Особенности микроструктуры, электрических и магнитных свойств металлов, полученных с помощью протонного восстановления тонких пленок оксидов металлов

Домантовский, Александр Григорьевич

Особенности микроструктуры, электрических и магнитных свойств металлов, полученных с помощью протонного восстановления тонких пленок оксидов металлов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Домантовский, Александр Григорьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2009 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.07 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Особенности микроструктуры, электрических и магнитных свойств металлов, полученных с помощью протонного восстановления тонких пленок оксидов металлов»

Автореферат диссертации на тему "Особенности микроструктуры, электрических и магнитных свойств металлов, полученных с помощью протонного восстановления тонких пленок оксидов металлов"

На правах рукописи

00346430Б

Домантовский Александр Григорьевич

Особенности микроструктуры, электрических и магнитных свойств металлов, полученных с помощью протонного восстановления тонких пленок оксидов металлов

01.04.07 - «Физика конденсированного состояния»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003464306

Работа выполнена в Институте реакторных материалов и технологий Российского научного центра «Курчатовский институт»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Гурович Борис Аронович, РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Залужный Александр Георгиевич, МИФИ (ГУ), г. Москва

кандидат технических наук, профессор Шкарбан Игорь Иванович, МАИ (ГТУ), г. Москва

Ведущая организация: Институт физической химии и электрохимии

им. А.Н. Фрумкина РАН

Защита состоится 22 апреля 2009 г. в 16-30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.130.04 при МИФИ (ГУ)' по адресу: 115409, г. Москва, Каширское шоссе, д. 31

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ Автореферат разослан_2009 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации, по адресу МИФИ.

Ученый секретарь диссертационного совета _

МИФИ, д.ф.-м.н., профессор И.И. Чернов

Актуальность темы. Прогресс в области создания новых типов памяти, различных сенсоров, в том числе и биологических, функциональных изделий электроники и т.п. связан с разработкой технологий и методов, позволяющих создавать на подложке пространственную структуру («рисунок»), образованную областями с разным химическим составом и/или физическими свойствами. Определяющим при создании подобных структур является разработка методов, позволяющих целенаправленным образом локально (на заданных участках) менять свойства материалов в тонких поверхностных слоях.

Основой такого метода могут служить результаты работ, выполненных в течение последних 10 лет коллективом под руководством профессора Б.А. Гу-ровича в РНЦ «Курчатовский институт». Физическая сущность разрабатываемого метода заключается в следующем. При облучении многоатомного материала ускоренными частицами могут быть созданы такие условия облучения (масса, энергия частиц), при которых происходят эффективные смещения и удаление из зоны облучения материала только атомов одного сорта. Селективность удаления атомов сохраняется и в том случае, когда энергия частиц пучка достаточна для смещения нескольких сортов атомов в многоатомных соединениях. В этом случае селективное удаление обусловлено разными скоростями смещения разных атомов. Это подтверждается многочисленными экспериментами, в которых максимальная передаваемая энергия была заведомо выше пороговой для обоих сортов атомов в двухатомных соединениях.

В ходе проведенных в РНЦ «Курчатовский институт» экспериментов установлено, что для большого числа материалов можно выбрать такие условия ионного облучения, при которых происходит практически полное удаление атомов определенного сорта на всю глубину проективного пробега ионов. Так, при облучении оксидов металлов протонами с энергией несколько кэВ атомы кислорода могут быть практически полностью удалены из слоя исходной толщины -100 нм и более. С помощью локального восстановления металлов из оксидов под действием протонного облучения созданы упорядоченные магнитные среды с поверхностной плотностью элементов, превышающей 100 Гбит/дюйм2 и достигнуто пространственное разрешение 15 нм; на основе восстановления >У из WOз предложен способ формирования потенциальных рельефов в полупроводниковом материале, позволяющий создавать элементы электроники нано-масштабных размеров и др.

Для того, чтобы создавать различные функциональные устройства с помощью селективного удаления кислорода под действием протонного облучения, необходимо изучить особенности микроструктуры и свойств металлов, полученных восстановлением из оксидов, а также разработать способы управления этими свойствами и методы создания микро- и наноструктур заданной геометрии.

Работа является составной частью комплексного исследования эффектов радикального изменения состава и свойств многокомпонентных материалов под воздействием ионного облучения, проводимого в РНЦ «Курчатовский институт» коллективом под руководством профессора Гуровича Б.А, поддержана грантом РФФИ (06-080-08046-офи) и лотом федерального агентства по науке и

инновациям в рамках государственного контракта № 02.513.11.3192.

Целью работы явилось выявление закономерностей фазовых превращений, изменений химического состава, электрических и магнитных свойств, происходящих в тонких пленках оксидов металлов при протонном облучении, способы управления микроструктурными и магнитными свойствами восстановленных металлов и разработка способа создания структур заданной геометрии, основанного на локальном удалении атомов кислорода из оксидов.

В качестве объектов исследования в работе использованы оксиды следующих металлов: Бе, Со, N1, Си, N5, Мо, Та, V/, Рг, В1

Для достижения указанной цели были решены следующие задачи.

1. Изучены состав и микроструктура тонких пленок оксидов металлов до и после облучения протонами с энергией 1-5 кэВ.

2. Исследовано влияние дополнительного верхнего слоя из 8Ю2 на микроструктуру и магнитные свойства восстановленных металлов.

3. Изучено влияние деформации подложки в процессе протонного облучения на коэрцитивную силу и коэффициент прямоугольности кривых магнитного гистерезиса восстановленных ферромагнитных металлов.

4. Разработана методика определения объемных изменений в тонких пленках, сопровождающих процесс восстановления металла из его оксида под воздействием протонного облучения.

5. На основе особенностей, сопровождающих процесс восстановления металлов, разработаны способы изготовления металлических структур заданной геометрии и изучены геометрические и магнитные свойства изготовленных структур.

Научная новизна диссертационной работы.

1. При исследовании тонких пленок оксидов металлов впервые установлено, что облучение протонами с энергией около 1 кэВ приводит к восстановлению металлов из соответствующих оксидов, при этом толщина металлического слоя может достигать десятки нанометров.

2. Впервые проведено исследование микроструктуры пленок металлов, полученных восстановлением из соответствующих оксидов под действием протонного облучения.

3. Впервые показано, что наличие на поверхности исходного оксида металла дополнительного слоя из 5Ю2, не испытывающего превращений в процессе облучения, является эффективным способом управления средним размером зерна и магнитными свойствами восстановленного металла.

4. Впервые показано, что восстановление ферромагнитного металла из оксида на упругодеформированной подложке позволяет получить ферромагнитные пленки с наведенной магнитной анизотропией и большим значением коэффициента прямоугольности петли гистерезиса вдоль оси легкого намагничивания.

5. Впервые проведено систематическое экспериментальное определение объемных изменений в тонких пленках, сопровождающих процесс восстановления металлов под действием протонного облучения.

6. Предложен новый метод создания микро- и наноструктур, позволяющий

получать на подложке металлические структуры заданной геометрии. Практическая ценность диссертационной работы.

1. Полученные данные о микроструктуре, электрических и магнитных свойствах облученных пленок оксидов металлов позволяют выбирать режимы протонного облучения и толщины исходных оксидов металлов, необходимые для восстановления металлов при создании таких функциональных структур, как новые типы магнитной памяти, различные типы сенсоров и т.д. Например, отработанные в работе режимы протонного облучения и изученные магнитные свойства облученных тонких пленок Со304 позволили изготовить прототип новой сверхплотной среды для магнитной записи с плотностью >100 Гбит/дюйм2.

2. Использованные в работе режимы протонного облучения и способы управления свойствами восстановленных металлов позволяют разрабатывать методы получения материалов с заданными структурными и магнитными свойствами.

Таким образом, полученные результаты представляют не только научный, но и практический интерес, т.к. способствуют разработке новой технологии, основанной на локальном изменении химического состава и свойств тонких слоев материалов под воздействием протонного облучения.

В ходе выполнения работы получено 2 патента Российской Федерации. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты воздействия протонного облучения с энергией ~1 кэВ на кристаллическую структуру, полиморфизм и размер зерна широкого круга металлов, восстановленных из соответствующих оксидов.

2. Дозовые зависимости электрических и магнитных свойств оксидов металлов, подвергнутых облучению протонами с энергией ~1 кэВ.

3. Влияние дополнительного верхнего слоя из SiC>2, не испытывающего превращений в процессе облучения, на микроструктуру и магнитные свойства металлов, восстановленных из соответствующих оксидов под действием протонного облучения.

4. Результаты определения объемных изменений в тонких пленках, сопровождающих процесс восстановления металлов из соответствующих оксидов при протонном облучении.

5. Влияние упругой деформации подложки в процессе протонного облучения на свойства ферромагнитной пленки.

6. Способ создания микро- и наноразмерных структур заданной геометрии, основанный на локальном удалении атомов кислорода из оксидов и геометрические и магнитные свойства структур, полученных этим методом.

Объем и структура диссептации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Диссертация изложена на 152 листах, содержит 66 рисунков, 11 таблиц, список использованной литературы из 123 наименований.

rence "Micro- and nanoelectronics-2003" (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2003); Научной сессии МИФИ-2003 (Москва, Россия, 2003); IV национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, Россия, 2003); XIV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, Россия, 2005); International Conference "Micro- and nanoelectronics-2005" (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2005); V национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, Россия, 2005); International Conference "Micro- and nanoelectronics-2007" (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2007); 6th International Conferences on Fine Particle Magnetism (Rome, Italy, 2007); 18-й международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Москва-Звенигород, Россия, 2007; XIII национальной конференции по росту кристаллов (Москва, Россия, 2008).

Личный вклад. Автором лично проведены исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии и электронографии, стилусной профилометрии, выполнены измерения магнитных свойств. Результаты исследований с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии получены совместно с к.ф.-м.н. Маслаковым К.И. Автор принимал непосредственное участие в исследовании и интерпретации электрических свойств восстановленных металлов, а также изготовлении металлических структур заданной геометрии и исследовании их геометрических и магнитных свойств.

Достоверность результатов, полученных в данной работе, определяется применением взаимодополняющих современных экспериментальных методов, воспроизводимостью результатов, сравнением полученных экспериментальных результатов с теоретическими оценками и литературными данными.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК, и 2 патента Российской Федерации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена общая характеристика работы, обоснованы актуальность темы и выбор объектов проведенного исследования, поставлена цель работы, сформулированы научная новизна, практическая ценность полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе, посвященной анализу литературных данных, рассмотрены факторы, определяющие изменение состава поверхностных слоев многокомпонентных материалов при облучении ускоренными частицами в отсутствие имплантации. Основное внимание уделено результатам, свидетельствующим о том, что при облучении ионами с энергией порядка 1 кэВ наблюдается уменьшение концентрации легкого компонента в поверхностных слоях материалов. Отмечается, что описанные в литературе эффекты, обусловленные физическим распылением, малы - толщина слоя, в котором концентрация легкого компонента уменьшается на порядок и более, не превышает -1 нм. С другой стороны, в работах, выполненных в РНЦ «Курчатовский институт» группой

профессора Гуровича Б.А., показано, что при облучении оксидов металлов протонами с энергией 1-5 кэВ полное удаление кислорода происходит из слоев начальной толщины до 100 нм.

