エアロゾルデポジション法を用いて厚い高密度イットリウム鉄ガーネット膜の形成

このレポートでは、室温でサファイア基板上にイットリウム鉄ガーネットの厚膜のエアロゾル堆積を実行するためのカスタム構築されたシステムの使用を記載しています。堆積膜は、技術の能力を表す概要を与えるために、走査型電子顕微鏡、プロフィロメトリー、及び強磁性共鳴を使用して特徴づけられます。

エアロゾルデポジション法（AD）は、バルクの95％より大きい密度を有する厚さの数百マイクロメートルまでの層を生成することができる厚膜堆積プロセスです。 ADの主な利点は、堆積が完全に周囲温度で行われることです。これにより、異なる融解温度を有する材料系で膜成長を可能にします。このレポートでは、詳細に粉末の製造および特注のシステムを使用して広告を行うための処理手順を説明します。代表的な特徴付けの結果は、この系で成長した膜のための電子顕微鏡、プロフィロメトリー、強磁性共鳴の走査から提示されます。システムの能力の代表概要として、フォーカスが記載されたプロトコルとシステムのセットアップ、次の生成されたサンプルに与えられます。結果は、このシステムが正常に単一の5分間の蒸着R中嵩密度の> 90％である11マイクロメートル厚のイットリウム鉄ガーネット膜を堆積することができることを示していますアン。膜中の改善された厚さと粗さのばらつきのために、エアロゾル及び粒子選択のより良好な制御を得るための方法の説明が提供されます。

エアロゾルデポジション法（AD）は、バルク¹の95％より大きい密度を有する厚さの数百マイクロメートルまでの層を生成することができる厚膜堆積プロセスです。堆積プロセスは、接着、衝撃、骨折または変形の継続的なプロセスによって起こると考えられ、粒子の緻密化されている。 図1は、いくつかの工程で、粒子衝撃および緻密化を示す一連のステップとして、このプロセスを示しています。図に示すように、粒子100〜500メートル/秒の典型的な速度で基板に向かって移動します。彼らは破壊し、基板に付着する基板と初期粒子への影響など。このアンカー層を基板とバルクフィルムとの間の機械的接着性を提供します。その後の影響が発生すると、基礎となる粒子が付着し、ますます骨折、さらに緻密化されています。継続的な影響、破壊、および高密度化のこのプロセスは、下地膜を圧縮してCRYSを接合するために動作しますtallitesとバルク材料の95％以上に達する密度を有するフィルムを製造します。

堆積プロセスの図1イラスト。パネルA 100〜500メートル/秒の典型的な速度で基板に向かって移動する3粒子を示します。パネルBは、衝撃、破砕、及び第一の粒子の接着の結果を示します。パネルC及びDは、第2および第3の粒子のその後の影響、さらにコンパクトな下地膜を示し、微結晶を結合します。結果は（文献19から許可を得て複製）バルク材料の95％よりも高い密度を有する膜である。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

ADの主な利点はdeposということですitionは、周囲室温で完全に行われます。これにより、低溶融温度基板上に高融点温度材料（原料粉末）を、例えば、膜成長を可能にします。堆積速度は、毎分数マイクロメートルまでとすることができ、堆積チャンバ内1-20トルの中程度の真空状態で行われます。プロセスは、非常に大きな堆積領域まで拡大し、最終的には、それがコンフォーマルに堆積することができる能力を示しています^。2

このようなインダクタ^3、耐摩耗性コーティング^4、圧電体^5、マルチフェロイックス^{6、magnetoelectrics 7}サーミスタ^8、熱電膜^9、柔軟な誘電体^10、硬組織のインプラントおよびバイオセラミックスなどの種々の用途のためのADによって研究の多くの材料系があり、 ^11、固体電解質^12、および光触媒^13。マイクロ波デバイスへの応用、Severaのの磁性膜のための厚さがマイクロメートルのL数百人は、理想的には、回路基板の要素に直接統合されることを必要としています。この統合を実現するための一つの課題は、フェライト膜を製造するために必要な高温度領域であるイットリウム鉄ガーネット（YIG）として、（ハリスら ¹⁴でレビューを参照してください）。このような理由から、ADは、磁気集積回路技術の潜在的な新しい進歩を実現するための自​​然な選択であるように思われます。低コストオペレーション、高い堆積速度、およびADのシンプルさは、ドイツ、フランス、日本、韓国の研究者が関心に拍車をかけ、現在は米国でいます。

