取向磁性薄膜的制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種取向磁性薄膜的制備方法。該方法是采用激光脈沖沉積的方法，通過控制襯底基片處磁場、沉積溫度和氮氣氣壓，來控制薄膜的相結構，進而獲得一系列不同相組成的氮化鐵薄膜。該方法可以低溫制備氮化鐵薄膜，有利于薄膜器件的集成應用，同時采用磁場誘導的方法，使薄膜生長時產生晶體學取向，方便的控制薄膜的晶體學易磁化軸。
【專利說明】
取向磁性薄膜的制備方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種取向磁性薄膜的激光脈沖沉積制備方法，屬于材料制備領域。
【背景技術】
[0002]鐵氮磁性薄膜由于具有優異的磁性能、高抗腐蝕性能和耐磨損性能，在磁性薄膜器件領域有巨大的應用前景。目前，可以用分子束外延、離子注入和磁控濺射等多種薄膜制備方法成功制備出特定結構的Fe-N磁性薄膜。發明人采用脈沖激光沉積(PLD)方法也制備鐵氮薄膜。通過在真空腔體中引入反應氣體，PLD技術利于制備多種復雜的氧化物和氮化物薄膜，還可以得到某些室溫非平衡態固溶體或化合物。
[0003]γ ’-Fe4N材料在理論和實驗上都被證明具有極高的自旋極化率和高飽和磁化強度，在自旋電子學器件中有潛在的應用前景。近年來，用多種制備方法在不同基片上可以得到單相γ ’_Fe4N薄膜，如在MgO(10)基片上用分子束外延法或磁控濺射法生長薄膜;在用MgO(10)做緩沖層的熱氧化硅基片上用磁控濺射法制備薄膜在SrT13基片上用磁控濺射法生長薄膜;在Cu (100)基片上用分子束外延法生長薄膜。然而，為了制備高質量的(100)取向的γ ’-Fe4N薄膜，這些薄膜制備方法都采用了超過400°C的高溫沉積或者在高于320°C做后續熱處理得到。但是，高溫下制備薄膜不利于磁性薄膜器件的集成應用。PLD薄膜制備工藝利用激光蒸融產生高能量的粒子與環境氣體在激光誘導的等離子體中進行過熱反應，使PLD方法能夠在較低的基片溫度下制備出高質量的薄膜。發明人前期在Fe緩沖層上沉積Fe-N薄膜，通過調整溫度和氮壓等參數，發現在150°C溫度，10 mTorr為制備單相γ ’-Fe4N薄膜的最佳工藝參數，并獲得了織構軸(C軸)垂直薄膜表面的(100)絲織構。
[0004]對于薄膜材料來說，受到形狀各向異性的影響，在垂直膜面方向受強退磁場的作用，很難形成有效磁化。而在磁記錄領域具有廣泛應用前景的FeN材料，獲得垂直膜面的垂直磁化卻很關鍵。因此，如何方便的獲得垂直膜面的易磁化軸就顯得很重要。
[0005]鑒于以上，本發明的目的是采用磁場誘導生長的方式，在薄膜中獲得垂直膜面的易磁化軸，從而改善材料的有效各向異性，使薄膜易于獲得垂直磁化。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是提供一種取向氮化鐵薄膜的激光脈沖沉積制備方法。
[0007]本發明的具體步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生
將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和靶材隔開;將永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
所述的永磁體為釤鈷磁體、釹鐵硼磁體、鐵氧體磁體、鐵鈷磁體、鋁鎳鈷磁體和鐵鉑合金磁體；
所述的永磁體優選為釤鈷磁體；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱
預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至薄膜生長的溫度，溫度范圍為20?200°C;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在2?20 mTorr;
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
以一定的降溫速率進行冷卻，調節流量計可控制降溫過程中腔體內的氣體流量;一般在降至100°C以下時，停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
[0008]本發明的優點是:
1)低溫制備氮化鐵薄膜，有利于薄膜器件的集成應用；
2)采用磁場誘導的方法，使薄膜生長時產生晶體學取向，方便的控制薄膜的晶體學易磁化軸。
【具體實施方式】
[0009]下面結合實施例對本發明進行詳細描述，以便更好地理解本發明的目的、特點和優點。雖然本發明是結合該具體的實施例進行描述，但并不意味著本發明局限于所描述的具體實施例。相反，對可以包括在本發明權利要求中所限定的保護范圍內的實施方式進行的替代、改進和等同的實施方式，都屬于本發明的保護范圍。對于未特別標注的工藝參數，可按常規技術進行。
[0010]本發明的具體步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和靶材隔開;將永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
所述的永磁體為釤鈷磁體、釹鐵硼磁體、鐵氧體磁體、鐵鈷磁體、鋁鎳鈷磁體和鐵鉑合金磁體；
所述的永磁體優選為釤鈷磁體；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱
預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至薄膜生長的溫度，溫度范圍為20?200°C;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在2?20 mTorr;
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
以一定的降溫速率進行冷卻，調節流量計可控制降溫過程中腔體內的氣體流量;一般在降至100°C以下時，停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
[0011 ]通過本發明可以制備取向的氮化鐵薄膜。
[0012]實施例1:
本發明的步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生
將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和靶材隔開;將釹鐵硼磁體永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱
預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至20°C ;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在2 mTorr ；
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
停止通入氣氛，關閉分子栗。
[0013]對實施例1所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了鐵素體和少量的γ’_Fe4N相，并且兩相具有取向性。
[0014]實施例2:
本發明的步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生
將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和靶材隔開;將鍶鐵氧體永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱
預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至80°C ;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在6 mTorr；
