RU2624836C1 - Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди - Google Patents
Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди Download PDFInfo
- Publication number
- RU2624836C1 RU2624836C1 RU2016133227A RU2016133227A RU2624836C1 RU 2624836 C1 RU2624836 C1 RU 2624836C1 RU 2016133227 A RU2016133227 A RU 2016133227A RU 2016133227 A RU2016133227 A RU 2016133227A RU 2624836 C1 RU2624836 C1 RU 2624836C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanowires
- ferromagnetic
- copper
- substrate
- epitaxial
- Prior art date
Links
- 239000010949 copper Substances 0.000 title claims abstract description 120
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 title claims abstract description 106
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 49
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 title abstract 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 52
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 22
- JUZTWRXHHZRLED-UHFFFAOYSA-N [Si].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu] Chemical compound [Si].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu].[Cu] JUZTWRXHHZRLED-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 229910021360 copper silicide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical group [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 32
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 15
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 15
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 9
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 2
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000889 permalloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 229910018023 Cu2Si Inorganic materials 0.000 abstract 2
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 abstract 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 51
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 30
- 238000002128 reflection high energy electron diffraction Methods 0.000 description 10
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 8
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 8
- 229910005329 FeSi 2 Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 6
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 2
- 238000002003 electron diffraction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000000025 interference lithography Methods 0.000 description 2
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 2
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000007872 degassing Methods 0.000 description 1
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000000313 electron-beam-induced deposition Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000011514 reflex Effects 0.000 description 1
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N silicide(4-) Chemical compound [Si-4] FVBUAEGBCNSCDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
- H01L21/20—Deposition of semiconductor materials on a substrate, e.g. epitaxial growth solid phase epitaxy
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
Использование: для создания массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди. Сущность изобретения заключается в том, что способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок включает формирование упорядоченной ступенчатой структуры силицида меди Cu2Si в условиях сверхвысокого вакуума на предварительно подготовленной поверхности вицинального кремния Si(111), на поверхность подложки Cu2Si/Si(111) наносят буферный слой меди толщиной 2 нм с последующим формированием на его поверхности эпитаксиальных массивов ферромагнитных нанопроволок с заданными геометрическими параметрами осаждением ферромагнитных металлов под малыми углами наклона в интервале (10°÷30°) к плоскости ступенчатой подложки с медным буферным слоем. Технический результат: обеспечение возможности эффективного формирования массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок. 5 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 пр.
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к способу создания массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди.
В настоящее время интенсивно исследуются технологии создания упорядоченных наноструктур и наноструктурированных массивов. Стремительное развитие физики наноматериалов обусловлено перспективами их практического применения. На базе магнитных наноструктур разрабатываются магниторезистивная память, вихревая память, элементы магнитной логики и среды для записи информации. Магнитные нанопроволоки, обладая одноосной анизотропией, могут найти применение как магнитные носители данных с высокой плотностью записи, GMR датчики, биомагнитные и медицинские устройства.
Для создания нанопроволок применяют различные методы, базирующиеся на самоорганизации, использовании шаблонов или их комбинации, например метод электроосаждения в шаблоны из анодированного оксида алюминия [1], или используют литографические методы на поверхности подложки [2].
Существует множество способов получения нанопроволок с разным кристаллическим качеством с помощью специально созданных технологических условий. Один из способов улучшения структуры получаемых материалов на поверхности подложки - формирование предварительной прослойки - слоя буфера.
Известен способ получения буферного слоя меди в условиях сверхвысокого вакуума на Si(111) [3]. Предварительную дегазацию подложек Si осуществляют косвенным прогревом в течение 8 ч при температуре 500-550°C. Для получения атомарно-чистой поверхности слой естественного окисла (SiO2) удаляют прогревом при температуре ~1200°C в течение 1 мин путем пропускания постоянного тока через образец. Скорость осаждения и толщина слоя медного буфера составила 0.9 нм/мин и 2.4 нм соответственно. В результате формируют ненапряженную химически чистую эпитаксиальную пленку меди с поверхностной реконструкцией Cu(111)1×1-R30°.
