1.2 Влияние условий осаждения на структуру, электрические и магнитные свойства пленок Co

В данном обзоре представлены результаты исследований пленок чистого Co, полученных как методом PVD: импульсно-плазменным испарением [8], магнетронным распылением [9], так и методом CVD [1,2].

В работе [8] исследованы магнитные и электрические свойства, а также их температурные зависимости для Co, полученных в условиях высоких скоростей конденсации (10⁵ – 10⁶ Å/с). Последовательный отжиг выявил несколько неравновесных состояний кобальта при переходе от исходной метастабильной структуры к обычной ГПУ-структуре. Удельное электрическое сопротивление с ростом температуры отжига от 300 до 650 К падает на порядок и приближается к значению, характерному для пленок поликристаллического кобальта. Намагниченность пленок Co имеет экстремальную зависимость от температуры подложки. Показано, что намагниченность и коэрцитивная сила возрастают скачком после проведения отжига.

В работе [9] показано, что увеличение скорости нанесения пленок Co в процессе магнетронного распыления приводит к росту коэрцитивной силы и уменьшению параметра прямоугольности петли гистерезиса. Кроме того, с ростом скорости осаждения увеличивается средний размер зерна пленок Co и изменяется рельеф поверхности: он становится более неоднородным.

В работе [2] показаны закономерности формирования структуры пленок Co, получаемых методом CVD, при варьировании времени осаждения. В частности, с увеличением времени осаждения наблюдается рост среднего размера зерна пленок. Кроме того, исследованы зависимости магнитных характеристик от времени осаждения. Выявлено, что коэрцитивная сила и намагниченность (как остаточная, так и насыщения) возрастают с увеличением продолжительности процесса осаждения пленок Co. Также показано, что магнитные характеристики существенно меняются в зависимости от ориентации приложенного внешнего магнитного поля.

В работе [1] исследовано влияние температуры осаждения на морфологию поверхности пленок Co, полученных методом CVD. Показано, что с увеличением температуры осаждения от 110 до 300 ^оС возрастает шероховатость поверхности пленок. Кроме того, рост шероховатости наблюдается и с увеличением времени их осаждения. Помимо этого, выявлены закономерности изменения магнитных характеристик в зависимости от температуры осаждения пленок. Показано, что коэрцитивная сила уменьшается с ростом температуры осаждения. Остаточная намагниченность и намагниченность насыщения также меняются при варьировании температуры осаждения пленок Co, но их изменение имеет сложный экстремальный характер: отношение остаточной намагниченности к намагниченности насыщения с ростом температуры осаждения сначала увеличивается и достигает максимума, а потом снижается.

1.3 Влияние условий осаждения на структуру и магнитные свойства пленок системы Co-Pt

Пленки системы Co-Pt представляют огромный интерес для исследований благодаря наличию в них перпендикулярной анизотропии, т. е. возможности возникновения в них оси легкого намагничивания, направленной перпендикулярно к плоскости пленки. Данное свойство широко используется для создания устройств с ультравысокой плотностью записи данных.

Плотность записи данных зависит от размера доменов – чередующихся участков на поверхности носителя записи с противоположными направлениями намагниченности. Чем меньше размер домена, тем выше плотность записи информации. В свою очередь, минимальный размер домена, устойчивого к эффекту саморазмагничивания, зависит от величины коэрцитивной силы. Чем больше коэрцитивная сила, тем меньше минимальный размер устойчивого домена (он становится более устойчивым к эффекту саморазмагничивания и к действию внешних магнитных полей). Размер стабильного домена также зависит от толщины пленок. С понижением толщины пленок ослабляется размагничивающее поле доменов и, как следствие, уменьшается их минимальный размер при прежних значениях коэрцитивной силы [10].

Кроме того, для качественного воспроизведения записанной информации (снижения влияния помех на полезный сигнал, повышение чувствительности устройства) необходима высокая остаточная намагниченность носителя (пленки), поскольку именно статическое распределение намагниченности в магнитном слое носителя преобразуется в электрический сигнал. При одинаковой намагниченности насыщения большую остаточную намагниченность будет иметь материал с прямоугольной петлей гистерезиса. Следовательно, материал носителя информации должен характеризоваться гистерезисом с высокой степенью прямоугольности – близкой к единице. В этом случае остаточная намагниченность в материале носителя примерно равна его намагниченности насыщения. В работе [10] указано, что петлю гистерезиса с высокой степенью прямоугольности имеют металлические магнитные пленки с толщинами менее 100 нм. Прямоугольность петли обусловлена скачкообразным перемещением доменных границ, в результате которого изменение намагниченности отстает от изменения напряженности внешнего магнитного поля. Пленки с толщинами более 100 нм характеризуются более плавным размагничиванием. В результате остаточная намагниченность у таких пленок существенно меньше намагниченности насыщения.

