（微电子学与固体电子学专业论文）tbfeco磁光薄膜的制备和性能研究.pdf

摘要 本文采用磁控溅射方法制备了t b f e c o s i 和h g t b f e c o s i 系列薄膜并对溅 射工艺进行了详细研究，分析了t b f e c o 薄膜的生长机理，还对其光学性质、磁性 质和磁光性质进行了研究。同时还用反应溅射方法制备了用作保护膜的a 1 n 、s i n 薄膜，并对其光学性质进行了研究。 首先采用x 射线能量色散谱仪( e d s ) 和扫描电子显微镜( s e m ) 分析了 溅射气压对t b f e c o 薄膜结构和成分的影响，结果表明，溅射时a r 气压强对 t b f e c o 薄膜的成分有明显的影响，当溅射气压为2 0p a 时，薄膜的成分与靶材 成分最为接近。用x 射线衍射仪( ) 和原子力显微镜( a f m ) 分别对t b f e c o s i 和a g t b f e c o s i 薄膜的结构和表面形貌进行了分析和表征。x r d 和s e m 测试的 结果证实磁控溅射制备的t b f e c o s i 和a g t b f e c o s i 均是非晶薄膜。 其次采用全自动椭圆偏振光谱仪测量了t b f e c o s i 和h g t b f e c o s i 薄膜在 光子能量为1 5 4 5e v 范围内的椭偏光谱。分析了制备工艺( 溅射气压、溅射 功率和a r 气流量) 和a g 膜厚度对t b f e c o s i 和a g t b f e c o s i 薄膜光学性质的 影响，结果表明，制备过程的工艺参数如工作气压、溅射功率和a r 气流量对薄 膜的光学性质有明显的影响：介电函数实部l 随溅射气压的增加而增加，随溅 射功率的增加先减小再增加，而随a r 气流量变化的关系则较为复杂。介电函数 虚部2 随溅射气压的增大而减小，随溅射功率的增加先增大再减小，而与a r 气 流量的关系则较为复杂。本文中还对a g s i 、a g t b f e c o s i 、t b f e c o s i 薄膜样 品的光谱进行了比较分析，用d r u d e 模型和量子跃迁理论对实验结果进行了分 析。分析发现，实验结果和d r u d e 模型是吻合的。此外，对a 1 n 和s i n 薄膜的光 学性质测量的结果表明衬底温度对a 1 n 的生成足较重要的，而反应溅射中活性气 体与工作气体的比例对产物生成的影响相对较小。 最后对制备的a g t b f e c o si 、t b f e c o si 和a g t b f e c o k 9 、t b f e c o k 9 系列 磁光薄膜的磁光性质和磁性质分别进行了测量和分析。结果表明，a g 保护膜厚 度对t b f e c o 磁光薄膜的磁光性质和磁性质都会产生影响显著的影响。当a g 膜较 薄时( 膜厚小于5 1r i m ) ，在短波范围观察到显著的k e r r 增强效应；而当a g 膜 较厚时( 膜厚大于1 0 2n m ) ，就观察不到这种短波k e r r 增强效应了。测量结果 还显示本研究中制各的t b f e c o 薄膜其面内磁化曲线或k e r r 回线具有良好的矩形 比，而垂直于薄膜表面的磁化曲线则退化为一条直线，表明本研究中制备的 t b f e c o 薄膜是面内磁化，而非垂直磁化。 关键词：磁控溅射；t b f e c o 薄膜；椭偏光谱；磁光k e r r 效应 2 a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et e c h n o l o g yo ff a b r i c a t i o no ft b f e c o s i ，a g t b f e c o s if i l m sb y m a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e mw e r et h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d t h eg r o w t hm e c h a n i s m , t h eo p t i c a lp r o p e r t i e s ，t h em a g n e t i cp r o p e r t i e s ，a n dt h em a g n e t o - o p t i c a lp r o p e r t i e so f t h f ow e r ea n a l y z e d i na d d i t i o n ，t h ea i n 、s i nf i l m sw e r ef a b r i c a t e db yr e a c t i v e s p u t t e r i n gd e p o s i t i o na n d t h e i ro p t i c a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d f i r s t ，t h ei n f l u e n c e so fs