РОЗДІЛ II. ОБ?ЄКТИ ТА МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
2.1. Технологія вирощування та іонної імплантації епітаксійних ФГП
Монокристалічні епітаксійні ферит-гранатові плівки вирощувалися методом рідкофазної епітаксії (PФE) з розчину розплаву на основі PbO-B2O3-Bi2O3 для Ві-заміщених гранатів та PbO-B2O3 для ЗІГ чи ФГП, які не містять вісмуту. В якості підкладок використовувалися монокристали гадоліній-галієвого гранату Gd3Ga5O12 (ГГГ), вирощені методом Чохральського з площиною зрізу (111) і сталою ґратки 12,382A. Післяростова обробка включала механічну шліфовку, механічну, хіміко-механічну та хімічну поліровки; поверхня підкладок відповідала 14 класу чистоти. Вирощування проводилось на спеціальному обладнанні НВП "Карат" (м.Львів) - п'ятизонній печі для РФЕ Garnet-3. Температура тигля під час росту плівок контролювалася з точністю, не гіршою 0,1о.
Рис. 2.1. Часова діаграма росту епітаксійної гранатової плівки.
Вирощування плівок проводилося згідно загальної процедури РФЕ гранатів. Загальна часова діаграма росту епітаксійної гранатової плівки показана на рис. 2.1 [18]. Як видно з рисунка, технологічний цикл вирощування ФГП складається з: нагрівання розчину-розплаву (?2-3 год.) (ділянка 1 рис. 2.1); гомогенізацію розплаву при Т>Тнас (?4-12 год.) (ділянка 2); перемішування розчину (ділянка 3); охолодження до температури росту (?1 год.) (ділянка 4); опускання підкладки до поверхні розплаву з підігрівом (?0,5 год.) (ділянка 5); занурення плівки в розчин, ріст плівки та витягування з розчину (?10-60 хв.) (ділянка 6); розкручування підкладки над розчином (200-500 об./хв.) для очищення плівки від залишків розчин-розплаву (ділянка 7); охолодження розчину (ділянка 8). При вирощуванні Ві-заміщених ФГП, для стабілізації швидкості росту плівок, після гомогенізації розплав повільно охолоджували до температури росту і витримували при цій температурі протягом 3-4 годин. Швидкість обертання підкладки під час росту була рівна 60 об./хв., а через кожну хвилину здійснювався реверс обертання. Після остигання плівки очищувались травленням в гарячій суміші азотної і оцтової кислоти. Кристалографічна розорієнтація вирощених плівок не перевищувала .
При серійному вирощуванні епітаксійних ФГП, для прогнозування властивостей плівок, виникає потреба у визначенні зв'язку між різними технологічними параметрами. Детальний аналіз даної проблеми проведено в роботах [10, 18]. Наведемо деякі з них.
Для того, щоб відбувався епітаксійний ріст необхідно, щоб різниця параметрів ґратки плівки апл і підкладки апд була мінімальною. За даними [78], якщо різниця параметрів ґратки плівка-підкладка (?a=апд-апл) перевищує 0,19 A при 950oС, то епітаксійний ріст не відбувається зовсім. При менших ?a в епітаксійній плівці в залежності від її товщини відбувається утворення мікродефектів (різного типу в залежності від знаку ?a) [78, 79]. Надмірний розтяг плівки (апл<апд) приводить до утворення тріщин, надмірний стиск (апл>апд) - до утворення горбиків і сприяє руйнуванню поверхні розділу.
Для росту бездефектної плівки за даними [78] допустимі значення ?a при кімнатній температурі повинні знаходитися в межах від -0,012?-0,015 A до +0,018 A. У випадку легування вісмутом, за рахунок суттєвого зростання різниці температурних коефіцієнтів плівки і підкладки, діапазон зміни значень ?a суттєво звужується [79].
Дослідження особливостей епітаксійного росту від кристалографічної орієнтації поверхні підкладки проведено в роботі [80, 81]. В зв'язку з тим, що площина підкладки (111) є найбільш атомно шорохуватою, швидкість епітаксійного росту на ній найбільша, в порівнянні з більш атомно-гладкими площинами (110), (100) та (112), ріст плівки на яких має лускоподібний характер. Для покращення морфології поверхні підкладок та збільшення швидкості росту вздовж орієнтацій, відмінних від (111), виготовляють підкладки з розорієнтацією площини зрізу та відповідної кристалографічної площини ?1-4 . Крім ступеня переохолодження та швидкості обертання підкладки, швидкість росту епатаксійних ФГП залежить від неузгодженості параметрів ґраток плівка-підкладка [82]: максимальна при відсутності різниці в параметрах ґратки і рівна нулю при перевищенні деякої критичної різниці.
В цілому, кінетика епітаксійного росту з розчин-розплаву визначається в основному дифузією гранатоутворюючих компонент через приповерхневий шар біля фронту кристалізації, хімічною реакцією приєднання частинок з розчин-розплаву до плівки на фронті кристалізації та переносом компонент розчину до границі дифузійного шару [78, 83, 84].
Важливою особливістю методу РФЕ є утворення перехідних поверхневих шарів плівка-підкладка та плівка-повітря, які відрізняються за хімічним складом та магнітними параметрами від основного об'єму плівки. Особливо суттєвий вплив перехідних шарів на параметри субмікронних ФГП.
Так, при зануренні підкладки з ГГГ в переохолоджений розчин-розплав гранатоутворюючих оксидів відбувається деяке підтравлювання її поверхні агресивними компонентами розчинника, внаслідок чого прилягаючі до підкладки шари розплаву збагачуються іонами Gd3+ і Ga3+. Кількість цих іонів залежить від ступеня переохолодження розплаву. Крім того, в процесі РФЕ відбувається випаровування оксиду свинцю з поверхні розплаву, що приводить до зміни співвідношення компонент розчинника в сторону зростання кількості оксиду бору, який стимулює подальше розчинення підкладки. Вивільнені таким чином іони Gd3+ та Ga3+ захоплюються в процесі росту плівкою, і дають свій вклад в утворення перехідних шарів плівка-підкладка. Виникненню і потовщенню цього перехідного шару сприяє також високотемпературна твердофазна дифузія катіонів між плівкою і підкладкою [85].
Утворення перехідного шару плівка-повітря відбувається тому, що прилягаючий до підкладки дифузний шар розчину-розплаву є збідненим на гранатоутворюючі компоненти. Наслідком цього є зростання входження в структуру ФГП іонів Pb2+ з розчинника. Крім того, формування перехідного шару плівка-повітря