Способ получения пленок феррита Российский патент 2023 года по МПК C23C14/28 C23C14/46 C23C14/08 C23C14/02 C23C14/54 C23C14/58 C01F11/02 C01G49/02 H01F1/10 H01F10/20 H01F10/28 

Описание патента на изобретение RU2790266C1

Изобретение относится к СВЧ-микроэлектронике, а точнее к технологиям синтеза анизотропных (с осью легкого намагничивания, направленной перпендикулярно поверхности) пленок BaFe12O19 методами осаждения из газовой фазы. Такие пленки могут быть использованы при разработке планарных невзаимных СВЧ-устройств с эффектом самосмещения и в устройствах спинтроники в качестве магнитного диэлектрика.

Задача изготовления пленок гексагонального феррита бария с высокой степенью кристаллографической текстуры и, соответственно, анизотропией магнитных свойств - весьма нетривиальна.

Известны следующие способы получения пленок ферритов: «Способ получения наноразмерных пленок феррита-граната, содержащих Bi» (см. патент Украины №66219. Прокопов А.Р., Шапошников А.Н., Каравайников А.В., Бюл. №24, 2011 г.) и «Способ получения наноразмерных пленок Bi-содержащих феритов-гранатов» (патент РФ №2532185. Костишин В.Г., Читанов Д.Н., Комлев А.С., Юданов Н.А., Трухан В.М., Шелковая Т.В.). Однако, эти способы обладают следующими недостатками:

1) указанными способами не могут быть получены толстые пленки ферритов;

2) указанными способами не могут быть получены пленки гексагональных ферритов.

Наиболее близким к предлагаемому является «Способ получения наноразмерных пленок феррита» (см. патент РФ №2532187. Костишин В.Г., Панина Л.В., Морченко А.Т., Читанов Д.Н., Юданов Н.А. и Адамцов А.Ю.; бюл. №30, 27.10.2014 г.). Способ включает изготовление мишени заданного состава, обработку монокристаллической подложки титаната стронция ионами аргона, распыление мишени на подогретую до температуры 700-750°С подложку и отжиг полученной пленки в атмосфере кислорода в течение 1,0 часа при температуре 500-550°С при нормальном атмосферном давлении.

Настоящий способ обладает следующими недостатками:

1) указанным способом не могут быть получены пленки гексагональных ферритов;

2) указанным способом не могут быть получены пленки гексаферрита BaFe12O19 с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности пленки;

3) указанным способом не могут быть получены толстые (толщина ~1 мкм и более) пленки гексаферрита BaFe12O19 с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности пленки.

Цель настоящего изобретения - разработать способ получения толстых (толщина ~1 мкм и более) анизотропных пленок гексагональных ферритов BaFe12O19 с направлением магнитного момента перпендикулярно плоскости пленки.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе получения пленок феррита, включающем изготовление мишени гексаферрита BaFe12O19, использование монокристаллической подложки Al2O3 кристаллографической ориентации (001), обработку подложки ионами аргона, распыление мишени на подогреваемую подложку с дальнейшим кристаллизационным отжигом пленки процесс нанесения пленки, проводимый при относительно низких температурах подложки (около 300°С) периодически прерывается.

Принципиально получение анизотропной пленки гексаферрита по предлагаемой технологии возможно любым методом ионного нанесения. В качестве общих требований к тому или иному методу можно привести следующее: 1) использование условий (химический состав мишени, остаточное давление в камере, рабочее давление в камере и другие), обеспечивающих получение на подложке пленки, максимально приближенной по составу к стехиометрическому BaFe12O19; 2) использование в качестве подложки монокристаллической пластины Al2O3 кристаллографической ориентации (001). После выполнения этих базовых условий возможно использование непосредственно предлагаемого метода, который заключается в следующем: после нагрева подложки до 300-350°С производится нанесение 70-90 нм пленки гексаферрита бария. После достижения указанной толщины процесс напыления прерывается, и пленка выдерживается в течение 5 минут при той же температуре 300-350°С. Пленка требуемой толщины получается после многократного повторения предыдущих операций: нанесение 70-90 нм и выдержка при 300-350°С в течение 5 минут. После этого необходимо провести кристаллизационный отжиг пленки на воздухе при 800-900°С в течение 1-3 ч.

Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.

При нагреве до 300°С из аморфной системы Ba-Fe-О начинает кристаллизоваться гематит Fe2O3. Сам по себе гематит характеризуется поверхностной кристаллизацией, а кроме того, спонтанно формируется с текстурой (001). Наличие у монокристаллической подложки Al2O3 кристаллографической ориентации (001) только усилит формирование текстуры (001). Предоставление 5-ти минутного интервала необходимо для того, чтобы кристаллиты успели сформироваться, поскольку в противном случае налетающие частицы (атомы, кластеры атомов, отраженные ионы и др.) будут разрушать образующиеся связи и лимитировать кристаллизацию. При нанесении дополнительного слоя пленки на его поверхности также происходит образование зародышей гематита (001). В конце процесса нанесения пленка будет состоять из аморфной матрицы и включений кристаллитов гематита (001) по всему ее объему, которые послужат «шаблоном» для роста гексаферрита (001) при кристаллизационном отжиге. Отклонения таких параметров как толщина одного слоя, время выдержки и температура подложки от рекомендованных нежелательны, так как могут спровоцировать увеличение вероятности образования неориентированных кристаллитов, что приведет к ухудшению степени текстуры конечной пленки.

Способ реализуется следующим образом. Методом керамической технологии изготавливается мишень гексаферрита BaFe12O19. Монокристаллическую подложку Al2O3 обрабатывают в вакуумной камере ионами аргона 10-20 эВ. Монокристаллическую подложку кристаллографической ориентации (001) помещают в держатель подложки с нагревателем. В вакуумной камере создают рабочее давление (газ Ar) (0,5-0,7) мТорр. С помощью нагревателя подложку нагревают до температуры (300-350)°С. Далее производят осаждение материала мишени на подложку путем распыления мишени пучком аргона с помощью ионного источника тока. С целью облегчения кристаллизации стехиометрического гексаферрита BaFe12O19 в область подложки подается с помощью источника ионов контролируемый поток ионов кислорода. После нанесения на подложку 70-90 нм пленки гексаферрита бария процесс напыления прекращается, и пленка выдерживается в течение 5 мин при температуре подложки 300-350°С. Пленка требуемой толщины получается после многократного повторения предыдущих операций: нанесение 70-90 нм и выдержка при 300-350°С в течение 5 минут. После этого необходимо провести кристаллизационный отжиг пленки на воздухе при 800-900°С в течение 1-3 час.

На фиг. 1 изображена рентгеновская дифрактограмма пленки, полученной по предложенной технологии на монокристаллической подложке Al2O3 (001). Как видно, рефлексы гексаферрита представлены лишь семейством (001).

Предлагаемое техническое решение обладает следующими отличительными признаками:

1. Используется монокристаллическая подложка Al2O3 кристаллографической ориентации (001);

2. Подложка в процессе напыления подогрета до температуры 300-350°С;

3. Процесс напыления пленки прерывается каждые 70-90 нм, после чего осуществляется выдержка пленки в течение 5 мин при температуре подложки;

4. Количество напыленных слоев 70-90 нм определяется необходимой толщиной пленки;

5. Кристаллизационный отжиг осуществляется на воздухе при температуре 800-900°С в течение 1-3 час.

Использование указанных признаков для осуществления поставленной цели авторам неизвестно.

Пример.

