ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 1, с. 45-53
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
УДК 669.1'296'786:539.216.2:537.622.4
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ МАГНЕТРОНИОГО НАПЫЛЕНИЯ И ПОСЛЕДУЮЩЕГО ОТЖИГА НА СТРУКТУРУ И МАГНИТНЫЕ
СВОЙСТВА ПЛЕНОК Fe97 _ xZr3Nx
© 2008 г. Е. Н. Шефтель*, П. К. Кесарева*, Г. Ш. Усманова*, С. И. Утицких*, Н. С. Перов**,
Е. М. Инуе***, Р. Фуджикава***
*Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, 119991 Москва, Ленинский просп., 49 **МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет,
119899 Москва, Воробьевы горы ***Технологический университет г. Тойохаши, Япония Поступила в редакцию 12.07.2007 г.; в окончательном варианте - 28.08.2007 г.
Методом рентгеноструктурного анализа исследована структура тонких пленок Fe97 _ ^Z^N в зависимости от условий напыления (высокочастотное магнетронное распыления на вращающуюся и неподвижную подложки), и последующего отжига. Показано, что в пленках формируется однофазная структура _ пересыщенный ОЦК-твердый раствор a-(FeN) (неподвижная подложка) или смешанная структура, состоящая из двух кристаллических фаз: ОЦК-пересыщенного твердого раствора азота в a-Fe, ГЦК-фазы Fe4N и аморфной фазы на основе Fe (вращающаяся подложка). При отжиге с повышением температуры уменьшается концентрация азота в ОЦК-фазе; происходит рост зерна ОЦК-фазы от 8 до 14 нм (вращающаяся подложка) и от 10 до 30 нм (неподвижная подложка); увеличивается количество фазы Fe4N. Приведены результаты исследования магнитных свойств пленок. Максимально достигнутые значения индукции насыщения Bs составляют 1.8-1.9 Тл, минимальные значения коэрцитивной силы Hc составляют 1 Э. Оптимальный комплекс свойств (Bs = 1.8-1.9 Тл, Hc = 1.5-1.8 Э) получен на пленках, напыленных на вращающуюся подложку и отожженных при температуре 400°С.
PACS: 75.70.Cn, 81.15.Cd
Требования высокой производительности миниатюрных электронных устройств определяют необходимость повышения уровня магнитно-мягких свойств применяемых в них пленочных материалов. В частности, уникальное сочетание высокой индукции насыщения Bs (вплоть до 2 Тл) и низкой коэрцитивной силы Hc (<0.1 Э) требуется для пленочных материалов, используемых в записывающих головках устройств высокоплотной высокочастотной магнитной записи. Удовлетворить этому требованию могут нанокомпозиты, образующиеся в системах Fe-MeIV-X (X = C, N, O), структура которых представлена зерном феррит-ной фазы a-Fe и дисперсными выделениями термодинамически стабильных карбидов, нитридов, оксидов металлов IV группы Периодической системы [1]. Очевидно, что наибольшая индукция насыщения материала может быть достигнута в сплавах на основе железа, так как железо обладает большим магнитным моментом на атоме 2.22ць и индукцией насыщения (Bs = 2.148 Тл) [2]. В ранее выполненных работах авторов на пленочных нанокомпозитах состава Fe-(10-15) мол. % ZrN, полученных методом магнетронного реактивного напыления с последующим отжигом, был достигнут следующий комплекс свойств: индукция
насыщения 1.75 Тл, коэрцитивная сила <0.1 Э и термическая стабильность, по крайней мере, вплоть до 550-600°С [3]. Дальнейшее повышение индукции насыщения такого типа нанокомпози-тов возможно за счет увеличения в них объемной доли ферромагнитного железа.
Известно, что структура и магнитные свойства пленок, получаемых магнетронным напылением, чрезвычайно чувствительны даже к малейшим изменениям параметров и условий напыления [4, 5].
В связи с вышесказанным, целью настоящей работы являлось получение пленок Ре-3%2г-К в различных условиях напыления, изучение влияния условий напыления и последующего отжига на структуру и магнитных свойства пленок.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Пленки Ре-3%2г-К получали методом высокочастотного реактивного магнетронного напыления на неподвижную (НП)*) и вращающуюся (ВП)*) подложки из жаропрочного стекла. Ми-
* Далее в тексте НП и ВП пленки.
Таблица 1. Параметры получения и режимы отжига пленок Fe-3%Zr-N
Условие напыления и отжига НП (неподвижная подложка) ВП (вращающаяся подложка)
Мощность Ш, Вт 300
Предварительный вакуум Р0, Па 6.7 х 10-6
Давление газовой смеси РАг + М2, Па 1.6 х 10-3
Отношение Аг/№ в газовой смеси 10/0.4
Время напыления t, мин 60 250
Скорость напыления и, мкм/мин 0.016 0.002
Толщина пленок, мкм 0.94 0.5
Вакуумная печь Печь электросопротивления Печь с инфракрасным нагревом
шень состава Fe-3%Zr распылялась в газовой атмосфере Ar + N2 постоянного состава. Условия и режимы напыления пленок представлены в табл. 1. Образцы размером ~10 х 10 мм для исследований вырезались из полученных после напыления двухслойных композитов (подложка + пленка). Вакуумный отжиг образцов проводили при температурах 300-600°С с выдержкой 1 ч в печах с инфракрасным (ВП-пленки) и нагревом в печи сопротивления (НП, ВП-пленки).
