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

С. В. СУХВАЛО

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ПЛЁНОК

ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ-КОБАЛЬТОВЫХ

СП Л А В О В

Ре д а к т о р академик АН БССР Н. Н. СИРОТА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА И ТЕХНИКА» МИНСК 1974

ОТ РЕДАКТОРА

Предлагаемая читателю монография С. В. Сухвало явля­ ется, по-видимому, одной из первых попыток рассмотреть за­ кономерности изменения магнитных и других физических свойств тонких-ферромагнитных пленок в зависимости от их состава, условТнГполучения в связи с особенностями кинетики и термодинамики процессов их кристаллизации. Особое вни­ мание автор уделяет рассмотрению влияния термодинамиче­

книги приводятся экспериментальные данные, полученные са­ мим автором и работающими под его руководством сотрудни­ ками; поэтому она в значительной мере отражает достижения автора.

Развиваемые идеи во многих отношениях новы. Автор из­ лагает их с энтузиазмом. В связи с этим, естественно, могли возникнуть некоторые дискуссионные положения, требующие дальнейшего развития и уточнения.

Отметим последовательно проводимые автором идеи о связи состава пленок, напыляемых в условиях недостаточно высокого вакуума, с технологией их получения. Соответ­ ственно с составом изменяются их эффективные температуры плавления и относительные переохлаждения в зависимости от режима получения от температуры подложки, интенсивно­ сти потока молекул и т. д.

В частности, учитывая привносимые в пленку молекуляр­ ным потоком кислород и азот,, автор выявляет условия, при которых состав пленок может оказаться близким к эвтекти­ ческому, соответствующему наиболее низким температурам плавления. В рассматриваемых неравновесных условиях плен­ ки квазиэвтектических составов обладают своеобразными

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга посвящена исследованию зависимости структуры и свойств железо-никель-кобальтовых пленок от условий кристаллизации и химического состава в широких пределах их изменения. Очевидно, однако, что некоторые за­ тронутые здесь вопросы как по своему значению, так и по ре­ зультатам их решения в данной работе выходят за рамки од­ ного класса пленок и представляют несомненный интерес при рассмотрении проблемы кристаллизации пленок всех мате­ риалов, полученных различными методами.

В первой части книги излагаются закономерности кристал­ лизации пленок из паровой фазы и природа влияния условий роста пленок .на их структуру и физические свойства. Во вто­ рой части книги кратко представлена концентрационная кар­ тина магнитных и некоторых других свойств пленок железо-

•никель-кобальтовых сплавов. Рассмотренные в ней изменения свойств пленок в функции концентрации относятся лишь к од­ ному фиксированному набору кристаллизационных парамет­ ров. Вместе с тем показана тесная связь концентрационных изменений свойств пленок с условиями их роста.

Основой анализа исследуемых явлений выбрано рассмот­ рение термодинамики и отчасти кинетики кристаллизации пленок и происходящих в них структурных и фазовых превра­ щений.

В качестве иллюстративного материала использованы глав­ ным образом результаты совместных работ автора с А. Б. Шифриным, А. И. Демченко, В. В. Невейкиным, Г. В. Макутиным, Ж. П. Трофимовой, В. П. Буланой и другими сотрудни­ ками Института физики твердого тела и полупроводников АН БССР. Результаты из опубликованных работ автора и литера­ турные данные снабжены ссылками на источник. Химический состав рассмотренных в работе сплавов и их пленок выражен преимущественно в атомных процентах.

5

ВВЕДЕНИЕ

Проблема тонких магнитных пленок рассматривается обычно в двух тесно соприкасающихся аспектах-— техниче­ ском и физическом. С одной стороны, изучаются вопросы тех­ нического применения тонких ферромагнитных пленок, напри­ мер, в матричных накопителях и логических схемах; с другой стороны, изучаются свойства тонких пленок, процессы перемагничивания, вскрывающие их физико-химическую природу и принципиальные возможности технического применения.

Применение магнитолленочмых элементов — перспективное направление технического прогресса в области микроэлектро­ ники и вычислительной техники, особенно в системах запоми­ нания дискретной информации.

Высокое быстродействие, малый геометрический размер, незначительное потребление энергии в процессе переключения, возможность построения на пленках моноблочных систем и другие преимущества пленочных элементов открывают новые пути и идеи в решении многих практических задач современ­ ной автоматики и вычислительной техники. Наряду с этим технология магнитных элементов на тонких пленках весьма благоприятна для организации массового и дешевого произ­ водства малогабаритных и экономичных в эксплуатации устройств. Таковы потенциальные возможности тонкопленоч­ ных магнитных элементов, которые многие годы привлекают к себе внимание исследователей и специалистов-практиков.

