具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、形变方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“竖向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

目前在铁磁薄膜材料制备领域中，主要集中在通过氧化物调节、施加电压、脉冲激光照射、晶格应变等方法来调节铁磁薄膜材料的磁各向异性，其调控效果对工艺条件非常敏感，而且还可能对薄膜的结构产生一定的影响，如引起层间原子互扩散、局部击穿、薄膜开裂等，在一定程度上不利于工业化生产和应用。基于此，本发明提供了一种简单、控制方便、效率高且成本低的铁磁薄膜材料的制备方法，能够增加铁磁薄膜材料的垂直磁各向异性，有利于改善电子器件的功耗、存储密度以及稳定性。

具体地，本发明通过在经过表面抛光和氩离子轰击处理后的Si基片上，沉积Ta/TiC/Co/Ta多层膜结构的方式，并在沉积完毕后进行热处理和冷却降温的方式，制备得到铁磁薄膜材料。本发明通过在制备所述铁磁薄膜材料的Co薄膜的过程中，引入适当的TiC缓冲层，就能显著增强Co薄膜的垂直磁各向异性。

本发明的原理在于：对Si基片进行表面抛光和表面氩离子轰击的作用在于：可以大大减小基底表面的粗糙程度、减少表面的氧化层，以保证后续沉积的薄膜能够产生良好的织构和界面质量。在上述处理完毕的Si基片上沉积Ta/TiC/Co/Ta多层膜结构，再利用300～500℃热处理过程让TiC层和Co层能够产生适当的界面原子融合。一方面，通过Ti和Co之间的晶格外延，增强Co薄膜的(002)织构；另一方面，利用Co原子的3d电子和C原子的2p电子之间的适当杂化，调节Co的能带劈裂，以增加Co薄膜的垂直磁化和面内磁化的能量差，最终使得所述铁磁薄膜材料的垂直磁各向异性显著增加。

可以理解的是，本发明通过采用表面抛光和氩离子轰击处理过的硅基底，利用磁控溅射方法，在处理后的硅基底上，依次沉积Ta原子、TiC原子、Co原子以及Ta原子，形成具有Ta/TiC/Co/Ta的多层膜结构，增强了所述铁磁薄膜材料的垂直磁各向异性。本发明的所述铁磁薄膜材料的制备方法的调控效果好，对工艺条件不敏感，而且由于本发明通过热处理的步骤，能够使得TiC层和Co层产生适当的界面原子融合，确保所述铁磁薄膜材料的结构稳定性，避免了引起对铁磁薄膜的结构产生影响：如引起层间原子互扩散、局部击穿、薄膜开裂等。

具体地，如图1所示，根据本发明的一种增加铁磁薄膜材料的垂直磁各向异性的方法的具体步骤被阐明。

如图1所示，所述铁磁薄膜材料的制备方法包括步骤：

S1、对Si基片进行表面抛光和氩离子轰击处理，所述Si基片厚度为0.5～0.7毫米；抛光后的表面粗糙度0.5～1.5纳米；氩离子轰击电流为5～15mA，轰击时间为3～5分钟；

S2、利用磁控溅射方法，在步骤S1中，所述Si基片上依次沉积Ta原子、TiC原子、Co原子以及Ta原子，形成具有Ta缓冲层/TiC/Co/Ta保护层的多层膜结构，溅射室的本底真空度1×10^-5～3×10^-5Pa，氩气的工作气压为0.3～0.6Pa；沉积得到的Ta缓冲层的厚度为TiC层的厚度为Co层的厚度为Ta保护层的厚度为TiC层中的Ti和C的原子比为1.2:1～1:1.4；S3、在真空环境下，对步骤S2中得到的多层膜结构进行热处理，所述真空环境的真空度为1×10^-5～3×10^-5Pa，热处理的温度为300～500℃，保温时间为30～120分钟；最后，冷却到室温，得到铁磁薄膜材料。

可以理解的是，由于硅基片表面的粗糙程度、氧化层均会对硅基片和Ta缓冲膜之间的织构和界面产生影响，因此需要在所述步骤S1中对硅基片进行表面抛光和氩离子轰击处理。在所述步骤S1中，对硅基片进行表面抛光和表面氩离子轰击后，可以大大减小硅基底表面的粗糙程度、减少硅基底表面的氧化层，以保证后续沉积的薄膜能够产生良好的织构和界面质量。

值得一提的是，在所述步骤S1中，对硅基片进行表面抛光和氩离子轰击处理的顺序优选依次进行表面抛光处理、氩离子轰击处理。

还值得一提的是，由于硅基片的厚度也会对铁磁薄膜材料的垂直各向异性产生影响，硅基片太厚会影响表面粗糙度，不利于薄膜织构的形成；硅基片太薄容易产生大量晶体缺陷，不利于薄膜中的轨道杂化。因此在制备铁磁薄膜材料时，对硅基片的厚度有所要求：在所述步骤S1中，硅基片的厚度为0.5～0.7毫米；抛光后的硅基片的表面粗糙度0.5～1.5纳米，以此能够确保硅基片和Ta缓冲层之间能够形成良好的织构和界面质量。

进一步地，在所述步骤S1中，对硅基片进行氩离子轰击处理的具体工作参数为：氩离子轰击电流为5～15mA，轰击时间为3～5分钟，如此即可确保去除掉硅基片表面的氧化层，确保后续沉积的薄膜能够产生良好的织构和界面质量。