p u t t e r i n go nm i c r o s t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so ft b f e c o f i l mw e r ea n a l y z e du s i n gx r a ye n e r g yd i s p e r s i v es p e c t r u m ( e d s ) a n ds c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a t s u p t e r r i n gp r e s s u r e sh a d s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nc o m p o n e n t so ft h f e c of i l mp r e p a r e db ys p u t t e r i n g d e p o s i t i o na n dt h ec o m p o s i t i o no ft h ef i l mw a sm o s tc l o s e dt ot h a to ft a r g e tw h e n s p u t t e r i n gp r e s s u r ew a s2 0p a t h es t r u c t u r ea n dm o r p h o l o g yo ft h et b f e c o s ia n d a g t b f e c o s if i l m sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) a n da t o m i cf o r c e m i c r o s c o p y ( a f m ) r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fx r da n ds e mc o n f i r m e dt h a t t b f e c o s ia n da g t b f e c o s if i l m sw e r ea m o r p h o u sf i l m s s e c o n d ，t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h et b f e c o s ia n da g t b f e c o s if i l m sw e r e i n v e s t i g a t e d i nt h ep h o t o n e n e r g yr a n g eo f1 5 - 4 5 e vu s i n gs p e c t r o s c o p i c e l l i p s o m e t r y , a n dt h ei m p a c t so fs p u t t e r i n gp a r a m e t e r s ( s p u t t e r i n gp r e s s u r e ，s p u t t e r i n g p o w e ra n da rf l u x ) a n dt h et h i c k n e s so ft h ea gf i l m so nt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so ft h e f i l m sw e r ea n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e a lp a r to ft h ed i e l e c t r i cf u n c t i o n l i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l yw i t ht h ei n c r e s i n go fs p u t t e r i n gp r e s s u r e s ，b u ti tw a sd e c r e a s e d f i r s t l yt h e ni n c r e s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fs p u t t e r i n gp o w e r a n dt h er e l a t i o nb e t w e e n la n da rf l u xw a sc o m p l e x h o w e v e r , t h ei m a g i n a r yp a r to ft h ed i e l e c t r i cf u n c t i o ne 2 d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fs p u t t e r i n gp r e s s u r ea n di ti n c r e s e