Структура и перпендикулярная магнитная анизотропия электролитически осажденных пленок никеля и сплавов на его основе

- 2 -
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 5
Глава I. СТРУКТУРА И ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИ ОСАЖДЕННЫХ ПЛЕНОК НИКЕЛЯ И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ (Обзор литературы) ....................................
1.1. Магнитные свойства пленок с перпендикулярной анизотропией ................................. 10
1.2. Перпендикулярная магнитная анизотропия
'электролитически осажденных пленок ... 16
1.3. Текстура роста в электрически осажденных пленках................................. 22
1.4. Структура электролитически осажденных
пленок никеля и сплавов на его основе . . 28
1.5. Двойники в электролитических осадках,
имеющих ЩК решетку....................... 37
1.6. Влияние поверхностно-активных веществ на процесс электрокристаллизации и структуру металлов и сплавов.................................. 43
1.7. Заключение к обзору литературы и постановка задачи.............................................. 47
Глава П. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Методика электролитического осаждения пленок никеля и сплавов на его основе с перпендикулярной магнитной анизотропией ...................... 48
2.2. Методы исследования кристаллической структуры и субструктуры пленок ......................... 49
- З -
Стр.
2.2.1. Электронографический метод........................ 50
2.2.2. Электронномикроскопический метод ................. 55
2.2.3. Методы рентгенографических исследований
субструктуры магнитных шгенок..................... 56
2.3. Методика исследования магнитных характеристик пленок............................................. 62
Глава Ш. ТЕКСТУРА И МОРФОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПЛЕНОК НИКЕЛЯ, НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗО И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗО-МОЛИБДВН С ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ
3.1. Текстура и морфология поверхности подложек. . 64
3.2. Зависимость текстуры пленок от их толщины
и характера подложки ............................. 70
3.3. Действие ПАВ на текстуру пленок............ 78
3.4. Морфология поверхности пленок.............. 85
3.4.1. Зависимость морфологии поверхности пленок от кислотности электролита и плотности тока осаждения....................................... . 85
3.4.2. Влияние ПАВ на морфологию поверхности пленок 92
Глава ІУ. КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ
ПЛЕНОК НИКЕЛЯ, НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗО И НИКЕЛЬ-НЕЛЕЗО-МОЛИБДЕН С ПЕРПЕНДИКУЛЯРНОЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИЕЙ
4.1. Структура переходных слоев пленок ................ 99
4.1.1. Влияние подложки на параметр решетки пленок 99
4.1.2. Изменение структуры и состава пленок на начальной стадии электрокристаллизации......................108
- 4 -
Стр.
4.1.3. Влияние подложки на размер кристаллитов .... 113
4.1.4. Двойники в переходных слоях пленок...........117
4.2. Зависимость структуры пленок от кислотности электролита и плотности тока осаждения . ... 124
4.3. Влияние ШШ на структуру пленок .................. 130
4.3.1. Влияние ПАВ на размеры кристаллитов .............. 130
4.3.2. Влияние ПАВ на размеры блоков когерентного
рассеяния рентгеновских лучей ( LoKp ) и их взаимную разориентировку .......................... 133
4.3.3. Влияние ПАВ на двойяикование в пленках ........... 137
4.3.4. Влияние ПАВ на форму кристаллитов ................ 142
Глава У. ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ И ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ
НА ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРПЕЩЩУЛЯРНОЙ МАГНИТНОЙ АНИЗОТРОПИИ В ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИХ ПЛЕНКАХ НИКЕЛЯ, НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗО И ШКЕЛЬ-ЯЕЛЕЗО-МОЛИБДБН...............147
5.1. Вклад в ПА анизотропии макро- и микрололостей. . 148
5.2. Вклад в ПА текстуры роста ....................... 152
5.3. Вклад в ПА внутренних макронапряжений ( 6т ). . 153
5.4. Вклад в ПА микронапряжений ( б» ).................155
5.5. Вклад в ПА анизотропии формы кристаллитов и
немагнитных включений ............................. 164
5.6. Влияние двойникования на формирование ПА в пленках.........................................165
5.7. Роль подложки в формировании ПА..............170
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ...................... 175
ЛИТЕРАТУРА....................................178
- 5 -
Введение
Ускорение научно-технического прогресса требует сосредоточения усилий на решении такой важнейшей проблемы, как "создание химико-технологических процессов получения новых веществ и материалов с заданными свойствами" /1.1/. Поиски путей решения этих задач привели к созданию новых магнитных материалов, среди которых важное место занимают тонкие магнитные пленки (ТМИ). Это обусловливается многообразием и необычностью их свойств по сравнению с магнитными свойствами массивных материалов. На основе магнитных пленок возможно создание различных микроэлектронных устройств при малой потребляемой мощности и высокой плотности размещения схемных элементов. В физике магнитных пленок особый интерес представляет выяснение природы наведенной магнитной анизотропии. Ее изучение представляет также большое практическое значение, так как с ней теоно связаны доменная структура и процессы перемагничивания пленок.
