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

включает следующие механизмы отжига: 1) поглощение ста­ тистически распределенных точечных дефектов дислокация­ ми; 2) образование скоплении точечных дефектов; 3) взаим­ ную аннигиляцию дефектов типа вакансий и межузельных атомов; 4) разрушение скоплений точечных дефектов и после­ дующий отжиг изолированных дефектов; 5) захват дефектов примесями или, напротив, их освобождение из ловушек. Этот этап отжига отвечает процессу возврата, осуществляющемуся до начала рекристаллизации. В общем случае для возврата характерно несколько типов перечисленных процессов, кото­ рые усиливаются плп подавляются в зависимости от темпе­ ратуры отжига, наличия примесей, количества дефектов, а также их взаимодействия.

Своеобразие механизма кристаллизации тонких пленок при значительных переохлаждениях делает оправданным сле­ дующую модель возникновения квазнравновесной напряжен­ ной структуры пленок, испытывающей затем возврат к более стабильному состоянию. Если отвлечься от влияния приме­ сей, то срастание кристаллических зародышей, попадающих на подложку пз пересыщенного пара или возникающих на поверхности роста, можно представить как процесс сопряже­ ния их граней и последующей избирательной коалесценцни этих зародышей. При этом в зависимости от кристаллографи­ ческих характеристик сталкивающихся граней отдельных зародышей происходит совершенное или частичное сопряже­ ние узлов решетки. Вследствие протекания подобных процес­ сов образуются субзерна, границы между которыми пред­ ставляют собой плоские скопления дислокаций, возникающие как результат их аккумуляции в узкой зоне сопрягающихся граней. Представления о плоских скоплениях участков с вы­ сокой плотностью дислокаций подтверждаются результатами исследования массивных деформированных сплавов, а также данными по рентгенодифрактометрпческому исследованию дислокационной структуры тонких пленок [24]. В таком слу­ чае процесс возврата может быть в большей мере связан как с удалением точечных дефектов и дислокаций из объема суб­ зерен, так и с перемещением и аннигиляцией дислокаций и других дефектов, локализованных в субграницах.

Вместе с тем для возврата может быть характерна еще одна специфическая стадия, в течение которой осуществля­ ется медленный и постепенный рост субзерен, имеющих не­ большие углы разориентации с соседями. Эта стадия возврата может быть классифицирована как высокотемпературный возврат. Механизм его протекания имеет много общего с про­ цессом коалесценцни первоначальных субзерен, протекаю­ щим при пониженных температурах. При этом образуются большие субзерна, состоящие из слабо разориентированных

148

начальных субзерен (зародышей). Последние разделены между собой в основном границами наклона. В дальнейшем укрупненные субзерна частично или полностью окружаются 'большеугловыми границами и по этому признаку (наличия большеугловых границ) могут рассматриваться на этой ста­ дии отжига как зародыши рекристаллнзованных зерен. Дан­ ный этап отжига включает в себя завершение возврата и на­ чало первичной рекристаллизации. При протекании возврата совместно с рекристаллизацией начинает усиливаться дисло­ кационный механизм возврата; в этом случае, по-видимому, завершается его полнгонизацпонная стадия. На более позд­ ней стадии отжига рекристаллпзованные зерна полностью освобождаются от своих малоугловых границ и целиком окружаются большеугловыми границами. Вслед за этим на­ чинается рост свободных от напряжений и дислокаций рекристаллизованных зерен благодаря перемещению больше­ угловых границ в деформированной матрице (этап собира­ тельной рекристаллизации).

Необходимо отметить, что интерпретация спектра меха­ низма процессов возврата и рекристаллизации усложняется тем, что в них принимают одновременное участие и точечные дефекты и дислокации. Возможное взаимодействие дефектов всех типов друг с другом, а также с атомами примеси вносит большие затруднения в подробный анализ указанных про­ цессов.

Наряду с этим необыкновенное разнообразие в характере протекания возврата и рекристаллизации в тонких пленках обусловливается также частичным завершением этих процес­ сов при росте пленок.

При всем многообразии механизмов рекристаллизации важнейшими среди них в соответствии с результатами ряда работ [280—284] являются коалесценцня и поворот субзе­

для всех материалов. Однако для пленок каждого конкретно­ го материала наблюдаются специфические особенности, обу­ словленные характером межатомного взаимодействия, пре­

имущественным типом дефектов, сортом внедренных приме­ сей и т. д.

