eng
Выпуск #3/2011
Г.Николайчук, В.Иванов, Е.Иванов
Ферромагнитные пленки для полупроводниковой спиновой наноэлектроники
Ферромагнитные пленки для полупроводниковой спиновой наноэлектроники
Просмотры: 3144
Приборы нового поколения спиновой наноэлектроники на сверхвысоких частотах представляют собой гетерогенные структуры. Они характеризуются многофункциональностью (совмещают фильтрацию, задержку сигнала и другие функции); обладают высоким быстродействием при управлении параметрами прибора и легко интегрируются в радиотехнические устройства. Основной элемент спинволнового прибора – волноведущая линия, в качестве которой используется пленка железоиттриевого граната (ЖИГ) состава Y3 Fe5O12.
Теги: ferromagnetic films process spin electronics спиновая электроника технология получения ферромагнитных пленок
Пленки ЖИГ могут быть получены жидкофазной эпитаксией и методами вакуумного напыления – лазерным [1] и ионно-плазменным магнетронным [2].
В ОАО "НИИ "Феррит-Домен" в течение ряда лет проводятся работы по получению, исследованию свойств и применению в СВЧ-приборах пленок ЖИГ, изготовленных по технологии ионно-плазменного магнетронного напыления. Основные преимущества такой технологии [3]: процесс легко управляется, имеет высокую производительность, малые энергозатраты и экологически чист.
Напыление пленок ЖИГ. Основная трудность при использовании методов вакуумного напыления заключается в обеспечении стехиометрического состава осаждаемых пленок. Причина в том, что кислород, входящий в состав исходной мишени, может оказаться в свободном газообразном состоянии и не участвовать в формировании пленки.
Осаждение пленок ЖИГ на подложки гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) Gd3Ga5O12 ориентации (111) проводилось на установке ионно-плазменного магнетронного напыления, модернизированной на базе УРМ 3.279. Для тестовых экспериментов пленки осаждались на пластины монокристаллического кремния ориентации (111).
Установка оборудована двумя устройствами магнетронного напыления (магнетрон на постоянном токе и ВЧ-магнетрон) диаметром 92 мм для распыления ферромагнитных материалов. Для возбуждения разряда на магнетронах использовались блок питания постоянного тока, система возбуждения ВЧ-разряда (генератор ВЧ (13,56 МГц)) и согласую щее устройство. Вакуумная камера установки откачивалась высоковакуумным паромасляным и форвакуумным насосами. Предельно достижимое давление остаточных газов в вакуумной камере ~1х10-6 Торр. Подача рабочего газа осуществлялась по двухканальной газовой системе (для аргона и кислорода).
Для напыления пленок ЖИГ использовалась мишень железоиттриевого граната, изготовленная по керамической технологии и отформованная в виде диска методом горячего изостатического прессования. ЖИГ-пленки осаждались на подложки, нагретые до температуры 500–800°С (система нагрева – резистивный танталовый нагреватель), при постоянном давлении рабочего газа 1x10-3 Торр и мощности в разряде 300 Вт.
В процессе экспериментов изменялось соотношение аргона и кислорода в рабочем газе, диапазон изменения содержания кислорода в рабочем газе – 10–80%.
Свойства пленок. Состав полученных пленок исследовали методами электронной оже-спектроскопии в сочетании с послойным анализом, в процессе которого с исследуемого образца послойно удаляли пленку железоиттриевого граната бомбардировкой потоком ионов аргона (развертка по площади составляла 500х500 мкм).
Оже-анализ проводился в сверхвысоковакуумной установке, созданной на основе камеры УСУ-4, поэтому загрязнение поверхности образца исключено. Диаметр исследуемой области образца около 10 мкм (характерный размер сфокусированного потока электронов оже-спектрометра 09-ИОС-3 с анализатором типа "цилиндрическое зеркало").
Исследовались профили распределения элементов по глубине переходной области в пленках, осажденных при различном содержании кислорода в рабочем газе. Изменение соотношения содержания аргона и кислорода, как и ожидалось, приводит к изменению состава осаждаемых пленок (рис.1). На графике также приведены зависимости содержания элементов в исходной мишени.
Сравнение состава пленок, полученных при различном соотношении аргона и кислорода в рабочем газе, свидетельствует о том, что в формировании пленок участвуют два основных механизма – физическое распыление мишени за счет ионной бомбардировки и механизм реактивного распыления, включающий взаимодействие химически активного газа (кислорода) с компонентами мишени. Пленки ЖИГ стехиометрического состава удалось получить при соотношении аргона и кислорода 1:9 соответственно и нагреве подложки до температуры 700°С.
