Procédé pour régler la dimension des bulles d'éléments à bulles magnétiques

Abstract

 L'invention a pour objet un procédé pour régler la dimension des bulles d'éléments à bulles magnétiques.
On fabrique ces éléments par dépôt par épitaxie en phase liquide sur un substrat non magnétique d'un film de grenat ferrimagnétique de formule:

dans laquelle T¹, T² et T³ qui sont différents, représentent un élément de la série des terres rares y compris l'yttrium, a, b, c, et d, sont des nombres tels que leur sommes soit sensiblement égale à 3, et e et f sont des nombres tels que leur somme soit sensiblement égale à 5.
Pour obtenir plusieurs éléments ayant des dimensions de bulles différentes par exemple de 1,5 à 3 µm, on utilise des bains d'épitaxie comprenant les mêmes quantités d'oxyde de fer, d'oxydes des éléments T^l, T² et T³ et d'oxyde de germanium, et on règle la quantité d'oxyde ou de carbonate de calcium de chaque bain ainsi que la température et la durée du dépôt, en fonction de la dimension des bulles que l'on veut obtenir.

Description

[0001] La présente invention a pour objet un procédé pour régler à des_`valeurs voulues les dimensions des bulles d'éléments à bulles magnétiques lors de leur fabrication par épitaxie en phase liquide.

[0002] On rappelle qu'un élément à bulles znagnéti- ques est constitué par une couche magnétique comportant de petits domaines magnétiques ayant une induction magnétique opposée à celle de la matière qui les entoure dans la couche.

[0003] Dans une couche magnétique monocristalline telle qu'un film de grenat magnétique, présentant une anisotropie magnétique uniaxiale perpendiculaire au plan de la couche, il est possible de créer des domaines magnétiques, en général cylindriques, dans lesquels l'induction magnétique possède un sens opposé à celui qu'elle présente dans le reste de la couche.

[0004] Ces domaines, appelés traditionnellement "bulles", sont stabilisés à leur dimension de fonctionnement sous l'action d'un champ magnétique continu, dit champ de polarisation, qui doit être perpendiculaire à la couche et ils peuvent être déplacés dans le plan de la couche sous l'action de motifs dits de propagation, magnétisés par un champ magnétique tournant appliqué dans le plan de la couche. Ainsi, on peut réaliser des circuits, des comparateurs, des mémoires, etc.

[0005] De façon plus précise, la présente invention se rapporte à la préparation d'éléments à bulles magnétiques constitués par des films de grenats ferrimagné- tiques déposés par épitaxie en phase liquide sur un substrat en grenat non magnétique, ces films ayant une direction préférentielle d'aimantation normale au plan du film. Dans de tels films, les domaines magnétiques apparaissent sous forme de cylindres à section droite circulaire, par exemple, positifs à la face supérieure de la couche et négatifs: à la face inférieure du point de vue magnétique, et ils forment ainsi des dipôles magnétiques ayant un axe perpendiculaire au plan de déplacement.

[0006] Pour la réalisation de mémoires à bulles magnétiques, on sait que la capacité de ces mémoires est directement liée au diamètre des bulles magnétiques. Ainsi, pour obtenir une capacité de 256 kbits, on utilise des éléments dont les bulles ont un diamètre de 2,7 µm et pour obtenir des capacités aussi élevées que 0,5 à 1 mégabit, on doit utiliser des éléments dont les bulles magnétiques présentent un diamètre de 3 à 1,5 µm, de préférence de 2,5 et 1,8 µm.

[0007] Aussi, les procédés qui permettent d'ajuster à la valeur voulue le diamètre des bulles magnétiques de tels éléments, sont d'un grand intérêt pour la réalisation de mémoires à bulles magnétiques.

[0008] Jusqu'à présent dans les procédés de fabrication d'éléments à bulles magnétiques par dépôt épitaxi- que en phase liquide, on a contrôlé le diamètre des bulles des éléments en agissant sur la composition du bain d'épitaxie qui comprend les oxydes ou carbonates des éléments entrant dans la composition du film.