В настоящее время проявляется большой интерес к пленкам с магнитной анизотропией, перпендикулярной их плоскости. Пленки с перпендикулярной анизотропией (ПА) весьма перспективны для использования в устройствах оптической записи быстро протекающих процессов в качестве магнитоуправляемых дифракционных решеток (2.2, 3.9), а также при вертикальном способе записи информации (ЗЛО).
Пленки с ПА являются в последние годы предметом интенсивного исследования. Основное внимание при этом сосредоточено на вопросах, связанных с выяснением природы перпендикулярной анизотропии,
- 6 -
теоретическом и экспериментальном исследовании распределения намагниченности в пленках. Выяснение природы ПА в электролитически осажденных магнитных пленках самым непосредственным образом связано с исследованием структуры пленок, поскольку структурные механизмы в большинстве случаев вносят решающий вклад в ее формирование. Структура магнитных пленок определяется условиями восстановления ионов на катоде и характером роста электролитических осадков металлов и сплавов. Однако необходимо учитывать также особенности осаждения пленок с ПА, связанные с наличием добавок или примесей в растворе и малой толщиной осадка. Перед исследователями стоит сложная задача установления связи между параметрами, характеризующим процесс электрокристаллизации, структурой и магнитными свойствами тонких пленок. Решение этой задачи позволит практически получать пленки с необходимыми характеристиками для использования в технике.
В связи с этим в настоящей работе поставлены следующие задачи:
1. Изучить текстуру, морфологию поверхности и тонкую структуру электролитических пленок никеля и сплавов на его основе с перпендикулярной магнитной анизотропией.
2. Исследовать механизм влияния поверхностно-активных веществ на структуру электролитических пленок с перпендикулярной магнитной анизотропией.
3. Оценить вклад различных источников в формирование перпендикулярной шгнитной анизотропии электролитически осажденных пленок.
Актуальность темы. Результаты исследования имеют большое значение для выяснения механизма формирования перпендикулярной магнитной анизотропии в электролитически осажденных пленках, а также
- 7 -
выявления закономерностей изменения структуры электроосавденных слоев в зависимости от условий получения. Они представляют также большой интерес при практическом получении пленок с заданными характеристиками, необходимыми для использования в различных устройствах микроэлектроники.
Научная новизна. Проведено комплексное исследование вкладов различных механизмов формирования перпендикулярной магнитной анизотропии в электролитических пленках. Исследована роль двойнико-вания в ГЦК решетках в формировании структуры и морфологии поверхности тонких электролитических пленок. Впервые проведена оценка вклада двойникования в формирование перпендикулярной магнитной анизотропии в пленках. Изучены тонкая структура, текстура и морфология поверхности электролитически осажденных слоев, примыкающих к подложке.
Практическая ценность. Полученные результаты о связи тонкой структуры и перпендикулярной магнитной анизотропии пленок могут быть использованы в качестве физических основ для разработки технологии получения электролитических пленок с заданными характеристиками, необходимыми для использования в устройствах микроэлектроники.
В работе выносятся на защиту следующие положения:
1. Результаты исследования текстуры и морфологии поверхности электролитически осажденных пленок никеля, никель - железо и никель - железо - молибден и переходных слоев пленка-подложка, позволившие выбрать оптимальные режимы электролиза для получения пленок с перпендикулярной магнитной анизотропией.
