3 Результаты исследований

1. Рентгеноструктурные исследования пленок кобальта

Для получения пленок с требуемыми эксплуатационными характеристиками необходимо знать зависимость их структуры и фазового состава от условий осаждения. Одним из современных методов определения химического и фазового состава кристаллических тел является метод рентгеноструктурного анализа (РСА). В данном разделе представлены результаты РСА-исследований влияния температуры подложки и температуры испарителя на структурные параметры тонких пленок Co, полученных методом химического осаждения из газовой фазы.

Согласно данным РСА образцы пленок Co, осажденные при температуре испарителя Т_исп= 120⁰С и при различных температурах подложки, характеризуются лишь одним дифракционным пиком, расположенным между 2Ө = 44,2 – 44,7^○(Рисунок 9, а).

а

б

Рисунок 9 – Дифрактограммы образцов пленок Co, осажденных при различных температурах подложки и при Т_исп = 120 (а) и 130⁰С (б)

Асимметричное уширение данного пика можно рассматривать как суперпозицию отдельных отражений, соответствующих α-Co и β-Co. Детальный анализ дифракционной картины показывает, что данный дифракционный пик включает в себя отражение от β-Co (111), имеющего ГЦК – решётку, на угле 2Ө = 44,3^○, а также отражение от α-Co (002), характеризующегося ГПУ-решёткой, на угле 2Ө = 44,6^○. Исходя из этого, трудно однозначно определить фазовый состав изучаемых пленок Co.

Как видно из рисунка 9,а, интенсивность дифракционного пика на угле 2Ө = 44.2 – 44.7зависит от температуры подложки. Пленки Co, осажденные при Т_подл = 310⁰С, характеризуются отсутствием отражения от фазы Co. Данный пик появляется лишь при повышении температуры подложки до Т_подл= 330⁰С. При последующем увеличении температуры осаждения он становится более интенсивным и достигает максимума при Т_подл= 350⁰С. Однако дальнейший рост температуры способствует уменьшению интенсивности отражения вплоть до его потери при Т_подл= 420⁰С.

Повышение температуры испарителя до Т_исп= 130⁰С приводит к некоторым изменениям кристаллической текстуры пленок Co (Рисунок 9, б). Дифракционная картина для образцов Co, осажденных при температурах Т_подл= 300 – 340⁰С, содержит дополнительные пики α-Co (100) (2Ө = 41.7^○), α-Co (101) (2Ө = 47.6^○) и β-Co (200) (2Ө = 51.7^○). Интенсивность данных дифракционных пиков также определяется температурой подложки. С увеличением Т_подлот 300 до 320⁰С интенсивность пиков повышается. Однако дальнейший рост температуры подложки до Т_подл= 330 и 340⁰С приводит к постепенному их ослаблению. Стоит отметить, что пленки Co, полученные при температуре подложки Т_подл= 320⁰С, характеризуются наиболее ярко выраженной текстурой (максимальная высота дифракционных пиков), что говорит о высокой степени структурной упорядоченности данных пленок.

Анализ рисунка 9 показывает, что повышение температуры испарителя от 120 до 130⁰С приводит к существенному изменению дифракционной картины пленок Со. Результаты детального исследования влияния температуры испарителя на структуру металлических пленок, осажденных при температуре подложки Т_подл = 330⁰С, представлены на рисунке 10.

Рисунок 10 – Дифрактограмма образцов пленок Co, осажденных при различных температурах испарителя и при Т_подл = 330⁰С

Установлено, что пленки Co, полученные в интервале температур испарителя от Т_исп = 120 до 140⁰С, характеризуются только одним пиком, соответствующим -Co (002) и β-Co (111). Причём интенсивность данного пика повышается с ростом температуры испарителя. Увеличение температуры до Т_исп = 145⁰С способствует возникновению дополнительных отражений α-Co (100), α-Co (101) и β-Co (200), интенсивность которых достигает максимума при температуре испарителя Т_исп = 150⁰С. Однако дальнейший рост температуры испарителя до Т_исп = 155⁰С приводит к исчезновению дополнительных пиков, а также резкому уменьшению интенсивности отражения от основного пика, соответствующего -Co (002) и β-Co (111).

Размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) и микронапряжения в исследованных пленках Co представлены в таблице 2. Из таблицы видно, что размер ОКР пленок, осажденных при Т_исп = 120⁰С, слабо зависит от температуры подложки в диапазоне температур от 300 до 350⁰С. Однако с увеличением температуры свыше Т_подл = 350 ⁰С размер ОКР начинает уменьшаться. Аналогичный характер зависимости размеров ОКР от температуры подложки наблюдается для пленок, осажденных при Т_исп = 130⁰С.

