Введение к работе
Актуальность проблемы
Классическим методом получения чистых поверхностей многих материалов является испарение и конденсация в сверхвысоком вакууме. Данный метод применяется как для получения совершенных тонких пленок и мультислоев, используя механизмы эпитаксиального роста, так и для формирования поликристаллических, аморфных и наногранулированных структур, представляющих интерес, как для фундаментальных исследований, так и для практического применения таких систем.
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 токопереносе 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 токопереносе, либо наличие в самой гетероструктуре твердотельного источника спин-поляризованных электронов. Структурой такого вида является наносистема Fe/Si. В последние годы в лаборатории «Физики магнитных явлений» Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН ведется работа над получением и исследованием таких на-носистем на базе установки МЛЭ «Ангара», созданной в Институте физики полупроводников СО РАН (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 существенную модернизацию как программно-аппаратных блоков контроля и управления технологическим процессом, так и аналитического оборудования.
Из вышесказанного следует, что усовершенствование сверхвысоковакуумной технологии получения мультислоев на основе Fe/Si и изучение влияния условий напыления на химические, структурные и магнитные свойства получаемых пленочных систем является весьма актуальным.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант 02-02-17224 и программы ОФН РАН "Спинтроника"
Цель работы
Усовершенствование сверхвысоковакуумной технологии на базе технологического комплекса «Ангара» для воспроизводимого получения систем нанометрового диапазона магнитных (Fe) и полупроводниковых материалов (57), а также in situ определения толщины, элементного и химического состава полученных систем. Определение влияния технологических условий на структурные, химические и магнитные свойства получаемых пленочных систем.
Для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи:
1. Автоматизация сверхвысоковакуумного технологического комплекса «Ангара»,
создание и внедрение блоков контроля высоковакуумной установки и управле
ния испарителями высоковакуумной установки.
-
Модернизация имеющегося аналитического оборудования, включающей в себя разработку и внедрение системы регистрации и обработки дифрактометрической информации на базе дифрактометра отраженных быстрых электронов и внедрение системы ввода и вывода аналоговых сигналов RL-88AC регистрации данных с оже-спектрометра 09ИОС-3 и масс-спектрометра МХ-7304 на компьютер.
-
Внедрение системы регистрации в процессе роста эллипсометрической информации от магнитных пленок с помощью эллипсометра ЛЭФ-751М.
-
Исследование влияния технологических условий на структуру и свойства получаемых многослойных пленок и однослойных пленок составляющих элементов.
-
Отработка технологии воспроизводимого получения однослойных и многослойных структур на основе Fe и Si на различных подложках.
-
Структурная, химическая и магнитная паспортизация свойств получаемых пленочных систем Fe и Ж.
Научная новизна результатов
-
Реализовано оригинальное конструктивное решение по модернизации и автоматизации технологического комплекса молекулярно-лучевой эпитаксии «Ангара» и встроенной аналитической аппаратуры.
-
Разработана и апробирована технология воспроизводимого получения однослойных и многослойных систем на основе Fe и Si на различных подложках.
-
Получены результаты о степени влияния технологических условий получения на структуру, химическое состояние и магнитные свойства однослойных и многослойных систем FelSi.
Практическая ценность работы
В результате усовершенствования сверхвысоковакуумной технологии воспроизводимого получения тонких пленок и многослойных систем на базе модернизированного и автоматизированного технологического комплекса «Ангара» разработана методика, позволяющая получать системы нанометрового диапазона магнитных (Fe) и полупроводниковых материалов (Si), а также in situ определять толщину, элементный и химический состав полученных систем. Полученная информация о влиянии технологических условий напыления на химические, структурные и магнитные свойства может быть использована для прогнозирования свойств получаемых пленочных систем. Проведенная автоматизация технологического комплекса «Ангара» позволила получать мультислойные наносистемы с заданными свойствами.
Имеется акт внедрения программно-аппаратных блоков для контроля сверхвы-соковакуумной системы и автоматическим управлением технологическим процессом в лаборатории ФМЯ Института физики СО РАН.
Имеются акты об использовании модернизированной и автоматизированной установки получения тонких пленок и мультислоев в сверхвысоком вакууме в научном и образовательном процессе в КНОЦ ВТ, лабораториях Института физики СО РАН, МИФО КГУ и СибГАУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Конструктивное решение модернизации и автоматизации технологического комплекса молекулярно-лучевой эпитаксии «Ангара» и встроенной аналитической аппаратуры.
-
Результаты о степени влияния технологических условий сверхвысоковаку-умного термического напыления на химическое состояние, структурные и магнитные свойства однослойных и многослойных систем FelSi.
-
Экспериментальные результаты изучения электронных спектров, данных лазерной эллипсометрии, полученных непосредственно в высоковакуумном технологическом комплексе.
-
Результаты исследования спектров малоуглового рентгеновского рассеяния однослойных и многослойных систем Fe/Si, температурных и полевых зависимостей намагниченности, и резонансных свойств однослойных и многослойных пленок Fe и Si, магниторезистивных свойств структуры пленка Fe на монокристаллической подложке манганита Еио,7РЬо.зМпОз.
Апробация работы.
Результаты, изложенные в диссертации, докладывались на: Moscow international symposium on magnetism (Москва, 2002), Nano and Giga Challenges in Microelectronics Research and Opportunities in Russia (Москва, 2002), Всероссийской научной конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2003), Proceedings of X АРАМ topical seminar and III conference «Materials of Siberia» «Nanoscience and technology» (Новосибирск, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение» (Красноярск, 2003), III и VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов «Решетневские чтения» (Красноярск, 1999 и 2003 гг.), Межвузовской научной конференции «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2003), 9 и 10 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Красноярск, 2003 и Москва, 2004), XIX Международной школы-семинара «Новые магнитные материалы микроэлектроники» (Москва, 2004), Международной конференции Euro-Asian symposium "Trends in magnetism" (Красноярск, 2004). В целом работа докладывалась на научных семинарах кафедры технической физики Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева, лаборатории физики магнитных явлений и отдела физики магнитных явлений Института
физики им. Л.В. Киренского СО РАН, на научном семинаре в Институте физики полупроводников СО РАН (г. Новосибирск, 2005).
Публикации.
По материалам диссертации опубликована 21 работа [А1-А21], из них 3 статьи в рецензируемых журналах: Письма в ЖТФ (2003), Письма в ЖЭТФ (2004), Приборы и техника эксперимента (2004).
Личный вклад автора.
Разработка и создание отдельных блоков, программного обеспечения и модернизация сверхвысоковакуумного оборудования проводилась при активном участии автора. Непосредственно автором были получены образцы для исследования, проведен анализ и интерпретация электронных оже-спектров и спектров характеристических потерь энергии электронов. Автором отработана методика измерения толщины слоев Fe и Si in situ методом лазерной эллипсометрии. При участии автора в лаборатории сильных магнитных полей Института физики СО РАН измерены кривые намагниченности и проведен анализ результатов. Интерпретация полного набора экспериментальных данных малоуглового рентгеновского рассеяния, магнитного резонанса проведены при активном участии автора.
Структура и объем работы.