2. Полученный на основе экспериментальных исследований вывод
- 8 -
о том, что кристаллиты в электролитически осажденных пленках с ПА состоят из чередующихся слоев роста в нормальной и двойниковой ориентации. Слои роста с границами когерентных двойников в свою очередь разбиваются на блоки (субзерна), разделенные зонами с повышенной концентрацией искажений кристаллической решетки или малоугловыми границами. В зависимости от условий электрокристаллизации, текстуры осадка, а также ориентации плоскостей {ill} в кристаллите слои роста располагаются под определенны!® углами к плоскости пленки.
3. Предложенный механизм формирования послойно-столбчатой структуры в электроосажденных пленках с ПА, заключающийся в том, что блоки (субзерна) чередующихся слоев роста в нормальной и двойниковой ориентации могут располагаться один над другим, образуя тем самым столбики в пределах зерна. Ориентация столбиков определяется текстурой пленки и направлением плоскостей двойнико-вания {IIij в кристаллите. При текстуре [ill] , которую имеют пленки, осажденные из электролитов с сахарином, столбики разделяются большеугловыми или некогерентными двойниковыми границами и ориентируются по нормали к плоскости образца.
4. Результаты анализа различных источников перпендикулярной магнитной анизотропии, показывающие, что обусловленная двойнико-ванием послойно-столбчатая структура вносит основной (до 70%) вклад в формирование ПА электролитически осажденных пленок.
5. Предложенный механизм влияния поверхностно-активных веществ на формирование структуры и перпендикулярной магнитной анизотропии электролитически осажденных пленок.
- 9 -
Апробация работы. Материалы работы докладывались на УТ Всесоюзной школе-семинаре по новым материалам для микроэлектроники (Саранск, 1979); Всесоюзном совещании педвузов по магнетизму (Иркутск, 1980), Всесоюзной школе-семинаре по новым магнитным материалам для микроэлектроники (Ашхабад, 1980).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 научных работ.
Объем и структура работы. Работа изложена на 195 листах машинописного текста, содержит 44 рисунка, 16 таблиц и список цитируемой литературы, включающий 153 наименований. Работа состоит из введения, литературного обзора (глава I), описания методики эксперимента (глава 2), экспериментальной части (главы 3, 4 и 5), основных результатов и выводов и списка литературы.
- 10 -
Глава I. СТРУКТУРА И ПЕРПЕНДИКУЛЯРНАЯ МАГНИТНАЯ АНИЗОТРОПИЯ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИ ОСАКДЕНШХ ПЛЕНОК НИКЕЛЯ И СПЛАВОВ НА ЕГО ОСНОВЕ ( ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)
1.1. Магнитные свойства пленок с перпендикулярной анизотропией
Анизотропия формы пленок обусловливает большую энергию размагничивания 2x7} в направлении, нормальном к плоскости плешей. Благодаря этому намагниченность в тонких ферромагнитных пленках имеет тенденцию располагаться в их плоскости, так как в этом случае магнитостатическая энергия близка к нулю. При увеличении толщины до некоторого значения 1гк в пленках появляются составляющая намагниченности и магнитная анизотропия с осью, перпендикулярной их плоскости. Такие пленки игле ют петлю гистерезиса своеобразной формы (рис.1), получившую название закритической в связи с тем, что она характерна для образцов толщиной больше некоторой критической толщины Ьк /3.1/.
Закритическое состояние свойственно широкоглу классу ферромагнитных пленочных материалов, однако исследованно оно главным образом на железо-никелевых пленках.
Пленки, обладающие закритической петлей гистерезиса, характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы Нс и поля насыщения //$ , малой остаточной индукцией и вращательной анизотропией, которая характеризуется порогом обратимого вращения Нр $ а также величиной индукции Вр , соответствующей полю Нр (рис.1).
Закритическое состояние реализуется в некотором интервале толщин . Нижняя критическая толщина характеризует
- II -
л
РисДСхематическое изображение закритической петли гистерезиса
- 12 -
переход из тонкопленочного состояния в закритическое, верхняя критическая толщина А.1* соответствует переходу к массивным образцам. Процесс перехода из тонкопленочного в закритическое состояние выявляется в изменении коэрцитивной силы Цс с толщиной пленки /3.2/ (рис.2). С увеличением толщины коэрцитивная сила сначала уменьшается, а затем резко возрастает до некоторого максимального значения, после чего снова постепенно спадает. Первый (а) участок на кривых соответствует тонкопленочному состоянию, второй (б) -переходу в закритическое состояние и третий (в) - закритической области. Критические толщины 1ьк и \гк и другие параметры, характеризующие закритическое состояние, зависят от магнитных констант материала и от технологических факторов.
