Brevet FR2513430A1 — publié le 19830325

i La présente invention concerne un procédé d'obtention d'une couche à aimantation plane homogène dans un grenat ferrimagnétique En particulier, le pro- cédé de l'invention permet d'obtenir dans un matériau 3 constitué d'un film de grenat ferrimagnétique épitaxié sur un substrat amagnétique une couche à aimantation plane homogène par implantation ionique L'invention s'applique en particulier dans le domaine de l'élabora- tion de mémoires à bulles magnétiques. Dans ce domaine d'application, on sait que l'utilisation d'une implantation ionique permet la cré- ation, en surface du film de grenat ferrimagnétique, d'une couche à aimantation plane qui a pour but notam- ment d'augmenter la stabilité des bulles magnétiques. Cela permet d'augmenter le champ de polarisation du ma- tériau ferrimagnétique au-dessus duquel les bulles dis- paraissent Ce champ de polarisation est communément appelé champ de collapse De plus, le but de l'implan- tation ionique est de supprimer les bulles dures (bul- les ayant des structures de paroi complexes) et de per- mettre le déplacement de l'information en définissant des chemins de propagation non implantés dans ladite couche. L'existence de cette couche à aimantation plane permet de stabiliser sous la couche de matériau implantée les domaines magnétiques dudit matériau. Les ions utilisés jusqu'à ce jour pour l'im- olantation sont des ions légers tels que des ions d'hy- drogène, d'hélium, de néon, etc Ces ions sont im- plantés généralement à faible dose, c'est-à-dire à des doses inférieures à celles nécessaires pour rendre amorphe le matériau. On sait qu'une implantation d'ions dans un matériau, comprenant notamment un film de grenat ferri- magnétique, entraîne dans le réseau cristallin du maté- riau la formation de défauts de différents types Ces défauts introduisent dans le matériau de fortes con- traintes mécaniques. Il est à noter que l'existence de la couche à aimantation plane est liée au fait que le coefficient d'anisotropie de contrainte Ki de la couche implantée est supérieur au coefficient d'anisotropie uniaxiale Ku du matériau non implanté. Par ailleurs, le profil de ces défauts, en profondeur, n'est pas homogène En effet, la distribu- tion de ces défauts et des impuretés (ions implantés) est, en profondeur, une distribution du type gaussien- ne; ceci est lié au fait que les ions implantés sont ralentis dans le matériau par freinage électronique, créant ainsi une zone de contrainte mécanique, puis ar- rêtés par freinage nucléaire, créant ainsi une zone dans laquelle certaines des liaisons cristallines sont rompues, ce qui entraîne instantanément une diminution de l'aimantation. Ces deux effets (contraintes mécaniques et profil des défauts non homogène), résultant de l'im- plantation, conduisent à des modifications des proprié- tés magnétiques des films de grenat ferrimagnétique comme par exemple des modifications dans l'intensité de l'aimantation à saturation de ces films et dans l'éner- gie d'anisotropie magnétique; l'intensité de l'aiman- tation et l'énergie d'anisotropie ne sont pas homogènes dans l'épaisseur de la couche implantée, c'est-à-dire que le profil de celles-ci n'est pas plat. Sur la figure 1, on a représenté une courbe a correspondant à un profil de défauts obtenus lors d'une implantation d'ions hydrogène à une dose de l'ordre de 1016 atomes/cm 2 dans un film de grenat ferrimagnétique et ce avec une énergie de 50 ke V Il est à noter que l'implantation d'ions hydrogène à une dose voisine de 1016 atomes/cm 2 ne modifie-pas la structure cristalline du film de grenat. Ce profil est obtenu par des mesures d'atta- ques chimiques différentielles Cette courbe donne la vitesse différentielle d'attaque chimique entre zone implantée VI et zone non implantée VN en fonction de la profondeur d'attaque (A) exprimée en jim On constate que ce profil de défauts n'est pas homogène, c'est-à- dire que la courbe ne présente pas une forme carrée En conséquence la couche à aimantation plane obtenue par implantation n'est pas homogène du point de vue magné- tique. Afin d'améliorer ce profil de défautson a en- visagé d'effectuer plusieurs implantations successives à des énergies différentes Le profil obtenu, dans ce cas, correspond à la courbe b de la figure 1 Les conditions opératoires pour l'obtention de ce profil des défauts sont les mêmes que ci-dessus si ce n'est l'utilisation de différentes doses d'ions légers im- plantés à des énergies différentes ce qui a pour effet de mieux répartir les défauts en profondeur On consta- te que ce profil est un peu plus homogène que dans le cas d'une seule implantation. Par ailleurs, afin de rendre plus homogène le profil des défauts