図2は、エアロゾルデポジション法を実行するための基本的なセットアップを概説する図です。圧力は、それぞれ、エアゾール容器、堆積チャンバと、ポンプヘッドにP _{AC、P DC、}およびP _Hとなった場所で監視されます。マスフローコントローラ（MFC）によって制御されるガス流は、エアロゾルに入りますチャンバと粉末をエアロゾル化。堆積チャンバは、矩形（0.6ミリメートル×4.8ミリメートル）のノズル開口部を通って粒子の流れを引き起こし、二つの室の間の圧力差を生成するためにポンピングされます。

図NRL ADMシステム2.メインコンポーネント。圧力はP _{AC、P DC、}およびP _Hは 、それぞれ、エアゾール容器、堆積チャンバと、ポンプヘッドのための位置にマーク監視されます。詳細は本文を参照してください。 （著作権（2014）応用物理学会は、リファレンス20から再生）。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

この作品の個々のYIG粒子の平均サイズは0.5μmです。凝集の効果は、これらの原因となります小さな粒子は、約10ミクロンから約400ミクロンのサイズの範囲で非常に大きな凝集体を形成します。凝集体サイズおよび送達速度の制御は、緻密な、よく形成されたフィルムを達成するために不可欠です。これは、堆積チャンバ内にサイズ選択し、均一な粒子束を可能にするエアロゾル室の構成を必要とします。粉末は、従来のエアロゾル室にロードされると53ミクロンよりも大きい任意の凝集物を除去するために事前にふるいにかけます。この作業で使用されるエアロゾル室構成は、図3に示されている。窒素ガスは、チャンバの底部側に位置する4つの入口ノズル（二は、 図3に示されている）を介して入ります。ガスは53ミクロン未満の凝集粒子径の分布からなるエアロゾルを生成するために（緑で表示）YIG粉末と相互作用します。ステンレス鋼板製エアゾール容器の基部には、攪拌機に移動粉末を維持するために継続的に振動させますガス流量。凝集体は、凝集体がノズル入口に入るために45μm未満のサイズのことができ、45μmのフィルターに影響を与えます。ノズルに入る際に凝集体を入口大きな速度まで加速し、蒸着を行うために、堆積チャンバ（図示せず）に排出されます。ステンレス鋼ロッドは、デ詰まりフィルタを補助するために（図示せず）攪拌機のベースにフィルタの底部を接続します。

フィルタ、入口ノズルと、YIG粉末示すと内部エアロゾル室の構成図3.イラスト。詳細は本文を参照してください。

このレポートでは、YIGの緻密なフィルムを製造するために、上記のカスタムビルドシステムを使用してADを実行するための実験手順について詳しく説明します。このシステムで生産さ11ミクロンの厚さのフィルムのための代表的な結果をscanninを使用して提示されていますG型電子顕微鏡（SEM）、厚さプロファイル、強磁性共鳴（FMR）。提示された結果は、磁気特性や膜の材料構造の詳細な研究であることを意図したものではなく、この技術によって製造されたフィルムのデモンストレーションとして。されていないこの図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

1.パウダー準備

1. ふるいのように受信したイットリウム鉄ガーネット（YIG）凝集体100〜150 gを得た粉末は、53ミクロン未満の大きさ。
2. 300℃より高い温度で少なくとも24時間乾燥させるために炉にふるい分けした粉末を配置します。

2.基板の準備

1. 所望のサイズの基板を洗浄、イソプロパノール、次にアセトンを用いて例えば 3ミリメートル×3ミリメートル。窒素ガスを用いたドライ。

エアロゾルデポジション法を実行3.