Во второй главе рассмотрены методики приготовления образцов и источники протонного облучения, методы исследования состава, микроструктуры, топографии, электрических и магнитных свойств материалов.

Исходные пленки оксидов металлов толщиной 10-250 нм изготовлены на установках ионно-плазменного распыления, разработанных в РНЦ "Курчатовский институт". Осаждение пленок проводилось при давлении распыляющего газа (смесь криптона и кислорода) около 10'3 Па при комнатной температуре подложки.

Для облучения протонами в работе использовались два источника ионов. Первый является источником с холодными электродами. Он разработан и изготовлен в РНЦ «Курчатовский институт» и позволяет проводить облучение при плотности тока -100 мкА/см2. Источник протонов второго типа представляет собой ионную пушку ISE 10 («Omicron», Германия) с плотностью тока на образце -10 мкА/см2, установленную в высоковакуумной установке Microlab MKII («VG Scientific», Великобритания). Основной массив экспериментальных данных получен для материалов, облученных протонами с энергией 1-5 кэВ в диапазоне доз 1016-1019 ион/см2, хотя в отдельных случаях использовались протоны с меньшей энергией. В большинстве случаев облучение проводилось в высоком вакууме (давление остаточных газов не превышало 5-10"6 Па), когда эффекты реактивного (химического) распыления и облучения ионами кислорода и азота сведены к минимуму.

Электронно-микроскопические исследования выполнены на микроскопах TEMSCAN-100СХ и TEMSCAN-200CX («JEOL», Япония). Исследования «на просвет» проводилось на пленках, осажденных на кристаллы NaCl с предварительно нанесенным тонким (-5 нм) слоем Si02 или углерода (в ряде случаев проводилось осаждение пленок на свежие сколы NaCl).

Изучение химического состава осажденных и облученных пленок, а также изменение химического состояния элементов после облучения проводилось методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) на приборе Microlab MKII. При проведении измерений в камере спектрометра давление остаточных газов не превышало 10'8 Па.

Влияние протонного облучения на магнитные свойства оксидов ферромагнитных металлов изучалось с помощью вибрационного магнитометра BHV-50 («RIKEN DENSHI Со», Япония). Изучались следующие характеристики: намагниченность насыщения (Ms), остаточная намагниченность (Мг), коэрцитивная сила (Нс), а также наличие магнитной анизотропии в плоскости пленки.

Построение дозовых зависимостей электросопротивления проводилось с помощью мегомметра Е6-17 (Россия), позволяющего измерять электрическое сопротивление в диапазоне от 10 Ом до 30 ГОм.

Для определения толщины исходных и облученных пленок в работе использовался механический (стилусный) профилометр Alfa-Step 200 («Tencor Instruments», США), позволяющий измерять ступеньки высотой более 3 нм.

Исследования поверхности пленок до и после облучения протонами проводилось методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), а изучение магнитных структур - методом магнитно-силовой микроскопии (МСМ) на сканирующем зондовом микроскопе Solver Р47 («NT-MDT», Россия).

В третьей главе приведены результаты изучения состава, микроструктуры, электрических и магнитных свойств исходных и облученных протонами оксидов металлов.

Влияние протонного облучения па состав и микроструктуру материалов. Химический состав осажденных пленок определялся на основе анализа рентгеновских фотоэлектронных спектров и картин дифракции электронов (табл. 1). Состав оксидов Pt, Nb и Та определялся только с помощью РФЭС.

Таблица 1

Состав и особенности микроструктуры пленок оксидов металлов до и после протонного облучения.__

До облучения После протонного облучения (Е=2 кэВ)

Исходный Струк- Толщина Доза облуче- Конечный Структура

материал тура оксида, нм ния, ион/см2 материал

Fe203 К 80 4'1018 Fe К, оцкр

С03О4 К 80 5-Ю18 Со К, ГПУР

NiO К 80 МО18 Ni к, гцкр

CuO К 120 7-Ю17 Cu к,гцкр

М0О3 А 40 9-Ю18 Mo к, гцкн"

W03 А 40 91018 W к, гцк'ш

PtOu А 120 5'1016 Pt к,гцкр

Bi02 А 80 7-1017 Bi К, ромбоэдрич.р

Примечание. К - кристаллическая, А - квазиаморфная, р - равновесная кристаллическая модификация, соответствующая данному металлу в массивном состоянии при комнатной температуре,нп- неравновесная полиморфная модификация.

Установлено, что облучение протонами с энергией 1-5 кэВ, в целом, одинаковым образом влияет на химический состав и микроструктуру материалов: в результате протонного облучения происходит селективное удаление атомов кислорода из оксида и образование чистого металла. Согласно электронографи-ческим данным, в процессе облучения происходит уменьшение интенсивности линий, отвечающих исходным оксидам. Одновременно с этим появляются новые дифракционные кольца, отвечающие оксидам с меньшим (по сравнению с исходными материалами) содержанием кислорода. С увеличением дозы облучения на электронограммах появляется система дифракционных колец, отвечающая восстановленному чистому металлу.

С помощью электронографии установлено, что во всех случаях, за исключением Мо и образуются металлические фазы, имеющие такую же кристаллическую структуру, что и соответствующий металл в массивном состоянии (табл. 1). Как правило, кристаллиты новой металлической фазы ориентированы изотропно, т.е. текстура отсутствует.

При восстановлении Мо и№из соответствующих оксидов образуются неравновесные полиморфные модификации металлов с гранецентрированной кубической решеткой. Параметр кристаллической решетки ГЦК-фазы, определенный из электронограмм, оказался равным: аМо=0,418+0,004 нм, а№=0,414+0,004 нм. Эти параметры совпадают с литературными данными для тонких пленок соответствующих металлов, полученных распылением мишеней из чистых металлов.

Согласно результатам РФЭС, с увеличением дозы облучения происходит относительное уменьшение площади пиков кислорода и увеличение пиков металла, что также указывает на протекание процесса восстановления металла из оксида при облучении протонами. Восстановление подтверждается и спектрами высокого разрешения отдельных линий. В качестве примера на рис. 1 приведены обзорные РФЭС спектры для пленки Ре203 до и после протонного облучения, свидетельствующие о восстановлении металла.

а> н

1000 800 600 400 200 0 Энергия связи, эВ

1000 800 600 400 200 Энергия связи, эВ

Рис. 1. Обзорные фотоэлектронные спектры для пленки Fe203 толщиной 20 нм до (а) и после (б) облучения протонами с энергией 2 кэВ до дозы 2-1018 ион/см2.

Для оксидов металлов, облученных протонами с энергией 2 кэВ, определены минимальные дозы, при которых пленка оксида указанной в табл. 1 толщины полностью превращается в металл, т.е. на электронограммах не обнаруживаются «лишние» линии, кроме отвечающих восстановленному металлу, а на рентгеновских фотоэлектронных спектрах, полученных с помощью профилирования по глубине, практически отсутствует линия кислорода.

В результате электронно-микроскопических исследований установлено, что размер зерна восстановленного металла существенно зависит от материала. Согласно результатам анализа электронно-микроскопических изображений, чем выше температура плавления металла, тем меньше размер зерна металлической пленки, образующейся после протонного облучения оксида. Для материала с минимальной температурой плавления (Bi, 7^=544 К) пленка состоит из кристаллитов со средним размером около 50 нм (максимальный размер зерна составляет -150 нм), в то время как для материла с максимальной температурой плавления (W, 1^=3693 К) максимальный размер зерна не превышает 8 нм (рис. 2).

Такая зависимость размера зерна в пленках восстановленных металлов, по-видимому, связана со следующим. Восстановление металлов из оксидов

происходит при температурах около 300 К, что существенно ниже температуры кристаллизации соответствующих массивных металлов. В результате формирование металлической пленки происходит в условиях большого переохлаждения, благодаря чему пленка находится в активированном состоянии. Чем ниже температура плавления, тем интенсивнее протекают процессы рекристаллизации восстановленного металла.

Поскольку энергия протонов достаточна для смещения не только атомов кислорода, но и атомов металла, это приводит к тому, что температура начала рекристаллизации в пленке оказывается ниже соответствующей температуры для массивного металла. Это обуславливает рост больших зерен, хорошо заметный для пленок В1.

Рис. 2. Микроструктура восстановленных пленок Й1 (а - темное поле, доза 4'10!7 ион/см2) и \У (б - темное поле, доза 3-1018 ион/см2) после облучения протонами с энергией 3 кэВ. Исходная толщина пленок оксидов равна 40 нм.

Влияние верхнего слоя 8Ю2 на микроструктуру и свойства материалов. В работе изучено влияние дополнительного верхнего слоя БЮг, не испытывающего превращений в процессе протонного облучения, на микроструктуру и свойства восстановленных металлов. Использование дополнительных слоев представляет большой практический интерес, поскольку такой слой может выступать, например, в качестве защиты от окисления восстановленного металла. Установлено, что процесс восстановления происходит и при наличии на поверхности дополнительного слоя. Результаты микроструктурных исследований, а также измерения электропроводности и магнитных свойств, свидетельствуют о том, что тонкий (3-5 нм) слой 8Ю2 практически не влияет на скорость восстановления, т.е. полное восстановление происходит при такой же дозе протонов, что и для незакрытой пленки. С увеличением толщины верхнего слоя доза, необходимая для полного восстановления, увеличивается. Так, для пленок С03О4 толщиной 80 нм при наличии сверху дополнительного слоя 8Ю2 толщиной 10 нм доза, необходимая для полного восстановления, увеличивается в ~2 раза по сравнению с незакрытой пленкой.

Для пленок СиО исходной толщины 40 нм изучено влияние дополнительного верхнего слоя 8Ю2 толщиной 5 нм на размер зерна восстановленной меди. В случае открытой пленки, когда дополнительный слой отсутствует, средний размер зерна меди составляет 14±3 нм. Наличие верхнего слоя БЮ2 приводит к тому, что средний размер зерна уменьшается до 7±3 нм (рис. 3).

Зависимость среднего размера зерна от наличия слоя 8Ю2 обусловлена, ве-

роятно, тем, что дополнительный верхний слой сдерживает рост кристаллов новой фазы (восстановленной меди), понижая тем самым полную энергию системы.

Рис. 3. Микроструктура восстановленных пленок Си (а -открытая пленка, б - дополнительный верхний слой из ЭЮг толщиной 5 нм) после облучения протонами с энергией 2 кэВ до дозы 7-1017 ион/см2. Исходная толщина пленок СиО равна 40 нм.

Определение объемных изменений материалов. Поскольку восстановление металла из оксида сопровождается значительными объемными изменениями из-за удаления до 75% исходных атомов из материала, в работе выполнено экспериментальное определение величины этих изменений (усадки).

Количественно усадку материала (5) можно определить как относительное изменение (уменьшение) объема восстановленного металла по сравнению с объемом исходного оксида:

100 им

s =

- оксид

-V»

■ = 1

v..

