СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ EuS
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF THIN FILMS ON BASE OF EuS

Изобретение относится к области полупроводниковой нанотехнологии, в частности к области получения тонкопленочных слоев магнитных полупроводников, и может быть использовано в технологии интегральных схем.
Известно изобретение формирование тонких пленок сульфида цинка (патент JP 1282199 (А), МПК C01G 9/08; С30В 23/08, опубл. 1989-11-14), в котором формируют тонкую пленку сульфида цинка посредством расположения на поверхности тонкой пленке селенида цинка, которая выращена на монокристаллической подложке GaAs путем чередования молекулярных пучков цинка и серы. Поверхность тонкой пленки селенида цинка после этого подвергается воздействию попеременно молекулярных пучков цинка и серы, которые формируются благодаря расщеплению газообразного соединения, содержащего серу. Температура подложки в процессе формирования пленки соответствует 200-500°С.
Недостатком данного изобретения является необходимость использования сверхчистого вещества для получения пучка серы, как, например, сероводород, и осаждение при повышенной температуре.
Известно изобретение нанесение тонких сульфидных пленок (патент JP 4214856 (А), МПК С23С 14/06; С23С 14/24, опубл. 1992-08-05), в котором предложена установка для формирования пленок в вакууме для одновременного осаждения из газовой фазы нескольких материалов с различными условиями для формирования пленки. В резервуар напускаются пары серы, созданные вне резервуара по методу осаждения из газовой фазы для регулировки атмосферы внутри вакуумного резервуара, и эти пары серы осаждаются на подложку вместе с парами другого осаждаемого материала, которые были получены из другого источника в вакуумном резервуаре, и при их взаимодействии формируется пленка.
Недостатком данного изобретения является также дорогостоящее оборудование для осаждения из газовой фазы, сверхчистое газообразное сырье, а также необходимость строгого контроля за химической реакцией, происходящей в процессе осаждения.
Известно изобретение метод дополнения серы в вакууме для пленки сульфата цинка (патент CN 1084902 (А), С23С 14/06; С23С 14/24, опубл. 1994-04-06), в котором вносят серу на электрическую люминесцентную пленку. Используют двойное испарение или метод напыления, чтобы внести серу на пленку ZnS:Mn, пленка и подходящее количество серы расположены в запаянном контейнере. Давление в контейнере менее 1 Па. Далее проводится термообработка при температуре 450-600°С в течение 1-4 часов. Преимущества данного способа - простота оборудования и простота действий.
Недостатком данного изобретения является необходимость использования вакуумируемых контейнеров, что может сделать производство значительно более дорогим. В получаемой таким методом пленке могут иметь место несовершенства электрофизических характеристик, поскольку вакансии по сере заполняются путем отжига в предварительно вакуумированных контейнерах при условии, что давление паров серы с температурой возрастает. При этом вакуумировать контейнеры так, чтобы парциальное давление кислорода не влияло на последующие электрофизические свойства пленки, не представляется возможным.
Известно изобретение способ получения ферромагнитной пленки, имеющей одноосную анизотропию (патент GB 1193908, С23С 14/24; H01F 41/20, опубл. 1970-06-03), в котором ферромагнитная пленка, состаящая из Fe, Mi, Co, Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Ni-Co, редкоземельных металлов (например, Gd, No, Dy, Tb), оксидов (например, EuO), нитридов (например, GaN), теллуридов (например, EuTe), сульфидов (например, EuS), осаждена из паровой фазы в электрическом поле для получение одноосной анизотропии в плоскости пленки на кварцевой или стеклянной подложке. Поле получают при приложении напряжения между близко параллельными Cu, Ag или Au проводниками, расположенными близко к подложке.
Недостатком данного изобретения является низкое качество пленок EuS, в частности структурные свойства и стехиометрический состав пленок, хотя они и будут иметь некоторые заранее известные магнитные свойства.
Данное изобретение является наиболее близким аналогом для заявляемого изобретения, т.е. прототипом.
Задачей данного изобретения является повышение качества пленки, а также сокращение экономических затрат на ее производство путем экономии материалов и энергоресурсов.
Данная задача решается созданием способа получения тонких пленок на основе EuS, включающего формирование на подложке тонкопленочного слоя EuS путем осаждения в вакууме EuS и серы из разных мишеней и последующий вакуумный отжиг сформированной пленки при температуре, обеспечивающей десорбцию серы, при этом осаждение серы проводят перед или в процессе осаждения пленки EuS, отжиг проводят при температуре 400-700°С в течение 10-40 мин, осаждение проводят методом импульсного лазерного осаждения.
Изобретение поясняется чертежами.
x
На фиг.1 изображены: а. Процесс формирования слоя EuS; б. Процесс формирования слоя EuS из EuS.
На фиг.2 изображена принципиальная схема исследовательского комплекса ИЛО-РФЭС для роста и исследования структур, где 1. YAG: Nd лазер; 2. Система сканирования; 3. Система фокусировки; 4. Мишени; 5. Держатель образцов с нагревателем и подложкой; 6. СВВ камера препарирования; 7. Система откачки.
На фиг.3 изображена дифрактограмма тонкопленочного слоя EuS.
