RU2790266C1 - Method for producing ferrite films - Google Patents
Method for producing ferrite films Download PDFInfo
- Publication number
- RU2790266C1 RU2790266C1 RU2022111043A RU2022111043A RU2790266C1 RU 2790266 C1 RU2790266 C1 RU 2790266C1 RU 2022111043 A RU2022111043 A RU 2022111043A RU 2022111043 A RU2022111043 A RU 2022111043A RU 2790266 C1 RU2790266 C1 RU 2790266C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- substrate
- film
- temperature
- deposition
- target
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
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.The invention relates to microwave microelectronics, and more specifically to technologies for the synthesis of anisotropic (with easy magnetization axis directed perpendicular to the surface) BaFe 12 O 19 films by vapor deposition. Such films can be used in the development of planar nonreciprocal microwave devices with a self-bias effect and in spintronic devices as a magnetic dielectric.
Задача изготовления пленок гексагонального феррита бария с высокой степенью кристаллографической текстуры и, соответственно, анизотропией магнитных свойств - весьма нетривиальна.The problem of fabricating films of hexagonal barium ferrite with a high degree of crystallographic texture and, accordingly, anisotropy of magnetic properties is very nontrivial.
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:The following methods for producing ferrite films are known: “Method for producing nanosized films of ferrite garnet containing Bi” (see Ukrainian patent No. 66219. Prokopov A.R., Shaposhnikov A.N., Karavaynikov A.V., Bull. No. 24, 2011) and “Method for obtaining nanoscale films of Bi-containing ferite-garnets” (RF patent No. 2532185. Kostishin V.G., Chitanov D.N., Komlev A.S., Yudanov N.A., Trukhan V. M., Shelkovaya T.V.). However, these methods have the following disadvantages:
1) указанными способами не могут быть получены толстые пленки ферритов;1) thick films of ferrites cannot be obtained by these methods;
2) указанными способами не могут быть получены пленки гексагональных ферритов.2) films of hexagonal ferrites cannot be obtained by these methods.
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.Closest to the proposed one is the "Method for obtaining nanosized ferrite films" (see RF patent No. 2532187. Kostishin V.G., Panina L.V., Morchenko A.T., Chitanov D.N., Yudanov N.A. and Adamtsov A.Yu.; bulletin No. 30, 27.10.2014). The method includes manufacturing a target of a given composition, treating a single-crystal strontium titanate substrate with argon ions, sputtering the target onto a substrate heated to a temperature of 700-750°C, and annealing the resulting film in an oxygen atmosphere for 1.0 hour at a temperature of 500-550°C at normal atmospheric pressure.
Настоящий способ обладает следующими недостатками:The present method has the following disadvantages:
1) указанным способом не могут быть получены пленки гексагональных ферритов;1) films of hexagonal ferrites cannot be obtained by this method;
2) указанным способом не могут быть получены пленки гексаферрита BaFe12O19 с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности пленки;2) BaFe 12 O 19 hexaferrite films with an easy magnetization axis perpendicular to the film surface cannot be obtained by this method;
3) указанным способом не могут быть получены толстые (толщина ~1 мкм и более) пленки гексаферрита BaFe12O19 с осью легкого намагничивания, перпендикулярной поверхности пленки.3) this method cannot be used to obtain thick (thickness ~1 μm or more) BaFe 12 O 19 hexaferrite films with an easy magnetization axis perpendicular to the film surface.
Цель настоящего изобретения - разработать способ получения толстых (толщина ~1 мкм и более) анизотропных пленок гексагональных ферритов BaFe12O19 с направлением магнитного момента перпендикулярно плоскости пленки.The purpose of the present invention is to develop a method for producing thick (thickness ~1 μm or more) anisotropic films of hexagonal ferrites BaFe 12 O 19 with the direction of the magnetic moment perpendicular to the plane of the film.
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.This goal is achieved by the fact that in the proposed method for producing ferrite films, including the manufacture of a BaFe 12 O 19 hexaferrite target, the use of a single-crystal Al 2 O 3 substrate of crystallographic orientation (001), treatment of the substrate with argon ions, sputtering of the target onto a heated substrate with further crystallization annealing of the film the film deposition process carried out at relatively low substrate temperatures (about 300°C) is interrupted periodically.
