книги из ГПНТБ / Сухвало, С. В. Структура и свойства магнитных пленок железо-никель-кобальтовых сплавов

смена знака напряжении в соответствующем диапазоне значе­ ний Ти наблюдается и в пленках пермаллоя [251], осажден­ ных на стекло (рис. 27). Отмеченное развитие сжимающих напряжений в определенном диапазоне Гп связывают с окис­ лением пленок в процессе конденсации [252].

Обратим внимание, что в пленках никеля, осажденных на стеклянную подложку, смены знака макронапряжений при увеличении Тп не наблюдается (рис. 28), хотя снижение их величины в определенном интервале Ти может иметь место.

Рис. 27. Зависимость макроиапряженнй в пермаллоевых пленках с небольшим (/) и со значитель­ ным (2) содержанием примеси от температуры подложки [24]

Характерно, что приблизительно аналогичные изменения макронапряжений происходят также при уменьшении плот­ ности потока пара и увеличении давления остаточных газов и угла наклона пучка пара. Так, в пленках железа, осажденных на неподогретой стеклянной подложке в вакууме 10-7 мм рт. ст., макронапряжения достигают величины 1000 Мн/м2 при перпендикулярном падении молекулярного пучка и уменьша­ ются с увеличением угла наклона пучка пара [253]. Аналогич­ ная закономерность наблюдается в пленках никеля и пермал-

Рис. 28. Зависимость макронапряжений в никелевых пленках от температуры подложки [24]. Штри­ ховой линией схематично показа­ но возможное изменение темпера­

туры плавления пленок Т5

лоя. При этом с увеличением угла наклона молекулярного пучка макронапряжения значительно снижаются, затем опять начинают возрастать, причем в пленках пермаллоя наблюда­ ется не только их снижение, но и реверс знака.

Снижение .макронапряжений при увеличении угла наклона пучка пара объясняют образованием цепочек кристаллитов в направлении падения пара и увеличением пористости конден­ сата [254, 255], поскольку поры способствуют разгрузке де­ формации. Вытянутость пор параллельно плоскости падения

130

молекулярного пучка приводит к анизотропии напряжении в пленке: растягивающие напряжения в поперечном направле­ нии оказываются выше, чем в продольном.

В работе [254] высказано также предположение о возмож­ ном влиянии на эффект снижения макронапряжений окисле­ ния межзеренных границ, усиливающегося с ростом угла на­ клона пучка пара из-за снижения эффективной скорости кон­ денсации.

Кинбара [256] предположил, что растягивающиеся напря­ жения в пленках обусловлены наличием прослоек аморфной или мелкокристаллической фазы по границам кристалличе­ ских зерен. Это предположение было использовано в [238] для объяснения изменения макронапряжений при отжиге пле­ нок золота, величина которых по измерениям методом Стони возрастает, по рентгенографическим — снижается. Гоффман [238] объясняет подобное явление как результат рекристал­ лизации зерен и изменения состояния межкристаллитных про­ слоек. При рекристаллизации рентгенографически обнаружи­ вается снятие напряжений в кристаллической фазе — рекристаллизованных зернах. Механический метод Стони фиксирует также возрастание напряжений в неупорядоченных областях межкристаллитных границ. При Та ниже температуры рекри­ сталлизации в пленках должны возникнуть растягивающие напряжения. В этом случае величина остаточных напряжений должна определяться разностью между температурой под­ ложки и температурой рекристаллизации [246].

Однако многие экспериментальные результаты [246, 248— 250, 255] не согласуются с моделью [238, 256]. Заметим так­ же, что в работах [238, 257] обнаружено снижение внутрен­ них макронапряжений в процессе термоотжига. По-видимому, в этом случае также следует допустить возможность воздейст­ вия процессов окисления на знак и величину остаточных на­ пряжений в пленках. Это согласуется с тем, что в пленках меди, в частности, были обнаружены сжимающие напряжения, возрастающие по мере увеличения содержания остаточных газов. Сжимающие напряжения были найдены [246] в плен­ ках алюминия при кристаллизации их в условиях невысокого вакуума (10-4—10-3 мм рт. ст.).

Некоторые особенности зависимости макронапряжений в пленках от кристаллизационных условий объясняются, по-ви­ димому, влиянием текстуры. Текстура кристаллитов проявля­ ется в большинстве случаев в образцах, напыленных при по­ вышенной температуре подложки. Кроме того, как было показано, с изменением термодинамического пересыщения из­ меняется не только степень, но и тип текстуры. Так, например, в образцах пленок железа, конденсированных при Тп=430—' 470 °К, текстуры не наблюдается. При более высоких темпера­

турах подложки в пленках железа возникает аксиальная тек­ стура [100] с ориентировкой, близкой к направлению молеку­ лярного пучка [228]. При этом возникает анизотропия упругой деформации. Этот эффект обусловлен совместным влиянием текстуры и кристаллографической анизотропии мо­ дуля упругости. В текстурованной пленке, осажденной при на­ клонном 'падении молекулярного пучка, анизотропные дефор­ мации зерен еще более усиливаются. Это обстоятельство не­ обходимо учитывать при выяснении причин магнитной анизотропии пленок.

