Brevet FR2703793A1 — publié le 19941014

PROCEDE DE REALISATION DE COUCHES MINCES A ANISOTROPIE MAGNETIQUE PERPENDICULAIRE DESCRIPTION Domaine technique La présente invention a pour objet un procédé de réalisation de couches minces à anisotropie magnétique perpendiculaire. Elle trouve une application dans l'en- registrement magnétique, notamment dans ltenregistre- ment magnétooptique. Etat de la technique Parmi les diverses techniques d'enregistrement envisagées auj ourd'hui, ltenregistrement magnétooptique semble ltun des plus prometteurs. En effet, il conduit à une très haute densité dtinformations (de l'ordre de 108 bits/cm2), il permet une vitesse dlécriture et de lecture de l'information extrêmement élevée (de l'ordre de 5xl05 bits par milliseconde). Actuellement, le support utilisé pour l'enregis- trement magnétooptique est un disque en matière plastique recouvert d'une couche mince d'alliage amorphe de composition MT-TR où MT est un métal de transition (Fe, Co, Ni) et TR une terre rare (Tb, Dy, Gd, Sm, ...). Ces couches sont préparées par dépôt sous vide. Ces composés ont été choisis parce qu V en préparant la couche mince de manière adéquate et en ajustant la composition, il est possible d'obtenir un milieu magnétique présentant une anisotropie uniaxiale perpendiculaire telle que l'aimantation à saturation effective soit dirigée suivant la normale au plan de la couche. Pour l'enregistrement magnétooptique, le champ coercitif H doit être élevé à la température ambiante (quelques milliers d'Oersted) mais posséder une valeur relativement faible (quelques centaines d'Oersted) à des températures plus élevées. Cette propriété peut être obtenue en utilisant justement les alliages ferrimagnétiques du type MT-TR. En effet, dans cette structure, les deux sous-réseaux de MT et de TR sont couplés antiparallèlement et, en ajustant la composition globale, on peut annuler l'aimantation à saturation près de la température ambiante (température appelée température de compensation).La très forte valeur du champ coercitif H est liée au fait que l'aimantation à saturation est voisine de zéro, le champ d'anisotropie Hp égal à 2 Kp I Ms (où Kp est l'anisotropie perpendiculaire et Ms l'aimantation à saturation) variant alors très fortement. L'écriture et la lecture exploitent la structure en domaines, de forme cylindrique, de ces couches. L'écriture s'effectue par effet thermomagnétique : on chauffe localement le milieu par un faisceau laser de diamètre très faible et, simultanément, on applique un champ magnétique. La direction d'aimantation de la couche est alors celle du champ magnétique appliqué. La couche gardera cette aimantation après cessation de ltéchauffement et retour à température ambiante en raison de la forte valeur du champ coercitif. La lecture s'effectue par le biais d'un faisceau laser dirigé sur la couche. Par effet magnétooptique (effet KERR ou FARADAY), le plan de polarisation du faisceau laser réfléchi (effet KERR) ou transmis (effet FARADAY) tourne d'une quantité directement liée à la direction de l'aimantation locale. On peut ainsi, par l'étude de la polarisation du faisceau réfléchi ou transmis, retrouver l'information écrite sur le support. Pour cette application à l'enregistrement magnétooptique, on recherche donc des matériaux présentant - une anisotropie perpendiculaire la plus élevée possible, - un champ coercitif à forte variation en fonction de la température et dont la valeur à la température ambiante est élevée, - un effet magnétooptique le plus élevé possible, - la meilleure homogénéité chimique possible. Actuellement, il existe peu de compositions présentant l'ensemble de ces caractéristiques. La principale difficulté semble être l'obtention dlune anisotropie perpendiculaire suffisamment élevée. La préparation la plus courante consiste à effectuer une pulvérisation cathodique radiofréquence et à laisser l'anisotropie perpendiculaire se former spontanément. La valeur de l'anisotropie perpendiculaire semble essentiellement liée à la terre rare utilisée ainsi qu'à sa concentration, mais, pour une composition donnée, il n'existe actuellement aucune méthode permettant de modifier la valeur absolue de l'anisotropie perpendiculaire par les paramètres de l'opération de dépôt. Ainsi, chaque laboratoire adopte ses propres paramètres.La composition actuellement la plus répandue est Fq0lD20 car cet alliage présente une anisotropie perpendiculaire élevée. Elle présente néanmoins plusieurs inconvénients, à savoir une faible rotation de KERR et un bruit de milieu relativement élevé. La difficulté de réglage de l'anisotropie perpendiculaire provient du fait que l'origine physique de ce phénomène est encore mal connue. On ne sait pas quels sont les paramètres de dépôt qu'il faut modifier