(1)

^оксид ^оксид

В случае, когда превращение оксид—»чистый металл происходит в пленке, имеющей хорошую адгезию к подложке, экспериментально установлено, что изменения линейных размеров в плоскости пленки отсутствуют. Облученная (восстановленная) металлическая пленка имеет такую же площадь, что и пленка исходного оксида металла, т.е. меняется только один размер - толщина пленки. Следовательно, усадку можно определить с помощью отношения толщин металла и оксида.

Если толщина исходной пленки оксида D, тогда толщина облученной протонами пленки будет d=D-h, где h - величина ступеньки на границе между облученным и необлученным участком. Знание величин D и И позволяет определить усадку S:

D-d h (2)

Теоретическое значение усадки можно определить, зная параметры кристаллической структуры исходной (оксид) и конечной (чистый металл) фазы. В предположении, что распыление металлических атомов отсутствует*, и имеет место полное удаление атомов кислорода, величину 5 можно определить сле-

В исследованном диапазоне доз и энергий протонов физическое распыление металлов мало: выполненные эксперименты и теоретические оценки показывают, что толщина распыленного слоя металла не превышает ~1 нм. Поэтому, здесь и далее предполагается, что эффектами физического распыления металла можно пренебречь.

дующим образом:

— 1 -

итеор 1

металл

= 1-

оксид

Р\Х 2

РгЩ'

(3)

где р1 и р2 средняя атомная плотность оксида и соответствующего металла, а N1 и N2- общее число атомов оксида и металла соответственно.

Типичная профилограмма приведена на рис. 4, на которой участкам оксида, закрытым маской в процессе облучения, отвечают «выступающие» участки профилограммы. Установлено, что для всех материалов имеет место хорошее (с точностью, не хуже 10 %) совпадение теоретических и экспериментальных значений усадки (табл. 2). Мерой экспериментальной ошибки в табл. 2 является среднеквадратичное отклонение среднего.

Рис. 4. Профилограмма для измерения усадки, полученная для пленки Со304 толщиной 80 нм после облучения протонами с энерги-

ей Е=3 кэВ до дозы 5'10 «ступеньки» й=48 нм.

ион/см . Высота

40 Ь, мкм

В тех случаях, когда 5теор превышало 5ЗКС„ более чем на 10-15%, имело место неполное удаление атомов кислорода из объема материала. Это проявлялось в том, что на электронограммах помимо линий металла обнаруживались линии, отвечающие оксиду, а на фотоэлектронных спектрах присутствовали линии кислорода меньшей (по сравнению с исходным оксидом) интенсивности.

Таблица 2

Сравнение теоретических и экспериментальных значений усадки для пленок

Материал Доза протонного облучения, ион/см2 $теор $эксп

Ре203 з-ю'8 0,53 0,51±0,04

С03О4 з-ю18 0,64 0,62±0,05

N¡0 1-Ю18 0,38 0,39±0,03

СиО 2-Ю17 0,41 0,38±0,03

Мо03 9-1018 0,69 0,63±0,07

WOг 9-Ю18 0,66 0,63±0,07

РЮ,., 5-Ю16 0,39 0,38±0,03

ВЮ2 7-1017 0,16 0,16±0,01

Примечание. Для оксида платины использованы справочные данные для РЮ.

Для всех материалов, приведенных в табл. 2, дозовая зависимость усадки представляет собой монотонно возрастающую функцию, выходящую на насыщение при больших дозах. В исходном состоянии 5=0, а в конце превращения (при полном удалении атомов кислорода из всего объема материала) 5" возрастает до значений, определяемых формулой (3). Это позволило с помощью измерения ступеньки на границе между облученной и необлученной областями

г: чем меньше отличие 5М,„ от

тем

оценивать полноту восстановления: больше полнота восстановления.

Влияние протонного облучения на электропроводность материалов.

По характеру поведения все дозовые зависимости электросопротивления можно разделить на 2 группы. К первой относятся материалы, имеющие относительно невысокие (<Ю3Ом-см) значения удельного электросопротивления исходных оксидов: СиО, N¡0, С03О4 (кроме РЮи). Для этих материалов электросопротивление сначала возрастает, проходит через максимум, а затем монотонно уменьшается с увеличением дозы облучения. Для остальных материалов дозовые зависимости носят монотонно убывающий характер. На рис. 5 приведены зависимости обоих типов. Для облученных пленок на минимуме дозовых зависимостей получены температурные зависимости электросопротивления. Экстраполяция температурных зависимостей к нулевой температуре (Г= О К) четко демонстрирует ненулевое значение остаточной проводимости. Это однозначно доказывает металлический характер проводимости облученных пленок.

1011 109 2 ю7

сс 105 103 10'

N¡0 20 нм Е=2,5 кэВ

38 0м

10"

ю9

» д ю7 а) о

о: ю5 ю3

>30 ГОм

Та205 40 нм Е=5 кэВ

459 Ом \

б)

4x10 8x10 Доза облучения, Н*/см2

1х1019 2x10 Доза облучения, Н+/см2

Рис. 5. Дозовые зависимости электрического сопротивления пленок N¡0 (а) и Та205 (б).

Для всех восстановленных металлов величина удельного электросопротивления на минимуме дозовых зависимостей принимает значения, характерные для тонких металлических пленок в аморфном или нанокристаллическом состоянии (-10-100 мкОмсм), однако существенно превышающие табличные значения для массивных чистых металлов (табл. 3).

Большая величина абсолютных значений удельного электросопротивления, обусловлена, по-видимому, тем, что размер зерна восстановленных металлических пленок (за исключением Рг и В1) не превышает 10-20 нм. При столь малых размерах зерен вклад в электрическое сопротивление дают межзеренные границы, и основной величиной, определяющей отличие от табличных значений, оказывается размер зерна восстановленного металла.

Значения удельного электросопротивления пленок восстановленных ме-

таллов больше, чем у пленок осажденных чистых металлов такой же толщины, причем отличие максимально для тугоплавких металлов (см. табл. 3). Согласно результатам электронно-микроскопических исследований, в осажденных пленках средний размер зерна несколько больше, что и обуславливает меньшие значения удельного электросопротивления.

Таблица 3

Удельное электрическое сопротивление металлических пленок толщиной 20 нм, полученных восстановлением из оксида и осаждением чистого металла._

Металл Удельное электрическое сопротивление при 293К, мкОм-см Температура

Восстановлен- Осажденный чис- Массивный чис- плавления, К

ный металл тый металл тый металл

В1 170 120 120 544

Си 10 9 1,7 1356

№ 160 70 7,3 1726

Со 80 62 6,1 1765

Бе 140 - 9,7 1811

Р1 14 - 10,7 2045

№ 700 - 16,2 2741

Мо 250 65 5,6 2893

Та 400 - 14,1 3269

650 133 5,5 3693

Примечание. Относительная погрешность определения удельного электрического сопротивления восстановленных металлов не превышает 30%.

Влияние протонного облучения на магнитные свойства. Оксиды ферромагнитных металлов (Бе, Со, №) в исходном состоянии не обладают спонтанным магнитным моментом. Для этих материалов дозовые зависимости намагниченности насыщения ведут себя похожим образом: М, монотонно возрастает с увеличением дозы облучения, достигая максимального значения. Установлено, что для пленок достаточно малой толщины (<100 нм в случае Со304) максимум на дозовой зависимости отвечает намагниченности насыщения чистого металла, который образуется при полном удалении атомов кислорода из соответствующего оксида. В этом случае толщина облученной пленки <1 принимает минимальное значение и определяется формулой { 1-5), где Б -толщина пленки исходного оксида, 5 - усадка, а численное значение намагниченности насыщения равно табличному значению для массивного чистого металла.

При изучении магнитных свойств образцов, закрытых сверху дополнительным слоем 8102, обнаружено, что коэрцитивная сила восстановленных металлов сильно зависит от его наличия. В случае, если на поверхности пленки С03О4 толщиной 80 нм присутствует слой 5Ю2 толщиной 5 нм, коэрцитивная

сила восстановленного Со возрастает до 370 Э* по сравнению со 150 Э для открытой пленки.

Причина такого значительного увеличения коэрцитивной силы не вполне ясна. Отметим лишь, что коэрцитивная сила ферромагнетика является структурно-чувствительной характеристикой и может зависеть как от среднего размера зерна в пленке, так и ряда других факторов.

Создание магнитной анизотропии и повышение коэффициента пря-моугольности пленок восстановленного Со. Для проверки возможности управления магнитными свойствами выполнены эксперименты по облучению пленок С03О4, находящихся в процессе облучения на упругодеформированных подложках из полиимида. Показано, что восстановление металла на упругоде-формированной подложке позволяет получать пленки с наведенной магнитной анизотропией. На рис. 6, а приведены типичные кривые магнитного гистерезиса, полученные на подложке, упругодеформированной в процессе облучения. Установлено, что вдоль направления деформации направлена ось трудного намагничивания, а в перпендикулярном направлении - ось легкого намагничивания. Обращают на себя внимание высокие значения коэффициента прямоугольное™ s=MJMs для направления легкого намагничивания: 5=0,95-0,9/.

Упругая деформация 10%

------- Вдоль деформации

- Поперек деформации

Деформация 15%

------- Вдоль деформации

- Поперек деформации

-1 ........

-4000 -2000

£J

а)

0 2000 4000

н, э

б)

-4000 -2000 0 2000 4000

н, э

Рис. 6. Кривые магнитного гистерезиса для пленки Со, полученной восстановлением из С03О4 толщиной 40 нм: а - деформация (упругая) подложки в процессе облучения равна 10%, в направлении, перпендикулярном деформации, Яс=450 Э, 5=0,96; б - деформация (упругая+пластическая) подложки в процессе облучения равна 15%, в направлении, перпендикулярном деформации, Нс=460 Э, 5=0,8.

Установлено, что определяющим для получения материала с высоким значением 5 является упругая деформация подложки в процессе облучения. В том случае, когда в процессе облучения подложка была деформирована не только упруго, но и пластически, значения коэффициента прямоугольности оказывались заметно ниже. На рис. 6, б приведена типичная кривая гистерезиса для случая, когда в процессе облучения подложка деформировалась пластически. В этом случае значения коэффициента прямоугольности уменьшаются до

* 1 Э = 79,6 Ми

5=0,8, хотя Нс вдоль оси легкого намагничивания оказывается почти независящей от величины деформации подложки в диапазоне деформаций от 2 до 15%.

Влияние температуры облучения на скорость процессов восстановления. Для изучения влияния температуры облучения на скорость восстановления металлов получены дозовые зависимости электрических и магнитных свойств в диапазоне температур 300-500 К (эксперименты проведены совместно с к.ф.-м.н. Приходько К.Е.). Установлено, что, независимо от типа дозовой зависимости электросопротивления (функция с максимумом или монотонно убывающая функция), с повышением температуры облучения монотонно увеличивается скорость восстановления металла из оксида. В частности, достижение минимального значения электросопротивления достигается при меньших дозах.

Определение скорости восстановления при помощи измерения электрического сопротивления имеет недостаток, поскольку не позволяет точно определить минимально необходимую дозу для реализации полного превращения в пленке на всю толщину. Это обусловлено гатанарной схемой электрических измерений, в которой слои материала, в которых прошло восстановление металла, имеют высокую электрическую проводимость и шунтируют остальной материал.

