о
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР МАГНИТНЫХ И
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1 Классификация полупроводниковых гстсроструктур и магнитных наноструктур
1.2 Структуры полупроводник/ферромагнетик
1.3 Сверхвысоковакуумные технологии тонких пленок и наноструктур
1.4 Постановка задачи
ГЛАВА 2. МОДЕРНИЗАЦИЯ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА МОЛЕКУЛЯРНО-
ЛУЧЕВОЙ ЭПИТАКСИИ «АНГАРА»
2.1 Разработка блока контроля параметров технологического комплекса МЛЭ «Ангара»
2.2 Разработка блока управления испарителями
2.3 Внедрение эллиисомстра ЛЭФ-751М, для in situ контроля оптических параметров структуры
2.4 Модернизация встроенного аналитического оборудования
2.4.1 Разработка и внедрение системы регистрации и обработки дифрактометрической информации
2.4.2 Внедрение система ввода и вывода аналоговых сигналов RL-88АС для вывода поступающих данных с ожс-спсктромстра 09ИОС-3 и масс-спектрометра МХ-7304 на компьютер
2.5 Выводы к Главе 2
4
7
7
15
20
31
33
33
37
40
45
45
48
52
з
ГЛАВА 3. ТЕХНОЛОГИЯ ВОСПРОИЗВОДИМОГО ПОЛУЧЕНИЯ ОДНОСЛОЙНЫХ И МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ Fc И Si 53
3.1 Технология однослойных и многослойных наноструктур, с
заданными параметрами 53
3.2 Определение толщины слоев Fc и Si in situ методом лазерной
эллиисометрии 57
3.3 Определение in situ элементного и химического состава
систем на основе Fc и Si методами ЭОС и СХПЭЭ 60
3.4 Определение структуры слоев и интерфейса систем Fe/Si ex
situ методом малоуглового рентгеновского рассеяния 71
3.5 Выводы к главе 3 75
ГЛАВА 4. МАГНИТНЫЕ И МАГІ1ИТОРЕЗИСТИВИЫЕ СВОЙСТВА СТРУКТУР НА ОСНОВЕ Fc И Si 76
4.1. Фундаментальные магнитные параметры исследуемых
систем на основе Fc и Si 76
4.2. Резонансные исследования пленок системы Fe/SHFe 86
4.3. Магниторезистивный эффект структуры: пленка Fc на
монокристалличсской подложке манганита ЕиолРЬодМпОз 91
4.4 Выводы к главе 4 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 98
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 100
ВВЕДЕНИЕ
Классическим методом получения чистых поверхностей многих материалов является испарение и конденсация в сверхвысоком вакууме. Данный метод используется как для получения совершенных тонких пленок и мультислоев, используя механизмы эпитаксиального роста, так и для формирования иоликристаллических, аморфных и наногранулированных структур, представляющих интерес, как для фундаментальных исследовании, так и для практического использования.
В настоящее время особый интерес вызывают структуры полупроводник/ферромагнетик, в которых могут быть реализованы идеи спиновой электроники. Появление и развитие спиновой электроники базируется на спиновом токопсрсносс между элементами электронных устройств. Для этого требуется либо присутствие в аппаратуре достаточно громоздких устройств для создания внешних магнитных полей, способствующих ориентации по спину носителей заряда или их фильтрации при токоиереносе, либо наличие в самой гетероструктуре твердотельного источника спин поляризованных электронов. Структурой такого вида является наносистсма Рс/Бн В последние годы в лаборатории «Физики магнитных явлений» Института физики им. Л.В. Кирснского СО РАН ведется работа над получением и исследованием таких наносистем на базе установки МЛЭ «Ангара», созданной в Институте физики полупроводников СО РАИ (г. Новосибирск).
Однако, несмотря на достаточно большой объем как теоретических исследований, так и практических работ в области МЛЭ, российские технологические комплексы МЛЭ «Ангара» и «Катунь» создавались в конце прошлого века. В настоящее время возросли требования к технологическому процессу. Кардинальные изменения в вычислительной технике и программном обеспечении технологического процесса требуют существенно!! модернизации
как программно-аппаратных блоков контроля и управления технологическим процессом, так и аналитического оборудования.
Пел »но работы является усовершенствование сверхвысоковакуумной технологии на базе технологического комплекса «Ангара» для воспроизводимого получения систем манометрового диапазона магнитных (Fc) и полупроводниковых материалов (Si), а также in situ определения толщины, элементного и химического состава полученных систем. Определение влияния технологических условии на структурные, химические и магнитные свойства получаемых пленочных систем.
Работа состоит и 4 глав. В первой главе приводится краткий литературный обзор различных типов полупроводниковых гстсроструктур и магнитных наноструктур, рассматриваются вопросы, связанные с различными механизмами роста и физическими свойствами данных структур. Приведены некоторые из методов сверхвысоковакуумного получения тонких пленок и наноструктур. В конце главы приводится постановка задачи настоящего исследования.
Во второй главе приводится результаты работы но модернизации и автоматизации сверхвысоковакуумного технологического комплекса «Ангара». Представлены основные характеристики, а также принципы действия: блока контроля технологических параметров и блока управления испарителями в сверхвысоковакуумном технологическом комплексе; быстродействующего лазерного эллипсомстра ЛЭФ-751М. Описаны результаты модернизации встроенного в технологический комплекс «Ангара» аналитического оборудования.
В третьей главе, изложены результаты технологии воспроизводимого получения многослойных пленочных структур и однослойных пленок составляющих элементов Fc и Si. Представлены результаты: исследования отдельных слоев Fc и Si in situ методом лазерной эллипсометрии; определения
элементного и химического состава получаемых пленочных однослойных и многослойных структур методами электронной ожс-спсктроскошш и спектроскопии характеристических потерь энергии электронов; определения качества структуры слоев и интерфейса ex situ методом малоуглового рентгеновского рассеяния.
