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

где e_l, бф, 8ц — деформации решеток, определяемых /методом наклонных рентгеносъемок для направлений нормально к пленке, параллельно ее плоскости и под углом ф к нормали; ch — концентрация вакансий.

В соответствии с [24] необходимая для возникновения эф­ фекта ориентированной микродеформации концентрация из­ быточных вакансий, образующихся при кристаллизации пленок, достигает приблизительно 10_3. Столь высокая кон­ центрация вакансии может быть реализована лишь при кри­ сталлизации пленок в условиях высоких переохлаждений и пересыщении благодаря малой подвижности атомов, адсорби­ рованных па поверхности роста. Возрастание величины ориен­ тированной деформации при увеличении АТ (переохлажде­ ние) и, наоборот, уменьшение при снижении АТ полностью со­ гласуется с рассмотренным ранее вакансионным механизмом. Показательно, что в пленках, осажденных при 7^ = 650 °К, де­ формационное уширение линий, обусловленное влиянием ори­ ентированной деформации, практически не фиксируется. В об­ щем случае, по-видимому, существует критический уровень термодинамического пересыщения, начиная с которого в плен­ ках возникает ориентированная деформация.

Отметим, что факт прямой зависимости ориентированной деформации в пленках от величины термодинамического пере­ сыщения подтверждается характером ее зависимости от кри­ сталлизационных условий. В сверхвысоковакуумных пленках существует четкая корреляция между величиной и знаком ориентированной микродеформации и микронапряжений и кристаллизационными параметрами: при снижении АТ и АР величины Ео и сто всегда снижаются.

Если влияние газовых и иных примесей при кристаллиза­ ции пленок существенно, то наблюдается разнотипная зависи­ мость между ориентированными микронапряжениямн и кри­ сталлизационными параметрами (всегда согласующаяся, од­ нако, с характером изменения температуры плавления пле­ нок). Так, например, при увеличении температуры подложки весьма часто реализуется снижение ориентированных микронапряжений, как это .показано на рис. 30 для пленок никеля и пермаллоя. Из приведенного рисунка следует, в частности, что для пленок никеля процесс уменьшения внутренних микрона­ пряжений начинает развиваться при более низких температу­ рах подложки. В пленках пермаллоя при аналогичных техно­ логических условиях выше не только общий уровень внутрен­ них микронапряжений, но и диапазон температур Тт обеспе­ чивающий наименьшие их значения.

Значительное влияние на характер зависимости микрона­ пряжений от технологических параметров оказывает присут­ ствие в пленках примесей. На рис. 30 подобное влияние отра­

135

жает кривая 2, соответствующая пленкам с более высоким со­ держанием примесей.

Эксперимент показывает, что наиболее резкое снижение а0р наблюдается вблизи минимума Ts в доэвтектическом диа­ пазоне значений температуры подложки. По-видимому, сле­ дует предположить, что в заэвтектической области значений Тп, т. е. при температурах подложки, находящихся справа от эвтектической точки, в отдельных случаях возможно повыше­ ние сг0рНасколько подобный эффект будет значительным,

Рис. 30. Зависимость внутрен­ них микроиапряженпп от тем­ пературы подложки в пленках никеля с малым содержанием примесей и скоростью осажде­

содержанием примесей и ско­ ростью осаждения 0,67 А/сек

[24]

зависит от степени возрастания температуры плавления в этом случае.

При увеличении плотности потока пара (или скорости испа­ рения) обнаруживается тенденция к значительному возраста­ нию ориентированных напряжений, при уменьшении сг0р сни­ жается. Увеличение давления остаточных газов при опреде­ ленном сочетании других кристаллизационных параметров способствует снижению 0Ор-

В общих чертах изменение величины а0р в зависимости от плотности потока пара и давления остаточных газов анало­ гично ее поведению с изменением температуры подложки. Это объясняется тем, что во всех указанных случаях дей­ ствует во многом общая закономерность изменения темпера­ туры плавления пленок Ts, связанная с развитием при неко­ торых условиях эвтектической кристаллизации. Зависимость микронапряжений от угла наклона пучка пара также может быть понята при учете изменения величины АТ и термодина­ мического пересыщения.

Найдено [24], что при наклонном напылении пленки на­ правление ориентированной деформации занимает промежу­ точное положение между нормалью к подложке и на­ правлением молекулярного пучка. В этом случае можно предположить, что плоскости дислокационных петель накло-

136

немы по отношению к поверхности пленки. Поворот осей ори­

возникновения рельефа поверхности растущей пленки. По­ скольку эффект наклонного напыления состоит в отражении части падающих атомов по закону косинуса, то в подобном случае велико влияние примесей, что. проявляется в увеличе­ нии общего уровня о0р. Это можно объяснить тем, что терми­ ческая устойчивость вакансионных скоплений и дислокацион­ ных петель повышается вследствие их взаимодействия с при­ месными и легирующими атомами.

Вместе с тем повышение угла наклона пучка пара или величины Тп при постоянном угле падения пара сопровожда­ ется уменьшением ориентированной деформации. Можно по­ казать, что и в данном случае важное значение имеют законо­ мерности изменения температуры плавления Ts.

При отжиге пленок происходит релаксация ориентирован­ ной мпкродеформацин, а также изотропное изменение посто­ янной решетки. В соответствии с расчетами [270] уменьше­ ние плотности хаотически распределенных дислокаций на Ар отвечает приросту объема AV/V, равному 1,5 b2 Ар.

