一種釔鐵石榴石薄膜的外延生長方法
【專利摘要】釔鐵石榴石薄膜的外延生長方法，將裝有處理好的釓鎵石榴石基片的置真空腔室，并將釓鎵石榴石基片加熱到恒定溫度736℃；加熱過程中，加熱到250℃的時候通入臭氧；加熱至736℃之后，保持真空腔氣壓，將臭氧的質(zhì)量分數(shù)調(diào)節(jié)至40％，同時保溫半小時，打開反射式高能電子衍射儀RHEED調(diào)節(jié)出襯底的衍射斑點；全程保持RHEED的實時和原位監(jiān)控，采用波長248nm的KrF準分子激光器將激光通過透鏡聚焦到Y(jié)IG靶材上；完成薄膜生長后，基片溫度保持不變，原位退火約15min，然后將薄膜自然冷卻至約250℃，停止保護氣體再冷卻至室溫。本發(fā)明所得到的YIG薄膜組分均勻、厚度可控工藝重復(fù)性好，具有較高的制備效率。
【專利說明】
一種釔鐵石榴石薄膜的外延生長方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電子材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及釔鐵石榴石(YIG)單晶薄膜材料、激光分子束外延的薄膜生長方法及其磁學和自旋方面的性質(zhì)的應(yīng)用。也屬于自旋磁光器件應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著電子科技的不斷發(fā)展，人們對于電子產(chǎn)品的要求也越來越高。而如今摩爾定律已經(jīng)進入了一個瓶頸，晶體管的尺寸已經(jīng)瀕臨極限，人們急切需要發(fā)展新材料，或者開創(chuàng)新的電子運算、存儲模式等等，這樣才能滿足人們?nèi)找嬖黾拥男枨?。而YIG由于具有室溫鐵磁性、矯頑力小、自旋栗浦阻尼因子小和良好的絕緣性等眾多優(yōu)點，逐漸進入了人們的視野。絕緣性以及室溫鐵磁性可以使得它和新型材料形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)的時候，更加無礙地表征新型材料的性質(zhì)。而矯頑力小、自旋栗浦阻尼因子小則又使得它成為一種優(yōu)秀的自旋注入源，對于將來新型自旋器件的發(fā)展有著不可估量的市場價值。另外由于YIG材料本身的成本不高，所以更加利于該材料的批量型生產(chǎn)。而如今YIG薄膜的應(yīng)用逐漸延伸到磁光傳輸、磁泡存儲、激光陀螺、光纖通信、磁光傳感器等尖端領(lǐng)域，使磁光材料與器件的發(fā)展進入新階段。
[0003]YIG薄膜的制備已經(jīng)有幾十年的歷史。薄膜制備工藝的選擇;基片種類的選擇；制備工藝及后期處理的過程中各種參數(shù)對薄膜性能的影響;是否制備緩沖層成為能否長出高質(zhì)量YIG薄膜的關(guān)鍵。最早的HG薄膜首先由美國的Perkin-Elmer Corporat1n公司制得，他們在1965年用助溶劑法和氣相沉積法在石榴石基片上沉積了厚的薄膜。在此之后，隨著真空鍍膜技術(shù)的飛速發(fā)展，采用物理氣相淀積法制備YIG薄膜越來越得到人們的青睞。IBMThomas J.Watson研究中心的Cuomo等人在1972年首次采用射頻磁控派射法在IL鎵石植石
(111)基片上制備出沒有裂紋的可移動磁疇的Gd: Ga: YIG薄膜。接著日本的眾多研究人員對采用濺射法制備稀土取代型YIG薄膜(如常用的B1、Ce)進行了重要的研究，Tanida等利用濺射法在釓鎵石榴石基片上低溫沉積了 B1-YIG薄膜，發(fā)現(xiàn)Bi元素取代Y元素可以顯著的提高材料的法拉第旋轉(zhuǎn)角度，Okuda研究了Bi3Fe5O12的薄膜的制備方法以及薄膜的磁性能。1991年，Gomi用濺射法在釓鎵石榴石基片上成功制備了 Ce-YIG，并發(fā)現(xiàn)Ce3+離子可以顯著提高薄膜的磁光特性。而后也有了液相外延法、脈沖激光沉積等方法生長YIG薄膜。但是以上提供的方法沒有辦法全程保證高質(zhì)量精控YIG薄膜的生長，也不能精確控制YIG薄膜的生長厚度。