Исследование влияния параметров MOCVD-осаждения на структуру, электрические и магнитные свойства тонких пленок Со

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт физики высоких технологий

Направление подготовки Материаловедение и технологии материалов

Кафедра Материаловедение в машиностроении

БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА

Тема работы

Исследование влияния параметров MOCVD-осаждения на структуру, электрические и магнитные свойства тонких пленок Со

УДК 538.95

Студент Хайруллин Рустам Равильевич

Руководитель

Зав. лаб. ФПЯ ИФПМ СО РАН Панин А. В Д. ф.-м.н., доцент

КОНСУЛЬТАНТЫ:

доцент Петухов О. Н. К.э.н., доцент

По разделу «Социальная ответственность»

Доцент Кузнецов В. П. К.т.н

Томск - 2014 г.

Планируемые результаты обучения по программе 150100 (бакалавриат)

Код результата	Результат обучения
Общекультурные компетенции
Р1	Способность применять основные положения и методы социальных, гуманитарных и экономических наук при решении социально-общественных и профессиональных задач, способность анализировать социально-значимые проблемы и процессы. Осуществлять коммуникации в профессиональной среде и в обществе в целом, в том числе на иностранном языке.
Р2	Демонстрировать понимание сущности и значения информации в развитии современного общества, владение основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации; использование для решения коммуникативных задач современных технических средств и информационных технологий.
Р3	Способность самостоятельно применять методы и средства познания, обучения и самоконтроля, осознавать перспективность интеллектуального, культурного, нравственного, физического и профессионального саморазвития и самосовершенствования, уметь критически оценивать свои достоинства и недостатки.
Р4	Способность эффективно работать в кооперации с коллегами, находить организационно-управленческие решения в нестандартных ситуациях и готовность нести за них ответственность, владеть основами общего и производственного менеджмента и использовать их в профессиональной деятельности.
Р5	Демонстрировать знание правовых, социальных, экологических и культурных аспектов комплексной инженерной деятельности, осведомленность в вопросах охраны здоровья, использовать методы и приемы организации труда, обеспечивающие эффективное, экологически и технически безопасное производство.
Профессиональные компетенции
Р6	Умение использовать базовые знания математических и естественнонаучных дисциплин и дисциплин общепрофессионального цикла в объеме, необходимом для использования в профессиональной деятельности основных законов соответствующих наук, разработанных в них подходов, методов и результатов математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования в комплексной инженерной деятельности с целью моделирования объектов и технологических процессов в машиностроении.
Р7	Умение использовать традиционные и новые технологические процессы, операции, оборудование, нормативные и методические материалы по технологической подготовке производства, качеству, стандартизации и сертификации изделий и процессов, умение выбора материалов для заданных условий эксплуатации с учетом требований технологичности, экономичности, надежности и долговечности, экологических последствий их применения.
Р8	Умение применять основы высокотехнологичного инновационного менеджмента, в том числе малого бизнеса, владеть навыками в организации и техническом оснащении рабочих мест; разработке оперативных планов работы первичных производственных подразделений, оценке рисков и определении мер по обеспечению экологической и технической безопасности разрабатываемых материалов, техники и технологий.
Р9	Умение использовать принципы и методики комплексных исследований, испытаний и диагностики, обработки и модификации материалов, изделий и процессов их производства, включая стандартные и сертификационные испытания; умение применять технические средства для измерения и контроля основных параметров технологических процессов, свойств материалов и изделий из них.
Р10	Умение применять современные информационно-коммуникационные технологии, глобальные информационные ресурсы в научно-исследовательской и расчетно-аналитической деятельности в области материаловедения и технологии материалов.
Р11	Умение использовать на практике современные представления наук о материалах, взаимодействии материалов с окружающей средой, владение навыками сбора данных, изучения, анализа и обобщения научно-технической информации по тематике исследования, разработки и использования технической документации, основных нормативных документов по вопросам интеллектуальной собственности, подготовки документов к патентованию, оформлению ноу-хау.
Р12	Способность комплексно оценивать и прогнозировать тенденции и последствия развития науки о материалах, на основании комплексной оценки формулировать научно-техническую проблему в области изготовления, диагностики и применения наноматериалов. Знание внутри- и междисциплинарных связей в сфере профессиональной деятельности.