Таким образом, из анализа влияния технологических па­

впленках во многом обусловлен кристаллизационными про­ цессами. Однако недостаточная изученность зависимости ориентированной деформации'в пленках от условий кристал­ лизации в их широком диапазоне не позволяет дать исчерпы­ вающего описания механизма ее возникновения.

Отметим, что, кроме ориентированных микронапряжений,

впленках имеет место достаточно высокий уровень изотроп­ ных микронапряжений. Среди прочих механизмов их возник­

новения необходимо учитывать следующий. Известно, что величина давления внутри зародыша кристаллической фазы определяется величиной поверхностной энергии на границе раздела фаз. Это давление зависит от поверхностной (меж­ фазной, межкристаллитной) энергии а и от степени диспер­ сности кристаллитов: ра= —2а/г, где г — радиус кристаллитов. Поскольку в пленках весьма высока дисперсность микро­ структуры, а также возможна многофазность, то изотропные напряжения, являющиеся результатом указанного давления, могут быть значительными. Очевидно, что их величина, как и степень дисперсности микроструктуры, являются функция­ ми термодинамического пересыщения.

Влияние магнитного поля на внутренние напряжения в тонких железо-никель-кобальтовых пленках. В ферромагнит­

137

ных материалах напряжения, вызванные структурными фак­ торами, как и напряжения термического характера, зависят от магннтострнкцнонных эффектов. В частности, когда плен­ ка напыляется при температуре ниже точки Кюри, то она бу­ дет намагничиваться в направлении, определяемом внешними условиями, обычно приложенным магнитным полем. Если после напыления пленку охладить до температуры, при кото­ рой подвижность атомов мала, то вследствие происшедшей деформации пленка останется намагниченной в направлении поля, даже если оно затем удаляется. Магиитострикциопные эффекты вызывают слабую среднюю деформацию идеальной кубической решетки. Сцепление с подложкой препятствует релаксации магннтострнкцнонных напряжений.

Характер влияния напряженности магнитного поля при кристаллизации пленок на величину внутренних напряжений изменяется в зависимости от знака константы магнитострикции. В пленках с отрицательной магнитострикцией ориен­ тирующее поле при кристаллизации приводит к уменьшению внутренних напряжений, в то время как в пленках с положи­ тельной часто наблюдается противоположный эффект.

Заметим, что характер изменения внутренних напряжений в зависимости от напряженности магнитного поля определя­ ется также фазовым составом пленки. Учитывая это, роль магнитного поля в процессе кристаллизации следует рассмат­ ривать прежде всего с точки зрения изменения степени термо­ динамического пересыщения, контролирующего структурное совершенство, меру неравновесное™ состояния выращенной пленки.

Кристаллизация пленок никеля в присутствии магнитного поля приводит к двум эффектам, которые могут иметь важ­

степень термодинамического пересыщения при кристаллиза­ ции (в магнитном поле уменьшается скорость роста пленок), что, естественно, приводит к снижению общего уровня вну­ тренних напряжений. Во-вторых, магнитное поле ускоряет процессы эвтектической кристаллизации, вследствие чего эв­ тектические минимумы Ts смещаются в область более низких температур подложки, высоких плотностей потока пара и низких давлений остаточных газов. Причины подобных изме­ нений обсуждались в главе II.

Очевидно, все изменения величины термодинамического пересыщения, вызванные изменениями Ts, будут отражаться на величине внутренних напряжений. Отметим, что рассмот­ ренное изменение внутренних напряжений для пленок других составов не столь значительно, как это имеет место в нике­ левых пленках при тех же условиях.

138

Применение магнитного поля при кристаллизации пленок изменяет характеристики термоотжига пленок.

Считают, что основой механизма магнитного отжига пле­ нок является перемещение атомов или вакансий на неболь­ шие расстояния, в результате чего возникает направленное упорядочение атомов железа и примеси. В случае пленок важное значение имеет высокая плотность дефектов, особен­

Следует учитывать, что закономерности термомагннтного отжига пленок в отношении изменения внутренних напряже­ ний во многом определяются происходящими при этом про­ цессами возврата и рекристаллизации. Именно этим обстоя­ тельством можно объяснить многие кинетические особенности и температурный диапазон термомагнитных отжигов ферро­ магнитных пленок.

Процесс термомагнитного отжига весьма интенсивно про­ исходит на стадии возврата. При этом чем выше степень де­ формации пленок, уровень их микронапряжений, тем эффек­ тивнее термомагнитный отжиг. При нагревании пленки выше 670°К, т. е. в температурном диапазоне рекристаллизации, происходит отжиг дефектов решетки, после чего термомагнит­ ный отжиг, подобный низкотемпературному, практически не протекает. Заслуживает внимания тот факт, что пленки, на­ пыленные в сверхвысоком вакууме на подложки, подогретые до 470 °К и выше, имеют те же характеристики магнитного отжига, что и массивные образцы [271]. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что чем ниже температура подложки и чем выше давление остаточных газов, тем мень­ ше энергия активации магнитного отжига. Особенно низка она в пленках, напыленных на холодную подложку. Это свя­ зано с тем, что структура таких пленок сильно пересыщена дефектами и очень мелкодисперсна. Поэтому в процессе от­ жига атомы перемещаются лишь на небольшие расстояния около центров дефектов. Можно предположить, что такие пе­ ремещения в областях очень высоких внутренних напряже­ ний, в особенности при наличии их ориентации, должны из­ менить или среднюю анизотропию напряжений в пленке или упорядочение пар атомов примеси.

В результате отжига пленок, конденсированных в присут­ ствии магнитного поля, изменение величины внутренних микронапряжений существенно замедляется. На рис. 31 по­

139