DE69810626T2

DE69810626T2 - Strukturierung des Magnetismus magnetischer Medien

Info

Publication number: DE69810626T2
Application number: DE69810626T
Authority: DE
Inventors: Rolf Allenspach; Andreas Bischof; Urs R. Duerig
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1998-10-12
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2003-09-18
Anticipated expiration: 2018-10-13
Also published as: EP0994465A1; JP3721018B2; JP2000123363A; US6414808B1; EP0994465B1; DE69810626D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zielt auf ein Verfahren zum Erzeugen oder Modifizieren einer Struktur lokaler spezifischer magnetischer Eigenschaften in einer planaren magnetischen Oberfläche sowie auf magnetische Speicherbauelemente ab, die eine oder mehrere mit derartigen Strukturen versehene Oberflächen beinhalten.
Magnetische Bauelemente zum Aufzeichnen und Speichern von elektronischer Information haben von Magnetbändern (magnetic tapes) bis zu momentanen Speicherbauelementen, wie Festplatten (hard discs) nach dem gegenwärtigen Stand der Technik mit Kapazitäten im Bereich von Gigabyte, einen langen Weg zurückgelegt.
Im Allgemeinen waren Zunahmen der Speicherkapazität in der Vergangenheit wenigstens zum Teil in einer Zunahme der Speicherdichte begründet, z. B. wie in Form von Bit pro Quadratzentimeter (b/cm²) ausgedrückt. Die erste Magnetplatte zum Beispiel, die von IBM 1956 eingeführt wurde, wies eine Speicherdichte von etwa 300 b/cm² (10²) auf; ein erster "magischer" Schwellenwert von 100.000 b/cm² (10&sup5;) wurde etwa zwanzig Jahre später erreicht. Gegenwärtig liegen Speicherdichten von Festplatten und anderen kommerziell erhältlichen planaren magnetischen Medien im Bereich von hundert Millionen b/cm² (10&sup8;), so dass selbst eine "Einstiegsniveau"-Festplatte ("entry level hard disc) eines alltäglichen Computers eine Speicherkapazität von mehreren Gigabyte aufweist.
Wahrend erwartet wird, dass sich der technologische Fortschritt allgemein mit derartigen Raren weiterentwickelt, können physikalische Grenzen der Speicherdichte für planare magnetische Medien aufgrund der endlichen Abmessung der kleinsten magnetischen Entitäten (entities) oder "Domänen" und der Grenzen der klaren Unterscheidung zwischen den Einheitsgebieten vorausgesagt werden, d. h. der Fähigkeit, zwischen einem gespeicherten Bit und seinen unmittelbaren Nachbarn klar zu unterscheiden. Tatsächlich kann eine obere Grenze in der Größenordnung von 10 Gigabit/cm² (10¹&sup0;) aufgrund der "paramagnetischen Grenze" ("paramagnetic limit") erwartet werden, es scheint aber noch eine Zunahme der Speicherdichte in neu entworfenen planaren magnetischen Bauelementen um mehrere Größenordnungen möglich.

Stand der Technik

In einem Versuch, die Datenspeicherdichte bei der Magnetaufzeichnung zu erhöhen, haben Chappert, C. et al. (Science, 280 (1998), 1919 bis 1922) in einem Bericht über planare strukturierte Medien (wobei dieser Bericht für alle Zwecke durch Referenz hierin aufgenommen wird) vorgeschlagen, durch Beaufschlagung von Kobalt-Platin(Co-Pt)- Sandwichstrukturen und Mehrlagenschichten mit Ionenbestrahlung, d. h. Beaufschlagung mit atomaren Teilchen, durch eine lithographische Resistmaske hindurch zur magnetischen Strukturierung ohne signifikante Modifikation von Rauhigkeit und optischen Eigenschaften der Sandwich- oder Mehrschichtstrukturen Magnetstrukturen (magnetic patterns) zu erzeugen. Es wurde argumentiert, dass ein Beschuss (wobei dieser Ausdruck synonym zu "Bestrahlung" verwendet wird und eine Bestrahlung sowohl mit begrenzten oder "schmalen" Strahlen als auch mit breiten Strahlen beinhaltet) mit derartigen atomaren Teilchen das Pt-Konzentrationsprofil an jeder Co-Schicht-Grenzfläche ändert, was die Möglichkeit einer lokalen Änderung magnetischer Eigenschaften durch eine Technik an die Hand gibt, die in der Wirkung ähnlich jener einer Halbleiterdotierung ist, d. h. mittels Bestrahlung durch eine lithographisch definierte Maske hindurch. Es wurde eine einfache Sandwich-Struktur mit einem Teilchenfluss oder einer Dosis von 10¹&sup6; Ionen/cm² mit He&spplus;-Ionen von 30 keV bestrahlt, d. h. ein Beschuss ausreichender Intensität, um das bestrahlte Gebiet in der speziellen Probe bei Raumtemperatur paramagnetisch zu machen.
Die Autoren schlossen daraus, dass eine durch einen Beschuss mit derartigen atomaren Partikeln induzierte magnetische Strukturierung ermöglichen würde, aneinander angrenzende Bereiche mit verschiedenen magnetischen Eigenschaften, wie eine Magnetisierung senkrecht gegenüber einer solchen in der Ebene, oder paramagnetische oder Streifendomänenstrukturen in einem ansonsten optisch glatten Film zu erzeugen.

