НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2012, том 48, № 12, с. 1372-1374
УДК 538.975
ФОРМИРОВАНИЕ МАГНОННЫХ КРИСТАЛЛОВ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ОСТРОВКАМИ МЕТОДОМ ТРАВЛЕНИЯ ФОКУСИРОВАННЫМ
ИОННЫМ ПУЧКОМ
© 2012 г. А. В. Беспалов*, О. Л. Голикова*, С. С. Савин*, А. И. Стогний**, Н. Н. Новицкий**
*Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики, Москва **Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению, Минск
e-mail: stognij@ifttp.bas-net.by Поступила в редакцию 22.03.2012 г.
Рассмотрен процесс размерной обработки пленок золота, кобальта, никеля и их комбинаций нано-размерной толщины на поверхности эпитаксиальных пленок феррит-гранатов при распылении фокусированным пучком ионов галлия. Показано, что минимальные размеры металлических островков правильной формы и интервалы их расположения определяются не только минимальным сечением пучка ионов галлия, но и толщиной пленки металла. На примере пленок Au и Co-Au толщиной менее 10 нм впервые продемонстрирована возможность формирования периодической структуры в виде прямоугольных металлических островков с латеральными размерами до 70 нм. Данные структуры перспективны для использования в качестве двумерных кристаллов магноники.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время наблюдается значительный интерес к исследованию гетероструктур в виде наноразмерных металлических пленок или муль-тислоев на субмикронных или микронных по толщине пленках магнитодиэлектриков (чаще всего феррит-гранатов) [1—4]. Теоретические исследования предсказывают новые фундаментальные результаты для процессов распространения и взаимодействия различных возбуждений (маг-нонных, плазмонных, фононных и фотонных) в случае периодического структурирования функциональных слоев отмеченных гетероструктур на нано-, суб- и микронном уровнях. Особое место здесь занимают магнонные кристаллы, в которых периодическое структурирование сопровождается модулированием магнитных свойств. Это позволяет управлять условиями распространения спиновых волн в диапазоне частот от гигагерц до терагерц. Поскольку спиновые волны на несколько порядков величины короче электромагнитных волн соответствующего диапазона, маг-нонные устройства на основе магнонных кристаллов открывают новые перспективы для миниатюризации размеров устройств магнито-микроэлектроники и/или спинтроники [1—5]. Контроль размеров и анализ свойств слоев играют определяющую роль при выборе сочетаний магнитных и немагнитных материалов в магнон-ных кристаллах. Это связано в основном с даль-нодействующим взаимодействием материалов магнитной природы, значительно перекрывающим границы областей этих отдельных слоев. Примером может служить работа [4], где рассматривается магнитостатическое взаимодействие пе-
риодической структуры в виде квадратных островков кобальта со сторонами в десятки микрон и толщиной 2 нм с подложкой из железо-иттриево-го граната толщиной в микроны, приводящее к перемагничиванию подложки. В работе [5] получены периодические структуры 1.0-магнонных кристаллов и изучены их частотно-амплитудные свойства, которые характеризуются наличием запрещенных зон в соответствии с аналогом закона Брэгга для поверхностных спиновых волн. Настоящая статья является продолжением работ [4, 5], в ней впервые предложен системный подход к формированию периодических структур магно-ники ионно-лучевыми методами.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Нанесение пленок Аи, Со, N1 и комбинаций Со-Аи и №-Аи осуществлялось при помощи метода ионно-лучевого распыления [6]. Предельный вакуум составлял менее 5 х 10-4 Па, а рабочее давление после напуска аргона не превышало 2 х х 10-2 Па. Экспериментальные условия позволяли считать движение распыленных атомов от мишени к подложке свободным. Распыление мишеней металлов (99.99%) производилось пучком ионов аргона с энергией 1.5 кэВ и плотностью тока 0.25 мА/см2. Поток распыленных атомов осаждался на поверхность подложек, которыми служили пластины кремния (в качестве свидетелей) и эпитаксиальные пленки железо-иттриевого граната YзFe5O12 (ЖИГ) толщиной до 10 мкм, выращенные методом жидкофазной эпитаксии на пластинах галлий-гадолиниевого граната. Непосредственно перед осаждением поверхность ЖИГ
ФОРМИРОВАНИЕ МАГНОННЫХ КРИСТАЛЛОВ С НАНОРАЗМЕРНЫМИ ОСТРОВКАМИ
1373
Рис. 1. РЭМ-фотография периодической структуры в виде островков золота толщиной 12 нм на поверхности ЖИГ-пленки.
