СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОЙ ПЛЕНКИ ИЗ НАНОКЛАСТЕРОВ СИЛИЦИДОВ НА ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЕВОЙ ПОДЛОЖКИ
METHOD FOR OBTAINING FERROMAGNETIC FILM FROM SILICIDE NANOCLUSTERS ON SURFACE OF SILICONE SUBSTRATE

Изобретение относится к области плазменной технологии и может быть использовано при получении базовых элементов спинтроники.
Известен способ получения тонких пленок путем испарения и ионизации паров осаждаемого вещества электронным пучком в вакууме с последующей конденсацией паров на подложке, причем процесс осуществляют в продольном и поперечном магнитном поле (А. С. СССР №287494, МПК С23С 17/00, 1970).
Известны способы синтеза пленок в пучково-плазменном разряде (заявка ФРГ №2702120, МПК Н05Н 1/00, 1977; патент РФ №2068029, МПК С23С 14/00, 14/24, 1996; патент РФ №2096933, МПК Н05Н 1/24, 1997), заключающиеся в размещении в рабочей камере подложки или обрабатываемого изделия и твердого вещества (мишени), вакуумировании камеры и формировании на поверхности подложки потока пара, полученного испарением мишени электронным пучком, или формировании двух электронных пучков для поддержания процессов испарения и плазмообразования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения покрытий методом плазмохимического осаждения (патент РФ №2205893, МПК С23С 14/28, 2003), включающий вакуумирование камеры, напуск в нее рабочего газа, облучение мишени из распыляемого материала мощным импульсным пучком заряженных частиц синхронно с подачей газа.
Недостатками известного способа является то, что он предназначен для проведения одной операции, требует больших затрат энергии и расходных материалов.
Технический результат - многофункциональность, высокая скорость напыления, энерго- и ресурсосбережение.
Технический результат достигается тем, что способ получения ферромагнитной пленки из нанокластеров силицидов на поверхности кремниевой подложки путем создания локализованного газового разряда Аr, включает плазмохимический синтез самоорганизованных нанокластеров силицидов переходных ферромагнитных металлов путем импульсного формирования встречных потоков возбужденных атомов переходного ферромагнитного металла и кремния на характеристических расстояниях, определяемых длиной свободного пробега реагирующих атомов и плазмы Аr, с последующим их осаждением на кремниевую подложку, причем осаждение проводят при давлении в газоразрядной камере P=0,15 атм, падении напряжения на разряде 120 В, времени осаждения 20 сек.
Для предложенного способа формирования ферромагнитной пленки на поверхности кремния в виде силицидной фазы, образованной нанокластерами, сформированными в межэлектродном пространстве реакционной камеры, основными технологическими параметрами, влияющими на качество пленки, являются:
1. Давление аргона в реакционной камере.
2. Падение напряжения на разряде.
3. Продолжительность синтеза.
На фиг.1 изображена модель формирования ферромагнитной пленки из нанокластеров на поверхности Si; на фиг.2 изображена схема вакуумной установки травления-нанесения в локализованной плазме; на фиг.3 - АСМ-изображение поверхности пленки Ni на Si (P=0,2 атм, U=140 В, t=50 сек); на фиг.4 - магнитная силовая микроскопия пленки Ni на Si (P=0,2 атм, U=140 В, t=50 сек); на фиг.5 - АСМ-изображение поверхности пленки Ni на Si (P=0,2 атм, U=122 В, t=50 сек); на фиг.6 - магнитная силовая микроскопия пленки Ni на Si (P=0,2 атм, U=122 В, t=50 сек); на фиг.7 - АСМ-изображение поверхности пленки Ni на Si (P=0,15 атм, U=120 В, t=10 сек); на фиг.8 - магнитная силовая микроскопия пленки Ni на Si (P=0,15 атм, U=120 В, t=10 сек); на фиг.9 -гистограмма характерных масштабов наноструктур пленки Ni на Si (1 - P=0,15 атм, U=120 В, t=10 сек; 2 - P=0,2 атм, U=140 В, t=50 сек).
Способ может быть реализован на установке, схема которой представлена на фиг.2.