[0009] Ainsi, dans le cas de films de grenat de formule :

dans laquelle T^l, T² et _T³ qui sont différents, représentent un élément de la série des terres rares y compris l'yttrium et a, b, c, et d, sont des nombres tels que leur somme soit sensiblement égale à 3, et e et f sont des nombres tels que leur somme soit sensiblement égale à 5, on a contrôlé le diamètre des bulles en modifiant la composition du bain d'épitaxie en ce qui concerne les quantités des différents oxydes de terres rares pour agir sur l'anisotropie et la quantité d'oxyde de germanium pour modifier l'aimantation.(Materials Research Bulletin, vol. 10 n° 1, 1975 et Journal of Crystal Growth, vol. 12, n° 1, décembre 1977).

[0010] En effet, dans les procédés de fabrication de mémoires à bulles- tels que celui décrit dans Journal of Crystal Growth, vol. 12, n° 1, décembre 1977, il est nécessaire de respecter certaines conditions pour obtenir des films de qualité satisfaisante.

[0011] Ainsi, pour diminuer le diamètre d des bulles de l'élément, on doit abaisser la longueur caractéristique 1 du film lorsqu'on veut respecter la condition selon laquelle ce dïamètre d est voisin de l'épaisseur h du film pour obtenir une bonne stabilité des bulles.

[0012] Ceci peut être réalisé en augmentant l'aimantation du film car la longueur caractéristique 1 est définie par la formule :

dans laquelle A représente la constante d'échange, Ku la constante d'anisotropie uniaxiale et M_s l'aimantation à saturation.

[0013] Cependant, lorsqu'on augmente l'aimantation à saturation M_s du film, on diminue généralement le champ d'anisotropie H_k si bien que la condition :

qui est nécessaire pour éviter la nucléation spontanée des bulles, peut difficilement être respectée.

[0014] Aussi, pour que cette condition soit réalisée, on doit jouer sur les quantités respectives des terres rares pour augmenter le champ d'anisotropie H_k.

[0015] Cependant, ce mode de contrôle qui concerne, d'une part, les quantités respectives des différentes terres rares et, d'autre part, la quantité de germanium du bain d'épitaxie présente l'inconvénient de nécessiter une modification relativement importante de la composition du bain d'épitaxie pour passer d'un diamètre de bulles à un autre.

[0016] La présente invention a précisément pour objet un procédé pour régler la dimension des bulles d'éléments à builles magnétiques qui pallie l'inconvénient précité.

[0017] Le procédé selon l'invention pour régler à des valeurs voulues la dimension des bulles d'éléments à bulles magnétiques, lors de la fabrication de tels éléments par dépôt par épitaxie en phase liquide sur un substrat non magnétique d'un film de grenat ferrima- gnétîque de formule

dans laquelle T¹, T² et T³ qui sont différents, représentent un élément de la série des terres rares y compris l'yttrium, a, b, c, et d, sont des nombres tels que leur somme soit sensiblement égale à 3, et e et f sont des nombres tels que leur somme soit sensiblement égale à 5, se caractérise en ce que l'on utilise pour la fabrication desdits éléments des bains d'épitaxie comprenant de l'oxyde ou du carbonate de calcium et des quantités prédéterminées d'oxyde de fer, d'oxydes des éléments _T^l, T² et T³, et d'oxyde de germanium, en ce que l'on règle la quantité d'oxyde ou de carbonate de calcium de chaque bain d'épitaxie en fonction de la dimension de bulles que l'on veut obtenir dans l'élément fabriqué à partir dudit bain, et en ce que l'on effectue le dépôt dudit élément à une température T_d choisie en fonction de la température de saturation T_s du bain pour obtenir une vitesse de croissance V_a adaptée à la dimension de bulles que l'on veut obtenir, en réalisant ce dépôt pendant une duréext telle que l'élément obtenu ait une épaisseur voisine de la dimension des bulles obtenues.

[0018] Avantageusement on choisit la température de dépôt T_d de façon à obtenir une vitesse de croissance au plus égale à 1,5 µm/mn. Par exemple, une vitesse de croissance de 0,5 µm/mn à 1,5 µm/mn pour des dimensions de bulles allant de 1,5 à 3 µm.

[0019] Selon l'invention, le film de grenat ferrimagnétique a de préférence la formule suivante :

[0020] Le procédé tel que caractérisé ci-dessus présente notamment l'avantage de permettre d'ajuster à la valeur voulue le diamètre des bulles de l'élément, en jouant uniquement sur la quantité de calcium présente, sous forme de carbonate ou d'oxyde de calcium par exemple, dans le bain d'épitaxie. Ainsi, on peut régler la longueur caractéristique 1 du film et de ce fait le diamètre d des bulles qui est sensiblement égal à 8 ou 9 1 lorsque l'épaisseur du film est voisine du diamètre des bulles, et agir de plus sur les propriétés des films, en particulier sur l'anisotropie.

