Синтез и свойства пленок Mg(Fe0, 8Ga0, 2)2O4-δ на подложках Si с термостабильными межфазными границами, страница 12

Глава II), катионное содержание которого количественносоответствовало керамической мишени состава Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ.Методом ионно–лучевого распыления–осаждения были полученыпленки состава Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ различной толщины (от 200 до 2000 нм) накремниевой подложке с использованием буферного слоя диоксида кремниятолщиной 40 нм.СвеженапыленныепленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δхарактеризуютсязеркально гладкой поверхностью, и являются частично прозрачными воптическомдиапазонеизлучений,начтоуказываетналичиеинтерференционных колец (рисунок 3.13).Как видно из рисунка 3.14 поверхность пленок является гладкой нананометровом уровне, среднеквадратичная шероховатость пленки непревышает 1 нм.

Такая слаборазвитая структура поверхности указывает наотсутствие кристаллической фазы шпинели, для которой характернообразование крупных кристаллитов, что также подтвердили данныерентгеноструктурного анализа показавшие лишь пики, характерные для73кремниевой подложки. Также отсутствовали пики барьерного слоя SiO2, чтоуказывает на его аморфную структуру.Рисунок 3.13 – Свеженапыленные пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δРисунок 3.14 – АСМ изображение поверхности свеженапыленнойпленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δКак видно из результатов послойного оже-анализа свежеосажденныхпленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщинами 250, 350 и 550 нм (рисунок 3.15),полученных в различных условиях, в состав пленки, полученной приускоряющем напряжении 800 В и плотности тока разряда 0,4 мА/см2, входитзначительное (до 7 ат %) количество кремния [105]. При этом распределениекремния в пленке Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ равномерно по всей толщине пленки.Можно предположить, что свеженапыленная пленка содержит проколы,которые фиксируются по наличию кремния по всей толщине74Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ.

По-видимому, в этом случае условия синтеза материалане являются оптимальными для получения пленки требуемого качества. Втоже время пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ, полученные при увеличенииускоряющего напряжения с 0,8 до 1,4–1,6 кэВ и плотности тока пучка ионоваргона 0,2 ÷ 0,3 мА/см2 соответствуют составу мишени и не содержаткремния по толщине пленки.Рисунок 3.15 – Послойный оже–анализ пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ,напыленных в различных условиях [105]Необходимо отметить, что перед процессом напыления мишень составаMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ предварительно распылялась в течение 4 часов для того,чтобы выровнять скорости распыления всех ее компонент. Как известно,первоначально в процессе распыления многокомпонентных мишеней за счетразличий в коэффициентах распыления компонент происходит обеднение75поверхностного слоя наиболее легкораспыляемой компонентой.

Вследствиеэтого, состав пленки отличается от состава поверхности мишени. Затемвследствие обогащения поверхности компонентами с малым коэффициентомраспыления и более глубоким залеганием компоненты с высокимкоэффициентовраспыленияскоростираспылениякомпонентвыравниваются. В работе экспериментально установлено, что в течение 4часов происходило выравнивание скоростей распыления компонент, т.е.состав пленки соответствовал составу исходной мишени, находящемуся нанекоторой глубине, которая, как правило, сравнима с длиной пробега иона втвердом теле.Следует подчеркнуть, что исследования по распределению элементовпроводились при различных толщинах пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ(рисунок 3.15), однако как показывают результаты измерений, этот факторпрактически не влияет на состав пленок.

Из этих экспериментов можносделать вывод об определяющей роли параметров распыления на составпленки.Как оказалось (рисунок 3.15), все полученные пленки являютсяанионодефицитными (отклонение от кислородной стехиометрии составляетпорядка 5%). Это можно объяснить тем обстоятельством, что процессыполучения пленок осуществлялись при низком парциальном давлениикислорода. Наиболее значительное отклонение от катионной стехиометриинаблюдалось на межфазной границе пленка–подложка.Таким образом, послойный оже–анализ, проведенный длясвеженапыленных пленок шпинели, полученных при значения ускоряющегонапряжения на катоде ионного источника 0,8 кэВ и 1,5 кэВ показывает, чтоусловия распыления мишени ионами аргона с энергиями 0,8 кэВ и вышеобеспечивают поэлементный перенос материала мишени на подложку сточностью не хуже 5%.

В случае ускоряющего напряжения 0,8 кэВ энергииадатомов, осаждаемых на поверхность подложки не достаточно дляравномерного распределения по поверхности. Поэтому данные послойногооже–анализа пленки в этом случае показывают наличие кремния по всейтолщине пленки. Иными словами, пленка является существеннонеравномерной по толщине, вплоть до формирования «проколов».76В тоже время, значение ускоряющего напряжения 1,8 кэВ обеспечиваетдостаточную энергию адатомов для формирования однородной иравномерной по толщине пленки.SRIM моделирование кинетики атомов аргона с энергиями 0,8 кэВ и1,5 кэВ (рисунок 3.16) в мишень показало, что глубина проникновения, и, какследствие глубина выхода атомов мишени, напрямую зависит от энергиипервичного ионного пучка.