1. 翻訳装着ステージにサンプルをマウントします。
   1. マウントステージに両面銅テープを配置します。銅テープに洗浄された基板を配置します。
   2. サンプルの各端に取り付け、ステージの端からの距離を測定します。サンプル履歴シートの寸法およびサンプルの位置を記録します。
   3. 載置台は、翻訳モトの本体と平行に整列されていることを確認キャリパーとモータ本体の端に取り付け、ステージの端からの距離を測定することにより、R。堆積チャンバ内にサンプルをロードします。
   4. 堆積チャンバをシールするフランジをクランプ。翻訳モータ用3 15ピンDサブコントローラのケーブルを接続します。
2. 粉末をロードし、エアロゾル室をクローズアップ。
   1. 炉から乾燥した粉末を除去し、エアロゾル室の底部に配置します。フィルタード詰まりロッドにフィルタデ詰まりロッドアタッチメントをスライドさせます。
   2. エアロゾル室の底部にエアロゾル室の本体を置きます。本体底部に取り付けられているように、フィルタデ詰まりロッドアタッチメントは、攪拌プレート上に載置することができます。
   3. 底部に本体を固定します。エアロゾル室の本体側ポートにエアロゾル室の圧力計を取り付けます。
   4. 本体O上の上部ポートにノズル入口部をクランプQFクランプを使用してエアロゾル室F。堆積チャンバの入口ポートにノズル導入管を上げ、上部と下部の金具を固定します。
   5. サンプル履歴シートの粉末とエアロゾル室識別番号を記録します。
3. それはシステムの残りの部分から分離されたと粗引きポンプをオンにします。堆積室の照明ランプをオンにします。システム全体のポンプダウンを開始するバイパスライン上の狭窄弁を開きます。
4. セットアップの堆積作業識別と圧力の監視ソフトウェア。
5. コマンド·ライン·ターミナル·ウィンドウで「pitrans」を入力して、ステージコントローラマクロ作成者を実行し、必要な情報を入力します。実行ログのスプレッドシートに新しいシートを作成し、堆積パラメータ、セットアップメモを記録。
6. システム圧力は約150〜200トルに達した後、わずかにunconstricted弁を開きます。約1トール/秒のポンプダウン速度を維持。第一回電子圧力は、圧力監視ソフトウェアと並進ステージモータコントローラソフトウェアを起動100トール未満に低下しました。
7. システム圧力に達した後、約1トルは、バイパスラインにすべての3つのバルブを閉じ、主ポンプのバルブを開きます。堆積チャンバーのトップキャップにクランプを締めます。
8. ブロワーポンプをオンにします。超高純度（UHP）窒素ガスボンベを開きます。圧力を監視し、システムのベース圧力を記録する（これは、一般的に15〜25トルに達します）。
9. ノズルと基板との間の距離を設定します。ノズルを介して実装基板を移動するために、ステージコントローラソフトウェアのグラフィカルユーザインタフェース画面を使用してください。それに接触ノズルまで基板を下げます。この位置からの垂直方向の基板7.5ミリメートルを移動します。
10. 主ポンプラインを閉じ、圧力監視ソフトウェアのシステムの漏れ率を監視します。バルブを遮断時の初期リークレートに注意してください。このLEA場合K率は、そうでなければ漏れをチェックを開始未満3.33トル/秒継続しています。典型的な漏れ率が1.2未満ミリトール/秒です。
11. 500トールプリセット値に堆積チャンバのバタフライバルブを設定します。 13.63リットル/分（でそれを有効にしない）にマスフローコントローラ値を設定します。
12. 堆積のための開始位置に取り付け、ステージを移動します。コントローラソフトウェアにステップ3.7で作成したマクロをロードします。
13. 135と145 Hzの間で直線的に10秒ごとに掃引するプログラム関数発生器。上の関数発生器をオンにします。窒素ガスの流れをオンにします。 3秒のカウントダウン後にステージコントローラマクロを起動します。
14. 堆積を監視し、500±0.5トルの圧力差を維持するために必要なガス流量を調整する（または実行のために所望されるように）堆積の期間。
    注：堆積チャンバーの圧力は、典型的には、0.65トールであり、堆積チャンバー内の圧力は、典型的には、501トルです。制御不能な変動圧力で通常UHP窒素が不足していることを示しています。ランの期間にわたって圧力のわずかな低下（1-2トル）が代表的です。これは、ガス流量を増加させることによって改善することができます。初期時には目に見えるフィルムを基板上に形成すべきである通り、膜形成の欠如は、粉末および/または重大なフィルタの目詰まりの不十分なエアロゾル化を示唆しています。
15. 堆積の終了時に正確な堆積の実行時間に注意してください。窒素ガス、関数発生器、およびポンプを遮断します。完全に堆積チャンバのバタフライバルブを開きます。
16. 堆積チャンバの側に位置するバイパスバルブを開きます。ゼロに家の窒素ガスレギュレータをオンにして、堆積チャンバ内にそれをリダイレクトします。ゆっくりと家のガスレギュレータ圧を増加させながら主ポンプのバルブを閉じてください。
17. ホームは、X = 25ミリメートル、Y = 25ミリメートル、およびZ = 25ミリメートルのノズルは、その後、ステージコントローラソフトウェアを閉じます。
18. システム内の圧力が上昇した後は100の上トルは、圧力監視ソフトウェアを停止します。堆積を完了するために使用され、時間の総窒素ガスを記録します。システムが大気に到達するまで、必要に応じて家のガス圧を調整します。
19. 3 15ピンDサブステージコントローラのケーブルを抜いて、トップキャップをアンクランプ。堆積室からトップキャップを外し、サンプルをアンマウントします。