Таким образом, материал носителя информации должен обладать высокими значениями коэрцитивной силы, небольшой толщиной (менее 100 нм), высокой остаточной намагниченностью и высокой степенью прямоугольности петли гистерезиса.

Стоит отметить, что перпендикулярная магнитная запись вследствие возможности уменьшения минимальных размеров доменов обеспечивает в несколько раз более высокую плотность записи по сравнению с продольной [10,11]. Из этого следует, что пленки системы Co-Pt, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией, весьма перспективны в качестве материала носителя информации.

В работах [12], [13], [14] и [15] перпендикулярная ось легкого намагничивания пленок системы Co-Pt создавалась путем получения упорядоченной фазы L1₀, представляющую собой тетрагональную гранецентрированную решетку с соотношением постоянных решетки c/a < 1. Данную фазу в пленках системы Co-Pt получали либо в результате их отжига при температурах 600-700⁰С [12,13,15], либо непосредственно сразу после выращивания методом молекулярно-лучевой эпитаксии в высоком вакууме при 627 ⁰С ([14]).

По результатам работы [12] обнаружено значительное увеличение коэрцитивной силы пленок Co-Pt после их отжига при температуре 600 ⁰С в течение 30 минут в атмосфере аргона. Авторы объясняют данное увеличение образованием в результате отжига упорядоченной фазы L1₀. Кроме того, в данной работе указано, что при этом намагниченность насыщения пленок и степень прямоугольности петли гистерезиса также увеличились (Рисунок 5). По мнению авторов, это говорит об отсутствии потерь содержания Co в пленках и реакций окисления после отжига. Стоит отметить, что измерения магнитных характеристик проводились в направлении перпендикулярном к плоскости образца.

Рисунок 5 –Петли гистерезиса, измеренные при комнатной температуре до отжига (as-deposited) и после отжига (annealed), для пленок системы Co-Pt, полученных электрохимическим осаждением на подложки пористого Si.

В работе [13] пленки системы Co-Pt с подслоем Ag были осаждены на стеклянную подложку магнетронным распылением Co, Pt и Ag мишеней при комнатной температуре.

Согласно результатам работы [13] выявлено, что с увеличением температуры отжига от 600 до 700 ⁰С наблюдается рост коэрцитивной силы пленок Co-Pt c подслоем Ag. Причем после отжига при 700 ⁰С коэрцитивная сила пленок повышается с ростом их толщины (в интервале толщин от 1 до 20 нм). Причем она достигает высоких значений (свыше 1000000 А/м).

Также по результатам данной работы установлено, что с ростом температуры отжига от 600 до 700 ⁰С повышается степень прямоугольности петли гистерезиса пленок Co-Pt c подслоем Ag. Причем степень прямоугольности у пленок, отожженных при 700 ⁰С, увеличивается с ростом их толщины до 1 (в интервале толщин от 1 до 20 нм).

Кроме того, было показано, что в интервале толщин 7,5-10 нм наблюдается максимальная разница между значениями прямоугольности петель гистерезиса, полученными в плоскости пленки и перпендикулярно ей, что говорит о наличии высокой перпендикулярной магнитной анизотропии.

В работе [15] также исследованы процессы атомного упорядочения и его влияния на перпендикулярную магнитную анизотропию и коэрцитивную силу в пленках системы Co-Pt. Исследована зависимость коэрцитивной силы от толщины пленок. Показано, что тонкие пленки упорядоченных сплавов становятся магнитоодноосными с легкой осью, нормальной к их плоскости, и могут быть использованы для магнитной и термомагнитной записи и хранения информации.

Пленки были получены методом магнетронного напыления исходных чистых элементов на стеклянные основы.

В исходном состоянии пленки независимо от толщины характеризовались двумя легкими осями намагничивания, расположенными перпендикулярно друг другу в плоскости исследуемых пленок.

Степень прямоугольности петли гистерезиса S исходных пленок Co-Pt составляла 0.6−0.8 для всего изучаемого диапазона толщин 2 < d < 60 нм. Величина коэрцитивного поля этих пленок также не зависела от толщины пленок и составляла 40000 А/м.

После отжига (выдержка при 700 ⁰C в течение 30 мин и охлаждение до 600 ⁰C со скоростью 10 ⁰C/мин, далее отжиг при 600⁰C в течение 60 мин и охлаждение со скоростью 1⁰C/мин) в пленках Co-Pt наблюдается образование упорядоченной фазы типа L1₀ (тетрагональная гранецентрированная решетка с соотношением постоянных решетки c/a < 1), причем ориентация тетрагональных кристаллитов относительно плоскости пленки зависит от ее толщины.