df i r s t l yt h e n d e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n go fs p u t t e r i n gp o w e r s i m i l a r l yw i t h8 1 ，t h er e l a t i o n s b e t w e e n8 2a n da rf l u xw a sc o m p l e x t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fa g s i ，a g t b f e c o s i ， t b f e c o s if i l m sw e r ea n a l y z e d ，a n dt h ed r u d em o d e lw e r eu s e dt oa n a l z et h er e s u l t s ， 3 a b s t r a c t b o t ho fw h i c hw e t ec o n s i s t e n tw i t he a c ho t h e r t h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fa i na n d s i n w e r ea l s oi n v e s t i g a t e d ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r eo fa 1 ni s v e r yi m p o r t a n tt ot h ef i l mq u a l i t y , w h i l et h eg a sp r o p o r t i o n so fa ra n dr e a c t i v eg a s n i t r o g e ni ns p u t t e r i n gp r o c e s sh a v el i t t l ei m p a c to ni t f i n a l l y , t h em a g n e t i cp r o p e r t i e s a n dt h e m a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t i e s o ft h e a g t b f e c o s i ，t b f e c o s ia n da g t b f e c o k 9 ，t b f e c o k 9f i l m sw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a ta gf i l m sh a v es i g n i c i a n ti m p a c to nt h em e g t r o n i cp r o p e r t y , a n d t h em a g n e t o p t i c a lp r o p e r t yo ft b f e c o w h e nt h et h i c k n e s so ft h ea gf i l mw a s c o m p a r a t i v e l yt h i n ，t h er e m a r k a b l ee n h a n c e m e n to fk e r re f f e c tw a so b s e r v e da ts h o r t w a v e l e n g t h a f t e rt h et h i c k n e s so fa gf i l me x c e e d e d5 0d i n ，t h ee n h a n c e m e n to f k e r r e f f e c tc o u l dn o tb eo b s e r v e d i na d d i t i o nt ot h i s ，t h er e s u l t so fm a g n e t i ca n d m a g n e t o o p t i cm e a s u r e m e n t ss h o w e dt h a tt h er e t a n g u l a r i t yr a t i oo fm a g n e t i ca n dk e r r h y s t e r e s i s e sl o o pf o rt h et b f e c of i l m si nt h i sw o r kw a sc l o s et o1w h e nm a g n e t i c f i e l dw a si nt h ef a c e ，w h i l ei tw a sd e g e n e r a t e dt oal i n ew h e nt h em a g n e t i cf i e l dw a s o u to ft h ef a c e i ti n d i c a t e dt h a tt h em a