4.堆積後の検査

1. 実装段階からサンプルを取り出して、顕微鏡下でそれを点検。必要に応じて、ルースパウダーを除去するためにイソプロパノールでサンプルを洗浄します。フィルムの計画の特徴付けを行います。

堆積が完了した後、コーティングされた基板は、堆積チャンバから取り出し、光学立体顕微鏡を用いて検査されます。サンプルは、典型的には、ブラッシングや大気への再加圧の際に残った過剰の粉末を除去するために、イソプロパノールで洗浄しました。フィルムの特徴付けは、（のための基準20を参照して膜の磁気特性を評価するために、フィルムの厚さ、均一性、及び粗さ、及び強磁性共鳴を評価するために、フィルムの形態を評価するために、プロフィロメトリーを走査型電子顕微鏡を用いて、本明細書に提示の代表的な結果で行いました特性評価法に関する詳細）。本研究では3ミリメートル×3mmのサファイア基板は、上記のプロトコルやシステム設定を用いて塗布しました。堆積掃引は0.65ミリメートル/秒で膜を横切ってラスタに75 ^平方ミリメートルの総面積をカバーするように設定しました。

図4は、フィルムの表面のSEM像であります個々の粒子（0.5ミクロン）の出発サイズよりはるかに小さい多数の小さい結晶粒を示します。これは、フィルムが非常に少ないボイドと多少ラフ、よく圧縮された表面を形成している画像から明らかです。ここで提示同様の結果のフィルムのために我々は、YIGのために理論密度の-96％から90％の間に濃度を測定した（5.17グラム/ cm ^3）で。 図5に示されるフィルムの断面図はまた、膜の緻密性をサポートします。 すなわち堆積中に形成されるように、図5のメイン画像は、堆積サンプルのエッジを示し、それはフィルムの切断された部分ではありません。挿入図は、膜の緻密性を示すフィルムの断面の拡大図を示しています。また、堆積膜のX線回折を行い、原料粉末と結晶構造が（データは示さず、また3および20を参照参照）の堆積時に変化しないことを見出しました。

図7は、RTで撮影したFMR吸収誘導体のプロットである：データは黒で示します。データへのローレンツ派生線形フィットは赤で示されています。データの線幅は330エルステッドであり、共鳴フィールドは2810 Oeです。信号の位置および形状は、他の方法、 例えば 、パルスレーザー蒸着又はRFマグネトロンスパッタリングにより成長させた多結晶YIGのための典型的なスペクトルに匹敵します ^15,16る。ローレンツ線形は、均一な膜^17,18を示 ​​唆するデータへの良好なフィット感を提供します。

フィルムの堆積後の上面の図4のSEM画像。画像は密に圧縮さ0.5μmの個々の出発粒子サイズよりもはるかに小さい多くの粒子を有するフィルムを示している。 これの拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください図。

サファイア基板上の膜の断面の図5のSEM画像。挿入図は、膜の断面の拡大図です。ghres.jpg「ターゲット= "_空白">この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図6.サンプルの3ミリメートル全長の2.25ミリメートル全体の厚さの変化を示す図4と図6のフィルムの代表的なステッププロファイル。10.93ミクロンの平均厚さは、データを重ね合わ赤い線として表示されます。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

RTで撮影したフィルムの図7強磁性共鳴微分曲線。スペクトルは、均一、均質なフィルムを示すローレンツ関数によりよく適合しています。 linewid目は330 Oeである。 この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図4のSEM画像は、有意な骨折および高密度化は、堆積プロセス中に発生していることを示しています。画像は、空隙と粒子の少数を示す膜の上面から取り出されます。観察可能な領域が堆積し、したがって、粒子2と図1の3からの衝撃によって示されるように、その後の粒子のさらなる衝撃や高密度化プロセスの恩恵を受けない材料の最後のものである。膜密度サンプル缶の体積内断面の高倍率挿入図とともに、 図5。この画像の断面画像が見ることが、緻密な膜のためのさらなる証拠を提供します。