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.In principle, obtaining an anisotropic hexaferrite film using the proposed technology is possible by any method of ion deposition. The following can be cited as general requirements for a particular method: 1) the use of conditions (chemical composition of the target, residual pressure in the chamber, operating pressure in the chamber, etc.) that ensure the formation of a film on the substrate that is as close as possible in composition to stoichiometric BaFe 12 O 19 ; 2) use as a substrate of a single-crystal plate Al 2 O 3 crystallographic orientation (001). After fulfilling these basic conditions, it is possible to use the directly proposed method, which consists in the following: after heating the substrate to 300–350°C, a 70–90 nm film of barium hexaferrite is deposited. After reaching the specified thickness, the deposition process is interrupted, and the film is kept for 5 minutes at the same temperature of 300-350°C. The film of the required thickness is obtained after repeated repetition of the previous operations: deposition of 70-90 nm and exposure at 300-350°C for 5 minutes. After that, it is necessary to carry out crystallization annealing of the film in air at 800–900°C for 1–3 h.
Сущность предлагаемого технического решения состоит в следующем.The essence of the proposed technical solution is as follows.
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.When heated to 300°C, hematite Fe 2 O 3 begins to crystallize from the amorphous Ba-Fe-O system. Hematite itself is characterized by surface crystallization, and, moreover, it spontaneously forms with the (001) texture. The presence of the (001) crystallographic orientation of the Al 2 O 3 single crystal substrate will only enhance the formation of the (001) texture. Providing a 5-minute interval is necessary so that the crystallites have time to form, because otherwise the incident particles (atoms, clusters of atoms, reflected ions, etc.) will destroy the bonds formed and limit crystallization. When an additional film layer is deposited on its surface, the formation of hematite (001) nuclei also occurs. At the end of the deposition process, the film will consist of an amorphous matrix and inclusions of hematite (001) crystallites throughout its volume, which will serve as a “template” for the growth of hexaferrite (001) during crystallization annealing. Deviations of such parameters as the thickness of one layer, exposure time and substrate temperature from the recommended ones are undesirable, since they can provoke an increase in the probability of formation of non-oriented crystallites, which will lead to a deterioration in the degree of texture of the final film.
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.The method is implemented as follows. A BaFe 12 O 19 hexaferrite target is fabricated using the ceramic technology method. Single-crystal Al 2 O 3 substrate is treated in a vacuum chamber with argon ions 10-20 eV. A single-crystal substrate of crystallographic orientation (001) is placed in a substrate holder with a heater. In the vacuum chamber create a working pressure (Ar gas) (0.5-0.7) mTorr. Using a heater, the substrate is heated to a temperature of (300-350)°C. Next, the target material is deposited on the substrate by sputtering the target with an argon beam using an ion current source. In order to facilitate the crystallization of stoichiometric BaFe 12 O 19 hexaferrite, a controlled flow of oxygen ions is supplied to the substrate region using an ion source. After deposition of a 70–90 nm film of barium hexaferrite onto a substrate, the deposition process is terminated and the film is held for 5 min at a substrate temperature of 300–350°C. The film of the required thickness is obtained after repeated repetition of the previous operations: deposition of 70-90 nm and exposure at 300-350°C for 5 minutes. After that, it is necessary to carry out crystallization annealing of the film in air at 800-900°C for 1-3 hours.
На фиг. 1 изображена рентгеновская дифрактограмма пленки, полученной по предложенной технологии на монокристаллической подложке Al2O3 (001). Как видно, рефлексы гексаферрита представлены лишь семейством (001).In FIG. 1 shows the X-ray diffraction pattern of a film obtained by the proposed technology on a single-crystal Al 2 O 3 (001) substrate. As can be seen, the hexaferrite reflections are represented only by the (001) family.
Предлагаемое техническое решение обладает следующими отличительными признаками:The proposed technical solution has the following distinctive features:
1. Используется монокристаллическая подложка Al2O3 кристаллографической ориентации (001);1. Single-crystal Al 2 O 3 substrate of crystallographic orientation (001) is used;
2. Подложка в процессе напыления подогрета до температуры 300-350°С;2. During the deposition process, the substrate is heated to a temperature of 300-350°C;
3. Процесс напыления пленки прерывается каждые 70-90 нм, после чего осуществляется выдержка пленки в течение 5 мин при температуре подложки;3. The film deposition process is interrupted every 70-90 nm, after which the film is held for 5 minutes at the substrate temperature;
4. Количество напыленных слоев 70-90 нм определяется необходимой толщиной пленки;4. The number of deposited layers of 70-90 nm is determined by the required film thickness;
5. Кристаллизационный отжиг осуществляется на воздухе при температуре 800-900°С в течение 1-3 час.5. Crystallization annealing is carried out in air at a temperature of 800-900°C for 1-3 hours.
