О В Сынашенко, А И Салтыкова. И Е Проценко - Диффузионные процессы и интерфейсное рассеяние электронов - страница 1

Страницы:
1  2  3  4 

Ж. нано- електрон, фіз./ J. Nano- Electron. Phys. 2009. - Т.1, №2. - С. 89-100

©2009 СумДУ (Сумський державний університет)

PACS numbers: 66.30.Pa, 68.35.Fx, 72.10.Fk

ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ИНТЕРФЕЙСНОЕ РАССЕЯНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ПЛЕНОЧНЫХ СИСТЕМАХ НА ОСНОВЕ Cu/Fe И Fe/Cr

0. 8. Сынашенко1, А.И. Салтыкова2, И.Е. Проценко1

Сумский государственный университет,

вул. Римского-Корсакова, 2, 40007, Сумы, Украина

E-mail: protsenko@aph.sumdu.edu.ua

Сумский государственный педагогический университет им. А.С.Макаренко, ул. Роменская, 87, 40002, Сумы, Украина

Приведены результаты исследования диффузионных процессов методами ВИМС и ОЭС в пленочных системах Cu/Fe и Fe/Cr; изучено влияние температуры отжига на эффективные коэффициенты термодиффузии.. Рассчитаны величины коэффициента прохождения электронами интерфейса и эффективные коэффициенты диффузии при различных процессах: конденсационно-стимули-рованной, ионно-стимулированной и термодиффузии.

Ключевые слова: ДИФФУЗИОННЫЙ ПРОФИЛЬ, ВИМС, КОЭФФИЦИЕНТ ДИФ­ФУЗИИ, ШЕРОХОВАТОСТЬ ИНТЕРФЕЙСА,, КОЭФФИЦИЕНТ ПРОХОЖДЕНИЯ ИНТЕРФЕЙСА.

(Получено 08.09.2009, в отредактированной форме - 02.10.2009)

1. ВВЕДЕНИЕ

Открытие явления гигантского магнитного сопротивления, наблюдаемого в низкоразмерных магнитонеоднородных пленочных материалах (мультислои и гранулированные сплавы), постоянно стимулирует исследования в них различных процессов, в том числе и таких как диффузия и структурно-фазовые превращения. Несмотря на большой объем таких исследований, ряд вопросов остается малоизученным. В частности речь идет об исследованиях диффузионных процессов по границам зерен или через границу раздела слоев (интерфейс). Как было показано в [1] зернограничная диффузия в поликристаллических пленочных системах, в отличие от массивных образцов, в большинстве случаев преобладает над объемной, отличаясь на два порядка.

Среди многих исследуемых многослойных структур пленочные системы на основе фрагментов Fe/Cu и Fe/Cr остаются в поле постоянного интереса благодаря их широкому применению в современной электронике [2, 3]. Указанные пленочные системы являются представителями двух противоположных тенденций с точки зрения взаимной диффузии атомов: крайне ограниченная взаимная растворимость атомов Fe и Cu или неограниченная растворимость в случае атомов Fe и Cr [4].

Большое количество работ (см., например, [5-8]) посвящено изучению структурного и фазового состояния интерфейсов в многослойных структурах, а также влиянию их на величину магнитосопротивления (МС) [7]. Авторами [5] методом мёссбауэрской спектроскопии было показано, что область интерфейса между слоями Fe и Cu представляет собой сплав, причём относительная его доля в слое Fe увеличивается суменьшением толщины слоёв системы Fe(x)/Cu(x) от x = 3 нм до x = 1 нм. В работах [6, 7] проведен анализ влияния шероховатости интерфейса на границе слоев Fe и Cr на величину МС многослойных пленочных систем на их основе. В частности, было предложено учитывать влияние взаимной диффузии атомов разного сорта через интерфейсы, которая приводит к изменению обменного взаимодействия за счет ослабления фракции с антиферромагнитным упорядочением. Было установлено, что с ростом шероховатости интерфейсов МС постепенно уменьшается [7].

Цель наших исследований состояла в изучении взаимной диффузии атомов в процессе конденсации пленочных систем и в результате их термообработки, расчете коэффициентов взаимной диффузии и определении параметров интерфейсного рассеяния в многослойных структурах на основе фрагментов Fe/Cu и Fe/Cr с учетом взаимосвязи указанных процессов со структурно-фазовым состоянием пленочных систем.

2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Тонкопленочные двух- и многослойные системы на основе Fe и Cu или Cr были получены методом термического испарения в вакууме (давление остаточной атмосферы 10-3-10-4 Па) на подложки (П) из аморфного ситалла (для ВИМС исследований) или кристаллического Si (111) (для рентгеновского анализа). Контроль толщины отдельных слоев осуществлялся in situ методом кварцевого резонатора.

Для изучения терморезистивных свойств трехслойных пленочных систем использовалась ситалловая подложка с контактными площадками в виде ступеньки. Термостабилизация пленки проводилась в интервале температур от комнатной до 700 К (в случае системы Cu/Fe/Cu) и до 950 К (Cr/Fe/Cr).

Исследования диффузионных процессов в двуслойных пленочных системах проводились методом вторично-ионной масс-спектрометрии (ВИМС) на приборе МС-7201М. Для получения диффузионных профилей проводилась запись масс-спектров вторичных ионов от толщины по мере травления образца ионами Ar+ с энергиями в диапазоне от 5 до 50 кэВ. Концентрация С0 определялась по усредненному сигналу вторичных ионов от массивных эталонных пластин Cu, Fe и Cr.

