在MgO和Si衬底上生长的厚Co2MnAl薄膜的热稳定性和结构有序化

《Journal of Alloys and Compounds》：Thermal stability and structural ordering of thick Co?MnAl films grown on MgO and Si substrates

　　

虽然大多数关于Co₂MnAl（CMA）的研究聚焦于用于自旋电子学结的超薄区域，但随磁体积缩放的应用——如反常能斯特效应（ANE）能量收集器、集成功率电感器和磁MEMS——需要显著更厚的薄膜。在本工作中，研究人员在MgO（001）和Si衬底上生长了750 nm厚的CMA薄膜，以建立其热集成路线图。结构分析表明，B2有序在600°C的MgO上得到优化，这对功能器件很重要。相比之下，Si衬底上的样品表现出向A2相的无序转变，这与扩散驱动的退化过程密切相关。在500°C以上，Si向Heusler层中的互扩散引发界面硅化物和Kirkendall空洞的形成，导致微裂纹、电阻率跳跃以及最终的完全无序A2相。尽管存在Mn贫瘠的化学计量比（Co_2.25Mn_0.7Al_1.05），薄膜仍保持约600 emu/cm3的稳健饱和磁化强度。这些结果定义了将厚CMA层集成到多功能CMOS兼容平台中的工艺窗口。

**论文解读：厚Co₂MnAl薄膜在MgO和Si衬底上的热稳定性与结构有序化研究**

**研究背景与动机**

Heusler合金因其卓越的电子和磁性质，在自旋电子学领域备受关注，尤其是Co基全Heusler合金（如Co₂MnAl，简称CMA）具有理论预测的半金属性和高居里温度，在磁隧道结（MTJ）和自旋阀等器件中潜力巨大。然而，现有研究多聚焦于超薄薄膜（<50 nm）用于自旋电子学结，而许多应用——如反常能斯特效应（ANE）能量收集器、集成功率电感器和磁MEMS——需要随磁体积缩放，即要求显著更厚的薄膜（约750 nm）。目前，关于厚CMA薄膜的热稳定性和结构有序化研究尚不充分，尤其是在不同衬底（MgO和Si）上的行为差异。MgO常作为外延生长模板，而Si是CMOS兼容的主流衬底，但两者与CMA的热膨胀系数和化学相容性不同，可能导致不同的退化机制。因此，本研究旨在系统评估厚CMA薄膜在不同衬底和生长温度下的结构、形貌、电学和磁性质，明确热集成工艺窗口，为多功能CMOS兼容平台提供指导。

**研究内容与结论**

研究人员通过射频磁控溅射在MgO（001）和Si（001）衬底上生长了名义厚度750 nm的CMA薄膜，实际成分为Co_2.25Mn_0.7Al_1.05，生长温度从室温（RT）至700°C。结构分析表明，MgO衬底上在600°C时实现了优化的B2有序结构，而Si衬底上始终为完全无序的A2相，且高温下Si扩散引发界面反应和微裂纹。尽管存在Mn贫瘠，薄膜仍保持约600 emu/cm3的稳健饱和磁化强度。这些结果定义了厚CMA层在MgO和Si衬底上的热集成工艺窗口，为ANE能量收集器、集成电感器和磁MEMS等体积依赖应用提供了关键参考资料。论文发表在《Journal of Alloys and Compounds》。

**主要技术方法**

研究人员采用射频磁控溅射系统在MgO（001）和Si（001）衬底上生长CMA薄膜，靶材为Co₂MnAl但实际成分偏离化学计量比。结构表征通过X射线衍射（XRD）进行，结合Debye-Scherrer公式计算晶粒尺寸和晶格参数。表面形貌分析使用原子力显微镜（AFM）和高分辨率扫描电子显微镜（HRSEM），并利用开尔文探针力显微镜（KPFM）测量表面电势。成分分析采用能量色散X射线光谱（EDS）对截面进行线扫描。磁性质通过振动样品磁强计（VSM）测量室温磁滞回线，电学性质采用范德堡法测量电阻率。