Известен способ получения магнитных нанопроволок силицида железа на Si(110) [4]. Нанопроволоки FeSi2 формируют методом самоорганизации при толщине покрытия Fe в 1 МС (монослой) и температуре подложки 700°C на Si(110) в ультравысоком вакууме. Средние геометрические параметры получаемых нанопроволок FeSi2 составляют (5 нм - высота, 10 нм - ширина, 1 мкм - длина). Нанопроволоки FeSi2 имеют кубическую решетку и ориентируются на поверхности подложки Si: FeSi2(-111)//Si(1-11), FeSi2<110>//Si<110>. Аналог имеет ряд недостатков: формируемые на поверхности Si проволоки FeSi2 распределены случайным образом, а в самоорганизованных нанопроволоках FeSi2 отсутствуют строго определенные геометрические параметры.
Известен способ получения эпитаксиальных нанопроволок Fe шириной 300 нм методом лазерно-интерференционной литографии и химического травления [5]. Для этого формируют пленку Fe толщиной 20 нм с буферным слоем Cu толщиной 150 нм методом электронно-лучевого осаждения. Затем на поверхность эпитаксиальной пленки Cu(3 HM)/Fe(20 нм)/Cu(150 нм) наносят положительный фоторезист (PR: MEGAPOSIT SPR 510-А positive). Поверхность образца облучают методом лазерно-интерференционной литографии с длиной волны излучения лазера Х=325 нм. Затем слой Fe травят в растворе HNO3; для удаления фоторезиста используют ацетон. Данный способ позволяет изготавливать массив упорядоченных эпитаксиальных нанопроволок Fe, ориентированных в плоскости подложки. Недостатком данного способа является то, что в результате использования методов лазерной литографии и химического травления боковые грани магнитных нанопроволок шероховаты, что приводит к увеличению величины коэрцитивной силы.
Известен способ получения нанопроволок металлов на твердых подложках на основе использования литографической полимерной маски [6]. Данным методом были приготовлены поликристаллические проволоки Ni на поверхности SiO2 с минимальной шириной 60 нм, толщиной от 6 до 20 нм и длиной до 20 мкм. Данным методом невозможно вырастить монокристаллические нанопроволоки металлов с низким содержанием дефектов по сравнению с поликристаллическими наноматериалами.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ, описанный в статьях, выбранных за прототип по существенным признакам и достигаемому результату [7, 8]. Сущность работ состоит в исследовании структуры и магнитных свойств массива кобальтовых нанопроволок на оксидированной вицинальной поверхности Si(111). Массив кобальтовых нанопроволок шириной (25, 70) нм и толщиной (3, 1.2) нм изготавливают, осаждая кобальт под углом наклона (3°, 2.5°) к плоскости подложки на ступенчатую поверхность оксидированного Si(111) при комнатной температуре. Период и ширина террас ступеней на поверхности Si(111) составляет 110 нм и 85 нм соответственно. Перед осаждением кобальта ступенчатую поверхность Si(111) оксидируют в атмосфере кислорода при температуре 830°C в течение 15 ч; толщина окисла составляет 110 нм. Сформированные нанопроволоки кобальта являются поликристаллическими.
Недостатками данного способа является то, что структура получаемых кобальтовых нанопроволок является поликристаллической с большим содержанием дефектов и межзеренных границ в отличие от монокристаллических проволок. Высота ступеней, получаемых данным способом на вицинальной поверхности Si, менее 3 нм, что ограничивает толщину нанопроволок до 3 нм. Малая толщина нанопроволок приводит к тому, что нанопроволоки могут быть структурно несплошными и могут содержать разрывы, что существенно ограничивает их практическое использование.
Задача, на решение которой направлен заявляемый способ, является разработка эффективной технологии формирования массива упорядоченных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок с заданной геометрией на ступенчатой поверхности силицида меди Cu2Si с буферным слоем меди.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения - формирование высококачественных упорядоченных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок с заданными геометрическими параметрами и с совершенным кристаллическим качеством на ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди.