dans la couche de matériau implan- tée, on soumet ledit matériau à une étape de recuit, consistant à placer le matériau dans un four o règne une température élevée Ce recuit permet de réarranger le réseau cristallin du matériau perturbé lors de l'im- plantation En général, les températures de recuit uti- lisées sont comprises entre 300 et 4000 C Mais ce re- cuit, bien qu'il rende un peu plus homogène le profil des défauts n'est pas suffisant pour obtenir une couche à aimantation plane homogène. L'invention a justement pour objet un procédé d'obtention d'une couche à aimantation plane homogène dans un grenat ferrimagnétique. De façon plus précise, l'invention a pour ob- jet un procédé permettant d'obtenir dans un matériau constitué d'un film de grenat ferrimagnétique, épitaxié sur un substrat amagnétique, au moins une couche à ai- mantation plane homogène, et se caractérisant en ce que l'on effectue dans ledit film au moins une implantation d'ions dont le numéro atomique Z est supérieur à 10 et, ce à forte dose, c'est-à-dire à une dose permettant de rendre amorphe la partie implantée du film de grenat, et en ce que l'on recuit ledit matériau afin de cristalli- ser la partie du film rendue amorphe par ladite implan- tation. L'utilisation d'une implantation d'ions à forte dose, c'est-à-dire à une dose supérieure à celle nécessaire pour rendre amorphe ce film de grenat, sui- vie d'un recuit, permet d'obtenir dans la couche épita- xiée une couche à aimantation plane homogène. Selon un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention,on effectue dans ledit film une multiimplantation d'ions en effectuant une première im- plantation dl un certain type d'ions, suivie d'au moins une deuxième implantation d'un autre type d'ions, afin d'obtenir à une même profondeur des propriétés différentes. L'utilisation d'une multiimplantation, con- formément à l'invention, suivie d'un recuit permet de modifier les propriétés de la couche implantée En ef- fet les ions implantés, selon l'invention, sont en con- centration suffisante pour changer de façon notable les caractéristiques de la couche implantée dont la struc- ture cristalline a été reconstituée à l'aide du recuit. De cette manière on peut implanter des ions qui modifie les propriétés physiques de ladite couche telles que les propriétés optiques, magnétiques, électriques, etc Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on effectue dans ledit film une multiimplantation d'ions de types différents chaque type d'ions étant implanté à une profon- deur différente afin d'obtenir des propriétés différen- tes à des profondeurs différentes. Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, on effectue une double cou- che à aimantation plane homogène, en effectuant dans la partie supérieure dudit film, une première implantation d'ions, et dans la partie inférieure dudit film une deuxième implantation d'ions réaliséavec des ions plus légers que les premiers, afin d'obtenir une meilleure stabilisation magnétique. L'utilisation d'une multiimplantation permet en particulier d'améliorer, par rapport à une monoim- plantation, l'homogénéité magnétique de la couche im- plantée. Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, les ions implantés sont les ions d'un élément choisi parmi le fer, l'arsenic, le gallium. Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, le recuit est réalisé par exemple en atmosphère d'oxygène dans un four dans le- quel règne une température comprise entre 400 et 10000 C, et de préférence comprise entre 600 et 7001 C. Bien entendu, d'autres atmosphères peuvent être utili- sées, ce qui modifiera les conditions de recuit O - Ces températures de recuit permettent de s'affranchir des problèmes technologiques et notamment de dépÈt et de rendre bénéfique l'implantation d'ions. G Selon un autre mode préféré de mise en oeuvre du procédé de l'invention, le recuit est réalisé au moyen d'un faisceau laser. A l'aide du procédé de l'invention, on envi- sage d'implanter des ions dans des films de grenats ferrimagnétiques très minces (environ 0,5 wn d'épais- seur), l'implantation étant conduite sur une profondeur égale au tiers de l'épaisseur du film Par ailleurs, on sait que l'anisotropie uniaxiale Ku du matériau non im- planté augmente lorsque l'épaisseur de la couche épita- xiée, donc du film de grenat, diminue Ceci implique que le coefficient d'anisotropie de contrainte Ki de la couche implantée doit être prépondérant dans celle-ci pour créer la couche à aimantation plane L'invention telle que définie précédemment permet d'obtenir une couche implantée amorphe, sans anisotropie uniaxiale, que l'on rend de nouveau cristalline par recuit, cette couche est caractérisée par un coefficient de contrain- te Ki homogène. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, donnée à titre illustratif mais nullement limitatif en référence aux figures annexées, sur lesquelles: la figure 1, déjà décrite, représente des courbes correspondant à un profil de défauts obtenus lors d'une implantation (courbe a) et lors de plusieurs implantations (courbe b) effectuées dans un film de grenat ferrimagnétique avec des ions d'hydrogène im- plantés à une dose de l'ordre de 1016 atomes/cm 2 et à une énergie de 50 ke V, la figure 2 représente une courbe corres- pondant à un profil de défauts obtenus lors d'une im- plantation effectuée dans un film de grenat ferrimagné- tique avec des ions de fer implantés à une dose de 1016 atomes/cm 2, Z 513430 la figure 3 représente des courbes illus- trant les variations du champ de collapse Hc en fonc- tion de la température de recuit (T), exprimée en OC, pour une implantation de l O 6 atomes/cm 2 dans un film de grenat ferrimagnétique et présentant une énergie de ke V; la courbe c représente une implantation d'ions de fer, la courbe d une implantation d'ions de gallium et la courbe e une implantation d'ions d'arse- nic, la figure 4 représente des courbes illus- trant les variations du champ d'anisotropie Bk en fonc- tion de la température de recuit (T), exprimée en O C, pour une implantation de 1016 atomes/cm 2 dans un film de grenat ferrimagnétique et présentant une énergie de 120 ke V; la courbe f représente une implantation d'ions de fer, la courbe q une implantation d'ions de gallium et la courbe h une implantation d'ions d'arse- nic, la figure 5 représente des courbes donnant les variations du signal magnétique i en fonction de la température (T), exprimée en O C, d'un film de grenat ferrimagnétique implanté avec des ions de fer à une dose de 3 1016 atomes/cm 2 et à une énergie de 120 ke V puis recuit; la courbe 1 correspond à un recuit de 500 OC, la courbe 2 à un recuit de 6501 C et la courbe 3 à un recuit de 700 OC, et la figure 6 représente une courbe donnant le rapport Aa/a à-un facteur 10 près, en fonction de la température de recuit (T), exprimée en OC, pour un film de grenat ferrimagnétique implanté avec des ions de fer à une dose de 1016 atomes/cm 2 et présentant une énergie de 150 ke V. Selon l'invention, la création d'une couche à aimantation plane homogène à la surface d'un film de grenat ferrimagnétique, épitaxié sur un substrat ama- gnétique, est liée à l'implantation dans le film de grenat d'ions dont le numéro atomique Z est supérieur à ces ions sont par exemple des ions de fer, d'arse- nic, de gallium Ces ions sont implantés dans le film de grenat à des doses élevées, c'est-à-dire à des doses supérieures à celles nécessaires pour rendre amorphe le matériau. Une telle implantation d'ions permet d'obte- nir un profil de défauts tout à fait homogène ou plat, et donc une couche à aimantation plane homogène Ceci est illustré par la figure 2 qui représente une courbe correspondant à un profil de défauts obtenus lors d'une implantation, à une dose de 1016 atomes/cm 2, d'ions de fer dans un film de grenat ferrimagnétique Il est à noter qu'une implantation d'ions fer à une dose de 1016 atomes/cm 2 permet de rendre amorphe la couche im- plantée alors qu'une implantation d'ions hydrogène à cette même dose ne le permet pas. D'après cette courbe, on constate que la cou- che à aimantation plane homogène est voisine de 0,2 l Un. Ce profil de défauts est obtenu par des mesures d'atta- ques chimiques différentielles. Par ailleurs, on a constaté que la vitesse d'attaque chimique du matériau implanté selon l'inven- tion est beaucoup plus rapide que dans le cas des maté- riaux implantés selon l'art antérieur; ceci montre bien que la couche implantée selon l'invention est com- plètement amorphe, ce qui n'était pas le cas pour les matériaux implantés selon l'art antérieur- Afin de réarranger le réseau cristallin du matériau et de recristalliser ledit matériau rendu pré- cédemment amorphe, ce dernier est soumis à un recuit. Selon l'invention, ce recuit peut etre efectu en pla- çant le matériau, par exemple en atmosphère d'oxygène dans un four isotherme o règne une tem 7 terature compri- se entre 400 et 1000 C. Il est à noter que les variations du champ d'anisotropie magnétique Hk et du champ de collapse Hc sont fonctions de la température de recuit du matériau implanté Etant donné que les températures, lors des étapes technologiques ultérieures par exemple pour la réalisation de dépôts, d'espacements et de couches de passivation, sont comprises entre 300 et 4000 C, la zone d'exploitation de la couche implantée se situe donc pour des recuits supérieurs à 4000 C. Sur des échantillons de matériaux