Структура и магнитные свойства многослойных пленок (Co-Ti/Mo) и (Co-Ti/Cu) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

?г8 о; •

На празая рукописи

Ильин Эдуард Валерьевич

СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛЕНОК (Co-Ti/Mo) И (Co-Ti/Cu)

Специальность 01.04.07.- физика таердого тела

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 1997

Работа выполнена на кафедре физических основ технологии информационных сред (ФОТИС) Дальневосточного государственного университета и в лаборатории пленочных технологий Научно-исследовательского физико-технического института ДВГУ.

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Чеботкевич Л.А.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

профессор Зауткин В.В. кандидат физико-математических наук, доцент Афремов Л.Л.

Ведущая организация - Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН.

Защита состоится " 1997 года "в / /час,

на заседании Диссертационного Совета Д 064. 58. 03 в Дальневосточном государственном университете по адресу; 690600, г. Владивосток, ул. Суханова, 8, ауд. 59.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГУ.

Автореферат разослан " 3■" 1997 :

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат физ.-мат. наук

СоппаИ.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе развития физики тонких, магнитных пленок основными объектами исследования все в большей степени становятся сложные многослойные структуры с ультратонкими - вплоть до одной атомной плоскости чередующимися слоями с различными физическими характеристиками- Поскольку в многослойных пленочках структурах доля поверхности сравнима с объемом образца, то в этом случае поверхностные эффекты вносят существенный, а часто определяющий вклад в их свойства. Водздствт этого многие многослойные пленочные структуры обладают уникальными характеристиками, недостижимыми дам однослойных пленок. Вопросы, связанные с изучением взаимодействия магнитных слоев в многослойных пленках, изучались давно, однако эффекты взаимодействия между магнитными слоями связанные с поверхностными эффектами, были обнаружены сравнительно недавно, и последние годы активно исследуются.

Реализация искусственных периодических сруктур, обладающих свойствами, нереализуемыми в природных веществах, ухе нашла свое практическое воплощение в создании полупроводниковых приборов на сверхрешетках, где методом молэкулярно-лучевой эпитаксии можно получить практически любую сверхрешеточную структуру. Наибольшее промышленное использование полупроводниковых многослойных структур сегодня - это изготовление всевозможных оптических покрытий. Перспективна и идея реализации высокотемпературной сверхпроводимости в многослойных структурах.Многослойные магнитные структуры могут использоваться как материалы - носители информации с продольным и вертикальным способом записи.

В многослойных структурах возможно реализовать различные магнитные характеристики. Сочетание, например, магнитомягких свойств с высокой намагниченностью и низкими потерями на гистерезис стано-

- к -

вится весьма существенным при изготовлении магнитных интегральных головок и преобразователей со сравнительно высоким уровнем выходного ситаала. Большое внимание уделяется в настоящее время и маг-ниторезистивным датчикам на основе металлических многослойных структур. Ыагнитосопротивление многослойных датчиков на основе Со и Ре более чем на порядок превосходит Ар/р обычных магниторезис-тивных тонкопленочных материалов, что обусловленно обменным взаимодействием между ферромагнитными слоями.

Вследствии высокой коррозионной стойкости и износостойкости многослойные структуры перспективны ташке при использовании их в качестве защитных покрытий.

Для практического применения многослойных пленок необходим большой процент повторяемости свойств. Исследователи часто сталкиваются с трудностями в получении хорошо воспроизводимых свойств, так как это связано с сильной зависимостью магнитных свойств от технологических условий изготовления плэнок. С другой стороны, такая зависимость позволяет целенаправленно изменять магнитные параметры как в процессе создания пленок, так и в процессе термической обработки. Следовательно, необходимо исследовать структуру и состав многослойных пленок, сопоставляя эти данные с магнитными свойствами.

Целью диссертационной работы является исследование структуры и химического состава многослойных пленок Со-Т1/Мо и Со-Т1/Си: установление влияния концентрации титана, толщины ферромагнитных и немагнитных слоев на магнитные свойства; установление взаимосвязи структурных дефектов с магнитными параметрами. В связи с этим поставлены задачи:

1. Исследовать зависимость намагниченности, коэрцитивной силы и поля магнитной анизотропии от концентрации Т1 в ферромагнитном

слое.

2. Установить распределение концентрации химкческих элементов по глубине сандвича для различных толщин слоев Со-Т1 и неферромагнитных прослоек Но, Си.

3. Исследовать фазовый состав многослойных пленок, определить плотность, тип и распределение структурных дефектов.

4. Исследовать зависимость магнитных параметров от толщины слоев Со-И и парамагнитных слоев Мо, Си.

5. Выявить роль реальной структуры ( размера зерна, ширины мек-фазной границы, толщины ферромагнитных слоев 5 в определении коэрцитивной силы многослойных, структур.

6. Оценить роль поверхностных и объемных дефектов в определении констант магнитной анизотропии.

7. Исследовать термическую стабильность магнитных параметров композиционно-модулированных пленок. Определить энергию активации процессов дий&узии.