Поставленная задача решается способом формирования массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок, включающим формирование в условиях сверхвысокого вакуума упорядоченной ступенчатой структуры силицида меди Cu2Si на предварительно подготовленной поверхности вицинального кремния Si(111), последующее нанесение буферного слоя Cu толщиной 2 нм и осаждение ферромагнитного металла (ФМ) - кобальта, никеля, железа или сплава пермаллоя (Co80Ni20, CoNiFe) под малыми углами наклона от 10° до 30° к плоскости ступенчатой подложки со скоростью осаждения ФМ 0,3 нм/мин.
При осаждении ФМ под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с нанесенным буферным слоем меди формируют упорядоченный массив ровных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 35±2 нм с совершенным кристаллическим качеством.
Если этот угол наклона составляет 20° при всех одинаковых прочих технологических параметрах, то формируют упорядоченный массив ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 45±2 нм с совершенным кристаллическим качеством, а при его значении, равном 30°, ширина сформированного упорядоченного массива нанопроволок, также имеющих совершенное кристаллическое качество, составляет 65±2 нм.
При этом опытным путем установлено, что от угла наклона при осаждении ФМ зависит не только ширина упорядоченного массива нанопроволок, но и их качество, если осаждать ФМ под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с буферным слоем меди толщиной 2 нм, то формируют неупорядоченный массив шероховатых, извилистых и структурно несплошных нанопроволок шириной 10±2 нм. Увеличив угол наклона до значений, больших 30°, при осаждении ФМ на ступенчатую поверхность Cu2Si с нанесенным буферным слоем меди толщиной 2 нм формируют неупорядоченные и местами сросшиеся между собой эпитаксиальные нанопроволоки.
Экспериментальным путем авторами заявляемого изобретения было установлено, что при одинаковых технологических параметрах (вакуумные условия, скорость осаждения материалов, углы осаждения к поверхности ступенчатой структуры подложки, толщины покрытия материалов), но без нанесения слоя медного буфера на ступенчатой поверхности Cu2Si формируются ровные металлические нанопроволоки худшего кристаллического качества - структура таких нанопроволок блочная с упругими напряжениями из-за большой разницы в несоответствии параметров решетки между подложкой и ФМ.
Для уменьшения несоответствия параметров решетки между подложкой и ФМ в качестве буферного слоя можно использовать медь, что позволяет получать структурно совершенные эпитаксиальные нанопроволки ФМ на Cu, а крайне низкая взаимная растворимость компонентов системы дает возможность реализовать резкую межфазную границу ФМ/Cu.
Таким образом, экспериментальным путем установлено, что для улучшения кристаллической структуры получаемых эпитаксиальных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si необходимо предварительно сформировать прослойку - слой медного буфера; при этом оптимальными величинами угла наклона при осаждении ФМ в процессе формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди являются значения, лежащие в интервале 10°÷30°.
Отличительный признак заявляемого способа формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si:
- формируют упорядоченный массив ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди, характеризующихся совершенным кристаллическим качеством, осаждая ФМ под малыми углами наклона в интервале 10°÷30° к плоскости подложки при толщине буферного слоя, равной 2 нм.
Фигуры (1-5) иллюстрируют варианты осуществления изобретения и совместно с описанием служат для объяснения принципов предлагаемого изобретения:
- на фиг. 1 приведены схемы, на которых показана геометрия расположения подложки относительно источника осаждаемых ФМ в заявляемом способе формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем Cu: (а) - формирование ступенчатой поверхности Cu2Si на Si(111); (б) - последующее осаждение Cu на ступенчатую поверхность Cu2Si под прямым углом; (в) - осаждение ФМ на ступенчатую поверхность Cu2Si с буферным слоем Cu под выбранным углом наклона;
- на фиг. 2 приведены результаты исследования поверхности подложки с ферромагнитными нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом дифракции быстрых электронов (ДБЭ); (б) - изображение, полученное методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ);
- на фиг. 3 приведены результаты исследования поверхности подложки с ферромагнитными нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом ДБЭ; (б) - изображение, полученное методом СЭМ;
- на фиг. 4 приведены результаты исследования поверхности подложки с металлическими нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 20° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом ДБЭ; (б) - изображение, полученное методом СЭМ;
- на фиг. 5 приведены результаты исследования поверхности подложки с металлическими нанопроволоками, сформированными при осаждении Сu под углом наклона 30° к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди: (а) - изображение, полученное методом ДБЭ; (б) - изображение, полученное методом СЭМ.