Более точным является построение дозовой зависимости намагниченности насыщения, поскольку в этом случае сигнал регистрируется от всего объема пленки. На рис. 7 показаны дозовые зависимости намагниченности насыщения пленок С03О4 при двух различных температурах облучения. На рис. 7 по оси ординат отложено отношение Ми где М- намагниченность насыщения пленки после облучения в течение времени г, а - максимальное значение намагниченности, соответствующее удалению кислорода из всего объема пленки. Как видно из рис. 7, в случае облучения при температуре Г=500 К, достижение максимального значения намагниченности происходит при дозе в ~3 раза меньшей, чем при комнатной температуре. С другой стороны, анализ начальных участков дозовых зависимостей намагниченности также свидетельствует о том, что скорость роста намагниченности (тангенс угла наклона начального участка кривой) при облучении при 500 К в ~3 раза больше. Это позволяет утверждать, что для С03О4 увеличение температуры облучения на 200 К приводит к увеличению скорости восстановления в ~3 раза.

М-А

зоок! облучении протонами с энергией А 500 К кэ® и различных температурах

Рис. 7. Дозовые зависимости изменения намагниченности насыщения пленок С03О4 толщиной 80 нм при

облучения.

0 1 2 3 4 5 6 Время облучения 1, час

Факторы, способствующие удалению кислорода из оксидов металлов. Создание полной модели селективного удаления атомов кислорода под действием протонного облучения представляет сложную задачу, поскольку необходимо учитывать большое число различных факторов. Качественно можно отметить следующее. Представляется, что атомы (ионы) кислорода смещаются из исходных (равновесных) положений значительно более эффективно, чем атомы металла, как из-за большей переданной им энергии, так и из-за большей длины пробега в материале. Выбитые атомы кислорода диффундируют на сток, которым является свободная верхняя поверхность оксида или межфазовая граница раздела верхнего слоя и оксида. Достигнув поверхности, кислород удаляется из материала. Другими словами, удаление кислорода происходит не только за счет первичных процессов (выбивания), но и за счет вторичных процессов - радиа-ционно-ускоренной диффузии удаляемых атомов. Большая толщина (десятки нанометров) восстановленного металлического слоя обусловлена большим пробегом протонов в материале с энергией, достаточной для смещения атомов кислорода из равновесных положений.

В работе показано, что увеличение температуры на 200 К по сравнению с комнатной увеличивает скорость превращения по меньшей мере в 3 раза. Поскольку в этом диапазоне температур собственно смещения атомов из равновесных положений слабо зависят от температуры, это также указывает на определяющую роль диффузионных процессов.

Несмотря на то, что для некоторых материалов могут иметь место и эффекты химического восстановления, можно полагать, что в своей основе удаление кислорода под облучением имеет радиационную природу. На это указывают:

- пороговый характер процессов восстановления (при энергии протонов -400 эВ и менее скорость изменения электропроводности и магнитных свойств резко падает);

- наблюдавшееся в работе восстановление Ре20з и \УОз при облучении ионами Не+ с энергией 1 кэВ, когда механизмы химического восстановления отсутствуют.

В работе предложено оценивать способность металла к восстановлению из соответствующего оксида по величине стандартной энергии Гиббса образования оксида (АО/), взятой с обратным знаком: чем меньше эта величина, тем легче восстановить металл. На основании анализа экспериментальных результатов подтверждена правомочность такого критерия.

В четвертой главе рассмотрен способ изготовления металлических структур заданной геометрии, основанный на локальном восстановлении металлов, и приведены результаты по определению геометрических и магнитных свойств структур, изготовленных этим способом.

Изготовление металлических структур заданной геометрии. Создание металлического рисунка на подложке включало следующие этапы.

1. Нанесение на подложку оксида металла необходимой толщины.

2. Создание защитной маски с помощью фото- или электронной литографии.

3. Локальное восстановление металла в окнах маски с помощью протонного

облучения.

4. Удаление (при необходимости) защитной маски и областей исходного оксида.

Для демонстрации возможностей метода изготовлены тестовые структуры, представляющие собой металлические линии из Мо шириной 0,35 мкм и толщиной 17 нм (рис. 8). Структуры создавались с помощью облучения протонами с энергией 3 кэВ до дозы 6Т018ион/см2 через защитную маску со сквозными отверстиями в форме линий шириной 0,35 мкм, изготовленную с помощью электронной литографии. После протонного облучения проводилось удаление защитной маски и участков необлученного оксида.

Рис. 8. Топографическое АСМ изображение (после удаления электронного резиста и исходного Мо03) металлического «рисунка». Ширина линий равна 0,35 мкм, высота - 17 нм.

Изучение с помощью АСМ изготовленных структур показало, что их геометрия полностью соответствует по форме и размерам рисунку, заданному маской из резиста. При этом толщина металлических элементов определяется исходной толщиной Мо03 и условиями протонного облучения.

Магнитные свойства двумерных периодических структур. Описанный способ использовался для изготовления двумерных периодических магнитных структур, образованных плоскими областями восстановленного Со прямоугольной формы. В работе изготовлены структуры, состоящие из областей размером от 12x2 мкм2 до 60x10 мкм2 и изучены магнитные свойства таких структур в зависимости от размеров и взаимного расположения индивидуальных областей.

Магнитные структуры изготавливались с помощью локального восстановления Со из С03О4 толщиной 80 нм в окнах защитной маски под воздействием облучения протонами с энергией Е=2 кэВ до дозы 5-1018 ион/см2. Сквозные отверстия в защитной маске, изготовленной с помощью фотолитографии, определяли топологию магнитных структур. В результате протонного облучения на подложке была сформирована периодическая структура прямоугольных областей из Со толщиной 30 нм.

При изучении доменной структуры отдельных областей установлено, что существует диапазон размеров магнитных областей, в котором с помощью внешнего магнитного поля, приложенного вдоль длинной стороны областей, может быть зафиксировано псевдооднодоменное (т.е. однодоменное при намагничивании во внешнем поле) состояние. Оно является стабильным: выдержка в течение 1000 часов не приводит к какому-либо изменению магнитно-силовых изображений.

Максимальный размер области, для которой было зафиксировано псевдо-однодоменное состояние, составлял - 48x8 мкм2 (Рис.9).

Для областей большего размера после намагничивания вдоль длинной стороны области все равно остаются многодоменными.

В 20 48 иП 8 2 в 48 иП

Рис.9. Топографические (сверху) и магнитно-силовые (снизу) изображения магнитных областей после намагничивания во внешнем поле вдоль длинной стороны: а - 12x2 мкм2, б - 48x8 мкм2.

Для изготовленных магнитных структур изучена зависимость коэрцитивной силы от коэффициента анизотропии формы (отношения длины области к ее ширине). Для структур, состоящих из областей одинаковой ширины, но разной длины, установлено следующее: чем больше коэффициент анизотропии формы, тем больше коэрцитивная сила структуры в направлении вдоль длинной стороны области. Вероятно, именно псевдооднодоменность является главной причиной влияния анизотропии формы на коэрцитивную силу в указанном диапазоне размеров.

Основные выводы.

1. Проведено исследование микроструктуры, химического состава, электропроводности и магнитных свойств тонких пленок оксидов металлов (Бе, Со, N1, Си, №>, Мо, Та, V/, Р1, В1) в исходном состоянии и после облучения протонами с энергией 1-5 кэВ. Установлено, что протонное облучение приводит к восстановлению металлов из соответствующих оксидов, причем толщина металлического слоя может достигать десятки нанометров. При этом восстановленные из оксидов Мо и № имеют неравновесную ГЦК структуру, характерную для этих металлов в тонкопленочном состоянии; все остальные восстановленные таким образом металлы имеют такую же кристаллическую структуру, что и соответствующие металлы в массивном состоянии.

2. Установлено, что средний размер зерна восстановленного металла зависит от температуры плавления: чем ниже температура плавления металла, тем больше средний размер зерна. Проанализирована связь между электропроводностью и средним размером зерна восстановленных металлов. Установлено, что удельное электросопротивление восстановленного металла тем больше табличного значения для этого металла в массивном состоянии, чем меньше средний размер зерна.

3. Установлено, что восстановление металлов через дополнительный верхний (относительно пучка протонов) слой из Si02, не испытывающий превращения в процессе облучения, является эффективным способом управления структурными и магнитными свойствами материалов: для Си средний размер зерна уменьшается от 14±3 нм для пленки без дополнительного слоя до 7±3 нм для пленки с верхним слоем, а коэрцитивная сила Со возрастает от 150 Э для пленки без дополнительного слоя до 370 Э для пленки с верхним слоем.

4. Отработан метод экспериментального определения объемных изменений в тонких пленках, сопровождающих процесс восстановления металлов под действием протонного облучения. Метод основан на измерении толщины исходной и облученной пленок материала и позволяет оценивать полноту восстановления металла.

5. Показано, что при протонном облучении при повышенной температуре доза, необходимая для полного восстановления металла, уменьшается, т.е. с повышением температуры облучения скорость восстановления увеличивается. Так, для Со304 скорость восстановления при Г=500 К в 3 раза превышает скорость восстановления при 74300 К.

6. Установлено, что восстановление металлов на упругодеформированной подложке позволяет получать ферромагнитные пленки с наведенной магнитной анизотропией и большой величиной коэффициента прямоугольности петли гистерезиса (£=0,96) вдоль оси легкого намагничивания.

7. Разработан способ изготовления металлических структур заданной геометрии, основанный на локальном восстановлении металлов в окнах защитной маски. Этим способом изготовлены металлические линии из Мо шириной 0,35 мкм и упорядоченные двумерные магнитные структуры, состоящие из Со областей прямоугольной формы и микронных размеров в немагнитной матрице С03О4.

8. При исследовании коэрцитивной силы упорядоченных двумерных магнитных структур и доменной структуры отдельных областей установлено, что существует диапазон размеров, в котором поведение отдельных областей можно рассматривать как псевдооднодоменное (т.е. однодоменное в намагниченном состоянии), а сами упорядоченные двумерные структуры демонстрируют зависимость коэрцитивной силы от геометрических размеров индивидуальных областей.

Основные публикации по теме диссертации.

1. Gurovich В.А., Dolgy D.I., Kuleshova Е.А., Velihov E.P., Ol'shansky E.D., Doman-tovsky A.G., Aronzon B.A., Meilihov E.Z. Controlled Transformation of Electrical, Magnetic and Optical Materials Properties by Ion Beams. // Preprint IAE-6176/11. - Moscow, 2000.-32 c.

2. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова E.A., Домантовский А.Г., Аронзон Б .А. Управляемое превращение диэлектриков в металлы под воздействием ионных пучков. // Сб. науч. трудов 2-й науч.-техн. конфер. «Электроника, микро- и наноэлектро-ника». М.: МИФИ. 2000. С. 1-12.

3. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Кулешова Е.А., Велихов Е.П., Ольшанский Е.Д., Домантовский А.Г., Аронзон Б.А, Мейлихов Е.З. Управляемая трансформация электрических, магнитных и оптических свойств материалов ионными пучками. // Успехи физических наук. 2001. Т. 171 (1). С. 105-117.