pour optimiser l'anisotropie Kp On procède donc empiriquement. La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose un procédé qui permet de régler très simplement llani- sotropie magnétique des couches déposées. Exposé de l'invention Le procédé de l'invention consiste essentiellement à appliquer à la couche en cours de dépôt un champ magnétique continu dirigé parallèlement au plan de la couche. Le Demandeur a observé, de manière surprenante, que ce champ magnétique modifiait considérablement la valeur de l'anisotropie perpendiculaire obtenue. On observera que l'application d'un champ magnétique à une couche magnétique en cours de dépôt est une opération en soi connue. Elle est décrite notamment dans l'article de K. OUNADJELA, G. SURAN et J. SZTERN, intitulé tIControl of the Deposition Temperature by the Use of a Magnetic Field in R.F. Sputtering", publié dans la revue Thin Solid Films 151 (1987), pp. 397-402, Preparation and Characterization.Mais dans cette technique antérieure, l'application du champ magnétique était censée n'avoir d'effets que sur la température du dépôt, ainsi que sur la valeur du champ d'anisotropie uniaxiale lequel se formait systématiquement parallèlement au champ appliqué et dans le plan de la couche mince. Le Demandeur a montré que, de façon surprenante, un tel champ magnétique pouvait produire un champ d'anisotropie perpendiculaire à la direction du champ appliqué, donc au plan du dépôt dans les couches minces amorphes de composition métal de transition-terre rare, ce qui n'avait jamais été obersvé jusqu'ici. De façon précise, la présente invention a donc pour objet un procédé de réalisation de couches minces à anisotropie magnétique perpendiculaire, ces couches ayant une composition MT-TR où MT est au moins un métal de transition dont l'un au moins est magnétique et TR est au moins une terre rare, ce procédé consistant à déposer ces couches sur un substrat sous vide, et étant caractérisé par le fait que l'on applique à la couche en cours de dépôt un champ magnétique continu dirigé dans le plan de la couche, et en ce qu'on règle l'intensité de ce champ magnétique en fonction de l'anisotropie perpendiculaire désirée. Le procédé de l'invention s'applique en particulier aux compositions pour lesquelles le métal de transition magnétique est pris dans le groupe constitué par Fe, Co, Ni. Si la composition comprend en outre un métal de transition non magnétique, ce métal peut être pris dans le groupe constitué par Zr, Nb, Ti, Mo. Le métal non magnétique joue un rôle amorphisant dans la structure de la couche. Le procédé de l'invention s' applique également en particulier aux compositions pour lesquelles la terre rare TR est prise dans le groupe constitué par Tb, Dy, Gd, Sm, Y, Nd, La, Pr. Eventuellement, plusieurs terres rares différentes prises dans ce groupe pourront être employées (TRI, TR2, etc...). La composition de la couche peut être (ColyZry)l-=ERX où x et y sont des pourcentages. La valeur de x peut être comprise entre 0 et environ 30. D'autres compositions sont possibles, comme FAXE2X où x est un pourcentage qui peut être voisin de 20. Les effets dus à l'application du champ magnétique sont particulièrement nets avec des terres rares comme le gadolinium (Gd) et le samarium (Sm), les autres n'étant pas exclues pour autant. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention, on règle, en plus, la température du dépôt pour obtenir l'anisotropie désirée. Brève description des dessins - la figure 1 montre schématiquement une ins tallation de pulvérisation cathodique avec des moyens d'application d'un champ magnéti que à la couche en cours de dépôt ; - la figure 2 montre une vue de dessus des moyens d'application du champ magnétique ; - la figure 3 montre les variations de l'ani- sotropie magnétique perpendiculaire en fonc tion du champ magnétique appliqué pour un composé contenant du samarium ; - la figure 4 montre les variations de l'ani sotropie magnétique perpendiculaire en fonc tion du champ magnétique appliqué pour deux composés contenant du gadolinium. Exposé détaillé d'un mode de réalisation Une installation permettant de mettre en oeuvre le procédé de l'invention est représentée schématiquement sur les figures 1 et 2. Sur la figure 1, tout d'abord, on voit une enceinte 10 de dépôt sous vide, par exemple par pulvérisation cathodique à radiofréquence. Cette enceinte comprend les moyens habituels (non représentés) pour co-pulvériser les composants devant entrer dans la composition des couches à déposer et ceci sous atmosphère contrôlée. Ces moyens ne sont pas représentés car bien connus de l'homme du métier. On stattachera plus spécialement à la zone où s'effectue le dépôt. Cette zone comprend un porte-substrat 12, par exemple en cuivre, sur