Рис. 29. Зависимость величины расширения дифракционных линии вслед­ ствие влияния внутренних напряжений (1) и термодинамического пересы­ щения (2) от давления остаточных газов для пленок 84% Ni— 16% Fe, по­ лученных при 7'П= 540°К и плотности потока пара 2-1021 см~2-сек_|

Сопоставление зависимости макронапряжений от условий кристаллизации пленок с особенностями изменения темпера­ туры плавления и других изменяющихся при этом тер|М0Динамических величин обнаруживает очевидную их корреляцию. Подобная корреляция в изменении макронапряжений и вели­ чины Ts при вариации температуры подложки схематично по­ казана, например, на рис. 28. В аналогичном соответствии характера изменения термодинамического пересыщения и ве­ личины расширения дифракционной линии вследствие внут­ ренних напряжений в зависимости от давления остаточных газов убеждает рис. 29. Зависимость макронапряжений от плотности потока пара в соответствующем диапазоне значе­ ний также изменяется с переходом через минимум и в целом согласуется с характером изменения величины термодинами­ ческого пересыщения.

Совершенно очевидно, что если при вариации какого-либо кристаллизационного параметра наблюдается изменение тем­ пературы плавления пленок (закономерности были описаны в главе II), то это влечет за собой соответствующее изменение всех факторов, от которых зависит величина макронапряжений как термического, так и кристаллизационного происхождения. В связи с этим при анализе особенностей изменения макрона­ пряжений в пленках в функции условий кристаллизации необ­

132

ходимо исходить прежде всего из характера изменения темпе­ ратуры плавления и термодинамического пересыщения.

Ориентированные и изотропные микронапряжения в плен­ ках железо-никель-кобальтовых сплавов. Макронапряжения и ориентированные микронапряжения (микродеформация ео) рентгенографически одинаково смещают линии. Учитывая это, оценку ориентированной деформации ео целесообразно произ­ водить рентгенографически или электронографически на плен­ ках, снятых с подложки и, следовательно, свободных от тер­ мических макронапряжений пленка—подложка.

Суммарная величина ориентированной и дезориентирован­ ной микродеформации достигает больших значений — 0,3— 0,4%. Направление ориентированной деформации, как прави­ ло, близко к направлению падения молекулярного пучка.

Рассмотрим вкратце известные представления о механизме образования ориентированной микродеформации в поликристаллических пленках, выращенных на изотропных подложках в вакууме. Наиболее обоснованное рассмотрение ориентиро­ ванной микродеформации ео, обнаруженной рядом исследова­ телей, например авторами [24], можно осуществить с учетом факторов структурного происхождения.

Как известно, механизм возникновения ориентированных микронапряжеиий при одноосной пластической деформации массивных образцов металлов и сплавов обусловливается в основном разной степенью пластической деформации на раз­ ных участках зерен [260—265]. Поскольку в пленках дефор­ мации ео ориентирована во многих случаях нормально к плен­ ке, то возникновение деформации нельзя объяснить действием деформационного механизма, так как в процессе кристалли­ зации по нормали к поверхности пленки каких-либо очевид­ ных макроскопических сил указать нельзя. Из этого, однако, не следует, что деформационный механизм вообще исключа­ ется из рассмотрения. Под действием высоких внутренних мак­ ронапряжений в пленке, сцепленной с подложкой, может, повидимому, происходить пластическая деформация, причем воз­ никающая при этом остаточная деформация е0 должна быть направлена в плоскости пленки.

Важным механизмом ориентированных микронапряжений, возникающих в пленках при их кристаллизации, является, со­ гласно [24], образование дисков вакансий, расположенных преимущественно параллельно плоскости пленки. Их образо­ вание может происходить под влиянием резкого охлаждения кристаллизующихся слоев или же под влиянием градиента температур в приповерхностной зоне по нормали к фронту кристаллизации, в результате чего слои у поверхности пленки меньше насыщены вакансиями, чем более глубокие. Поэтому поток вакансий, направленный по нормали к пленке, приводит

133

к .образованию внутри кристаллитов плоских вакансионных скоплений (дисков), ориентированных преимущественно пер­ пендикулярно к направлению этого потока.

При невысокой температуре подложки возможно образо­ вание вакансионных скоплений, играющих роль стоков для избыточных вакансий. Достигнув критического размера, эти скопления захлопываются с образованием мелких дислокаци­ онных петель.

Вокруг дисков вакансий в кристаллите возникают дальнодействующие сжимающие напряжения, а небольшая область

ваться общее смещение дифракционной линии, обусловленное сжатием, что и наблюдается экспериментально.

Смещение дебаевской линии дислокационными петлями установлено теоретически [266, 267], причем в случае умерен­ но искаженных кристаллов эффект должен проявляться силь­ нее, чем в сильно искаженных.

По данным М. А. Кривоглаза [267], смещение дебаевских линий для умеренно искаженных кристаллов описывается соот­

векторов Бюргерса; п£— орт нормали к плоскости дислокаци­ онной петли.

Если дислокационные петли расположены параллельно по­ верхности образца, то, используя (3.18), после соответствую­ щих преобразований получим количественное соотношение

134

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