[0021] En effet, on a pu mettre en évidence que l'anisotropie est proportionnelle, non seulement à la quantité de calcium qui rentre dans les sites dodécaèdriques, mais également à la quantité de germanium qui rentre dans les sites tétraèdriques. Ceci, crée sur chacun de ces sites un ordre préférentiel qui contribue à la déformation de la structure grenat et à l'anisotropie de croissance.

[0022] Or, on a trouvé que, pour une valeur de 1 constante, l'aimantation et l'anisotropie diminuaient lorsque la quantité de calcium augmentait dans le bain d'épitaxie.

[0023] On pense que, compte tenu d'un certain coefficient de partage, le calcium rentre dans les sites dodécaèdriques et une quantité équivalente de germanium rentre dans les sites tétraèdriques par un mécanisme de compensation de charge. Aussi, lorsqu'on augmente la quantité de calcium dans le bain d'épitaxie, on obtient un dépôt plus important de germanium dans le film et de ce fait une diminution de l'aimantation.

[0024] En ce qui concerne l'anisotropie qui d'après l'art antérieur, est essentiellement due à un certain arrangement des terres rares dans les sites dodécaèdriques, on pense qu'il y a également création d'un ordre dans les sites tétraèdriques où coexistent le fer et le germanium de rayons ioniques très différents. Cet ordre crée une composante supplémentaire à l'anisotropie de croissance. Cependant, lorsque la quantité de calcium, donc de germanium augmente, il y a diminution de l'anisotropie totale du film, ce qui semble indiquer que cette composante complémentaire se soustrait de celle issue des sites dodécaèdriques.

[0025] Les bains d'épitaxie utilisés dans le procédé de l'invention comprennent également un solvant qui est avantageusement constitué par un mélange d'oxyde de bore et d'oxyde de plomb, de préférence dans un rapport molaire oxyde de plomb sur oxyde de bore d'environ 15,6.

[0026] Les quantités des différents oxydes présents dans le bain d'épitaxie sont déterminées également de façon que le bain d'épitaxie conduise à l'obtention d'un film présentant des propriétés magnétiques satisfaisantes.

[0027] Avantageusement, lorsqu'on veut obtenir des éléments dont les bulles ont une dimension comprise entre 1,5 p et 3 µ, la composition du bain d'épitaxie est telle que le rapport molaire R₁ oxyde de fer sur oxydes de terres rares soit compris entre 20 et 25, le rapport molaire R₂ oxyde de fer sur oxyde de germanium soit compris entre 5 et 8, le rapport molaire R₄ espèces dissoutes sur solvant plus espèces dissoutes soit compris entre 0,10 et 0,15 le rapport molaire R₅ oxyde ou carbonate de calcium sur oxyde de germanium soit compris: entre 0,8 et 1,8 et le rapport molaire R₆ oxyde ou carbonate de calcium sur oxydes de terres rares soit compris entre 3 et 8. On précise que la température de saturation (T_s) de bains d'épitaxie ayant une telle composition varie de 900 à 980°C.

[0028] Selon le procédé de l'invention, on dépose des films de grenat à partir de tels bains d'épitaxie sur des substrats non magnétiques réalisés de préférence en Gd₃ ^Ga₅ O₁₂.

[0029] Avantageusement, la croissance du film sur le substrat est réalisée selon la technique d'immersion horizontale du substrat, avec une rotation unidirectionnelle d'environ 200 tours par minute, dans des conditions isothermes, la température de dépôt T_d étant inférieure de 10 à 30°C à la température de saturation du bain, et étant choisie en fonction de la température de saturation T_s du bain de façon à obtenir une vitesse de croissance adaptée à la dimension de bulles que l'on veut obtenir, par exemple, une vitesse de croissance au plus égale à 1,5 micron par minute, et de préférence comprise entre 0,5 et 1,5 micron par minute, lorsque la quantité de calcium du bain est réglée pour l'obtention de bulles de 1,5 à 3 pm.

[0030] En effet, à chaque valeur de T_d correspond une composition de film ayant les propriétés magnétiques désirées ; à chaque valeur de T_d correspond également une vitesse de croissance V a qui fixe le temps de dépôt t tel que V t = h = d = 81 à 91.