這是因為YIG薄膜的生長條件異?？量蹋L出完全單晶的能夠精確控制厚度的YIG薄膜是非常困難的，而本發(fā)明中就介紹了一種運用激光分子束外延的方法生長出精控外延的高質(zhì)量YIG薄膜的方法，并提供了對其相關(guān)特性的數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于，提供一種在釓鎵石榴石(110取向)襯底上精確外延高質(zhì)量YIG薄膜材料、激光分子束外延的制備方法及薄膜相關(guān)性質(zhì)的表征。該薄膜是高質(zhì)量的單晶薄膜，具有良好的絕緣特性，也具有室溫鐵磁性，透明，顏色微黃。另外也兼顧了矯頑力小、自旋栗浦阻尼因子小、鐵磁共振線寬窄的特點。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:釔鐵石榴石薄膜的外延生長方法，
[0006]步驟I:將裝有處理好的釓鎵石榴石基片的真空腔室抽到8.6 ± I X 1-6Pa，并將釓鎵石榴石基片加熱到恒定溫度736 ± 5°C，在加熱過程當中，加熱到250 ± 10°C的時候通入
1.4 X 10—3mbar的臭氧、臭氧質(zhì)量分數(shù)占20 ± 2 %和氧氣、質(zhì)量分數(shù)占80 ± 6 %的混合氣體作為保護氣體以避免加熱過程中襯底缺氧；
[0007]步驟2:加熱至736 ± 5 °C之后，保持真空腔氣壓在1.4 ± 0.2 X 10—3Hibar，將臭氧的質(zhì)量分數(shù)調(diào)節(jié)至40 ± 2 %，同時保溫半小時，此時打開反射式高能電子衍射儀RHEED調(diào)節(jié)出襯底的衍射斑點；
[0008]步驟3:保持2中的生長條件，并全程保持RHEED的實時和原位監(jiān)控，采用波長248nm的KrF準分子激光器將激光通過透鏡聚焦到Y(jié)IG靶材上，靶材與激光束的夾角約為45°，激光束的平均能量密度為1.5±0.5J/cm2，激光重復(fù)頻率為2Hz，沉積時間根據(jù)選擇厚度而決定；
[0009]步驟4:完成薄膜生長后，基片溫度保持不變，原位退火約15min，然后將薄膜自然冷卻至約250 ± 10°C，停止保護氣體的供給，再冷卻至室溫。
[0010]所述石榴石薄膜材料，由Y、Fe、0以化學元素形成的化合物，其中Y與Fe都是以+3價的方式存在的;所述的薄膜材料是單晶的。
[0011 ]本發(fā)明是一種石植石薄膜材料，分子式為Y3Fe50i2。是運用激光分子束外延生長獲得的高質(zhì)量的薄膜。其成分與其靶材保持高度一致，所制備的薄膜是單晶的，厚度范圍為I?80nm，表面的平均粗糙度小于0.4nm。
[0012]上述激光分子束外延方法制備參數(shù)易調(diào)整，生長過程可控，且工藝重復(fù)性好，具有較高的制備效率，并且可拓展到制備其它高質(zhì)量的氧化物薄膜。
[0013]本發(fā)明的有益效果:提供了一種制備高質(zhì)量精控外延生長YIG薄膜的方法。該薄膜是單晶薄膜，具有絕緣性、室溫鐵磁性、透明、顏色微黃、矯頑力小、自旋栗浦阻尼因子小和鐵磁共振線寬窄等特點。而激光分子束外延是目前較為領(lǐng)先的薄膜材料的制備技術(shù)，本發(fā)明采用激光分子束外延技術(shù)能為YIG薄膜單晶化以及可控性上提供了一種理想的手段，從而有利于進一步研發(fā)相關(guān)異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及新型的自旋器件，同時也有利于磁光器件的發(fā)展。
