1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 10, 2022

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2022, № 10, стр. 29-33

Формирование микроструктур с заданным 3D-профилем на основе эпитаксиальных пленок редкоземельных феррит-гранатов методом ионного травления

О. А. Томилина a, *, А. А. Сыров a, С. В. Томилин a, В. Н. Бержанский a

a Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского
295007 Симферополь, Россия

* E-mail: olga_tomilina@mail.ru

Поступила в редакцию 10.01.2022
После доработки 14.02.2022
Принята к публикации 14.02.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Экспериментально изучены возможности формирования заданного гладкого 3D-профиля магнитных микроструктур на основе эпитаксиальных пленок висмут-замещенных феррит-гранатов (BiY)3(FeAlGa)5O12 на подложках Gd3Ga5O12 с помощью ионно-плазменного травления поверхности через маску. Подобные тонкопленочные магнитные микроструктуры применяют при создании сверхчувствительных датчиков магнитного поля с низким уровнем шума при динамическом планарном перемагничивании. Травление поверхности осуществляли ионами Ar+ в плазме тлеющего высокочастотного разряда. Показано, что при непосредственном контакте маски с поверхностью пленки в процессе ионного травления на краю маски образуется неоднородный плазменный поток, обусловленный статическим зарядом диэлектрической поверхности маски и пленки. Это приводит к формированию сглаженного профиля на краю пленки вблизи границы области травления. При создании зазора между маской и поверхностью пленки сглаженный профиль края пленки вблизи границы области травления формируется вследствие неоднородного распределения плазменного потока за счет эффекта геометрической полутени. Шириной области сглаженного профиля можно управлять в диапазоне от единиц до сотен микрометров за счет изменения высоты зазора между маской и поверхностью пленки.

Ключевые слова: тонкая пленка, феррит-гранат, ионное травление, профиль края, эффект полутени.

ВВЕДЕНИЕ

Для создания высокочувствительных датчиков магнитного поля (порядка фТл) могут быть использованы эпитаксиальные пленки феррит-гранатов, легированные редкоземельными элементами [1–4]. Такие пленки имеют монокристаллическую структуру и обладают высокой степенью структурного совершенства [5–9]. Подобные пленки используют в качестве сенсоров в дефектоскопии, криминалистике, а в последнее время – в магнитокардиографии и магнитоэнцефалографии [1, 10, 11]. Большие значения магнитооптического эффекта Фарадея в пленках на основе Bi-замещенного феррит-граната позволяют не только фиксировать величину магнитного поля, но и визуализировать его распределение [10–12]. Пленки на основе железоиттриевого феррит-гранта обладают высокими значениями магнитной восприимчивости и малым затуханием, что позволяет их использовать в магнитомодуляционных сенсорах, обладающих высокой чувствительностью. Одним из факторов, ограничивающих эффективность динамического перемагничивания таких сенсоров и, как следствие, снижающих чувствительность магнитных сенсоров на их основе, является возникновение краевых доменов вблизи границы пленочного образца. Такие краевые домены при планарном перемагничивании взаимодействуют с приграничными дефектами образца и создают дополнительные шумы. Для снижения влияния краевых доменов 3D-профиль пленочного диска сенсора стремятся сделать максимально гладким, близким к эллипсоидальному [13]. Известна технология формирования квазиэллиптического 3D-профиля методом ступенчатого жидкостного травления в кислотах через маску [14]. Недостатком этой методики является то, что реальный 3D-профиль диска получается не гладкий, а ступенчатый, причем каждая ступенька формируется в результате отдельного цикла фотолитографии с последующим травлением. Огибающая таких ступеней представляет собой полуэллипс. Увеличение количества ступеней позволяет приблизиться к форме истинного эллипса, однако ведет к увеличению количества фотолитографических циклов и необходимости более точного позиционирования маски относительно уже сформированных ступеней.

Настоящая работа посвящена исследованию возможности формирования в эпитаксиальных пленках висмут-замещенных феррит-гранатов структур с гладким 3D-профилем с помощью ионно-плазменного травления поверхности через маску. Подобная технология позволяет сформировать структуру с заданным 3D-профилем без ступеней и в течение одного технологического цикла “маскирование–травление”.

МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И АНАЛИЗА РЕЗУЛЬТАТОВ

Образцы эпитаксиальных пленок висмут-замещенного феррит-граната получены методом жидкофазной эпитаксии [15] из раствор-расплава номинального состава (BiY)3(FeAlGa)5O12. В качестве подложек использованы пластины толщиной 500 мкм из полированного монокристалла гадолиний-галлиевого граната Gd3Ga5O12 с ориентацией поверхности (111). Толщина нанесенных эпитаксиальных пленок составляла порядка 150 нм.

Ионное травление осуществляли с использованием вакуумной установки “МВУ ТМ Плазма 06” (НИИ ТМ, Зеленоград) в плазме Ar при давлении 1 Па (остаточное давление атмосферных газов не хуже 5 × 10–3 Па). В этой установке плазма генерируется за счет тлеющего высокочастотного разряда (13.6 МГц). Травление поверхности образца происходит за счет высокочастотного смещения на водоохлаждаемый предметный столик от независимого генератора (13.6 МГц). Общая схема реакторной камеры установки для ионно-плазменного травления показана на рис. 1.