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт физики высоких технологий

Направление подготовки Материаловедение и технологии материалов

Кафедра Материаловедение в машиностроении

УТВЕРЖДАЮ:

Зав. кафедрой

_________________ Панин В. Е.

ЗАДАНИЕ

на выполнение выпускной квалификационной работы

В форме:

Бакалаврской работы

Студенту:

Хайруллин Рустам Равильевич

Тема работы:

Исследование влияния параметров MOCVD-осаждения на структуру, электрические и магнитные свойства тонких пленок Co

Утверждена приказом директора ИФВТ

Приказ № 2192/с от 16.04.2014 г._

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:

Исходные данные к работе (наименование объекта исследования или проектирования; производительность или нагрузка; режим работы (непрерывный, периодический, циклический и т. д.); вид сырья или материал изделия; требования к продукту, изделию или процессу; особые требования к особенностям функционирования (эксплуатации) объекта или изделия в плане безопасности эксплуатации, влияния на окружающую среду, энергозатратам; экономический анализ и т. д.).	В работе исследовали тонкие пленки Co, нанесенные методом CVD на подложки Si (100). В качестве предшественника использовали дииминат кобальта Co(N'acN'ac)2. Длительность осаждения всех исследованных образцов составляла 2-4 часа, в качестве газа-носителя использовали Ar (скорость подачи 1л/ч), а в качестве газа-реактанта - H2 (скорость подачи 4 л/ч), давление в камере осаждения составляло 1 атмосферу. Были исследованы 3 партии образцов. В первой партии была зафиксирована температура испарителя, равная Тисп = 1200С, при этом температура подложки варьировалась в пределах Тподл = 310420 0С. Во второй партии также зафиксирована температура испарителя (1300С), а температура подложки изменялась от 300 до 3400С. В третьей партии температура подложки была постоянной (3300С), а температура испарителя варьировалась в интервале от 120 до 1550С. Пленки кобальта не токсичны. Стоимость одного образца с учетом транспортных расходов составляет 350 р. Всего исследовано 17 образцов.
Перечень подлежащих исследованию, проектированию и разработке вопросов (аналитический обзор по литературным источникам с целью выяснения достижений мировой науки техники в рассматриваемой области; постановка задачи исследования, проектирования, конструирования; содержание процедуры исследования, проектирования, конструирования; обсуждение результатов выполненной работы; наименование дополнительных разделов, подлежащих разработке; заключение по работе).	1. Литературный обзор, включающий сравнительный анализ методов нанесения металлических пленок, а также основные моменты работ российских и зарубежных исследователей по магнитным и электрическим свойствам пленок кобальта. 2. Исследование морфологии поверхности, проведение рентгеноструктурных исследований, измерение толщины, магнитных и электрических характеристик пленок кобальта. 3. Обсуждение результатов работы 4. Установление оптимальных режимов получения пленок кобальта с наилучшими магнитными и электрическими свойствами. 5. Дополнительные разделы: «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение», «Социальная ответственность».
Перечень графического материала (с точным указанием обязательных чертежей)	Презентация ВКР в Power Point
Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы (с указанием разделов)
Раздел	Консультант
Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение	О.Н. Петухов, доцент, НИ ТПУ
Социальная ответственность	В.П. Кузнецов, доцент, НИ ТПУ
Названия разделов, которые должны быть написаны на русском и иностранном языках:
Реферат

Дата выдачи задания на выполнение выпускной квалификационной работы по линейному графику

Задание выдал руководитель:

Должность	ФИО	Ученая степень, звание	Подпись	Дата
Зав. лаб. ФПЯ ИФПМ СО РАН	Панин А. В.	Д. ф.-м.н., доцент

Задание принял к исполнению студент:

Группа	ФИО	Подпись	Дата
4Б00	Хайруллин Рустам Равильевич

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа 96 с., 24 рис., 15 табл., ___27_____источников, 0 прил.