进一步地，在所述步骤S2中，采用磁控溅射方法，在表面抛光和轰击处理后的硅基片上依次沉积Ta原子、TiC原子、Co原子以及Ta原子的具体工作参数为：溅射室的本底真空度1×10^-5～3×10^-5Pa，氩气的工作气压为0.3～0.6Pa；沉积得到的Ta缓冲层的厚度为TiC层的厚度为Co层的厚度为Ta保护层的厚度为TiC层中的Ti和C的原子比为1.2:1～1:1.4。

优选地，TiC层中的Ti和C的原子比为1:1，综合考虑Ti对Co的晶格外延作用以及C和Co原子之间的轨道杂化作用，应该选择Ti和C的原子比为1:1。

值得一提的是，在所述步骤S3中，在真空环境下，对具有Ta/TiC/Co/Ta的多层膜结构进行热处理的具体工作参数为：所述真空环境的真空度为1×10^-5～3×10^-5Pa，热处理的温度为300～500℃，保温时间为30～120分钟。

可以理解的是，在步骤S3中，采用真空度为1×10^-5～3×10^-5Pa，热处理的温度为300～500℃，保温时间为30～120分钟的工作参数的原因为：能够使得TiC层和Co层产生适当的界面原子融合，确保所述铁磁薄膜材料的结构稳定性，避免了引起对铁磁薄膜的结构产生影响：如引起层间原子互扩散、局部击穿、薄膜开裂等。

应该理解的是，本发明的所述铁磁薄膜材料的制备方法实际上也是一种增加铁磁薄膜材料的垂直磁各项异性的方法。

以下将结合具体实施例对本发明的所述增加铁磁薄膜材料的垂直磁各向异性的方法进行详细说明：

如图2所示，本发明的第一优选实施例被具体阐明。这一实施例铁磁薄膜材料的制备条件为：

首先，对Si基片进行表面抛光和氩离子轰击处理，其中，基片厚度为0.5毫米，抛光后的表面粗糙度0.5纳米；氩离子轰击电流为5mA，轰击时间为3分钟。

然后，利用磁控溅射方法，在上述处理后的Si基片上，依次沉积Ta原子(厚度为)、TiC原子(厚度为)、Co原子(厚度为)以及Ta原子(厚度为)，从而制备Si基片/多层膜，溅射沉积前的本底真空度为1×10^{- 5}Pa，溅射时氩气压为0.3Pa。TiC层中的Ti和C的原子比为1.2:1。

沉积完毕后，对其在真空环境下进行热处理，真空度为1×10^-5Pa，300℃/30分钟，以促进TiC和Co层能够产生适当的界面原子融合。

然后，在室温下利用综合物理测试系统测量样品的磁滞回线，其磁场方向沿着膜面方向或垂直于膜面方向，即得到图2中的面内曲线和垂直曲线。

如图3所示，本发明的第二优选实施例被具体阐明。这一实施例铁磁薄膜材料的制备条件为：

首先，对Si基片进行表面抛光和氩离子轰击处理，其中，基片厚度为0.6毫米，抛光后的表面粗糙度1纳米；氩离子轰击电流为10mA，轰击时间为4分钟。

然后，利用磁控溅射方法，在上述处理后的Si基片上，依次沉积Ta原子(厚度为)、TiC原子(厚度为)、Co原子(厚度为)以及Ta原子(厚度为)，从而制备Si基片/多层膜，溅射沉积前的本底真空度为2×10^-5Pa，溅射时氩气压为0.4Pa。TiC层中的Ti和C的原子比为1:1。

沉积完毕后，对其在真空环境下进行热处理，真空度为2×10^-5Pa，400℃/60分钟，以促进TiC和Co层能够产生适当的界面原子融合。

然后，在室温下利用综合物理测试系统测量样品的磁滞回线，其磁场方向沿着膜面方向或垂直于膜面方向，即得到图3中的面内曲线和垂直曲线。

以第二优选实施例的铁磁薄膜材料为例，通过TiC层的厚度，可以获得TiC厚度对其磁各向异性能(K)的影响关系图，如图4所示。从图4可以看出，随着TiC厚度的增多，界面磁各向异性能由-1.41×10⁶erg/cm³增加到1.07×10⁶erg/cm³，显著增加了2.48×10⁶erg/cm³，这说明TiC层的引入可以有效增强Co薄膜的垂直磁各向异性。

如图5所示，本发明的第三优选实施例被具体阐明。这一实施例铁磁薄膜材料的制备条件为：

首先，对Si基片进行表面抛光和氩离子轰击处理，其中，基片厚度为0.7毫米，抛光后的表面粗糙度1.5纳米；氩离子轰击电流为15mA，轰击时间为5分钟。

然后，利用磁控溅射方法，在上述处理后的Si基片上，依次沉积Ta原子(厚度为)、TiC原子(厚度为)、Co原子(厚度为)以及Ta原子(厚度为)，从而制备Si基片/多层膜，溅射沉积前的本底真空度为3×10^-5Pa，溅射时氩气压为0.5Pa。TiC层中的Ti和C的原子比为1:1.4。

沉积完毕后，对其在真空环境下进行热处理，真空度为3×10^-5Pa，500℃/120分钟，以促进TiC和Co层能够产生适当的界面原子融合。

然后，在室温下利用综合物理测试系统测量样品的磁滞回线，其磁场方向沿着膜面方向或垂直于膜面方向，即得到图5中的面内曲线和垂直曲线。

可以理解的是，从图2至图5可以看出，在改变制备条件尤其是TiC层的厚度时，铁磁薄膜的易磁化方向由面内方向转变为垂直膜面方向，说明：TiC层可以有效地调节Co薄膜的磁各向异性。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。