Новизна исследований и полученных результатов. Выполнен цикл исследований, в результате которого установлена качественная и количественная связь между магнитными параметрами тонких многослойных пленок Со-Т1/Мо, Со-Т1/Си и типом парамагнитной прослойки, толщиной парамагнитных и ферромагнитных слоев, и структурными дефектами.

- Экспериментально определен интервал концентраций титана, при котором многослойные композиционно-модулированные пленки Со-Т1/Мо имеют аморфную структуру.

- Выявлен спектр периодичностэй структурных нэоднородностей многослойных аморфных Со-Т1/Мо и поликристаллических Со-Т1/Си пленок, и анизотропность их распределения.

- Проведены оценки коэрцитивной силы аморфных и поликристалли-

ческих многослойных пленок, обусловленные закреплением доменных границ поверхностными и объемными структурными дефектами.

- Для ультратонких слоев многослойных композиционно-модулированных пленок Со-Т1/Мо проведено разделение магнитной анизотропии на объемную и поверхностную, в также сделаны количественные оценки этих компонент.

- Оценена энергия активации и определены процессы происходящие в многослойных пленках в процессе искусственного старания.

Практическая ценность работы состоит в том, что ее результаты способствуют развитию представлений о взаимосвязи кристаллической структуры, химического состава ферромагнитной пленки и границ раздела, толщины ферромагнитных и неферромагнитных слоев с магнитными свойствами пленок. Следовательно, изменение структурных параметров пленок позволяет получать модулированные структуры с оптимальными магнитными свойствами. Исследование взаимосвязи структуры и магнитных свойств многослойных пленок открывает перспективы для практического применения этих пленок в качестве датчиков магнитного поля.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Концентрация титана в многослойных пленках Со-Т1/Мо, при которой наступает аморфизация пленок, в 3 + 4 раза меньше, чем в однослойных пленках Со-Т1.

2. В композиционно-модулированных пленках Со-Т1/Мо и Со-Т1/Си чередование ферромагнитных и немагнитных слоев, или чередование ферромагнитных слоев с разной намагниченностью определяется толщинами ферромагнитных, так и неферромагнитных слоев.

3. В многослойных пленках существует спектр анизотропно распределенных структурных неоднородностей.

4. Намагниченность и коэрцитивная сила в многослойных пленках

зависят от типа промежуточных слоев и толщины ферромагнитных и не-ф90ромагнитшх слоев.

Б. Тип и распределение структурных дефектов оказывают определяющее влияние на коэрцитивную силу и магнитную анизотропию.

6. Термостабильность многослойных пленок Co-Tl/Mo существенно зависит от толщины слоев молибдена.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Всероссийских межвузовских, научно-технических конференциях (Владивосток, 1993, 1994, 1995,1996 гг.), на Всероссийских школах-семинарах "Новые магнитные материалы микроэлектроники" (Москва, 1994, 1ЭЭ6 гг.), на X международном колоквиуме "Plasma Processes" (Франция, Антиб, 1995 г.), на V международном симпозиуме "Trends and. New Applications In Thin Films" (Франция, 1996 г.), на международной научно-методической конференции "Наука в образовательном процессе вуза" (Уссурийск, 1S97 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав,, заключения и списка цитируемой литературы из 95 наименований. Общий объем диссертации составляет 108 страниц, включая 48 рисунков и 3 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулирована цель работы и ее актуальность, поставлены задачи исследования, изложены защищаемые положения, кратко описана структура диссертации.

Первая глава носит обзорный характер и раскрывает современное состояние изложенных в диссертации вопросов.- Описаны особенности формирования и свойства многослойных структур с чередующимися ферромагнитными и неферромагнитными слоями.

В первом параграфе рассмотрена структура многослойных пленок. По-

казано, что формирование межфазных границ зависит от метода и условий осаждения материалов. Структура мультислоев сильно зависит как от толщины ферромагнитного, так и от толщины немагнитного слоя, а также от числа бислоев. Термообработка композиционно-модулированных пленок может способствовать образованию резких межфазных границ в том случае, если мультислои образованы из взаимно нерастворимых компонент. В противном случае межфазные границы размываются.

Во втором параграфе показана связь между структурой и магнитными характеристиками многослойных пленок. В частности, в перпендикулярную магнитную анизотропию вносят существенный вклад шероховатости Мб «фазной границы, форма кристаллитов, внутренние напряжения. При толщине магнитного слоя менее 1 + 2 нм основной вклад в константу перпендикулярной магнитной анизотропии вносит ее поверхностная составляющая. Коэрцитивная сила многослойных пленок гораздо меньше аналогичных однослойных, что связано с объменным взаимодействием магнитных слоев, разделенных немагнитной прослойкой. Намагниченность многослойных структур на основе Со может существенно превышать намагниченность массивного материала. Это явление объясняется наведением атомами ферромагнитного элемента магнетизма на неферромагнитных атомах. В завершении главы отмечается, что несмотря на большое количество работ по многослойным пленкам в периодической литературе, вопрос о взаимосвязи структурных и поверхностных неоднородностей с магнитными параметрами исследован недостаточно и, поэтому, является актуальным и требует дальнейшего изучения:

Во второй главе содержится описание используемого в работе способа получения пленок и методов исследования их структуры, и магнитных свойств.

