Файл: Сухвало, С. В. Структура и свойства магнитных пленок железо-никель-кобальтовых сплавов.pdf

[24], что первые зародыши на подложке не создают какойлибо одной кристаллографической ориентировки, а образуют набор дискретных ориентировок. С утолщением пленки тек­ стура зарождения остается неизменной.

На свойства пленок больших толщин наиболее значитель­ ное влияние оказывает текстура роста.

Зависимость текстуры от условий кристаллизации в бес­ примесных пленках. Текстура роста в поликристаллических пленках, выращенных на нейтральных, например, стеклянных подложках, полностью определяется условиями кристаллиза­ ции. При неизменном химическом и фазовом составе пленок работу образования двумерных зародышей кристаллографи­ ческих граней, определяющую тип преимущественных ориен­ тировок кристаллитов, можно однозначно сопоставить е изме­ нением переохлаждения на фронте кристаллизации или пере­ сыщения паровой фазы. Этому случаю наиболее полно соответствуют закономерности возникновения кристаллогра­ фических ориентировок в сверхвысоковакуумных пленках.

Теоретический расчет с использованием представлений, развитых в [1, 81] и других работах, показывает, что для пленок с гранецентрированной кубической решеткой в подоб­ ном случае при низких переохлаждениях и пересыщениях наи­ меньшая работа образования соответствует грани (111). Это означает предпочтительное образование текстуры типа [111]. При достаточно высоких переохлаждениях и пересыщениях наиболее низка работа образования грани (011) с предпочти­ тельной ориентировкой [011]. При промежуточных значениях АТ и АР наиболее вероятно образование двух смешанных ори­ ентировок: [111] и [001] или [001] и [ОН]. Для пленок

срешеткой ОЦК наиболее низка работа образования грани

(111)при высоких АТ и АР, -в то время как при низких значе­ ниях АТ и АР наименьшей является работа образования грани

(011). При промежуточных значениях АТ и АР наиболее пред­

почтителен набор ориентировок [011], [001], [112] или [111], [112] , [001], а при сверхвысоких — беспорядочность ориента­ ций кристаллитов. В пленках с гексагональной решеткой наи­ более устойчивы ориентировки [0001] при малых и [1122] при больших АТ и АР. При промежуточных АТ и АР возможны предпочтительные ориентировки [0001], [1120] и др. Кроме отмеченных возможны и другие ориентировки, устойчивость которых, однако, сохраняется лишь в очень узком диапазоне АТ и АР. Отметим, что экспериментально наблюдаемые пре­ имущественные ориентировки в пленках, относительно свобод­ ных от примесей, в первом приближении согласуются с теоре­ тическими прогнозами. Так, в частности, при сверхвысоких значениях переохлаждения на фронте кристаллизации и пере­ сыщения паровой фазы (что в данном случае эквивалентно со­

119

ответственно низким Тп п высоким плотностям потока) пре­ имущественные кристаллографические ориентировки в

пленках не возникают.

Текстура в пленках с примесью. Когда в процессе кристал­ лизации пленок принимают участие газовые примеси, в осо­ бенности химически активные, приводящие к образованию хи­ мических соединений, то анализ преимущественных ориенти­ ровок становится чрезвычайно затруднительным. В последнем случае величина АТ в отличие от беспримесных пленок не мо­ жет дать однозначной информации о закономерностях измене­ ния типа и совершенства кристаллографических ориентировок при вариации условий кристаллизации. Подобный факт обус­ ловлен тем, что при кристаллизации пленок в условиях влия­ ния примесей в результате образования соединений изменя­ ется температура плавления Ts и энтропия процесса роста пленок AS. В связи с этим для правильного описания законо­ мерностей возникновения кристаллографических текстур не­ обходим учет не только состава пленок, по и величины термо­ динамического пересыщения.