Ключевые слова: пленки Co, CVD, температура подложки, температура испарителя, микронапряжения, химический состав, морфология поверхности, остаточная намагниченность, намагниченность насыщения, коэрцитивная сила, удельное электрическое сопротивление.

Объектом исследования является (ются) пленки Co, нанесенные на подложки Si методом CVD.

Цель работы - исследование возможности получения пленок Co методом CVD из диимината кобальта Co(N'acN'ac)2 с заданными магнитными и электрическими свойствами.

В процессе исследования проводились экспериментальные работы по изучению влияния условий CVD-осаждения на структуру, электрические и магнитные свойства пленок Co.

В результате исследования установлено, что пленки Co с высокими магнитными и электрическими характеристиками получаются при температуре испарителя, равной 130 оС, и при температуре подложки, равной 320-330 оС.

Степень внедрения: выполнен эксперимент

Область применения: создание на основе пленок Co высокочувствительных магнитных датчиков, способных регистрировать слабые магнитные поля движущихся объектов. Данные датчики могут применяться в технических средствах охраны, обнаружителях металлов , регистраторах железнодорожного подвижного состава и автомобильного транспорта.

Экономическая эффективность/значимость работы: полученные результаты будут использованы для исследования влияния условий CVD-осаждения на структуру и магнитные свойства пленок системы Co-Pt, которые являются перспективным материалом для создания устройств хранения информации с высокой плотностью записи данных.

В будущем планируется исследование возможности получения пленок системы Co-Pt методом CVD с заданными магнитными свойствами.

ABSTRACT

Graduate work 96 p., 24 fig., 15 tables, _27_references, 0 app.

Keywords: Co films, CVD, substrate temperature, vaporization temperature, microstresses, chemical composition, surface morphology, residual magnetization, saturation magnetization, coercive force, electrical resistivity.

The objects of study are Co films deposited on Si substrates by CVD.

The aim of this research - to investigate the possibility of Co films deposition by CVD from cobalt diiminate Co(N'acN'ac)2 with required magnetic and electrical properties.

Experimental researches of the effects of CVD conditions on the structure, electrical and magnetic properties of Co films were carried out.

As a result it was found that Co films deposited at vaporization temperature 130 оС and substrate temperature 320-330 оС were characterized by high magnetic and electrical characteristics.

The degree of an introduction: the experiment was carried out.

The area of application: a creation of sensitive magnetic sensors based on Co films. These sensors are able to detect weak magnetic fields of moving objects and can be applied in technical means of protection as well as in detectors of metals, rolling stocks and road transports.

Economic efficiency / value of the work: the obtained results will be used for an investigation of the effects of CVD conditions on the structure and magnetic properties of Co-Pt films that are perspective materials for a creation of data storage devices with high density recording.

In the future it is planned an investigation the possibility of Co-Pt films deposition by CVD with required magnetic properties.

Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки

В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:

коэрцитивная сила: Величина внешнего магнитного поля, которую необходимо приложить к предварительно намагниченному телу, чтобы полностью его размагнитить.

остаточная намагниченность: Величина магнитного момента единицы объема, которую имеет материал при отсутствии внешнего магнитного поля.

намагниченность насыщения: Максимальная величина магнитного момента единицы объема, которой характеризуется материал, находящийся во внешнем магнитном поле.

область когерентного рассеяния: Определенная область материала, рассеивающая падающее излучение когерентно.

микронапряжения: Напряжения, возникающие в поликристаллическом материале между отдельными кристаллитами или внутри них.

В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты:

1. ГОСТ 12.0.003-74 ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация.

2. ГОСТ 12.1.005-88 ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

3. ГОСТ 12.1.030-81 ССБТ. Электробезопасность. Защитное заземление и зануление.

4. ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов.

5. ГОСТ 12.2.032-78 ССБТ. Рабочее место при выполнении работ сидя. Общие эргономические требования.