В первом параграфе описан метод магнетронного напыления многослойных пленок (Co-Ti/Mo)n и (Со-Г1/Си)п. В качестве распыляемого материала использовалась мозаичная мишень из Со и TI в форме полукруга. Вторая составная часть мишени состояла из молибдена (меди) такой же формы. Слои Co-Ti и Мо (Си) получали распылением составной мишени в атмосфере Аг при парциальном давлении (6,7 + 9,2)* Ю-4 Topp через специальный экран, препятствующий смешению атомных потоков. Стеклянные подложки располагались на вращагацейся карусели. Перед напылением производилась ионная очистка подложек и мишени. Толщину напыляемых пленок контролировали по времени напыления.

Во втором параграфе приведена методика измерения толщины исследуемых пленок с использованием рентгеновской интерференции. Определив толщины однослойных пленок Со, Ti, Mo и Си в зависимости от времени напыления и построив толщинные зависимости, была определена скорость осаждения слоев для каждого материала в отдельности.

В третьем параграфе приведено краткое описание физических основ методов электронной оже-спектроскопии и послойного оке-анализа, которые позволили получить данные о химическом составе образцов по толщине пленки.

В четвертом параграфе описана методика измерения коэрцитивной силы (HQ) и поля магнитной анизотропии (Н^) магнитооптическим методом. Эффективная намагниченность и интегральная коэрцитивная сила определялись индукционным методом.

В пятом параграфе описывается исследование химического состава аморфных пленок методом лазерной масс-спектроскопии, основанном на эффекте пространственного разделения движущихся в поперечном магнитном поле ионов с различным отношением массы к заряду т/е.

В третьей главе представлены результаты исследований структуры и зависимости магнитных свойств от химического состава многослой-

ных пленок (Со-Т1/Мо)п и (Со-Т1/Си)п.

В первом параграфе описывается исследование зависимости магнитных параметров (Н0> Н^. и от концентрации титана в ферромагнитном слое. Ранее было показано, что однослойные пленки Со-Т1 с содержанием Т1 в интервале 14 вт.% < < 22 вт.% являются аморфными. При введении слоев молибдена между слоями Со-ТГ область аморфизации слоев Со-Т1 смещается влево, в область низких концентраций Т1. На рио. 1 приведены результаты исследований концентрационной зависимости эффективной намагниченности (1^) и коэрцитивной силы (Но) (Со-Т1/Мо)5 мульТИСЛОВЕ' С йСо = 3,0 нм, йио ^ 1 ,0 нм. Картины электронной мшфо дифракции показали, что слои Со-Т1 с содержанием титана С^ < 4 ат.% поликристаллические, а при 4 ат.% < < 14 ат.% - аморфные. Многослойное пленки с ферромагнитными слоями, в которых = 2 + 3 ат.% имеют коэрцитивную силу порядка 955 + 1273 к/и, а при С^ в интервале 4 ат.% < С^ < 10 ат.% коэр-цитиная сила падает примерно до 320 А/м. Эффективная намагниченность многослойных пленок (Со-Г1/Мо)5 лшейно уменьшается с увеличением концентрации Т1, и при С^ = 13,8 ат.% падает до нуля. Поле магнитной анизотропии при переходе от .поликристаллических пленок к аморфным также уменьшается. Поведение эффективной намагниченности и коэрцитивной силы в многослойных пленках (Со-Т1/Мо)п с большими толщинами ферромагнитных слоев аналогично, однако верхняя граница С^, при которой намагниченность обращается в, ноль, . смещается в область более высоких концентраций титана; до 18 ат.% в пленках (Со-Т1/Мо)п с ¿со^ = <3щ0 = 5 нм и до СТ1 = 20 ат.% в пленках (Со-Т1/Мо)п с = = 10 нм.

Для дальнейших исследований выбирались аморфные многослойные пленки со сравнительно высокой намагниченностью и низкой коэрцитивной силой, что соответствовало С^ = Б + 6 ат.%.

Для пленок Со-Т1 с прослойками меди (рис. 2) во всем интервале приведенных концентраций Т1 наблюдается обратно пропорциональная зависимость эффективной намагниченности от концентрации Т1. Коэрцитивная сила с увеличением концентрации Т1 плавно уменьшается. В исследуемом интервале коцентраций титана С^ = 4+12 ат.£ коэрцитивная сила и эффективная намагниченность пленок (Со-Т1/Си)п выше, чем пленок (Со-Т1/Мо)п при одинаковой толщине ферромагнитных и парамагнитных слоев. Картины мнкродифракции и электронно-микроскопические изображения структуры показали, что многослойные пленки (Со-Т1/Си)п относятся к ультрадасперскым поликристаллическим пленкам. 3 дальнейшем при исследовании структурных и магнитных параметров пленок (Со-Т1/Си)п концентрация Т1 в ферромагнитных слоях бралась такой же, как в пленках (Со-Т1/Мо)п.

Во втором параграфе описано исследование распределения химических элементов по толщине мультислойных пленок (Со-Т1/Мо)п и (0о-Т1

5 20

Л И

7 X ¥> * '

Ч 5

л .

