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

может оставаться неизменной лишь исключительно в услови­ ях сверхвысокого вакуума. Обратим внимание на то, что при

Рис. 5. Зависимость температуры плавления пленок никеля, полученных в вакууме 1СМ мм рт. ст. при плотностях потока пара 2-1022 (/), 3,5-1022

60

если температуру подложки выбрать достаточно высокой, а плотность потока пара низкой.

Учитывая истинные температуры плавления пленок, опре­ делим переохлаждение AT = TS—Тп на фронте .кристаллизации при различных температурах подложки (рис. 6). Как видно, достигаемое переохлаждение не столь велико, как это следо­ вало бы ожидать при отождествлении температуры плавле­ ния макрообразцов и пленок.

Согласно полученным результатам, можно констатировать также весьма неаддитивное изменение величины АТ при ва­ риации температуры подложки. Примечательно при этом, что степень переохлаждения АТ изменяется не только при изме­ нении температуры подложки, как обычно принимается, но и при изменении давления остаточных газов и плотности по­ тока пара. Совместное влияние указанных факторов приводит к крайней неоднозначности вида зависимости AT=f(Tlt) вследствие неоднозначности изменения Та в каждом отдель­ ном случае. Разнообразие вида зависимости AT=f(Tn) при ва­

61

вия кристаллизации на две области. С одной стороны нахо­ дится область пересыщений, соответствующих монокристаллическому росту пленок, с другой — полукристаллическому. Графическая зависимость T3=f(AZn) представляет собой своего рода фазовую диаграмму, которая является инвариант­

рых изображается зависимость Тд от температуры подложки.

Рис. 8. Зависимость энтропии кристаллизации (а) и свободной энергии активации процесса роста (б) пленок никеля, полученных в вакууме

10~4 мм рт. ст. при плотностях потока пара 2-1023 (/), 6-1022 (2) и 3,5-1022

см -2-сек-1 (3), от температуры подложки

63

Итак, в отличие от функциональных кривых vp=f (Tn) ха­ рактер зависимости скорости роста пленок от величины пере­ охлаждения на фронте кристаллизации четко однозначен и всегда имеет прямолинейный ход. Может изменяться лишь наклон прямой.

Факт прямолинейной зависимости vp = f(AT) означает, что в рассмотренном нами диапазоне условий осуществляет­ ся механизм нормального роста пленок, особенности которого были описаны в предыдущей главе. Следовательно, лолучеи-

Рие. 9. Зависимость свободной энергии активации процесса роста пленок железа, полученных в вакууме 10-4 мм рт. ст. при плотности потока пара 1,4-1023 см-2 -сек-1, от температуры подложки

ные экспериментальные результаты соответствуют теоретиче­ ски ожидаемым закономерностям [130, 173—178].

Наряду с изложенным прямолинейность хода зависимости uP = f(-^T) свидетельствует о том, что температура фронта кристаллизации пленок в рассмотренных выше случаях соот­ ветствует истинной. Напомним в связи с этим, что применяе­ мая нами методика определения величин АТ и Ts основыва­ ется на отождествлении температуры подложки и температу­

менно отклонилась бы от прямолинейной. Между тем каждая из прямых, приведенных на рис. 7, соответствует разным тем­ пературам испарителя, т. е. разным энергиям частиц, однако прямолинейность функциональной зависимости сохраняется. Проверка показала, что для пленок никеля изменение темпе­ ратуры испарителя от 1600 до 2700 °К не нарушает прямоли­ нейного хода функции vp = f(AT). Это является одним из эк­ спериментальных доказательств правомерности отожде­ ствления температуры подложки с температурой фронта кристаллизации. Аналогичный вывод о возможности подоб­

G4

ного отождествления можно, по-видимому, сделать на основа­ нии данных, приведенных в [174] для пленок германия,, полученных термическим напылением.

Показательно, что во многих случаях изменению темпера­ туры плавления пленок сопутствует изменение их термодина­ мических характеристик. На рис. 8 и 9 показаны отдельные примеры подобных изменении. Их обсуждение будет прове­ дено в последующих разделах.

§ 2. Пересыщение паровой фазы, плотность потока пара

Еще раз напомним основные технологические факторы, сводящиеся практически к изменению плотности потока пара или пересыщения паровой и конденсированной фаз. Это прежде всего температура и геометрия испарителя, темпера­ тура плавления вещества, расстояние от испарителя до под­ ложки, напряжение на аноде при катодном распылении, угол наклона пучка пара, глубина вакуумизации. Два последних из перечисленных факторов не связаны непосредственно с пересыщением или плотностью потока пара. Они изменяют лишь эффективные значения указанных величин, а точнее, пересыщение в адсорбированном слое. Действительно, напри­ мер, при ухудшении вакуума увеличивается число реиспаренных атомов при неизменном, иногда достаточно высоком чис­ ле падающих атомов. Реиспарение здесь следует понимать в. том смысле, что не все падающие молекулы или атомы пара образуют связи.

Как известно, число частиц, способных к образованию связей с атомами подложки, пропорционально произведению

в недостаточно высоком вакууме указанное произведение су­ щественно снижается, что обычно принято выражать через степень изменения коэффициента конденсации. Аналогична ситуация при косом напылении пленок, когда при высоких плотностях потока пара коэффициент .конденсации может существенно уменьшиться в результате косинусного отраже­ ния падающих на подложку атомов. В других отмеченных случаях пересыщение в адсорбированном слое находится в прямой зависимости от пересыщения паровой фазы, т. е. от величины п/Пе=р/ре, где пе, ре, п и р — равновесные и нерав­ новесные значения числа адатомов и давления пара соответ­ ственно.

