The applicability of novel manganese procursors for atomic layer deposition of oxide thin films

Abstract

Kirjallisuusosassa on käsitelty binääristen mangaanioksidiohutkalvojen kasvatusta atomikerroskasvatuksella, kemiallisella kaasufaasikasvatuksella, fysikaalisilla kaasufaasimenetelmillä ja kemiallisilla liuosmenetelmillä. Lisäksi on tarkasteltu kasvatuslämpötilan, substraatin, lähdeaineiden ja lämpökäsittelyjen vaikutusta binääristen mangaanioksidiohutkalvojen kiteytymiseen. Kirjallisuusosassa on esitelty myös erilaisten mangaania sisältävien ohutkalvojen sovelluskohteita.

Kokeellisessa osassa kasvatettiin binäärisiä mangaanioksidiohutkalvoja atomikerroskasvatuksella (ALD) uusista mangaanilähdeaineista. Tutkitut lähdeaineet olivat disyklopentadienyylimangaani, Cp2Mn, bis(etyylisyklopentadienyyli)mangaani, (EtCp)2Mn, bis(isopropyylisyklopentadienyyli)mangaani, (i-PrCp)2Mn, dimangaanidekakarbonyyli, Mn2(CO)10, ja trikarbonyyli(metyylisyklopentadienyyli)mangaani, TCMn. Hapettimena käytettiin joko vettä tai otsonia. Kasvatettujen ohutkalvojen paksuutta tutkittiin mallintamalla ohutkalvoista mitattuja läpäisy- ja heijastusspektrejä. Ohutkalvojen kiteisyyttä ja kiteisten faasien stoikiometriaa tutkittiin röntgendiffraktiolla. Binääristen mangaanioksidiohutkalvojen lisäksi tutkittiin ternääristen yttriummangaanioksidien kasvua käyttäen tunnettuja lähdeaineita, mangaanin ja yttriumin 2,2,6,6-tetrametyyli-3,5-heptaani- dionaattiyhdisteitä (thd) sekä otsonia.

Tutkitut mangaanilähdeaineet hajosivat suhteellisen matalissa lämpötiloissa. Cp2Mn hajosi 110 - 140 °C:ssa, (EtCp)2Mn 90 °C:ssa, (i-PrCp)2Mn 80 °C:ssa, Mn2(CO)10 190 °C:ssa ja TCMn 300 °C:ssa. Kasvatuksissa ei havaittu ohutkalvon ALD-tyyppistä pinnan kontrolloimaa kasvua. Cp2Mn:lla, (EtCp)2Mn:lla ja (i-PrCp)2Mn:lla kasvatettujen ohutkalvojen kasvunopeudet olivat 1,2-1,7 Å/jakso, kun kasvatuslämpötila oli 80-100 °C. Mn2(CO)10:lla 200 °C:ssa kasvatettujen ohutkalvojen kasvunopeus oli 0,6 Å/jakso. Yttriummangaanioksidiohutkalvon kasvatuksessa Mn(thd)3:lla, Y(thd)3:lla ja otsonilla 200 °C:ssa ei saatu lainkaan ohutkalvoa.

Kaikki Cp2Mn:lla, (EtCp)2Mn:lla, (i-PrCp)2Mn:lla tai Mn2(CO)10:lla ja vedellä kasvatetut ohutkalvot kiteytyivät MnO:na. Todennäköisesti heikon hapettimen käyttö edisti mangaanioksidin kiteytymistä mangaanin matalalla hapetusasteella +2. TCMn:n kanssa käytettiin voimakkaampaa hapetinta, otsonia, ja kasvatetut kalvot kiteytyivät neljän- tai kolmenarvoisen mangaanin oksideina. 100 - 225 °C:ssa kasvatetut ohutkalvot kiteytyivät beta-MnO2:na tai beta'-MnO2:na, mutta 300 °C:ssa kasvatetun ohutkalvon kiderakennetta ei voitu määrittää yksiselitteisesti. Todennäköisesti muodostunut faasi oli erilaisten Mn203-faasien seos.