Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 950-952

При разработке устройств спинтроники необходимо использовать различные приемы для обработки и модификации поверхности пленок, входящих в гибридные гетероструктуры. Особый интерес представляет получение 3D структур с разнообразными свойствами [1, 2]. В этом случае возникает необходимость формирования пленок с заданным профилем толщины и, как правило, ряд параметров пленок при этом зависят от толщины пленки. Для устройств на базе доменных границ и скирмионов [1, 3, 4] на первый план выходят задачи формирования однородных пленок с малой коэрцитивной силой, что необходимо для снижения эффектов закрепления при движении доменных границ и других наноразмерных спиновых структур.

В данной работе представлены результаты изучения зависимостей параметров петель гистерезиса монокристаллических пленок ферритов-гранатов от толщины пленок при послойном травлении вплоть до полного стравливания пленки. Использовали два метода травления пленок – в растворе кислот [5, 6] (варьировали состав и температуру раствора) и ионно-лучевое распыление поверхности пленок ионами кислорода [7, 8] (варьировали энергию ионов кислорода и плотность тока пучка). Первый метод использовали для небольшой коррекции толщины пленок, так как при значительной глубине травления наблюдался рост плотности дефектов.

Для глубокого анизотропного травления пленок ферритов-гранатов применяли метод медленного ионно-лучевого распыления пучком ионов кислорода [7], модифицированный для задач вплоть до полного стравливания пленок микронных толщин на подложке [8]. Как результат модификации метода рельеф исходной поверхности в процессе распыления становится более гладким и менее дефектным по сравнению с исходным состоянием. В условиях медленного распыления обеспечиваются режимы, когда глубина дефектного слоя, нарушенного облучением пучком ионов кислорода, сопоставима с постоянной решетки феррита-граната и не превышает толщину естественного нарушенного поверхностного слоя ростовой и релаксирующей природы происхождения, которая превышает по размерам две-три постоянные решетки феррита-граната.

В течение одного цикла распыления удаление слоя требуемой толщины производится при предельном вакууме не хуже 0.08 Па и напуске кислорода до рабочего давления не выше 0.12 Па, а толщина удаляемого слоя определяется длительностью цикла. Вначале цикла в течение 20–30 мин облучением пучком ионов кислорода с энергией до 300 эВ и плотностью тока пучка до 0.1 мА ∙ см^–2 поверхность подготавливается и активируется перед процессом утончения пленки, скорость распыления пленки при этом незначительна. На основном этапе распыления энергия ионов кислорода увеличивается до 1000 эВ, а плотность тока пучка до 0.25 мА ∙ см^–2. Скорость распыления при этом составляет примерно 4–5 нм/мин, длительность этапа определяется заданной толщиной снимаемого слоя. На завершающем этапе облучения в течение 20–30 мин пучком ионов кислорода с энергией до 300 эВ и плотностью тока пучка до 0.1 мА ∙ см^–2 производится удаление структурно-нарушенного слоя, образованного на предыдущей стадии травления.

Контроль толщины снятого слоя производили при помощи интерференционного микроскопа Линника–Номарски МИИ-4, для более прецизионного контроля анализировали профили травления образцовых структур методом электронной микроскопии на станции с фокусированным ионным пучком FIE 450. Исследование топографии поверхности проводили с помощью атомно-силового микроскопа SmartSPM (AIST-NT). Далее результаты приведены для пленки состава (Bi,Lu)₃(Fe,Ga,Al)₅O₁₂, выращенной методом жидкофазной эпитаксии на подложке Gd₃Ga₅O₁₂ с ориентацией (111). Исходная толщина пленки h = 8.3 мкм, намагниченность насыщения 4πM_s = = 97 Гс, поле одноосной анизотропии H_k = 5500 Э [4]. Показано, что среднеквадратичная шероховатость поверхности пленки практически не изменяется и остается на уровне R_MS ~ 0.5 нм вплоть до стравливания 90% толщины пленки методом медленного ионно-лучевого распыления пучком ионов кислорода (рис. 1а). Поскольку изменение толщины пленки было значительным, равновесные размеры доменов также изменялись в значительной степени, что хорошо видно на границе областей пленки разной толщины (рис. 1б) и соответствует теоретическим зависимостям размеров доменов от толщины пленки [9]. Профиль толщины пленки на границе областей с разной толщиной контролировали с помощью профилометра KLA-TENCORAlpha-Step 500.

Рис. 1.

а – Область пленки феррита-граната после травления (атомно-силовая микроскопия, R_ms = 0.5 нм); б – доменная структура на стыке двух областей пленки толщиной 3.6 (вверху) и 2.5 мкм (внизу).

Толщину пленок изменяли послойно, с шагом в несколько процентов от первоначальной толщины пленки. Для каждой толщины пленки регистрировали семейство частных и предельных петель гистерезиса и, таким образом, изучили эволюцию петель гистерезиса пленок при глубоком послойном травлении. Особенностью исследуемой пленки состава (Bi,Lu)₃(Fe,Ga,Al)₅O₁₂ является малая величина коэрцитивной силы H_c ~ ~ 0.4 Э для частных петель гистерезиса в небольших магнитных полях H ≤ 10 Э (рис. 2а), соответствующих процессу изменения намагниченности при движении доменных границ. Благодаря медленному процессу распыления и включению заключительного этапа травления по удалению структурно-нарушенного слоя, в результате послойного травления коэрцитивная сила пленок изменяется незначительно, возрастая от ~0.4 Э для исходной пленки до ~0.6 Э для пленки толщиной ~1 мкм (рис. 2б; погрешность измерений H_c соответствует размеру маркеров).

Рис. 2.

Петли гистерезиса пленки для максимального магнитного поля H_max = 0.6 и 2.4 Э (а) и изменение коэрцитивной силы пленки Н_с при травлении в зависимости от толщины пленки h (б).

Таким образом, метод ионно-лучевого распыления пучком ионов кислорода применим для глубокого послойного травления пленок ферритов-гранатов с сохранением малой коэрцитивной силы пленок, что важно при использовании пленок в устройствах на базе доменных границ и других наноразмерных спиновых структур.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проекты № 18-52-16006 и № 18-29-27020.