Таблица 2 – Элементный состав, размер ОКР и микронапряжения пленок Co, полученных при различных температурах испарителя Т_испи подложки Т_подл

Тисп, 0С	Тподл, 0С	Элементный состав	ОКР, нм	, ГПа
Первая партия
120	310	Co 91.4%, C 8.3 %, O 0.3%	17	1,7
120	330	Co 89.9%, C 9.5%, O 0.6%	15	1,4
120	350	Co 84.1%, C 11.6%, O 4.3%	19	1,2
120	370	Co 80.0%, C 18.9%, O 1.1%	13	1,4
120	420	Co 44.2%, C 55.7%, O 0.1%	11	0,8
Вторая партия
130	300	Co 84.8%, C 14.2%, O 0.1%, N 0.9 %	35	0,4
130	310	Co 86.5%, C 12. 6%, O 0.2%, N 0.7 %	26	0,5
130	320	Co 92.3%,C 7. 2%, O 0.5%	33	0,2
130	330	Co 93.5%, C 6.0%, O 0.5%	26	0,4
130	340	Co 90.9%, C 8.8%, O 0.3%	20	0,3
Третья партия
120	330	Co 89.9%, C 9.5%, O 0.6%	15	1,4
130	330	Co 93.5%, C 6.0%, O 0.5%	26	0,4
135	330	Co 92.8%,C 6.4%, O 0.8%	39	0,3
140	330	Co 95.1%, C 4.6%, O 0.3%	16	0,4
145	330	Co 94.3%, C 4.8%, O 0.9%	20	0,2
150	330	Co 92.3%,C 7.0%, O 0.7%	16	0,3
155	330	Co 90.9%,C 8.3%, O 0.8%	16	0,1

При этом сопоставление образцов из первой и второй партий позволяет сделать вывод, что при увеличении температуры испарителя от 120 до 130⁰С уменьшается температурный диапазон, при котором пленки характеризуются постоянным размером зерна (если принять допущение, что ОКР тождественен зерну).

Зависимость размеров ОКР пленок Co от температуры испарителя носит экстремальный характер (Таблица 2). С ростом Т_исп от 120 до 135⁰С размер ОКР увеличивается более чем в два раза. Дальнейшее повышение температуры испарителя до Т_исп = 140⁰С приводит к резкому снижению размера ОКР, который сохраняется неизменным вплоть до Т_исп = 155⁰С.

Микронапряжения в пленках Co, осажденных при Т_исп = 120⁰С, снижаются с ростом температуры подложки, в то время как в пленках, полученных при Т_исп = 130⁰С, они остаются постоянны в пределах погрешности измерений (Таблица 2). Стоит отметить, что увеличение температуры испарителя от 120 до 130⁰С приводит к трехкратному уменьшению микронапряжений. При этом дальнейший рост температуры испарителя вплоть до Т_исп = 155⁰С не влияет на величину микронапряжений.

Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии установлено, что температура подложки существенно влияет на элементный состав пленок Со. Как видно из таблицы 2, наряду с атомами Co в исследованных пленках присутствуют атомы углерода, кислорода и азота. В случае Т_исп= 120⁰С увеличение температуры подложки от 310 до 420⁰С приводит к двукратному уменьшению содержания кобальта от 91,4 до 44,2% и к значительному повышению содержания углерода. Данное изменение химического состава объясняет исчезновение дифракционного пика на угле2Ө = 44.2 – 44.7в пленках Co, нанесенных при Т_подл= 420⁰С. Однако в случае Т_исп= 130⁰С степень влияния температуры подложки на элементный состав пленок уменьшается. Так, увеличение температуры подложки от 300 до 330⁰С сопровождается ростом содержания кобальта от 84.8 до 93.5%. Дальнейшее повышение температуры подложки до 340⁰С приводит к обратному снижению содержания кобальта в пленках до 90,9%. Отметим, что варьирование температуры испарителя не влияет на химический состав пленокCo. Согласно таблице 2, содержание кобальта в исследуемых пленках колеблется в пределах 90-95% при изменении температуры испарителя от 120 до 155⁰С.