Структурные исследования выполнены рентгеновским методом. Съемка полнопрофильных дифрактограмм проводилась на управляемом персональным компьютером (ПК) дифрактомет-ре ДРОН-4, с использованием графитового моно-хроматора на детекторе, на излучении Cu-Aa. Интервал съемки по 20 20-120° с шагом 0.05°, экспозиция на точку съемки выбиралась равной 3 с. Полученные дифрактограммы анализировали на ПК с помощью специального пакета программ, включающих в себя программы "PHAN", "PHAN%", "OUTSET" и "SPECTRUM" [6]. Точное положение (20) всех присутствующих на дифрак-тограммах пиков, которые соответствуют межплоскостным расстояниям dHKL, характеризующим каждую фазу, и интенсивность пиков определяли с помощью программы "OUTSET". Ряд полученных значений dHKL сравнивали с табличными значениями выбранных по определенным критериям фаз, присутствующих в базе данных программы "PHAN", тем самым, определяя фазовый состав пленок. Тонкую кристаллическую структуру, в частности размер зерен присутствующих фаз находили по физическому уширению в-
Таблица 2. Результаты химического анализа исследованных пленок
Пленки Содержание элементов, ат. %
N Zr Fe
НП-пленки 2.48 2.59 Остальное
ВП-пленки 7 3 Остальное
пары рентгеновских линий. Выделение физического уширения линии в проводили методом аппроксимации с использованием программы "PROFILE". По доле уширения в, пропорциональной sec0, вычисляли размер зерна D = (^sec0)/e. Количественное соотношение присутствующих в пленке фаз определяли исходя из того, что интенсивность линий каждой фазы зависит от ее объемной доли. С помощью программ "SPECTRUM" и "PHAN%" создавали модельный спектр всех установленных в пленке фаз, и "подгоняли" его к экспериментальному спектру. В программе "PHAN%" "подгонка" происходит путем варьирования объемной доли каждой фазы, ее параметр решетки и модельных параметров уширения линий фаз (размер зерна).
Объемные магнитные свойства пленок измеряли на вибрационном магнетометре при комнатной температуре в полях до 1 Тл.
Химический анализ исследованных пленок выполнены методом оже-спектроскопии (ВП-плен-ки) и методом рентгеноспектрального дисперсионного анализа (EDXRA) (НП-пленки) (табл. 2).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Фазово-структурное состояние пленок
ВП пленки. На рис. 1 приведены рентгеновские спектры, полученные с исходных и отожженных при различных температурах пленок. На полнопрофильной дифратограмме, полученной с исходных образцов, в угловом интервале по 20 (20-120°) видны один размытый и один четкий рефлексы, а также диффузное гало. Четкий рефлекс расположен вблизи линии (110) a-Fe, что говорит о наличии фазы на основе a-Fe с ОЦК-кристаллической решеткой и периодом, превышающим период a-Fe. Другие линии этой фазы, близкие по положению к (211) и (220) a-Fe, имеют чрезвычайно малую интенсивность и практически сливаются с фоном. Следует отметить от-
a-Fe
29 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Рис. 1. Изменение рентгеновских спектров в зависимости от температуры отжига для пленок, полученных на ВП.
сутствие на дифрактограмме рефлекса, близкого по положению к (200) a-Fe.
Сильно размытая линия, расположенная на малых углах (20 ~ 41.6°), соответствует линии (111) фазы Fe4N с кристаллической решеткой типа NaCl.
Наблюдаемое в спектре диффузное гало, центр тяжести которого расположен на 20 ~ 27°, а ширина на половине высоты (полуширина) составляет B ~ 22°, скорее всего, появляется от аморфной подложки, так как ни его угловое положение, ни ширина и высота не изменяются с температурой отжига. По-видимому, оно появляется из-за того, что глубина проникновения рентгеновских лучей на излучении Cu-Áa незначительно превышает толщину исследуемых пленок.
Итак, наблюдаемую дифракционную картину можно объяснить образованием в пленке при на-
пылении смешанной структуры, состоящей из двух кристаллических фаз, ОЦК-фазы на основе a-Fe с преимущественной текстурой (110) вдоль направления, перпендикулярного поверхности пленки, ГЦК-фазы Fe4N и некоторого количества аморфной или кластерной фазы на основе железа. Косвенным подтверждением наличия аморфной фазы на основе Fe является тот факт, что отношение интенсивности линии (110) a-Fe на дифрактограммах к интенсивности 100% кристаллического эталона a-Fe меньше единицы.
Качественная оценка вида дифрактограмм, полученных с отожженных образцов, свидетельствует о тенденции к увеличению интенсивности и уменьшению полуширины линий (110) ОЦК-фазы и (111) ГЦК-фазы с повышением температуры отжига (рис. 1). Следует отметить, что интенсивность линии (110) ОЦК-фазы на рентгено-
20 15 10 5
(a)
a-Fe
-•- - -
Fe4N
(б)
a-Fe
Fe4N
a-Fe (bulk)
3.7
e F и к т е
3 6« р
р
т
е
3.5
3.4
а р
а Па
70
w
ол 60
« ¡^
50
з
VO
О
30 2.1
15 Э
10
л
ч к
о «
се
к я к н к
з &
я о л
0 100 200 300 400 500 " Температура отжига, °С
Рис. 2. Изменение размера зерна й (а), параметра решетки а (б), объемной доли фаз V (в) и магнитных свойств (В8, Нс) (г) в зависимости от температуры отжига для пленок, полученных на ВП.
граммах, полученных с пленок, отожженных при температуре вплоть до 500°С, остается меньше интенсивности этой же линии 100% кристаллического эталона a-Fe. Это говорит о сохранении некоторого количества аморфной или кластерно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.