Aufgaben und Zusammenfassung der Erfindung

Da jedoch sowohl die Anwendbarkeit als auch die Effektivität eines Beschusses mit atomaren Teilchen, wie Ionen, für eine magnetische Strukturierung begrenzt sein kann, besteht eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Möglichkeiten zum Erzeugen oder Modifizieren von Strukturen lokaler spezifischer magnetischer Orientierung in einer planaren magnetischen Oberfläche oder einem Film zu erweitern und verbesserte magnetische Speicher- und Aufzeichnungsbauelemente mit einer oder mehreren, mit derartigen Strukturen versehenen Oberflächen bereitzustellen.
Es wurde festgestellt, dass diese Aufgabe und weitere Verbesserungen gemäß der Erfindung erzielt werden können, indem magnetische Materialien dem Auftreffen von energiegeladenen (energized) subatomaren Teilchen, nämlich Elektronen, Neutronen oder Photonen (Röntgenstrahlen) ausgesetzt werden, wie in Anspruch 1 spezifiziert. Es wurde festgestellt, dass eine derartige Bestrahlung in der Lage ist, irreversible Änderungen magnetischer Eigenschaften zu verursachen, wie magnetische Anisotropien ebenso wie Domänenpinning-Verhalten. Bevorzugte Ausführungsformen des erfinderischen Verfahrens sind wie in den Ansprüchen 2 bis 9 definiert.
Speziell haben wir nachgewiesen, dass ein Beschuss mit energiegeladenen subatomaren Teilchen, wie in Anspruch 1 spezifiziert, insbesondere in der Form von Elektronenstrahlung, vorteilhaft dazu verwendet werden kann, Filme magnetisch zu strukturieren, indem das Material entweder durch einen schmalen oder breiten Strahl subatomarer Teilchen bestrahlt wird oder ein derartiger Strahl durch eine Schicht aus einem Material gestrahlt wird, das für die verwendete Strahlung im Wesentlichen undurchlässig ist, mit Ausnahme von Öffnungen, wo die Strahlung auf die gemäß der Erfindung zu behandelnde Schicht auftreffen soll, z. B. eine Schattenmaske (shadow mask) oder ein strukturiertes Resist (patterned resist), wie z. B. ein durch lithographische Mittel strukturiertes.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann erweitert werden, um eine sequentielle Strukturierung von Mehrschichtfilmen während ihres Aufwachsens zur Optimierung ihrer magnetischen Eigenschaften zu beinhalten. In Anbetracht von Überlegungen hinsichtlich Energieaustauscheigenschaften wird erwartet, dass andere energiegeladene subatomare Teilchen statt Elektronen, d. h. hochenergetische Photonen, wie Röntgenstrahlung, ebenso wie energiegeladene Neutronen, von ähnlicher Nützlichkeit gemäß der Erfindung sind wie Elektronenstrahlung. Die ferromagnetische Oberfläche wird vorzugsweise in der Form einer dünnen oder ultradünnen Schicht verwendet.
Gemäß einer zweiten allgemeinen Ausführungsform stellt die Erfindung neuartige magnetische Aufzeichnungs- oder Speicherbauelemente bereit, wie Festplatten oder Lesegeräte für magnetisch codierte Information, wie in Anspruch 10 definiert.
Es ist zu erwähnen, dass WO 95/20814 ein Datenspeichermedium offenbart, das auf einer anderen Vorgehensweise beruht, wobei eine Spinpolarisation von Elektronen zum Lesen und Schreiben von Daten benötigt wird und wobei das Speichermedium beziehungsweise die Platte überhaupt nicht strukturiert ist. Im Gegensatz dazu und gemäß der vorliegenden Erfindung werden bei Verwenden von Elektronen, wie spezifiziert, lediglich unpolarisierte Elektronen zur Strukturierung verwendet, während Lesen und Schreiben durch herkömmliche Verfahren durchgeführt werden.
Ferner befasst sich die Offenbarung von Betzig et al. in "Near-field magneto-optics and high density storage" (Applied Physics Letters, 13. Juli 1992, USA, Bd. 61, Nr. 2, Seiten 142 bis 144 - XP000280674/ISSN 0003-6951) mit dem Schreiben und Lesen mittels einer Technik, die als magneto-optische Speicherung bekannt ist, wobei das Schreiben durch Tempern bei 300ºC in einem angelegten Feld durchgeführt wird, während das Lesen durch einen Kerr- oder Faraday-Effekt bewirkt wird. Somit gibt es gemäß Betzig et al. keine Änderung der Anisotropie, wohingegen die vorliegende Erfindung wiederum Schreiben und Lesen mittels herkömmlicher Verfahren bereitstellt, während das Speichermedium durch eine vorherige Änderung von magnetischen Eigenschaften, d. h. durch eine Änderung der Anisotropie, strukturiert wird.
Es werden hierin die folgenden Definitionen von Ausdrücken verwendet, die zum Verständnis der Erfindung als wesentlich, angesehen werden:
Der Ausdruck "lokal spezifisch" ist dazu gedacht, sich auf einen spezifischen Ort oder eine Mehrzahl von spezifischen Orten (auch als "Struktur" ("pattern") bezeichnet) auf und in einer Oberfläche zu beziehen, die im Wesentlichen auf der Oberseite einer elektronischen Auf Zeichnungs- und/oder Speicherbauelementstruktur positioniert sein kann, um so eine Grenzfläche zu der umgebenden Atmosphäre oder zu einer am weitesten außen liegenden Gleitschicht (lubricating outermost layer) des Typs zu bilden, der als solcher auf dem Fachgebiet bekannt ist; alternativ kann sich der Ort oder die Struktur in einem Stapel von Schichten einer elektronischen Aufzeichnungs- und/oder Speicherbauelementstruktur befinden, wobei impliziert ist, dass derartige Strukturen aus normalerweise festen Materialien gebildet werden.