g n e t i z a t i o no ft h et b f e c of i l m sw a si nt h ef a c e b u tp e r p e n d i c u l a rm a g n e t i z a t i o ni nt h i sw o r k k e yw o r d s ：m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；t b f e c of i l m s ；s p e c t r o s c o p i ce l l i p s o m e t r y ；k e r r e f f e c t 4 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：2 q q 复生角 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝储虢礁翮躲弛籼q q 星堑旦 第一章绪论 1 1 磁光存储的研究现状 第一章绪论 信息社会的发展需要超大容量的信息载体，近年来，无论是光存储还是磁 存储都在向着高密度化的方向发展。在光存储方面，短波长激光器、高数值孔 径透镜的应用及固体浸没透镜、近场光学、全息存储等技术的发展，使得记录密 度大大提高。而磁存储密度近年来以每年6 0 的速度快速增长，估计在不久的 将来会达到由超顺磁性决定的理论极限( 1 0 0g b i t i n c h 2 ) 。磁光存储作为一种与 全光存储、磁存储并存的存储方式，具有信噪比高、可擦重写、可更换等一系列 的优点，因此日益成为一种重要的记录媒体 4 1 。 磁光记录因其高存储密度及大容量而一直成为人们重视的新型存储技术之 一。磁光存储的思想最早由w i l l i a m s 于1 9 5 7 年提出【5 7 1 ，他对垂直磁化的m n b i 薄膜用热磁写入的方法实现了磁化反转，利用f a r a d a y 效应观察其写入的磁区， 首次实现了磁光记录和擦除的功能】初期以m n b i 为代表的多晶材料研究的最 多，其优点为磁光效应大，读出信号强。但由于该薄膜是多晶体结构，晶界的存 在使其噪音大，信噪比( s n ) 低，且m n b i 合金存在高温相变，不利于重复使用。 新的稀土一过渡族非晶合金薄膜材料，由于其不存在晶粒边界，故无晶界造成的 噪音，且其具有良好的垂直各向异性及适当的居里温度t c 等性能而成为目前首 选商用磁光盘记录介质。直到1 9 8 0 年，日本国际电报电话公司( k d d ) 的今村武 修等首次在论文中发表了磁光存储驱动器实验装置【1 6 1 ，才表明了磁光存储实用 化的可能。1 9 8 8 年磁光盘正式投入市场。从第一张磁光盘问世，2 0 年来磁光盘 产品己经从第一代发展到第五代，光盘的单面记录容量增加了2 0 倍，这些产品 的介质结构和工作原理基本上是相同的。提高记录密度的主要措施是通过减小激 光波长入，增大物镜的数值孔径n a 来不断减小读写激光束的直径，然而，发展 到第三代磁光盘后，再进一步减小入，增大n a ，在技术上碰到了困难，从而使 磁光盘记录密度的进一步提高受限于入和n a 所确定的衍射极限。第四代、第五 代磁光盘由于采用了磁超分辨技术( m s r ) ，l d 波长6 5 0n l n ，3 5 英寸m o 盘片 5 第一章绪论 容量从6 4 0m b 提高到1 3g b ( 第四代) ，2 5g b ( 第五代) 。 磁光盘发展的主要方向是提高存储密度，以求降低记录位的成本。围绕磁 光存储的高密度化，前人已经做了大量的工作，磁致超分辨技术( m s r ) 、磁畴 放大读出技术( m a m m o s ) 、畴壁移动检测技术( d w d d ) 和激光脉冲磁场调制 技术( l p 2 m f m ) 等技术的提出大大提高了读出分辨率和写入密度。而近几年来， 短波长激光器( 4 10n n l 左右) 在光盘存储中的应用、近场光学、超分辨技术的发 展以及混合记录技术的提出，又为提高磁光存储密度的研究指明了新的方向，使 实现1 0 0g b i t i n c h 2 以上的超高存储密度成为可能。在激光波长为7 8 0n n l 时， 上述技术的应用可使记录密度提高4 6 倍，如果进一步结合短波长技术，采用4 1 0 n m 左右的激光器件，可使记录密度提高近2 0 倍【4 】。 1 2 磁光存储的基本原理 磁光记录和擦除是利用磁性材料的热磁效应来改变盘片微区的磁化矢量取 向来进行信息的擦写，即利用激光加热盘片微区使之矫顽力降低，同时改变外磁 场的方向，使介质微区的磁化矢量改变方向，实现对信息的写入。如图1 1 所示， 在信息写入之前，磁光存储薄膜的磁化矢量在一初始化磁场作用下一致取向( 此 处向上) 。当一束激光经光学物镜聚焦后瞬时作用于薄膜的某一点时，此点的温 度急剧上升，超过薄膜的补偿温度( t c o m p ) 或居里温度( t c ) 时，其自发磁化强度消 失( m = o ) ；当激光束离开后，此点的温度下降，在低于t c o m p 或t c 时，磁矩逐 渐长大，其磁化方向将和外加偏磁场( h a ) 的方向一致( 向下) 。