Качество интерфейсов изучалось методом рентгеновской рефлектометрии на установке X'Pert MRD Pro с использованием медного Ка-излучения.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 3.1 Диффузионные процессы

Исследования диффузионных процессов в пленочных системах Cu/Fe/П и Fe/Cr/П проводились методом вторично-ионной масс-спектрометрии в процессе послойного травления первичными ионами неотожженных (конден-сатционно-стимулированная диффузия (КСД)) и отожженных до различных температур в диапазоне 300 -т- 900 К (термодиффузия (ТД)) образцов.

В исследуемых нами системах диффузионные профили, как результат реализации КСД (рис.1 и 2), в неотожженных образцах имеют неодинаковый характер: частичное их перекрытие в случае системы Cu/Fe (рис. 1 а) и полное перемешивание атомов в системе Fe/Cr (рис. 2 а). Диффузионные профили, полученные от отожженных образцов, претерпевают изменения, которые проявляются или в дальнейшем их перекрытии (рис. 1, б-д) в случае системы Cu/Fe или в появлении нечеткой границы раздела (ГР) между слоями, которая совпадает с плоскостью Матано (ПМ), и размытых максимумов на

c/co, от.ед.

c/co, от.ед.

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

0 10 20 30 40 50 60 d, нм c/cp, от.ед.

0,0

0 10 20 30 40 50 60 d, нм c/cp, от.ед.

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

0     10    20    30   40    50   60 d, нм

0 10 20 30 40 50 60 d, нм c/cq, от.ед.

0     10    20    30    40    50    60 d, нм

Рис. 1 - Диффузионные профили для пленочной системы Cu(40)/Fe(20)/n в неотожженном (а) и отожженном до Тотж = 500 (б), 630 (в), 750 (г), 870 К (д) состояниях

диффузионных профилях (рис. 2, б-г) в случае системы Fe/Cr. При этом наблюдается смещение ГР, что полностью объясняется в рамках представления об эффекте Киркендалла [9]. Такое различие во внешнем виде и трансформации диффузионных профилей непосредственно связано со структурно-фазовым состоянием исследуемых образцов. Так, в образцах системы Cu/Fe до большой степени сохраняется индивидуальность отдельных слоев вплоть до температуры 750 К, в то время как в системе Fe/Cr уже в процессе конденсации образуется твердый раствор (Fe, Cr) [4], в котором при термоотжиге частично происходит его упорядочение, что проявляется в диффузионном расслоении раствора или в т.н. эффекте обращения потока вакансий, наблюдаемого ранее в работе [10].

Отметим, что подобное расслоение компонент наблюдалось авторами [11] при исследовании кинетики диффузионных процессов в системе Ag/Cu с ограниченной взаимной растворимостью компонент. Как показано в [12], при термообработке двухслойной системы Fe/Cr может происходить, при избытке одной из компонент, насыщение или перенасы­

c/cp, от.ед. c/cp, от.ед.

0     5    10   15   20   25   30 d, нм       0     5    10   15   20   25   30 d, нм

c/cp, от.ед. c/cp, от.ед.

0     5    10   15   20   25   30 d, нм       0     5    10   15   20   25   30 d, нм

Рис. 2 - Диффузионные профили для пленочной системы Fe(10)/Cr(21)/n в неото-жженном (а) и отожженном до Тотж = 600 (б), 750 (в), 900 К (г) состояниях

щение твердого раствора, который образовался в процессе КСД, в результате отвода атомов, сегрегированных на границах зерен, в их объем.

Необходимо особенно подчеркнуть, что при использовании методики ВИМС определенное влияние на форму диффузионных профилей оказывает ионно-стимулированная диффузия (ИСД), вклад которой в общую диффузию невозможно учесть.

С учетом последнего замечания, на основе полученных данных (рис. 1 и 2) был проведён расчет эффективных коэффициентов при КСД и ИСД (-D1), при КСД, ИСД и ТД (D2) и при ТД (-0Тд) с помощью таких соотношений:

1к = фк)1/2, (1) 1т = Ф27т)1/2, (2) 1т - 1к = ФТДГт)1/2, (3)

где и - длины диффузионных пробегов атомов (определялись как толщина верхнего слоя, при которой исчезает оже-сигнал от атомов нижнего слоя, или как толщина стравленного нижнего слоя, при которой исчезает сигнал от атомов верхнего слоя на ВИМС-спектре) для случаев КСД+ИСД и ТД соответственно; тк и тт - время конденсации и термоотжига. Отметим, что операция вычитания диффузионных профилей позволила по соотношению (3) рассчитать коэффициент - ТД в чистом виде (как и в случае оже-электронной спектроскопии (ОЭС)), чего нельзя сделать в двух остальных случаях, указанных выше. Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Зависимости Х)Тд(Т), перестроенные в координатах (1пХ)тд)-(1^Т), позволяют рассчитать энергию активации диффузии и предэкспонен-циальный множитель - 0 в уравнении диффузии. Полученные данные для системы Fe/Cu можно записать в виде уравнений диффузии:

Страницы:
1  2  3  4 


Похожие статьи

О В Сынашенко, А И Салтыкова. И Е Проценко - Диффузионные процессы и интерфейсное рассеяние электронов