Многочисленные работы, посвященные исследованию свойств магнитных пленок, привели в последнее время к зна­ чительным успехам в области физики тонких пленок. Однако практика использования ферромагнитных пленок требует значительно большего углубления в познание их физической и физико-химической природы. Широкое практическое исполь­ зование тонких пленок на современном уровне развития

7

тонкопленочной технологии наталкивается на ряд сложных проблем, которые сводятся в основном к отсутствию удовлетво­ рительной воспроизводимости свойств. Вместе с тем обнаружи­ лось, что характеристики реальных пленочных элементов по­ ка значительно ниже теоретически предсказываемых и оче­ видны возможности их совершенствования.

Неудачи, преследовавшие попытки практического исполь­ зования пленочных магнитных элементов в запоминающих и других устройствах, временно ослабили интерес к исследова­ нию пленок. Однако становится все очевиднее, что проблема микроминиатюризации ЭВМ и разлйчного рода электронных устройств не может быть решена в полной мере без разнооб­ разного использования пленочных элементов. Поэтому посто­ янно возрастает актуальность решения основной проблемы, тормозящей использование пленочных элементов в производ­ стве, — создание физической основы технологии получения пленок с заданными и воспроизводимыми свойствами, ста­ бильными при эксплуатации. Очевидно, что при этом наряду с большим числом практически важных вопросов придется ре­ шать ряд задач, представляющих главным обрезом научный интерес.

До настоящего времени не существует теории, которая охватывала бы все или даже основные процессы перемагнич.и- вания, происходящие в тонких пленках, и могла бы предска­ зать зависимость характеристических гистерезисных величин от различных параметров кристаллизации пленок. Еще пол­ ностью не известны причины возникновения наведенной ани­ зотропии, локальных изменений анизотропии в тонких плен­ ках. Имеются весьма неполные данные о характере и меха­ низме связи кристаллической структуры с процессами перемагнич'ивания ферромагнитных пленок и их магнитной анизотропией. Не может считаться понятой кристаллизация пленок, в том числе в магнитном поле, представляющая боль­ шой научный и практический интерес. Недостаточно известны факторы, обусловливающие появление того или иного типа доменной структуры, в том числе ее зависимости от состава, обработки и структурных особенностей.

В ряду перечисленных проблем определяющее значение имеют вопросы выяснения механизма влияния состава и усло­ вий получения на структуру и свойства пленок.

Успешное решение подобной проблемы невозможно, повидимому, на основании исследований бессистемно выбран­ ных составов пленок. Для дальнейшего прогресса в этом направлении необходимо проведение систематических экспе­ риментальных комплексных исследований электрических, маг­ нитных, кристаллохимических и других свойств, определяю­ щих физико-химическую природу вещества пленок, в зависи­

8.

мости от состава и условий получения. ' Применение мето­ дов физико-химического анализа позволяет полудить денные данные об основных закономерностях изменения физических свойств тонких пленок в широком диапазоне концентраций, установить в изучаемых системах области концентраций, в пре­ делах которых пленки обладают наиболее высокими значе­ ниями практически важных свойств, и решить ряд проблем научного плана.

Полное понимание закономерностей кристаллизации пле­ нок и создание обоснованной технолопии их производства не­ возможно при рассмотрении узких диапазонов кристаллиза­ ционных параметров.

Кристаллизация тонких пленок сплавов из паровой фазы в вакууме происходит в условиях значительного пересыщения и переохлаждения. Например, в случае железо-никелевых пле­ нок переохлаждение при конденсации термическим напылени­ ем достигает сотен градусов.

Механизм кристаллизации и структура тонких пленок в большой степени чувствительны к изменению различных ком­ понентов термодинамического пересыщения. Это обстоятель­ ство является одной из причин неоднородности и невоспроиз­ водимое™ свойств тонких пленок, возникающих в результате вариации общего уровня пересыщения при недостаточно точ­ ном воспроизведении условий напыления пленок. Изготовле­ ние пленок в разных диапазонах пересыщения приводит к различным значениям физических параметров пленок в зави­ симости от типа и совершенства текстуры, степени развития фазовых и рекристаллизационных процессов, происходящих во время кристаллизации и последующего отжига. В ряде случаев влияние указанных структурных факторов настолько велико, что может стать причиной появления принципиально новых свойств пленок, например нового типа магнитной ани­ зотропии или доменной структуры и т. д.

Наличие дисперсной несовершенной структуры с высокими внутренними напряжениями свидетельствует о квазиравновесном, пластически деформированном состоянии пленок, опре­ деляемом главным образом величиной термодинамического пересыщения при кристаллизации. Вследствие этого структу­ ра пленок должна закономерно проявлять тенденцию к вос­ становлению равновесного состояния путем активизации про­ цессов структурных релаксаций. Проявление этих процессов— эффект отжига дефектов, возврат, первичная и собирательная рекристаллизация, происходящие во время кристаллизации пленок на подогретой подложке и охлаждения до комнатной температуры, а также при изотермическом отжиге в опреде­ ленном температурном интервале. Термодинамически неустой­ чивая структура тонких пленок, осажденных при значитель­

9