一种矫顽力可调稀土‑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矫顽力可调稀土-过渡合金薄膜材料的制备方法。

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，亚铁磁性稀土-过渡合金薄膜材料在高密度、低能耗的垂直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。与垂直磁记录中要求的室温大矫顽力不同，高密度电流驱动自旋存储与逻辑器件要求该稀土-过渡合金薄膜具有适中的垂直矫顽力以减小电流诱导磁化翻转的电流密度降低功耗。因此寻找制备具有合适垂直矫顽力的稀土-过渡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其成分直接相关。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，使用不同成分的合金靶的价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种矫顽力可调稀土-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，通过简单的溅射工艺控制实现薄膜特性的连续变化，方便调整垂直合金薄膜的成分点，扩大制备薄膜的矫顽力范围，方便寻找合适矫顽力的稀土-过渡族合金薄膜及探索合金薄膜的最佳性能成分点。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种矫顽力可调稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将多片呈等腰三角形的纯度≥99.9％的稀土贴片均匀对称贴在纯度≥99.9％的铁钴合金靶上，形成溅射用的复合镶嵌靶，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°，所述稀土贴片的腰长为所述铁钴合金靶的半径长度的70～90％；

(2)将所述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)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；

(4)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25～100sccm范围内；

(5)在溅射工作气压0.2～1.0Pa的条件下，对所述复合镶嵌靶预溅射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1.5～5W/cm²的溅射功率密度溅射所述复合镶嵌靶，溅射时间为1～20min，得到20～400nm厚的稀土-过渡合金薄膜。

所述稀土贴片的数量为3～6片，各片所述稀土贴片以所述铁钴合金靶的圆心为中心点分布在所述铁钴合金靶上。

采用上述技术方案后，本发明一种矫顽力可调稀土-过渡合金薄膜的制备方法，具有以下优势：复合镶嵌靶溅射镀膜时，利用调节工作氩气的进气流量，调整稀土-过渡合金薄膜的成分相对于补偿点成分的偏差，实现磁特性的连续变化，达到稀土-过渡合金薄膜的矫顽力在较宽范围内可调的目的；不需要增加或减少合金靶材上稀土贴片的数量，在不破坏真空或者改变靶材的情况下，直接通过改变工作气体的进气流量调整制备薄膜的成分相对于补偿点成分的偏差，实现薄膜易磁化方向水平与垂直以及富过渡与富稀土成分之间的灵活变化，方便调整合金薄膜的矫顽力，可制备矫顽力在很宽范围内可调的合金薄膜及探索最佳性能成分区间，满足磁电记录技术领域对材料特性的要求。

附图说明

图1为单晶Si(100)基片上100nm厚的TbFeCo合金薄膜XRD结果；

图2为a)不同气体流量下溅射制备TbFeCo合金薄膜的反常磁电霍尔效应回线，b)矫顽力与气体流量变化曲线，图中虚线表示补偿点成分合金薄膜的制备时对应的进气流量处于50与65sccm之间；

图3为单晶Si(100)基片上100nm厚的DyFeCo合金薄膜XRD结果；

图4为a)不同气体流量下溅射制备DyFeCo合金薄膜的反常磁电霍尔效应回线，b)矫顽力与气体流量变化曲线，图中虚线表示补偿点成分合金薄膜的制备时对应的进气流量处于50与60sccm之间。

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

一种矫顽力可调稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将三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)以单晶Si(100)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5.5cm；

(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35～100sccm范围内；

(5)调整闸板阀关闭的程度，使溅射工作气压稳定并维持在0.2Pa，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4W/cm²的溅射功率密度溅射复合镶嵌靶，溅射时间为4min，溅射完毕后冷却，即得到100nm厚的TbFeCo合金薄膜。

二、结构和性能测试

TbFeCo合金薄膜的XRD表征如图1所示，图中除了基片Si(400)峰，并无薄膜衍射峰，表明该合金薄膜是非晶结构。

TbFeCo合金薄膜的磁特性表征如图2所示，不同气体流量下溅射制备TbFeCo合金薄膜的反常磁电霍尔效应回线表明：当氩气的进气流量为35sccm时制备的合金薄膜的易磁化方向为水平，当氩气的进气流量为50sccm时制备的合金薄膜的易磁化方向介于水平和垂直之间，成分为富过渡；当氩气的进气流量介于65～100sccm之间时，制备的合金薄膜的易磁化方向为垂直，成分为富稀土。薄膜矫顽力与气体流量变化曲线表明：通过改变氩气流量制备的合金薄膜的矫顽力可实现在0～8kOe之间的大范围变化。

实施例二

一、薄膜材料的制备

一种矫顽力可调稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将三片呈等腰三角形的高纯度(纯度为99.95％)的Dy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Dy贴片以铁钴合金靶的圆心为中心点分布在铁钴合金靶上，Dy贴片的顶角为28°，Dy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)以单晶Si(100)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5.5cm；

(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35～100sccm范围内；

(5)调整闸板阀关闭的程度，使溅射工作气压稳定并维持在0.2Pa，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3.2W/cm²的溅射功率密度溅射复合镶嵌靶，溅射时间为5min，溅射完毕后冷却，即得到100nm厚的DyFeCo合金薄膜。

二、结构和性能测试

DyFeCo合金薄膜的XRD表征如图3所示，图中除了基片Si(400)峰，并无薄膜衍射峰，表明该合金薄膜是非晶结构。

DyFeCo合金薄膜的磁特性表征如图4所示，不同气体流量下溅射制备DyFeCo合金薄膜的反常磁电霍尔效应回线表明：当氩气的进气流量为40sccm时制备的合金薄膜的易磁化方向为水平，当氩气的进气流量为50sccm时制备的合金薄膜的易磁化方向介于水平和垂直之间，成分为富过渡；当氩气的进气流量介于60到100sccm之间，制备的合金薄膜的易磁化方向为垂直，成分为富稀土。薄膜矫顽力与气体流量变化曲线表明：通过改变氩气流量制备的合金薄膜的矫顽力可实现在0～4.3kOe之间的大范围变化。

实施例三

一种矫顽力可调稀土-过渡合金薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)将三片呈等腰三角形的高纯度(纯度为99.95％)的Dy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Dy贴片以铁钴合金靶的圆心为中心点分布在铁钴合金靶上，Dy贴片的顶角为28°，Dy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)以单晶Si(100)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5.5cm；

(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0.2Pa，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3.2W/cm²的溅射功率密度溅射复合镶嵌靶，溅射时间为1～20min，溅射完毕后冷却，即得到20～400nm厚的DyFeCo合金薄膜。

本实施例中，通过控制溅射时间，可得到不同厚度的DyFeCo合金薄膜，溅射时间越长，薄膜的厚度越大，但以溅射时间为1～10min得到厚度为20～200nm的合金薄膜为宜。

上述各实施例中的稀土贴片以及铁钴合金靶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。