/ ч-

/о

ат %

4

6 го Сп , ат %

Рис. 1. Зависимость Н0 - 1, Нк - 2 и - 3 от концентрации

Т1 в пленках ( 3 нм Со-Т1/1 нм Мо). Рис. 2. Зависимость Н0 - 1 и 1дф - 3 от концентрации Т1 в пленках ( 3 нм Со-Т1/1 нм Мо).

5

/Си)п. Пленки исследовали методом окэ-електронной спектроскопии и методом послойного оке-анализа. В объэме пленок (Со-Т1/Мо) кон-центрацю кислорода и углерода составляет 8+9 ат.Ж, тогда как в объеме шинок (Со-Т1/Си)п концентрация кислорода составляет 3 + 5 ат.%, ¿"углерод в объеме этих пленок вообще обнаружен не бнл. Это связано с Ъм, что молибден по отношению к кислороду и углероду химически бо.-вв активен, чем медь. Профила концентрации многослойных пленок (0-Т1/Мо)п и (Со-Т1/Си)п для разных толщин ферромагнитных и парама-нитных слоев приведены на рис. 3. В этих пленках отсутствуют облети чистого Мо (или Си) и Со-Т1, однако на всех графиках хорошо ¿^ражена модуляция концентрации Со, Т1, Мо (или Си). Согласно фазовш диаграммам многослойные пленки (Со-Т1/Си) состоят из ферромагни.эых слоев с различной намагниченностью, в то время как в пленках (Ц-Т1/МО) наблюдается чередование ферромаг-

Рис. 3. Профили концентрации хюлга*их * -,<антов композиционно-модулированных пленок: , - ( 5 _ по~11/5 щ, Мо» б - ( 10 нм Со-Т1/10 нм Си) . п"

нитных и неферромагнитных слоев. При уменьшении толщины слоев (йСо_Т1 ~ 3 нм, йМо (<1Си) = 1 нм) распределение концентрации химических элементов в пленках примерно равномерное с незначительной модуляцией. Многослойная пленка о такими толщинами ферро- и парамагнитных слоев ферромагнитна с небольшими колебаниями намагниченности от слоя к слою.

Электронно-микроскопические исследования структуры многослойных пленок (Со-Т1/Мо) и (Со-Т1/Си) приведены в параграфе три. Для детального анализа структурных неоднородностей мультислоев электронно-микроскопические изображения обрабатывались с использованием спектрального Фурье-анализа. Двумерные цифровые Фурье-спектры позволили определить не только периоды структурных неоднородностей (Я,), но и коэффициенты анизотропного распределения структурных неоднородностей различных частотных диапазонов (7) по пленке, а также угол разориентации (в) неоднородностей различных частотных диапазонов друг относительно друга. Параметры структурных неоднородностей многослойных пленок приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры структуры многослойных пленок

Пленки 1- й диапазон 2-й диапазон 3-й диапазон

Я, нм Т 0° X, нм 7 е° А, нм 7 е°

(Со-Т1/Си)10 60-82 1,4 15-20 1,8 8 7 1,0

(Со-М/Мо), 85-110 1,8 15-16 1,1 0 5-6 1,0

В четвертой главе представлены результаты исследования магнитных свойств композиционно-модулировашшх пленок (Со-Т1/Мо)п и (Со-Т1/Си)п. В исследуемых пленках варьировались толщины ферромагнитных и неферромагнитных слоев. На рис. 4 и 5 показано поведение эффективной намагниченности, рассчитанной на суммарный объем ферро-

магнитных слоев. Поведение эффективной намагниченности для пленок т; различным типом парамагнитной просло:йки аналогично. Меньшая величина аффективной намагниченности пленок (Со-Т1/Мо) по сравнению с пленкам (Со-Т1/Си) может быть обусловлена как их аморфностью, так и большими внутренними напряженшми из-за большого различия радиусов атомов Со и Мо, которое составляет ~ 11 Различие радиусов атомов Со и Си составляет всего ~ 2 %, поэтому при прослаивании лоликрисгалличэских пленок Со^Т!^ слоями Си их структура не изменяется. Уменьшение намагниченности пленок с постоянной толщиной ферромагнитного слоя (рис. 4) при: росте толщены немагнитной прослойки связаью с перемешиванием атомов ферромагнитных и парамагнитных слоев и образованием размытых, межфазных границ. Увеличение намагниченности при увеличении толщины ферромагнитных слоев при постоянной ташдине парамагнитного слоя (рис. 5) обусловлено уменьшением относительного содержания атомов примеси в слоу Со-Т1. Экспериментально было установлено, что многослойных пленок (Со-Т1/Мо) с толщинами слоев <1Со_Т£ = 3 нм и бМо г 1 нм не завлсит от числа оислоев.