Заявляемый способ формирования массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности с буферным слоем реализуется в три этапа. Схематично они показаны на фиг. 1: (а) - получение ступенчатой поверхности Cu2Si на поверхности Si(111); (б) - формирование буферного слоя Cu толщиной 2 нм на ступенчатой поверхности Cu2Si, (в) - формирование массива упорядоченных металлических нанопроволок методом осаждения ФМ под выбранным углом наклона к плоскости ступенчатой поверхности Cu2Si с буферным слоем меди.
На первом этапе осуществления заявляемого способа подготавливают ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Формирование идеально ровных ступеней высотой 12±2 нм и шириной 150±50 нм осуществляют по методике, описанной авторами заявляемого изобретения в патенте №2593633 (заявка №2015118114 от 14.05.2015 на изобретение «Способ формирования упорядоченных структур на поверхности полупроводниковых подложек».
На втором этапе формируют буферный слой меди толщиной 2 нм на ступенчатой поверхности Cu2Si.
На третьем этапе под малым углом наклона в интервале (10°÷30°) к плоскости подложки на ступенчатую поверхность буферного слоя Cu осаждают ФМ.
Экспериментальным путем установлено, что оптимальными величинами угла наклона при осаждении ФМ в процессе формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди являются значения, лежащие в интервале (10°÷30°). При этом, формируя нанопроволоки из ФМ осаждением металла на буферный слой меди, нанесенный на ступенчатую поверхность подложки Cu2Si под углом наклона к плоскости подложки 10°, формируют упорядоченный массив ровных ферромагнитных эпитаксальных нанопроволок шириной 35±2 нм под углом наклона 20° - шириной 45±2 нм, а при угле наклона 30° формируют нанопроволоки шириной 65±2 нм. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Примеры 2, 3, 4 (осаждаемый металл - кобальт) свидетельствуют о том, что рост эпитаксиальных нанопроволок Со происходит строго вдоль края ступеней Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемого способа с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки заявляемого способа формирования упорядоченных структур на ступенчатой поверхности с буферным слоем, в совокупности с известными существенными признаками обеспечивают заявляемому техническому решению новое техническое свойство, заключающееся в возможности формировать посредством самоорганизации массивы ровных эпитаксиальных нанопроволок с совершенным кристаллическим качеством и заданными геометрическими размерами, изменяя угол осаждения ферромагнитного металла к плоскости поверхности подложки с нанесенным буферным слоем меди. Упорядоченный массив ровных эпитаксиальных ферромагнитных нанопроволок, получаемых заявляемым способом, имеет толщину 12±2 нм и протяженность 3 мм, что соответствует высоте ступеней и ширине подложки Cu/Cu2Si/Si(111).
Для анализа структуры образцов использовали метод дифракции быстрых электронов (ДБЭ). Данный метод показывает, что кристаллическая структура формируемых нанопроволок из ФМ совершенна - об этом можно судить по наличию строго упорядоченных точечных рефлексов на просвет от нанопроволок на дифракционных картинах. Из-за четкой огранки эпитаксиальных нанопроволок, формируемых в интервале углов осаждения (10°÷30°), возле объемных рефлексов появляются линии, обусловленные рассеянием на гранях. Теоретический расчет упругих напряжений по картинам ДБЭ показывает их отсутствие, а параметр решетки соответствует объемному табличному значению.