Действительно, в беспримесных пленках, где энтропийный множитель можно считать более или менее постоянной вели­ чиной, изменение работы образования кристаллографических граней определяется исключительно переохлаждением. Если же энтропия процесса кристаллизации с изменением условий рос­ та пленок существенно изменяется, как это было показано в главе II, то однозначность изменения работы образования различных кристаллографических граней обнаруживается лишь при ее сопоставлении с величиной общего термодинами­ ческого пересыщения, т. е. при одновременном учете истин­ ных значений АТ и AS.

Безусловно, поскольку при вариации кристаллизационных параметров в различных взаимных сочетаниях количество и тип образующихся соединений изменяются весьма сложно —1 это практически фазы переменного состава, то предсказать с высокой точностью ту или иную кристаллографическую тек­ стуру, 'вообще говоря, невозможно. В подобных случаях ока­ зываются неопределенными весьма многие необходимые для расчетов физико-химические характеристики пленок и кине­ тические параметры их роста.

Сопоставление экспериментально наблюдаемых текстур в пленках только лишь с каким-либо отдельным кристаллиза­ ционным параметром теряет смысл ввиду бесконечных вариа­ ций термодинамического пересыщения за счет изменения со­ четания значений параметров. В работе [225] сообщается, на­ пример, о смешанной ориентации [100] и [110] в германие­ вых пленках, осажденных при температурах подложки от 670 до 720 °К. При дальнейшем повышении Тп количество кристал­

120

литов, ориентированных вдоль плоскости (100), быстро убы­ вает, и примерно при 770 °К обнаруживается смесь ориента­ ции [ПО] и [111]. При температурах осаждения выше 870 °К преобладает ориентация [ПО] с возрастающей степенью тек­ стурирования. Аналогичные сведения для пленок германия, полученных при низких скоростях испарения [226], сущест­ венно отличаются от данных работы [225].

В пленках железо-никель-кобальтовых сплавов в одном и том же диапазоне Тп (примерно от 300 до 700 °К) в зависимо­ сти от значений других технологических параметров экспери­ ментально наблюдаются разнообразные кристаллографиче­ ские ориентировки. Так, в частности, в пленках железа и некоторых сплавов с решеткой ОЦК в зависимости от давле­ ния остаточных газов и плотности потока пара могут быть

•весьма развиты одноосная текстура типа [100], а также [111] и ряд других специфических ориентировок. В пленках пермал­ лоя в диапазоне Т„ от 470 до 600°К и вакууме 10-5—5- Ю-5 мм рт.ст. наиболее часто возникает текстура типа [111] [227, 228]. При высоких температурах подложки и низкой плотно­ сти потока пара может возникать текстура с кристаллографи­ ческой осью [311]; при низком вакууме обнаружены случаи появления текстуры типа [ПО] и [100].

В зависимости от условий кристаллизации может возни­ кать как набор тех или иных ориентировок, так и какая-либо единичная ориентировка, отличающаяся в ряде случаев высо­ ким совершенством. Заметим, что выделение преимуществен­ ных ориентировок в пленках весьма удобно производить с по­ мощью рентгенографического или электронографического ана­ лизов методом обратных полюсных фигур, пример которых приведен на рис. 26.

Как правило, значительному развитию какой-либо одной ориентировки способствуют низкие значения плотности пучка пара. Конкретный тип возникающей при этом кристаллогра­ фической ориентировки определяется в свою очередь диапазо­ ном значений толщины пленки, остаточного давления и темпе­ ратуры подложки. Понижение вакуума при неизменных дру­ гих условиях также облегчает появление преимущественных ориентировок с одной кристаллографической осью.

Характерно, что в отдельных случаях наблюдается возник­ новение совершенной текстуры с какой-либо одной кристалло­ графической осью при дискретных, существенно критичных композициях численных значений параметров кристаллизаци­ онного процесса. Экспериментальным подбором удается найти последовательный ряд указанных композиций, в частности и таких, которые обусловливают примерно одинаковое совер­ шенство и тип текстуры. По-видимому, во всех подобных слу­ чаях сочетание значений технологических параметров таково.

121

что обеспечивает одинаковый уровень общего термодинамиче­ ского пересыщения при кристаллизации.