Die Ausdrücke "Magnetisierung" und "magnetische Modifikation" sind dazu gedacht, jeglichen Typ magnetischer Orientierung oder Änderung einer gegebenen magnetischen Orientierung in einem Material zu umfassen, das magnetisch ist oder magnetisch gemacht werden kann. Eine magnetische Modifikation beinhaltet außerdem eine Änderung von einem magnetischen Zustand, z. B. ferromagnetisch oder ferrimagnetisch, in irgendeinen anderen magnetischen Zustand oder nicht-magnetischen Zustand, wie paramagnetisch, und umgekehrt, ist jedoch nicht darauf beschränkt, wobei wenigstens eine magnetische Oberfläche enthalten ist, die mit einer Struktur von lokal spezifischen Modifikationen in einer ferromagnetischen Oberfläche versehen ist, wobei die Struktur eine Mehrzahl magnetischer Domänen beinhaltet, die durch Beaufschlagen der Oberfläche mit energiegeladenen subatomaren Teilchen erzielbar sind, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Elektronen, Photonen und Neutronen besteht.
Zwecks Kürze wird der Ausdruck "ferromagnetisch" hierin so verwendet, dass er magnetische Orte oder Oberflächen beinhaltet, die entweder aus ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Materialien bestehen.
Ein "gesteuertes Beaufschlagen mit energiegeladenen subatomaren Teilchen" oder "Strahlung" gemäß der Erfindung ist dazu gedacht, sich auf eine Steuerung im Wesentlichen aller Parameter der Beaufschlagung einer Oberfläche mit energiegeladenen subatomaren Teilchen, wie spezifiziert, zu beziehen, d. h. Elektronen, Photonen und Neutronen, im Allgemeinen in der Form von Strahlungsbündeln, wobei sowohl eine Steuerung der Emissions- oder Strahlungsquelle als auch jegliche Änderungen oder die Vermeidung von Änderungen zwischen dem Emitter (d. h. Teilchengenerator) oder der Strahlungsquelle und dem Ziel enthalten sind, d. h. dem Ort oder der Mehrzahl von Orten an der Oberfläche; außerdem beinhaltet dieser Ausdruck wenigstens eine gewisse Steuerung des Ortes oder der Orte der Beaufschlagung, z. B. durch eine Richtungssteuerung der Teilchenemission oder der Strahlung und/oder durch Maskierung.
Eine "vorgegebene Struktur von diskreten magnetisierten Gebieten" ist dazu gedacht, sich auf eine im Allgemeinen regelmäßige Anordnung einer Vielzahl von Gerieten in einem spezifischen Magnetisierungszustand zu beziehen, wie eine Mehrzahl ferromagnetischer Orte oder "Inselchen", die in einer im Wesentlichen regelmäßigen Weise innerhalb eines planaren Kontinuums oder "Meers" verteilt sind, das sich in einem anderen magnetischen Zustand befindet, z. B. nicht ferromagnetisch ist oder eine andere Orientierung aufweist. In einer typischen vorgegebenen Struktur oder Anordnung diskreter magnetisierter Gebiete ist eine Vielzahl von linearen oder kreisförmigen Bändern aus im Allgemeinen isomorphen, z. B. rechtwinkligen, polygonalen oder kreisförmigen ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Gebieten oder "Flecken" gebildet, die durch zwischenliegende Gebiete voneinander getrennt sind, wobei die angrenzende Oberfläche nicht ferromagnetisch ist.
Der Ausdruck "energiegeladene subatomare Teilchen" ist dazu gedacht, Teilchen mit einer atomaren Masse von nicht mehr als 1 und mit einer Energie zu umfassen, die für die verschiedenen Typen von subatomaren Teilchen anders sein kann; zum Beispiel liegt ein geeigneter Energiebereich für Elektronen im Bereich zwischen etwa 100 eV und etwa 100 keV mit einem bevorzugten Bereich zwischen etwa 0,5 keV und etwa 20 keV; ein geeigneter Energiebereich für Photonen liegt im Bereich zwischen etwa 20 eV und etwa 50 keV mit einem bevorzugten Bereich zwischen etwa 100 eV und etwa 5 keV; für Neutronen liegt ein geeigneter Energiebereich zwischen etwa 10 meV und etwa 1 MeV.
Es ist zu erwähnen, dass die Terminologie hinsichtlich magnetischer Zustände ebenso wie Materialien, die normalerweise in derartigen Zuständen existieren oder existieren können, auf dem Fachgebiet allgemein bekannt ist, z. B. Cullity, B. D., Introduction to Magnetic Materials, Addison Wesley, 1972, und keine spezifische Veranschaulichung erfordert.