Осуществление изобретения
Способ осуществляется следующим образом.
x
-1
Тонкопленочный аморфный слой толщиной до нескольких сотен нм EuS (фиг.1) формируют на подложке кремния 1 в вакууме при давлении менее 10 Па посредством соосаждения из мишеней EuS 3 и S, например, методом импульсного лазерного осаждения. Причем энергия распыляющего пучка при воздействии на мишень S должна быть меньше аналогичной энергии для EuS и суммарное время воздействия должно быть много меньше, в противном случае неизбежны капли и повреждение мишени серы вплоть до ее раскалывания. Но энергия должна быть достаточна для абляции серы. В зависимости от энергии и суммарного времени воздействия на мишень серы будет получен соответствующий избыток серы в получаемой пленке. Например, для импульсного лазерного осаждения количество импульсов по сере может различаться до нескольких сотен раз по отношению к EuS. Серу распыляют до или в процессе осаждения для создания давления паров серы, в атмосфере которой фактически и проводится осаждение EuS. Кроме этого, часть распыленной серы осаждается на подложку, что ведет к неизбежному созданию избытка серы в пленке. Стехиометрическое соотношение Eu:S=1:1 достигается путем отжига в сверхвысоком вакууме.
-4
После осаждения осуществляется отжиг сформированной пленки с помощью нагревателя D (Фиг.1) в сверхвысоком вакууме при давлении менее 10 Па и при температуре 400-700°С в течение 10-45 мин. В зависимости от температуры отжига варьируется и время, необходимое для него. При температурах около 400°С десорбция серы осуществляется медленно, и требуется большее время для отжига (до 45 мин). Однако при температурах отжига около 700°С увеличивается шероховатость поверхности (порядка нескольких нм), что может отрицательно сказаться на функциональности структуры. В процессе отжига избыточная сера выходит на поверхность и десорбируется, тогда как аморфный слой кристаллизуется со стехиометрическим соотношением Eu:S=1:1, поскольку соединение EuS однофазно в диапазоне температур. Размер кристаллита можно оценить по ширине пика рентгеновской дифракции с помощью формулы Шеррера
,
где В - ширина максимума на полувысоте, К~1 - постоянная, Θ - значение максимума, λ - длина волны рентгеновского излучения.
При этом формирование пленки может быть осуществлено как в одном технологическом цикле, так и с извлечением образца из камеры. В предлагаемом нами методе вакансий по сере удается избежать, поскольку получаемая пленка уже имеет избыток серы, так что кислород не может занять позиции серы.
Примеры осуществления способа изобретения
Пример 1
-4
1-й шаг. Подложка Si помещается в высоковакуумную камеру (вакуум 10 Па).
-4
x
2-й шаг. На подложку 5 в вакууме (10 Па) осаждается слой EuS толщиной, например, порядка 100 нм одновременным соосаждением из двух мишеней: EuS и S при комнатной температуре, например методом импульсного лазерного осаждения или методом термического осаждения. Для осуществления этого способа осаждения необходимо иметь два различных распыляющих пучка или два термических источника. При этом толщина слоя определяется при помощи калибровок скорости осаждения, которые проводятся заранее, скажем на кварцевом измерителе частоты или непосредственным измерением толщины калибровочных слоев методом обратного резерфордовского рассеяния.
-6
3-й шаг. Подложка с осажденным слоем помещается на нагреватель, а затем осуществляется откачка камеры до 10 Па.
4-й шаг. Формирование поликристаллического слоя EuS с удалением избыточной серы в процессе отжига при температуре от 400°С до 700°С. При этом время и температура, необходимые для отжига, зависят от толщины слоя. На фиг.3 показана дифрактограмма такого образца, где красными линиями отмечены пики, соответствующие EuS.
Пример 2
-4
Подложка Si помещается в высоковакуумную камеру (вакуум 10 Па).
-4
x
x
На подложку 5 в вакууме (10 Па) осаждался слой EuS толщиной порядка 150 нм. Формирование слоя EuS осуществлялось путем поочередного распыления мишеней серы и EuS в вакуумной камере, что создавало в камере давление паров серы, в атмосфере которой и производится осаждение, например методом импульсного лазерного осаждения или методом термического осаждения. После осаждения осуществляется отжиг сформированной пленки.
Пример 3
-4
x
x
На подложку 5 в вакууме (10 Па) осаждали слой EuS толщиной порядка 10 нм. Формирование слоя EuS осуществлялось путем распыления мишени серы в вакуумной камере до распыления EuS, что создавало в камере давление паров серы, в атмосфере которой и производилось осаждение EuS, например методом импульсного лазерного осаждения или методом термического осаждения. Предварительное распыление мишени серы отличается от соосаждения тем, что давление паров серы со временем осаждения ослабевает, и стехиометрическое соотношение Eu:S неоднородно по толщине пленки. После осаждения осуществляется отжиг сформированной пленки, в результате которого стехиометрическое соотношение выравнивается, поскольку сера стремится выйти на поверхность пленки. Поэтому, несмотря на меньшую толщину пленки, требуется отжиг, аналогичный по временному и температурному режиму Примерам 1 и 2.
2
Таким образом, разработан совершенно новый способ формирования стехиометрических пленок EuS на подложках Si и SiO высокого качества.
Преимуществом данного способа является простота создания тонкопленочного слоя EuS, а также сокращение экономических затрат на его производство путем экономии материалов и энергоресурсов.