СПОСОБ ОБРАБОТКИ МАГНИТООПТИЧЕСКИХ УПРАВЛЯЕМЫХ ТРАНСПАРАНТОВ НА ОСНОВЕ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ ПЛЕНОК (BI, GA)-СОДЕРЖАЩИХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ Российский патент 2000 года по МПК H01L21/42 

Изобретение относится к области магнитной микроэлектроники, в частности к методам обработки эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ЭМПФГ), а также приборов магнитной микроэлектроники на их основе, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных параметров последних, а именно: для снижения разброса пороговых полей переключения ячеек и повышения быстродействия магнитооптических управляемых транспарантов (МОУТ).

В настоящее время известны способы обработки ЭМПФГ и приборов на их основе, в которых обработка производится облучением γ- квантами или быстрыми электронами (см. Chen Т. Т., Archer J.L., Williams R.A. et all. Radiation effect on magnetic bubble domain devices.// IEEE Transactions on Magnetics. - 1973, v. MAG - 9, N 3 (II). - p. 385- 389; Williams R.A., Henri R.D., ChenT. T. et all. Radiation toleranse of bubble domain materials and devices. //IEEE Transactions of Nuclear Science. - 1973, v. NS-2, N 6. - p. 229-233).

Недостатком этих способов является невозможность управления эксплуатационными свойствами приборов магнитной микроэлектроники, в частности МОУТ.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является способ обработки МОУТ, в котором для снижения порогового поля переключения ячеек используется локальная ионная имплантация фрагмента (верхнего левого угла) ячейки, (см. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. - М.: Энергоатомиздат, 1990.- 320 с., стр. 198). Однако указанный способ обработки не может быть применим для снижения разброса пороговых полей переключения ячеек и повышения быстродействия МОУТ на основе (Bi, Ga)-содержащих гранатов.

Цель изобретения - уменьшение разброса пороговых полей переключения ячеек и повышение быстродействия МОУТ на основе (Bi, Ga)-содержащих ЭМПФГ.

Указанная цель достигается следующим образом. Тщательно обезжиренные и промытые МОУТ на основе (Bi, Ga)-содержащих ЭМПФГ подвергают на электронном ускорителе облучению быстрыми электронами с энергией E_e = (4-7) МэВ при плотности потока ϕ_e = =(2-6)•10¹² см^-2с^-1 до флюенса Ф_e = (1-5)•10¹⁶ см^-2. Транспаранты при радиационной обработке размещают таким образом, чтобы электронный пучок падал на нерабочую поверхность перпендикулярно ей (см. фиг. 1). По окончании радиационной обработки транспаранты отжигают в течение 1-2 часов в атмосфере кислорода при температуре 150-300^oC. После термообработки проводят контрольные измерения и убеждаются в достижении требуемого эффекта.

Сущность изобретения состоит в следующем. Когда число вертикальных блоховских линий (ВБЛ) в доменной границе становится большим (порядка 100 и выше), блоховские линии дают заметный вклад в энергию границы, и ячейки транспаранта с такими доменными границами обладают высокими значениями пороговых полей переключения: на 50% и выше, чем для остальных ячеек. Здесь имеет место эффект, аналогичный наличию в ЭМПФГ жестких цилиндрических магнитных доменов (см. Балбашов А.М., Червоненкис А.Я. Магнитные материалы для микроэлектроники. М.: Энергия, 1979, с. 75).

При повышенных значениях плотности потока быстрых электронов (ϕ_e > 1•10¹² см^-2с^-1) и флюенса Ф_e > 1•10¹⁶ см^-2, происходит интенсивный нагрев образцов и, соответственно, радиационный отжиг. Здесь уже работают два фактора: быстрые электроны и температура. При одновременном воздействии таких двух факторов, как температура и поток радиации имеет место диффузия ионов Ga³⁺ из подложки в тонкий слой магнитной пленки, прилегающий к переходному слою "пленка - подложка" (см. Kostishin V.G., Letyuk L.M., Kirpenko A.G. Hard bubble suppression in (Ca,Ge)-substituted magnetic epigarnets by hige-dose gamma-irradiation. Journ. of Magnetism and Magnetic Materials. - 1996, v. 160. - p. 365-366). Галлий, замещая железо в тетраэдрических позициях, снижает намагниченность в тонком слое. Образуется двухслойная магнитная пленка с 180^o доменной границей. При этом домены в основном слое магнитной пленки каждой ячейке МОУТ уже содержат по две ВБЛ и, таким образом, разброс пороговых полей переключения ячеек транспаранта существенно уменьшается.