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Gemäß einer ersten und allgemein bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche, die durch Beaufschlagen mit energiegeladenen subatomaren Teilchen behandelt wird, diejenige Oberfläche, die sich optional an einer Grenzfläche zu einer anderen Schicht aus einem, normalerweise festen Material befindet, wie in einem Mehrschichtbauelement, und die aus einem im Allgemeinen ferromagnetischen Material besteht, das normalerweise aus festen elementaren Metallen, Metalllegierungen und Metallverbindungen einschließlich intermetallischer Verbindungen ebenso wie Verbindungen von Metallen mit nicht-metallischen Elementen ausgewählt werden kann. Eine bevorzugte Gruppe von Metallen sind die 3d- Übergangsmetallelemente, wie Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu und Metalle der Seltenen Erden, wie Gd, Tb und Y. Außerdem können sauerstoffhaltige Verbindungen der gerade erwähnten Metalle, z. B. die Metalloxide, anstelle von oder in Kombination mit den elementaren Metallen verwendet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche, die durch die Beaufschlagung mit energiegeladenen subatomaren Teilchen gemäß der Erfindung behandelt wird, mit einer sehr dünnen Schicht versehen, z. B. mit einer Dicke von nicht mehr als 100 Monolagen (ML als Abkürzung) und vorzugsweise von 1 Monolage bis 10 Monolagen.
Zur Verwendung in Speicherbauelementen des Festplattentyps und in ähnlich ausgelegten magnetischen Medien ist die Oberfläche, die durch Beaufschlagen mit energiegeladenen subatomaren Teilchen gemäß der Erfindung behandelt wird, auf einem Substrat bereitgestellt, das nicht ferromagnetisch ist. Typische, jedoch nicht beschränkende Beispiele sind normalerweise feste Substratmaterialien einschließlich von Metallen, halbleitenden Materialien, isolierenden anorganischen Materialien und organischen Polymersubstanzen. Eine Auswahl des Typs von Substratmaterial und seine spezifischen Eigenschaften sind selbstverständlich vom Typ der Anwendung beziehungsweise des magnetischen Bauelements abhängig, es versteht sich jedoch, dass eine derartige Auswahl allgemein im Griffbereich jener liegt, die auf dem einschlägigen Fachgebiet erfahren sind, und hierin keine Veranschaulichung erfordert.
Alternierende Schichten aus einem ferromagnetischen Metall und einem nicht-ferromagnetischen Substrat können als Mehrlagenschicht zur Behandlung mit energiegeladenen subatomaren Teilchen gemäß der Erfindung angeordnet sein.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht in der Strukturierung einer dünnen Schablonenschicht (template layer), die mittels Austausch- oder dipolarer Kopplung des Typs, der als solcher bekannt ist, vgl. zum Beispiel Parkin, S. S. P., IBM Journal of Res. and Develop., 42, (1988) 3, ihre magnetische Struktur auf nachfolgende Schichten überträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Abmessung der Bits in Festplattenmedien durch Beaufschlagen mit energiegeladenen subatomaren Teilchen gemäß der Erfindung vordefiniert, um jedes Bit von angrenzenden Bits zu trennen und somit eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Bits zu reduzieren.
Aus Gründen der Effektivität, der Verfügbarkeit geeigneter Strahlungsquellen, der leichten Steuerung und ähnlichen Faktoren ist Elektronenstrahlung mit einem Energieniveau zwischen etwa 100 eV und etwa 100 keV die bevorzugte Form energiegeladener subatomarer Teilchen für viele Anwendungen der Erfindung.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform kann die Erfindung angewendet werden, um das aktive Gebiet in Sensoranwendungen besser zu definieren oder zu reduzieren, z. B. Detektorbauelementen zum Lesen magnetisch codierter Daten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die beigefügten Zeichnungen werden dazu verwendet, die Erfindung mittels spezifischer Beispiele zu illustrieren und nicht zu beschränken. REM (SEM) steht für Rasterelektronenmikroskop (scanning electron microscope). In den Zeichnungen:
Fig. 1a, 1b sind Bilder magnetischer Domänen, die durch spinpolarisierte REM nach einem Elektronenbeschuss eines mittigen Quadrats während 1200 s mikroskopisch aufgenommen wurden; Fig. 1a repräsentiert die Magnetisierungskomponente in der Ebene, Fig. 1b diejenige aus der Ebene heraus; der mittige Bereich zeigt eine vollständige Änderung von einer Magnetisierung parallel in eine Magnetisierung senkrecht zu der Oberfläche; die Bildabmessung beträgt 35 um · 35 um;
Fig. 2 ist ein Bild einer senkrechten magnetischen Domäne, die wiederum durch spinpolarisierte REM nach einer Abtastung von vier Liniensegmenten, die in einem rechtwinkligen Muster mit einer Länge von 3 um angeordnet sind, von oben nach unten während 60 s mikroskopisch aufgenommen wurde; die induzierte Domänenabmessung nahm in einem erweiterten Bereich zu; die Bildabmessung beträgt 15 um · 15 um;
Fig. 3a, 3b und 3c zeigen eine Sequenz von Bildern senkrechter magnetischer Domänen, die wiederum durch spinpolarisierte REM nach einer Abtastung des Rechtecks auf der linken Seite während 90 s mit einem Strahlstrom von 10 nA mikroskopisch aufgenommen wurden; die Bildsequenz a bis c zeigt wiederholte Bilder, die mit einem reduzierten Strahlstrom von 1 nA aufgenommen wurden; die senkrecht magnetisierte Phase entsteht aus der Phase, die sich mit dem erhöhten Strahlstrom als Keim bildet, und füllt schließlich das gesamte abgetastete Gebiet; der ursprüngliche Film war in der Ebene magnetisiert; die Bildabmessung beträgt 28 um · 28 um.

