Brevet FR2601175A1 — publié le 19880108

Cible de pulvérisation cathodique et support d'enregistrement utilisant une telle cible. La présente invention est relative aux cibles de pulvérisation cathodique et, en particulier, 5 à une cible de pulvérisation cathodique pour former une mince pellicule d'alliage magnétique en métaux lourds de terres rares et en métaux de la série du fer>qui est utilisée pour un dispositif optomagnétique. On a préparé, par évaporation sous vide, par pulvérisation cathodique et par d'autres processus, une mince pellicule d'alliage classique consistant en métaux lourds de terres rares et en métaux de la série du fer. C'est notamment le procédé de pulvéri15 sation cathodique qui est le plus utilisé de nos jours. La raison en est que le procédé de pulvérisation cathodique donne d'excellentes pellicules magnétiques minces et qu'il convient mieux pour une production de masse que n'importe quel autre procédé, en raison du perfectionnement du procédé de pulvérisation cathodique par magnétron. Le procédé de pulvérisation cathodique, donc le procédé pour former une mince couche d'alliage, comprenant plus d'un élément par pulvérisation catho25 dique, peut être subdivisé en les trois modes opératoires suivantsj en fonction de la nature de la cible de pulvérisation cathodique: 1. Le procédé utilisant une cible composite. 2. Le procédé utilisant des cibles multiples, ce que l'on appelle le procédé à cible à pulvérisa5 tion cathodique multiple. 3. Le procédé utilisant une cible en alliage. Pour une cible composite, il y a ce que l'on appelle la cible à fragments et la cible à enrobage. Dans la cible à fragments, un fragment de métal d'un 10 autre type est disposé sur une cible métallique. Dans la cible à enrobage, un métal d'un autre type est enrobé dans le métal de base. Dans le procédé à cible composite, on se rend maître de la composition de la mince couche d'alliage en changeant le rapport 15 de surface des divers types d'éléments sur la cible. Le procédé par fragments sur la cible ne convient pas pour former une mince pellicule magnétique de longue durée, parce que la zone du fragment sur la surface de la cible est réduite par l'usure de la cible, ce qui entraîne la modification de la composition de la mince pellicule magnétique. D'autre part, le procédé de la cible à enrobage est un perfectionnement du procédé par fragment sur une cible. Dans le cas du procédé à cible à enro25 bage, la mince pellicule magnétique obtenue a une composition fixe, même si l'on fait subir à la cible une pulvérisation cathodique pendant une durée longue, parce que la surface de chaque matériau enrobé dans la surface de la cible ne change guère lorsque la ci30 ble s'use. Mais le procédé à cible à enrobage, ainsi que le procédé par fragmentssur cible ont l'inconvénient que la disposition de chaque élément sur la surface de la cible influe sur la composition de la 35 mince pellicule dans le plan de la pellicule. Le procédé à pulvérisation cathodique multiple est un procédé qui consiste à utiliser plusieurs cibles en les soumettant simultanément à une pulvérisation cathodique. Par ce procédé, on envoie de l'énergie électrique à des types différents de plusieurs cibles1pour former une pellicule d'alliage sur le substrat. On peut envoyer de l'énergie haute fréquence ou de l'énergie électrique continue ou une combinaison des deux. Le procédé a l'avantage de per10 mettre de modifier facilement la composition de l'alliage en faisant varier l'alimentation en énergie électrique à chaque cible. Mais ce procédé a certains défauts. Il faut plusieurs sources électriques pour la pulvérisation cathodique. Il faut prendre des contre-mesures vis-àvis de l'interférence de l'énergie haute fréquence. En outre, il est difficile de maintenir une composition