Рис. 1.

Схема реакторной камеры вакуумной установки “МВУ ТМ Плазма 06”: 1 – образец; 2 – предметный столик, совмещённый с системой согласования высокочастотного поля смещения; 3 – система охлаждения столика; 4 – независимый источник высокочастотного поля смещения; 5 – высокочастотный генератор плазмы, совмещённый с системой согласования и системой распределения газового натекателя Ar; 6 – независимый источник высокочастотного поля для генерации плазмы; 7 – окно визуального наблюдения.

На рис. 2 показана схема процесса формирования гладкого 3D-профиля края пленки. При ионном травлении на поверхность пленки накладывали толстую (порядка 500 мкм) маску из немагнитного диэлектрика (кварц, гадолиний-галлиевый гранат). Ионы аргона при взаимодействии с поверхностью диэлектрика создают наведенный положительный заряд, как показано на рис. 2а [16]. Краевые эффекты на границе маски (в том числе и полевое взаимодействие ионов Ar+ с наведенным поверхностным зарядом) приводят к искривлению ионного потока и формированию градиента скорости травления. Таким образом, вблизи границы маски формируется край пленки с гладким 3D-профилем.

Рис. 2.

Схема формирования гладкого 3D-профиля края пленки при расположении маски непосредственно на поверхности пленки (а) и над поверхностью пленки (б): 1 – подложка; 2 – пленка; 3 – маска; 4 – поддерживающая маску вставка фиксированной толщины. Стрелками схематично показано распространение потока ионов аргона в процессе травления, символами “+” обозначен наведенный электростатический заряд на диэлектрической поверхности маски и пленки.

Ширину области гладкого 3D-профиля края d можно варьировать от единиц до сотен мкм созданием зазора между краем маски и пленкой, как показано на рис. 2б. В данном случае разная скорость травления под маской обеспечивается за счет краевого эффекта геометрической полутени: скорость травления определяется вероятностью проникновения потока плазмы под маску. Изменение высоты зазора изменяет и вероятность проникновения потока плазмы под маску и, как следствие, влияет на ширину области гладкого профиля края d. Подобный метод неоднородного потока ранее уже применяли для создания покрытий с градиентом толщины вдоль выделенного направления. Принцип образования неоднородного потока и формирования геометрической полутени на образце описан в [17, 18].

Следует отметить, что искривление линий ионного тока за счет краевых эффектов приводит к уплотнению плазмы вблизи границы маски. В результате этого сразу за пределами гладкого края пленки возникает углубление в подложке (по отношению к остальной части стравленной поверхности).

Экспериментальный анализ геометрической формы 3D-профиля края пленки осуществляли с помощью микроинтерферометра “Линика МИИ-4” с блоком цифровой обработки. Ширину области гладкого профиля определяли по масштабной шкале в окуляре микроинтерферометра (1 дел. = = 30 мкм), высота профиля в точке исследования h(x) определяли по сдвигу интерференционной картины по формуле:

(1)
$h(x) = {{\lambda A(x)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\lambda A(x)} {2B,}}} \right. \kern-0em} {2B,}}$
где A(x) – величина сдвига интерференционной картины в точке исследования; B – расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами интерференции (период интерференции); λ – длина волны излучения. При исследованиях использовали зеленый светофильтр с длиной волны λ = 532 нм.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 3 представлены результаты исследования формы гладкого профиля края пленки после ионного травления через маску толщиной 500 мкм, когда маску располагали непосредственно на поверхности пленки (рис. 2а). На рис. 3а показан вид интерференционной картины при использовании светофильтра (λ = 532 нм). Отчетливо видно плавное смещение интерференционной картины на краю пленки, что соответствует гладкому 3D-профилю края. Для анализа формы профиля был выбран участок снимка интерференционной картины, который показан на вставке. Результаты анализа в виде зависимости h(x) показаны на рис. 3б. Видно, что при размещении маски толщиной 500 мкм непосредственно на поверхности пленки ширина области сглаженного профиля травления составила порядка 10 мкм при общей глубине травления 160 нм.

Рис. 3.

Снимок интерференционной картины, полученной в монохроматическом излучении (λ = 532 нм) на границе области травления пленки при расположении маски непосредственно на поверхности пленки (а); форма профиля края пленки (б).

Для увеличения ширины области сглаженного профиля травления маска была поднята над поверхностью пленки. На рис. 4 показаны результаты исследования профиля края пленки после ионного травления через маску толщиной 500 мкм, когда маску располагали над поверхностью пленки с образованием зазора (рис. 2б). Высота зазора составляла 300 мкм. На рис. 4а продемонстрировано смещение интерференционной картины на краю пленки. Результаты анализа формы профиля края пленки h(x) представлены на рис. 4б. Видно, что толщина пленки на границе зоны травления монотонно уменьшается, формируя гладкий профиль края. Таким образом, при неплотном прилегании маски к поверхности пленки ширина гладкого профиля травления составила порядка 140 мкм при общей глубине травления 180 нм.