Коэрцитивная сила поликристалл'ичвск'га: многослойных пленок (Со— Т1/Си)п выше, чем аморфных многослойные пленок (Со-Т1/Мо)п, рис. 6. Переход ох поликристаллических пленок к аморфным сопровождается изменением типа дефектов, закрепляющие доменную границу. Для ультрадисперсных поликристаллических плено.к Н0 определяется сильным взаимодействием доменных границ с межзеренлыми границами, образующими непрерывный, неоднородный потенциальный рельеф, тогда как в аморфных пленках Н0 обусловлена слабым взаимодействием доменных границ с перепадами плотности материала, образующими также непрерывный, неоднородный потенциальный рельеф. Что касаемся компоненты Н„ обусловленной закреплением доменных границ полями рассеяния те-

1

П

I

и

рис. 4.

Зависимость эффективной намагниченности от толщины гиромагнитных слоев планок (Со-Т1/Мо)п и (Со-Т1/Си)п: ( 3 нм со-Т1/Х нм Си ) - 1, ( з нм Оо-М/Х нм Мо ) - 2, ( 8 нм С0-Т1/Х нм Си ) - 3.

ю

Ч 0

N 2

о

ю

¿Со-П>ил

Рис. 5. Зависимость эффективной намагниченности Г^ от толщины ферромагнитных слоев Со-?1: ( X нм Со-Т1/2 нм Си ) - 1, ( X нм Со-Т1/2 нм Мо ) - 2.

г

б

в

роховатостей поверхности, то она для пленок приведенных на рис. 6 примерно одинакова. С другой стороны увеличение HQ при уменьшении толщины парамагнитных прослоек от 2 до 0,3 нм может быть обусловлено тем, что при таких толщинах парамагнитные прослойки не сплошные, атомы Мо (Си) собраны в кластеры, которые в ферромагнитном слое являются изолированными немагнитными частицами, на которых закрепляется доменная граница. Для пленок с постоянной толщиной парамагнитной прослойки Mo (Gu) (dJl0 = й^ = 2 нм) с увеличением толщины ферромагнитного слоя коэрцитивная сила уменьшается, рис. 7. Уменьшение коэрцитивной силы при увеличении связано с

уменьшением величины компоненты коэрцитивной силы обусловленной шероховатостями поверхности, которая зависит от толщины ферромагнитного слоя, как (Г4/3.

При увеличении числа бислоев то 1 до 10 - 15 коэрцитивная сила также уменьшается, и при количестве слоев 20 - 150 HQ остается практически без изменения. Если предположить, что ферромагнитные слои взаимодействуют через тонкие металлические слои (dMo г 1 + 3 нм), то в результате замыкания магнитного потока в ферромагнитных слоях уменьшается эффективное размагничивающее поле, что ведет к уменьшению HQ.

Во втором параграфе приведен расчет компонент коэрцитивной силы. Дефекты поликристаллических и аморфных пленок имеют размеры много меньше ширины доменной границы (ДГ). Расстояние между ними также меньше ширины ДГ. Такие дефекты образуют неоднородный, непрерывный потенциальный рельеф, в котором движется доменная граница под действием внешнего магнитного поля. Теория гибкой доменной границы позволяет описать взаимодействие доменных границ с этими дефектами. Для определения коэрцитивной силы в поликристаллических и аморфных пленках мы воспрользуемся выражением С 1 3:

- 1Т -

1, ( 3 нм со-Т1/Х нм Си ) - 2, ( 8 нм С0-Т1/Х ем Си ) - 3.

4

2 * ~е ' е ' То

• 7. Зависимость, коэрцитивной силы Н от толщины феррома-магнитного ед-я Со-П: ( X нм СО-Т1/2 нм Мо ) - 1, С X нм СО-Т1/2 ш мо ) - 2.

Нп = 0,74

е2/3

1° ~ 1в1)4/371/3а1/3 '

где 1д - намагниченность, Б - толщина пленки, 7 и О- плотность поверхностной энергии и ширина доменной границы соответственно, 6 = <р£>/Ь - дисперсия силы взаимодействия ДГ с дефектами рассчитанная на единицу длины I доменной стенки. Для поликристаллических многослойных пленок 6 = 9а + + в^, для аморфных многослойных пленок в = ва + вопп + в^д, где 8 0- дисперсия силы взаимодействия ДГ о шероховатостями поверхности, дисперсия силы взаимодей-

ствия ДГ с мехсзеренными границами (МГ), - дисперсия силы, обусловленная закреплением ДГ разориентацией легких осей намагниченности (л.о.н.) кристаллитов, 6ОШ1 - дисперсия силы взаимодействия ДГ с областями пониженной плотности материала, - дисперсия силы взаимодействия ДГ с кластерами.

При оценке величины коэрцитивной силы принимали 7 = 2.103 Дк/м2 О = 10-7 м> полученные результаты компонент коэрцитивной силы для исследуемых пленок приведены в таблице 2.

Величина коэрцитивной силы поликристаллических пленок, определялась по формуле: Н0 = ( Н3/2 + Н3^2 + Н^2)2^3, а аморфшх -

Н - т3/2 4. рЗ/2 , ттЗ/2,2/3 о - (На + опп + "101 > •

Видно хорошее согласив теоретически рассчитанных Н0 и экспериментально измеренных Н0 величин коэрцитивной силы аморфных и поликристаллических многослойных композиционно-модулированных пленок.