подвергалась планаризации до уровня среднеквадратичной шероховатости менее 0.3 нм на площади до 6 х 6 мкм2 по методике [7]. Скорость осаждения Au не превышала 0.8 нм/с, а скорости осаждения Co и Ni составляли примерно 0.5 нм/с. Для определения толщины отдельных слоев применялись стандартные методы атомно-силовой микроскопии (АСМ), растровой электронной микроскопии (РЭМ) аналогично [6, 7]. Морфология поверхности многослойных структур исследовалась при помощи АСМ "Фемтоскан-001" (Центр перспективных технологий, МГУ, Москва) и РЭМ Helios NanoLab 540 (FEI Company, USA). РЭМ содержал модуль распыления фокусированным ионным пучком (ФИП). Пучок однозарядных ионов галлия током в 10 рА и энергией в 30 кэВ использовался в однопроходном по поверхности образца режиме с предельной фокусировкой до 7 нм в диаметре на проводящей поверхности.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 приведена РЭМ-фотография периодической структуры, полученной после травления ФИП пленки золота толщиной 12 нм на ЖИГ по площади 5 х 4 мкм2 в течение 164 с со временем вытравливания одного островка 100 мкс. Видно, что островки отличаются друг от друга по размерам, профили травления не являются анизотропными, условия травления прямоугольных границ не соблюдаются, поэтому в основном происходит формирование впадин с овальным дном. Это может быть связано с тем, что в данном случае толщина пленки металла превосходит среднюю глубину выхода распыленных атомов на поверхность. Поэтому режим травления быстрыми ионами галлия определяется двумя основными факторами.
Если при взаимодействии ионов галлия с проводящей металлической поверхностью диаметр пучка не превышает 7 нм, то по мере распыления
50 мкс — 82 с
500 нм Щ i____i
1 мкм 1 1
Рис. 2. РЭМ-фотография 2.0-магнонного кристалла в виде периодических прямоугольных островков золота толщиной 8 нм на поверхности ЖИГ-пленки.
этого слоя ионы галлия достигают диэлектрической поверхности ЖИГ, на которой условия нейтрализации положительного заряда пучка ионов в центре профиля травления отличаются от условий нейтрализации вблизи металлических границ. Это приводит к спонтанным пульсациям профиля сечения пучка ионов галлия по мере формирования рисунка в окне профиля травления. Следовательно, в случае тонких пленок металла полученный профиль травления должен иметь более правильные анизотропные и прямоугольные стенки, чем в случае более толстых металлических пленок на диэлектрике. Действительно, с уменьшением толщины проводящей пленки условия нейтрализации положительного заряда ухудшаются, пучок ионов расплывается в поперечных размерах, но при этом происходит подавление пульсаций при вытравливании дна в местах сочленения проводящих и диэлектрических участков профиля.
Это подтверждается рис. 2. Здесь пленка золота толщиной 8 нм размерно обрабатывалась ФИП в течение 82 с на площади 5 х 4 мкм2 со временем вытравливания одного островка 50 мкс. Полученная двумерная структура может идентифицироваться как 2^-магнонный кристалл [1, 2] с размерами прямоугольных металлических островков примерно в 65 х 30 нм и расстоянием их друг от друга в 50 нм. В доступных литературных источниках указанные наноразмерные интервалы для 2.0-магнонных кристаллов авторами настоящей статьи не найдены.
На рис. 3 показана наилучшая периодическая структура из всех процессов травления ФИП, направленных на уменьшение периода структуры. Видно, что при всей правильности геометрической картины в наноразмерных металлических островках проходят процессы самоорганизации, стимулированные появлением избытка поверх-
1374
БЕСПАЛОВ и др.
Рис. 3. РЭМ-фотография периодической структуры в виде островков кобальта толщиной 2 нм, покрытых слоем золота толщиной 4 нм, на поверхности ЖИГ-пленки.
Рис. 4. РЭМ-фотографии периодической структуры в виде островков золота толщиной 8 нм на поверхности подложки кремния.
Рис. 5. РЭМ-фотографии периодической структуры в виде островков никеля, полученных методом травления ФИП в слое никеля толщиной 320 нм на подложке кремния.
ностной энергии, возрастающего по мере увеличения удельной площади свободной поверхности островков с уменьшением их латеральных размеров. Об общности сделанного вывода говорит рис. 4, где в аналогичных рис. 3 условиях процесс ФИП выполнен на подложке кремния. Следует отметить, что все попытки получения магнонных кристаллов методом ФИП на более толстых металлических пленках закончились неудачно (рис. 5).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Приведена процедура получения пленок металлов на примере золота, кобальта, никеля и их комбинаций наноразмерной толщины на поверхности эпитаксиальных пленок феррит-гранатов. Рассмотрен процесс размерной обработки данных гетероструктур при распылении фокусированным пучком ионов галлия. Показано, что минимальные размеры металлических островков правильной формы и интервалы их расположения определяются не только минимальным сечением пучка ионов галлия, но и толщиной пленки металла. На примере пленок Au и Co-Au толщиной менее 10 нм впервые продемонстрирована возможность формирования периодической структуры в виде прямоугольных металлических островков с латеральными размерами до 70 нм. Данные структуры перспективны для использования в качестве двумерных кристаллов магноники.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ - БРФФИ (№ Ф10Р-048).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Высоцкий С.Л., Никитов С.А., Филимонов Ю.А. Маг-нитостатические спиновые волны в двумерных периодических структурах — магнитофотонных кристаллах // ЖЭТФ. 2005. T. 128. № 3(9). С. 636-644.
2. Serga A.A., Chumak A.V., Hillebrands B. YIG magnon-ics // J. D. Appl. Phys. 2010. doi: 10.1088/0223727/43/26/264002/.
3. Belotelov V.I., Doskolovich L.L., Z
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.