CC BY
16<Тешетневс^ие чтения. 2016
УДК 538.911
СТРУКТУРНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ПРИ ТВЕРДОФАЗНОЙ РЕАКЦИИ
В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ Al/Ag*
Р. Р. Алтунин1*, Е. Т. Моисеенко1, Н. С. Николаева2, С. М. Жарков3
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Институт неорганической химии имени А. В. Николаева СО РАН Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, просп. им. Лаврентьева, 3 3Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, г. Красноярск, Академгородок, 50/38 *E-mail: [email protected]
Проведены исследования структурных фазовых превращений в процессе твердофазной реакции в тонких пленках Al/Ag методами in situ просвечивающей электронной микроскопии и дифракции электронов. Установлена температура инициирования твердофазной реакции, определены фазы, формирующиеся в процессе реакции.
Ключевые слова: тонкие пленки, твердофазная реакция, интерметаллические соединения, просвечивающая электронная микроскопия, дифракция электронов.
STRUCTURAL PHASE TRANSFORMATIONS AT A SOLID STATE REACTION IN Al/Ag THIN FILMS
R. R. Altunin1*, E. T. Moiseenko1, N. S. Nikolaeva2, S. M. Zharkov3
1Siberian Federal University 79, Svobodnyi Аv., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation 2Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry SB RAS 3, Acad. Lavrentyev Аv., Novosibirsk, 630090, Russian Federation
3Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation *E-mail: [email protected]
Structural phase transformations at a solid state reaction in Al/Ag thin films are investigated by in situ transmission electron microscopy and electron diffraction. The initiation temperature of the solid state reaction and phases formed during the reaction are determined.
Keywords: thin films, solid state reaction, intermetallic compounds, transmission electron microscopy, electron diffraction.
Тонкие пленки на основе Al/Ag имеют потенциальное практическое применение в микроэлектронных устройствах, используемых, в том числе, в космической отрасли. Сообщается [1] о возможном использовании тонких пленок Al/Ag на полимерных подложках в конструкциях солнечных батарей. Соединения на основе Al/Ag могут применяться в качестве альтернативных металлизирующих слоев в электронных микроустройствах, работающих на технологии ULSI (ultra-large-scale integration) [2].
В подавляющем большинстве работ, посвященных твердофазным взаимодействиям в пленках Al/Ag [3-5], исследования фазового состава проведены после нагрева, т. е. ex situ, что не позволило исследователям установить температуру инициирования твердофазной реакции и температуры образования интерметаллических соединений. Целью настоящей работы являлось проведение in situ исследования твердофазной реакции непосредственно в процессе нагрева пленок
Al/Ag методами просвечивающей электронной микроскопии и дифракции электронов.
Тонкие пленки А1 (40 нм)/Ag (20 нм) получены методом электронно-лучевого испарения в высоком вакууме (5-10-5 Па). Атомное соотношение алюминия и серебра составляло ~ 2:1. Электронно-микроскопические исследования пленок Al/Ag в исходном состоянии показали, что пленки состоят из кристаллитов со средним размером ~15-25 нм (рис. 1, а). В связи с тем что параметры кубических гранецен-трированных решеток (ГЦК) Al (а = 4,049 А) и Ag (а = 4,086 А) отличаются всего на 0,9 %, то методом дифракции электронов практически невозможно различить дифракционные рефлексы, принадлежащие данным фазам. На картине дифракции электронов (рис. 1, б) происходит наложение рефлексов от фаз ГЦК Al и ГЦК Ag, что приводит к незначительному уширению наблюдающихся дифракционных рефлексов поликристаллического типа.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 16-33-00475-мол_а).
Наноматериалы и нанотехнологии в аэро^осмичес^ой отрасли
5 1/пгл
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение (а) и картина дифракции электронов (б), полученные от пленки Л1М^ в исходном состоянии
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение (а) и картина дифракции электронов (б), полученные от пленки Л1М^ после нагрева до 300 °С
Твердофазная реакция между тонкими слоями А1 и Ag инициирована путем термического нагрева пленок Л1М^ непосредственно в колонне просвечивающего электронного микроскопа JEOL JEM-2100. С целью получения информации о фазообразовании в процессе реакции проведена серия нагревов пленок Л1М^ от комнатной температуры до 300 °С со скоростью 4 °С/мин. В процессе нагрева производили регистрацию картин дифракции электронов, что позволило установить фазовый состав пленок.
Начало твердофазной реакции между слоями алюминия и серебра регистрируется при температуре -100 °С, об этом свидетельствует появление слабых дифракционных рефлексов, принадлежащих интерметаллической фазе Лg2Л1 (Р63/ттс, а = 2,885 А, с = 4,624 А). В ходе дальнейшего нагрева вплоть до -218 °С наблюдается увеличение интенсивностей дифракционных рефлексов фазы Лg2Л1, что свидетельствует об увеличении количества данной фазы в объеме пленки. В ходе дальнейшего нагрева значительного увеличения интенсивностей дифракционных рефлексов фазы Лg2Л1 не наблюдали, что свидетельствует о том, что слой серебра полностью прореагировал.