В пленках, обладающих перпендикулярной магнитной анизотропией, при толщинах выше критической существует мелкая полосовая или пятнистая доменная структура /2.1/. Плешей состоят из длинных узких доменов, ширина которых сравнима с шириной междомеяных границ и составляет величину от долей микрона до нескольких микрон. При этом намагниченность соседних доменов направлена в противоположные стороны.
Существование переходной толщины, ниже которой ферромагнитный образец находится в однодоменном состоянии и выше которой энергетически более устойчивой становится многодоменная конфигурация с микрополосовой доменной структурой, было предсказано Л.Д.Ландау, Е.И.Лифшицем и Ч.Киттелем /3.3/. Теория доменной структуры с намагниченностью, перпендикулярной плоскости пленки, была в дальнейшем уточнена Малеком и Камберским /3.4/*
В настоящее время имеется целый ряд теоретических моделей распределения намагниченности в пленках с перпендикулярной анизотропией /3.5 - 3.7/. Большинство из них основано на математиче-
- 13 -
\
Рис.2. Зависимость коэрцитивной сшш электроосажденяых
пленок от их толщины: I - Ге-М! ; 2 - Ге-М-Со ; 3 - Ге-Ш-МО /3.2/
- 14 -
ской обработке моделей Ландау - Лифшица - Киттеля. Однако до настоящего времени нет еще достаточного экспериментального материала для решения вопроса о характере доменной структуры, реализующейся в различных условиях в пленках с закритической петлей гистерезиса.
Перпендикулярная анизотропия характеризуется энергией Ек = = К±00У29 , где 9 - угол между вектором намагниченности пленки 7 и нормалью к ее поверхности. Величина определяется многими факторами. Если однородная тонкая пленка находится под действием плоскостных изотропных напряжений (7 , которые могут быть как ежи-глакщими ( б < 0 ), так и растягивающими ( (Г > 0 ), то
К1 = 2яУ}+ 2 бЛ +К1 ' (1)
где Я - постоянная магнитострикции; К[- вклад в константу перпендикулярной анизотропии от магнитостатическои энергии размагничивания, обусловленной немагнитными включениями и столбчатым характером роста пленки. Измерение Кх магнитных пленок проводится методом механических вращающих моментов /3.8/.
Наличие у пленок с полосовой доменной структурой так называемой вращающейся анизотропии (рис.I) делает возможным практическое применение их для запоминающих устройств электронных вычислительных машин /2.2, 3.9/. Наибольший интерес представляет применение этих пленок для плотной и аналоговой записи информации оптическим лучом /2.2/. Сущность данного метода состоит в следующем. Поворот полосовых доменов на углы, зависящие от интенсивности света,может происходить при совместном воздействии лучистого нагрева и вращающего магнитного поля. В слабых полях вектор намагниченности и полосовые домены сохраняют свою ориентацию вследствие коэрцитив-ности пленки. При некоторой критической величине вращающего поля, называемой полем старта ЦСт, полосовые домены поворачиваются в сторону вращающего поля. Поле старта уменьшается при нагревании.
- 15 -
Следовательно, лучистый нагрев может привести к повороту структуры и обеспечить регистрацию оптического сигнала. При записи, в результате лучистого нагрева и понижения Нст , структура поворачивается на угол, зависящий от интенсивности света в данной точке изображения. Следует иметь в виду, что нагрев пленок выше некоторой температуры приводит к необратимому исчезновению ПДС. Отсюда вытекает важность исследования источников ПА. в плешах разных материалов, полученных различными способами, с целью поиска путей ловышения температурной устойчивости ПА.