Естественно, что для 'Повторяемого возникновения указан­ ных кристаллографических текстур, кроме рассмотренных выше параметров, большое значение имеют состояние и чисто­ та подложки, тип испарителя и ряд других трудно учитывае­ мых факторов.

Сопоставление условий появления текстуры с изменением температуры плавления Ts пленок позволяет констатировать

Рис. 26. Обратная полюсная фигура для пленки 86% Ni— 14% Fe, получен­ ной в вакууме 5-10~5 мм рт. ст. при 7'П= 6 2 3 СК и угле наклона электронно­

следующий факт. Условия возникновения кристаллографиче­ ских ориентировок с одной осью в ряде случаев соответствуют эвтектическим точкам, причем совершенство текстуры возрас­ тает в зависимости от степени снижения Г5, т. е., иначе говоря, при увеличении полноты развития эвтектической кристалли­ зации. Указанный факт согласуется с тем, что в эвтектических структурах, главным образом пластинчатой и ячеисто-коло- нийной модификаций, все кристаллиты ориентированы отно­ сительно друг друга и относительно общей для каждой фазы кристаллографической оси [199,211]. Напомним, что кри­ сталлографические ориентировки ячеек в эвтектической струк­ туре, хорошо известные из эксперимента, не получили до сих

•пор исчерпывающего теоретического объяснения, так же как, например, текстура .при дендритообразовании.

В широком диапазоне кристаллизационных условий в же- лезо-никель-кобальтовых пленках, как было показано, могут реализовываться как одна, так и несколько независимых эвтектик. Если среди них будут возникать структуры типа столб­ чатой, в которых ориентация ячеек наиболее вероятна, то

i22

очевидна возможность появления нескольких характерных ориентировок. Их кристаллографический тип будет опреде­ ляться в каждом конкретном случае кристаллохимическими и физико-химическими свойствами соединений, образующих эв­ тектику с металлом или сплавом. При эвтектической кристал­ лизации, как известно, ориентация происходит от ведущей фазы, у которой скорость роста выше. Здесь неизбежно моди­ фицирующее влияние структуры ведущей фазы на развитие ячеек второй фазы эвтектики. Необходимо учитывать также, что на физические свойства пленок будут влиять текстуры обеих фаз эвтектики, причем в ряде случаев влияние ориента­ ции металлической фазы может быть слабее. Это, например, относится к никелю и железо-никель-кобальтовым сплавам с решеткой ГЦК, в которых процессы текстурообразования неинтенсивны из-за низкой анизотропии скорости роста кри­ сталлов.

Текстура рекристаллизации. Ряд ориентировок, возникаю­ щих в пленках при высокой температуре подложки, можно интерпретировать как текстуры рекристаллизации. Такое за­ ключение вполне обоснованно, так как рекристаллизационные процессы, как будет показано далее, начинают развиваться во время получения пленок при повышенных температурах, а также при их послекристаллнзационной термообработке.

Обычно рассматривают два принципиально различных ме­ ханизма образования преимущественной ориентировки в ре­ зультате рекристаллизации. В соответствии с первым меха­ низмом принимают, что ориентировка рекристаллизационных зерен определяется исключительно ориентировкой центров ре­ кристаллизации. По другой гипотезе считается, что центры ре­ кристаллизации .могут быть ориентированы беспорядочно, но они различаются ориентационной зависимостью скоростей роста.

§ 5. Внутренние напряжения в тонких пленках

Обширная информация о внутренних напряжениях в плен­ ках содержится в работах [24, 229—235] и др.

Общий уровень напряжений в пленках обусловливается макронапряжениями, или напряжениями I рода, уравновеши­ вающимися в сравнительно больших объемах, и микронапря­ жениями, или напряжениями II рода, связанными с ориенти­ рованной и частично изотропной деформацией решетки, равно­ мерно рассредоточенной в микрообъемах. Напряжения I рода относят часто к «объемным», а II рода — к «ориентирован­ ным» [234]. В пленках с двухили многофазной структурой значительную роль могут играть напряжения III рода, возни­

123