По предложенной технологии получали пленки гексаферрита бария на подложке Al2O3 (001). В качестве метода синтеза использовалось ионно-лучевое напыление. Мишенью служил диск стехиометрического BaFe12O19, полученный по стандартной керамической технологии. Расстояние от подложки до мишени составляло 37 мм, остаточное давление - 0,08 мТорр, рабочее давление (газ Ar) - 0,6 мТорр, напряжение ионного источника - 1,4 кВ, ток разряда - 30 мА, ток катода-компенсатора - 2,8 А, скорость нанесения - 20 нм/мин. Толщина одного слоя составляла 80 нм, количество слоев - 13 (итоговая толщина ~1 мкм), температура подложки 300-320°С, время выдержки между нанесением каждого слоя - 5 мин. Кристаллизационный отжиг проводился в муфельной печи на воздухе при температуре 900°С в течение 2 ч (скорость нагрева 300°С/ч, остывание естественное).

На фиг. 1 представлено изображение рентгеновской дифрактограммы полученной пленки, отражающее наличие высокой степени текстуры гексаферрита типа (001). На фиг. 2 представлен снимок поверхности пленки, полученной по предложенной технологии, на фиг. 3 - снимок образца полученного без прерывания процесса напыления и толщиной только 600 нм. Как видно из фиг. 3, отсутствие прерываний процесса напыления привело к формированию в пленке разноориентированных зерен. В то же время, у пленки, полученной по предложенной технологии, поверхность состоит из сросшихся плоских зерен гексагональной формы, подтверждающей их ориентацию типа (001).

Похожие патенты RU2790266C1

название год авторы номер документа
Способ обработки пленочного магнитного материала гексаферрита бария 2022
  • Буташин Андрей Викторович
  • Муслимов Арсен Эмирбегович
  • Каневский Владимир Михайлович
  • Гаджиев Махач Хайрудинович
  • Тюфтяев Александр Семенович
RU2786771C1
Способ получения гетероструктуры Mg(FeGa)O/Si со стабильной межфазной границей 2017
  • Смирнова Мария Николаевна
  • Стогний Александр Иванович
  • Беспалов Алексей Викторович
  • Голикова Ольга Львовна
  • Новицкий Николай Николаевич
  • Гераськин Андрей Александрович
  • Ермаков Владимир Анатольевич
  • Кецко Валерий Александрович
RU2657674C1
Способ получения композиционного высокоанизотропного материала CoPt-AlO с вращательной анизотропией 2019
  • Павлова Александра Николаевна
  • Жигалов Виктор Степанович
  • Мягков Виктор Григорьевич
  • Быкова Людмила Евгеньевна
  • Мацынин Алексей Александрович
RU2711700C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ЭПИТАКСИАЛЬНЫХ СЛОЕВ β-SIC НА КРЕМНИИ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОМ 2013
  • Каргин Николай Иванович
  • Гусев Александр Сергеевич
  • Рындя Сергей Михайлович
  • Зенкевич Андрей Владимирович
  • Павлова Елена Павловна
RU2524509C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК Bi-СОДЕРЖАЩИХ ФЕРРИТОВ-ГРАНАТОВ 2013
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Читанов Денис Николаевич
  • Комлев Александр Сергеевич
  • Юданов Николай Анатольевич
  • Трухан Владимир Михайлович
  • Шелковая Татьяна Владимировна
RU2532185C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК ФЕРРИТА 2013
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Панина Лариса Владимировна
  • Морченко Александр Тимофеевич
  • Читанов Денис Николаевич
  • Юданов Николай Анатольевич
  • Адамцов Артём Юрьевич
RU2532187C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИШЕНИ 1990
  • Лепешев А.А.
  • Саунин В.Н.
  • Телегин С.В.
RU2086699C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДЯЩЕЙ ПЛЕНКИ НА КВАРЦЕВОЙ ПОДЛОЖКЕ 2015
  • Порохов Николай Владимирович
  • Хрыкин Дмитрий Александрович
  • Кленов Николай Викторович
  • Маресов Александр Геннадьевич
  • Снигирев Олег Васильевич
  • Евлашин Станислав Александрович
RU2629136C2
Способ получения пленок феррита висмута и установка для электростатического распыления 2020
  • Дмитриев Александр Витальевич
  • Владимирова Елена Владимировна
  • Есаулков Алексей Петрович
RU2730725C1
Способ получения нанопрофилированной ультратонкой пленки AlO на поверхности пористого кремния 2015
  • Леньшин Александр Сергеевич
  • Середин Павел Владимирович
  • Арсентьев Иван Никитич
  • Бондарев Александр Дмитриевич
  • Тарасов Илья Сергеевич
RU2634326C2