6. СНиП 2.01.02-85. Противопожарные нормы.

7. СНиП II-2-80. Противопожарные нормы проектирования зданий и сооружений.

8. СНиП II-4-79. Естественное и искусственное освещение.

9. СН 181-70. Указания по проектированию цветовой отделки интерьеров производственных зданий промышленных предприятий.

10. СН 245-7. Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий.

11. СП 2.2.1.1312-03. Гигиенические требования к проектированию вновь строящихся и реконструируемых промышленных предприятий

12. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы.

Оглавление

Введение

1. Обзор литературы

1.1 Получение металлических пленок и покрытий методами CVD и PVD

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

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

1.4 Постановка задач

2. Объект и методы исследования

2.1 Материалы исследования

2.2 Методика эксперимента

3. Результаты проведенного исследования

3.1 Рентгеноструктурные исследования пленок кобальта

3.2 Влияние условий осаждения на морфологию поверхности пленок кобальта

3.3 Влияние условий осаждения на толщину пленок кобальта

3.4 Магнитные и электрические свойства пленок Co

3.5 Обсуждение результатов

Задание для раздела «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»

4. Раздел «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»

4.1 Классификация НИР

4.2 Разделение НИР на этапы

4.3 Определение трудоемкости этапов НИР

4.4 Составление сметы затрат

4.4.1 Затраты на амортизацию оборудования

4.4.2 Затраты на основные и вспомогательные материалы

4.4.3 Затраты на заработную плату

4.4.4 Страховые отчисления

4.4.5 Затраты на электроэнергию

4.4.6 Смета затрат на НИР

Задание для раздела «Социальная ответственность»

5. Раздел «Социальная ответственность»

5.1 Введение

5.2 Техногенная безопасность

5.2.1 Вредные факторы

5.2.2 Опасные факторы

5.3 Охрана окружающей среды

5.4 Организационные мероприятия обеспечения безопасности

5.5 Чрезвычайные ситуации

Заключение

Список публикаций студента

Список использованных источников

DVD-диск. Пояснительная записка ВКР (файл «Хайруллин, ВКР» в формате doc) и презентация ВКР (файл «Хайруллин, ВКР» в формате pptx)

Введение

В настоящее время исследование тонких ферромагнитных пленок является перспективным ввиду возможности создания композиционных постоянных магнитов для микромеханики и высокочувствительных магнитных датчиков, способных обнаруживать слабые магнитные поля движущихся объектов. Огромный интерес для исследований представляют пленки системы Co-Pt 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 [1].

Существует множество способов получения металлических тонких пленок. Но среди них наиболее перспективным является метод химического осаждения из газовой фазы (CVD), так как позволяет получать пленки высокой чистоты, с высокой однородностью толщины и состава, минимальными повреждениями подложки, высокими скоростями осаждения и возможностью нанесения на изделия сложной формы [2]. Процесс получения пленок с заданными свойствами данным методом весьма сложный. Существует множество параметров CVD-осаждения, оказывающих влияние на свойства получаемых пленок: химический состав и температура испарителя, температура подложки, давление в камере, время осаждения и другие. 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. Предшественник (металлоорганическое соединение, из которого получают пленки) существенно меняет характер влияния параметров CVD-осаждения на свойства пленок [4]. Учитывая данный факт, а также то, что дииминаты металлов обладают рядом преимуществ: отсутствием кислорода, высокими летучестью, стабильностью, чистотой разложения и практическим выходом [5], необходимо исследовать влияние параметров осаждения на структуру и эксплуатационные характеристики пленок Co, полученных методом CVD из Co(N'acN'ac)2.

Таким образом, целью данной работы является исследование возможности получения пленок Co методом CVD из Co(N'acN'ac)2 с заданными магнитными и электрическими свойствами.

1. Обзор литературы

1.1 Получение металлических пленок и покрытий методами CVD и PVD

В настоящее время существует два основных метода получения пленок и покрытий путем осаждения из газовой фазы: физический (PVD) и химический (CVD). Данные методы основаны на различных явлениях.