Таким образом, полученные экспериментальные данные подтверждают, что заявляемый способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с использованием буферного слоя меди позволяет:
- формировать высококачественные массивы упорядоченных ферромагнитных нанопроволок;
- контролировать ширину и кристаллические качества нанопроволок, ориентированных вдоль направления типа <110> Si в зависимости от заданных технологических параметров.
В процессе осаждения меди и ФМ качество покрытий контролируют методом дифракции быстрых электронов. Морфологию и геометрические параметры нанопроволок (ширина, высота и протяженность) определяют с помощью методов сканирующей электронной микроскопии в условиях высокого вакуума и атомной силовой микроскопии (АСМ) на воздухе.
Представленные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.
Пример 1. Формирование неупорядоченного массива шероховатых извилистых нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).
На первом этапе формируют ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Формирование идеально ровных ступеней высотой 12±2 нм и шириной 150±50 нм осуществлялют по методике, разработанной авторами заявляемого изобретения и описанной в патенте на изобретение «Способ формирования упорядоченных структур на поверхности полупроводниковых подложек» №2593633 (заявка 2015118114 от 14.05.2015 г.).
На втором этапе формируют слой буфера меди толщиной 2 нм. Осаждение меди осуществляют методом молекулярно-лучевой эпитаксии в сверхвысоковакуумной камере фирмы «Омикрон», в процессе напыления давление не превышает 5×10-10 Торр. Медь испаряют из коммерческих эффузионных ячеек при скорости осаждения Cu, равной 1 нм/мин. Толщину покрытий контролируют кварцевым измерителем толщин фирмы «Омикрон»; калибровку кварцевого датчика осуществляют посредством методов ДБЭ и СТМ. Структуру сформированных слоев меди исследуют в вакууме методом ДБЭ с энергией электронного пучка 15 кЭв и СТМ (напряжение ±2.0 В, туннельный ток 1 нА) производства фирмы «Омикрон».
Анализ картин ДБЭ показывает (фиг. 2а), что поверхность медного буфера толщиной 2 нм имеет не деформированную ГЦК решетку и ориентируется плоскостью (111) на модифицированной поверхности Cu2Si: Cu(111)||Si(111) и<110>Cu||<112>Si. Исследования СТМ показывают, что медный буфер повторяет ступенчатый рельеф модифицированной поверхности Cu2Si.
На третьем этапе осаждают Со из эффузионной ячейки со скоростью осаждения 0,3 нм/мин методом молекулярно-лучевой эпитаксии в условиях сверхвысокого вакуума (5×10-10 Торр). В результате осаждения Со под углом наклона 5° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с буферным слоем меди толщиной 2 нм формируют неупорядоченный массив извилистых шероховатых нанопроволок шириной 10±2 нм при толщине покрытия Со 20 нм. На фиг. 2а показано изображение, полученное методом ДБЭ от Со нанопроволок. После формирования эпитаксиальных нанопроволок на картинах дифракции помимо стержней обратной решетки от плоских участков медного буфера, наблюдаются точечные рефлексы на просвет от нанопроволок кобальта; повторяемость дифракционной картины наблюдается через 180 градусов. Расшифровка дифракционной картины от Со нанопроволок показывает, что Со имеет гексагональную плотноупакованную (ГПУ) решетку и ориентируется плоскостью (-12-10):(-12-10)[0001]Со||(111)<110>Si).
Таким образом, кристаллографическая ось [0001] в ГПУ решетке Со ориентирована вдоль длинной стороны нанопроволок, которые лежат на поверхности террасы слоя медного буфера боковой гранью.
На фиг. 2б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки Со. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si. Нанопроволоки образованы из сросшихся между собой плоских островков кобальта. Боковые грани нанопроволок шероховаты. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со наблюдается вдоль направления ступеней и преимущественно совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.
Пример 2. Формирование упорядоченного массива эпитаксиальных нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).
Пример 2 проводят по примеру 1, но Со осаждают под углом наклона 10° к плоскости ступенчатой поверхности подложки буферного слоя меди. При этом формируют упорядоченный массив ровных феромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 35±2 нм с совершенным кристаллическим качеством при толщине покрытия кобальта 20 нм. Кристаллическая структура слоя медного буфера и Со нанопроволок такая же, как описано в примере 1, но морфология поверхности и геометрические параметры эпитаксиальных нанопроволок отличаются - сформированные эпитаксиальные нанопроволоки являются ровными и имеют идеальную огранку (пример 2).