При облучении ЭМПФГ быстрыми электронами действует ударный механизм радиационного дефектообразования, при котором происходит формирование в пленке дефектов Френкеля (пар междоузельный ион - вакансия). При комнатной температуре концентрация дефектов Френкеля в ЭМПФГ даже при E_e = 7 МэВ ничтожно мала и на 2-3 порядка ниже концентрации ростовых дефектов (см. Воздействие ионизирующих излучений на материалы электронной техники/ Под ред. А. О. Матковского. Львов: Свiт, 1994. - 212 с.) Однако, в условиях радиационного нагрева воздействие быстрых электронов энергии E_e = (4-7) МэВ уже может привести к образованию дефектов Френкеля, концентрация которых сравнима с концентрацией ростовых дефектов. Поскольку ЭМПФГ на 60% состоят из ионов кислорода и кислород - самый легкий из образующих структуру граната ионов, то максимальное количество образованных радиационных дефектов будут дефектами по кислороду.

Отжиг радиационно-обработанных МОУТ в атмосфере кислорода при температуре 150-300^oC в течение 1-2 часов полностью восстанавливает исходную структуру (Bi, Ga)-содержащей ЭМПФГ, в частности полностью "залечивает" кислородные вакансии. Более того, поскольку эпитаксиальное наращивание ЭМПФГ - сильно неравновесный термодинамический процесс, то отжиг в атмосфере кислорода, приводя кристаллическую решетку пленки к термодинамически равновесному состоянию, существенно уменьшает также и концентрацию ростовых дефектов.

Уменьшение дефектности пленки в процессе вышеуказанной термообработки ведет также к увеличению скорости доменной границы и, как следствие, - к повышению быстродействия МОУТ.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом, обладает следующими отличительными признаками:
1. Облучение МОУТ проводят быстрыми электронами.

2. Энергия быстрых электронов E_e = (4-7) МэВ.

3. Облучение проводят при плотности потока ϕ_e = (2-6)•10¹² см^-2с^-1.

4. Облучение проводят до значения флюенса Ф_e = (1-5)•10¹⁶ см^-2.

5. Облучение транспаранта проводят с его нерабочей стороны.

6. Облучается вся поверхность транспаранта.

7. После радиационной обработки транспарант отжигают в атмосфере кислорода при температуре 150-300^oC в течение 1-2 часов.

Использование указанных отличительных признаков для достижения поставленной цели авторам неизвестно.

На фиг. 1 представлена схема размещения МОУТ при радиационной обработке. Попадание потока электронов на нерабочую поверхность транспарантов необходимо для создания направленной диффузии ионов Ga³⁺ из подложки в пленку.

На фиг. 2 представлена зависимость разброса величины порогового поля переключения ячеек от энергии быстрых электронов для восьми штук различных МОУТ. Разброс порогового поля переключения ячеек МОУТ определялся по формуле:

где H_Пmax - максимальное пороговое поле;
H_Пmin -минимальное пороговое поле;
H_П - пороговое поле, значение поля, при котором переключается 50% ячеек.

Исследовались три типа МОУТ:
а) транспаранты (сформированные путем травления) с квадратными ячейками размером 40х40 мкм (4 шт);
б) транспаранты (сформированные путем травления) с круглыми ячейками ⊘ 100 мкм (3 шт.);
в) 1 транспарант (сформированный путем ионной имплантации) с круглыми ячейками размером ⊘ 100 мкм.

Как видно из фиг. 2, максимальное уменьшение δH_П наблюдается в диапазоне значений энергии быстрых электронов E_e = (4-7) МэВ.

Пример 1. Предлагаемое техническое решение реализовывалось следующим образом. В качестве объекта использовался МОУТ, полученный на основе ЭМПФГ (BiTm)₃(FeGa)₅O₁₂ (h=5,74 мкм) методом травления. Ячейки представляли собой усеченные пирамиды с верхним квадратом 40х40 мкм. Величина разброса порогового поля данного МОУТ составляла δH_П = 38%. После облучения быстрыми электронами с энергией E_e = 6 МэВ при плотности потока ϕ_e = 4•10¹²см^-2с^-1 до флюенса Ф_e = 3•10¹⁶ см^-2 и отжига в атмосфере кислорода при температуре 200^oC в течение 2 часов величина δH_П уменьшилась до значения δH_П = 15%. При этом время переключения МОУТ уменьшалось c τ_п = 15,0 мкс до τ_п = 11,5 мкс.