[0014]本發(fā)明所得到的上述薄膜，是高質(zhì)量的單晶薄膜，顏色為微黃透明。經(jīng)過振動樣品磁強計的測量可以得到該樣品的飽和磁極化強度約為120emU/Cm3，矯頑力范圍約為4?100e，并可以得到較大的面內(nèi)各向異性。所述薄膜是Y、Fe、0元素以3:5:12化學計量比形成的化合物，它是一種良好的絕緣體，阻尼因子非常小，達到1.0X 10—5量級，同時在室溫下具有鐵磁性和較窄的鐵磁共振線寬。YIG薄膜材料的晶格與其襯底釓鎵石榴石的晶格失配度非常小(約為0.025%)。薄膜的制備方法是激光分子束外延(L-MBE)技術(shù)，在約8.6X10—6Pa的本底真空下，通過加入摻有臭氧的氧氣作為保護氣體，在恒定溫度的襯底上進行高質(zhì)量的層狀二維模式生長，生長過程全程通過反射式高能電子衍射儀(RHEED)進行實時和原位監(jiān)控。薄膜制備全程都具有RHEED振蕩，保證薄膜自始至終高質(zhì)量生長。所獲得的薄膜厚度精確可控，平均粗糙度小于0.4nm，具有良好的室溫鐵磁性和絕緣性，且矯頑力非常小，通過外加磁場以及微波能產(chǎn)生明顯的鐵磁共振及自旋栗浦信號。特別地，該材料的鐵磁共振線寬以及自旋栗浦的阻尼因子都非常小。本發(fā)明所得到的YIG薄膜組分均勻、厚度可控;材料制備參數(shù)易調(diào)整，生長過程可控，工藝重復(fù)性好，具有較高的制備效率。它在自旋電子學領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢將為新型自旋器件的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0015]圖1為激光分子束外延儀器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為生長之前襯底基片的RHEED光斑。
[0017]圖3為所得釔鐵石榴石(YIG)薄膜在生長過程的全程RHEED振蕩曲線。
[0018]圖4為所得釔鐵石榴石(YIG)薄膜的室溫磁滯回線。
[0019]圖5為所得釔鐵石榴石(YIG)薄膜的鐵磁共振圖譜線。
[0020]圖6為所得釔鐵石榴石(YIG)薄膜的原子力顯微鏡掃描結(jié)果(a)和電子衍射圖(b)。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖通過實例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步詳細的描述，但本發(fā)明并非局限于所舉之例。
[0022]附圖標記說明:1-靶材，2-樣品架，3-加熱絲，4-觀察窗，5-激光光路，6_栗組抽氣口，7-RHEED監(jiān)測設(shè)施，8-熒光屏及攝像頭，9-保護氣體通氣口，10-臭氧發(fā)生器，11、12_小型分子栗。
[0023]步驟1:將裝有處理好的釓鎵石榴石基片的真空腔室抽到8.6± I X 1-6Pa，并將釓鎵石榴石基片加熱到恒定溫度約736°C，在加熱過程當中，加熱到約250°C的時候通入1.4X10—3mbar的臭氧(質(zhì)量分數(shù)占20 % )和氧氣(質(zhì)量分數(shù)占80 % )的混合氣體作為保護氣體以避免加熱過程中襯底缺氧。
[0024]本步驟中通過抽氣口6先用機械栗將氣壓抽至8Pa，再打開分子栗續(xù)抽至8.6 X 10一6Pa?；ㄟ^加熱絲3進行加熱，加熱速率是緩慢加熱，約2°C/min。當溫度升高至250°C，開始從保護氣入口 9通入高純氧氣并打開臭氧發(fā)生器10，將臭氧的質(zhì)量分數(shù)調(diào)節(jié)至20%。之后將真空腔內(nèi)氣壓保持在1.4 X 10—3mbar。
[0025]步驟2:加熱至736°C之后，保持真空腔氣壓在1.4X10—3mbar，將臭氧的質(zhì)量分數(shù)調(diào)節(jié)至40 %，同時保溫半小時，此時打開反射式高能電子衍射儀7 (RHEED)調(diào)節(jié)出襯底的衍射斑點。(由熒光屏以及攝像頭8采集數(shù)據(jù))
[0026]本步驟中保溫半小時是為了讓基片表面更加潔凈平整，加高臭氧的質(zhì)量分數(shù)是為了彌補幾片表面由于高溫可能產(chǎn)生氧空位。保溫之后的RHEED衍射圖樣如圖1給出:一共有5個衍射斑點，并呈圓弧狀分布，證明基片表面晶格結(jié)構(gòu)的完整性以及二維特性。