При физическом осаждении (PVD) материал покрытия или пленки переходит из твердой фазы в газовую. Данный процесс можно разделить на две большие группы: испарение и распыление. В первом случае переход материала в газовую фазу происходит под воздействием тепловой энергии, выделяющейся за счет резистивного сопротивления (Рисунок 1), индукционного нагрева, электронно-лучевых пучков (Рисунок 2), электрической дуги или лазерного луча.

Рисунок 1 - Схема установки для термического испарения



Рисунок 2 - Схема установки для испарения электронным пучком

Во втором случае - в результате распыления за счет кинетической энергии столкновения частиц материала - магнетронное распыление (Рисунок 3).



Рисунок 3 - Схема установки для магнетронного распыления

Энергия, распределение и плотность потока частиц определяются методом нанесения, параметрами процесса и формой источника частиц. Нанесение покрытий методом PVD проводится при температуре до 450°С, что практически не накладывает ограничения по используемым материалам, на которые наносится покрытие [6].

PVD-процессы проводят в вакууме или в атмосфере рабочего газа при достаточно низком давлении (около 10-2 мбар). Это необходимо для облегчения переноса частиц от источника (мишени) к изделию (подложке) при минимальном количестве столкновений с атомами или молекулами газа. Это же условие определяет обязательность прямого потока частиц. В результате покрытие наносится только на ту часть изделия, которая ориентирована к источнику частиц. Скорость осаждения зависит в этом случае от относительного расположения источника и материала [6].

Для равномерного нанесения покрытия необходимо систематизированное движение материала или применение нескольких, определенным образом расположенных, источников. В то же время, поскольку покрытие наносится только на поверхности "в прямой видимости источника", метод позволяет селективно наносить покрытие только на определенные части поверхности, оставляя другие без нанесенного слоя [6].

Основными факторами, определяющими качество покрытия, нанесенного методом физического осаждения, являются чистота исходных материалов и реакционного газа, а также необходимый уровень вакуума [6].

Получение пленок и покрытий методом химического осаждения (CVD) основано на двух процессах: перехода из твердой фазы в жидкую молекулярного предшественника (исходного материала) под воздействием тепловой энергии и его разложения при высокой температуре с одновременным химическим взаимодействием с газом-реагентом (Рисунок 4, [7]).

Рисунок 4 - Схема устройства с автономным двухзонным испарителем для осаждения слоев на плоские образцы: 1 - реактор из нержавеющей стали, 2 - кварцевая лодочка с исходным соединением I, 3 - кварцевая лодочка с исходным соединением II, 4 - контейнер, 5 - прогреваемый трубопровод, 6 - формирователь газового потока, 7-9 - резистивные нагреватели, 10 - подложка, 11 - подложкодержатель, 12 - нагреватель подложки, 13 - соленоид, 14 - подвижные электрические контакты, 15 - узел вращения подложки, 16 - шлюзовое устройство, 17 - камера для 6 образцов, 18 - трубка для подачи газа-реагента

Метод CVD практически не имеет ограничений по химическому составу покрытий. Все присутствующие частицы могут быть осаждены на поверхность материала. Какие покрытия при этом образуются, зависит от комбинации материалов и параметров процесса. Состав покрытия зависит от парциального давления газа и скорости осаждения покрытия [6].

При использовании CVD-метода химические реакции происходят в непосредственной близости или на поверхности обрабатываемого материала.

В противоположность процессам PVD, при которых твердые материалы покрытия переводятся в газообразную фазу испарением или распылением, при CVD-процессе в камеру для нанесения покрытия подается смесь газов, причем для протекания необходимых химических реакций требуется температура до 1100°С. Это условие существенно ограничивает число материалов, на которые можно нанести CVD-покрытие. Но существует разновидность метода CVD, позволяющая снизить температуру нанесения покрытия от комнатной до 400°С, получившая название P-CVD (от слов "плазма" и CVD). Практически метод представляет собой комбинацию двух основных методов, поскольку нанесение покрытий CVD-методом происходит в среде плазмы (как при PVD) [6].