Вытянутые рефлексы от нанопроволок кобальта на дифракционной картине указывают на плоскую поверхность вершины нанопроволок (фиг 3а). На фиг. 3б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки Со. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si с буферным слоем. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со происходит строго вдоль края ступеней Cu/Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.
Пример 3. Формирование упорядоченного массива эпитаксиальных нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 20° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).
Пример 3 проводят по примеру 1, но Со осаждают под углом наклона 20° к плоскости ступенчатой поверхности подложки с буферным слоем меди. В результате формируют упорядоченный массив ровных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок шириной 45±2 нм с совершенным кристаллическим качеством при толщине покрытия кобальта 20 нм. Кристаллическая структура слоя медного буфера и сформированных нанопроволок такая же, как описано в примере 1, но морфология поверхности и геометрические параметры эпитаксиальных нанопроволок отличаются. - сформированные по примеру 3 эпитаксиальные нанопроволоки являются ровными и имеют идеальную огранку.
Вытянутые рефлексы от Со нанопроволок на дифракционной картине указывают на плоскую поверхность вершины нанопроволок (фиг 4а). На фиг. 4б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки кобальта; период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si с медным буферным слоем. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со наблюдается строго вдоль края ступеней Cu/Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.
Пример 4. Формирование упорядоченного массива эпитаксиальных нанопроволок при осаждении Со под углом наклона 30° к плоскости ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111).
Пример 4 проводят по примеру 1, но Со осаждают под углом наклона 30° к плоскости ступенчатой поверхности подложки буферного слоя меди.
При этом формируют упорядоченный массив ровных металлических эпитаксиальных нанопроволок шириной 65±2 нм с совершенным кристаллическим качеством при толщине покрытия Со 20 нм. Кристаллическая структура слоя медного буфера и Со нанопроволок такая же, как описано в примере 1, но морфология поверхности и геометрические параметры эпитаксиальных нанопроволок отличаются - сформированные эпитаксиальные нанопроволоки являются ровными и имеют идеальную огранку. Вытянутые рефлексы от нанопроволок кобальта на дифракционной картине указывают на плоскую поверхность вершины нанопроволок, фиг 5а. На фиг. 5б показано изображение СЭМ поверхности, содержащей эпитаксиальные нанопроволоки Со. Период расположения нанопроволок повторяет ступенчатую структуру поверхности Cu2Si с буферным слоем. Рост эпитаксиальных нанопроволок Со наблюдается строго вдоль края ступеней Cu/Cu2Si и совпадает с кристаллографическим направлением подложки Si(111) типа <110>.
Таким образом, экспериментальным путем доказана возможность формирования и самоорганизации массива упорядоченных ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si с медным буферным слоем посредством осаждения ферромагнитных металлов под углами наклона в интервале (10°÷30°) к плоскости подложки. Разработанный способ формирования массива эпитаксиальных нанопроволок требуемых размеров на ступенчатой поверхности подложки Cu/Cu2Si/Si(111) является перспективным при создании ферромагнитных наноструктур для новых типов датчиков, например, датчиков, чувствительных к абсорбции газов или бактерий с эффектом магнитосопротивления, а также для получения перспективных наноматериалов с контролируемой наведенной магнитной анизотропией для нужд магнитоэлектроники и спинтроники.
Литература:
1. F. Nasirpouri. New Developments in Electrodeposition and Pitting Research. A. El Nemr, Ed. India: Research Signpost Publication (2007), 55-92.
2. A.E. Grigorescu, C.W. Hagen. Resists for sub-20-nm electron beam lithography with a focus on HSQ: State of the art // Nanotechnology 20, 29 (2009), 292001.