SEM画像で見られる粗さは、プロファイルスキャンで定量的に確認されました。これらの膜の粗さは、堆積の高レート（/分1.95ミクロン）に起因する可能性があります。これは、フィルムがより形成されていることが可能ですゆっくりと完全に破砕粒子を有効にして、追加の粒子が到着する前に付着するが、フィルムの粗さの増加は、膜厚²¹の増加と基本的に関係している可能性があります。膜を横切る厚さの低下は、堆積チャンバ内に粒子の流れが全体の堆積の間一定ではないことを示唆しています。考えられる理由は、エアロゾル中の粉末の損失、エアロゾル室の基部に粉末の凝集、および/またはフィルタの目詰まりから生じる可能性があります。完全に乾燥させ、ふるい粉末を図3に示すものとエアロゾル室を変更する堆積速度と膜の均一性を改善し、制御するために行わ戦略です。

このサンプルのFMRスペクトルは、YIG膜は、他の技術によって成長させた多結晶YIG膜の典型である共鳴線形フィールドとを有することを示します。 AD堆積膜の線幅は、他の報告された多結晶よりも若干広くなっています約100〜200エルステッド¹⁶によるフィルム。これは、フィルムのナノ結晶のメイクアップに起因する可能性が高いです。単結晶YIG膜があっても同程度の厚さ²²未満1エルステッドの典型的なFMR線幅を持っていることに注意してください。このフィルムはローレンツ線形によくモデル化されているので、1は、フィルムが均一と不均一性がないことを結論付けることがあります。この場合には、線幅の広がりは、ギルバート減衰および/ ​​または^18を散乱2マグノンとして固有の緩和プロセスに起因する可能性があります。 図6の傾斜厚さプロファイルは、堆積速度は、プロセス全体を通して一定ではなく、したがって、フィルムが不均一性から完全に自由である可能性はないという証拠です。より詳細な調査が完全にこれらのメカニズムを巻き込むために行われる必要がある（参考文献3においても議論を参照）、ならびに、現在のADシステムをより洗練。不均一なカバレッジの最も可能性の高い原因は、エアロゾルGENエアロゾル室にeratedは切れになることがあり、および/またはフィルターが目詰まり。これらの効果の両方が減少し、それによってより低い堆積速度をもたらすように堆積チャンバに入る粉末の量を引き起こします。

上記の結果は、ここに提示ADシステムおよびプロトコルを使用して、（75ミリメートル²領域用）のほぼ2ミクロン/分の堆積速度でほぼ11ミクロンの厚膜の成功堆積を示しています。フィルムは、このプロセスに関与する衝撃、破砕及び緻密化機構による始動粒子よりもはるかに小さく、密に圧縮されたランダム配向粒子から構成されています。フィルムは、報告されたYIG膜^15〜17に匹敵するFMR線幅の形状と共鳴フィールドを示しています。よりよい堆積チャンバ内に凝集体の流れを制御するための追加の作業が、より均一な膜成長を確保するために必要とされます。

現在の仕事は、さらにコンを改善するために進行中です堆積プロセスのsistency。追加の乾燥及びふるい分けプロトコルは、粉末がそれぞれの実行中に同一の一貫性を持っていることを確実にするために開発されています。設計も少ない目詰まりして改良されたろ過システムを作成するために進行中です。ノズル入口の再設計はまた、ノズルネック内の収集から塊状粉末を防止するのに役立ちます。磁気的および構造的特性のより詳細な研究も進められています。いくつかの現在の研究は、より優れたエアロゾルデポジション法により作成されたこれらの膜の磁気特性の変化を理解するためにフィルムを層毎に構築含みます。

著者らは、開示することは何もありません。

SDJは感謝の彼の部分のための工学教育/ NRLポストドクトラルフェローシッププログラム、材料の磁気特性にコンラートBUSSMANN（NRL）とMingzhongウー（コロラド州立大学）と協議し、ロン·ホルム（NRL）のためのアメリカ協会のサポートを認めNRLのADシステムの設計と実装。