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

кающие вследствие неоднородных изменений в расстояниях между атомами.

Вкачестве важнейших источников внутренних напряжений

впленках отметим следующие: 1) различие коэффициентов расширения подложки п пленки; 2) наличие атомов раство­

ренных и нерастворенных примесей и захваченных атомов га­ зов; 3) накопление дефектов решетки в процессе кристалли­ зации в условиях высокой неравновесности; 4) поверхностные эффекты, которые могут иметь большое значение ввиду малых толщин пленок и высокой дисперсности их .микроструктуры и пористости. В последнем случае существенную роль может играть поверхностное натяжение. Наконец, окислы и другие химическим образом связанные с пленкой поверхностные слои также могут вносить определенный вклад в создание напря­ жений.

Следует заметить, что наиболее значительную долю внут­ ренних .напряжений в пленках обусловливают факторы струк­ турного происхождения, возникающие в процессе кристалли­ зации пленок, в особенности при низких температурах. В пленках, снятых с подложки, действуют, в частности, глав­ ным образом такого рода напряжения. При этом, кроме мнкрона.пряжений, в пленках обнаруживаются и остаточные мак­ ронапряжения, которые в этом случае вследствие ряда причин могут быть анизотропными. Анизотропный характер внутрен­ них микронапряжений и некоторых типов макронапряжений представляет особый интерес для установления их влияния на магнитные свойства пленок. Кроме того, микронапряжения в пленках .могут дать очень важную информацию о процессе и механизме кристаллизации и состоянии кристаллической структуры тонких пленок.

Механизм возникновения внутренних макронапряжений.

Напомним известные положения по вопросу механизма воз­ никновения макронапряжений в тонких пленках. Гоффманом [232] показано, что при охлаждении осажденной на жесткую подложку пленки в ней возникают внутренние напряжения термического происхождения, которые обусловлены разностью коэффициентов объемного термического расширения пленки и подложки.

Деформация, которую испытывает при этом пленка,

где а/ и as — средние коэффициенты расширения пленки и подложки; АТ — разность температур во время напыления и измерения.

В работах [233, 234] предложена ' модель возникновения термических напряжений в пленках металлов с низкой темпе­

124

ратурой плавления. Согласно этой модели, при охлаждении возникают двуосные термические напряжения, 'превышающие предел упругости пленок, вследствие чего возможна пластиче­ ская деформация. Максимум напряжений ограничен критиче­ ским сдвиговым напряжением, связанным с закрепленными на поверхности пленки дислокациями.

В макронапряжения, кроме термических, входят напряже­ ния, вызванные макродеформацией вследствие возникновения и взаимодействия различного рода структурных дефектов. Последние в отличие от термических напряжений при удале­ нии пленки с подложки не уничтожаются. Один из типов та­ ких напряжений назвал Ван дер Мерве [235]. Он показал, что полная энергия эпитаксиальных пленок может уменьшаться при образовании на границе раздела .пленка—подложка дис­ локаций, которые уменьшают несоответствие решеток. Мини­ мум свободной энергии пленки определяется сложной функци­ ей, зависящей от степени несоответствия решеток, сил связи на границе раздела и упругих свойств 'подложки и пленки. Предсказанные теорией [235] напряжения вследствие образо­ вания дислокаций были обнаружены экспериментально Мэтью­ зом [236] для эпитаксиальных пленок свинца толщиной 450 А. Величина упругой деформации пленки, определенная экспери­ ментально, совпадала при этом с теоретическим значением. Однако теория [235] не согласуется с экспериментальными данными в случае поликристалличеоких пленок. Не находят также объяснения наблюдаемые напряжения растяжения не­ зависимо от знака и степени несоответствия решеток.

В настоящее время рядом исследователей [237, 238, 240, 241] установлено существование в пленках макронапряжений, за возникновение которых ответственны дефекты упаковки и дислокации. Авторы работ {237, 238] считают, что уменьше­ ние ма1кронапряжений при отжиге связано с выходом кристал­ лических дефектов (вакансий и междоузельных атомов) к сво­ бодной поверхности пленки. Отметим, что в подобном случае необходимо учитывать также выход вакансий к внутренним границам зерен пленки, что может уменьшить снижение на­ пряжений за счет миграции к свободной поверхности. Как бу­ дет показано, существенное значение имеют при этом процес­ сы рекристаллизации, происходящие в том же температурном интервале [239].

По мнению Зейтца [240], вакансии решетки группируются в дислокационные кольца, обусловливающие сжатие кри­ сталлов.

Количественная модель возникновениявнутренних напря­ жений в пленках железа с учетом поверхностного натяжения и релаксации на границах между кристаллитами предложена в [242]. Модель основана на упрощенном допущении, предпо-

125

лагающем, что зародыши кристаллизации растут в виде ост­ ровков-полусфер, а затем в виде колонн с плотно касающими­ ся границами. Межатомные силы в области границ стремятся противодействовать образованию промежутков, вследствие чего соседние кристаллы подвергаются растяжению. С ростом толщины пленки устанавливается среднее значение деформа­ ции, равное «средней атомной длине релаксации» tfp, отнесен­ ной ik среднему размеру кристаллита г. Напряжения опреде­ ляются по формуле

В работах [244—246] предложена дислокационно-сорбци­ онная теория возникновения внутренних макронапряжений в пленках. Согласно этой теории, возникающие в пленках мак­ ронапряжения представляют собой сумму напряжений проти­ воположного знака — растяжения в объеме кристаллитов и сжатия в межкристаллитных прослойках. Механизм возник­ новения макронапряжений растяжения получает следующее объяснение. При напылении слой осажденных пленок по тол­ щине формируется приблизительно в одинаковых условиях. Поэтому в кристаллитах преобладают дислокации одного зна­ ка, а линии их имеют близкую ориентацию. В результате вза­ имного отталкивания дислокации самопроизвольно мигриру­ ют к периферии зерен. Часть этих дислокаций, преодолев поверхностный барьер, обусловленный поверхностным натяже­ нием, аннигилирует. Уменьшению объема кристалла вследст­ вие убыли плотности дислокаций препятствует связь с под­ ложкой, что обусловливает возникновение макронапряжений растяжения.

