CC BY
23
УДК 539.534.9
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА СОСТАВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ И МИКРОТВЕРДОСТЬ ПРОКАТАННЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ ФОЛЬГ С НАПЫЛЕННЫМ СЛОЕМ АЛЮМИНИЯ
НОВОСЕЛОВ А.А., КОЛОТОВ А.А., БАЯНКИН В.Я.
Физико-технический институт УрО РАН, 426000, г.Ижевск, Ул.Кирова, 132
АННОТАЦИЯ. В статье представлены результаты облучения прокатанных фольг Си5о№50 с напыленным слоем А1 ионами Аг+ при различной энергии ионов и интегральной дозе облучения. Выявлено изменение элементного состава на сверхбольших глубинах.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: ионная имплантация, эффект дальнодействия. ВВЕДЕНИЕ
Исследования в области взаимодействия пучков заряженных частиц с твердыми телами интенсивно ведутся на протяжении уже нескольких десятилетий.
Большое количество работ посвящено исследованию эффекта дальнодействия при ионной имплантации: установлено, что область изменения структуры и фазового состояния мишени в результате ионной имплантации может распространяться на субмикронные и микронные толщины. Кроме того, были получены экспериментальные данные, свидетельствующие об аномально глубоком проникновении (вплоть до десятков микрон) собственно имплантируемых ионов [1-4].
В настоящее время отсутствует понимание влияния отклика облучаемого материала на процесс ионного перемешивания, в то время как такой отклик может иметь решающее значение для определения конечных параметров облученной среды.
В данной работе исследуется влияние ионной имплантации на элементный состав и микротвердость прокатанной медно-никелевой фольги с напыленным слоем алюминия. Исследуемый объект представляет собой сложный «сэндвич» из алюминиевой пленки, находящейся в равновесном состоянии, и неравновесной исходно-деформированной медно-никелевой фольги. В данном случае можно ожидать появления аномальной (относительно классических моделей радиационной физики твердого тела) диффузии напыленного элемента и изменения концентрации меди и никеля на необлученной стороне мишени. Последнее наблюдалось нами ранее, при исследовании облученных фольг пермаллоя-79 и медно-никелевого сплава (без напыления) [3,4]. В связи с этим, исследование зависимости элементного состава и микротвердости (как структурозависимого параметра) прокатанных, неравновесных фольг от параметров ионного облучения, в частности, энергии бомбардирующих ионов и интегральной дозы облучения, представляет определенный интерес.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На фольги Си50№50, прокатанные до толщины 50 мкм и в силу этого находящиеся в сильно неравновесном состоянии, напылялся алюминий до расчетной толщины слоя порядка (80-100) нм. Напыление проводилось резистивным методом в вакууме порядка 10-6 мм рт.ст. Со стороны напыленного слоя фольги облучались ионами аргона, плотность тока составляла 10 мкА, в первой серии образцов варьировалась интегральная доза: (5Е+16, 7,5Е+16, 10Е+16, 12,5Е+16) ион/см2, при этом энергия ионов составляла 40 кэВ; во второй серии образцов
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА СОСТАВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ И МИКРОТВЕРДОСТЬ ПРОКАТАННЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ ФОЛЬГ С НАПЫЛЕННЫМ СЛОЕМ _АЛЮМИНИЯ_
варьировалась энергия ионов от 20 кэВ до 50 кэВ с шагом 10 кэВ при интегральной дозе облучения (5Е+16) ион/см .
Исследования химического состава сверхтонких поверхностных слоев выполнены методом Оже-электронной спектроскопии на спектрометре JAMP-10s [5]. При этом относительная ошибка расчета концентраций компонентов не превышала ±4 % [6].
Послойный анализ проведен с использованием травления поверхности ионами Аг+ с энергией 0,5 кэВ и плотностью тока 160 мкА/см2 (скорость травления ~ 3 нм/мин).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Подробный элементный анализ облученной стороны данного материала можно найти в нашей статье [7], здесь эти данные приводятся в сокращенном виде.