Detaillierte Erläuterung der Erfindung

Auf dem Gebiet der Erzeugung magnetischer Aufzeichnungs- und Speichermedien ist die Verwendung von dünnen oder ultradünnen Filmen üblich, und es ist bekannt, dass magnetische Anisotropie ein Schlüsselbestandteil für Ferromagnetismus in derartigen ultradünnen Filmen ist, da sie letztendlich für die Stabilisierung der ferromagnetischen Phase verantwortlich ist. Demzufolge kann eine Änderung der magnetischen Anisotropie als ein Werkzeug zum Abstimmen magnetischer Eigenschaften in magnetischen Medien zur Datenaufzeichnung und -speicherung eingesetzt werden.
Eine markante Modifikation der magnetischen Anisotropie ist begleitet von einer Änderung der leichten Magnetisierungsrichtung. Eine Zunahme der senkrechten Anisotropie der magnetischen Oberfläche kann zu einer vollständigen Reorientierung der Magnetisierung von parallel zu senkrecht relativ zu einer Filmoberfläche führen. Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, kann sie durch Aufbringen von Metallschichten oder durch Tempern induziert werden. Ein Umschalten innerhalb der Ebene wird auch durch Chemisorption von Gasen in Co/Cu-Systemen hervorgerufen. Andererseits ist bekannt, dass Ionenätzen den entgegengesetzten Effekt einer Reduzierung der senkrechten Anisotropie aufweist. Es ist bekannt, dass eine Modifikation der magnetischen Eigenschaften auf einer lokalen Skala durch kleine Mengen von metallischen Adsorbaten und durch selektiven Ionenbeschuss induziert wird, wie vorstehend erwähnt.
Nunmehr wurde gemäß der Erfindung festgestellt, dass eine Modifikation magnetischer Eigenschaften auf einer lokalen Skala durch Bestrahlung gemäß der Erfindung ohne Zugabe oder Entfernung von Atomen, Ionen oder Molekülen möglich ist. In den folgenden Beispielen wurde der Elektronenstrahl eines herkömmlichen Rasterelektronenmikroskops (REM) als Mittel zum "Schreiben" modifizierter magnetischer Eigenschaften in einen ultradünnen Co-Film verwendet, wie nachstehend detaillierter erläutert wird. Auf diese Weise wird die Richtung der Magnetisierung dazu gezwungen, sich lokal zu ändern, und die Abmessungen magnetischer Domänen können um bis zu einer Größenordnung ausgedehnt werden. Mögliche Ursprünge einer induzierten Änderung magnetischer Eigenschaften, die durch Strahlung gemäß der Erfindung erzielt wird, werden in Verbindung mit den Beispielen erörtert, jedoch ohne sich an irgendeine Theorie binden zu wollen.

Beispiel 1

Durch Molekularstrahlepitaxie (molecular beam epitaxy) wurden Filme aus Co mit einer Rate von 0,5 ML/min bis 1 ML/min aufgewachsen, wobei eine ML eine Dicke von 0,205 nm aufweist. Das Aufwachsen wurde auf einem Pt-Einkristall als Substrat bewirkt, das auf Raumtemperatur gehalten wurde (20ºC bis 25ºC). Die Substratpräparation erfolgte wie in Grütter, P. und Dürig, U., Phys. Rev. B 49/ 2021 (1994) beschrieben. Das Pt- Substrat ist nominell entlang der (111)-Richtung orientiert.
Die präsentierten Daten beziehen sich alle auf eine Dicke des Co-Films von 3,8 ML. Bei einer derartigen Filmdicke kann die Richtung der Magnetisierung unter jedem beliebigen Winkel von parallel zu senkrecht relativ zu der Oberfläche verlaufen, in Abhängigkeit von der Rauhigkeit des Substrats, die als die Dichte monoatomarer Stufen ausgedrückt wird.
Alle lokalen Modifikationen, die zu Änderungen magnetischer Eigenschaften führen, wurden durch den Elektronenstrahl des REM erzeugt, ergänzt durch eine Spinpolarisationsanalyse der Sekundärelektronen (vgl. Allenspach, R., Physics World 7 Nr. 3 (1994) 44) mit einer Arbeits Spannung von 10 keV. Ein maximaler Strahlstrom bei der Probenposition von 10 nA wurde durch Entfernen der Aperturblende des Mikroskopobjektivs erreicht. Die Gesamtbestrahlungszeiten wurden von 10 s bis 1200 s variiert. Magnetische Bilder wurden mit einem Strahlstrom von < 0,3 nA aufgenommen, wenn nicht anders spezifiziert. Alle Experimente wurden bei einem Druck von 1 · 10&supmin;¹&sup0; mbar durchgeführt.
Die Fig. 1a, 1b stellen das Prinzip einer lokalen magnetischen Modifikation dar; ein Gebiet von 18 um mal 18 um wurde durch den Elektronenstrahl abgetastet. Eine Bestrahlung in diesem quadratischen Gebiet entspricht einer Dosis von 2,4 · 10¹&sup0; Elektronen pro um². Das magnetische Bild der Fig. 1a, 1b, das nachfolgend bei einer geringeren Vergrößerung erzielt wurde, zeigt sowohl das gemäß der Erfindung durch Elektronenstrahlung behandelte Gebiet als auch das umgebende Gebiet. Innerhalb des mittigen Quadrats von Fig. 1a und 1b hat die Richtung der Magnetisierung vollständig von in der Ebene zu aus der Ebene heraus umgeschaltet, wie durch den Schwarz/Weiß-Kontrast in Fig. 1b und den gleichmäßigen Graupegel in Fig. 1a gezeigt. Das Quadrat zerfällt in einen entmagnetisierten Zustand von Aufwärts/Abwärts-Domänen mit typischen Abmessungen von mehreren Mikrometern. Der Film, der nicht mit Elektronenbestrahlung behandelt wurde, besteht andererseits aus kleineren Domänen, die in der Ebene magnetisiert sind.
Somit stellen die Fig. 1a, 1b beispielhaft einen illustrativen Aspekt der Erfindung dar: magnetische Anisotropie kann durch Elektronenbestrahlung gesteigert werden, z. B. derart, dass die Magnetisierung ihre Richtung um große Winkel ändert, bis zu und einschließlich einer vollständigen Reorientierung von paralleler in senkrechte Magnetisierung relativ zu der Oberfläche. Des Weiteren können Domänenabmessungen durch Elektronenbestrahlung ohne Anwendung eines externen magnetischen Feldes vergrößert werden.