implantés, et recuits, selon l'invention, on a effectué différen- tes mesures des caractéristiques physiques de ces maté- riaux. En premier lieu, on a mesuré les variations A Hc du champ de collapse Hc entre la couche implantée et la couche non implantée du matériau en fonction de la température de recuit Ces mesures sont illustrées par les courbes de la figure 3 donnant le rapport A Hc/Hc, Hc représentant le champ de collapse du film viergeen fonction de la température de recuit (T), exprimée en O C La courbe c correspond à une implanta- tion d'ions de fer à une dose de 1016 atomes/cm 2 et présentant une énergie de 120 ke V, la courbe d à une implantation d'ions de gallium à une dose de 1016 ato- mes/cm 2 et présentant une énergie de 120 ke V, et la courbe e à une implantation d'ions d'arsenic à une dose de Joî 6 atomes/cm 2et présentant une énergie de 120 ke V. D'après ces courbes, on constate que la va- riation maximale du champ de collapse est obtenue pour des températures de recuit comprises entre 600 et 700 WC Par ailleurs, on constate que cette variation est plus importante lorsque l'on implante des ions de fer (courbe c). En second lieu, on a mesuré les variations A Hk du champ d'anisotropie magnétique en fonction de la température de recuit, par des mesures de résonance ferromagnétique, par application d'un champ magnétique appliqué perpendiculairement à l'échantillon de maté- riau, la fréquence de résonance étant de 9 G Hz Ces variations A Hk représentent la différence entre la va- leur du champ d'anisotropie de la couche ferrimagnéti- que ayant subi une implantation et la valeur du champ d'anisotropie de la couche ferrimagnétique n'ayant pas subi d'implantation. Ces mesures sont illustrées par les courbes de la figure 4 donnant A Hk, exprimé en gauss, en fonc- tion de la température de recuit, exprimée en OC Pour une implantation de î 106 atomes/cm 2 dans un film de grenat ferrimagnétique et présentant une énergie de ke V, la courbe f représente une implantation d'ions de fer, la courbe 1 une implantation d'ions de gallium et la courbe h une implantation d'ions d'arsenic. D'après ces courbes, on constate que la va- riation maximale du champ d'anisotropie est obtenue pour des températures de recuit comprises-entre 600 et 7000 C Par ailleurs, on constate que cette variation est plus importante lorsque l'on implante des ions de fer (courbe f). D'après ces différentes mesures, on en déduit que la température de recuit doit être de préférence choisie entre 600 et 7000 C et que les ions à implanter sont de préférence des ions fer. On a ensuite effectué la mesure de l'intensi- té du signal magnétique i de la couche implantée L'in- tensité de ce signal i est régi par l'équation AH h. i = 3-fi 2 _ W 1-)h dans laquelle A Hi et AH O représentent respectivement la largeur du mode de ré-onanca fcerorrmagnétique implanté et du mode principal et darns laquelle hi et ho repré- sentent respectivement la hauteur du mode implanté et du mode principal Cette mesure a été effectuée sur des échantillons de grenat ferrimagnétique implantés avec des ions de fer, à une dose de 3 1016 atomes/cm 2 et avec une énergie d'implantation de 120 ke V, puis re- cuits respectivement à une te:nipérature de 500, 650 et 7000 C. Cette mesure est i l ustréee par les courbes de la figure 5 donnant les variaticns de l'intensité du signal i, à un facteur 102 pre; en fonction de la température, exprimée en OC Cette mniesure est reliée au nombre de spins électroniques résonnants dans la couche implantée La courbe 1 correspond à un recuit de 500 ,C la courbe 2 à un recuit de 650 C et la courbe 3 à un recuit de 700 C. Cette mesure démontre la qualité de la couche implantée du point de vue de son homogénéité magnéti- que En effet, ces courbes présentent une importante zone dans laquelle le signal i varie peu ou pas avec la température En particulier, le signal i donné par le recuit à 650 C (courbe 2) est démonstratif de l'excel- lente qualité et de l'homogénéité de la couche implan- tée. On a ensuite effectué la mesure, par diffrac- tion aux rayons X, du rapport Aa/a qui est régi par l'équation: La _ ao O i a a O dans laquelle a et ai représentent respectivement le paramètre de la naille cristalline du film non implanté et du film implanté Cette mesure ea été effectuée sur des échantillons de grenat ferrimagnétique implantès avec des ions de fer, à une dose de 1 o 06 atomes/cm 2 et avec une énergie d'implantation de 150 ke V, puis re- cuits à des températures comprises entre 700 et 8000 C. Les variations du rapport Aa/a en fonction de la tempé- rature de recuit, exprimée en O C, sont illustrées par -la courbe de la figure 6. D'après cette courbe, on constate que les va- leurs