Впленках толщиной 2−20 нм кристаллиты тетрагональной фазы ориентируются осью _c_ нормально к плоскости пленки. В пленках, имеющих большие толщины наблюдаются участки с чередованием полос разного контраста по направлениям [100]. При образовании в пленках упорядоченной тетрагональной фазы магнитная анизотропия пленок претерпевает существенные изменения. Поскольку ось _c_ тетрагональных фаз является осью легкого намагничивания, тонкие пленки упорядоченных сплавов становятся магнитоодноосными с легкой осью, нормальной к их плоскости. Величина коэрцитивного поля Hc для пленок с толщиной, превосходящей 20 нм , менялась в пределах 8−12 kOe. В свою очередь, величина Hc термообработанных пленок с d < 20 нм зависит от толщины образца. Коэрцитивное поле, измеренное в легком направлении намагничивания, увеличивается от 1,5 до 9 kOe при изменении толщины пленок от 5 до 20 нм (Рисунок 6). Петли гистерезиса этих пленок характеризовались величиной параметра S = 1.

Рисунок 6 – Зависимость величины коэрцитивного поля Hc, измеренного в легком направлении намагничивания, от толщины пленок системы Co-Pt

В работах [16] и [17] перпендикулярная ось легкого намагничивания возникала вследствие образования низкотемпературной упорядоченной фазы L1.

В работе [16] показаны фазовые превращения пленок Co-Pt, осажденных на подложки MgO (111) при различных температурах.

Установлено, что при температурах осаждения от комнатной до 250 ⁰С существует неупорядоченная фаза А1. В интервале температур от 250 до 500 ⁰С наблюдается упорядоченная фаза L1. При дальнейшем увеличении температуры осаждения вновь присутствует фаза А1 вплоть до 700 ⁰С. В интервале от 700 до 750 ⁰С пленки имеют упорядоченную фазу L1₀.

Выявлено, что для фазы L1 характерны большие значения степени прямоугольности в перпендикулярном к плоскости пленки направлении и меньшие значения коэрцитивной силы по сравнению с L1₀ фазой. При этом для фазы L1 наблюдается наибольшее значение перпендикулярной магнитной анизотропии (Рисунок 7).

Рисунок 7 – Продольные (in-plane) и перпендикулярные (out-of-plane) петли гистерезиса пленок системы Co-Pt, осажденных при различных температурах от комнатной до 750 ⁰С

В работе [17] также наблюдается низкое значение коэрцитивной силы и высокая степень прямоугольности пленок системы Co-Pt, осажденных при 417 ⁰С, при намагничивании перпендикулярно к плоскости образца (Рисунок 8). Вероятно, это связано с образованием упорядоченной фазы L1.

Рисунок 8 – Петли гистерезиса, измеренные при 30 K параллельно и перпендикулярно к плоскости пленок Co-Pt, осажденных при 417 ⁰С

1. Постановка задачи

Проведенный обзор литературы показал, что пленки системы Co-Pt являются перспективными для исследований и практического применения ввиду возможности возникновения в них перпендикулярной магнитной анизотропии, позволяющей создавать магнитные носители с ультравысокой плотностью записи данных. Пленки системы Co-Pt получали различными методами (электролитическим осаждением, магнетронным распылением, молекулярно-лучевой эпитаксией), но среди них отсутствует метод CVD, обладающий рядом преимуществ. Данный метод позволяет получать тонкие пленки с различной морфологией поверхности и структурой (варьировать размер и форму зерен, дефектность, текстуру, а также фазовый и элементный состав пленок в процессе их роста), эффективно управлять толщиной пленок и изменять ее в широком интервале, осаждать пленки на подложки различной природы. Но существует проблема выбора оптимальных параметров осаждения для получения металлических пленок с заданными свойствами. При этом для каждого материала пленок существуют свои оптимальные условия осаждения, при которых пленки характеризуются наилучшим сочетанием свойств. Исходя из этого, для облегчения исследования пленок системы Co-Pt и нахождения оптимальных параметров их получения, целесообразно сначала определить оптимальное сочетание параметров CVD-осаждения для пленок Co и Pt по отдельности. Влияние условий CVD-осаждения на свойства пленок Co уже изучалось [3]. Однако практически отсутствуют исследования для пленок Co, полученных из диимината кобальта Co(N’acN’ac)₂, применяемого в качестве предшественника. Учитывая данный факт, а также то, что дииминаты металлов обладают рядом преимуществ: отсутствием кислорода, высокими летучестью, стабильностью, чистотой разложения и практическим выходом [5], целью данной работы является определение оптимального сочетания параметров осаждения: температуры подложки и температуры испарителя, при которых пленки Co, полученные методом CVD из Co(N’acN’ac)₂, характеризуются наилучшими магнитными и электрическими свойствами.

Для выполнения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать влияние длительности осаждения, температуры подложки и температуры испарителя на толщину, фазовый и элементный состав, морфологию поверхности и структурные параметры (текстуру, размер областей когерентного рассеяния, величину микронапряжений) пленок Co.

2. Исследовать зависимость удельного электрического сопротивления и магнитных характеристик (остаточной намагниченности, намагниченности насыщения и коэрцитивной силы) пленок Co от их структуры и элементного состава.