lequel sont disposés des substrats 14. De part et d'autre du porte-substrat 12 se trouvent deux aimants permanents 16 et 18. Ces deux aimants sont recouverts par un large plateau 20, par exemple en fer doux, constituant un bouclier magnétique. La figure 2 montre ces moyens en vue de dessus. La forme, la nature, l'écartement des aimants 16 et 18 permettent de fixer l'intensité du champ magnétique appliqué aux couches en cours de dépôt. On observera que cette installation est classique en ce qui concerne l'appareil de pulvérisation et conforme à l'article cité plus haut pour ce qui est des moyens d'application du champ magnétique continu. Ces moyens ont l'avantage -contrairement aux moyens de pulvérisation classiques où la température de dépôt effectif atteint plusieurs centaines de degrés- de permettre de contrôler celle-ci et de la limiter aux alentours de la température ambiante, comme cela est décrit dans l'article cité plus haut. En outre, selon l'invention, ils permettent d'augmenter et de régler l'anisotropie magnétique perpendiculaire. Dans une première série d'expériences, la température de dépôt était voisine de 20"C et le champ magnétique appliqué était de l'ordre de 7.105/4r A/m (700 Oe). Des couches amorphes de composition (CoBZr7)l XIRX -où Zr est l'élément amorphisant- ont été étudiées pour toute une série de terres rares magnétiques. Pour certaines terres rares substituées et notamment Gd et Sm, il se développe un champ d'anisotropie perpendiculaire au plan de la couche mince, donc perpendiculaire au champ appliqué. Ce résultat est très surprenant et totalement inattendu. Deux autres séries d'expériences effectuées en fonction de la valeur du champ magnétique appliqué et de la température de dépôt ont montré que la grandeur de l'anisotropie perpendiculaire variait fortement en fonction de ces deux paramètres. Ainsi, une deuxième série d'expériences a consisté à étudier l'influence de l'intensité du champ magnétique appliqué sur la valeur de l'anisotropie perpendiculaire Kp. Les variations observées de K sont effectivement très importantes et suivent des processus qualitativement identiques selon les terres rares. Quand le champ appliqué est faible (inférieur à (104/4z) A/m, soit 10 Oe, l'anisotropie perpendiculaire n'est pas détectable. Celle-ci apparaît pour des champs faibles de (40.103/4n) A/m à (105/4X) A/m, (soit de 40 à 100 Oe) augmente rapidement pour des champs intermédiaires et varie plus faiblement pour les champs ap pliqués plus élevés (7.105/4z) \ A/m à (1,2.106/45r) A/m, soit 700 à 1200 Oe. On peut donc moduler d'une façon précise l'anisotropie perpendiculaire en fonction du champ appliqué dans le plan du dépôt, la valeur maximum de K étant fonction de la nature de la concentration de la terre rare. Ainsi, pour une concentration donnée, la valeur de Kp est systématiquement plus grande dans les alliages substitués au Sm que dans les alliages au Gd, et Kp augmente continûment avec la concentration en terre rare, tout au moins pour la gamme de concentration étudiée (0 Ces résultats sont liés à la différence de structure électronique existant entre les deux terres rares. Ainsi, pour 2% de Sm, on atteint 2 à 3.105 erg/cm3 pour des champs appliqués de (106/4,r) A/m (103 Oe), valeur à comparer à celle obtenue pour F40lD20 (Kp de l'ordre de 2 à 5x106 erg/cm3). Une autre série d'expériences a révélé l'influence importante de la température du dépôt sur l'anisotropie Kp. Sur des couches substituées au Gd et déposées à -1000C l'anisotropie perpendiculaire est négligeable, mais sa valeur augmente fortement quand la température du dépôt atteint la température ambiante. L'ensemble de ces résultats montre donc que l'on peut faire varier la valeur de l'anisotropie perpendiculaire dans des gammes très importantes en faisant varier à la fois le module du champ magnétique appliqué dans le plan du dépôt et la température de dépôt. La figure 3 rassemble les résultats pour (co93zr7)98m2. Le champ magnétique appliqué figure en abscisses (en Oersted, soit (1000/4in) A/m) et l'anisotropie Kp en ordonnées (en 105 erg/cm3 ) . La figure 4 correspond à deux compositions à base de gadolinium, respectivement (CQ3Zr7)98Gd2 et (Co93Zr7)Gd1. Sans que la portée ou la validité de l'invention ne soit en rien liée aux explications qui vont suivre, il peut être indiqué à titre explicatif que le Demandeur pense pouvoir rendre compte des phénomènes surprenants observés de la manière suivante. Il est supposé que l'anisotropie perpendiculaire est d'origine pseudocristalline, c'est-à-dire que la structure locale de ces matériaux amorphes est similaire à celle qu'on observe dans les composés cristallins correspondants. Cette similitude structurelle est favorisée par les déformations locales survenant au cours