2. Влияние условий осаждения на морфологию поверхности пленок кобальта

Как видно из рисунков 11,12, пленки Co, нанесенные при температуре испарителя T_исп = 120°С и температуре подложки T_подл = 310-350С, характеризуются зеренной структурой со средним размером зерна 60-70 нм. Однако при повышении температуры подложки до T_подл = 370С пленки Co приобретают ячеистую структуру (Рисунок 11, в). Осаждение при T_подл = 420С сопровождается дальнейшим исчезновением зеренной структуры, а также уменьшение толщины ячеек (Рисунок 11,г)

а

б

в

г

Рисунок 11 – РЭМ-изображения морфологии поверхности пленок Co, нанесенных при температуре испарителя T_исп=120 °С и температуре подложки T_подл= 310 (а), 350 (б), 370 (в) и 420 °С (г)

а

б

в

г

Рисунок 12 – АСМ-изображения морфологии поверхности пленок Co, нанесенных при температуре испарителя T_исп =120 °С и температуре подложки T_подл = 310 (а), 330 (б), 350 (в) и 420 °С (г)

При увеличении температуры испарителя до T_исп = 130 С в пленках Co также удается сформировать ярко выраженную зеренную структуру (Рисунок 13). При этом наблюдается двукратное увеличение среднего размера зерна по сравнению с пленками, полученными при T_исп = 120⁰С (сравни рисунки 12 и 13).Однако, в данном случае уже при температуре подложки T_подл = 340С в исследуемых пленках начинает уменьшаться средний размер зерна и формироваться ячеистая структура.

а

б

в

г

д

Рисунок 13 – АСМ-изображения поверхности пленок Co, нанесенных при температуре испарителя 130⁰С и температурах подложки 300 (а), 310 (б), 320 (в), 330 (г) и 340⁰С (д)

Повышение температуры испарителя до 135⁰С способствует существенному росту среднего размера зерна пленок Co. При этом зёрна приобретают ступенчатую поверхность (рисунок 14, в). Дальнейшее увеличение температуры испарителя последовательно до 145 и до 150⁰С не приводит к значительным изменениям размера зерна и рельефа их поверхности (рисунок 14, г и д). Однако при температуре испарителя, равной 155⁰С, исследуемые пленки приобретают мелкозернистую структуру (рисунок 14, е).

а

б

в

г

д

е

Рисунок 14 – АСМ-изображения поверхности пленок Co, нанесенных при температуре подложки 330⁰С и температурах испарителя 120 (а), 130 (б), 135 (в), 145 (г), 150(д) и 155⁰С (е)

3. Влияние условий осаждения на толщину пленок кобальта

Увеличение температуры подложки приводит к снижению толщины пленок Co и постепенной потере их сплошности. Рисунки 12,г и 15 наглядно демонстрирует формирование островковой структуры в пленке Со, осажденной при T_исп =120 °С и T_подл = 420 °С

Рисунок 15 – Изображение пленки Co, нанесенной на подложку Si при температуре 420 ⁰С и Т_исп = 120 (а) и профилограмма участка А – Б (б); оптическая профилометрия

Сравнение пленок Coиз первой партии, полученных при температурах подложки 350 и 370⁰С, но при разной длительности осаждения, позволяет сделать вывод, что двукратное увеличение времени осаждения (от 2 до 4 часов) приводит к двукратному увеличению толщины пленки (таблица 3, рисунки 16 и 17).

Таблица 3 – Толщина пленок Co, полученных при различных температурах испарителя Т_исп и подложки Т_подл, а также длительности осаждения осаждения

Тисп, 0С	Тподл, 0С	Длительность осаждения, ч	Толщина, нм
Первая партия
120	310	2	50
120	330	2	40
120	350	2	20
120	370	4	40
120	420	2	-*
Вторая партия
130	300	4	190
130	310	4	180
130	320	4	170
130	330	4	140
130	340	4	110
Третья партия
120	330	2	40
130	330	4	140
135	330	2	170
140	330	2	250
145	330	2	190
150	330	2	130
155	330	2	100

* пленки Co имеют островковую структуру

Более существенный рост толщины образцов Coдостигается при увеличении температуры испарителя. Пленки Со, осажденные приT_исп=130 °С в течении 4 часов характеризуются четырехкратным увеличением толщины (таблица 3).

Рисунок 16 – Изображение пленки Co, нанесенной на подложку Si при температуре 350 ⁰С и Т_исп=120 (а) и профилограмма участка А – Б (б); оптическая профилометрия

Рисунок 17 – Изображение пленки Co, нанесенной на подложку Si при температуре 370 ⁰С и Т_исп=120 (а) и профилограмма участка А – Б (б); оптическая профилометрия

Как видно из таблицы 3 толщина пленок Co имеет экстремальную зависимость от температуры испарителя. В интервале от 120 до 140 ⁰C толщина пленок увеличивается от 40 до 250 нм. Однако при дальнейшем увеличении температуры испарителя толщина пленок Co снижается и составляет 100 нм при Т_исп =155 ⁰C (рисунок 18).

Рисунок 18 – Изображение пленки Co, нанесенной на подложку Si при температуре 330 ⁰С и Т_исп=155 (а) и профилограмма участка А – Б (б); оптическая профилометрия