4. Gurovich В.А., Dolgy D.I., Kuleshova Е.А., Meilikhov E.Z., Domantovsky A.G., Prikhodko K.E., Maslakov K.I., Aronzon B.A., Rylkov V.V., Yakubovsky A.Yu. Selective Removal of Atoms as a New Method for Fabrication of Nanoscale Patterned Media. // Microelectronic Engineering. 2003. V. 69(2). P. 358-364.

5. Gurovich В., Domantovsky A., Maslakov K., Olshansky E., Prikhodko K. Structure Peculiarities of Metallic Films Produced by Selective Removal of Atoms. // International Conference "Micro- and nanoelectronics-2003" ICMNE-2003 Moscovv-Zvenigorod, Russia. 2003. P2-94.

6. Gurovich В., Prikhodko K., Domantovsky A., Maslakov K., Dolgy D., Olshansky E., Lunin Y. Electrical Properties of Metal Films Prepared by Selective Removal of Atoms. // International Conference "Micro- and nanoelectronics-2003" ICMNE-2003 Moscow-Zvenigorod, Russia. 2003. Pl-2.

7. Гурович Б.А., Кулешова E.A., Приходько K.E., Домантовский А.Г., Маслаков К.И. Возможность использования явления селективного удаления атомов для изготовления наноразмерных патернированных сред. // Научная сессия МИФИ-2003. Сборник научных трудов. 2003. Т. 9. С. 45-53.

8. Гурович Б.А., Домантовский А.Г., Приходько К.Е., Маслаков К.И. Образование новых полиморфных модификаций в тонких пленках тугоплавких металлов, полученных методом селективного удаления атомов. // Поверхность. Рентгеновские, син-хротронные и нейтронные исследования. 2004, Т. 10. С. 67-71.

9. Gurovich В., Kuleshova Е., Dolgy D., Prikhodko К., Domantovsky A., Maslakov К., Meilikhov Е., Yakubovsky A. Selective Removal of Atoms as Basis for Ultra-High Density Nano-Patterned Magnetic and Other Media. // in Magnetic Nanostructures, Ed. by Atkas В., Tagirov L., Mikailov F., Springer Series in Materials Sciencc, 2007. V. 94. P. 47-63.

10. Гурович Б.А., Домантовский А.Г., Маслаков К.И. Применение метода селективного удаления атомов для формирования металлического рисунка произвольной геометрии на подложке. // XIV Российский симпозиум по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел. Тезисы докладов. Черноголовка. 2005. С.78-79.

11. Domantovsky A.G., Gurovich В.A., Maslakov K.I. High-Resolution Lithography Based on Selective Removal of Atoms. // Кристаллография. Выпуск на англ. языке: Crystallography Reports. 2006. Vol. 51. (Suppl. 1). P. S196-S199.

12. Gurovich В., Prikhodko K., Domantovsky A., Kuleshova E., Olshansky E., Maslakov K., Lunin Y. Formation of conductive structures in insulate layers by selective removal of atoms technique. // In Proceedings of SPIE. V. 6260. Micro- and Nanoelectronics 2005, Ed. by K. Valiev, A. Orlikovsky. 2006. P. 626005(1-8).

13. Гурович Б.А., Кулешова Е.А., Домантовский А.Г., Маслаков К.И., Приходько К.Е. Развитие метода селективного удаления атомов применительно к изготовлению многослойных микро- и наноразмерных патернированных сред различного назначения. // Нано- и микросистемная техника. 2007. Т. 4. С. 2-10.

14. Gurovich В., Prikhodko К., Domantovsky A., Maslakov К. Emitting properties of cobalt thin films reduced from oxide by proton irradiation. // International Conference "Micro- and Nanoelectronics-2007". 2007. ICMNE-2007. Moscow-Zvenigorod, Russia. P.l.

15. Gurovich В., Prikhodko K., Kuleshova E., Domantovsky A., Maslakov K. Magnetic properties and electro-magnetic emission from pseudo-singledomain nanopatterned magnetic media. // 6th International conferences on fine particle magnetism. Rome, Italy. 2007. Book of abstracts. P. PC4.

16. Гурович Б.А., Домантовский А.Г., Маслаков К.И., Приходько К.Е. Некоторые особенности фазовых превращений, обусловленные селективным удалением атомов кислорода из оксидов металлов под действием протонного облучения. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2008. Т. 5. С. 25-29.

17. Домантовский А.Г., Маслаков К.И. Создание субмикронного металлического рисунка произвольной геометрии с использованием селективного удаления атомов кислорода из оксида молибдена. // Письма в журнал технической физики. 2008.. Т. 34(8). С. 1-5.

18. Гурович Б.А., Приходько К.Е., Кулешова Е.А., Домантовский А.Г., Маслаков К.И. Излучательные и магнитные свойства псевдооднодоменной микро- и нанопат-тернированной магнитной среды. //Прикладная физика. 2008. Т.1. С. 44-53.

19. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Велихов Е.П., Кулешова Е.А., Аронзон Б.А., Мей-лихов Е.З., Рязанцев Е.П., Рыльков В.В., Приходько К.Е., Домантовский А.Г., Штромбах Я.И., Ольшанский Е.Д. Способ получения рисунка. Патент Российской Федерации № 2129294. // Заявка № 98109497/28 от 22.05.98.

20. Гурович Б.А., Долгий Д.И., Велихов Е.П., Кулешова Е.А., Аронзон Б.А., Мей-лихов Е.З., Рязанцев Е.П., Рыльков В.В., Приходько К.Е., Домантовский А.Г., Штромбах Я.И., Ольшанский Е.Д. Способ формирования проводящей структуры. Патент Российской Федерации № 2129320. // Заявка № 98109498/25 от 22.05.98.

Подписано в печать: 18.02.2009

Заказ № 1603 Тираж -100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата технических наук, Домантовский, Александр Григорьевич

Глава 1. Изменение состава поверхностных слоев материалов под воздействием ионного облучения (литературный обзор)

Глава 2. Методы облучения и исследования

2.1. Методика получения тонких пленок оксидов металлов.

2.2. Методика протонного облучения образцов

2.3. Просвечивающая электронная микроскопия и электронография на просвет и на отражение

2.4. Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

2.5. Измерение магнитных свойств с помощью вибрационного магнитометра

2.6. Измерение электрического сопротивления

2.7. Профилометрия

2.8. Атомно-силовая и магнитно-силовая микроскопия Выводы к главе

Глава 3. Результаты исследования структуры, состава, электрических и магнитных свойств тонкопленочных оксидов металлов до и после протонного облучения

3.1. Микроструктура и состав исходных материалов

3.2. Влияние протонного облучения на структуру и состав материалов

3.3. Образование неравновесных полиморфных модификаций в тонких пленках тугоплавких металлов, полученных в результате протонного облучения оксидов

3.4. Влияние дополнительного верхнего слоя на восстановление металлов из оксидов под действием протонного облучения

3.5. Влияние протонного облучения на объемные изменения материалов

3.6. Влияние протонного облучения на электропроводность

3.7. Влияние протонного облучения на магнитные свойства

3.8. Влияние температуры на скорость процессов восстановления

3.9. Управление прямоугольностью петли магнитного гистерезиса восстановленных металлов с помощью упругой деформации подложки

3.10. Сравнительный анализ физических свойств восстановленных металлов

3.11. Факторы, способствующие удаления атомов кислорода из оксидов металлов при протонном облучении

Глава 4. Использование протонного облучения для создания структур заданной геометрии на подложке

4.1. Определение толщины защитной маски из фото- и электронного резиста

4.2. Литография высокого разрешения, основанная на селективном удалении атомов под действием протонного облучения

4.3. Использование протонного облучения для создания периодических магнитных структур

4.4. «Безмасочная» литография Выводы к главе 4 Заключение

Введение диссертация по физике, на тему "Особенности микроструктуры, электрических и магнитных свойств металлов, полученных с помощью протонного восстановления тонких пленок оксидов металлов"

Развитие науки и техники предъявляет все более жесткие требования к конструкционным и функциональным материалам, а также изделиям и устройствам, изготавливаемым из них. Это требует постоянного совершенствования старых и разработку новых, высокотехнологичных методов создания материалов и устройств. Отличительной особенностью таких методов является большая универсальность и возможность их использования для

• I решения широкого класса научно-технических задач.

К числу примеров, подтверждающих сказанное, относится комплекс методов ионно-лучевой модификации материалов, которые интенсивно развиваются в последние десятилетия, причем область их применений все время растет [1,2]. Это обусловлено рядом причин, среди которых можно выделить следующие. Во-первых, структура поверхности и поверхностных слоев материала во многих случаях оказывают определяющее влияние на свойства и характер процессов, протекающих при эксплуатации готовых изделий. Поэтому получили широкое распространение методы модифицирования поверхности, такие, как ионное и плазменное распыление поверхности, ионное перемешивание твердых тел и др., направленные на изменение структурно-фазового состояния тонкого поверхностного слоя без изменений в объеме материала.

Во-вторых, многие устройства являются структурами, в которых все функциональные слои сосредоточены в поверхностной или приповерхностной области. Классическим примером таких устройств являются современные изделия электронной техники - интегральные схемы (ИС), в которых все функциональные слои, суммарная толщина которых не превышает несколько микрон, сформированы на поверхности массивного куска монокристаллического кремния толщиной около 1 мм. При этом уже сейчас толщина отдельных рабочих слоев составляет около 1 нм [3].

Прогресс в области создания новых типов памяти, различных типов сенсоров, в том числе и биологических, функциональных изделий электроники и др. связан с разработкой технологий и методов, позволяющих создавать на подложке пространственную структуру («рисунок»), образованную областями с разным химическим составом и/или физическими свойствами. Очень важным для создания таких структур является разработка методов, позволяющих целенаправленным образом локально (на заданных участках) менять свойства материалов в тонких поверхностных слоях. Важнейшим требованием к таким методам является возможность изготовления структур заданного состава с пространственным разрешением порядка несколько нанометров (как в плоскости, так и между слоями).

Задача по созданию такого «рисунка» реализуется сейчас при изготовлении интегральных схем, в которых области высокой проводимости (металлические контакты и провода) соседствуют с областями с низкой проводимостью (изолирующие участки оксида кремния), области с проводимостью п-типа соседствуют с областями р-типа и т.д. Однако, этот «рисунок» создается с помощью многочисленных операций литографии, осаждения, травления и пр., причем, как правило, для создания участков с разной функциональной нагрузкой используются разные исходные материалы

3].

Существует принципиальная возможность создания в первоначально однородном по составу и свойствам тонком слое материала пространственного «рисунка», состоящего из областей различного химического состава и с разными физическими свойствами. Рассмотрим однородный по химическому и структурному составу слой двухкомпонентного вещества состава АВ. Если провести селективное удаление атомов сорта А на заданных участках этого слоя, в результате получится пространственный «рисунок», представляющий собой области состава В в исходной матрице АВ. Ясно, что физические свойства участков с измененным составом будут отличаться от свойств исходной матрицы.

Идея метода, позволяющего создавать пространственный «рисунок» с помощью удаления на заданных участках определенного сорта атомов из многоатомных соединений под воздействием облучения ускоренными частицами, была предложена профессором Гуровичем Б.А. в РНЦ «Курчатовский институт» [4,5]. Многочисленные эксперименты, выполненные в течение последних 10 лет коллективом под руководством профессора Гуровича Б.А., свидетельствуют о том, что с помощью облучения ускоренными частицами (ионами) можно проводить селективное удаление атомов определенного сорта, сопровождающееся радикальным изменением свойств материалов. Физическая сущность предложенного метода заключается в следующем. При облучении многоатомного материала ускоренными частицами могут быть созданы такие условия облучения (масса, энергия частиц), при которых происходят эффективные смещения и удаление из зоны облучения материала только атомов одного сорта. Селективность удаления атомов определенного сорта сохраняется и в том случае, когда энергия частиц пучка достаточна для смещения нескольких сортов атомов в многоатомных соединениях. В этом случае селективность обусловлена разными скоростями смещения разных атомов. Это подтверждается многочисленными экспериментами, в которых максимальная передаваемая энергия была заведомо больше пороговой для обоих сортов атомов в двухатомных соединениях.

Указанные эксперименты, а также анализ литературных данных, свидетельствуют о том, что для селективного удаления атомов из достаточно толстых слоев материала (десятки нанометров) могут использоваться различные ускоренные частицы, в частности, ионы (Н1; Не4} и электроны с энергией -100 кэВ [6-9]. Для изменения состава слоев толщиной десятки нанометров и создания на массивной подложке различных структур заданной геометрии использование протонов представляется наиболее интересным и перспективным в связи большими преимуществами этого типа частиц. Это обусловлено следующими обстоятельствами: Протоны являются наиболее легкими ионами, что позволяет свести к минимуму процессы физического распыления поверхностных слоев материала [10,11].

- При данной энергии, из всех ионов протоны обладают максимальным пробегом в веществе [10], что позволяет проводить радиационно-индуцированную модификацию состава и свойств достаточно толстых слоев материалов.

- По сравнению с электронами с энергией -100 кэВ, рассеяние протонов с энергией ~1 кэВ в материале значительно меньше. Это обстоятельство является важным для создания микро- и, особенно, наноструктур с высокой плотностью. Кроме того, пробег протонов в материале также значительно меньше, что облегчает задачу изготовления защитных масок при использовании протонного облучения для создания микро- и наноструктур [12].

- Водород обладает большой диффузионной подвижностью даже при комнатной температуре, поэтому может легко покидать поверхностный слой материала, не «загрязняя» его [13]. Кроме того, в настоящее время разработаны ионные источники, позволяющие проводить облучение протонами в широком диапазоне энергий, плотностей токов и доз [14].

В ходе проведенных в РНЦ «Курчатовский институт» экспериментов установлено, что для большого числа материалов можно выбрать такие условия протонного облучения, при которых происходит практически полное удаление атомов определенного сорта на всю толщину проективного пробега протонов. В частности, при облучении оксидов металлов протонами с энергией несколько кэВ атомы кислорода могут быть практически полностью удалены из слоя исходной толщины ~100нм и более. С помощью локального восстановления металлов из оксидов под действием протонного облучения созданы магнитные структуры с поверхностной плотностью элементов, превышающей 100 Гбит/дюйм и достигнуто пространственное разрешение 15 нм; на основе восстановления V/ из \\Ю3 предложен способ формирования потенциальных рельефов в полупроводниковом материале, позволяющий создавать элементы электроники наномасштабных размеров и др. [5, 15, 16].

Важно отметить, что восстановление металлов из оксидов наблюдалось и в том случае, когда протонное облучение проводилось через дополнительный верхний (относительно пучка частиц) слой. В ряде экспериментов толщина этого слоя в десятки раз превышала глубину зарождения распыленных частиц при физическом распылении и составляла —50 нм и более. Это отличает изучаемые группой профессора Гуровича Б.А. эффекты восстановления металлов под облучением от эффектов изменения состава материалов по механизму физического распыления, которое невозможно при наличии дополнительных верхних слоев.

Для эффективного использования эффекта селективного удаления кислорода под действием протонного облучения для создания различных функциональных устройств необходимо изучить особенности структуры и свойств металлов, полученных восстановлением из оксидов, а также предложить способы управления этими свойствами и методы создания микро-и наноструктур заданной геометрии.

В качестве объектов исследования в работе использованы оксиды следующих металлов: Бе, Со, №, Си, Мэ, Мо, Та, XV, Р^ В1.

Для достижения данной цели были решены следующие задачи.

2. Исследовано влияние дополнительного верхнего слоя из БЮ2 на микроструктуру и магнитные свойства восстановленных металлов.

Научная новизна диссертационной работы.

3. Впервые показано, что наличие на поверхности исходного оксида металла дополнительного слоя из 8102, не испытывающего превращений в процессе облучения, является эффективным способом управления средним размером зерна и магнитными свойствами восстановленного металла.

6. Предложен оригинальный метод создания микро- и наноструктур, позволяющий получать на подложке металлические структуры заданной геометрии.

Практическая ценность диссертационной работы.

1. Полученные данные о микроструктуре, электрических и магнитных свойствах облученных пленок оксидов металлов позволяют обоснованным образом выбирать режимы протонного облучения и толщины исходных оксидов металлов, необходимые для восстановления металлов при создании таких функциональных структур, как новые типы магнитной памяти, различные типы сенсоров и др. Например, изученные в работе магнитные свойства облученных протонами тонких пленок С03О4 позволили изготовить прототип новой сверхплотной среды для магнитной записи с плотностью >100 Гбит/дюйм2.

Таким образом, полученные результаты представляют не только научный, но и практический интерес, т.к. способствуют разработке технологии, основанной на локальном изменении химического состава и свойств тонких слоев материалов под воздействием протонного облучения.

В ходе выполнения работы получено 2 патента Российской Федерации (Приложение) и подана 1 заявка на патент.

Основные положения, выносимые на защиту. 1. Результаты воздействия протонного облучения с энергией кэВ на кристаллическую структуру, полиморфизм и размер зерна широкого круга металлов, восстановленных из соответствующих оксидов.

5. Влияние упругой деформации подложки в процессе протонного облучения на свойства ферромагнитной пленки.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 2-й научно-технической конференции «Электроника, микро- и наноэлектроника» (Суздаль, Россия, 2000); International Conference "Micro- and nanoelectronics-2003" (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2003); Научной сессии МИФИ-2003 (Москва, Россия, 2003); IV национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, Россия, 2003); XIV Российском симпозиуме по растровой электронной микроскопии и аналитическим методам исследования твердых тел (Черноголовка, Россия, 2005); International Conference "Micro- and nanoelectronics-2005" (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2005); V национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов (Москва, Россия, 2005); International Conference "Micro- and nanoelectronics-2007" (Moscow-Zvenigorod, Russia, 2007); 6th International Conferences on Fine Particle Magnetism (Rome, Italy, 2007); 18-й международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Москва-Звенигород, Россия, 2007; XIII национальной конференции по росту кристаллов (Москва, Россия, 2008).

Личный вклад. Автором лично проведены исследования с помощью просвечивающей электронной микроскопии и электронографии, статусной профилометрии, выполнены измерения магнитных свойств. Результаты исследований с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, атомно-силовой и магнитно-силовой микроскопии получены совместно с к.ф.-м.н. Маслаковым К.И. Автор принимал непосредственное участие в исследовании и интерпретации электрических свойств восстановленных металлов, а также изготовлении металлических структур заданной геометрии и исследовании их геометрических и магнитных свойств.

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 18 печатных работ, в том числе 7 статей в журналах, рекомендованных ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, приложения. Диссертация изложена на XXX листах, содержит XXX рисунка, XXX таблиц, список использованной литературы из 123 наименований.

Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"

Основные выводы.

1. Проведено исследование структуры, химического состава, электропроводности и магнитных свойств тонких пленок оксидов металлов (Бе, Со, N1, Си, N5, Мо, Та, Р1:, В1) в исходном состоянии и после облучения протонами с энергией 1-5 кэВ. Установлено, что протонное облучение приводит к восстановлению металлов из соответствующих оксидов, причем толщина металлического слоя может достигать десятки нанометров. При этом восстановленные из оксидов Мо и имеют неравновесную ГЦК структуру, характерную для этих металлов в тонкопленочном состоянии; все остальные восстановленные таким образом металлы имеют такую же кристаллическую структуру, что и соответствующие металлы в массивном состоянии.

3. Установлено, что восстановление металлов через дополнительный верхний (относительно пучка протонов) слой из 8102, не испытывающий превращения в процессе облучения, является эффективным способом управления структурными и магнитными свойствами материалов: для Си средний размер зерна уменьшается от 14±3 нм для пленки без дополнительного слоя до 7±3 нм для пленки с верхним слоем, а коэрцитивная сила Со возрастает от 150 Э для пленки без дополнительного слоя до 370 Э для пленки с верхним слоем.

4. Предложен и отработан метод экспериментального определения объемных изменений в тонких пленках, сопровождающих процесс восстановления металлов под действием протонного облучения. Метод основан на измерении толщины исходной и облученной пленок материала и позволяет оценивать полноту восстановления металла.

5. Показано, что при протонном облучении при повышенной температуре доза, необходимая для полного восстановления металла, уменьшается, т.е. с повышением температуры облучения скорость восстановления увеличивается. Так, для С03О4 скорость восстановления при 7—500 К в 3 раза превышает скорость восстановления при 7=300 К.

6. Установлено, что восстановление металлов на упругодеформированной подложке позволяет получать ферромагнитные пленки с наведенной магнитной анизотропией и большой величиной коэффициента прямоугольности петли гистерезиса (5=0,96) вдоль оси легкого намагничивания.

7. Предложен и отработан способ изготовления металлических структур заданной геометрии, основанный на локальном восстановлении металлов в окнах защитной маски. Этим способом изготовлены металлические линии из Мо шириной 0,35 мкм и упорядоченные двумерные магнитные среды, состоящие го Со областей прямоугольной формы и микронных размеров в немагнитной матрице С03О4.

8. При исследовании коэрцитивной силы упорядоченных двумерных магнитных сред и доменной структуры отдельных областей установлено, что существует диапазон размеров, в котором поведение отдельных областей молено рассматривать как псевдоодно доменное (т.е. однодоменное в намагниченном состоянии), а сами среды демонстрируют зависимость коэрцитивной силы от геометрических размеров индивидуальных областей.

Заключение

Установленные режимы протонного облучения, необходимые для восстановления металлов из тонкопленочных оксидов, изученные электрические и магнитные свойства восстановленных металлов, методы управления этими свойствами и способы создания структур заданной геометрии расширяют возможности применения облучения ускоренными частицами для создания различных функциональных устройств и структур, требующих высокого пространственного разрешения. В настоящее время принципиальной проблемой является разработка новых физико-технологических принципов и методов создания наноразмерных структур [121]. Важнейшим требованием к таким методам является необходимость изготовления структур заданного состава с пространственным разрешением порядка 1-10 нм (как в плоскости, так и между слоями). Для решения подобных задач разработка методов, основанных на изменении химического состава материалов под действием протонного облучения, представляется чрезвычайно перспективной. Это обусловлено следующими обстоятельствами:

- Поскольку толщина восстановленного слоя определяется длиной пробега ионов в материале, причем восстановление материала можно проводить через дополнительный слой, ионное облучение позволяет проводить одновременное восстановление материалов в разных слоях многослойных структур. Результатом такого облучения будет самосовмещение структур в различных слоях, которое трудно или невозможно получить при использовании методов, основанных на последовательном создании структур в разных слоях. Это позволяет перейти от последовательного к параллельному принципу изготовления многослойных наноустройств с самосовмещением требуемых элементов структуры в различных слоях. Таким образом может быть решена одна из ключевых технических проблем создания многослойных наноустройств - совмещение элементов структур в различных слоях многослойных устройств.