Использование указанных признаков для осуществления поставленной цели авторам неизвестно.The use of these features to achieve this goal is unknown to the authors.
Пример.Example.
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).Using the proposed technology, films of barium hexaferrite were obtained on an Al 2 O 3 (001) substrate. Ion-beam sputtering was used as a synthesis method. The target was a disk of stoichiometric BaFe 12 O 19 obtained by standard ceramic technology. The distance from the substrate to the target was 37 mm, the residual pressure was 0.08 mTorr, the operating pressure (Ar gas) was 0.6 mTorr, the ion source voltage was 1.4 kV, the discharge current was 30 mA, the compensator cathode current was 2 .8 A, deposition rate - 20 nm/min. The thickness of one layer was 80 nm, the number of layers was 13 (total thickness ~1 μm), the substrate temperature was 300–320°C, and the exposure time between deposition of each layer was 5 min. Crystallization annealing was carried out in a muffle furnace in air at a temperature of 900°C for 2 h (heating rate 300°C/h, natural cooling).
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).In FIG. 1 is an X-ray diffraction pattern of the resulting film showing the presence of a high degree of (001) type hexaferrite texture. In FIG. 2 shows a snapshot of the surface of the film obtained by the proposed technology, in Fig. 3 is a snapshot of a sample obtained without interrupting the deposition process and with a thickness of only 600 nm. As can be seen from FIG. 3, the absence of interruptions in the deposition process led to the formation of differently oriented grains in the film. At the same time, the surface of the film obtained by the proposed technology consists of intergrown flat hexagonal grains, confirming their (001) orientation.
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2790266C1 true RU2790266C1 (en) | 2023-02-15 |
Family
ID=
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2532187C1 (en) * | 2013-09-26 | 2014-10-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for obtaining nanodimensional ferrite films |
CN102965633B (en) * | 2012-11-05 | 2015-07-08 | 电子科技大学 | Preparation method of M-type barium ferrite film with c-axis vertical film surface orientation |
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102965633B (en) * | 2012-11-05 | 2015-07-08 | 电子科技大学 | Preparation method of M-type barium ferrite film with c-axis vertical film surface orientation |
RU2532187C1 (en) * | 2013-09-26 | 2014-10-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Method for obtaining nanodimensional ferrite films |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
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. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Krupanidhi et al. | Multi‐ion‐beam reactive sputter deposition of ferroelectric Pb (Zr, Ti) O3 thin films | |
WO2017211144A1 (en) | Method for growing vanadium dioxide film | |
US20100133091A1 (en) | Thin film producing method and hexagonal piezoelectric thin film produced thereby | |
US5607781A (en) | Oxide film with preferred crystal orientation, method of manufacturing the same, and magneto-optical recording medium | |
RU2790266C1 (en) | Method for producing ferrite films | |
RU2532187C1 (en) | Method for obtaining nanodimensional ferrite films | |
CN105925937A (en) | Preparation method of orientation magnetic films | |
CN115537738B (en) | Preparation method of M-type ferrite heterojunction film with high remanence ratio and high coercivity | |
JPH05217747A (en) | Alumina substance useful for thin-film head | |
Kostishin et al. | Characterization of c-oriented BaFe12O19 films synthesized by ion beam deposition on Al2O3 (102) substrate | |
RU2668246C2 (en) | Method for production of diamond-like thin films | |
JPH0280562A (en) | Production of iron garnet layer and waveguide and integrated optoelectronics element | |
JP2014148718A (en) | Method for producing hydroxyapatite thin film | |
CN113707451A (en) | Method for preparing flexible ferromagnetic metal film based on Van der Waals epitaxy | |
CN113235159B (en) | Method for preparing single crystal nickel ferrite film | |
JPH02129361A (en) | Forming of thin film | |
CN112382718A (en) | C-axis vertical preferred orientation AlN piezoelectric film and preparation method thereof | |
KR100765377B1 (en) | Method of forming metal nanocrystals in sio2 films | |
RU2532185C1 (en) | METHOD FOR OBTAINING NANODIMENSIONAL FILMS OF Bi-CONTAINING FERRITES-GARNETS | |
KR100270074B1 (en) | The thin coating method for epitaxial ba-ferrite | |
JPS60200887A (en) | Manufacture of magnetic film | |
CN108085742A (en) | Form two chalcogenide of transition metal(TMDC)The method of material layer | |
JP2014001419A (en) | Hydroxyapatite thin film manufacturing method | |
JPH0637351B2 (en) | Method of manufacturing ferroelectric thin film | |
JPS60150614A (en) | Manufacture of magnetic thin film |