В отличие от PVD-метода процессы CVD происходят при более высоких давлениях: 100-1000 Па. Покрытие наносится на всю поверхность изделия. Отпадает необходимость вращения изделия как при методе PVD [6].

Установки CVD, как правило, имеют достаточно большие габариты. Для предотвращения опасных выбросов газов в атмосферу используется специальная система фильтров. Благодаря высокой температуре нанесения, обеспечивающей частичную диффузию наносимого материала в основу, покрытия CVD характеризуются лучшей адгезией [6].

PVD- и CVD-методы также различаются по виду внутренних напряжений в слое наносимого покрытия. При методе PVD имеют место сжимающие напряжения, а при методе CVD - растягивающие. Растягивающие напряжения улучшают адгезию покрытия и основы, но при этом способствуют формированию пор и трещин. Необходимо также принимать во внимание то обстоятельство, что методы CVD менее чувствительны к качеству подготовки материала перед нанесением на него покрытия, в то время как при методе PVD материал должен подвергаться продолжительной многоступенчатой очистке, иначе нельзя гарантировать свойства покрытия [6].

Таким образом, основные достоинства CVD-метода:

1. Воспроизводимость рельефа поверхности. В этом случае при наличии на поверхности ступенек или канавок толщина пленки практически одинакова как на вертикальных, так и на горизонтальных участках

2. Универсальность - возможность получения пленок практически любого состава.

3. Гибкость процесса - возможность легкого варьирования параметров процесса осаждения, тем самым, изменяя структуру пленок.

4. Возможность нанесения одно- и двухсторонних пленок на детали сложной формы и большой площади.

5. Возможность достижения высоких скоростей осаждения (до нескольких миллиметров в час) при сохранении высокого качества пленки.

6. Хорошая адгезия

7. Малая чувствительность к качеству обработки поверхности материала, на который требуется нанести пленку или покрытие.

8. Сравнительная простота и дешевизна оборудования из-за отсутствия необходимости наведения вакуума.

Помимо достоинств у метода CVD существуют и недостатки:

1. Необходимость высокотемпературного нагрева подложки для проведения пиролитических реакций. Как следствие, не на всякий материал можно нанести пленку или покрытие, а только на тот, температура плавления которого выше необходимой температуры для реализации процесса осаждения.

2. Высокая вероятность возникновения пор и трещин в получаемой пленке из-за наличия растягивающих напряжений.

3. Необходимость синтеза предшественника - исходного материала, который должен удовлетворять следующим требованиям [7]:

А) Соединение должно переходить в газовую фазу без разложения и быть термически устойчивым в течение времени, необходимого для его транспортировки к подложке. Как следствие, температура разложения паров прекурсора должна быть выше температуры парообразования.

Б) Соединение должно обладать высокой летучестью для создания необходимой концентрации газообразного вещества в реакционной зоне.

В) Необходимость полного разложения соединения с образованием газообразных продуктов реакции кроме материала получаемой пленки.

Г) Для увеличения выбора материала подложки и для предотвращения вторичных реакций разложения органических продуктов необходимо стремиться уменьшать температуру разложения исходного соединения.

Д) Пары соединения и продукты реакции разложения должны быть химически инертны по отношению к материалу подложки и установки.

Е) По возможности соединение должно быть нетоксичным и стабильным при хранении.

Ж) Синтез предшественника должен быть экономически целесообразен, то есть необходимо, чтобы соединение получалось с высоким выходом, а исходные реагенты для синтеза были доступны.

Таким образом, главной проблемой метода CVD является синтез предшественника, удовлетворяющего вышеизложенным требованиям.

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 Е/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) и 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 исследовано влияние отжига на магнитные свойства пленок системы Co-Pt - перпендикулярную магнитную анизотропию и коэрцитивную силу. Кроме того, исследована зависимость коэрцитивной силы от толщины пленок. Показано, что наличие упорядоченной фазы в пленках системы Co-Pt приводит к возникновению в них перпендикулярной магнитной анизотропии с легкой осью, нормальной к их плоскости. Как следствие, такие пленки могут быть использованы для магнитной и термомагнитной записи и хранения информации.