На диаграмме суммарной концентрации алюминия в поверхностном слое толщиной 50 нм в зависимости от энергии имплантируемых ионов видно (рис. 1), что увеличение энергии имплантируемых ионов приводит к частичному распылению алюминиевой пленки и уменьшению количества алюминия.
Е, кэВ
Рис. 1. Энергетическая зависимость количества Л! в слоях толщиной 50 нм и 100 нм
5Е+16 7,5Е+16 1Е+17 1,25Е+17 доза, ион/см2
Рис. 2. Дозовая зависимость количества Л! в слое толщиной 50 нм
По-видимому, это связано с более быстрым повышением скорости селективного распыления атомов алюминия относительно атомов меди и никеля (см. табл.) [8].
Таблица
Скорости распыления меди и никеля относительно скорости распыления алюминия
Элемент 20 кэВ, % 30 кэВ, % 40 кэВ, % 50 кэВ, %
Си 90 85 76 70
№ 63 59 53 50
Резкое повышение содержания алюминия в случае Е = 50 кэВ, по-видимому, связано с интенсификацией процесса направленного баллистического переноса атомов алюминия с поверхности в глубину образца [9].
Исследование серии образцов, облученных до различных интегральных доз, выявило наличие нелинейной зависимости элементного состава приповерхностного слоя толщиной 50 нм от дозы облучения (рис. 2).
Для всех образцов, облученных до дозы большей, чем (5х1016) ион/см2, характерно резкое уменьшение концентрации алюминия в приповерхностной области.
Очевидно, что даже небольшое превышение дозы приводит к распылению алюминиевой пленки.
Измерения показали, что с облученной стороны изменение микротвердости фольг в зависимости от параметров облучения частично кореллируют с изменением концентрации алюминия в поверхностном слое. Изменение дозы облучения вызывает гораздо более существенное изменение микротвердости (как и элементного состава), чем изменение энергии ионов.
Е, кэВ
Рис.3. Энергетическая зависимость отношения Рис.4. Дозовая зависимость отношения
микротвердости облученной фольги микротвердости облученной к микротвердости
к микротвердости необлученной фольги необлученной фольги (пунктиром показан
нормированный график с рис. 3)
По нашему мнению, подобный вид зависимости микротвердости от параметров облучения можно объяснить следующим образом: при имплантации с дозой (5х1016) ион/см2, не зависимо от энергии ионов, происходит дислокационное упрочнение алюминиевой пленки и нижележащих слоев медно-никелевой фольги вследствие закрепления дислокаций на радиационных дефектах. Увеличение дозы приводит к разрушению алюминиевой пленки, при этом о закреплении дислокаций говорить уже не приходится, напротив, происходит
17 2
разупрочнение материала. Дальнейшее повышение дозы до (1,25x10 ) ион/см приводит к тому, что алюминиевая пленка практически полностью разрушается и начинается процесс дислокационного упрочнения непосредственно медно-никелевой фольги.
Исследования элементного состава необлученной стороны выявили, что в результате ионной имплантации происходит перераспределение компонентов материала (меняется отношение концентрации атомов меди и никеля), несмотря на то, что толщина фольг на несколько порядков превышает расчетную глубину изменения состава и структуры материала в результате ионной имплантации.
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ НА СОСТАВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ И МИКРОТВЕРДОСТЬ ПРОКАТАННЫХ МЕДНО-НИКЕЛЕВЫХ ФОЛЬГ С НАПЫЛЕННЫМ СЛОЕМ
АЛЮМИНИЯ
Время травления (мин) Время травления (мин)
Время травления (мин) Время травления (мин)
Рис. 5. Дозовая зависимость профилей отношения концентраций Ni/Cu по глубине.