因为偏场小于薄膜 室温时的矫顽力( h c ) ，所以偏场不会改变光斑以外未经记录区域的磁化矢量取 向。假设方向向上的磁化矢量为计算机二进制的“0 ”，则经激光瞬时照射后偏场 作用下向下排列的磁化矢量就是“1 ”，这样就可以实现信息的记录。改变写入偏 场的方向，在同一激光作用下就可实现对记录信息的擦除。将温度加热到t c o m p ， 或t c 分别对应补偿点记录和居里点记录两种不同的记录方式。 6 第一章绪论 口溉 钍 记蕊状i 毒i 椽豫执毒 图1 1 磁光存储信息记录和擦除的原理 磁光薄膜的磁矩 图1 2 磁光存储信息读出原理 磁光存储信息的读出是利用克尔效应或法拉第效应来实现的。当一束线偏 振光入射在磁化强度垂直于磁性薄膜的表面后反射，反射光变成椭圆偏振光，由 于左右圆偏振光的折射率不同，偏振面旋转一个角度0k ，( 图1 2 ) ，它正比于磁化 强度m ，这种效应称为克尔效应。法拉第效应是指一束线偏振光沿着物质的磁 化方向透过时，偏振面旋转角度0f ，它与物质的厚度和沿光束前进方向上的磁 化强度的大小成正比。 1 3 磁光存储介质的研究现状及趋势 1 3 1 理想的磁光记录材料应具备的基本性能 从上面的讨论可以得到，理想的磁光记录材料，均遵循以下基本原则： ( 1 ) 磁光存储薄膜的磁化矢量垂直于膜面，因而其单轴各向异性常数k u 必须大 7 第一章绪论 于薄膜自身的退磁场( 2 m 2 s ) ，这是最基本的要求。为满足这一点，材料的饱 和磁化强度m 。应该小，故亚铁磁性材料具有明显的优点。 ( 2 )为确保良好的记录开关特性，薄膜的磁滞回线必须为矩形，即矩磁比为1 。 ( 3 ) 居里温度应在4 0 0 k - 5 0 0 k 之间。 ( 4 )材料的矫顽力h c 要足够大，因为稳定的记录位尺寸d 可以粗略地用 d o c1 h c 来表示。亚铁磁性材料的补偿温度t c o m p 在室温附近时，其h c 很高，在约 1 5 0 时h c 降低至h 。之下。 ( 5 ) 记录材料要有适当高的热传导率，当记录介质受激光作用时，能快速升温 和冷却。 ( 6 )磁光盘的信噪比直接与极向克尔旋转0k 和低的动态噪声相关。这就要求 材料有大的0k ，反射率r 高，成膜后膜面光滑平整，晶粒大小为纳米数量级，非 晶薄膜最佳。 ( 7 )热稳定性好。在记录擦除激光光束反复作用下，材料的结构不发生变化， 要求可擦写次数在1 0 0 万次以上。 ( 8 )抗氧化性，抗腐蚀性能强，记录的信息要能长时间保存。 ( 9 )能使用廉价的塑料衬底。要求制备盘片的衬底温度或成膜后的热处理温度 不应高于塑料衬底的软化温度。 大面积成膜容易。为了能大批量生产，要连续通过定型溅射设备成膜，因 此采用合金靶或烧结靶是重要的。 下面对磁光存储介质的研究作一简单回顾。 3 2 第一代磁光薄膜非晶态r e - t m 合金薄膜 19 7 3 年c h a u d h a r i 5 5 l 】首次采用g d c o 薄膜进行磁光记录，开始了采用非晶 材料作为磁光记录介质的尝试。经过3 0 年的研究和开发r e t m 薄膜已成为目 前最成功的磁光记录材料，其中最典型的是t b f e c o 薄膜，目前市场上磁光盘的 介质主要为非晶态t b f e c o 或g d t b f e c o 膜，以溅射的方法制备在聚碳酸脂盘 基上，采用一些相关技术后，目前已有容量达1 0g b 的产品。 r e t m 薄膜的优点是：( 1 ) 具有很强的垂直磁各向异性，易于实现小的 记录畴尺寸，存储密度高；( 2 ) 居里温度可调整到1 0 0 便于信息写入；( 3 ) 8 第一章绪论 磁畴结构稳定；( 4 ) 薄膜为非晶态，没有晶粒，因此反射均匀，信噪比高。 但这类材料也存在严重的缺陷：首先，由于材料中含有化学性能不稳定的 稀土元素，其抗腐蚀性虽能满足实际应用的要求，但在热磁写入过程中容易被氧 化；其次，它短波长k e r r 转角不够理想，从6 3 0 姗处的0 3 5 0 下降到4 0 0n l n 处的o 1 5 0 ，导致信噪比降低，限制了薄膜在短波长波段的应用，从而难于进一 步提高信息存储密度。为解决这一问题，有人曾试图在t b f c c o 膜中掺杂n d 元 素，制成t b n d f e c o 合金膜，掺杂后，短波段克尔转角有明显增强，但垂直磁化 特性也有明显的退化，影响了实用性【8 1 。 目前对r e - t m 介质的研究主要有制备多层膜，研究对短波长响应的m d 材料和高密度低噪声介质材料等。另外目前普遍认为采用轻稀土原子是提高短波 长下磁光效应的方法之一，在超短波长下，轻稀土原子可使记录介质的k e r r 角 增大到0 6 5 0 。 1 3 3 第二代磁光薄膜一p t ( p d ) c o 多层膜 自从c a r c i a 4 3 】发现当c o 层厚度小于o 8n l n 时p d c o 多层膜具有很强的垂 直磁各向异性以来，p d c o 多层膜的研究工作进展很快，实验表明当c o 层为 l 2 原子层，p t 层厚度为1 - 2 n m 时，p t c o 多层膜具有显著的垂直各向异性 和良好的矩形回线( 这可能与p tc o 界面处所产生的很强的界面各向异性和应力 感生各向异性有关) ；其次，p d c o 多层膜在短波段的k e r r 角明显大于非晶材料， 蓝光波长下的克尔转角达o 4 0 ，是第一代r e t m 材料转角的2 倍。