2的密度。
剛才描述的這種技術有利地用于制造包含有隱藏的磁性結構的層，尤其用于磁性結構記錄介質或磁電子裝置如M-RAM存儲器、邏輯元件等的生產。
它們允許平面磁蝕刻隱藏的磁性層，這不會改變材料的表面粗糙度并且可以控制光學性能的變化例如至可以被忽略的程度。
這些技術可以用于工業上的大規模生產。
利用沒有任何蝕刻效果的輕離子，這些輕離子能夠被深深地植入基片中，明顯地處在該層的下面。
該參數是沿著軌跡由離子沉積的能量而不是沿著由重離子產生的一連串缺陷，由此可以對電磁變化進行良好控制，對于高劑量來說，這樣產生了同樣的效果。
此外，借助本發明方法可以本質地獲得一個由反向磁化導致的并與出現在輻射區域邊界處的現象相關的易形成晶核的區域。這對于在一個磁性“粒子”組合中控制磁化反向磁場并使其均衡化或對于記錄介質或一種存儲器或邏輯片、當然不僅限于此是重要的保障因素與前提條件。
權利要求
1．磁蝕刻方法，其特征在于，薄層材料是被可控地進行輻射以便在微米數量級或更小的寬度區域上局部地改變所述材料的磁性特性，例如尤其是其矯頑磁性、其磁性各向異性或其居里溫度。
2．權利要求1的方法，其特征在于輻射借助離子來進行。
3．權利要求2的方法，其特征在于輻射是通過穿過一個樹脂掩模來進行的。
4．權利要求2的方法，其特征在于輻射通過聚焦離子束進行。
5．前面權利要求中任一項的方法，其特征在于由輻射蝕刻的層隱藏在其它層下面。
6．用于磁性或磁光記錄二進制信息的方法，尤其是用于松散磁性材料、磁性記錄電路或可磁性控制的邏輯電路的生產方法，其特征在于采用前面權利要求中任一項的磁蝕刻方法。
7．只讀存儲器的光記錄方法，其特征在于采用權利要求1至5中任一項的磁蝕刻方法。
8．權利要求6或7的方法，其特征在于所述記錄介質為一種Co／Pt多層。
9．利用一種與磁性有關的光學指數分量的可控變化生產可磁性控制的光電路的方法，其特征在于采用權利要求1至5中任一項的磁蝕刻方法。
10．權利要求9的方法，其特征在于通過輻射穿過一個掩模生產一種包括磁性單元規則陣列的由非磁性材料制成的波導薄膜。
全文摘要
本發明涉及一種磁蝕刻方法,其特征在于包括對薄層材料進行可控輻射以便在微米數量級或更小寬度的區域上局部地改變所述材料的磁性特性,例如尤其是其矯頑磁性、磁性各向異性或其居里溫度。
文檔編號H01J37/317GK1289442SQ9980265
公開日2001年3月28日 申請日期1999年1月12日 優先權日1998年1月12日
發明者C·查普特, H·伯納斯, J·費雷 申請人:國家科研中心