Beispiel 2

Dieses Beispiel illustriert, dass die Änderung der magnetischen Anisotropie, die durch Elektronenbestrahlung gemäß der Erfindung verursacht wird, aus der Änderung der Richtung der Magnetisierung durch ein herkömmliches mathematisches Modell bestimmt werden kann: Die freie Energie E des Systems ist definiert durch
E = (K&sub1; - 0,5·u&sub0;·Ms² + Ks/d)sin²Φ + K&sub2;sin&sup4;Φ ...
wobei K&sub1; und K&sub2; die Volumen-Anisotropiekonstanten erster und zweiter Ordnung von Co sind und Ks die Anisotropiekonstante der Oberfläche ist. Ms ist die Sättigungsmagnetisierung, und d ist die Filmdicke. Um den Winkel Φ zwischen Magnetisierung und Oberflächennormaler zu bestimmen, wurde ein Film mit einer anfänglich gekippten Magnetisierungsrichtung von 60º zur Normalen auf gewachsen. Bei einem Elektronenbeschuss mit einer Dosis von 1 · 10¹&sup0; Elektronen/um² wird eine vollständige Drehung zu einer senkrechten Richtung hin erzielt. Unter der Annahme konstanter Werte für die Parameter, die mit Volumeneigenschaften in Beziehung stehen, kann abgeleitet werden, dass die Oberflächenanisotropie um wenigstens etwa 30% von Ks 0,6 J/m² auf Ks 0,8 J/m² zugenommen hat.
Es kann erwartet werden, dass eine Zunahme der Anisotropie über das Minimum hinaus, das für eine Stabilisierung einer vollständig senkrechten Magnetisierung benötigt wird, nicht zu einer detektierbaren Änderung der magnetischen Bilder führen würde, da die Richtung der Magnetisierung bereits vollständig senkrecht ist. Überraschenderweise ist dies jedoch nicht der Fall, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist: Wie aus dieser Figur ersichtlich, wurden vier vertikale Liniensegmente, die jeweils eine Länge von etwa 3 um aufweisen und in einem rechtwinkligen Muster angeordnet sind, als Folge einer Elektronenbestrahlung in den Co-Film geschrieben.
Das Ergebnis einer lokalen (oder lokal definierten) Elektronenbestrahlung mit einer Dosis von 2,5 · 10¹¹ Elektronen/um² ist eine Zunahme der Domänenabmessung von etwa 0,3 um bis 0,5 um auf > 2 um. Sowohl theoretische als auch experimentelle Ergebnisse, die in der Literatur berichtet wurden, haben gezeigt, dass die Domänenabmessung von Filmen mit einer vollständig senkrechten Magnetisierung im thermischen Gleichgewicht von der Anisotropie abhängig ist. Somit kann gefolgert werden, dass die Zunahme der mittleren Domänenabmessung das Resultat einer weiteren Zunahme der senkrechten Anisotropie ist und dass die Pinningstärke der Domänenwände auf ein derartiges Maß reduziert ist, dass sich Domänenwände ausbreiten können und tatsächlich ein Gleichgewicht erreichen. Entsprechend zerfallen die modifizierten Gebiete in Domänen, die einen lokal entmagnetisierten Zustand aufrechterhalten.
Folglich stellt eine Bestrahlung mit Elektronen gemäß der Erfindung ein Mittel zum Modifizieren magnetischer Eigenschaften von magnetischen Medien, wie eines ultradünnen Co-Films, auf einer Skala von etwa 1 um bereit.
Wenngleich nicht gewünscht ist, an irgendeine spezifische Theorie zur Erklärung des Ursprungs der Anisotropiezunahme aufgrund der Elektronenbestrahlung gebunden zu sein, wird die folgende Überlegung vorgestellt: Gemäß dem Stand der Technik kann eine Zunahme der Oberrlächenanisotropie in dem beschriebenen Co/Pt-System einer reduzierten Grenzflächenrauhigkeit oder alternativ der Bildung einer Legierungsphase zugeschrieben werden. Auf dem Fachgebiet wurde beschrieben, dass eine Legierungsbildung an der Grenzfläche bei Temperaturen oberhalb von 350 K auftritt. Strukturell perfektere Filme zeigen ebenso größere Oberflächenanisotropien. Wir haben beobachtet, dass ein Beschuss mit Ne&spplus;-Ionen die Oberflächenanisotropie reduzieren kann und dass die Pt-Stufendichte direkt mit der Größe der Oberflächenanisotropie korreliert ist.
Speziell wurde experimentell beobachtet, dass die Ausbeute an Sekundärelektronen um etwa 2% in dem gesamten Gebiet reduziert wird, das magnetisch modifiziert wurde, d. h. der Film hat innerhalb des modifizierten Gebiets eine Änderung der Austrittsarbeit erfahren, d. h. der Energie, die für eine Verschiebung eines Elektrons von der Oberfläche ins Unendliche erforderlich ist.
Da stark energiegeladene Elektronen herkömmlicherweise zum Tempern von Materialien verwendet werden, haben wir den Temperatureinfluss der Elektronenbestrahlung getestet, die in den Beispielen verwendet wurde, um so die Möglichkeit von Tempereffekten als Grund für den Erfolg des erfinderischen Verfahrens auszuschließen, jedoch gefunden, dass ein diesbezüglicher Anstieg vernachlässigbar war (etwa 0,03 K). Dementsprechend kann Temperatur als Grund für die durch das erfindungsgemäße Verfahren bewirkte Anisotropieänderung ausgeschlossen werden.
Im Allgemeinen sollte die obere Grenze der Energie der gemäß der Erfindung verwendeten subatomaren Teilchen so gewählt werden, dass wesentliche thermische Effekte, wie Tempern, ausgeschlossen sind. Somit sollten insbesondere zwecks Optimierung Energiepegel zwischen einer unteren Grenze hinsichtlich Effektivität der magnetischen Modifikation, die zu erzielen ist, und einer oberen Grenze gesteuert werden, um unerwünschte thermische Effekte auszuschließen; eine derartige Wahl liegt jedoch ohne Weiteres innerhalb der Kompetenz jener, die auf dem einschlägigen Fachgebiet erfahren sind.
Es ist bekannt, dass ein Elektronenbeschuss die Austauschkopplung über Fe/Cr/Fe-Filme hinweg erhöht, und diese Resultate wurden hinsichtlich Glättung der Fe/Cr-Grenzflächen interpretiert. In diesem Zusammenhang wurde wiederum ein langreichweitiger Effekt des Elektronenstrahls, der sich bis zu Millimeter anstelle von Mikrometern erstreckt, als ein weiterer Hinweis darauf beobachtet, dass die Physik des Verfahrens gemäß der Erfindung aus Kenntnissen des Standes der Technik nicht vorhersagbar war.