Четвертая глава посвящена результатам магнитной паспортизации однослойной пленки Fe толщиной 15 нм и шестислойной структуры Fc(5hm)/S/(2hm)/Fc>(5hm)/S/(2hm)/Fc(5hm)/.S/(10hm). Представлены результаты измерения магнитных параметров (намагниченность насыщения Ms, константа кристаллографической анизотропии К, константа обменного взаимодействия Л, коэрцитивная сила Не) с помощью исследования температурной и полевой зависимости намагниченности. Обсуждаются механизмы формирования данных структур. Приводятся результаты исследований экспериментально обнаруженного влияния толщины ферромагнитного слоя на мсжслоевое взаимодействие в трехслойшых пленках с полупроводниковой прослойкой Fe/Si/Fc. Обсуждаются результаты исследования магниторезистивных свойств структуры, представляющей собой кристалл манганита с нанесенной на него тонкой пленкой железа ([M/Fc])
Основные результаты настоящей работы выделены в виде итогового заключения. По материалам диссертации опубликована 21 работа [80-100],.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 111 страницах машинописного текста, включая 44 рисунка, 10 таблиц и списка литературы из 100 наименований.
ГЛЛВЛ 1. СВЕРХВЫСОКОВЛКУУМНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР МАГНИТНЫХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
1.1. Классификация полупроводниковых гстсроструктур и магнитных наноструктур.
Электронное приборостроение последней четверти минувшего столетия ознаменовалось крупными достижениями твердотельной физической науки в области создания микросхем на базе многослойных гстероструктур металл-полупроводник. Практическая значимость этих материалов для электроники и оптоэлсктронпки связана с быстродействием и снижением энергетических потерь, что обусловлено небольшими размерами компонент устройств на этих структурах.
Ожидаемый дальнейший скачок в развитии элементной базы микроэлектроники связывается с освоением нанотехнологий, когда размеры активных областей электронных структур окажутся менее 100 нм и будут сравнимы с длиной волны де Бройля электрона и длиной его свободного пробега [1]. При этом окажутся одного порядка и радиус экранирования носителя заряда, и длина когерентности (спаривания) куперовской пары в сверхпроводниках. В этих случаях определяющую роль начинают играть сугубо квантовые явления. Поэтому уже сейчас появился термин "квантовая электроника", и его содержательная часть основана на одноэлсктронных эффектах в твердых телах [2]. Так, в вычислительной технике «одно электроника» призвана реализовать идею «один электрон - один бит информации», являющуюся последней ступенью развития электроники дня цифровых схем, поскольку невозможно хранить менее одного электрона в элементе памяти.
Дальнейшее развитие этой идеи — спиновая электроника, в которой
элементарным носителем информации является спин электрона, а кодирование информации сводится к закреплению пространственной ориентации спина носителя тока относительно внешнего магнитного поля. Как известно, электрон но отношению к внешнему магнитному нолю обладает двумя возможными пространственными ориентациями своего магнитного момента - спина - но нолю (условно спин вверх |) и против ноля (спин вниз -|). Поэтому реализация принципа квантовой магнитной записи "один спин - один бит информации" и появление спиновой информатики оказывается не только предельно допустимой для магнитного принципа записи информации, но и служит достижению миниатюризации электронных схем с одновременно повышенной информационной плотностью операционных логических систем. До сих пор в практике плотность записи информации на жестких и мягких магнитных носителях ограничена размерами единичных магнитных доменов, что не идет ни в какие сравнения с размерами квантовых точек, какими по существу являются спины электрона.
Обычно понятие "гстсроструктура" означает группу контактов из двух или более объемных полупроводниковых кристаллов, имеющих на своих границах электрические металлические контакты. Подобные же контактные структуры, но полученные методами тонкопленочного напыления на изоляционную или металлическую подложку, названы мультислойными гетероструктурами, или просто мультислоями. Полупроводниковые свсрхрешстки и магнитные мультислои имеют характерные размеры слоев 1-100 нм и относятся к наноструктурами. Кроме полупроводниковых сверхрешсток и магнитных мультнелоев к наноструктурам можно отнести и ряд других материалов: фуллерсны, пористые кремниевые трубки, некоторые биологические объекты.
Кратко рассмотрим каждый вид из наноструктурных материалов. Согласно схеме, приведенной на рис. 1.1, все наноструктурные материалы условно делятся на четыре группы [3]:
Рис. 1.1. Классификация наноструктурных материалов а - наночастицы и микрокластеры; б-мультислойные структуры и ультратонкие пленки; в - напопокрытия, верхние слои; г нанофазные материалы.
а) - В литературе установилось общее название для структур этой группы -нанокристаллические материалы (НКМ). Таким образом, в общем виде нанокристаллические материалы существуют в двух разновидностях. Это -отдельные наночастицы или микрокластеры и наночастицы, собранные в твердое тело за счет компактирования или конденсирования в конгломераты или нанесенные в виде пленки на подложку.
б) - Группа материалов, в которую входят мультислойные структуры и ультратонкие пленки, толщина которых не более 100 Л, имеют название наноструктуированные материалы. Свойства ультратонких пленок и мультислоев, сильно зависят от толщины.
в) - Нанопокрытия (ультрадисперсные покрытия) можно рассматривать как очень тонкие нанофазные материалы с ультрадисперсной микрострукту рой, нанесенные на обрабатываемые поверхности.
г) - Нанофазные материалы - это искусственно ком пасти рованные нанопорошки или пленки, состоящие из наночастиц разного химического состава, состоят из «строительных блоков», имеющих наномасштаб в трех
- Київ+380960830922