В параграфе три приводятся данные исследований магнитной анизотропии многослойных пленок. Было обнаружено, что поле магнитной анизотропии пленок с прослойками Си выше, чем пленок с прослойками Мо. Данные также показывают, что Нк не зависит от толщины ферромагнитных слоев.

Таблица 2.

Коэрцитивная сила пленок (Со-Т1/Си)п и (Со~Т1/Мо)п «Со^М. ' 3 ви, = « 2 Ш)

Пленки ! н8. А/м'^Д/мЫд, А/м|ноШ1Д/м|ны.А/м Н0, а/м|нс, А/м

Со-Т1/Си ' I 1 1 1 213 ! 5ТЗ !, 110 I I - 6Т0 ! 450 +

iii 1 iii 1 ! 640

Со-И/Мо 213 ! - ! - I 55 | 5-6 213 { 120 +

1(1 1 111 1 ! 280

Магнитную анизотропию многослойных пленок с ферромагнитными и неферромагнитными слоями обычно рассматривают как сумму двух компонент: 1ефНк/2 = 2К£./йСо_т1, где - объемная анизотропия, обусловленная анизотропным распределением дефектов (межзе-ренных границ, областей пониженной плотности и т.д.) и анизотропией упругих деформаций (напряжений), КБ - компонента поверхностной анизотропии, обусловленная морфологией границ раздела. Построив зависимость К^со-т! от йсо-И (?ис* 8) • могаю провести разделение магнитной анизотропии на поверхностную и объемную составляющие. Точка пересечения прямой с осью ординат дает значение граничной анизотропии 2КВ, а тангенс угла наклона прямой - значение объемной анизотропии К^.. Для пленок (Со-Т1/Мо) с <3^ = 1,0 и 0,3 нм 2КВ = - 0,Э2-10_6 Дж/м2 и -1,38"Ю-® Дж/м2, а К, = 1,15"103 Дж/м3 и 1,25"103 Дж/м3соответственно.

Если учесть, что граница раздела между слоями не идеальная, то теоретически оценить поверхностную анизотропию можно воспользовавшись выражением: кв = к0 ДК» где К0 = ЗаИш - поверхностная анизотропия обусловлена псевдодипольным взаимодействием, а - параметр решетки, N - число атомов в единице объема, ш - диполь-дипольное взаимодействие магнитных моментов атомов; АК = ДКд + дкдиф + ДКщ!

ДКд - изменение анизотропии за счет поликристалличности. Этот член в аморфных пленках отсутствует. ¿Кдаф = -К0(1 - а/Ъ) - уменьшение анизотропен за счет диффузного размытия меафазных границ, Ь - глубина размытия; ДКщ = - 2К0(а/1)2 - уменьшение К0 вв счет шероховатости поверхности раздела, о ~ (Дйфер)1/? г ~ корреляционная длина. Параметры а и I определялись по данным спектральной обработки электронно-микроскопических снимков рэплик, снятых с поверхности слоев , & - определялась по данным профилей концентрации. Для о = 0.8 нм, I = 20 нм, Ь = 1-2 нм К = -1*10-6 Дк/м2.

Объемную анизотропию рассчитали по формуле:

1Ц, = СК^ + К2 2К±Кк Сов С180-(9.^ +9.1)]}1/2, где = - Ид )"С(А1)2 - анизотропия, создаваемая дефектами 1-ого диапазона, ГГ^ и Иа - размагничивэюцие факторы дефекта, С-концентрация дефектов, Д1 - скачок намагниченности на границе де-

факта (области пониженной плотности). Размеры и концентрацию анизотропно распределенных дефектов определяли по данным электронно-микроскопических изображений структуры. Оценки дали для пленок (Co-Ti/Mo) Kv = 1"103 Дж/м3. Для пленок (Co-Ti/Cu) оценки объемной и поверхностной анизотрош дали 4'103 Дж/м3 и -2"10~б Дж/н2, соответственно. Экспериментально разделить Kß и Kv для пленок (Со-Т1/ Си) оказалось невозможно, так как в этих пленках чередуются ферромагнитные слои.

В четвертом параграфе приводится описание исследования поведения магнитных параметров при термомагнитной обработке, которая проводилась в вакууме Ю-4' Topp в интервале температур 30°С -400°С с шагом 30°С в течении 30 минут при каждой температуре. Во время отжига магнитное поле прикладывалось параллельно оси легкого намагничивания. Поведение эффективной намагниченности пленок (Со-Т1/ Мо) с dCo_Ti = 3 нм и dMo = 3 и 5 нм от температуры отжига идентично, рис. 9. В пленках с толщиной парамагнитной прослойки 1 нм величина не изменяется до температуры отжига 200°С, а при дальнейшем увеличении температуры отжига наблюдается плавное уменьшение эффективной намагниченности. Причина такого различия в поведении 1еф = /(Тотж) заключается в том, что в пленках с тонкими прослойками молибдена, псрядка 1 нм, наблюдается слабая модуляция химических элементов по толщине пленки, следовательно, отжиг в таких пленках не может существенно изменить распределение концентрации элементов по толщине пленки. При увеличении толщины прослоек модуляция химических элементов по толщине становится более ярко выраженной. Отжиг таких пленок сопровождается выравниванием концентрации химических элементов по толщине пленки. При этом в результате взаимной диффузии концентрация Мо в слоях Со-И увеличивается, что приводит к потере магнитных свойств.

