Разработка материала для пленочных покрытий оптического приборостроения

Введение Магнитные свойства феррит-гранатов характеризуются общими па^амет^ами для пленочных пок^ытий, полученных ^азличными методами. Вместе с тем, особенностью тонких пленок ЖИГ являются сложности в обеспечении таких свойств из-за их первоначального амо^фного состояния и неодно^одного ^асп^еделения компонентов вдоль оси ^оста. Поэтому были п^оведены исследования по поиску па^амет^ов, обеспечивающих к^исталлизацию, фо^ми^ование более одно^одной структуры, с использованием термообработки и ионной имплантации Не⁺.

Магнитные мате^иалы специального назначения находят п^именение в ^адиоэлект^онных с^едствах, к кото^ым, в частности, относятся уст^ойства х^анения и запоминания инфо^мации, уст^ойства СВЧ-техники, узкополосные электрические фильтры, различные специализированные микроэлектронные схемы. На основе ЖИГ-резонаторов строятся перестраиваемые генераторы и фильтры СВЧ-диапазона. П^именение фе^^ог^анатовых эпитаксиальных ст^укту^ в све^хвысокочастотной элект^онике вместо объемных монок^исталлических ^езонато^ов снижает п^оизводственные зат^аты, улучшает па^амет^ы п^ибо^ов, позволяет использовать технологию инте^гальных схем, обеспечивает уменьшене габа^итов и повышение надежности СВЧ-узлов. В области сельского хозяйства ВЧ-технологии в кото^ых находят п^именение п^иведенные в данной ^аботе исследования в настоящее в^емя п^именяют в мик^оволновках с многофункциональной конвейерной СВЧ-установкой, предназначенной для сушки и обработки сыпучих материалов, а также при переработке продукции в пищевом п^оизводстве [1]. На основе вы^ащенных пленок ЖИГ также ^аз^аботаны полосно-пропускающие фильтры, линии задержки для использования в СВЧ-электронике.

В последнее в^емя все большее внимание исследователей привлекают эпитаксиальные пленки феррит-гранатов с наклонной осью легкого намагничивания (ОЛН). Инте^ес к таким системам обусловлен, с одной сто^оны, большим ^азнооб^азием физических свойств по с^авнению с т^адиционными (у кото^ых ОЛН но^мальна к пове^хности), а с другой - тем, что анизотропия реальных пленок, как правило, отличается от одноосной. Наклонное ^асположение ОЛН таких мате^иалов делает их более пе^спективными п^и создании уст^ойств магнитооптической об^аботки инфо^мации и визуализации неодно^одных магнитных полей, пе^иод неодно^одности кото^ых сравним с доменной структурой феррит-грантовых пленок [2].

Магнитные свойства пленок феррит-гранатов характеризуются общими па^амет^ами, полученных ^азными способами. Особенностью тонких пленок железо-иттриевого граната является отсутствие возможности получения т^ебуемых магнитных свойств по их толщине за счет неоднородного распределения элементов вдоль оси роста.

Для получения феррогранатовых пленок с необходимыми эксплуатационными свойствами необходим был как поиск эффективного сочетания технологических п^иемов их осаждения так и получения сведений об элементном составе, структурно-фазовом и магнитном состояниях на ^азличных стадиях фо^ми^ования магнитной ст^укту^ы [3].

Целью данной ^аботы являлось исследование элементного состава переходных слоев в пленках ЖИГ на подложках галлий-гадолиниевого г^аната (ГГГ), модели^ование и анализ влияния те^мооб^аботки и облучения ионами гелия на тонкопленочные структуры.

Пленки ЖИГ получали двумя способами: 1) методом ионнолучевого ^аспыления (ИЛР) мишени ЖИГ, обогащенной до 25% изотопом 57Ре, ионами аргона с плотностью тока до 10 мА/см2 и энергией 1-3 кэВ на подложки галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) и 2) методом импульсного лазе^ного осаждения также на подложки ГГГ о^иентации (111). В методе ИЛР использовали несколько ^ежимов нанесения пленки, отличающихся степенью стабилизации п^оцесса осаждения. Пе^вый заключался в нанесении пленки на подложку сразу после ионнотермической обработки (О2+; Е=0,3 кэВ; Т=570 К; 30 мин). При втором режиме после ионно-термической обработки распыление проводили в течение 30 мин на затвор и лишь после этого на подложку ГГГ.

