[发明专利]对向靶反应溅射外延四氧化三铁薄膜的设备及操作方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及一种反应溅射制备外延四氧化三铁薄膜的设备及操作方法，更具体地，是一种涉及与现有工业化生产兼容、靶材选择简单的反应溅射制备方法。

背景技术

近年来，由于在磁信息存储和读取方面具有巨大的应用前景，自旋电子学材料备受关注。2007年的诺贝尔物理学奖授予了自旋电子学的开创者Albert Fert和Peter Grünberg两位教授。现在，如何获取高自旋极化的电流仍然是自旋电子学领域的热点问题之一。半金属材料在费米面附近只存在一个自旋方向的电子态密度，所以具有100％自旋极化率，可以作为自旋注入材料。常见的半金属材料有NiMnSb、La_1-xCa_xMnO₃、Sr₂FeMoO₆、CrO₂和Fe₃O₄Fe₃O₄在室温和标准大气压下具有立方反尖晶石结构，晶格常数为a＝8.396。在尖晶石结构的单胞中，由四个O^2-形成的四面体中心被称为A位；由六个O^2-形成的八面体的中心被称为B位。A与B位的次晶格上的离子都是铁磁性排列，A位与B位间的磁矩则通过O^2-的超交换而成反铁磁排列，形成亚铁磁性。

Fe₃O₄的费米面位于自旋向下的t_2g传导子带。由于具有较高的居里温度(858K)和电阻率连续可调等优点，可作为向半导体进行自旋注入的自旋注入源，是磁性隧道结、自旋阀等自旋电子学器件的理想候选材料，从而受到广泛的关注。

实验室中制备外延Fe₃O₄薄膜主要采用分子束外延和脉冲激光沉积法，而工业化生产薄膜的制备手段主要采用溅射法，但前溅射法制备外延Fe₃O₄薄膜的结构并不理想。比如S.Soeya等人在Appl.Phys.Lett.2002年第80卷823页的文献中报道了利用射频溅射陶瓷靶的方法制备出了含有α-Fe₂O₃杂相的外延Fe₃O₄薄膜；J.M.D.Coey等人在Appl.Phys.Lett.2005第86卷212108页的文献中报道了利用直流反应磁控溅射法在GaAs基底上制备了<111>方向取向生长但并非外延结构的多晶Fe₃O₄薄膜；同样地，C.Boothman等人在J.Appl.Phys.2007年第101卷123903页的文献中报道了利用反应溅射法在Si基底上制备出<111>取向而非外延Fe₃O₄薄膜。综合来看，采用溅射法制备出外延Fe₃O₄薄膜仍然是技术难题，尤其采用Fe靶作为靶材利用反应溅射法制备出外延Fe₃O₄薄膜更是未有相关报道。本专利通过实验探索，采用市售的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机首次成功制备了外延Fe₃O₄薄膜。

发明内容

从工业化生产的角度来讲，需要使用溅射法和利用尽可能简单的靶材来制备外延Fe₃O₄薄膜。本发明即从以上两个目的出发，开发了对向靶反应溅射法制备外延Fe₃O₄薄膜的方法。

本发明的对向靶反应溅射外延四氧化三铁薄膜的设备，是采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的DPS-III型超高真空对向靶磁控溅射镀膜机。

对向靶反应溅射外延四氧化三铁薄膜的设备的方法，其特征是步骤如下：

1)在镀膜机的对向的靶头上安装一对纯度为99.99％的Fe靶，两个靶头各一个，一头作为磁力线的N极，另一头为S极；靶材的厚度为0.5～3mm，直径为60mm；

2)将基底材料表面杂质清除后，将基底安装在对向靶连线的中垂线上，基片与对向靶的两个Fe靶连线的垂直距离为4～6cm；

3)开启DPS-III对向靶磁控溅射设备，先后启动一级机械泵和二级分子泵抽真空，直至溅射室的背底真空度优于8×10^-6Pa；