Химический состав полученных пленок исследовали на электронном микроскопе VEGA//LMU с энергодисперсионным микроанализатором JNCA Energy 350DC. Анализ результатов показал, что пленки близки по стехиометрическому составу к исходной мишени (рис.2).
Толщину пленок ЖИГ измеряли на компьютерном комплексе на основе интерферометра МИИ-4М. Комплекс обеспечивает контроль качества нанесения микро- и нанометровых ферритовых пленок на различные типы подложек. Диапазон толщин полученных пленок ЖИГ – 250–500 нм.
Радиофизические свойства пленок. Измерения ширины линии 2ΔH и намагниченности насыщения 4πMs пленок железоиттриевого граната проводили по методике, разработанной в ОАО "НИИ "Феррит-Домен" (рис.3). Измерение ширины линии ферромагнитного резонанса основано на измерении частотной зависимости коэффициента отражения пленки ЖИГ (рис.4) с применением микрополосковой линии передачи в режиме отражения. Подмагничивающее поле изменялось от 1 до 350 Э. Образец размещался на закороченном отрезке микрополосковой линии.
Ширина линии ферромагнитного резонанса определялась из соотношения 2∆H=2∆f/γ, где
γ=2,8 МГц/Э – гиромагнитное отношение для материала пленки ЖИГ. Из графика (см. рис.4) видно, что ширина полосы отраженного сигнала 2∆f для данного материала равна 12 МГц. Подставляя эту величину в формулу 2∆H=2∆f/γ, получаем ширину линии ферромагнитного резонанса 2∆Н=4 Э.
Применение пленок ЖИГ в фильтрах на спиновых волнах
В макете фильтра (рис.5) на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ) пленка ЖИГ на подложке ГГГ (111) устанавливалась без зазора на микрополосковую поликоровую плату. Входной преобразователь электромагнитных волн (ЭМВ) в ПМСВ и выходной преобразователь ПМСВ в ЭМВ были выполнены в виде несимметричных копланарных линий с шириной зазора 100 мкм, шириной полосков 50 мкм, расстоянием между полосками 200 мкм. Металлизация платы осуществлялась вакуумным напылением меди до толщины 7 мкм. Макет помещался в зазор постоянного магнита так, что смещающее магнитное поле Н0 прикладывалось в плоскости пленки перпендикулярно направлению распространения спиновой волны. Входной СВЧ-сигнал по подводящей микрополосковой линии поступал на преобразователь, который возбуждал в намагниченной до насыщения ферритовой пленке поверхностные магнитостатические волны. Спектр возбуждаемых ПМСВ определялся как параметрами ферритовой пленки (намагниченностью насыщения, полем анизотропии, шириной линии ферромагнитного резонанса), так и величиной и направлением поля подмагничивания. Энергия СВЧ-сигнала распространялась в виде ПМСВ в пленке ЖИГ от входного преобразователя до выходного, где происходило обратное преобразование из ПМСВ в ЭМВ. Местоположение спектра ПМСВ по частоте перестраивалось изменением величины поля подмагничивания.
Амплитудно-частотные характеристики фильтров измеряли векторным анализатором цепей ZVA-40 (фирма Rohde-Schwarz) при мощностях входного сигнала 0,1 и 1 мВт, магнитное поле – миллитесламетром ЭМ3-27. Перестройка фильтра по частоте происходила в диапазоне 0,6–2,8 ГГц (рис.6), толщина пленки ЖИГ составляла 250 нм.
В заключение можно сказать, что композиционные структуры на основе пленок ЖИГ легко совместимы с другими планарными структурами и позволяют получить спинволновой прибор в едином технологическом цикле. Полученные пленки ЖИГ имеют намагниченность насыщения
4πMs = 1750 Гс, ширину линии ферромагнитного резонанса 2∆H=4 Э, а также одинаковый порядок с параметрами пленок, полученных жидкофазной эпитаксией. Пленки ЖИГ были опробованы в управляемых фильтрах на спиновых волнах. Параметры фильтра: вносимые потери от 35 до 25 дБ, ширина полосы пропускания
2∆f = 10 МГц.
Данная работа выполнена в рамках проекта "Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению "Нанотехнологии и наноматериалы" (мероприятие 1.2.2: "Разработка технологии получения нанокластерированных ферромагнитных материалов для приборов полупроводниковой спиновой наноэлектроники"). Контракт №.4907/645-0109 от 3 сентября 2009 года.
Авторы выражают благодарность за участие в работе и обработке экспериментальных результатов С.В.Якункинскому и д.т.н. С.В.Яковлеву (посмертно).
Литература
1. S.A.Manuilov, S.I.Khartsev, A.M.Grishin. Pulsed laser deposited Y3Fe5O12 films. – J. Appl. Phys., 2009, 106, 123917.
2. P.W.Jang, J.Y.Kim. New Growth Metod of Solid Phase Epitaxy in Sputtered YIG films. – IEEE Trans. on Magnetics, 2001, v.37, № 4.