Рис. 4.

Снимок интерференционной картины, полученной в монохроматическом излучении (λ = 532 нм) на границе области травления пленки при расположении маски над поверхностью пленки на фиксированном расстоянии (а); форма профиля края пленки при величине расстояния между маской и пленкой 300 мкм (б).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе экспериментально показана возможность создания заданного гладкого 3D-профиля края редкоземельных пленок феррит-гранатов с помощью ионного травления через маску в течение одного технологического цикла “маскирование–травление”. Ширина области гладкого профиля края пленки может быть изменена за счет создания регулируемого зазора между маской и пленкой, в этом случае заданный гладкий 3D-профиль формируется за счет разной скорости травления в результате эффекта геометрической полутени. Показано, что при размещении маски толщиной 500 мкм непосредственно на поверхности пленки ширина гладкого профиля травления составила порядка 10 мкм при общей глубине травления 160 нм. При размещении этой же маски на высоте 300 мкм над поверхностью пленки ширина гладкого профиля травления составила порядка 140 мкм при общей глубине травления 180 нм.

Список литературы

  1. Ветошко П.М., Гусев Н.А., Чепурнова Д.А., Самойлова Е.В., Звездин А.К., Коротаева А.А., Белотелов В.И. // Мед. тех. 2016. № 4(298). С. 15.

  2. Eftekhari H., Tehranchi M.M. // Optik. 2020. V. 207. P. 163 830.

  3. Qin J., Deng L., Xie J., Tang T., Bi L. // AIP Advances. 2015. V. 5. P. 017118.

  4. Berzhansky V., Mikhailova T., Shaposhnikov A., Prokopov A., Karavainikov A., Kotov V., Balabanov D., Burkov V. // App. Optics. 2013. V. 52. I. 26. P. 6599.

  5. Касимова В.М., Козлова Н.С., Бузанов О.А., Забелина Е.В., Лагов П.Б., Павлов Ю.С. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2021. № 12. С. 7.

  6. Yiheng R., Dainan Zh., Huaiwu Zh., Lichuan J., Qinghui Y., Zhiyong Z., Mingming L., Caiyun H., Bo M. // J. Phys. D: App. Phys. 2018. V. 51. № 43. P. 435001.

  7. Prokopov A.R., Vetoshko P.M., Shumilov A.G., Shaposhnikov A.N., Kuzmichev A.N., Koshlyakova N.N., Berzhansky V.N., Zvezdin A.K., Belotelov V.I. // J. Alloys and Compounds. 2016. № 671. P. 403.

  8. Levy M., Borovkova O.V., Sheidler C., Blasiola B., Karki D., Jomard F., Kozhaev M.A., Popova E., Keller N., Belotelov V.I. // Optica. 2019. V. 6. № 5. P. 642.

  9. Nur-E-Alam M., Vasiliev M., Belotelov V., Alameh K. // Nanomaterials. 2018. № 8. P. 355.

  10. Lugovskoy N., Berzhansky V., Glechik D., Prokopov A. // J. Phys.: Conf. Ser. 2018. № 1124. P. 051063.

  11. Berzhansky V.N., Filippov D.M., Lugovskoy N.V. // Physics Procedia. 2016. № 82. P. 27.

  12. Yurchenko V.V., Woerdenweber R., Galperin Y.M., Shantsev D.V., Vestgaarden J.I., Johansen T.H. // Physica C-Superconductivity and Its Applications. 2006. № 437. P. 357.

  13. Ветошко П.М., Гусев Н.А., Чепурнова Д.А., Самойлова Е.В., Сыворотка И.И., Сыворотка И.М., Звездин А.К., Коротаева А.А., Белотелов В.И. // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. Вып. 16. С. 64.

  14. Ветошко П.М., Звездин А.К., Скиданов В.А., Сыворотка И.И., Сыворотка И.М., Белотелов В.И. // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. Вып. 9. С. 103.

  15. Полулях С.Н., Бержанский В.Н., Семук Е.Ю., Белотелов В.И., Ветошко П.М., Попов В.В., Шапошников А.Н., Шумилов А.Г, Чернов А.И. // ЖЭТФ. 2021. Т. 159. Вып. 2. С. 307.

  16. Старшинов И.Н., Мельничук И.А., Богомолов А.Г. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2013. № 6. С. 80.

  17. Томилин С.В., Бержанский В.Н., Яновский А.С., Томилина О.А. // Поверхность. Рентген., синхротр. и нейтрон. исслед. 2016. № 8. С. 96.

  18. Khramova A.E., Ignatyeva D.O., Kozhaev M.A., Dagesyan S.A., Berzhansky V.N., Shaposhnikov A.N., Tomilin S.V., Belotelov V.I. // Opt. Express. 2019. V. 27. № 23. P. 33170.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал