エアロゾルデポジション法を用いて厚い高密度イットリウム鉄ガーネット膜の形成

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

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

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

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

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

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

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

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

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