3. К.C. Ермаков, Ю.П. Иванов, Л.А. Чеботкевич. Влияние морфологии поверхности монокристаллических подложек Si(111) на магнитные свойства эпитаксиальных пленок Со // ФТТ 52, 12 (2010) 2392-2396.
4. S. Lianga, R. Islam, David J. Smith, P.A. Bennett, J.R. O'Brien, B. Taylor. Magnetic iron silicide nanowires on Si(110) // J. Appl. Phys. 88 (2006), 113111.
5. H.M. Hwang, a J.H. Kang, a J. Lee, a, z J.-Y. Choi, b and H.H. Leeb. Fabrication and Magnetic Anisotropy of the Epitaxial Fe Nanowires/Cu(001)/Si(001) // Electrochemical and Solid-State Letters 11 (2008), K7-K9.
6. Д.А. Бизяев, A.A. Бухараев, Д.В. Лебедев, Н.И. Нургазизов, Т.Ф. Ханипов. Наночастицы и нанопроволоки никеля, полученные с помощью сканирующей зондовой литографии методом точечного индентирования // Письма в ЖТФ, 38, 14 (2012) 8-15.
7. S.K. Arora, В.J. O'Dowd, С. Nistor, Т. Balashov, В. Ballesteros, A. Lodi Rizzini, J.J. Kavich, S.S. Dhesi, P. Gambardella and I.V. Shvets. Structural and magnetic properties of planar nanowire arrays of Co grown on oxidized vicinal silicon (111) templates // J. Appl. Phys. 111 (2012), 07E342-1 - 07E342-3.
8. S.K. Arora, B.J. O'Dowdl, B. Ballesteros, P. Gambardella and I.V. Shvets. Magnetic properties of planar nanowire arrays of Co fabricated on oxidized step-bunched silicon templates // Nanotechnology 23 (2012) 235702-1 - 235702-7.
Claims (6)
1. Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек, включающий формирование упорядоченной ступенчатой структуры силицида меди Cu2Si в условиях сверхвысокого вакуума на предварительно подготовленной поверхности вицинального кремния Si(111), отличающийся тем, что на поверхность подложки Cu2Si/Si(111) наносят буферный слой меди толщиной 2 нм с последующим формированием на его поверхности эпитаксиальных массивов ферромагнитных нанопроволок с заданными геометрическими параметрами осаждением ферромагнитных металлов под малыми углами наклона в интервале (10°÷30°) к плоскости ступенчатой подложки с медным буферным слоем.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что буферный слой меди формируют при скорости осаждения меди 1,0 нм/мин, а массивы ферромагнитных нанопроволок формируют при скорости осаждения ферромагнитного металла 0,3 нм/мин.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют массивы нанопроволок, ширина которых определяется углом наклона осаждения ферромагнитного металла и изменяется в интервале (35±2 ÷ 65±2) нм при значениях угла наклона (10°÷30°), соответственно.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют массивы ровных ферромагнитных эпитаксиальных нанопроволок, имеющих совершенное кристаллическое качество.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ферромагнитных металлов используют кобальт, никель, железо или сплав пермаллоя (Co80Ni20, CoNiFe).