Поведение коэрцитивной силы в зависимости от температуры отжига представлено на рис. 10. Для пленок с толщинами прослоек Мо 3 и 5 нм поведение коэрцитивной силы противоположно поведению намагниченности, то есть при тех температурах, при которых падает коэрцитивная сила резко возрастает и при температуре отжига 200°С Н0 в два раза превышает исходную величину. При отжиге пленок с толщиной прослоек Мо 1 нм коэрцитивная сипа уменьшается более чем в 1,5 раза до температуры отжига 150°С, а при Тотж > 150°С наблюдается увеличение коэрцитивной силы. При Тотж = 350°С Н0 примерно в 20 раз превышает исходное значение. Увеличение Нс связано с кристаллизацией и последукцим ростом размера зерна Н при отжиге.

Для выяснения роли направленного упорядочения неодаородаостей в создании одноосной анизотропии исследовали поведение поля анизотропии Нд при изотермическом относе в постоянном магнитном поле 32х 103 А/и при сравнительно низких температурах отжига 100* 150°С. Магнитное поле во время отжига прикладывалось перпендикулярно оси

Рис. 9. Зависимость эффективной намагниченности пленок (Со-Т1/Мо)10 от температуры отжига; = 3 нм: 1 - с3^0 =

1 нм, 2 - б^д = 3 нм, 3 - = 5,5 нм.

Рис. 10. Зависимость коэрцитивной силы Н0 пленок (Со-Т1/Мо)10 от температуры отжига; = 3 нм: 1 - аМо = 1 нм, 2 - =

3 нм, 3

= 5,5 нм.

легкого намагничивания. Поле анизотропии в первые 30 ~ 50 мин уменьшалось только по величине и затем оставалось без изменения в течение 3 часов отжига. Энергию активации процессов происходящих при отжиге, определяли из уравнения: Е^ = кТ^Т^ХпСх^/х^)/(Tj -Tk), где 1 = (tj ti)/ln[(Hki - Hjtto)/(Hjc;J - Hj^)]- время релаксации; Tk, Гг и t^, tj - температура и время изотермического отжига; Hki Н^ - поле анизотропии при временах отжига t^ и t^. Энергия активации отжигаемой части анизотропии составила Еак = 0,17 -

0.21 эВ. Значения энергии активации, полученные при изотермическом отжиге, хорошо согласуются со значениями, полученными при термомагнитном отжиге. Такие значения энергии активации связаны с диффузией на близкие расстояния.

Неотжигаемая часть магнитной анизотропии обусловлена структурными неоднородностями (границы зерен, области пониженной плотности) анизотропно распределенными по пленке и она нечувствительна к низкотемпературному отжигу.

Литература:

1. Иваноа A.A. // «ММ, 1Э&0, т. 49, J6 5, С. 954 - 964.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Установлен интервал концентраций титана в ферромагнитных слоях Co-Tl, при которых композиционно-модулированные пленки Со-Т1/Мо являются аморфными.

Показано, что при введении парамагнитных прослоек Мо область концентраций Т1 аморфных пленок Co-Ti/Mo существенно уменьшается (смещается в область низких концентраций), по сравнению с однослойными пленками Со-Т1.

Пленки Co-TI прослоенные Си во всем исследуемом интервале концентраций TI являются поликристаллическими.

2. Установлена зависимость эффективной намагниченности и коэрцитивной силы от толщины ферромагнитных Со-Т1 и парамагнитных Си и Мо слоев в многослойных пленках Со-Т1/Мо (Си). При увеличении толщины парамагнитных прослоек до 1 + 2 нм значения и Нс уменьшаются, а при ¿ларам > 2 нм остаются без изменения.

При увеличении толщины ферромагнитных слоев Со-Т1 увеличивается значение эффективной намагниченности и уменьшается величина коэрцитивной силы.

3. Показано, что в многослойных пленках Со-Т1/Ыо и Со-Т1/Си с одинаковыми толщинами слоев Мо и Си значения и Нс зависят от типа парамагнитных прослоек. Величины эффективной намагниченности и коэрцитивной силы пленок Со-Г1/Си выше, чем пленок Со-Т1/Мо. Это обусловлено тем, что при прослаивании парамагнитными слоями, пленки Со-Т1/Мо становятся аморфными, в то время как пленки Со-Т1/Си остаются поликристаллическими. В композиционно-модулированных пленках Со-Т1/Си чередуются ферромагнитные слои с разной величиной эффективной намагниченности, в то время как, в пленках Со-Т1/Мо чередуются ферромагнитные и немагнитные слои.

4. Проведены оценки коэрцитивной силы аморфных и поликристаллических пленок Со-Т1/Си и Со-Т1/Мо. Выяснены механизмы закрепления доменных границ. Отмечено хорошее согласие рассчитанных значенией Нс с экспериментально измеренными.