homogène fixe pour la pellicule mince pendant une longue duréelsans que celle-ci soit affectée par 20 la vitesse de-dépôt et par la variation de la répartition de l'épaisseur de la pellicule au fur et à mesure que la cible s'use, car la vitesse de dépôt et la variation de la répartition de l'épaisseur de la pellicule provoquent directement des modifications 25 fines de la composition de la pellicule et de l'homogénéité. En troisième lieu, dans le cas d'une cible en alliage, la mince pellicule magnétique obtenue a une composition homogènelparce que la cible est homo30 gène du point de vue macroscopique, suivant la direction verticale et suivant la direction horizontale. C'est pourquoi, même si l'on effectue la pulvérisation cathodique de manière répétée, la mince pellicule préparée a une composition fixe et homogène. Parmi les cibles en alliage, on distingue la cible frittée et la cible coulée. Dans le cas d'une cible frittée, on peut former une dible ayant une surface relativement principale) quelque soit la nature du matériau. Mais il faut des techniques spéciales pour faire en sorte que la teneur en impuretés)telles que l'oxygène ou l'azotejd'une cible soit inférieure à 2000 ppm. Il est donc difficile de former une mince pellicule d'alliage ayant une grande pureté. Dans le cas d'une cible coulée, la teneur en oxygène de la cible peut être abaissée à une valeur inférieure à 500 ppm, ce qui donne une mince pellicule d'alliage ayant une grande pureté, en raison de l'absence du processus mettant en jeu une poudre, comme il en est utilisé dans le procédé de frittage, et de l'élimination des impuretés sous la forme d'une scorie lors de la fusion. La cible coulée est donc préparée par le procédé de coulée, à savoir que l'on fait fondre des matériaux en fonction de la com20 position souhaitée et que l'on coule le matériau fondu sous gaz inerte ou sous vide. Comme mentionné ci-dessus, le procédé de pulvérisation cathodique utilisant une cible coulée est le meilleur procédé pour fabriquer industrielle25 ment une mince pellicule d'alliage. Cependant, comme un alliage de métaux lourds de terres rares et de métaux de la série du fer tend à former des composés intermétalliques, le lingot peut se fendiller facilement. Il est donc difficile 30 non seulement de mettre le lingot à la forme de la cible, mais également d'obtenir un lingot ayant une grande surface. L'invention pallie ces inconvénients par un alliage de métaux lourds de terres rares et de métaux 35 de la série du fer qui a une grande surface et dont le traitement est plus facile, ce qui permet de former une cible en alliage d'une grande pureté. L'invention a donc pour objet une cible de pulvérisation cathodique pour former une mince pelliS cule magnétique comprenant des métaux lourds des terres rares (HR) et des métaux de la série du fer comme constituants principaux, caractérisée en ce qu'elle comprend un matériau coulé en métaux légers de terres rares (LR) et au moins un élément choisi 10 parmi Ti, A1, Cr et Cu. Suivant une variante, la cible de pulvérisation cathodique suivant l'invention est caractérisée en ce que les métaux lourds des terres rares comprennent au moins un élément choisi parmi Gd, Tb et Dy et les métaux légers des terres rares comprennent au moins un élément choisi parmi Ce, Pr, Nd et Sm, et la composition en rapport atomique de la cible de. pulvérisation cathodique est représentée par: {(LR) (HR) 1x}yAl oyzMz x 1x y 1o-y-z Z dans laquelle M est au moins un élément choisi parmi Ti, A1, Cr et Cu, et A est au moins un élément contenant du fer autre que (LR), (HR), et M; x est com25 pris entre 0,05 et 0,60, c'est-à-dire 0,O54xs0,60; y est compris entre 10 et 50, c'est-à-dire 10eye50; et z est supérieur à O et inférieur à 15, c'est-àdire O Les exemples suivants illustrent l'invention. 