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
[0015]對實施例2所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了鐵素體和少量的γ’_Fe4N相，并且兩相具有取向性。
[0016]實施例3:
本發明的步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生
將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和革G材隔開;將衫鉆永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱
預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至200°C ;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在8 mTorr；
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
以一定的降溫速率進行冷卻，調節流量計可控制降溫過程中腔體內的氣體流量;降至100°C以下時，停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
[0017]對實施例3所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了鐵素體和γ’-Fe4N相，并且兩相具有取向性。
[0018]實施例4:
本發明的步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生
將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和革G材隔開;將鐵鉆永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱
預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至110°C ;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在11 mTorr；
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
以一定的降溫速率進行冷卻，調節流量計可控制降溫過程中腔體內的氣體流量;在降至100°C以下時，停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
[0019]對實施例4所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了γ ’_Fe4N和少量的鐵素體相，并且兩相具有取向性。
[0020]實施例5:
本發明的步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和革G材隔開;將招銀鉆永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱
預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至60°C ;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在16 mTorr；
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
[0021]對實施例5所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了γ ’_Fe4N相，并且具有取向性。
[0022]實施例6:
本發明的步驟為:
1)襯底基片清洗
本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底；
2)樣品安裝和磁場產生
將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和革G材隔開;將鐵鉬永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門；
所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場；
3)系統抽真空
打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟；
4)激光器預熱及預濺射
當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射；
5)襯底加熱預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至160°C ;
6)通入反應氣體
當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在20 mTorr；
7)磁場誘導下的薄膜生長
當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器；
8)冷卻過程
以一定的降溫速率進行冷卻，調節流量計可控制降溫過程中腔體內的氣體流量;在降至100°C以下時，停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
[0023]對實施例6所制備的樣品進行XRD表征，檢測到了 γ ’-Fe4N和少量的Fe3N相，并且兩相具有取向性。
【主權項】
1.一種取向磁性薄膜的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟: 1)襯底基片清洗 本實驗使用RCA標準化學清洗過程清洗襯底； 2)樣品安裝和磁場產生 將靶材和清潔的襯底基片固定在相應的樣品架上，調整襯底和靶材的距離，用檔板將襯底和靶材隔開;將永磁體固定襯底基片的反面;關閉真空室旋緊閥門； 所述的永磁體的作用是在后續薄膜生長過程中提供磁場； 所述的永磁體為釤鈷磁體、釹鐵硼磁體、鐵氧體磁體、鐵鈷磁體、鋁鎳鈷磁體和鐵鉑合金磁體； 所述的永磁體優選為釤鈷磁體； 3)系統抽真空 打開電源，開啟機械栗和分子栗冷卻水，當系統真空度達到0.2 Torr時，電腦將控制分子栗自動開啟； 4)激光器預熱及預濺射 當系統抽到指定真空度后，開啟激光器的電源及開關，預熱一段時間后對靶材在室溫下進行預濺射； 5)襯底加熱 預濺射完畢后，設定加熱器升降溫程序，設置合適的升溫速率，升溫至薄膜生長的溫度，溫度范圍為20?200°C; 6)通入反應氣體 當襯底溫度升高到所需要的溫度后，開始通入生長薄膜所需的反應氣體;所述的反應氣體為高純氮和高純氧;打開氧氣瓶總閥和減壓閥，通過調節MFC控制氣體進氣流量，同時通過控制栗與腔體之間閥門大小調節分子栗的抽氣速率，控制真空腔室內的氣氛壓力;氮氣氣壓控制在2?20 mTorr; 7)磁場誘導下的薄膜生長 當腔體內工作氣體壓強穩定后，開啟激光器，調節反射鏡使激光照射在靶面上，并調節聚光透鏡使激光照射在把面上的光斑盡可能小;移開檔板，開始沉積，此時永磁體產生的磁場對沉積的薄膜存誘導作用，使薄膜的晶體學易軸沿著磁場方向；沉積到所需的時間后，關閉激光器； 8)冷卻過程 以一定的降溫速率進行冷卻，調節流量計可控制降溫過程中腔體內的氣體流量;一般在降至100°C以下時，停止通入氣氛，關閉分子栗，腔體自然冷卻至室溫。
【文檔編號】C23C14/28GK105925937SQ201610469974
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月26日
【發明人】張敖, 彭曉領, 李靜, 楊艷婷, 徐靖才, 王攀峰, 金頂峰, 金紅曉, 洪波, 王新慶, 葛洪良
【申請人】彭曉領