( 一般认为 其短波段克尔角的增强效应与p t 的5 d 电子能带的劈裂有关) ；另外p d c o 多层 膜虽是多晶材料，但晶粒很细，尺寸小于0 0 1 9 m ，使薄膜信噪比很高；加上其 反射率高于非晶材料且具有优良的抗腐蚀性，因此磁光性能总体优于非晶材料。 基于这些优点，已有人着手采用p t c o 多层膜制作磁光盘，它是目前已知 较为合适的短波长磁光材料。然而该材料离实际应用还有一定距离：( 1 ) p t c o 多层膜的磁光性能随c o 层厚度的变化非常灵敏，c o 层厚度即使变化1n l n ，薄 膜性能都会有很大变化；( 2 ) 多层膜的垂直各向异性来源于p t 与c o 的界面， 但在写入信息时，受激光束照射，薄膜温度升高，p t 层c o 层间原子扩散加剧， 导致界面特性的改变，从而影响多层膜的垂直磁化特性。( 3 ) 成本较高。 9 第一章绪论 目前已有人尝试采用第三元素在p t ( p d ) 层或c o 层中掺杂和在p t c o 中引入 其他界面来提高其性能，获得了一些崭新的物理现象和机制【1 1 , 5 6 。最新研究表明： p t c o n i 多层膜体系性能优于纯p t c o 多层膜，而p t n i c o 多层膜体系在短波段的 克尔效应，在n i 掺杂量较小时有较大增耐5 9 1 。 1 3 4m n b i 合金膜 多晶态的m n b i 合金薄膜是历史上最早研究的磁光记录介质。近年来再次 受到关注。这种材料有较大的k e r r 效应( 在6 3 3n m 处有l o 的克尔转角) ，同时 具有单轴垂直各向异性和矩形磁滞回线。但是m n b i 薄膜的晶粒尺寸较大，导致 信躁比过低；另外在写入信息时，薄膜表面受激光束照射温度升高，在居里点 ( 3 6 0 ) 附近，薄膜发生相变，克尔转角将大幅下降，同时其磁化强度、居里 温度、点阵参数也都将有较大起伏。 在m n b i 膜中掺适量灿元素，虽然材料磁化强度和垂直各向异性常数略有 下降，但可大幅减小晶粒尺寸，从而提高信躁比。中国科学院王荫君研究员及其 带领的研究小组独立开发的m n b i a l 薄膜已实现1 2l i m 点阵畴的均匀写入，0 0 1 m m 2 的薄膜上记录了2 2 1 6 个信息位。重复擦写次数超过百万次，在蓝光波长 下有2 2 0 的克尔转角，有望在不久的将来推出以这些材料为记录介质的第二代磁 光盘系统【1 2 】。 1 3 5 其它磁光存储材料 目前对磁光存储介质的要求是更高密度，更大容量。对于记录介质，采用 非晶态薄膜可以降低磁化分布的不均匀性，有利于减小噪声，提高信噪比。非晶 态是一种短程有序而长程无序的物质状态，在l 2 个原子间距内，原子排列有序， 交换作用使物质具有磁性；超过这一间距后，原子随机分布，容易获得很均匀的 磁化状态分布，并且没有晶界存在，单位信息位内也就没有磁化强度的变化。从 记录介质颗粒尺寸不断减小的趋势来看，非晶结构薄膜可能成为超高密度记录材 料的主流【矧】。 、 另外，具有大磁晶各向异性的铁氧体材料也有利于提高记录密度。并且钡 铁氧体的片状结构非常适于垂直磁记录，因此，这种材料也是超高密度记录介质 l o 第一章绪论 的有力竞争者【。 同时，由磁性金属和非磁性贵金属组成的颗粒膜材料，由于具有许多独特 的性质和潜在的应用价值而引起人们的广泛兴趣。实验发现由c o a g 2 ， c o c u 3 i c o a g 和f e - a g 2 0 3 1 4 9 2 q 等元素组成的磁性颗粒膜结构，不仅显示出较大 的巨磁电阻效应，而且具有较强的磁光克尔效应。磁光颗粒膜材料的最大磁光克 尔转角一般是在退火热处理后获得的。 1 3 6 磁光记录介质的主要参数 在磁光盘的国际标准中规定：磁光特性的主要参数是磁光克尔角。k 和反射 率r ，并对这两个参数决定的品质因子f = r s i n o k 规定了明确的范围 ( 0 0 0 2 i f 0 0 0 5 ) 。决定磁光记录特性的主要参数有： ( 1 ) 磁光克尔角o k ：一束线偏振光入射在磁化强度m 垂直于磁性薄膜的表 面后反射，反射光变为椭圆偏振光，由于左旋、右旋圆偏振光的折射率不同，偏 振面旋转一角度o k ，它正比于磁化强度m ，这种效应称为极向克尔磁光效应。o k 称为磁光克尔角。 ( 2 ) 磁光盘反射率r ：单位时间内从界面单位面积上反射光所带走的能量与 入射光入射的能量之比，称为反射率。能量之比等于光强之比，故反射率即为反 射光强与入射光强之比，也等于反射光与入射光的振幅平方之比。反射光波振幅 与入射光波振幅之比，称为反射比或反射系数。此处界面即是磁光盘面或磁光记 录薄膜表面。 ( 3 ) 矫顽力h 。：是指在一个铁磁体在某一方向被磁化到饱和后，要使它的磁 通密度降为零所必须施加的反向磁场强度。 