de la préparation si le matériau est soumis à des apports énergétiques adéquats. Les composés cristallins du type MT-TR présentent, pour une très large gamme de concentration, une structure du type hexagonale. Généralement, ces matériaux possèdent une forte anisotropie magnétique, la direction de l'axe facile étant orientée, soit suivant l'axe de l'hexagone (axe c), soit suivant le plan perpendiculaire à l'axe c (anisotropie à plan facile). Pour un matériau avec un certain type de terre rare, les deux configurations magnétiques sont possibles, suivant la température. Il existe donc une température de réorientation de l'anisotropie entre ces deux directions, température dont la valeur dépend de la nature et de la concentration de la terre rare. La présente invention pourrait être interprétée en supposant qu'à la température de formation de la couche mince -température dépendant de l'énergie des particules- l'anisotropie est du type planaire. Entre cette température et l'ambiante, il y aurait un processus de réorientation de l'anisotropie. Il faut souligner, pour finir, que l'utilisation d'un champ magnétique pendant le dépôt présente un autre avantage, qui est celui d'améliorer considérablement l'homogénéité chimique de la couche déposée. Des mesures en résonance magnétique effectuées par le Demandeur ont montré que les échantillons déposés dans les conditions traditionnelles -donc sans champ magnétique appliqué- présentent des hétérogénéités chimiques locales assez importantes. L'application d'un champ pendant le dépôt permet de supprimer quasi-complétement ces hétérogénéités, les dépôts étant d'autant plus homogènes que le champ est élevé. En conclusion, en ajustant, selon l'invention, convenablement la valeur du champ appliqué et/ou la température du substrat pendant le dépôt, on peut obtenir les améliorations suivantes par rapport aux procédés connus - variation dans des proportions très impor tantes de la valeur de l'anisotropie perpen diculaire pour une terre rare donnée, - augmentation de la valeur de l'anisotropie perpendiculaire dans des compositions tradi tionnelles du type FeTb, - par substitution de Sm et/ou de Gd dans les alliages amorphes, augmentation de l'aniso tropie perpendiculaire dans des composés où celle-ci était plutôt faible, et possibilité d'obtenir des compositions nouvelles ; (ceci est particulièrement intéressant pour les al liages contenant les terres rares légères, lesquelles contribuent à la rotation de KERR, en particulier dans la gamme de longueur d'onde du visible) - amélioration de l'homogénéité chimique, d'où réduction du bruit intrinsèque du milieu et augmentation du rapport signal sur bruit du système magnétooptique. REVENDICATIONS 1. Procédé de réalisation de couches minces à anisotropie magnétique perpendiculaire, ces couches ayant une composition MT-TR où MT est au moins un métal de transition dont l'un au moins est magnétique et TR est au moins une terre rare, ce procédé consistant à déposer ces couches sur un substrat sous vide, et étant caractérisé par le fait que l'on applique à la couche en cours de dépôt un champ magnétique continu dirigé dans le plan de la couche et que l'on règle l'intensité de ce champ magnétique en fonction de l'anisotropie perpendiculaire désirée. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le métal de transition magnétique est pris dans le groupe constitué par Fe, Co, Ni. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la composition comprend un métal de transition non magnétique pris dans le groupe constitué par Zr, Nb, Ti, Mo. 4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la terre rare TR est prise dans le groupe constitué par Tb, Dy, Gd, Sm, Y, Nd, La, Pr. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait que le composé comprend au moins deux terres rares différentes (MT, TRI, TR2, ...). 6. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la composition de la couche est (Co,yZry)l IRX où x et y sont des pourcentages. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé par le fait que x est supérieur à 0 et inférieur à environ 30. 8. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la composition de la couche est Fe1-rTRr. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé par le fait que x est voisin d'environ 20. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la terre rare est le gadolinium (Gd). 11. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la terre rare est le samarium (Sm). 12. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on règle la valeur du champ magnétique appliqué dans le plan de la couche entre environ (105/4#) A/m (100 Oe) et (1,2106/4X) A/m (1200 Oe). 13. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on règle en outre la température du substrat.