$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Osadzanie aerozolowe (AD) to proces osadzania grubych warstw, który pozwala na wytwarzanie powłok o grubości do kilkuset mikrometrów o gęstości przekraczającej 95% gęstości materiału litego1. Przyjmuje się, że proces osadzania zachodzi poprzez ciągły cykl uderzeń, pękania lub deformacji, adhezji oraz zagęszczania cząstek. Rycina 1 przedstawia ten proces jako serię etapów, ukazując uderzenia cząstek i ich zagęszczanie w kilku krokach. Jak pokazano, cząstki poruszają się w kierunku podłoża z typową prędkością 100–500 m/sec. W momencie uderzenia pierwszych cząstek o podłoże, ulegają one pękaniu i przylegają do niego. Ta warstwa kotwicząca zapewnia adhezję mechaniczną pomiędzy podłożem a główną warstwą filmu. W miarę kolejnych uderzeń, znajdujące się poniżej cząstki są coraz bardziej rozdrabniane, przylegają do siebie i ulegają dalszemu zagęszczeniu. Ten proces ciągłego uderzania, pękania i zagęszczania prowadzi do zagęszczenia warstwy podlegającej procesowi, wiązania krystalitów i wytworzenia filmu o gęstości przekraczającej 95% gęstości materiału litego.

Rysunek 1. Ilustracja procesu osadzania. Panel A przedstawia trzy cząstki poruszające się w stronę podłoża z typową prędkością 100–500 m/sec. Panel B przedstawia wynik uderzenia, pęknięcia i adhezji pierwszej cząstki. Panele C i D pokazują kolejne uderzenia drugiej i trzeciej cząstki, które dodatkowo zagęszczają podległą warstwę i wiążą krystality. Wynikiem jest warstwa o gęstości przekraczającej 95% materiału objętościowego (reprodukowano za zgodą z Referencji 19). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.
Główną zaletą AD jest to, że osadzanie odbywa się całkowicie w temperaturze pokojowej (RT), co umożliwia wzrost filmu, na przykład materiału o wysokiej temperaturze topnienia (proszku wyjściowego), na podłożu o niskiej temperaturze topnienia. Szybkość osadzania może wynosić do kilku mikrometrów na minutę i proces ten jest przeprowadzany w warunkach umiarkowanej próżni od 1–20 Torr w komorze osadzania. Proces ten wykazuje zdolność do skalowania do bardzo dużych powierzchni osadzania i wreszcie umożliwia konformalne osadzanie.2
Metodą AD bada się wiele systemów materiałowych do szerokiego wachlarza zastosowań, takich jak dławiki3, powłoki odporne na ścieranie4, piezoelektryki5, multiferroiki6, magnetoelektryki7, termistory8, cienkie warstwy termoelektryczne9, elastyczne dielektryki10, implanty twardych tkanek i bioceramika11, elektrolity stałe12 oraz fotokatalizatory13. W przypadku zastosowań w urządzeniach mikrofalowych wymagane są warstwy magnetyczne o grubości kilkuset mikrometrów, które idealnie byłoby zintegrować bezpośrednio z elementami płytki drukowanej. Wyzwaniem w realizacji tej integracji jest zakres wysokich temperatur niezbędny do wytwarzania warstw ferrytów (patrz przegląd Harris et al.14), takich jak granat itrowo-żelazowy (YIG). Z tego powodu AD wydaje się być naturalnym wyborem dla realizacji potencjalnych nowych postępów w technologii magnetycznych układów scalonych. Niskie koszty eksploatacji, wysoka szybkość osadzania i prostota AD wzbudziły zainteresowanie badaczy w Niemczech, Francji, Japonii, Korei, a obecnie także w Stanach Zjednoczonych.
Rycina 2 przedstawia schemat podstawowej konfiguracji do przeprowadzania depozycji aerozolu. Ciśnienie jest monitorowane w miejscach oznaczonych jako PAC, PDC oraz PH, odpowiednio dla komory aerozolu, komory depozycyjnej i głowicy pompy. Przepływ gazu, kontrolowany przez regulator przepływu masowego (MFC), wprowadzany jest do komory aerozolu, gdzie dochodzi do aerozolizacji proszku. Komora depozycyjna jest odpompowywana w celu wytworzenia różnicy ciśnień między obiema komorami, co wymusza przepływ cząstek przez prostokątny otwór dyszy (0,4 mm x 4,8 mm).

Rysunek 2. Główne komponenty systemu NRL ADM. Ciśnienie jest monitorowane w miejscach oznaczonych jako PAC, PDC i PH odpowiednio dla komory aerozolowej, komory osadzania i głowicy pompy. Szczegóły znajdują się w tekście. (copyright (2014) The Japan Society of Applied Physics, przedrukowano z referencji 20). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Średnia wielkość pojedynczej cząstki YIG w niniejszej pracy wynosi 0,5 µm. Efekt aglomeracji powoduje, że małe cząstki te tworzą znacznie większe aglomeraty o rozmiarach od około 10 µm do około 400 µm. Kontrola wielkości aglomeratów oraz szybkości ich dostarczania jest kluczowa dla uzyskania gęstej, dobrze uformowanej warstwy. Wymaga to konfiguracji komory aerozolu, która umożliwia selekcję rozmiaru i jednolity strumień cząstek do komory osadzania. Przed załadowaniem do komory aerozolu proszek jest przesiewany w celu usunięcia aglomeratów większych niż 53 µm. Konfiguracja komory aerozolu zastosowana w tej pracy przedstawiona jest na Rysunku 3. Gaz azotowy wprowadzany jest przez cztery dysze wlotowe (dwie pokazano na Rysunku 3) znajdujące się w dolnych częściach bocznych komory. Gaz wchodzi w interakcję z proszkiem YIG (zaznaczonym na zielono), tworząc aerozol składający się z rozkładu wielkości aglomeratów mniejszych niż 53 µm. Mieszadło u podstawy komory aerozolu, wykonane z płyty ze stali nierdzewnej, jest poddawane ciągłym wibracjom, aby utrzymać ruch proszku w stronę strumienia gazu. Aglomeraty uderzają w filtr o oczkach 45 µm, co pozwala na przedostanie się do wlotu dyszy tylko aglomeratom o rozmiarze mniejszym niż 45 µm. Po wejściu do wlotu dyszy aglomeraty są przyspieszane do dużej prędkości i wyrzucane do komory osadzania (nie pokazano), aby przeprowadzić proces osadzania. Pręt ze stali nierdzewnej łączy dół filtra z podstawą mieszadła (nie pokazano), co ułatwia udrażnianie filtra.

Rysunek 3. Ilustracja konfiguracji wewnętrznej komory aerozolu z przedstawionym filtrem, dyszami wlotowymi i proszkiem YIG. Szczegóły znajdują się w tekście.
Niniejszy raport szczegółowo opisuje procedurę eksperymentalną przeprowadzenia AD przy użyciu opisanego powyżej systemu zbudowanego na zamówienie w celu wytworzenia gęstych filmów YIG. Reprezentatywne wyniki dla filmu o grubości 11 µm wytworzonego w tym systemie zostały przedstawione przy użyciu skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), profili grubości oraz rezonansu ferromagnetycznego (FMR). Przedstawione wyniki nie mają na celu pogłębionego zbadania właściwości magnetycznych lub struktury materiałowej filmu, lecz stanowią demonstrację filmów wytworzonych za pomocą tej techniki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.