Прежде чем перейти к рассмотрению экспериментальных результатов по изучению рекристаллизационных процессов в железо-никель-кобальтовых пленках, сделаем несколько об­ щих замечаний, относящихся к особенностям протекания та­ ких процессов во всех пленках.

149

Поскольку при температурах подложки 370—500 °К воз­ врат в некоторых пленках может практически заканчиваться уже во время их получения, то начальная стадия связанных с ним структурных превращений в таких пленках не фикси­ руется. Процесс возврата, оцениваемый по уменьшению по­ луширины дифракционных линий электронограмм, наблюда­ ется при отжиге лишь в пленках, выращенных на неподогретых подложках. Изменение полуширины дифракционных ли­ ний, наблюдаемое в широком температурном и временном

Рис. 33. Зависимость полуширины ди­ фракционной линии на электронограммах от температуры подложки для пленок 84% Ni— 16% Fe, полу­ ченных в вакууме 4-10~5 мм рт. ст.

интервалах при изохронном н изотермических отжигах, обу­ словлено интенсивным протеканием рекристаллизационных процессов, в ряде случаев сопутствующих возврату. При этом для никелевых пленок экспериментально обнаружено возра­ стание внутренних микронапряжений при завершении пер­ вичной рекристаллизации и еще в большей мере при реализа­ ции собирательной рекристаллизации.

В подобной ситуации классический метод изучения про­ цессов возврата по ушнреншо дифракционных линий (напри­ мер, рис. 33) имеет ограниченное применение и может давать однозначную информацию о протекании возврата лишь до появления на дифракционных линиях рефлексов от рекрнсталлизованных зерен. Так как вклад в уширение линий вследствие дисперсности зерен с течением рекрнсталлизацпонных процессов неизменно должен уменьшаться, то измене­ ние полуширины дифракционных линий при совместном про­ текании возврата и рекристаллизации или только рекристал­ лизации определяется большей частью изменением напряже­ ний в пленках.

Тип, механизм и закономерности протекания возврата и рекристаллизации при изотермическом отжиге определяются предысторией неотожженной пленки, степенью неравновес­ ное™ ее структуры в каждом конкретном случае, фазовым и химическим составом. То же следует сказать о кинетике про­ текания указанных процессов.

Понятие «предыстория» в отношении пленок включает обширный круг факторов: завершенность релаксационных про­

150

цессов, достигнутая в процессе кристаллизации и послекристаллпзацнониого охлаждения, степень отклонения кристал­ лической структуры от равновесия, определяемая отклонени­ ем всего комплекса технологических условии роста пленок от равновесных; характер неравиовесностп структуры (пересы­ щение или химическая неравномерность) и др. Если проте­ кание вторичных релаксационных процессов во время роста пленок незначительно, то предыстория относительно полно описывается термодинамическим пересыщением при любых формах отклонения от равновесия. Наиболее прост, однако, учет предыстории пленок в случае их беспримесной кристал­ лизации, например в сверхвысоком вакууме. Для этого, оче­ видно, достаточно знать переохлаждение на фронте кристал­ лизации или пересыщение паровой фазы. Действительно, ввиду того что степень напряженного, возбужденного состоя­ ния структуры пленок определяется в данном случае исклю­ чительно переохлаждением и пересыщением, то температур­ ные границы и кинетика протекания релаксационных процес­ сов во время отжига находятся в прямой и, что весьма важно, однозначной зависимости.

Наибольшую сложность для учета представляет предысто­ рия таких пленок, в которых при кристаллизации реализу­ ются одновременно вторичные релаксационные процессы н интенсивное фазообразование, возникающее вследствие про­ текания термохимических реакций с остаточными газами в условиях недостаточно высокого разрежения. Между тем в зависимости от завершенности вторичных релаксационных процессов может наблюдаться большое разнообразие законо­ мерностей протекания рекрпсталлизационного отжига, а многофазиость пленки как результат термохимических реакций может в корне изменить как механизм возникновения заро­ дышей рекристаллизации, так и все параметры рекристаллизационного процесса на всех его этапах.

При дальнейшем рассмотрении указанные обстоятельства нами в той пли иной мере учитываются.