30 Dans ces exemples, on prépare les cibles de pulvérisation cathodique de la manière suivante, sauf mention expresse contraire: On fait fondre le matériau métallique ayant une grande puretéjde 99,9 % ou davantageldans un 35 four à induction sous vide. On coule le matériau 26 0 1 1 7 5 fondu sous une atmosphère d'argon. Puis on usine le matériau coulé en un disque d'un diamètre de 15 cm et d'une épaisseur de 5 mm. Ensuite, on fait adhérer le disque préparé à un plateau d'appui en cuivre par une soudure à l'indium. La. composition de la cible de pulvérisation cathodique obtenue est donnée cidessous en rapport atomique. (Exemple 1) Quand la composition est représentée par (NdxDYlx)y(Feo,60Co,40)100yz Tiz, on évalue les x -1-x y 0,60 0,40 100-y-z cibles en alliage comme indiqué au tableau 1. On voit que tous les échantillons 1 à 7 de l'exemple 1 ont de bonnes propriétés en tant que cible de pulvérisation cathodique. Mais les exemples comparatifs 1 et 15 2 se fendillent quand ils sont coulés, et l'exemple comparatif 3 se fendille quand il est usiné. Il s'ensuit que les exemples comparatifs i et 3 ne conviennent pas pour être utilisés comme cible de pulvérisation cathodique. Quand on remplace Ti par Al, Cr ou 20 Cr, on obtient les mêmes résultats. Tableau 1 Echantillon x y z 1 0,05 10 15 2 0,05 20 10 3 0,25 25 4 4 0,30 20 10 0,40 15 4 6 0,45 30 2 30.... (Exemple 2) Alors vue la composition de la cible de pulvérisation cathodique est représentée par: (NdxTb 1-x)22(Feo0,85Co o,15)73Ti5, dans laquelle x prend les valeurs de 0,05, 0,20, 0,40, 0,60 et 0,80, on évalue les cibles de pulvérisation cathodique obtenues respectivement. On trouve que toutes les cibles coulées préparées dans cet exemple cnt la propriété souhaitée, d'une manière suffisante, pour être utilisées comme cibles de pulvérisation cathodique. On met ces cibles dans une chambre et on fait le vide dans la chambre de manière que la pression initiale soit de 1,0 x 10-6 torr ou inférieure à cette valeur. Puis on introduit dans la chambre de 15 l'argon cazeux sous une pression de 2 x 10-3 torr comme gaz porteur. On envoie une énergie Saute fréquence de 350 W par une cathode. Par pulvérisation cathodique, on forme une mince pellicule magnétique d'une épaisseur de 50 nm sur un substrat en verre. 20 On dépose, comme couche protectrice, une couche d'aluminium d'une épaisseur de 100 nm. La figure 1 représente la variation de la force coercitive mesurée à partir de la boucle d'hystérésis de Kerr, en fonction de la quantité de Nd qui a été substituée. La figure 1 montre nettement que, lorsque x est supérieur à 0,6, la force coercitive diminue beaucoup. Il se confirme donc que l'on n'obtient pas la propriété magnétique que l'on souhaite quand x est supérieur à 0,6. Quand on remplace Ti par Al, Cr ou Cu, on obtient 30 les mêmes résultats. (Exemple 3) Alors que la composition d'une cible de pulvérisation cathodique est représentée par: (Nd0,25Gdo,25DY0,50)25(Feo,70CO0,30),75_Z-Mz, M étant 35 un élément choisi parmi Ti, A1, Cr et Cu, on prépare les échantillons coulés d'essai de manière que z prenne les valeurs de 1, 5, 10, 15 et 20 dans la composition. Il s'ensuit que tous les échantillons ne peuvent pas être utilisés comme cible de pulvéri5 sation cathodique. En outre, quand on utilise ces cibles, on forme une pellicule magnétique sur un substrat de verre de la même façon qu'à l'exemple 1. La figure 2 représente la variation de l'angle de rotation de Kerr, en fonction de z, c'est-à10 dire le rapport de M à la quantité totale de la composition. La figure 3 représente la variation de la constante d'anisotropie magnétique en fonction de z. Quand z est supérieur à 15, tant l'angle de rotation de Kerr que la constante d'anisotropie magnétique diminuent d'une manière