5. Проведено разделение наведенной магнитной анизотропии на объ емную и поверхностную. Проведены оценки объемной и поверхностной компонент магнитной анизотропии с учетом структурных параметров (размеров шероховатости, размеров кластеров и прослоек между ячейками) пленок.

6. Определена граница температурной стабильности 200°С) магнитных параметров композиционно-модулированных пленок Со-Т1/Мо с

ультратонкими слоями (dno_Tj= 3 нм, dyQ = I- 3 нм). Рассчитана ане ргия активации и показано, что изменение магнитных параметров при отжиге связано с диффузией атомов на близкие расстояния.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ Ильина Э.В. ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Воробьев Ю.Д., Чеботкевич Л.А, Кузнецов А.И., Слабженникова И.М., Ильин Э.В., Осуховский В.З. Магнитные свойства многослойных структур Co-Ti/Mo на стекле // Сб. докл. 36 Всеросийской межвуз. н.-т. конфер. Владивосток. 1993, т.1, ч. 1. - С. 65 - 63.

2. Ильин Э.В., Иванова Г.Ф., Воробьев Ю.Д., Чеботкевич Л.А. Исследование термической стабильности пленок (Co-Ti/Mo)п// Сб. докл. 37 Всеросийской межвуз. н.-т. конфер. Владивосток. 1994, т.1, ч.

2. - С. 64 - 66.

3. Ворбьев Ю.Д., Кузнецов А.И., Ильин Э.В.. Иванова Г.Ф., Слабженникова И.М., Чеботкевич Л.А. Свойства мультислойных пленок (Co-Ti/Mo)п// Сб. докл. 14 школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". М.: МГУ. 1994, ч. 3. С. 74.

4. Чеботкевич Л.А., Воробьев Ю.Д., Ильин Э.В., Кузнецов А.И., Слабженникова И.М. Магнитные свойства и структура многослойных пленок Co-Ti/Mo// «ММ. 1994, т. 77, № 5. С. 73 - 76.

5. Ильин Э.В., Слабженникова И.М., Чеботкевич Л.А., Воробьев Ю.Д. Влияние неферромагнитных прослоек на магнитные параметры многослойных пленок COgçTi^// Сб. докл. 38 Всеросийской межвуз. н.-т. конфер. Владивосток. 1995, т.1, ч. 2. С. 84 - 86.

6. Чеботкевич Л.А., Грудин Б.Н., Кузнецова C.B., Ильин Э.В., Воробьев Ю.Д., Слабженникова И.М. Спектр структурных неоднородностей и анизотропия многослойных пленок// <ШМ. 1995, т. 80, J65. С. 117 -120.

7. Chebotkevich I.A., Vorob'ev Yu.D., Slabzhennikova I.M., Kuznet-sova S.V., Ilyln A.V. Multilayerea Fe/lío, Co-Tl/Mo films// Mater. 10th International Colloqium Plasma Processes. France. 1995.

8. Ильин Э.В., Азатьян с.Г., Воробьев Ю.Д., Слабженникова И.М., Чэботкевич Л.А. Роль прослоек в формировании структуры и магнитных параметров многослойных пленок Co-Ti/Mo и Co-Tl/Cu// Сб. докл. 39 Всеросийской межвуз. н.-т. конфер. Владивосток. 1996, т 2. С. 48 -50.

9. Ильин Э.В., Писаренко И.В., Воробьев Ю.Д., Слабженникова И.М., Чеботкевич Л.А. Влияние химического состава на структуру и магнитные параметры многослойных пленок Co-Ti/Mo// Сб. докл. 39 Всеросийской межвуз. н.-т. конфер. Владивосток. 1996, т.2. С. 51 - 53.

10. Chebotkevich L.A., Vorobyev Yu.D., Ilyln E.V., Azatyan S.G., Plsarenko I.V., Slabzhennikova I.M., Kuznetsova S.V. Influence oí Interlayera on Structure Formation and Magnetic Parameters oí Multilayered Co-Ti/Mo and Co-Ti/Cu Films// Phys. low-Dim. Struct. 1996, v.7, Л 8. P. 33 - 39.

И. Чеботкевич Л.А., Ильин Э.В., Воробьев Ю.Д., Грудин В.Н., Слабженникова И.М. Многослойные пленки Co-Ti/Mo и Co-Ti/Cu с наномет-ровыми толщинами слоев// Тез. докл. 15 школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники". М.: МГУ. 1996, с. 60.

12. Chebotkevlch L.A., Vorob'ev Yu.D., Ilyln E.V. Structure and properties of multilayered Co-Tl/Mo, Co-Ti/Cu films// Mater. 5th International Symposium on Trends and. New Applications in thin films. France. 1996.

13. Ильин Э.В., Чеботкевич Л.А. Намагниченность и коэрцитивная сила многослойных пленок (Co-Ti/Mo)п и {Co~Ti/Cu)n// Матер, между-нар. н.-м. конфер. "Наука в образовательном процессе ВУЗа". Уссурийск. 1997, С. 69 - 72.