[0027]步驟3:保持步驟4、5中的生長條件，并全程保持RHEED的實時和原位監(jiān)控，采用波長248nm的KrF準分子激光器將激光通過透鏡聚(激光光路5)焦到Y(jié)IG靶材上，靶材與激光束的夾角約為45°，激光束的平均能量密度約為1.5J/cm2，激光重復(fù)頻率為2Hz，沉積時間根據(jù)選擇厚度而決定；
[0028]本步驟中的RHEED振蕩見圖2。其中每一個振蕩周期就代表YIG薄膜的一個分子層。生長過程中靶材I以均勻速率進行轉(zhuǎn)動，旨在激光可以均勻的打在靶材上面，既增加了薄膜生長的穩(wěn)定性，也延長了靶材使用的壽命。
[0029]步驟4:所得步驟4中的薄膜后，將樣品基片溫度原位退火約15min，然后將薄膜自然冷卻至約250°C，停止保護氣體的供給，再冷卻至室溫。
[0030]本步驟中原位退火是保持氣壓及組分不變，旨在使得生長完成的薄膜更加平整。冷卻至250°C之后停氣使得薄膜表面不產(chǎn)生更多的氧空位。
[0031]取出樣品之后，再在純氧中經(jīng)過650°C的6h的退火之后，得到質(zhì)量更高的釔鐵石榴石(YIG)薄膜。退火升降溫沒有特殊要求，退火過程全程通入純氧并保持流量在2ml/s旨在填補YIG薄膜表面的氧空位，提高薄膜的質(zhì)量。在經(jīng)過振動樣品磁強計，鐵磁共振，原子力顯微鏡的表征，分別得到圖4，圖5，圖6的數(shù)據(jù)。其中樣品飽和磁極化強度約為120emu/Cm3，矯頑力范圍約為4?100e，并表現(xiàn)出面內(nèi)各向異性;鐵磁共振圖譜線寬較小;表面平整，平均粗糙度小于0.4nmo
[0032]以上所得的YIG薄膜的生長以及結(jié)構(gòu)和性能分析主要使用了如下儀器:
[0033]激光分子束外延，蘇州新瑞博公司生產(chǎn)，原位的反射式高能電子衍射儀，德國Staib公司；振動樣品磁強計，美國ADE公司生產(chǎn)的Models EV5VVSM型;鐵磁共振圖譜由南京大學分析中心給出數(shù)據(jù)。
【主權(quán)項】
1.釔鐵石榴石薄膜的外延生長方法，其特征是步驟如下: 步驟1:將裝有處理好的釓鎵石榴石基片的真空腔室抽到8.6± I X 10—6Pa，并將釓鎵石榴石基片加熱到恒定溫度7 36 ± 5 °C ;加熱過程中，加熱到2 50 ± 1 °C的時候通入1.4 X 1一3mbar的臭氧、臭氧質(zhì)量分數(shù)占20 ± 2 %和氧氣、質(zhì)量分數(shù)占80 ± 6 %的混合氣體作為保護氣體以避免加熱過程中襯底缺氧； 步驟2:加熱至736 ± 5 °C之后，保持真空腔氣壓在1.4 ± 0.2 X 10—3mbar，將臭氧的質(zhì)量分數(shù)調(diào)節(jié)至40±2%，同時保溫半小時，此時打開反射式高能電子衍射儀RHEED調(diào)節(jié)出襯底的衍射斑點； 步驟3:保持步驟2中的生長條件，并全程保持RHEED的實時和原位監(jiān)控，采用波長248nm的KrF準分子激光器將激光通過透鏡聚焦到Y(jié)IG靶材上，靶材與激光束的夾角約為45°，激光束的平均能量密度為1.5±0.5J/cm2，激光重復(fù)頻率為2Hz，沉積時間根據(jù)選擇厚度而決定； 步驟4:完成薄膜生長后，基片溫度保持不變，原位退火約15min，然后將薄膜自然冷卻至約250±10°C，停止保護氣體的供給，再冷卻至室溫。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長方法，其特征是取出樣品之后，再在純氧中經(jīng)過650± 15 °C的6 ± Ih的退火。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外延生長方法，其特征是所述石榴石薄膜材料，由Y、Fe、0以化學元素形成的化合物，其中Y與Fe都是以+3價的方式存在的;所述的薄膜材料是單晶的。
【文檔編號】C30B25/16GK106048726SQ201610522649
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月4日
【發(fā)明人】王學鋒, 陳業(yè)全, 鈕偉, 徐永兵, 張 榮
【申請人】南京大學