Beispiel 3

Dieses Beispiel ist dazu gedacht, die Theorie zu unterstützen, dass die Keimbildung einer neuen strukturellen Phase der wahrscheinlichste Mechanismus ist, der Zugange ist, wenn ein Co/Pt-Film gemäß dem erfinderischen Verfahren behandelt wird.
Es wurde festgestellt, dass es leichter ist, ein Gebiet zu vergrößern, das zuvor magnetisch modifiziert wurde, als ein neues zu erzeugen. Dies ist aus den Fig. 3a bis 3c ersichtlich.
In der Serie von Mikrofotografien, die in den Fig. 3a bis 3c gezeigt sind, wurde der rechteckige Bereich auf der linken Seite durch einen intensiven Elektronenstrahl (10 nA) behandelt, bis die Magnetisierungsrichtung entlang der Oberflächennormalen zeigte. Dann wurde das gesamte Bild wiederholt mit einem reduzierten Strahlstrom von 1 nA abgerastert. Die Sequenz von Bildern zeigt, dass sich die senkrecht magnetisierte Phase ausschließlich aus dem bereits existierenden senkrechten Bereich entwickelt. Mit dem reduzierten Strahlstrom von 1 nA werden keine neuen Keimbildungsorte erzeugt.
Dies scheint die Annahme zu unterstützen, dass die Keimbildung einer neuen Phase, die durch Bestrahlung gemäß der Erfindung behandelt wird, mehr Energie erfordert als die Phasenausdehnung. Ob diese neue Phase eine Modifikation des Co-Films selbst oder seiner Grenzfläche ist, ist für die Ausführung des erfinderischen Verfahrens nicht von Bedeutung. Sowohl eine reduzierte Defektdichte innerhalb des Films als auch eine geglättete oder vermischte Grenzfläche sind mit der Beobachtung kompatibel, dass die Austrittsarbeit bei Ausführung des erfinderischen Verfahrens in einem gewissen Maß wenigstens in dem gesamten magnetisch modifizierten Gebiet geändert werden kann.
Im Allgemeinen ist das Ausmaß der magnetischen Modifikation, wie vorstehend definiert, das gemäß der Erfindung erreicht werden kann, groß genug, um eine Anwendung in verschiedenen modifizierten Formen zu erlauben, und speziell für den Aspekt, die Magnetisierung von einer Richtung parallel zu der Oberfläche zu einer vollständig senkrechten Orientierung oder umgekehrt zu bringen. In Filmen mit senkrechter Magnetisierung können magnetische Domänen durch das Verfahren gemäß der Erfindung ausgedehnt werden, sogar ohne Anlegen eines externen Magnetfeldes.
Wenngleich sich die vorstehende spezifische Offenbarung auf die Modifikation magnetischer Anisotropien gemäß der Erfindung in Co/Pt(111)-Filmen durch Elektronenbeschuss auf einer Mikrometerskala bezieht, ist dies nicht dazu gedacht, die Erfindung zu begrenzen. Tatsächlich wird ein Fachmann viele Wege für eine Anwendung der vorliegenden Erfindung auf eine kommerzielle Produktion verschiedener Typen von Bauelementen zum Aufzeichnen und Speichern magnetisch codierter Information erkennen, einschließlich der Fertigung von Festplatten und ähnlichen Bauelementen, jedoch nicht darauf beschränkt.
Demgemäß ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht so zu verstehen, dass er auf die vorstehende spezifische Offenbarung und Beispiele beschränkt ist, sondern aus den folgenden Ansprüchen abzuleiten ist.