[0031] De cette façon, par le choix de la température T_d, on règle, de façon connue, la vitesse de croissance, le temps de dépôt et l'épaisseur de la couche déposée pour qu'elle corresponde approximativement au diamètre de bulle visé, généralement à ± 0,5µm près.

[0032] En effet, la vitesse de croissance est un facteur très important dans l'obtention de couches magnétiques à bulles. Elle est en fait en évolution au cours du temps : elle décroît entre le début et la fin de la croissance d'une coucher et elle décroît en fonction du nombre de couches qui ont été déposées préalablement à partir du même bain. Lorsque la vitesse de croissance est trop importante au début du dépôt, la couche présente une telle inhomogénéité qu'il est impossible d'y créer des bulles stables. Ce phénomène fixe la vitesse de croissance à adopter, qui dépend de la dimension de bulles que l'on veut obtenir à partir du bain.

[0033] Par ailleurs, pour obtenir un élément à bulles magnétiques satisfaisant les conditions de stabilité, il est nécessaire que l'épaisseur de l'élément soit voisine du diamètre des bulles que l'on obtient comme cela est d'ailleurs précisé dans l'article de Parker et W.R. Cox (Journal of Crystal Growth 42 (1977) p. 334 à 342). Aussi, on règle la durée de dépôt t du film de façon à obtenir l'épaisseur voulue.

[0034] L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit donnée bien entendu à titre illustratif et non limitatif, se référant au dessin annexé qui est un diagramme représentant l'évolution du diamètre des bulles de l'élément obtenu en fonction du rapport molaire carbonate de calcium sur oxyde de germanium du bain d'épitaxie.

[0035] On prépare plusieurs bains d'épitaxie qui se différencient uniquement par leur teneur en carbonate de calcium. Chaque bain comprend des quantités d'oxyde de fer Fe₂O₃, d'oxyde d'yttrium Y₂O₃, d'oxyde de samarium Sm203, d'oxyde de lutétïum Lu₂0₃, d'oxyde de germanium GeO₂ et de solvant constitué par de l'oxyde de plomb PbO et de l'oxyde de bore B₂O₃ telles que le rapport molaire R₁ oxyde de fer sur oxydes de terres rares soit de 22,20, le rapport molaire R₂ oxyde de fer sur oxyde de germanium soit de 5,18 et le rapport molaire oxyde de plomb sur oxyde de bore soit de 15,6. Dans ces- différents bains d'épitaxïe, la quantité de carbonate de calcium est telle que le rapport molaire R₅ carbonate de calcium sur oxyde de germanium varie de 0,8 à 1,3. Les différents bains d'épitaxie présentent ainsi les caractéristiques données dans le tableau joint, en ce qui concerne la valeur des rapports R₄R₅ et R₆ et la température de saturation T_s.

[0036] A partir de ces bains d'épitaxie, on dépose des films de grenat sur des substrats en Gd₃ ^Ga₅ ⁰₁₂ ayant environ 2,54 cm de diamètre et 0,5 mm d'épaisseur. Pour chaque dépôt, le substrat est entraîné en rotation à une vitesse de 200 t/mn et on règle la température de dépôt en fonction de la température de saturation du bain, de façon telle que ce bain présente une sursaturation ΔT = T_s - T comprise entre 10 et 30°C.

[0037] Après dépôt du film, on vérifie les propriétés physiques de ce dernier. L'épaisseur du film h est mesurée par la technique d'interférence ; la longueur caractéristique 1 et l'aimantation à saturation 4πMs sont déterminées à partir du diamètre d des bulles et du champ de collapse des bulles H₀ mesurés par la méthode de Fowlis et Copeland, et de l'épaisseur h du film. Le champ d'anisotropie uniaxial H_k est déterminé par résonance ferromagnétique. On détermine également le champ coercitif H_C en excitant une configuration à domaines en bandes par un champ magnétique alternatif dirigé selon la direction (1,1,1,) du cristal et en déterminant l'aimantation photo- électriquement au moyen de l'effet Faraday.

[0038] Les résultats obtenus sont donnés dans le tableau joint.

[0039] Au vu de ce tableau, on constate que pour chaque valeur de rapport molaire C_a/G_e on obtient un diamètre particulier de bulles et que les films obtenus présentent des caractéristiques satisfaisantes aussi bien du point de vue croissance qu'au point de vue des propriétés physiques (aimantation et anisotropie).