Установка состоит из вакуумного насоса 1, манометра 2, трех вакуумных клапанов 3, 4, 6, вымораживающей ловушки 5, рабочей камеры 7, высокочастотного генератора (ВЧ), съемного технологического устройства 8, натекателей 9 и 10, потенциального электрода 11, держателя 12 потенциального электрода 11, заземленного электрода 13, изоляторов 14, микрометрических винтов 15, предметного столика 16.
Рабочая камера 7 изготовлена из кварцевой трубы диаметром 120 мм и высотой 100 мм и соединена с помощью переходного фланца с вакуумной частью установки. Локализованный газовый разряд зажигается в атмосфере Аr между электродом 11 и кремниевой подложкой 17, размещенной на заземленном электроде 13. Для фиксации взаимного расположения ВЧ и заземленного электрода 13 держатель 12 и предметный столик 16 жестко соединены через изоляторы 14. Расстояние L между электродом 11 и подложкой 17, а также их параллельность регулируется с помощью винтов 15. Это обеспечивает равномерное горение разряда над заданным участком поверхности подложки.
В качестве потенциального электрода используется ВЧ-электрод с пинами, являющимися источниками Ni и Со (технология изготовления включает формирование топологии матриц методом фотолитографии, плазмохимического травления кремния и нанесение пленок титан-никель методом магнетронного распыления).
Процесс нанесения ферромагнетика заключается в следующем.
Кремниевую подложку 17 размещают на заземленном электроде 13. Устанавливают заданный зазор (50-200 мкм) между потенциальным электродом 11 и поверхностью подложки 17, обеспечивая их плоскопараллельность. Откачивают из рабочей камеры вакуумным насосом 1 газ и натекателем 9 напускают газ (Аr), включают ВЧ генератор. В течение заданного технологическими условиями времени проводят нанесение ферромагнетика.
8
Формирование нанокластеров силицидов ферромагнитного материала (Ni, Со) происходит в межэлектродном пространстве реакционной камеры. Замкнутое магнитное поле локализует разряд вблизи электродов, что приводит к значительному увеличению скорости напыления. Под действием бомбардировки поверхности кремния ионами аргона происходит его физическое распыление. Встречные потоки атомов никеля (от потенциометрического электрода разрядной камеры), взаимодействуя с потоком атомов распыляемого кремния, вызывают формирование нанокластеров Ni-Si (фиг.1). Разность потенциалов между поверхностью пина и поверхностью обрабатываемой подложки в нашем случае составляет 200-300 В. Поэтому при величине зазора в десятки мкм напряженность поля составляет 10 В/м. При таких больших значениях напряженности поля возникает массоперенос за счет полевого испарения атомов или молекул в виде ионов спинов.
Как показало экспериментальное изучение вышеуказанных влияний на качество ферромагнитной пленки Ni на Si, оптимальными параметрами являются: давление в газоразрядной камере P=0,15 атм, падение напряжения на разряде 120 В, время осаждения 20 сек. В этих условиях образуется сплошная пленка с размером зерен 20 нм и рельефом поверхности 10 нм.
При больших давлении, напряжении и времени проведения эксперимента происходит увеличение размеров наноструктур.
Одновременный рост давления до 0,2 атм, падения напряжения на разряде до 140 В, времени формирования структур до 50 сек происходит слияние отдельных наноструктур, рельеф поверхности становится более развитым (фиг.3, 4). Ферромагнитный характер структур сохраняется при этом вплоть до размеров 200 нм. Увеличение только давления и времени синтеза сопровождается увеличением характерных размеров структур до 500 нм, происходит переход к объемному состоянию силицида, поверхность планаризируется, магнитный отклик исчезает (фиг.5, 6). При одновременном уменьшении давления в реакционной камере, уменьшении напряжения и времени синтеза происходит нарушение сплошности пленки (фиг.7, 8).
Анализ распределения наноструктур по масштабам, выполненный при помощи вейвлет-преобразования сечений АСМ-изображений, показывает, что во всех элементах присутствует сходный набор характерных масштабов наноструктур. При изменении параметров технологического процесса происходит прежде всего изменение вклада отдельных структурообразующих масштабов (фиг.9). Это подтверждает воспроизводимость технологического процесса и указывает на единые физические механизмы процесса формирования пленки в рассматриваемом диапазоне режимов технологического процесса.