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

До отжига данные пленки независимо от толщины характеризовались двумя легкими осями намагничивания, расположенными перпендикулярно друг другу в плоскости исследуемых пленок.

Степень прямоугольности петли гистерезиса пленок, исследуемых в работе [15], до отжига составляла 0,6?0,8 для всего изучаемого диапазона толщин (от 2 до 60 нм). Величина коэрцитивного поля данных пленок также не зависела от толщины 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 системы Co-Pt наблюдается возникновение упорядоченной фазы типа L10 (тетрагональная гранецентрированная решетка с соотношением постоянных решетки c/a < 1). При этом ориентация тетрагональных кристаллитов относительно плоскости пленки меняется в зависимости от ее толщины.

В пленках толщиной 2?20 нм кристаллиты упорядоченной фазы ориентируются осью с нормально к плоскости пленки. В пленках, имеющих большие толщины, наблюдаются участки с чередованием полос разного контраста по направлениям [100]. Образование упорядоченной фазы приводит к существенным изменениям магнитной анизотропии пленок. Так как ось _c_ упорядоченной фазы является осью легкого намагничивания, то тонкие пленки становятся магнитоодноосными с легкой осью, нормальной к их плоскости. Величина коэрцитивной силы Hc для пленок с толщиной, превосходящей 20 нм, менялась в пределах 8?12 kOe. В свою очередь, величина Hc термообработанных пленок с толщинами менее 20 нм зависит от толщины образца. Коэрцитивная сила, измеренная в легком направлении намагничивания, увеличивается от 1,5 до 9 kOe при изменении толщины пленок от 5 до 20 нм (Рисунок 6). Петли гистерезиса данных пленок характеризовались степенью прямоугольности равной 1.

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 в интервале температур осаждения от комнатной до 250 0С в пленках системы Co-Pt существует неупорядоченная фаза А1. В интервале температур от 250 до 500 0С наблюдается упорядоченная фаза L1. Однако при дальнейшем увеличении температуры осаждения вновь присутствует фаза А1 вплоть до 700 0С. В интервале от 700 до 750 0С пленки характеризуются упорядоченной фазой 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 температуры 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

1.4 Постановка задач

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 исследование возможности получения пленок Co методом CVD из Co(N'acN'ac)2 с заданными магнитными и электрическими свойствами.

Для достижения поставленной 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.

2. Объект и методы исследования

2.1 Материалы исследования

В работе исследовали тонкие пленки Co, нанесенные методом CVD на подложки Si (100). В качестве предшественника использовали дииминат кобальта Co(N'acN'ac)2. Длительность осаждения всех исследованных образцов составляла 2-4 часа, в качестве газа-носителя использовали Ar (скорость подачи 1л/ч), а в качестве газа-реактанта - H2 (скорость подачи 4 л/ч), давление в камере осаждения составляло 1 атмосферу. Были исследованы 3 партии образцов. В первой партии была зафиксирована температура испарителя, равная Тисп = 1200С, при этом температура подложки варьировалась в пределах Тподл = 310420 0С. Во второй партии также зафиксирована температура испарителя (1300С), а температура подложки изменялась от 300 до 3400С. В третьей партии температура подложки была постоянной (3300С), а температура испарителя варьировалась в интервале от 120 до 1550С. Условия осаждения пленок металлического Co представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Условия осаждения пленок Co, где Тподл - температура подложки, Тисп - температура испарителя и t - длительность осаждения

Первая партия	Вторая партия	Третья партия
Tподл,0С	Tисп,0С	t, ч	Tподл,0С	Tисп,0С	t, ч	Tподл,0С	Tисп,0С	t, ч
310	120	2	300	130	4	330	120	2
330	120	2	310	130	4	330	130	2
350	120	2	320	130	4	330	135	2
370	120	4	330	130	4	330	140	2
420	120	2	340	130	4	330	145	2
						330	150	2
						330	155	2

2.2 Методика эксперимента

Рентгеноструктурный анализ пленок Co проводили на дифрактометре DRON-SEIFERT-RM4 (Cu, л = 1.54051 ?). Химический состав металлических пленок определяли методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии с помощью спектрометра EDX EX-2300BU.