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen oder Modifizieren eines Pattern von lokal spezifischen magnetischen Eigenschaften in einer ferromagnetischen Oberfläche, das den Schritt umfasst, die Oberfläche einem gesteuerten Einwirken von energetischen subatomaren Teilchen zu unterziehen, die auf die Oberfläche gerichtet werden, um ein vorherbestimmtes Pattern von diskreten magnetisierten Gebieten auf der Oberfläche zu erzeugen; worin die energetischen subatomaren Teilchen aus Elektronen, Photonen und Neutronen ausgewählt sind, die Elektronen eine Energie im Bereich von etwa 100 eV bis etwa 100 keV aufweisen, die Photonen eine Energie im Bereich von etwa 20 eV bis etwa 50 keV aufweisen und die Neutronen eine Energie im Bereich von etwa 10 meV bis etwa 1 MeV aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Oberfläche an einer Grenzfläche mit einem Material bereitgestellt wird, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Elementen und Verbindungen mit magnetischen Eigenschaften besteht, die sich von jenen des Materials unterscheiden, das die Oberfläche bildet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin die Oberfläche diejenige einer Schicht mit einer Dicke zwischen etwa 1 Monoschicht und etwa 100 Monoschichten ist, vorzugsweise zwischen etwa 1 Monoschicht und etwa 10 Monoschichten.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin das ferromagnetische Material aus normalerweise festen Metallen ausgewählt ist, vorzugsweise aus 3d- Übergangsmetallelementen, z. B. Fe, Co, Ni, Mn, Cr, Cu oder Elementen der Seltenen Erden, wie Gd, Tb, Y; Metalllegierungen; intermetallischen Verbindungen; und sauerstoffhaltigen Verbindungen derartiger Elemente.

5. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Oberfläche auf einem normalerweise festen Substrat bereitgestellt wird, das aus metallischen Substanzen, z. B. Edelmetallen wie Gold, Platin und Legierungen derselben, Chrom, Kupfer und Legierungen derselben; halbleitenden Materialien; isolierenden anorganischen Materialien und organischen Polymersubstanzen ausgewählt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Substrat eine Grenzfläche zu der Schicht bildet und wobei das Substrat wenigstens an der Grenzfläche aus einem Metall gebildet wird, das aus Edelmetallen, Kupfer und Legierungen derselben ausgewählt ist.

7. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, worin die Oberfläche an einer Grenzfläche einer Mehrschichtstruktur ausgebildet wird.

8. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, worin die Strahlung lokal durch Maskieren der Oberfläche mit einer Schicht angewendet wird, die für die Strahlung undurchlässig ist.

9. Magnetische Aufzeichnungsvorrichtung, z. B. Festplatte oder magnetische Lesevorrichtung, mit wenigstens einer magnetischen Oberfläche oder Grenzfläche, die durch das Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8 behandelt wird.

10. Magnetische Aufzeichnungsvorrichtung, z. B. Festplatte oder magnetische Lesevorrichtung, mit wenigstens einer magnetischen Oberfläche, die mit einem Pattern von lokal spezifischen Modifikationen in einer diskreten ferromagnetischen Oberfläche bereitgestellt ist, das Pattern beinhaltet eine Mehrzahl von magnetischen Domänen, die erzielbar sind, indem die Oberfläche mit energetischen subatomaren Teilchen beaufschlagt wird, die aus Elektronen mit etwa 100 eV bis etwa 100 keV, Photonen mit etwa 20 eV bis etwa 50 keV und Neutronen mit etwa 10 meV bis etwa 1 MeV ausgewählt sind, das Pattern umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von diskreten magnetisierten Gebieten, von denen jedes eine größte Abmessung in der Größenordnung von 0,1 um bis 5 um aufweist.