1 4 提高磁光盘存储密度的技术 磁光盘可通过缩短记录激光波长、短波长磁超分辨读出技术( m s r ) 、畴壁移 动检测技术( d w d d ) 、磁畴放大读出技术( m a m m o s ) 和三维磁光记录技术等手 段使记录密度大幄度提高。而利用磁光超分辨近场结构磁光存储有望实现超高密 度存储。 第一章绪论 1 4 1 短波长磁光记录和读出技术 在衍射极限下，光束的聚焦直径d 与光波长入成正比，与镜头的数值孔径 n a 成反比( d = o 5 入n a ) ，而存储密度正比于( n a 入) 2 。因此，降低激光波长 或增大透镜的数值孔径将有助于记录密度。的进一步提高。如果能让现行磁光驱 动器的激光波长减小一半，那么记录密度将提高4 倍或更岁6 1 3 4 , 5 2 j 。 1 9 9 3 年以来，短波长半导体激光器的研制取得了迅速的发展，从波长0 8p m 左右g a a l a s g a a s 双异质半导体激光器，发展到波长0 6 5l a m 左右g a a i i n p 半 导体激光器。下一代磁光盘将采用g a n 半导体激光器，g a n 是目前能获得的最 短波长的半导体激光器，1 9 9 9 年g a n 激光器的已实现商品化，随着其价格降低， 使用寿命的增大，估计会很快应用于光存储。k k a w a s e 等人对传统磁光盘进行 热学结构的优化设计，采用4 0 7a m 波长的k r 激光器，n a 为0 6 的装置，测得 最大面密度可达1 0g b i n c h 2 【3 4 1 。这类经过热学结构优化设计的磁光盘，膜层结 构复杂，不易实用化。短波长记录和读出技术的发展方向是采用短波长磁光记录 材料，以简化膜层结构。 1 4 2 磁致超分辨( m s r ) 读出技术 减小记录畴尺寸和道间距大小是提高磁光盘存储密度的基本途径。由于记 录畴尺寸与介质受激光辐照区的温度分布有关，因而在现有的激光技术条件下， 通过适当的方法是能够实现尺寸较小的磁光记录畴，不过我们却无法用现行的磁 光驱动器来读出这些信息。这是因为在读出信号时，凡是在读光斑照射范围内的 记录畴均能被探测到。因此，在记录畴尺寸减小、其相邻间距缩短的情况下，要 么在磁光驱动器中使用短波长的激光器或增大聚焦透镜的数值孔径以减小读出 光斑尺寸到与记录畴尺寸相当的范围，要么通过掩膜的技术形成与记录畴尺寸相 当的光阑，否则很难实现小尺寸记录畴的读出，也就不能真正实现更高密度的记 录。 磁致超分辨( m a g n e t i c a l l yi n d u c e ds u p e rr e s o l u t i o n ，m s r ) 是在不改变现有磁 光驱动器读出激光波长条件下通过在记录层上覆盖一层磁性掩膜层来实现小尺 寸记录磁畴的读出，可将记录密度提高2 倍 6 0 , 4 0 , 5 8 , 1 5 】。m s r 的基本原理是：介质 由多层磁光薄膜构成，记录层信息不受读出激光的影响，而读出层的性能受读出 1 2 第一章绪论 激光控制。在光盘转动时，读出光斑在读出层上产生的温度分布是不均匀的，光 斑后方的瞬间温度相对前方要高，光斑区域温度的不均匀分布使读出层的磁性呈 不均匀分布，能够复制记录层信息的一部分形成“小孔 ，不能复制的部分屏蔽 记录层信息，以此来实现突破光斑衍射极限尺寸的记录点的读出。根据开孔在光 斑中的相对位置( 后部，前部，中部，磁光盘运动方向为前) ，磁致超分辩技术可 分为孔径探测( f r o ma p e r t u r ed e t e 嘶o n ，f a d ) ，后孔径探测( r e a ra p e r t u r e d e t e c t i o n ，r a d ) 和中心孔径探n ( c e n t e r a p e r t u r ed e t e c t i o l l ，c a d ) = 类。 1 4 3 畴壁移动检检测技术( d w d d ) s t s u t o m u 等人m 勰1 5 4 5 她弧铂4 1 ，叭4 刀提出了利用温度梯度引起畴壁移动读出信 号的一种新方法，即畴壁移动检测技术( d o m a i nw a l ld i s p l a c e m e n td e t e c t i o n ， d w d d ) t 删。其读出原理见图l - 3 。记录介质由小矫顽力的移动层、居里温度相对 低的开关层和大矫顽力的记录层三层磁性交换祸合层组成。室温时，由于温度低 于开关层的居里温度，存在三层之间的交换藕合作用，记录层对畴壁较大的磨擦 力，移动层的畴壁不能移动。当某一处温度高于开关层居里温度时，移动层和记 录层的交换祸合失去作用，则移动层与记录层磨擦力消失，温度分布不均会产生 一个作用于畴壁的力，当此作用力超过移动层的矫顽力时，移动层的磁畴壁就会 向高温侧移动，磁畴放大，从而提高读出分辨率。读出分辨率只与温度和畴壁移 动的距离有关，而与一记录磁畴大小和光学衍射极限无关，光盘的记录密度取决 于磁畴移动的记录技术。 一 克盘移动方匈 图1 3 d w d d 读出原理图 1 3 筋 移动层 开荚屠 记最詹 第一章绪论 1 4 4 磁畴放大读出技术( m a 删o s ) 19 9 6 年，h a w a n 等人提出磁畴放大读出技术( m a g n e t i ca m p l i f y i n gm a g n e t o o p t i c a ls y s t e m ，m a m m o s ) t 2 4 2 5 2 3 4 8 3 6 ，1 引。