В последнее время проявляется особый интерес к устройствам с вертикальной магнитной записью информации /ЗЛО/. Для этой цели используются магнитные пленки, способные намагничиваться только в направлении, перпендикулярном поверхности диска, т.е. пленки, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Такие свойства имеют многие магнитные пленки, но лучшие результаты достигнуты яри использовании кобальт - хромовых сплавов, имеющих гексагональную плотяоулакованную структуру. Пленки указанного сплава получаются как вакуумным напылением, так и электролитическим осаждением. При определенных условиях осаждения кристаллиты ориентируются таким образом, что продольная ось С располагается перпендикулярно плоскости пленки и возникает одноосная анизотропия в вертикальном направлении. Вертикальная запись дает возможность повысить поверхностную информационную емкость магнитного диска в 4 - 10 и более раз по сравнению с нынешними системами, в которых применяется продольная запись. При вертикальной записи теоретически достижима поверхностная плотность около 5хЮ5 бит/мм2, тогда как для обычной продольной записи теоретический предел равен 4x10^ бит/мм^.
Это открывает широкие перспективы по развитию техники вертикальной записи.
- 16 -
1.2. Перпендикулярная магнитная анизотропия электролитически осажденных пленок
Большое значение дая развития теории магнитной анизотропии, а также теории доменной структуры ферромагнетиков имеет выяснение причин, обусловливающих перпендикулярную магнитную анизотропию и свойства пленок закритической толщины. В реальных пленках величина константы перпендикулярной анизотропии зависит не только от магнитных характеристик материала, но в значительной степени и от кристаллической структуры слоя. Можно выделить несколько основных причин, обусловливающих магнитную перпендикулярную анизотропию: магнитная кристаллографическая анизотропия, внутренние напряжения и анизотропия формы кристаллитов. Однако возможны условия получения пленок, при которых определяющей будет одна из этих причин.
Наиболее наглядно влияние магнитной кристаллографической анизотропии проявляется в монокристаллических слоях магнитоодноосных материалов, если ось легкого намагничивания не параллельна плоскости слоя. Полосовая доменная структура, характерная для пленок с перпендикулярной анизотропией, обнаружена в крупнокристаллических фольгах кобальта и монокристаллических пластинках никеля /3.11/.
Перпендикулярная анизотропия монет также возникнуть в поли-крнсталлических материалах, обладающих преимущественной ориентировкой кристаллитов /3.12/. Если ось текстуры совпадает с направлением легкого намагничивания кристалла и не параллельна плоскости плешей, а константа магнитной кристаллографической анизотропии сравнительно велика ( К > Ю4 эрг/см3), то наблюдается статистическая магнитная анизотропия с легкой осью в направлении оси текстуры.
- 17 -
Внутренние напряжения 1-го рода (глакронапряжения) или 2-го рода (микронапряжения) могут обусловливать появление перпендикулярной анизотропии в пленках в тех случаях, когда выполняется условие 15б< О /злз/, то есть если внутренние напряжения сжимающие ( б < О ), а магнитострикция материала положительная ( X $ > 0 ); или если пленка находится под действием напряжений растяжения ( б > 0 ), а магнитострикция отрицательная ( X 5 < 0 ). Как
известно, макронапряжения, уравновешивающиеся в макрообъемах, снимаются при отделении пленки от подложки, а микронапряжения остаются неизменными, поскольку они локализованы в пределах одного или нескольких кристаллитов. Если после отделения пленки от подложки вид петли гистерезиса остается характерным для закрити-ческих пленок, то причиной перпендикулярной анизотропии могут быть микронапряжекия. Внутренние сжимающие микронапряжения вызывают появление бугорков на поверхности ультрадисперсных - аморфных пленок. Если магнитострикция материала положительная, то, измеряя параметры бугорков, можно рассчитать константу перпендикулярной магнитной анизотропии /3.14/. Микронапряжения можно существенно уменьшить путем длительного изотермического отжига пленки. Изучение магнитных свойств пленок, подвергнутых изотермическим отжигам, позволяет оценить роль микронапряжеиий в формировании перпендикулярной магнитной анизотропии /3.15/.
Значительную роль в формировании перпендикулярной магнитной анизотропии могут играть структурные факторы. Так, в работе /3.16/ появление ПА связывается с анизотропией формы кристаллитов и немагнитных включений, располагающихся преимущественно по границам зерен. В той же работе сделана оценка константы перпендикулярной магнитной анизотропии на основании простой модели, согласно которой пленка считается состоящей из большого числа одина-