Поскольку термодинамическое пересыщение является эк­ стенсивной характеристикой, т. е. зависящей от количества частиц, то увеличение плотности потока пара, или пересыще­ ния, приводит к росту величины AZn. В соответствии с этим скорость роста также является возрастающей функцией плот­ ности потока пара. Однако подобная однозначность зависи­ мости величин Up .и AZn от плотности потока выполняется лишь для пленок, полученных в высоком вакууме, где исклю­ чается влияние каких-либо примесей. В условиях, способ­

ствующих развитию тер­ мохимических реакций с остаточными газами (низ­ кий вакуум; высокий ва­ куум, но низкая плотность потока при высокой тем­ пературе и т. д.), вслед-

S n ,C M -2 c e i r '

ствие изменения температуры плавления и кинетики кристал­ лизации характер зависимостей AZn и ир от плотности потока пара становится существенно неоднозначным и определяется сочетанием температуры подложки и давления остаточных газов и некоторых других технологических параметров.

Как видно из рис. 10, в области высоких плотностей по­ тока пара So скорость роста пленок линейно увеличивается. Отметим, что при таком изменении ир температура плавления Ts остается практически неизменной. В области более низких плотностей потока Ts начинает изменяться. На рис. 11, напри­ мер, можно четко зафиксировать величину S0, начиная с ко­ торой наступает изменение Ts, в некоторых случаях весьма резкое. Суть указанных изменений сводится к тому, что с уменьшением плотности потока пара величина Ts при неко­ торых критических условиях вначале в той или иной мере уменьшается, а затем .начинает увеличиваться. Степень сни­ жения- Ts и величина S0, при которой наступает экстремальная смена характера изменения Ts, зависят от состава пленки и сочетания температуры подложки и давления остаточных га­ зов. При высоких Гп и давлении остаточных газов экстремум (точка резкого изгиба) зависимости Ts— f(S0) наблюдается

«6

■при более высоких плотностях потока, причем степень сниже­ ния Ts в таких случаях существенно больше. Характерно, что зависимость Ts— f(S0) для случая весьма высоких температур подложки и давлений остаточных газов проходит через ряд последовательных минимумов (снижений Ts).

Рис. 11. Зависимость температуры плавления Ts от плотности потока пара

скорости роста пленок и изменения температуры их плавле­ ния при росте Тп значительно расширяется. Этот факт согла­ суется с возрастанием в аналогичных условиях интенсивности хемосорбции.

Поскольку при низких плотностях потока пара из-за низ­ кого соотношения числа частиц пара и адсорбированных га­ зовых молекул температура плавления изменяется, то при неизменной Тп происходит снижение или возрастание вели­ чины переохлаждения АТ на фронте кристаллизации. Как будет показано, совершенно аналогичные эффекты лежат в основе изменения переохлаждения при увеличении давления остаточных газов и угла наклона пучка пара.

Обращаем внимание на тот факт, что если зависимость vp= f(S0) перестроить в координатах (vp, АТ) или (vv, AZn), то во всех условиях будет иметь место прямолинейное изме­ нение vp.

Величины энтропии процесса кристаллизации и термоди­ намического пересыщения в отдельных диапазонах условий

изменяются пропорционально изменению плотности потока пара (рис. 12). Однако такая закономерность нарушается в условиях значительного развития термохимических реакций и образования химических соединений.

Проанализированные закономерности 'роста пленок нике­ ля и железа в условиях изменяющейся плотности потока пара S 0 в главных чертах остаются справедливыми и для пленок сплавов железо-никель-кобальтовой системы. Возникающая наряду с отмеченным сходством специфика рассматриваемых

Рис. 12. Зависимость термодинамического пересыщения (а) и энтропии про­ цесса кристаллизации (б) от плотности потока пара для пленок никеля, полученных в вакууме 10-4 мм рт. ст. при 7‘П= 500°К

закономерностей для пленок разных составов обусловлена прежде всего различием в химическом сродстве компонентов сплава к остаточным газам, а также рядом других особенно­ стей их свойств.

Заметим, что для пленок сплавов исследование зависимо­ сти Vj, = f.(S0) при изменяющейся температуре испарителя су­ щественно осложнено наличием фракционирования упруго­ сти пара отдельных компонентов сплава. Как известно, в по­ добных случаях 'наблюдается обеднение пленки компонентом с меньшей упругостью пара. Поэтому анализ зависимостей Vp=f(S0) мы ограничим лишь случаем пленок чистых ме­ таллов.

68

§3. Влияние на скорость роста

итемпературу плавления пленок магнитного поля

инаклонного напыления

Наличие влияния напряженности магнитного поля на скорость роста и величину температуры плавления пленок кажется на первый взгляд поразительным. По своему харак­ теру указанное влияние в некотором отношении принципиаль­ но отличается от влияния, например, температуры подложки или давления остаточных

пряженности поля общий уровень скорости роста несколько снижается, что может быть .связано с изменением кинетических условий роста. Вместе с тем при возрастании напряженности магнитного поля наблюдается более интенсивное снижение температуры плавления пленок в экстремальных точках и бо­ лее резкое ее последующее возрастание.

С другой стороны, магнитное поле сдвигает ординаты ми­ нимальных и максимальных значений ир и Ts. Аналогичным образом изменяется и величина .переохлаждения на фронте кристаллизации (см. рис. 13). Указанный эффект сдвига—- наиболее существенная особенность влияния магнитного поля на кристаллизацию пленок.

69