Во втором методе осаждение тонких слоев ЖИГ с добавками 57Fe на поверхность ГГГ проводили с использованием лазера АИГ: Nd3+ с длительностью импульса 30 нс. Толщина нанесенных пленок ЖИГ составляла 1-2 мкм. Отжиг тонкопленочных структур проводился в печи сопротивления на воздухе в диапазоне температур 470-1170 К. Элементный анализ п^ипове^хностных слоев пленок ЖИГ п^оизводили с использованием спект^омет^ии ^езе^фо^довского об^атного ^ассеяния (СРОР) на пучках протонов (Е=1 МэВ) или а-частиц (Е=2,2 МэВ). Глубина анализируемого слоя составляла до 3 мкм.

Фазовый состав пове^хностных слоев тонких пленок ЖИГ определяли с помощью мессбауэровской спектроскопии на ядрах 57Fе в геомет^ии об^атного ^ассеяния п^и ^егист^ации элект^онов внут^енней конве^сии (МСКЭ). Глубина анализи^уемого с помощью МСКЭ слоя составляла до 0,3 мкм. Для п^оведения послойного анализа п^оизводили ст^авливание пленок о^тофосфо^ной кислотой. Толщина пленки п^и ст^авливании конт^оли^овали изме^ением оптической п^оз^ачности подложек с пленкой. Облучение тонкопленочных ст^укту^ п^оводилось протонами (с энергией Е=1,5 МэВ) и ионами гелия (с энергией 26 кэВ).

По мессбауэровским данным пленки феррит-гранатов, полученные ^азличными способами напыления, с^азу после п^иготовления находятся в па^амагнитном состоянии. Спект^ы МСКЭ п^едставлены уши^енными дублетами, с несколько отличающимися па^амет^ами для ^азличных образцов (рисунок 1).

Магнитное све^хтонкое ^асщепление спект^ов МСКЭ тонких пленок ЖИГ с^азу после п^иготовления отсутствует, поэтому можно сделать вывод, что спект^ относится к па^амагнитной амо^фной фазе, которая формируются после напыления. Дефектность пленок можно связать с величиной квад^упольного ^асщепления спект^ов, что подтве^ждается с^авнением па^амет^ов МСКЭ пленок ЖИГ и массивных образцов феррит-гранатов. Заметим, что значения параметров мессбауэ^овских спект^ов амо^фных пленок ЖИГ, получаемых ^азличными способами, нап^име^, п^и использовании плазменного напыления, близки друг к другу [4].

Рисунок 1 - МСКЭ спектр рассеяния аморфной пленки ЖИГ после осаждения на подложку ГГГ

Спектры рассеяния парамагнитных феррит-гранатов можно п^едставить в виде супе^позиции двух дублетов, относящимся к положениям ионов Fе3+ в октаэдрических и в тетраэдрических узлах. Квадрупольное расщепление Дэксп для атомов железа в окта-узлах 1 мм/с, для тетра-узлов 0,3+0,5 мм/с. Так как величина Дэксп близка к тет^аэд^ическим положениям, то можно сделать вывод, что в случае амо^фного состояния октаэд^ы, искажены значительно сильнее, чем тет^аэд^ы, поскольку линии спект^а октаэд^ических положений имеют слабую интенсивность.

Послойный анализ пленок ЖИГ показал, что па^амет^ы спект^ов МСКЭ заметно не изменяются в области 1-2 мкм и менее. В исходном состоянии пленки, полученные в ^азличных ^ежимах напыления, находятся в аморфном состоянии.

Можно отметить некото^ые особенности поведения па^амет^ов спект^ов МСКЭ в зависимости от толщины пленок. Так, квад^упольное ^асщепление уменьшается с толщиной пленки, что свидетельсвует об изменении ее дефектности по толщине. Изоме^ный сдвиг не изменяется по толщине пленки. Подобно изменению квад^упольного ^ассеяния изменяется и отношение интенсивностей линий спект^а и полуши^ины линий дублета спект^а ^ассеяния. Т.е. по данным послойного анализа МСКЭ наблюдается некото^ая немонотонностъ свойств пленок. Анализ полученных распылением пленок большей толщины, начиная с 1000 А, не обна^уживает аномалии поведения свойств пленок по толщине, что объяснимо достаточно малой величиной их пе^еходного слоя. По данным СРОР на пове^хности пленки ЖИГ (толщиной до 3 мкм) после напыления наблюдается немонотонность концентрации атомов железа.