3. Николайчук Г.А., Яковлев С.В. и др. Физические свойства и технология напыления пленок железоиттриевого граната для спинволновой электроники. – Microwave and Telecommunication Crimico, 2008, Conference Proceedings, 2008, v.2, р.552.
В ОАО "НИИ "Феррит-Домен" в течение ряда лет проводятся работы по получению, исследованию свойств и применению в СВЧ-приборах пленок ЖИГ, изготовленных по технологии ионно-плазменного магнетронного напыления. Основные преимущества такой технологии [3]: процесс легко управляется, имеет высокую производительность, малые энергозатраты и экологически чист.
Напыление пленок ЖИГ. Основная трудность при использовании методов вакуумного напыления заключается в обеспечении стехиометрического состава осаждаемых пленок. Причина в том, что кислород, входящий в состав исходной мишени, может оказаться в свободном газообразном состоянии и не участвовать в формировании пленки.
Осаждение пленок ЖИГ на подложки гадолиний-галлиевого граната (ГГГ) Gd3Ga5O12 ориентации (111) проводилось на установке ионно-плазменного магнетронного напыления, модернизированной на базе УРМ 3.279. Для тестовых экспериментов пленки осаждались на пластины монокристаллического кремния ориентации (111).
Установка оборудована двумя устройствами магнетронного напыления (магнетрон на постоянном токе и ВЧ-магнетрон) диаметром 92 мм для распыления ферромагнитных материалов. Для возбуждения разряда на магнетронах использовались блок питания постоянного тока, система возбуждения ВЧ-разряда (генератор ВЧ (13,56 МГц)) и согласую щее устройство. Вакуумная камера установки откачивалась высоковакуумным паромасляным и форвакуумным насосами. Предельно достижимое давление остаточных газов в вакуумной камере ~1х10-6 Торр. Подача рабочего газа осуществлялась по двухканальной газовой системе (для аргона и кислорода).
Для напыления пленок ЖИГ использовалась мишень железоиттриевого граната, изготовленная по керамической технологии и отформованная в виде диска методом горячего изостатического прессования. ЖИГ-пленки осаждались на подложки, нагретые до температуры 500–800°С (система нагрева – резистивный танталовый нагреватель), при постоянном давлении рабочего газа 1x10-3 Торр и мощности в разряде 300 Вт.
В процессе экспериментов изменялось соотношение аргона и кислорода в рабочем газе, диапазон изменения содержания кислорода в рабочем газе – 10–80%.
Свойства пленок. Состав полученных пленок исследовали методами электронной оже-спектроскопии в сочетании с послойным анализом, в процессе которого с исследуемого образца послойно удаляли пленку железоиттриевого граната бомбардировкой потоком ионов аргона (развертка по площади составляла 500х500 мкм).
Оже-анализ проводился в сверхвысоковакуумной установке, созданной на основе камеры УСУ-4, поэтому загрязнение поверхности образца исключено. Диаметр исследуемой области образца около 10 мкм (характерный размер сфокусированного потока электронов оже-спектрометра 09-ИОС-3 с анализатором типа "цилиндрическое зеркало").
Исследовались профили распределения элементов по глубине переходной области в пленках, осажденных при различном содержании кислорода в рабочем газе. Изменение соотношения содержания аргона и кислорода, как и ожидалось, приводит к изменению состава осаждаемых пленок (рис.1). На графике также приведены зависимости содержания элементов в исходной мишени.
Сравнение состава пленок, полученных при различном соотношении аргона и кислорода в рабочем газе, свидетельствует о том, что в формировании пленок участвуют два основных механизма – физическое распыление мишени за счет ионной бомбардировки и механизм реактивного распыления, включающий взаимодействие химически активного газа (кислорода) с компонентами мишени. Пленки ЖИГ стехиометрического состава удалось получить при соотношении аргона и кислорода 1:9 соответственно и нагреве подложки до температуры 700°С.
Химический состав полученных пленок исследовали на электронном микроскопе VEGA//LMU с энергодисперсионным микроанализатором JNCA Energy 350DC. Анализ результатов показал, что пленки близки по стехиометрическому составу к исходной мишени (рис.2).
Толщину пленок ЖИГ измеряли на компьютерном комплексе на основе интерферометра МИИ-4М. Комплекс обеспечивает контроль качества нанесения микро- и нанометровых ферритовых пленок на различные типы подложек. Диапазон толщин полученных пленок ЖИГ – 250–500 нм.