В основу объяснения макронапряжений сжатия взята сорб­ ционная модель, рассматривающая захват в материал пленки чужеродных частиц, специально вводимых добавок, загрязне­ ний, газовых примесей и т. д. Стремление чужеродных час­ тиц занять пространство, в котором свободно осуществлялось бы тепловое движение молекул, вызывает увеличение объема межкристаллитных прослоек, чему препятствует связь пленки с подложкой. В результате возникают макронапря­ жения сжатия. Суммарные, наблюдаемые экспериментально напряжения подчиняются соотношению

Величина kB определяется выражением

(3.13)

126

где Е — модуль упругости осаждаемого металла; v —1коэф­ фициент Пуассона; гс — статистически усредненный попереч­ ный размер зерна; уф — коэффициент, зависящий от формы зерна (уф ~6—10).

Величина D представляет собой дислокационное слагае­ мое, обусловленное напряжениями растяжения, и определя­ ется соотношением

где е — заряд электрона; г — валентность металла; /г — чис­ ло атомов в единице объема материала пленки; Дф — коэффи­ циент поляризации; фд —• коэффициент, характеризующий до­ лю «избыточной» энергии, обращенную в энергию дислокаций; Х0 — единичный пробег дислокаций, для нахождения которого в [244—246] предложена формула

Сорбционное слагаемое, обусловленное напряжениями сжатия, в формуле (3.12), согласно [244—246], представляет­ ся в виде

S = <*i{gid + 4-Р(^)]- (3.17)

Здесь F — напряженность электрического поля двойного слоя; т — число сортов захваченных конденсатом частиц; а; — ад­

Pi — заряд, дипольный момент и поляризуемость i-ro сорта. Классификация внутренних макронапряжений в пленках, данная в работе [24], исходит из следующих критериев их возникновения. В процессе кристаллизации в условиях высо­ кого переохлаждения материал пленки оказывается пересы­ щенным различными несовершенствами (избыточными вакан­ сиями, дислокациями, растворенными по типу -замещения и внедрения атомами примесей и остаточных газов, аморфизированными включениями и др.), а также может содержать ло-

127

кализованные мшфопоры. В послекристаллизацнонный л ериод начинается «залечивание» несовершенств кристаллического строения (аннигиляция дефектов, выпадение и спекание микропор, кристаллизация аморфизированных участков), сопро­ вождающееся изменением удельного объема пленки. Жесткая же связь пленки с подложкой препятствует подобному изме­ нению. При этом уменьшение удельного объема тонкого слоя, связанное с выходом вакансий на его наружную поверхность, внутренние границы раздела, а также их сток к линиям крае­ вых дислокаций приводят к возникновению напряжений рас­ тяжения. Объединение вакансий в «каверны» и микропоры увеличивает удельный объем пленки, вследствие чего возника­ ют напряжения сжатия.

Напряжения, названные в [24] фазовыми, возникают в случае, когда в силу известных условий в структуре осаждае­ мых пленок присутствуют аморфные, метастабильные либо иные фазы, а также пересыщенные твердые растворы. При последующих процессах кристаллизации, перекристаллизации или структурной релаксации изменяется объем пленок, что приводит к изменению остаточных мажронапряжении, знак которых зависит от соотношения объемов .начальных и конеч­ ных фаз. Отметим, что в связи с показанной нами ранее воз­ можностью многофазности структуры пленок фазовые напря­ жения могут играть весьма существенную роль.

«Физико-химический» тип макронапряжений возникает при адсорбции чужеродных атомов и внедрении их в решетку ос­ новного вещества (либо скопления в межкристаллитных гра­ ницах), что приводит к увеличению удельного объема пленки, а следовательно, к появлению сжимающих макронапряжений.

Описанные механизмы остаточных макронапряжений в пленках могут действовать как совместно, так и порознь, и в зависимости от технологических условий кристаллизации мо­ жет происходить либо усиление одного знака напряжений, либо нейтрализация разноименных и изменение вклада каждо­ го из механизмов.

Рассмотренные выше теории, безусловно, не охватывают сущности всех возможных механизмов внутренних макрона­ пряжений, хотя и позволяют объяснить большое количество экспериментальных фактов.

Поскольку в определенных условиях кристаллизации пле­ нок при влиянии газовых химически активных примесей обра­ зуются дополнительные фазы, состоящие из соединений основ­ ного металла или сплава с компонентами остаточных газов, то наряду с перечисленными ранее необходимо учитывать сле­ дующий, по нашему мнению, весьма важный механизм. Сущ­ ность его заключается в возникновении термических напряже­ ний между кристаллитами или субзернами разных фаз, харак­

128