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что формируют ферромагнитные эпитаксиальные нанопроволки, ориентирующиеся вдоль боковых граней ступеней подложки с кристаллографическим направлением типа <110>Si.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016133227A RU2624836C1 (ru) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016133227A RU2624836C1 (ru) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2624836C1 true RU2624836C1 (ru) | 2017-07-07 |
Family
ID=59312599
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016133227A RU2624836C1 (ru) | 2016-08-11 | 2016-08-11 | Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2624836C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004263318A (ja) * | 2003-02-28 | 2004-09-24 | National Institute For Materials Science | 銅ナノロッド若しくはナノワイヤーの製造方法 |
| US20060291105A1 (en) * | 2005-06-28 | 2006-12-28 | Chang Y A | Fabrication of magnetic tunnel junctions with epitaxial and textured ferromagnetic layers |
| RU2359356C1 (ru) * | 2007-11-26 | 2009-06-20 | Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН | Способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек |
| RU2522844C1 (ru) * | 2013-01-23 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Способ формирования эпитаксиальных наноструктур меди на поверхности полупроводниковых подложек |
-
2016
- 2016-08-11 RU RU2016133227A patent/RU2624836C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004263318A (ja) * | 2003-02-28 | 2004-09-24 | National Institute For Materials Science | 銅ナノロッド若しくはナノワイヤーの製造方法 |
| US20060291105A1 (en) * | 2005-06-28 | 2006-12-28 | Chang Y A | Fabrication of magnetic tunnel junctions with epitaxial and textured ferromagnetic layers |
| RU2359356C1 (ru) * | 2007-11-26 | 2009-06-20 | Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН | Способ создания проводящих нанопроволок на поверхности полупроводниковых подложек |
| RU2522844C1 (ru) * | 2013-01-23 | 2014-07-20 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" | Способ формирования эпитаксиальных наноструктур меди на поверхности полупроводниковых подложек |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ермаков К.С.,Микалюк Е.А.,Трегубов Г.А.,Козлов А.Г.,Огнев А.В. Cамоорганизованный рост кластеров и нанопроволок Cu на Si (111), Материалы Международного научного форума студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона-2012, Владивосток, 14-17 мая 2012. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7820064B2 (en) | Spinodally patterned nanostructures | |
| Lei et al. | Highly ordered nanostructures with tunable size, shape and properties: A new way to surface nano-patterning using ultra-thin alumina masks | |
| Thongmee et al. | Fabrication and magnetic properties of metal nanowires via AAO templates | |
| Fan et al. | Patterned growth of aligned ZnO nanowire arrays on sapphire and GaN layers | |
| Jung et al. | Fabrication and controlled magnetic properties of Ni/ZnO nanorod heterostructures | |
| Hang et al. | Characterization of nickel nanocones routed by electrodeposition without any template | |
| Tang et al. | Controlled growth of ZnO nanoflowers on nanowall and nanorod networks via a hydrothermal method | |
| US20120142524A1 (en) | Nanocrater catalyst in metal nanoparticles and method for preparing the same | |
| US20040127130A1 (en) | Magnetic material-nanomaterial heterostructural nanorod | |
| KR20170008201A (ko) | 수직 자화막용 하지, 수직 자화막 구조, 수직 mtj 소자 및 이들을 사용한 수직 자기기록매체 | |
| Pileni et al. | Self assemblies of nanocrystals: preparation, collective properties and uses | |
| Karim et al. | Magnetic behavior of arrays of nickel nanowires: Effect of microstructure and aspect ratio | |
| Rahm et al. | Pulsed-laser deposition and characterization of ZnO nanowires with regular lateral arrangement | |
| Kanchibotla et al. | Self assembly of nanostructures using nanoporous alumina templates | |
| RU2624836C1 (ru) | Способ формирования массива ферромагнитных нанопроволок на ступенчатой поверхности полупроводниковых подложек с буферным слоем меди | |
| RU2628220C1 (ru) | Способ формирования массива нанопроволок на ступенчатой поверхности Cu2Si | |
| JP2009536688A (ja) | 基板上に多数のナノシリンダーを有する部材の製造方法および該部材の使用 | |
| RU2593633C1 (ru) | Способ формирования упорядоченных структур на поверхности полупроводниковых подложек | |
| Huang et al. | Rapid fabrication of nanoneedle arrays by ion sputtering | |
| RU2522844C1 (ru) | Способ формирования эпитаксиальных наноструктур меди на поверхности полупроводниковых подложек | |
| Baykul et al. | Surface morphology, structural and magnetic properties of electrodeposited NiFeCu/Cu films | |
| JP4621899B2 (ja) | 磁気媒体 | |
| Shumskaya et al. | Electrodeposited ferromagnetic nanotubes: Structure and magnetic properties | |
| RU2465670C1 (ru) | Способ формирования эпитаксиальных пленок кобальта на поверхности полупроводниковых подложек | |
| Sugawara | Quasi-one-dimensional cobalt particle arrays embedded in 5 nm-wide gold nanowires |