其原理如图1 4 所示，存储介质由两层 膜构成，一层为信息记录层，另一层是磁畴扩大层。当聚焦光束照射时，中心温 度高于某一温度后，记录层的记录磁畴位向读出层复制( 这时外加磁场为零) 。当 读出磁畴位受到一外加磁场( 约8 k a m ) 的作用时，其磁畴会扩大，读出信号的幅 度成数倍地增大。当外加磁场反向时，被扩大的磁畴记录位将收缩至破灭。记录 层的矫顽力远大于外加磁场，被记录的信息不会受到干扰。 读出璧 记录层 图1 4m a m m o s 读出原理 2 0 0 0 年a w a n o 等人报道了用波长6 4 0n l n 激光器，数值孔径为0 5 5 的装置 对m a m m o s 读写性能研究的结果【2 3 1 。磁光盘道间距0 4 0g m ，记录点长度o 1 2 l x m 测得c n r 值为5 0d b 。误码率( b e r ) 小于1 1 0 4 的最小记录畴长度为0 0 4 5 l x m ，最小的记录点间距为o 0 1g m 。用d v d 光学头读出，可使记录密度从现行 的5g b i n 2 提高到2 3g b i n 2 ，1 2 0i t l l n 的记录容量达到3 0g b o 如果用4 0 5n l l 蓝 光激光，面密度可达5 9g b i n 2 ，1 2 0a l i a 的记录容量达到7 7g b 。磁畴放大读 出技术( m a m m o s ) 4 8 ，3 6 ，1 8 ，3 5 ，1 9 2 7 , 2 2 a 7 7 1 是继m s r 有可能实用化的技术，有望在今 后几年推出商品。 1 4 5 三维磁光记录技术 在现有激光技术条件下，增加信息存储层的数目，使信息存储由二维向三 维发展是提高光盘存储容量的又一重要途径。这一方法在提高只读式光盘的存储 1 4 第一章绪论 容量方面己被视为一种标准方案，不过要在常规的磁光记录中实现这一方案存在 一定困难，这是因为信息层的热磁写入需要有较高的激光功率，而激光束在经过 数个介质层后功率将会有较大幅度的下降。1 9 9 5 年，k s t i i m a z a k i 等人h 鲥提出 了一个在双层磁光介质上实现信息存储和读出的多值磁光记录方法。在他们所制 备的磁光盘中，两个信息层都被设计处于激光束的聚焦景深范围内，记录信息层 的选择通过调节外加偏磁场的方向和大小来进行。实验结果表明读出信号幅度随 着信号级数的增加有较大下降。为了克服信号衰减这一弱点，k n a k a g a w a 等人 提出了分别用不同波长激光读取不同记录层信息的方法。理论计算表明，采用这 一方法获得的信噪比最大值可在原有基础上提高1 2 5d b 。多值磁光存储实用化 的关键是减小多值记录所需的临界磁场强度。 1 5 稀土一过渡族金属t b f e c o 磁光记录薄膜研究的进展和和需要解决的问题 稀土过渡金属复合薄膜具有较高的垂直磁各向异性、矫顽力和非晶结构、 磁性能易调节等优点，被广泛应用于磁光记录领域【2 9 1 。t b f e c o 作为一种典型的 稀土过渡金属复合薄膜，已成为第一代商用的磁光记录介质。 随着磁光存储容量的增大，用短波长激光作为记录和读出光源已成为下一 代磁光盘发展的必然趋势。p t c o 、石榴石氧化物等材料在短波长的实用化还有 很多问题需要解决。而稀土过渡金属合金是实用化的磁光存储介质，非晶态薄膜 可以产生一个低噪声的界面，可在很大范围内通过成分调节对其磁和磁光性能任 意剪裁，因此在磁光存储特别是多层耦合膜磁光存储中有不可替代的作用【5 1 1 。 目前作为光磁盘主流材料的非晶态t b f e c o 合金膜工作波长为7 8 0n l t l ，其 克尔转角和反射率随波长的减小而降低。在前期工作中我们在测量t b f e c o 合金 膜的磁光性质时发现，在t b f e c o 表面镀一层金属a g 后可观察到明显的短波长 k e r r 增强效应，为此，本文对产生此现象的微观机理及a g 膜厚度对短波长k e n 增强效应的影响等进行了进一步研究，以尝试通过改变工作波长的方法来提高现 有磁光盘的记录密度。除了研究其磁光性质之外，本文还对磁控溅射方法制备 t b f e c o 薄膜及制备工艺条件及溅射参数对薄膜的成份及光学性质的影响、薄膜 的磁性质，防止氧化的保护层a i n 、s i n 薄膜的性质等相关问题进行了全面的研 究。 1 5 第二章样品制备 引言 第二章样品制各 薄膜的制备方法有许多种，主要包括：物理气相沉积【3 9 】、化学气相淀积、和 电化学沉积【3 2 1 。物理气相凝聚沉积一般有：加热蒸发( 包括分子束外延即m b e ) 和直流或交流磁控溅射。本研究中我们采用磁控溅射方法制各样品，因而下面我 们简单介绍一下溅射法制膜的基本原理及本研究中所用的仪器的结构，然后再给 出具体的样品制备方法和条件。 本节从磁控溅射的制备原理、衬底硅片的处理和样品制备过程以及磁光薄 膜的成核机制，a 1 n 、t i n 薄膜的制备