obtenues sont très faibles Ceci démontre que le matériau amorphisé puis recuit selon l'invention a re- trouvé une structure cristalline d'excellente qualité, ce qui semble correspondre à un phénomène de ré-épita- xie de la couche implantée sur la couche non implantée lors du recuit. Jusqu'à présent, on n'a envisagé que des re- cuits au four, mais des études ont montré que le recuit de matériaux implantés conformément à l'invention peut être réalisé par faisceau laser Comme le recuit au four, le recuit par faisceau laser permet le réarrange- ment du réseau cristallin du matériau perturbé lors de l'implantation Ce recuit, contrairement au recuit au four, permet du fait de la focalisation du faisceau laser de recuire localement le matériau. Par ailleurs, on n'a envisagé que l'utilisa- tion d'une seule implantation Cependant, une multiim- plantation d'ions à fortes doses peut être envisagée. Cette multiimplantation peut être effectuée avec un ou plusieurs ions lourds, c'est-à-dire des ions dont le numéro atomique est-supérieur à celui du néon, à des doses identiques ou différentes et à des énergies éga- les ou différentes En effet, à chaque monoimplantation d'ions à une énergie et une dose données est associés un profil de défauts cristallins, une distance de péné- tration moyenne dans le matériau, ainsi qu'une largeur à mi-hauteur du profil de défauts. Une multiimplantation peut être effectuée afin d'avoir la plus grande homogénéité magnétique pos- sible dans la région implantée, du fait de l'addition des profils de défauts cristallins aboutissant à un * profil plat, ceci peut être réalisé avec une multiim- plantation d'ions notamment de fer à différentes éner- gies Cette multiimplantation peut être aussi effectuée pour s'opposer à l'anisotropie de croissance sur une grande épaisseur, ce qui peut être réalisé par l'im- plantation à fortes doses d'ions différents, à diffé- rentes énergies. On peut de même envisager l'obtention d'une double couche à aimantation plane homogène, c'est-à- dire de deux couches à aimantation plane situées de part et d'autre de la bulle magnétique de façon à obte- nir une meilleure stabilisation de celle-ci, ceci peut être réalisé par une implantation d'ions légers à gran- de énergie dans la partie inférieure du film de grenat et par une implantation d'ions plus lourds que les pre- miers et notamment de fer, à forte dose dans la partie supérieure du film de grenat. REVENDICATIONS 1 Procédé permettant d'obtenir dans un maté- riau constitué d'un film de grenat ferrimagnétique, épitaxié sur un substrat amagnétique, au moins une cou- che à aimantation plane homogène, caractérisé en ce que l'on effectue dans ledit film au moins une implantation d'ions dont le numéro atomique Z est supérieur à 10 et ce à une dose permettant de rendre amorphe la partie implantée du film de grenat, et en ce que l'on recuit ledit matériau afin de recristalliser la partie du film rendue amorphe par ladite implantation. 2 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'on effectue dans ledit film une multi- implantation d'ions en effectuant une première implan- tation d'un certain type d'ions, suivie d'au moins une deuxième implantation d'un autre type d'ions, afin d'obtenir à une même profondeur des propriétés diffé- rentes. 3 Procédé selon la revendication 1, caracté- risé en ce que l'on effectue dans ledit film une multi- implantation d'ions de types différentes, chaque type d'ions étant implanté à une profondeur différente afin d'obtenir des propriétés différentes à des profon- deurs différentes. 4 Procédé selon la revendication 3, caracté- risé en ce que l'on effectue une double couche à aiman- tation plane homogène en effectuant dans la partie in- férieure dudit film, une première implantation d'ions, et dans la partie inférieure uudit film, une deuxième implantation d'ions réalisé, avec des ions plus légers que les premiers, afin d'obtenir une meilleure stabili- sation magnétique. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que les ions implan- tés sont les ions d'un élément choisi parmi le fer, l'arsenic et le gallium. 6 Procédé selon la revendication 5, carac- térisé en ce que l'élément choisi est le fer. 7 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que le recuit est réalisé dans un four dans lequel règne une température comprise entre 400 et 10000 C. 8 Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce que le recuit est réalisé en atmosphère d'oxygène. 9 Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 7 et 8, caractérisé en ce que ladite tempéra- ture est comprise entre 600 et 7000 C. Procédé selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que le recuit est réalisé au moyen d'un faisceau laser.