nette. Il s'ensuit que la pellicule magnétique obtenue ne convient pasen tant que pellicule magnétique. Mais, quand z est égal à 15, ou est inférieur à 15, la variation de l'angle de rotation de Kerr et de la constante d'anisotropie magnétiquesont dans les limites tolérables. En particulier, certains matériaux, tels que Ti et Cu, améliorent la propriété magnétique. (Exemple 4) On évalue la cible de pulvérisation cathodique préparée par le procédé de coulée suivant la présente inventionjen comparaison d'une cible classique préparée par un procédé de frittage. Chacune d'elles a la composition représentée par: (Ndo,22DYo,78)25(Feo0,6oCoo,40)71Ti4. En utilisant ces cibles, on forme la couche magnétique dans les mêmes conditions de pulvérisation cathodique qu'à l'exemple 2. Dans cet exemple, on utilise une pellicule magnétique d'une épaisseur de 40 nm et, comme 35 couche de protection, une couche de nitrure de silicium (Si3N4) d'une épaisseur de 100 nm. Le tableau 2 donne les résultats comparatifs de l'angle de rotation de Faraday,de la force coercitive Hc, de la constante d'anisotropie Ku de ces couches ainsi 5 que la teneur en oxygène de chaque cible C(O) mesurée par ce que l'on appelle le procédé de fusion. Ces propriétés optiques et les propriétés optomagnétiques de la cible de pulvérisation cathodique suivant l'invention sont donc meilleures que celles de l'exemple 10 comparatif. Ce fait est dû à la différence de la teneur en oxygène des cibles. Tableau 2 20 * Exemple Exemple comparatif eF (min/nm) 1,35 1,20 Hc (KOe) 8,5 4,2 Ku (erg/cc) 7,8 x 105 5,2 x 105 C(O) (poids ppmi) 420 2450 (Exemple 5) Pour évaluer les propriétés de la cible de pulvérisation cathodique suivant l'invention, on fabrique un support d'enregistrement optomagnétique en utilisant la cible de pulvérisation cathodique de l'un des exemples. La composition de la cible est (Ndo0,22Tbo,78)24(Feo0,35Co0, 15)72Ti4. Le support d'en30 registrement a une structure multicouches. Une couche en nitrure d'aluminium de 90 nm d'épaisseur est formée sur un substrat en polycarbonate et en forme de disque d'un diamètre de 130 mm et d'une épaisseur de 1,2 mm et dans lequel sont ménagés des sillons 35 (la largeur des silions est de 0,8 micron et la profondeur des sillons est de 1,6 micron). On forme en outre au-dessus une pellicule magnétique d'une épaisseur de 110 nm. En outre, on applique une pellicule de nitrure d'aluminium de 90 nm d'épaisseur. Quand on évalue le support d'enregistrement par un dispositif de lecture/écriture optomagnétique, en utilisant un système optique différentiel, le nombre de tours du disque étant de 900 tours/minute et la fréquence tantde 1 MHz quand on écrit une infor10 mation sur le disque, et dans la largeur de la bande de résolution de 30 KHz, le rapport signal /bruit, (CNR) est de 55 dB quand on lit l'information à partir du disque. En revanche, on évalue un exemple comparatif 15 de la même façon, si ce n'est qu'on utilise une pellicule de TbFeCo en utilisant une cible en alliage fritté ayant la composition représentée par: Tb22(Feo,88CO0,12)78. Le CNR est de 53 dB. Il se confirme donc que la mince pellicule magnétique suivant 20 l'invention l'emporte sur une pellicule en TbFeCo bien connue du point de vue des propriétés du disque. On pense que ceci est dé à la teneur en oxygène des cibles. Dans l'exemple suivant l'invention, la teneur en oxygène de la cible est de 390 ppm, tandis 25 que dans l'exemple comparatif, elle est de 2300 ppm. La figure 1 est un graphique représentant la variation de la force coercitive en fonction de z d'une pellicule mince préparée à l'aide de la cible de pulvérisation cathodique suivant l'invention qui 30 a la composition (NdxTblx)22(Feo,6Coo, 4)73T i5 La figure 2 est un graphique représentant la variation de l'angle de