Иллюстрации к изобретению RU 2 790 266 C1

Реферат патента 2023 года Способ получения пленок феррита

Изобретение относится к технологии синтеза анизотропных (с осью легкого намагничивания, направленной перпендикулярно плоскости пленки) пленок BaFe12O19 методами осаждения из газовой фазы. Такой материал может быть использован при разработке планарных невзаимных СВЧ-устройств с эффектом самосмещения, в устройствах спинтроники в качестве магнитного диэлектрика. Способ получения пленок феррита включает изготовление мишени, обработку монокристаллической подложки ионами аргона, распыление мишени на подогретую подложку, подачу в область подложки контролируемого потока ионов кислорода, дальнейший кристаллизационный отжиг пленки, при этом для получения пленки гексаферрита бария BaFe12O19 используют мишень того же состава, монокристаллическую подложку Al2O3 кристаллографической ориентации (001), подложку в процессе напыления подогревают до температуры 300-350°С, после нанесения на подложку 70-90 нм пленки процесс напыления прерывают, после чего осуществляют выдержку пленки в течение 5 мин при температуре подложки, далее многократно повторяют напыление слоев 70-90 нм и выдержку при температуре 300-350°С в течение 5 мин до необходимой толщины пленки, а кристаллизационный отжиг осуществляют на воздухе при температуре 800-900°С в течение 1-3 ч. Технический результат - получение качественных толстых (до ~1 мкм и более) анизотропных пленок гексагональных ферритов BaFe12O19 с направлением магнитного момента перпендикулярно плоскости пленки. 3 ил., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 790 266 C1

Способ получения пленок феррита, включающий изготовление мишени, обработку монокристаллической подложки ионами аргона, распыление мишени на подогретую подложку, подачу в область подложки контролируемого потока ионов кислорода, дальнейший кристаллизационный отжиг пленки, отличающийся тем, что для получения пленки гексаферрита бария BaFe12O19 используют мишень того же состава, монокристаллическую подложку Al2O3 кристаллографической ориентации (001), подложку в процессе напыления подогревают до температуры 300-350°С, после нанесения на подложку 70-90 нм пленки процесс напыления прерывают, после чего осуществляют выдержку пленки в течение 5 мин при температуре подложки, далее многократно повторяют напыление слоев 70-90 нм и выдержку при температуре 300-350°С в течение 5 мин до необходимой толщины пленки, а кристаллизационный отжиг осуществляют на воздухе при температуре 800-900°С в течение 1-3 ч.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2790266C1

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЕНОК ФЕРРИТА 2013
  • Костишин Владимир Григорьевич
  • Панина Лариса Владимировна
  • Морченко Александр Тимофеевич
  • Читанов Денис Николаевич
  • Юданов Николай Анатольевич
  • Адамцов Артём Юрьевич
RU2532187C1
CN 102965633 B, 08.07.2015
ОКСИДНО-ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОНДЕНСАТОР 0
SU270074A1
WEI G
et al., Self-assembled epitaxial BaFe12O19 nano-island film grown on Al2O3 substrate by pulsed laser deposition, "Materials Letters", 2016, Vol.181, pp 212-215.

RU 2 790 266 C1

Авторы

Миронович Андрей Юрьевич

Исаев Игорь Магомедович

Костишин Владимир Григорьевич

Тимофеев Андрей Владимирович

Шакирзянов Рафаэль Иосифович

Коровушкин Владимир Васильевич

Щербаков Сергей Владиленович

Налогин Алексей Григорьевич

Алексеев Альберт Александрович

Даты

2023-02-15Публикация

2022-04-22Подача