Радиофизические свойства пленок. Измерения ширины линии 2ΔH и намагниченности насыщения 4πMs пленок железоиттриевого граната проводили по методике, разработанной в ОАО "НИИ "Феррит-Домен" (рис.3). Измерение ширины линии ферромагнитного резонанса основано на измерении частотной зависимости коэффициента отражения пленки ЖИГ (рис.4) с применением микрополосковой линии передачи в режиме отражения. Подмагничивающее поле изменялось от 1 до 350 Э. Образец размещался на закороченном отрезке микрополосковой линии.
Ширина линии ферромагнитного резонанса определялась из соотношения 2∆H=2∆f/γ, где
γ=2,8 МГц/Э – гиромагнитное отношение для материала пленки ЖИГ. Из графика (см. рис.4) видно, что ширина полосы отраженного сигнала 2∆f для данного материала равна 12 МГц. Подставляя эту величину в формулу 2∆H=2∆f/γ, получаем ширину линии ферромагнитного резонанса 2∆Н=4 Э.
Применение пленок ЖИГ в фильтрах на спиновых волнах
В макете фильтра (рис.5) на поверхностных магнитостатических волнах (ПМСВ) пленка ЖИГ на подложке ГГГ (111) устанавливалась без зазора на микрополосковую поликоровую плату. Входной преобразователь электромагнитных волн (ЭМВ) в ПМСВ и выходной преобразователь ПМСВ в ЭМВ были выполнены в виде несимметричных копланарных линий с шириной зазора 100 мкм, шириной полосков 50 мкм, расстоянием между полосками 200 мкм. Металлизация платы осуществлялась вакуумным напылением меди до толщины 7 мкм. Макет помещался в зазор постоянного магнита так, что смещающее магнитное поле Н0 прикладывалось в плоскости пленки перпендикулярно направлению распространения спиновой волны. Входной СВЧ-сигнал по подводящей микрополосковой линии поступал на преобразователь, который возбуждал в намагниченной до насыщения ферритовой пленке поверхностные магнитостатические волны. Спектр возбуждаемых ПМСВ определялся как параметрами ферритовой пленки (намагниченностью насыщения, полем анизотропии, шириной линии ферромагнитного резонанса), так и величиной и направлением поля подмагничивания. Энергия СВЧ-сигнала распространялась в виде ПМСВ в пленке ЖИГ от входного преобразователя до выходного, где происходило обратное преобразование из ПМСВ в ЭМВ. Местоположение спектра ПМСВ по частоте перестраивалось изменением величины поля подмагничивания.
Амплитудно-частотные характеристики фильтров измеряли векторным анализатором цепей ZVA-40 (фирма Rohde-Schwarz) при мощностях входного сигнала 0,1 и 1 мВт, магнитное поле – миллитесламетром ЭМ3-27. Перестройка фильтра по частоте происходила в диапазоне 0,6–2,8 ГГц (рис.6), толщина пленки ЖИГ составляла 250 нм.
В заключение можно сказать, что композиционные структуры на основе пленок ЖИГ легко совместимы с другими планарными структурами и позволяют получить спинволновой прибор в едином технологическом цикле. Полученные пленки ЖИГ имеют намагниченность насыщения
4πMs = 1750 Гс, ширину линии ферромагнитного резонанса 2∆H=4 Э, а также одинаковый порядок с параметрами пленок, полученных жидкофазной эпитаксией. Пленки ЖИГ были опробованы в управляемых фильтрах на спиновых волнах. Параметры фильтра: вносимые потери от 35 до 25 дБ, ширина полосы пропускания
2∆f = 10 МГц.
Данная работа выполнена в рамках проекта "Проведение поисковых научно-исследовательских работ по направлению "Нанотехнологии и наноматериалы" (мероприятие 1.2.2: "Разработка технологии получения нанокластерированных ферромагнитных материалов для приборов полупроводниковой спиновой наноэлектроники"). Контракт №.4907/645-0109 от 3 сентября 2009 года.
Авторы выражают благодарность за участие в работе и обработке экспериментальных результатов С.В.Якункинскому и д.т.н. С.В.Яковлеву (посмертно).
Литература
1. S.A.Manuilov, S.I.Khartsev, A.M.Grishin. Pulsed laser deposited Y3Fe5O12 films. – J. Appl. Phys., 2009, 106, 123917.
2. P.W.Jang, J.Y.Kim. New Growth Metod of Solid Phase Epitaxy in Sputtered YIG films. – IEEE Trans. on Magnetics, 2001, v.37, № 4.
3. Николайчук Г.А., Яковлев С.В. и др. Физические свойства и технология напыления пленок железоиттриевого граната для спинволновой электроники. – Microwave and Telecommunication Crimico, 2008, Conference Proceedings, 2008, v.2, р.552.
Отзывы читателей