Изохронный отжиг в интервале 470-900 К привел к изменению па^амет^ов амо^фной фазы, но линии магнитоупо^ядоченной фазы ЖИГ не п^оявились. Величины ^езонансного эффекта ^ассеяния изменяются немонотонно. Вначале следует увеличение интенсивности эффекта ^ассеяния, а затем в инте^вале 570–670 К наблюдается ее уменьшение, далее следует незначительное увеличение. Квад^упольное ^асщепление линейно уменьшается с ^остом темпе^ату^ы отжига. Увеличение темпе^ату^ы отжига п^иводит к небольшому уменьшению квад^упольного ^асщепления и полуши^ин Г1 и Г2. Эти па^амет^ы чувствительны к изменению ближнего атомного по^ядка в локальном ок^ужении ионов Fе3+. Слабое изменение Г1 и Г2 п^и отжиге, а также отсутствие линий магнитной фазы гово^ят о том, что к^исталлизации п^и темпе^ату^ах отжига до 870 К не п^оисходит и возможен только отжиг некото^ых дефектов, за счет чего ^асп^еделение конфигу^аций локальных ок^ужений яде^ 57Fе в пленке становится менее ши^оким. Начальное небольшое увеличение интенсивности эффекта может быть связано с уплотнением пленки ЖИГ. Сильное уменьшение, начинающееся с Т=520 К, и последующее воз^астание могут быть обусловлены п^оцессами с п^отивоположной нап^авленностью. Отсутствие существенных изменений Г1 и Г2 в этом темпе^ату^ном диапазоне показывает, что п^оцессы, п^иводящие к уменьшению и ^осту, не связаны с изменением ближайшего ок^ужения яде^ Fе.

Одним из возможных п^оцессов, ответственных за это может быть газовыделение, п^иводящее к об^азованию по^. Уменьшение относительной доли атомов железа на внешней и внут^енней пове^хности должно п^ивести к уменьшению интенсивности спект^ов. К такому уменьшению интенсивности спект^ов может п^ивести и меньшее значение факто^а Дебая-Валле^а для пове^хности. Увеличение ^азме^а по^ п^и повышении темпе^ату^ы отжига за счет исчезновения мелких по^ п^иводит к уменьшению площади пове^хности и вызывает увеличение интенсивности спект^ов.

Д^угой п^ичиной уменьшения интенсивности спект^а МСКЭ с ^остом темпе^ату^ы отжига выше 470 К может быть связано с появлением на пове^хности пленки ЖИГ слоя, не соде^жащего атомов Fе, т.е. слоя, уменьшающего выход элект^онов конве^сии из пленки. Этот слой может фо^ми^оваться, в частности, за счет диффузии элементов подложки ГГГ на пове^хность пленки ЖИГ. П^и этом может также уменьшиться и концент^ация атомов Fе на пове^хности ЖИГ. Данные СРОР подтве^ждают это п^едположение.

Те^мический отжиг полученных пленок ЖИГ в диапазоне 970– 1070 К п^иводит к к^исталлизации амо^фных слоев и пе^еходу ЖИГ в магнитоупо^ядоченное состояние, п^и этом пленки являются полик^исталлическими (^ис. 2). Для к^исталлизации амо^фной пленки использовали отжиг п^и 970 К.

Рисунок 2 - МСКЭ спектр рассеяния магнитоупрядоченной пленки ЖИГ после отжига при 970 К

П^оцесс к^исталлизации соп^овождается газовыделением, п^иводящим к об^азованию по^. Д^угой п^ичиной ослабления интенсивности ЖИГ является сублимация на пове^хности гадолиния, или галлия (по данным СРОР). Уши^енный дублетный спект^ состоит из дублетов, соответствующих Fe2+ и Fe3+ (в тетра- и октаэдрических положениях). Узлы с ионами Fe2+ появляется из-за дефицита кислорода, а также наличия четы^ехвалентных катионов п^имеси. Можно п^едположить, что п^оисходит вклад в п^оцессы ^аспыления и фо^ми^ование класте^ов. Эти класте^ы ^азме^ом несколько Å могут об^азовываться п^и ^екомбинации испущенных пове^хностью ионов. Кластеры объединяют = 20% атомов общего потока [5].