rotation de Kerr en fonction de z d'une mince pellicule ayant la composition représentée par (Ndo0, 25Gdo,25DYo50)25(Feo,70Co30)-75-zMz, 35 M étant choisi parmi Ti, A1, Cr et Cu. La figure 3 est un graphique représentant la variation de la constante d'anisotropie magnétique en fonction de z d'une mince pellicule préparée à l'aide de la cible de pulvérisation cathodique sui5 vant l'invention, qui a la composition: (Ndo,25Gdo 25DYo,50)25(Feo 70Co0,30)75_zMz, M étant choisi parmi Ti, Al, Cr et Cu. Aux figures 2 et 3, la ligne en trait plein représente Ti, la ligne en tirets représente Al, la 10 ligne en traits et points représente Cr, et la ligne ayant un tiret et deux points représente Cu. La présente invention a les avantages suivants: Comme mentionné ci-dessus, la présente inven15 tion donne aisément une cible de pulvérisation cathodique pour former une mince pellicule d'alliage en un métal lourd de terres rares et en un métal de la série du fer, par le procédé de coulée. Comme la cible de pulvérisation cathodique suivant l'inven20 tion contient moins d'oxygène, sa propriété magnétique est meilleure. En outre, le coût du matériau peut être réduit, puisqu'on peut remplacer des métaux lourds de terres rares coûteux et peu disponibles par des mé25 taux légers de terres rares, peu coûteux et abondants. En outre, on peut remplacer Nd par Ce, Pr ou Sm, et on peut utiliser leur association avec Nd. On obtient les mêmes résultats. En outre, l'association de Gd, Tb et Dy et de plus un élément choisi 30 parmi Ti, Al, Cr et Cu donne les mêmes effets. REVENDICATIONS 1. Support d'enregistrement optomagnétique, comprenant des métaux lourds des terres rares (HR) et des métaux de la série du fer comme constituants principaux, caractérisé en ce qu'il comprend un matériau coulé en métaux légers desterres rares (LR) et en au moins un élément choisi parmi Ti, Al, Cr et Cu. 2. Support suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les métaux lourds des terres rares compren10 nent au moins un élément choisi parmi Gd, Tb et Dy et les métaux légers des terres rares comprennent au moins un élément choisi parmi Ce, Pr, Nd et Sm, et la composition en rapport atomique du support d'enregistrement optomagnétique est représentée par: QLR) x(HR) 1-x} yA100-y-zMz dans laquelle M est au moins un élément choisi parmi Ti, Al, Cr et Cu, et A est au moins un élément contenant du 20 fer autre que (LR), (HR) et M; x est compris entre 0,05 et 0,60, c'est- à-dire 0,05 4 x $ 0,60; y est compris entre 10 et 50, c'est-à-dire 10 z y à O et inférieur à 15, c'est-à-dire O 3. Cible de pulvérisation cathodique pour former une mince pellicule magnétique, comprenant des métaux lourds des terres rares (HR) et des métaux de la série du fer comme constituants principaux, caractérisée 5 en ce qu'elle comprend un matériau coulé en métaux légers de terres rares (LR) et en au moins un élément choisi parmi Ti, Al, Cr et Cu. 4. Cible suivant la revendication 3, caractérisée en ce que les métaux lourds des terres rares comprennent 10 au moins un élément choisi parmi Gd, Tb et Dy et les métaux légers des terres rares comprennent au moins un élément choisi parmi Ce, Pr, Nd et Sm, et la composition en rapport atomique de la cible de pulvérisation cathodique est représentée par: (LR) X (HR)1-x_ yA100-Y-zMz dans laquelle M est au moins un élément choisi parmi Ti, Al, Cr et Cu, et A est au moins un élément contenant du 20 fer autre que (LR), (HR) et M; x est compris entre 0,05 et 0,60, c'est-à-dire 0,05 4 x 4 0,60; y est compris entre 10 et 50, c'est-à-dire 10 4 y 4 50; et z est supérieur à 0 et inférieur à 15, c'està-dire 0 5. Support d'enregistrement optomagnétique, ca25 ractérisé en ce qu'il est formé en utilisant la cible de pulvérisation cathodique suivant la revendication 3 ou 4.