Морфологию поверхности пленок исследовали с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ) JEOL-JSM 6700 F и атомно-силового микроскопа (АСМ) Solver HV (НТ-МДТ, Россия). В атомно-силовом микроскопе использовали стандартные кантилеверы из Si3N4 с константой механической жесткости 0,12 Н/м и радиусом кривизны острия ~ 2 нм (Bruker AFM Probes, USA). Сканирование кантилевера по поверхности проводилось в контактном режиме при поддержании с помощью обратной связи постоянного значения тока фотодиода, что соответствует сканированию с постоянной силой взаимодействия зонд-подложка.

Измерение толщины пленок проводили на микроинтерферометре МИИ-4 и оптическом интерференционном профилометре NewView 6200 (Zygo, Германия).

Измерение электрического сопротивления покрытий выполняли четырехзондовым методом с использованием специально разработанной установки, включающей источник питания постоянного тока Б5-45А, комбинированный цифровой прибор Щ300 и датчик с четырьмя игловидными электродами.

Магнитные характеристики пленок измеряли с помощью вибромагнитометра ВМ-23К в направлении оси легкого намагничивания.

Все измерения проводили в атмосферных условиях при комнатной температуре.

3. Результаты проведенного исследования

3.1 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 подразделе 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 Тисп = 1200С и при различных температурах подложки, характеризуются лишь одним дифракционным пиком, расположенным между 2? = 44,2 - 44,7_ (Рисунок 9, а).

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

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

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

Повышение температуры испарителя до Тисп = 1300С приводит к некоторым изменениям кристаллической текстуры пленок Co (Рисунок 9, б). Дифракционная картина для образцов Co, осажденных при температурах Тподл = 300 - 3400С, содержит дополнительные пики б-Co (100) (2? = 41.7_), б-Co (101) (2? = 47.6_) и в-Co (200) (2? = 51.7_). Интенсивность данных дифракционных пиков также определяется температурой подложки. С увеличением Тподл от 300 до 3200С интенсивность пиков повышается. Однако дальнейший рост температуры до Тподл = 330 и 340 0С приводит к постепенному их ослаблению. Стоит отметить, что пленки Co, полученные при температуре подложки Тподл = 320 0С, 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 Тподл = 3300С, представлены на рисунке 10.

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

Установлено, что пленки Co, полученные в интервале температур испарителя от Тисп = 120 до 1400С, характеризуются только одним пиком, соответствующим -Co (002) и в-Co (111). Причём интенсивность данного пика повышается с ростом температуры испарителя. Увеличение температуры до Тисп = 1450С способствует возникновению дополнительных отражений б-Co (100), б-Co (101) и в-Co (200), интенсивность которых достигает максимума при температуре Тисп = 1500С. Однако дальнейший рост температуры до Тисп = 1550С приводит к исчезновению дополнительных пиков, а также резкому уменьшению интенсивности отражения от основного пика, соответствующего -Co (002) и в-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 Тисп = 1200С, слабо зависит от температуры подложки в диапазоне температур от 300 до 3500С. Однако с увеличением температуры свыше Тподл = 350 0С размер ОКР начинает уменьшаться. Аналогичный характер зависимости размеров ОКР от температуры подложки наблюдается для пленок, осажденных при Тисп = 1300С.

Таблица 2 - Элементный состав, размер ОКР и микронапряжения пленок Co, полученных при различных температурах испарителя Тисп и подложки Тподл

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 с увеличением 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 Тисп от 120 до 1350С размер ОКР увеличивается более чем в два раза. Дальнейшее повышение температуры испарителя до Тисп = 1400С приводит к резкому снижению размера ОКР, который сохраняется неизменным вплоть до Тисп = 1550С.