Возврат и рекристаллизация в пленках никеля. Отличи­ тельной особенностью рекристаллизационных процессов в пленках никеля является то обстоятельство, что при получе­ нии этих пленок успевают практически завершиться возврат и значительная доля рекристаллизационных процессов. Тер­ моотжиг полученных никелевых пленок приводит лишь к дальнейшему развитию стадий возврата и рекристаллизации, которые по термическим и другим условиям, а также из-за недостаточной длительности процесса не смогли завершиться во время кристаллизации пленок. В связи с этим при темпе­ ратурах отжига, меньших или равных Та, структурные изме­ нения если и возможны, то только после длительного отжига.

151

Прн более высоких температурах отжига процессы, соответ­ ствующие рекристаллизации, реализуются более интенсивно.

На рис. 34 показан пример протекания процесса рекри­ сталлизации во времени для различных температур отжига. Из рисунка видно, что интенсивность и скорость протекания рекристаллпзацпонных процессов в пленках данного типа увеличиваются с ростом температуры отжига. При длитель­ ных выдержках рекристаллнзацнонный процесс, тип которого характерен данной температуре отжига, переходит к состоя­ нию насыщения. Отмеченное насыщение при высоких темпе­ ратурах отжига наступает в пленках в течение примерно часа, в то время как при низких температурах это состояние насту­ пает в результате отжига на протяжении 4—5 час.

На рис. 35 показана кинетика изменения относительного приращения полуширины дифракционных линии в результате отжига пленок никеля при различных температурах. Измене­ ние ДЬ, свойственное процессу возврата, наблюдается только при низких температурах отжига, например при 370 °К.

Рис. 34. Изменение во времени числа рекристаллпзованных зерен в никеле­ вых пленках, полученных при 7 u= 3 5 0 iK, в процессе изотермического отжи­ га прн температурах 370 (/), 400 (2), 420 (3) и 470 °К И) [196]

Рис. 35. Зависимость относительного приращения полуширины дифракцион­ ных линии никелевых пленок от времени изотермического отжига при тем­ пературах 420 (1), 370 (2), 400 (3) и 470 °К (4) [196]'

152

Характер изменения величины АЬ при более высоких темпера­ турах отжига определяется и другими сложными процессами. Представляет интерес при этом то обстоятельство, что при температурах отжига, соответствующих диапазону протекания собирательной рекристаллизации, тип кинетической кривой Дb — f(t) часто приближается к экспоненте.

Если рекристаллизация в никелевых пленках не успела на­ чаться при их кристаллизации, то при отжиге наблюдаются все стадии рекрпсталлизациониых процессов. Однако темпе­ ратура начала первичной и вторичной рекристаллизации, про­ тяженность временных и температурных интервалов каждого из реализующихся этапов процесса в значительной мере за­ висят от условий роста пленок. При этом на характер зако­

давление остаточных газов и т. д. Отметим, что более или ме­ нее однозначную закономерность влияния указанных пара­ метров на протекание возврата и рекристаллизации можно обнаружить лишь для пленок, полученных в условиях мини­ мального количества газовых и иных примесей. Если это условие соблюдено, то изменение температуры подложки из­

отжиг при 650°К приведет к развитию собирательной рекри­ сталлизации, причем чем ниже температура подложки, тем быстрее завершается первичная рекристаллизация и при бо­ лее низких температурах начинается вторичная собиратель­ ная рекристаллизация. Повышение температуры подложки сопровождается частичной рекристаллизацией при напыле­ нии, однако дальнейший отжиг при 650 °К уже не обеспечи­ вает развития интенсивной собирательной рекристаллизации.

Таким образом, понижение температуры подложки, сопро­ вождающееся, как известно, ростом плотности дефектов, сте­ пени неравновесностп и дисперсности структуры пленки, спо­ собствует интенсификации рекристаллизационных процессов (как и других релаксационных эффектов).

Влияние других технологических параметров кристаллиза­ ции пленок может быть аналогичным, если их изменение со­ провождается значительным возрастанием неравновесности и дисперсности структуры пленок. Во всех подобных случаях увеличение степени термодинамического пересыщения обус­ ловливает эффект активизации всех этапов рекристаллизациониых процессов. Изменение кристаллизационных параметров в сторону уменьшения степени термодинамического пересы­ щения приводит к ослаблению процессов возврата и рекри­ сталлизации при отжиге пленок.

153