1 9 ЛН 9 лп
Слева направо — сверху вниз: (5x10 ) ион/см2, (7,5x10 ) ион/см2, 101' ион/см2, (1,25x10*') ион/см2
10 20 30 40 Время травления (мин)
и
(U S I (U 3
0
1
го с^ н
I
ц
I
о
10
R2 = 0,8844
20
Время травления (мин)
30
10 20 30 Время травления (мин)
0 10 20 30 40 Время травления (мин)
Рис
6. Энергетическая зависимость профилей отношения концентраций Ni/Cu по глубине Слева направо — сверху вниз: 20 кэВ, 30 кэВ, 40 кэВ, 50 кэВ
0
0
0
По нашему мнению, это связано с исходно неравновесным состоянием образцов после прокатки. Ионная имплантация вызывает самораспространяющиеся структурные изменения: при облучении мишени падающие ионы создают локальные термические пики. Избыток энергии вызывает генерацию ударных волн, при этом энергия, уносимая волнами, достаточна для трансформации исходной дефектной структуры материала, в том числе инициацией цепных реакций (связанных с разблокировкой дислокаций, аннигиляцией разных типов дефектов [10] и др.). В результате на необлученной стороне фольги мы видим перераспределение компонентов материала, возникающее вследствие сцепления атомов определенного сорта с возникшими в результате ИИ потоками дефектов [11].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусева М. И. Ионная имплантация в полупроводниковые материалы // Итоги науки и техники. Сер. Физические основы лазерной и пучковой технологии. 1989. Т.5. С.5-54.
2. Скупов В. Д., Тетельбаум Д. И. Влияние протяженных дефектов в исходных кристаллах на эффект дальнодействия при ионной имплантации // Письма в ЖТФ. Т.15, вып.22. С.44-46.
3. Баянкин В.Я., Гусева М.И., Тетельбаум Д.И., Гильмутдинов Ф.З. Сегрегация как проявление «эффекта дальнодействия» при облучении ионами бора фольг сплавов пермаллоя-79 и Cu-Ni // Поверхность. 2005. №5. С. 77-81.
4. Новоселов А.А., Гильмутдинов Ф.З., Баянкин В.Я. Композиционное расслоение в поверхностных слоях фольги Ni-CU при ионной имплантации // Поверхность. 2008. №6. С. 1-9.
5. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / Под ред. Д. Бриггса и М.П. Сиха. М. : Мир, 1987. 600 с.
6. Захватова М.В., Гильмутдинов Ф.З., Сурнин Д.В. Учет фоновой составляющей в рентгеновской фотоэлектронной и Ож е-электронной спектроскопии // Физика металлов и металловедение. 2007. Т. 104, вып. 2. С. 166-171.
7. Новоселов А.А., Баянкин В.Я., Сурнин Д.В., Волкова И.Б. Влияние облучения ионами аргона фольг сплава Ni-Cu с напылением слоя алюминия // Химическая физика и мезоскопия. Ижевск : ИПМ УрО РАН, 2008. Т.10, №1. С. 77-82.
8. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / Под ред. Р. Бериша. М. : Мир, 1984. 336 с.
9. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. Л. : Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1980. 352 с.
10. Овчинников В.В. Радиационно-динамические эффекты. Возможности формирования уникальных структурных состояний и свойств конденсированных сред // УФН. 2008. Т.178, №9. С.991-1001.
11. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М. : Металлургия, 1990. 216 с.
STUDY OF ION IMPLANTATION INFLUENCE ON COMPOSITION OF SURFACE LAYERS AND MICROHARDNESS OF ROLLED CU-NI FOILS, COVERED WITH AL FILM
Novoselov A.A., Kolotov A.A., Bayankin V.Ya.
Physical-technical institute Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Influence of ion implantation at various modes on element composition of rolled Cu50Ni50 foils with Aluminium coating is studied by Auger-electron spectroscopy. Modification of elemental composition on long-range scale is revealed is revealed.
KEYWORDS: ion implantation, long-range effect
Новоселов Андрей Андреевич, аспирант, ФТИ УрО РАН
Баянкин Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор, зав. лаборатории электронной структуры поверхности ФТИ УрО РАН
Колотов Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФТИ УрО РАН, тел. (3412) 43-06-75, e-mail: [email protected]