Электронно-микроскопические исследования тонких пленок Л1М^ после нагрева до 300 °С показали, что пленки состоят из кристаллитов со средним размером -30-40 нм (рис. 2, а). Картина дифракции электронов (рис. 2, б), полученная после нагрева
пленки до 300 °С содержит дифракционные рефлексы фаз Ag2Al и ГЦК алюминия. Непрореагировавший слой алюминия объясняется избытком алюминия в исходных пленках Al/Ag.
В работе [5] методом атомно-силовой томографии показано, что твердофазная реакция начинается с образования небольшой области твердого раствора Al/Ag на границе слоев алюминия и серебра после отжига пленок Al/Ag при температуре 90 °С. После отжига в течение 30 минут при температуре 250 °С наблюдали формирование интерметаллического соединения Ag2Al.
В работах [3] и [4] также сообщалось о формировании фазы Ag2Al после термического отжига пленок Al/Ag при температурах 130 и 150 °С соответственно. В настоящей работе исследование твердофазной реакции в пленках Al/Ag проведено методом in situ дифракции электронов в процессе нагрева непосредственно в колонне просвечивающего электронного микроскопа. Это позволило определить, что интерметаллическая фаза Ag2Al формируется на границе раздела алюминий-серебро в процессе твердофазной реакции при -100 °С.
References
1. Ali M. K. M., Ibrahim K., Mkawi E. M. Ag-Al alloy thin film on plastic substrate by screen printing for solar cell back contact application // Materials Science in Semiconductor Processing. 2013. Vol. 16(3). P. 593-597.
Решетневс^ие чтения. 2016
2. Wang Y., Alford T. L., Mayer J. W. Kinetics of Ag/Al bilayer self-encapsulation // Journal of Applied Physics. 1999. Vol. 86(10). P. 5407-5412.
3. Roy R., Sen S. K. Calorimetric and other studies of intermetallic phase formation in Ag/Al bilayer thin films // Journal of Materials Science. 1992. Vol. 27(22). P. 6098-6104.
4. Baglin J. E. E., d'Heurle F. M., Hammer W. N. The interaction process for Ag-Al polycrystalline
thin-film couples // Journal of Applied Physics. 1979. Vol. 50(1). P. 266-275.
5. Schleiwies J., Schmitz G. Thin film interreaction of Al/Ag analyzed by tomographic atom probe // Materials Science and Engineering A. 2002. Vol. 327(1). P. 94-100.
© Алтунин Р. Р., Моисеенко Е. Т., Николаева Н. С., Жарков С. М., 2016
УДК 539.25
ОБРАЗОВАНИЕ ПРИМЕСНЫХ ВЫДЕЛЕНИЙ В ЛЕГИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛАХ ZnSe
А. В. Брильков
Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: [email protected]
Исследованы особенности дефектообразования в легированных и нелегированных монокристаллах ZnSe. Установлено, что при отжиге в легированных полупроводниках образуются примесные выделения на ростовых дислокациях и дефектах упаковки, при этом происходит перемещение дислокаций. Образование примесных выделений (преципитатов) на ростовых дефектах объясняется миграцией примесей и точечных дефектов на дислокации с формированием пересыщенного твердого раствора, который конденсируется в виде преципитатов, содержащих легирующую примесь.
Ключевые слова: селенид цинка, полупроводниковые материалы, просвечивающая электронная микроскопия.
PRECIPITATES FORMATION IN ZnSe DOPED SINGLE CRYSTALS
A. V. Brilkov
Siberian Federal University 79, Svobodnyi Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: [email protected]
The structural defect formation in doped and undoped ZnSe single crystals is studied. It is found that under annealing in doped semiconductors impurity precipitates are formed on the growth dislocations and stacking faults, this is accompanied by the movement of dislocations. The formation of impurity precipitates on growth defects attributed to migration of impurities and point defects to the dislocations to form a supersaturated solid solution, which condenses in the form of precipitates containing dopant.
Keywords: zinc selenide, semiconductor materials, transmission electron microscopy.
Полупроводниковые материалы и приборы широко применяются в космических аппаратах, устройствах электроники, изготовлении солнечных элементов [1]. В процессе выращивания и термообработок в полупроводниковых кристаллах формируются структурные дефекты, размеры и плотность которых зависят от условий обработки и природы материалов [1; 2].
Формирование структурных дефектов в полупроводниках происходит также в процессе выращивания, последующей обработки и легировании [3].
В работе методом просвечивающей электронной микроскопии исследовали полупроводниковые кристаллы ZnSe, выращенные из газовой фазы в запаянной ампуле и легированные 1п с концентрацией 8-1018 см-3, 1,3-1019 см-3 и 2,3-1019 см-3, соответственно. Часть образцов ZnSe отжигали при 850 оС в течение
трех дней в вакууме, в парах Zn в запаянной кварцевой ампуле.
Установлено, что отжиг кристаллов ZnSe(In) в парах цинка при 850 оС в течение трех дней ведет к образованию колоний преципитатов на дислокациях и дефектах упаковки. Природа преципитатов была установлена с помощью метода энерго-дисперсионного рентгеновского микроанализа. Спектр рентгеновского характеристического излучения, полученный с места локализации отдельных преципитатов в ZnSe(In), приведен на рисунке.
Видно, что имеется пик, связанный с 1п. Спектры рентгеновского излучения, полученные из соседних областей, не содержащих преципитаты, не имеют пиков, связанных с 1п. Таким образом, следует считать, что преципитаты обогащены легирующей примесью 1п в ZnSe(In).