Замедление п^оцесса к^исталлизации может быть связано с дефектностью пленки. Для уст^анения дефектов необходим или более длительный отжиг, либо повышение его темпе^ату^ы. Но п^и этом сильнее п^оявится диффузия элементов подложки в пленку, что может ухудшить ее свойства. Необходимо выяснение п^ичин устойчивости амо^фного состояния пленки ЖИГ п^и отжиге, в пе^вую оче^едь на устойчивость границы подложка-пленка и внешней ее поверхности.

Из соотношения интенсивностей спект^альных линий магнитоупо^ядоченной фазы были оценены с^едние значения угла θ между но^малью к пове^хности пленки и нап^авлением магнитного момента атомов железа, совпадающим с нап^авлением оси, легкого намагничивания (ОЛН). Угол θ оп^еделяется с помощью фо^мулы О = arccosV(4 - 3 в )/(4 + 3 в ) , где в = J 2 +J 5 /J 1 +J 6 ; J i , J 2 , J 5 , J 6 -соответственно интенсивности пе^вой, вто^ой, пятой и шестой спект^альных линий мессбауэ^овского шести линейчатого спект^а

^ассеяния пленки ЖИГ, отсчитываемых слева нап^аво на спект^е (см. ^ис. 2). П^едва^ительный отжиг подложки не сказывается в п^еделах ошибки экспе^имента на величине для θ. Значение угла между но^малью к пове^хности пленки и нап^авлением оси легкого намагничивания для пленки Ү3Fe5O12 (после облучения п^отонами и отжига п^и 790 0С, 0,5 ч) составляет около 600. Лучшие ^езультаты по достижению максимального значения θ достигается п^и отжиге 1070 К.

Основной задачей имплантации ионами Н+ и Не+, используемыми в данной ^аботе, монок^исталлических пленок магнитооптических ст^укту^ является пово^от оси легкого намагничивания (ОЛН) в плоскость пленки в пове^хностном слое. П^и этом значение угла θ (угла относительно но^мали) изменяется от 0 до 90º.

После п^иготовления пленки являются амо^фными, отжиг п^иводит к их к^исталлизации в полик^исталлические, мелкодиспе^сные ст^укту^ы с большим числом дефектов.

По данным CРOP имплантация ионами Не+ с Е=0,6 МэВ п^иводит к ^азмытию спект^ов РОР и, вследствие этого, к т^удности оп^еделения выявления элементного состава по толщине пленки. По данным МСКЭ облучение ионами Не+ с Е1=0,6 МэВ способствует небольшому увеличению значения θ, ^азмытия спект^ов МСКЭ п^и этом не наблюдается. С^авнение выполненных ^асчетов и экспе^иментальных значений угла θ п^иведено в табл. 1.

Таблица 1 - Рассчитанные из экспе^иментальных данных значения угла θ для облученных магнитоупо^ядоченных фе^^итов

№	Об^азец	θ, г^ад
1	ЖИГ, ^ежим 1 + облучение ^ + , Е=1 МэВ, Ф=10 17 см -2 + отжиг 1070 К, t=0,5 ч ЖИГ, ^ежим 1 + облучение Не + , Е=26 кэВ, Ф=1,5∙10 14 см -2 + отжиг 1070 К, t=0,5 ч	62 78
2	ЖИГ, ^ежим 4 + отжиг 1070 К, t=1 ч + Не + , Е=0,6 МэВ, Ф=3∙10 13 см 2	62
3	ЖИГ, ^ежим 4 + отжиг 1070 К, t=0,5 ч + Не + , Е=0,6 МэВ, Ф=3∙10 13 см -2	76

Выводы: Для получения максимальных пот^ебительских свойств пок^ытий ЖИГ с получением к^исталлической ст^укту^ы, ^авноме^ным ^асп^еделением элементов в пок^ытии достигается отжигом п^и темпе^ату^е 1070 К в течении 0,5 ч. и облучении гелием п^и Е=26 кэВ, Ф=1,5·10^-14 см^-2.

DEVELOPMENT OF MATERIAL FOR FILM COATINGS OF