Обнаруженный эффект сохранил хорошую стабильность на протяжении всех 18 месяцев проводимых контрольных измерений.

Пример 2. Предлагаемое техническое решение было реализовано следующим образом. В качестве объекта использовался МОУТ, полученный на основе ЭМПФГ (BiTm)₃(FeGa)₅O₁₂ (h = 4,65 мкм) методом травления. Ячейки представляли собой круглые углубления ⊘ 100 мкм. Величина разброса порогового поля данного МОУТ составляла δH_П = 32%, время переключения - τ_п 8,0 мкс. После облучения быстрыми электронами с энергией E_e = 6 МэВ при плотности потока ϕ_e = 6•10¹² см^-2с^-1 до флюенса Ф_e = 5•10¹⁶ см^-2 и отжига в атмосфере кислорода при температуре 300^oC в течение 1 часа было зарегистрировано уменьшение величины δH_П до значения δH_П = 6%, а времени переключения до значения τ_п = 6,5 мкс.

Пример 3. Предлагаемое техническое решение было реализовано следующим образом. В качестве объекта использовался МОУТ с круглыми ячейками ⊘ 100 мкм, полученный на основе ЭМПФГ (YBiLu)₃(FeGa)₅O₁₂ (h= 4,5 мкм) методом ионной имплантации. При облучении быстрыми электронами с энергией E_е = 7 МэВ при плотности потока ϕ_e = 5•10¹² см^-2с^-1 до флюенса Ф_е = 5•10¹⁶ см^-2 и отжига в атмосфере кислорода при температуре 250^oC в течение 1,5 часов было зарегистрировано уменьшение разброса порогового поля переключения на 25%, а времени переключения - на 13%.

Следует отметить, что пределы значений ϕ_e и Ф_e в предлагаемом изобретении выбраны из следующих соображений. При ϕ_e < 2•10¹²см^-2с^-1 обнаруженный эффект был слабо выражен, либо совсем не наблюдался. При ϕ_e > 6•10¹² см^-2с^-1 и Ф_e > 5•10¹⁶ см^-2 имели место нежелательные измерения эксплуатационных параметров МОУТ.

Аналогично выбраны пределы температуры и времени отжига МОУТ в атмосфере кислорода. При t_отж < 1 час, Т_отж < 150^oC не удавалось достичь желаемого эффекта по увеличению быстродействия ячеек МОУТ. При t_отж > 2 час, Т_отж > 300^oC имели место нежелательные изменения эксплуатационных параметров МОУТ.

Изобретение относится к магнитной микроэлектронике, в частности к методам обработки эпитаксиальных монокристаллических пленок ферритов-гранатов (ЭМПФГ), а также приборов на их основе, и может быть использовано для улучшения эксплуатационных параметров последних. Технический результат - снижение разброса пороговых полей переключения ячеек и повышение быстродействия магнитооптических управляемых транспарантов (МОУТ). Транспаранты облучают быстрыми электронами энергии Е_e = (4 - 7) МэВ при плотности потока ϕ_e = (2 - 6) 10¹² см²с^-1 до флюенса Ф_e = (1 - 5) • 10¹⁶ см^-2 (причем облучение проводят по всей поверхности транспаранта и с его нерабочей стороны), а после этого отжигают в атмосфере кислорода при температуре 150 - 300°С в течение 1 - 2 ч. 2 ил.

Способ обработки магнитооптических управляемых транспарантов на основе эпитаксиальных пленок (Bi, Ga)-содержащих ферритов-гранатов, включающий их обработку ионизирующим излучением, отличающийся тем, что транспарант облучают по всей поверхности с нерабочей стороны быстрыми электронами энергии E_e = (4 - 7) МэВ при плотности потока ϕ_e = (2 - 6) • 10¹² см^-2c^-1 до флюенса Ф_е = (1 - 5) • 10¹⁶ см^-2, а после этого отжигают в атмосфере кислорода при температуре 150 - 300^oC в течение 1 - 2 ч.