[0040] En se reportant à la figure annexée qui illustre l'évolution du diamètre des bulles obtenues en fonction du rapport molaire C_a/G_e (carbonate de calcium sur oxyde de germanium) dans le bain d'épitaxie, on voit qu'on peut déterminer le rapport C_a/G_e à utiliser en fonction du diamètre de bulles que l'on veut obtenir.

[0041] La description précédente fait état des résultats obtenus avec, comme composé de calcium, le carbonate de calcium. Des résultats peuvent être obtenus avec l'oxyde de calcium, le carbonate se transformant en fait en oxyde dans le bain d'épitaxie.

[0042] Par ailleurs, des essais ont montré que le procédé de l'invention était également applicable en remplaçant le samarium par l'europium, et le lutétium par l'ytterbium ou le thulium.

Revendications

1. Procédé pour régler à des valeurs voulues la dimension des bulles d'éléments à bulles magnétiques, lors de la fabrication de tels éléments par dépôt par épitaxie en phase liquide sur un substrat non magnétique d'un film de grenat ferrimagnétique de formule :

dans laquelle T¹, T² et T³ qui sont différents, représentent un élément de la série des terres rares y compris l'yttrium, a, b, c, et d, sont des nombres tels que leur somme soit sensiblement égale à 3, et e et f sont des nombres tels que leur somme soit sensiblement égale à 5, caractérisé en ce que l'on utilise pour la fabrication desdits éléments des bains d'épitaxie comprenant de l'oxyde ou du carbonate de calcium et des quantités prédéterminées d'oxyde de fer, d'oxydes des éléments _T¹, _T² et _T³, et d'oxyde de germanium, en ce que l'on règle la quantité d'oxyde ou de carbonate de calcium de chaque bain d'épitaxie en fonction de la dimension de bulles que l'on veut obtenir dans l'élément fabriqué à partir dudit bain,et en ce que l'on effectue le dépôt dudit élément à une température T_d choisie en fonction de la température de saturation T_s du bain pour obtenir une vitesse de croissance adaptée à la dimension de bulles que l'on veut obtenir, en réalisant ce dépôt pendant une durée t telle que l'élément obtenu ait une épaisseur voisine de la dimension des bulles obtenues.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on choisit la température T_d de façon à obtenir une vitesse de croissance au plus égale à 1,5 µm/mn

3. Procédé selon l'une quelconque des revendications-1 et 2, caractérisé en ce que T¹, _T² et T³ représentent respectivement l'yttrium, le samarium ou l'europium, et le lutétium, l'ytterbium ou le thulium.

4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bains d'épitaxie comprennent un solvant constitué par un mélange d'oxyde de bore et d'oxyde de plomb.

5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le rapport molaire oxyde de plomb sur oxyde de bore est d'environ 15,6.

6. Procédé selon l'une quelconque des revenu dications 4 et 5, caractérisé en ce que l'on règle à une valeur comprise entre 1,5 et 3 µ la dimension des bulles des éléments obtenus en utilisant des bains d'épitaxie ayant une composition telle que le rapport molaire R₁ oxyde de fer sur oxydes de terres rares soit compris entre 20 et 25, le rapport molaire R₂ oxyde de fer sur oxyde de germanium soit compris entre 5 et 8, le rapport molaire R₄ espèces dissoutes sur solvant plus espèces dissoutes soit compris entre 0,10 et 0,15, le rapport R₅ composé de calcium sur oxyde de germanium soit compris entre 0,8 et 1,8 et le rapport R₆ composé de calcium sur oxyde de terres rares soit compris entre 3 et 8.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que pour obtenir des éléments à bulles magnétiques dont les dimensions de bulles varient de 1,5 à 3 µ, on utilise des bains d'épitaxie comprenant des quantités d'oxyde de fer, d'oxydes de terres rares et d'oxyde de germanium telles que le rapport molaire R₁ soit de 22,2 et le rapport molaire R₂ de 5,18, et en ce qu'on fait varier la teneur en composé de calcium desdits bains de façon telle que le rapport molaire R₅ varie de 0,8 à 1,3.

8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'on effectue le dépôt dudit élément à une température T_d choisie de façon à obtenir une vitesse de croissance de 0,5 à 1,5 µm/mn

Dessins