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 разделе 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 Т_исп = 120⁰С и при различных температурах подложки, характеризуются лишь одним дифракционным пиком, расположенным между 2Ө = 44,2 – 44,7^○ (Рисунок 9, а).

	а		б

 

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

 

Асимметричное уширение данного пика можно рассматривать как суперпозицию отдельных отражений, соответствующих α-Co и β-Co. Детальный анализ дифракционной картины показывает, что данный дифракционный пик включает в себя отражение от β-Co (111), имеющего ГЦК – решётку, на угле 2Ө = 44,3^○, а также отражение от α-Co (002), характеризующегося ГПУ-решёткой, на угле 2Ө = 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 Ө = 44.2 – 44.7 ° зависит от температуры подложки. Пленки Co, осажденные при Т_подл = 310 ⁰С, характеризуются отсутствием отражения от фазы Co. Данный пик появляется лишь при повышении температуры подложки до Т_подл = 330⁰С. При последующем увеличении температуры осаждения он становится более интенсивным и достигает максимума при Т_подл = 350⁰С. Однако дальнейший рост температуры способствует уменьшению интенсивности отражения вплоть до его потери при Т_подл = 420⁰С.

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

 

 

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

 

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

Таблица 2 – Элементный состав, размер ОКР и микронапряжения s пленок Co, полученных при различных температурах испарителя Т_исп и подложки Т_подл

Тисп, 0С	Тподл, 0С	Элементный состав	ОКР, нм	s, ГПа
Первая партия
		Co 91.4%, C 8.3 %, O 0.3%		1,7
		Co 89.9%, C 9.5%, O 0.6%		1,4
		Co 84.1%, C 11.6%, O 4.3%		1,2
		Co 80.0%, C 18.9%, O 1.1%		1,4
		Co 44.2%, C 55.7%, O 0.1%		0,8
Вторая партия
		Co 84.8%, C 14.2%, O 0.1%, N 0.9 %		0,4
		Co 86.5%, C 12. 6%, O 0.2%, N 0.7 %		0,5
		Co 92.3%,C 7. 2%, O 0.5%		0,2
		Co 93.5%, C 6.0%, O 0.5%		0,4
		Co 90.9%, C 8.8%, O 0.3%		0,3
Третья партия
		Co 89.9%, C 9.5%, O 0.6%		1,4
		Co 93.5%, C 6.0%, O 0.5%		0,4
		Co 92.8%,C 6.4%, O 0.8%		0,3
		Co 95.1%, C 4.6%, O 0.3%		0,4
		Co 94.3%, C 4.8%, O 0.9%		0,2
		Co 92.3%,C 7.0%, O 0.7%		0,3
		Co 90.9%,C 8.3%, O 0.8%		0,1

 

 

При этом сопоставление образцов из первой и второй партий позволяет сделать вывод, что при увеличении 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 Т_исп от 120 до 135⁰С размер ОКР увеличивается более чем в два раза. Дальнейшее повышение температуры испарителя до Т_исп = 140⁰С приводит к резкому снижению размера ОКР, который сохраняется неизменным вплоть до Т_исп = 155⁰С.

Микронапряжения в пленках Co, осажденных при Т_исп = 120⁰С, снижаются с ростом температуры подложки, в то время как в пленках, полученных при Т_исп = 130⁰С, они остаются постоянны в пределах погрешности измерений (Таблица 2). Стоит отметить, что увеличение температуры испарителя от 120 до 130⁰С приводит к трехкратному уменьшению микронапряжений. При этом дальнейший рост температуры испарителя вплоть до Т_исп = 155⁰С не влияет на величину микронапряжений.

Методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии установлено, что температура подложки существенно влияет на элементный состав пленок Со. Как видно из таблицы 2, наряду с атомами Co в исследованных пленках присутствуют атомы углерода, кислорода и азота. В случае Т_исп = 120⁰С увеличение температуры подложки от 310 до 420⁰С приводит к двукратному уменьшению содержания кобальта от 91,4 до 44,2% и к значительному повышению содержания углерода. Данное изменение химического состава объясняет исчезновение дифракционного пика на угле 2 Ө = 44.2 – 44.7 ° в пленках Co, нанесенных при Т_подл = 420⁰С. Однако в случае Т_исп = 130⁰С степень влияния температуры подложки на элементный состав пленок уменьшается. Так, увеличение температуры подложки от 300 до 330⁰С сопровождается ростом содержания кобальта от 84.8 до 93.5%. Дальнейшее повышение температуры подложки до 340⁰С приводит к обратному снижению содержания кобальта в пленках до 90,9%. Отметим, что варьирование температуры испарителя не влияет на химический состав пленок Co. Согласно таблице 2, содержание кобальта в исследуемых пленках колеблется в пределах 90-95% при изменении температуры испарителя от 120 до 155⁰С.