**研究结果**

**3.1 结构表征（XRD）**
通过XRD分析，MgO衬底上样品在33°和65°处出现（200）和（400）衍射峰，表明B2结构，且峰强随温度升高至600°C达到最大，晶格参数压缩应变约0.7%，晶粒尺寸增大三倍。Si衬底上样品仅观察到（220）峰，且在500°C以上峰强先降后升，但始终未出现（200）或（400）峰，表明完全为A2无序相。Si上样品在700°C出现额外小峰，对应硅化物的形成。结果表明MgO促进外延B2有序，而Si上因晶格失配和界面反应导致结构无序。

**3.2 表面形貌（AFM和HRSEM）**
AFM测量显示，Si衬底上样品在500°C以上粗糙度显著增加，且在600°C和700°C出现微裂纹图案。KPFM图像确认微裂纹导致表面电势异常，表明电连续性中断。HRSEM截面观察发现，700°C样品中微裂纹延伸至Si衬底，且Si衬底下方出现空洞。EDS线扫描显示，500°C以上Si向CMA层扩散，700°C时Si渗透至约400 nm深度，形成Kirkendall空洞和界面硅化物，导致微裂纹和结构退化。

**3.3 电学性质**
电阻率测量显示，MgO衬底上样品电阻率约250 μΩ·cm，随温度变化不大。Si衬底上样品在500°C以下电阻率约260 μΩ·cm，500°C时跃升至约310 μΩ·cm，700°C进一步升高，归因于Si扩散和微裂纹增加。

**3.4 磁性质**
MgO衬底上样品饱和磁化强度（M_s）随温度升高而增加，600°C时达到最大值约600 emu/cm3，700°C略有下降。矫顽力（H_c）随温度升高而降低，磁滞回线矩形度改善。Si衬底上样品M_s在500°C以下增加，500°C后急剧下降，H_c在500°C后快速上升。尽管Si上样品为A2相，其M_s值与MgO上B2相样品相当，表明磁性质对结构无序不敏感。MgO上600°C以上样品磁滞回线出现扭结，可能源于Mn向MgO界面扩散形成的贫Mn子层。

**3.5 退火样品**
室温生长的样品经500°C后退火后，XRD和电阻率无显著变化，但磁滞回线演化与高温生长样品相似，M_s增加、H_c降低。700°C退火导致CMA层从Si衬底上剥离，归因于界面反应和热膨胀系数失配。

**总结讨论与结论**

讨论部分指出，MgO衬底上B2有序的优化温度为600°C，而Si衬底上500°C以上发生Si扩散驱动的退化，包括硅化物形成、Kirkendall空洞和微裂纹，导致电阻率跃升和完全无序的A2相。尽管成分偏离化学计量比，饱和磁化强度保持稳健，表明磁功能对结构无序和轻微成分偏差不敏感。厚膜（750 nm）的机械完整性使其能够桥接界面反应区，避免薄膜坍塌，这是厚膜应用的独特优势。研究结论翻译如下：

总之，本研究提供了750 nm厚Co₂MnAl薄膜的详细结构和磁表征，为在MgO和Si衬底上集成到新兴技术中确立了关键工艺窗口。实验结果表明：
• 衬底驱动的结构演化：X射线衍射证实MgO（001）促进优越的晶体质量，B2有序度随生长温度升高至600°C而系统增加。相比之下，Si（001）上薄膜在500°C以上发生严重界面退化。
• Si衬底上样品在500°C存在明确的热极限：超过此温度，Si快速扩散进入Heusler层，形成Co硅化物，导致Kirkendall空洞、界面空腔和微裂纹，解释了电阻率骤升和最终完全无序的A2相。这些特征构成电子传输的物理障碍，明确了CMOS兼容集成的热预算。
• 磁稳健性与化学计量比：尽管EDX测量显示Mn贫瘠成分（Co_2.25Mn_0.7Al_1.05），薄膜仍保持约600 emu/cm3的稳定饱和磁化强度，表明CMA的磁功能对中等非化学计量比保持稳健，这是可靠器件制造的关键要求。
• 厚膜的机械优势：本研究的750 nm厚度被证明是维持薄膜结构完整性的决定因素。SEM分析显示，薄膜在界面反应区充当机械桥，尽管形成Kirkendall空洞，仍防止了立即坍塌。
这些发现验证了厚Co₂MnAl层在需要显著磁体积的应用（如集成电感器或热能收集器）中的使用，并为基于所选衬底选择生长参数提供了明确指南。