В виду того, что при протонном облучении можно одновременно проводить локальные изменения состава материалов в разных слоях, это позволяет, в принципе, сократить число технологических операций при формировании многослойных структур Создание различных структур с помощью ионного облучения может быть выполнено с применением широких пучков, т.е. на основе такого облучения молено разработать «параллельную» технологию, позволяющую одновременно приводить модификация не только в разных слоях, но и обрабатывать большие площади с высокой производительностью.

Учитывая вышесказанное, а также то, что для протонов с энергией порядка 1 кэВ эффекты рассеяния в облучаемом материале и физического распыления незначительны, создание многослойных структур с помощью протонного облучения возможно не только для лабораторного, но и для промышленного применения.

Результаты данной работы могут служить двум целям. С одной стороны, установленные в работе условия протонного облучения, необходимые для восстановления металлов из оксидов, позволяют обоснованным образом выбирать режимы протонного облучения, толщины исходных оксидов металлов и вспомогательных слоев и пр., необходимые для создания тех или иных устройств или структур с заданными физическими свойствами. С другой стороны, полученные знания о свойствах восстановленных металлов, позволяют использовать эти данные для моделирования или предсказания рабочих характеристик тех или иных функциональных элементов, изготовленных при помощи локального восстановления металлов под действием протонного облучения.

В дальнейшем, представляется целесообразным продолжить работы, направленные на развитие методов, основанных на локальном изменении химического состава материалов при облучении легкими ионами. В частности, для промышленного использования подобных методов необходимо отработать способы повышения производительности (т.е. скорости восстановления), расширить ряд материалов, которые могут быть использованы для изготовления различных микро- и наноструктур и пр. Решение этих и подобных задач целесообразно проводить с привлечением современных аналитических методов, позволяющих получать количественную информацию с высоким пространственным разрешением. В первую очередь, речь идет о высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии, сканирующей Оже-микроскопии, вторичной ионной масс-спектрометрии. Использование этих методов позволит лучше понять особенности изменения химического состава материалов при облучении, что необходимо для разработки высокоэффективных методов создания функциональных микро- и наноструктур, основанных на локальном изменении химического состава материалов при облучении легкими ионами.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю профессору, д.т.н. Гуровичу Б.А., а также сотрудникам лаборатории электронной микроскопии д.т.н. Кулешовой Е.А., к.ф.-м.н. Приходько К.Е., Невзорову В.Н., Горшкову А.Г. и сотрудникам отдела тонкопленочных технологий Долгому Д.И., к.т.н. Столярову В.Л., Ольшанскому Е.Д., Пчельникову А.М., Мись-ко В.Н., Шипихину В.Н., Беликовой Н.К., к.ф.-м.н. Маслакову К.И. за ценные замечания и помощь в проведении данной работы.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Домантовский, Александр Григорьевич, Москва

1. Модифицирование и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками. Под ред. Дж.М. Поута, Г. Фоти, Д.К. Джекобсона. Пер. с англ., М., Машиностроение, 1987, 424 с.

2. Козловский В. В., Козлов В.А, Ломасов В.Н. Модифицирование полупроводников пучками протонов. // Физика и техника полупроводников. 2000. Т. 34 (2). С. 129-147.

3. Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology, Second Edition, Edited by Robert Eioering and Yoshio Nishi, 2007, CRC Press, 1720 p.

4. Mankiewich P.M., Craighead Н. G., Harrison Т. R., Dayen A.H. High resolution electron beam lithography on CaF2. // Applied Physics Letters. 1984. V. 44 P.468-471.

5. Chen G.S:, Boothroyd C.B., Humphreys C.J. Electron-beam induced crystallization transition in self-developing amorphous A1F3 resists. // Applied Physics Letters. 1996. V. 69 (2). P. 170-172.

6. Du X., Takeguchi M., Tanaka M:, Furuya K. Formation of crystalline Si nano-dots in Si02 films by electron irradiation. // Applied Physics Letters. 2003. V. 82(7). P. 1108-1110.

7. Приходько K.E. Твердотельные превращения оксида висмута под действием электронного облучения. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационных явлений. 2002. Т.83 (3). С.36-40.

8. Плешивцев Н.В., Бажин А.И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. М.: Вузовская книга, 1998, 392 с.

9. Физика радиационных явлений и радиационное материаловедение. Под ред. Паршина А.М., Неклюдова И.М., Камышанченко Н.В. .М-СПб.-Белгород: Издательство БГУ, 1998, 378 с.

10. Валиев К.А. Физика субмикронной литографии. М.: Наука, главная редакция физико-математической литературы, 1990, 528 с.

11. Гапонцев А. В., Кондратьев В.В. Диффузия водорода в неупорядоченных металлах и сплавах. //Успехи физических наук. 2003. Т. 173 (10). С. 1107-1129.

12. Маишев Ю.П. Источники ионов и ионнолучевое оборудование для нанесения и травления материалов. // Вакуумная техника и технология. 1992. Т.2 (4). С. 53-58.

13. Зигмунд П. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Под ред. Р. Бериша. М.: Мир, 1984, Т.1, С. 23-98.

14. Козлов В.А., Козловский В.В. Легирование полупроводников радиационными дефектами при облучении протонами и а-частицами. // Физика и техника полупроводников. 2001. Т.35(7). С.769-795.

15. Фундаментальные и прикладные аспекты распыления твердых тел: Сб. статей 1986-1987 гг.: Пер. с англ., сост. Е.С. Машкова. М.: Мир, 1989, 349 с.

16. Основы аналитической электронной микроскопии. Под ред. Гренг Дж., Голыитейна Дж. И., Джоя Д.К., А.Д. Ромига. М.: Металлургия, 1990, 584 е.;!

17. Дедков Г. В. Межатомные потенциалы взаимодействия в радиационной физике. //Успехи физических наук. 1995. Т. 168(8), С. 919-953.

18. Фальконе Д. Теория распыления. // Успехи физических наук. 1992. Т. 162 (1). С. 71-117.

19. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии: Пер. с англ. М.: Мир, 1985, 496 с.

20. Franconi Е., Ferro С. Behavior of low-Z coatings and structural materials under light ions irradiation. // Journal of Nuclear Materials. 1984. V. 128&129 P. 929933.

21. Tanaka H., Saiki K., Otani S., Koma A, Tanaka S. Surface composition change of TiC under 0.15-3 keV hydrogen ion bombardment. // Journal of Nuclear Materials, 1983. V. 116 P. 317-320.

22. Saiki K., Tanaka H., Tanaka S. Surface composition change of TiC and SiC under hydrogen ion bombardment. // Journal of Nuclear Materials. 1984. V. 128/129 P. 744-748.

23. Varga P., Taglauer E. Preferential sputtering of compounds due to light ion bombardment. //Journal of Nuclear Materials. 1981. V. 111/112. P. 726-731.

24. Taglauer E. Surface modification due to preferential sputtering. // Applications Surface Science. 1982. V. 13. P. 80-93.

25. Varga P., Taglauer E. Depth profiling of the altered layer in ТагС^ produced by sputtering with He ions. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 1984. V.2. P. 800-803.

26. Baretzky В., Moller W., Taglauer E. Collisional processes in preferential sputtering of tantalum oxide. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 1987. 1984. V.18. P. 496-500.

27. H. Plank, W. Eckstein. Preferential sputtering of carbides under deuterium irradiation a comparison between experiment and computer simulation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research В 124 (1997) 23-30.

28. Kim K.S., Baitinger W.E., Winograd N. X-ray photoelectron spectroscopic studies of PbO surfaces bombarded with He', Ne+, Ar+' Xe+ and Kr+. // Surface Science. 1976. V. 55 P. 285-290.

29. Kim K.S., Baitinger W.E., Amy J.M., Winograd N. ESCA studies of metal-oxyden surfaces using argon and oxygen ion-bombardment. // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1974. V. 5. P. 351-367.

30. Malherbe J.B., Hofmann S., Sanz J.M. Preferential sputtering of oxides: a comparison of model predictions with experimental data. // Applied Surface Science. 1986. V. 27. P.355-365.

31. Рабинович В. А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. М.: Химия, 1978, 392 с.

32. Гурович Б.А., Приходько К.Е., Кулешова Е.А., Домантовский А.Г., Мас-лаков К. И. Излучательные и магнитные свойства псевдоодно доменной микро-и нанопаттернированной магнитной среды. // Прикладная физика. 2008. Т.1. С. 44-53.

33. Технология тонких пленок (справочник). Под ред. JI. Майссела, Р. Глэнга. Нью-Йорк, 1970. Пер. с англ, под ред. М. И. Елинсона, Г. Г. Смолко. Т. 1. М., «Сов. радио», 1977, 664 с.

34. Долгий Д.И., Ольшанский Е.Д., Рязанцев Е.П. Получение алмазоподоб-ных пленок и их применение. // Конверсия в машиностроении. 1999. Т.3-4. С. 119-122.

35. Габович М.Д. Физика и техника плазменных источников ионов. М.: Атомиздат, 1972 , 304 с.

36. Томас Г., Гориндж М. Дж. Просвечивающая электронная микроскопия металлов: М.: Наука, 1983, 320 с.

37. Утевский J1.M. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М.: Металлургия, 1973, 584 с.

38. Вайнштейн Б.К. Структурная электронография М.: Изд-во АН СССР, 1956, 306 с.

39. Powder diffraction files. Inorganic // Published by the JCPDS-Intemational Center for Difraction Data.-Pennsylvania, 1998.

40. Пинскер 3. Г. Дифракция электронов. М. JI.: Изд-во АН СССР. 1949. 404 с.

41. Зигбан К., Нордлинг К., Фальман А., Нордберг К., Хамрин К., Хедман Я., Иоханссон Г., Бергмарк Т., Карлсон С., Лингрен И., Линдберг Б. Электронная спектроскопия. М.: Мир, 1971. 493 с.

42. NIST Standard Reference Database 20, Version 3.4 (Web Version). Data compiled and evaluated by Charles D. Wagner, Alexander V. Naumkin, Anna Kraut-Vass, Juanita W. Allison, Cedric J. Powell, and John R. Rumble, Jr.

43. Чичерников В.И. Магнитные измерения. M., Изд-во МГУ, 1969. 387 с.

44. Bennett J. М. Recent developments in surface roughness characterization. // Measurement Science and Technology. 1992. V. 3. P. 1119-1127.

45. Bennett J. M., Mattsson L. Introduction to surface roughness and scattering. Optical Society of America, Washington, D.C.,1999, 130 p.

46. Миронов В.JI. Основы сканирующей зондовой микроскопии. М.: Техносфера, 2004, 144с.

47. Fleisch Т.Н., Mains G.I. An XPS study of the UV reduction and photochrom-ism of M0O3 and W03. // Journal of Chemical Physics. 1982. V. 76(2). P. 780-786.

48. Jiménez V.M., Fernández A., Espinos J.P., González-Elipe A.R. The state of the oxygen at the surface of polycrystalline cobalt oxide. // Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 1995. V. 71(1). P. 61-71.

49. Abe Y., Yanagisawa., Sasaki K. Preparation of oxyden-containing Pt and Pt oxide thin films by reactive sputtering and their characterization. // Japanese Journal of Applied Physics. 1998.V. 37. P. 4482-4486.

50. Гурович Б.А., Домантовский А.Г., Приходько K.E., Маслаков К.И. Образование новых полиморфных модификаций в тонких пленках тугоплавких металлов, полученных методом селективного удаления атомов. // Поверхность. 2004. Т. 10. С. 67-71.

51. Петров В.И., Спивак Г.В., Павлюченко О.П. Электронная микроскопия магнитной структуры тонких пленок. // Успехи физических наук. 1972. Т. 106(2). С. 229-278.

52. Uhlenbrock St., Scharfschwerdt C., Neumann M., Illing G., Freund H.-J. The influence of defects on the Ni 2p and О Is XPS of NiO. // Journal of Physics: Condensed Matters. 1992. V. 4(40). P. 7973-7978.

53. Комник Ю.Ф. Физика металлических- пленок. М.: Атомиздат, 1979. 264 с.

54. Шаскольская М.П. Кристаллография. М., «Высшая школа», 1976, 391 с.

55. Chopra K.L., Randlett M.R., Duff R.N. Face-centered cubic modification in sputtered films of tantalum, molybdenum, tungsten, rhenium, hafnium and zirconium. //Philosophical Magazine. 1967. V. 16(140). P. 261-277.

56. Chopra K.L., Randlett M.R., DufFR.N. Face-centered cubic tungsten films obtained by sputtering. // Applied Physycs Letters. 1966. V. 9(11). P. 402-404.

57. Гурович Б.А., Домантовский А.Г., Маслаков К.И., Приходько К.Е. Некоторые особенности фазовых превращений, обусловленные селективным удалением атомов кислорода из оксидов металлов под действием протонного облучения. // Поверхность. 2008. Т. 5. С. 25-29.

58. Тейлор Дж. Ведение в теорию ошибок. М.:Мир, 1985, 272 с.

59. Аронзон Б.А., Грановский А.Б., Николаев С.Н., Ковалев Д.Ю., Перов Н.С., Рыльков В.В. Особенности эффекта Холла в двухслойных пленках Сг/Со. // Физика твердого тела. 2004. Т. 46(8). С. 1441-1445.

60. Физические величины: Справочник. Под. ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова. М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

61. Reiss G., Hastreiter E., Briickl H., Vancea J. Thickness-dependent thin-film resistivity: Application of quantitative scanning-tunneling-microscopy imaging. // Physical Review B. 1991. V. 43. P. 5176 5179.

62. Антонец И.В., Котов JI.H., Некипелов C.B., Голубев Е.А.Особенности наноструктуры и удельной проводимости тонких пленок различных металлов. // Журнал технической физики. 2004. Т. 74 (3). С. 24-27.

63. Антонец И.В., Котов JI.H., Некипелов С.В., Карпушов Е.Н. Проводящие и отражающие свойства тонких металлических пленок. // Журнал технической физики. 2004. Т. 74 (11). С. 102-106.

64. Shklovskii B.I., Efros A.L. Electronic Properties of Doped Semiconductors, Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1984, 388 P.

65. Millner A., Gerber A., Goisman В., Karpovky M., Gladkikh A. Spin-dependent electronic transport in granular ferromagnets. // Physical Review Letters. 1996. V. 76. P. 475-478.

66. Aronzon B.A, Likalter A.A., Ryl'kov V.V., Sarychev A.K., Sedova M.A., Var-folomeev A.M. Studies of magnetoresistance and Hall effect in insulating Fe/SiOa granular films. // Physica Status Solidi (b). 1998. V. 205. P. 151-155.

67. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.

68. Палатник Л.С., Сорокин В.К. Материаловедение в микроэлектронике. — М.: Энергия. 1977.-280 с.

69. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М., Высшая школа. 1991. 384 с.

70. Преображенский А.А., Бишард Е. Г. Магнитные материалы и элементы. М.: Высшая школа, 1986, 352 с.

71. Боровик Е.С., Еременко В.В., Мильнер А.С. Лекции по магнетизму. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005, 512 с.

72. Вонсовский С.В. Магнетизм. М. Наука 1971г. 1032с.

73. Гусев С.А., Ноздрин Ю.Н., Розенштейн Д.Б., Целев A.A. Влияние термического отжига на магнитные свойства тонких пленок сплава Co-Pd. // Журнал технической физики. 1998. Т. 68(4). С. 66-70.

74. Gurovich В., Prikhodko К., Domantovsky A., Maslakov К. Emitting properties of cobalt thin films reduced from oxide by proton irradiation. // International Conference "Micro- and nanoelectronics-2007". 2007. ICMNE-2007. Moscow-Zvenigorod, Russia. P. 1

75. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980, 320 с.

76. Журавлев Л.Г., Филатов В.И. Физические методы исследования металлов и сплавов. Челябинск. Издательство ЮУрГУ, 2004. 165 с.

77. Risch L. Pushing CMOS beyond the roadmap. // Solid-State Electronics. 2006. V. 50(4). P. 527-535.

78. Steinhögl W., Schindler G., Steinlesberger G., Engelhardt M. Size-dependent resistivity of metallic wires in the mesoscopic range.// Physical Review B. 2002. V.66. P.075414-075417.

79. Steinlesberger G., Engelhardta M., Schindlern G., Steinhögla W., Electrical assessment of copper damascene interconnects down to sub-50 nm feature sizes. // Microelectronic Engineering. 2002. V. 64. P. 409-416.

80. Steinhoegl W., Schindler G., Steinlesberger G., Traving M., Engelhardt M. Comprehensive Study of Copper Wires With Lateral Dimensions of 100 nm and Smaller. // Journal of Applied Physics. 2005. V. 97. P. 023706.

81. Kuan T. S., Inoki С. K., Oehrlein G. S., Rose K., Zhao Y. -P, Wang G. -C., Rossnagel S. M., Cabral C. Fabrication and performance limits of sub-0.1 micrometer Cu interconnects. // Mat. Res. Soc. Symp. Proc. 2000. V. 612. P. D7.1.1.

82. Пичугин В.Ф., Франгульян Т.С. Действие ионного облучения на структуру и свойства оксидных диэлектриков. // Перспективные материалы. 2000. Т.6. С.26-35.

83. Пичугин В.Ф., Франгульян Т.С. Резонанс в эффективности формирования проводящего состояния кристаллического кварца ионной бомбардировкой. // Письма в Журнал Технической Физики. 2000. Т. 26(19). С.24-29.

84. Kabyshev А. V., Konusov F. V., Kurakov A. G., Lopatin V. V. Properties of oxide and nitride ceramics after ion-heat modification. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B. 1993. V. 166-167. P.92-97.

85. Gurovich B. A., Prikhodko К. E. Investigation of dose-temperature dependencies of graphite dimensional and lattice parameters changes under electron irradiation. Radiation Effects and Defects in Solids. 2001. V. 154(1). P.39-60.

86. Saile B. The Temperature Dependence of the Effective Threshold Energy for Atom Displacement in Tantalum. // Physica Status Solidi (a). 1985. V. 89(2). P. K143-K145.

87. Pells G. P. The temperature dependence of the threshold displacement energy in MgO. // Radiation Effects and Defects in Solids. 1982. V. 64(1-4). P.71-75.

88. Моро У. Микролитография. В 2-х ч.: Пер. с англ. М.: Мир, 1990, 1240 с.

89. Levinson H.J. Principles of Lithography. SPIE Press Monograph Vol. PM146, 2005, 438 p.

90. Jeyakumar A. Development of Inorganic Resists for Electron Beam Lithography: Novel Materials and Simulations. Диссертация на степень Doctor of Philosophy, School of Chemical & Biomolecular Engineering, Georgia Institute of Technology, 2004.

91. Bogdanov A., Holmqvist T., Jedrasik P., Nilssen B. Dual pass electron beam writing of bit arrays with sub-100 nm bits on imprint lithography masters for patterned media production. // Microelectronic Engineering. 2003. V. 67-68. P. 381— 389.

92. Word M. J., Adesida I., Berger P. R. Nanometer-period gratings in hydrogen silsesquioxane fabricated by electron beam lithography. // Journal of Vacuum Science and Technology B. 2003. V. 21(6). P. L12-L15.

93. Ishii Т., MurataY., Shigehara K. Contrast enhancement of ZEP520 resist by fullerene-derivative incorporation. // Japan Journal of Applied Physics. 2001. V. 40. P. L478-L480.

94. Handbook of Microlithography, Micro machining, and Microfabrication. Volume 1: Microlithography. Editor P. Rai-Choudhury, V. PM39. SPIE Press, 1997. 7761. P

95. Domantovsky A.G., Gurovich В.A., Maslakov K.I. High-Resolution Lithography Based on Selective Removal of Atoms. // Crystallography Reports. 2006. Vol. 51. (Suppl. 1). P. S196-S199.

96. Домантовский А.Г., Маслаков К.И. Создание субмикронного металлического рисунка произвольной геометрии с использованием селективного удаления атомов кислорода из оксида молибдена. // Письма в журнал технической физики. 2008. Т. 34 (8). С. 1-5.

97. Иевлев В.М., Трусов Л.И., Холмянский В.А. Структурные превращения в тонких пленках. М.: Металлургия, 1982, 248 с.

98. Shalyguina E.E., Kyung-Ho Shin, Abrosimova N.M. Size dependence of magnetic properties of permalloy. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2002. V. 239. P. 252-254.

99. Liou S.H., Sabiryanov R.F., Jaswal S.S., Wu J.C., YaoY.D. Magnetic domain patterns of rectangular and elliptic arrays of small permalloy elements. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2001. V. 226-230. P. 1270-1272.

100. Cowburn R.P., Koltsov D.K., Adeyeye A.O., Welland M.E., Tricker D.M. Single-Domain Circular Nanomagnets. // Physical Review Letters. 1999. V. 83. P. 10421044.

101. Martin J.I., Nogules J., Kai Liu, Vicent J.L., Schuller Ivan K. Ordered magnetic nanostructures: fabrication and properties. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2003. V. 256. P. 449-501.

102. New R.M.H., Pease R.W.F., White R.L. Lithographically patterned singledomain cobalt islands for high-density magnetic recording. // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1996. V.155. P. 140-145.

103. Ross C. A., Haratani S., Castano F. J., Hao Y., Vogeli В., Farhoud M„ Walsh M., Smith H. I. Magnetic behavior of lithographically patterned particle arrays. // Journal of Applied Physics. 2002. V. 91 (10). P. 6848-6853.

104. Стенин В.Я. Анализ структур наноразмерных электронных приборов. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сб. научных трудов. М.: МИФИ, 2000. -228 с.