Поэтому повышение ускоряющего напряженияне только обеспечивает высокую подвижность адатомов, но и позволяетнивелировать влияние приповерхностных дефектов и примесей,адсорбированных на поверхности мишени.Рисунок 3.16 – SRIM моделирование проникновения атомов аргона вмишеньВ таблице 3.3 отражены основные параметры химических элементов,входящих в состав шпинели, а также их стехиометрическое соотношение, вт.ч.

выраженное в процентах. Данные получены на основе моделирования сиспользованием пакета программ SRIM2012.77Таблица 3.3 − Основные параметры химических элементов, входящих всостав Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δХимический элементАт.номерАт.масса,г/мольОтн.кол-воОтн.кол-во,%МагнийГаллийЖелезоКислород123126824,30569,7255,84715,99910,41,6414,295,7722,8057,14Энергия Энерг Поверхсублимаияностнаяции, эВ решет энергия,ки, эВэВ2531,542532,822534,342832Следует отметить, что значения граф «энергия сублимации», «энергиярешетки», «поверхностная энергия» могут являться оценочными, иосновываются на математической аппарате пакета программ SRIM2012.Более наглядно определяющая роль энергии пучка ионов аргона впроцессе распыления была зафиксирована при получении пленок кобальта накремниевой подложке [120]. Установлено, что при распылении кобальтаионами аргона с энергией менее 0,8 кэВ на начальной стадии распыленияформируется структура, состоящая из гранул правильной формы схарактерными поперечными размерами 20–30 нм и высотой до 8 нм спустотами и проколами (рисунок 3.17).

При увеличении толщины слоякобальта происходит преимущественное заращивание впадин рельефаповерхности, заполнение пустот в области проколов и образованиесплошного слоя. В тоже время при энергии ионов Ar+ более 1,2 кэВнаблюдается рост сплошных пленок с момента зарождения.Анализ свеженапыленной пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ и интерфейснойобласти показали высокую степень однородности пленки и ее равномерностьпо толщине (рисунок 3.18). Отсутствие полостей и неоднородностей вобъеме пленки, четкая интерфейсная граница, и гладкая на нанометровомуровне поверхность пленки указывают на ее высокую плотность.

Этот фактподтверждает выбор оптимальных параметров ионно–лучевого напыленияпленок: атмосфера аргона, ток пучка 0,3 мА, ускоряющее напряжение 1,5 кВ,давление 2*10-4 Торр.785Рисунок 3.17 – РЭМ- и АСМ-микрофотографии (на вставках)поверхности гетероструктур Au(2 нм)/Co(2 нм)/Si, полученных при энергиипучка ионов аргона 0,5 кэВ (а) и 1,5 кэВ (б) [120]100 нм500 нмРисунок 3.18 – Поперечное сечение (слева) и рельеф поверхности(справа) свеженапыленной пленки Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ3.4 ОсобенностипроцессовкристаллизацииMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 200-2000 нм на кремнии.пленок3.4.1 Выбор режимов постростового отжига пленок Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δПостростовой отжиг наиболее важный этап с точки зренияформирования магнитных свойств и кристаллографической структурыпленок. Высокотемпературное воздействие приводит к интенсивнойвзаимной диффузии материалов пленки и подложки, вследствие чегопроисходит формирование интерфейсной области, негативно влияющей нанаследование пленкой магнитных свойств мишени.

Толщина интерфейсной79области определяется, прежде всего, температурой и продолжительностьюотжига, причем ее формирование начинается при температурах меньших,чем требуется для кристаллизации пленки.Для создания пленок состава Mg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ, обладающихсвойствами объемного аналога, наряду с режимами ионно–лучевогораспыления–осаждения, необходимо подобрать эффективный барьерныйслой, определить его минимальную толщину, и выбрать наиболееоптимальные режимы постростового отжига.Кристаллизация при отжиге 900°С в течение 40 мин. приводит кформированию достаточно плотных кристаллитов в виде прямоугольныхнаклонных призменных блоков, опирающихся основанием на подложкукремния. Кристаллиты смыкаются друг с другом, формируя чешуйчатуюструктуру, у которой в местах состыковки наблюдаются неглубокие дефектыупаковки с примерно правильными 60° границами (рисунок 3.19).Можно считать, что поликристаллическая структура пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщиной 0,22 мкм (отжиг при 1000°С, 40 мин на воздухе)состоит из кристаллитов в виде столбиков поперечных размеров 40–70 нм,нормально ориентированных к поверхности подложки.

В местах сопряжениянесколькихкристаллитов,присутствуютсквозныепроколы,непревышающие в поперечных размерах 10 нм.аб200 нм500 нмРисунок 3.19 – Микрофотография поверхности пленкиMg(Fe0,8Ga0,2)2O4–δ толщинами 0.22 (а) и 0.16 мкм (б)Такая морфология поверхности пленки соответствует завершенностипроцессов кристаллизации осажденной пленки. Т.е., если при 900°С отжиг80недостаточен для получения однофазной поликристаллической пленки в видеферрит-шпинели (не весь осажденный материал аморфного металлоксидакристаллизуется), то при 1000°С, наряду с завершенностью процессакристаллизации, наблюдается формирование примесей из-за взаимодействияпленки с подложкой [121].