CC BY
8
66
ТРУДЫ БГТУ. 2013. № 6. Физико-математические науки и информатика. С. 66-68
УДК 539.1.06:539.23.234
В. В. Тульев, кандидат физико-математических наук, доцент (БГТУ);
И. С. Ташлыков, доктор физико-математических наук, профессор (БГПУ);
Д. А. Литвинов, студент (БГТУ)
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ОСАЖДЕНИЯ НА ТОЛЩИНУ МОДИФИЦИРОВАННОГО СЛОЯ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ АТОМНОМ ПЕРЕМЕШИВАНИИ Cu/Al-СТРУКТУР
Методом резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием определено, что при осаждении медного покрытия на алюминий методом динамического атомного перемешивания, в котором в качестве ассистирующих ионов использовались ионы Аг+ с энергией 6 кэВ и интегральными потоками (0,7-1,6) • 1016 ион/см2, формируется медная пленка толщиной -10-15 нм. Установлено, что толщина сформированного покрытия зависит от параметра I / A (отношение числа I ассистирующих ионов к числу A атомов осаждаемого покрытия). При расчете толщины пленки необходимо учитывать помимо распыления ассистирующими ионами атомов покрытия, также распыление атомов подложки и атомов сопутствующих примесей.
Rutherford backscattering and RUMP simulation programme have been applied to investigate composition of Cu/Al system prepared using dynamic atomic deposition process when deposition of Cu thin film on Al substrate was assisted with 6 keV Ar+ ions irradiation. The thickness of Cu film was -10-15 nm. It was found, that the thickness of coating depends on parameter I / A (ratio the number I of assisting ions to the number A atoms deposited coating).
Введение. Модификация приповерхностных слоев материалов и изделий пучками заряженных частиц и потоками плазмы активно исследуется в последние десятилетия. При этом расширяется область использования ионно-лучевых и ионно-плазменных методов как в научных, так и практических целях [1-4]. Эти методы позволяют изменять структуру материала; формировать приповерхностный слой с повышенной микротвердостью и остаточными напряжениями без изменения геометрических размеров образцов; получать в приповерхностном слое нитриды и карбиды, которые существенно меняют как механические, так и физико-химические свойства поверхности; вводить в мишень не только ионы различных атомов, но и ионы химических соединений [1-5].
Одним из методов ионно-лучевого модифицирования поверхности материалов является метод динамического атомного перемешивания (ДАП). Суть этого метода состоит в том, что процесс осаждения покрытий на подложку сопровождается облучением ионами инертных газов (ионным ассистированием). Применение этого метода обеспечивает хорошее сцепление осаждаемого покрытия с подложкой, при этом состав наносимых слоев и толщина не ограничиваются [6].
Основная часть. На подложку, в качестве которой использовался алюминий чистотой 99,995%, наносилось медное покрытие методом ДАП. Скорость осаждения покрытия г составляла (0,120 ± 0,005) нм/с, время осаждения покрытия - (130 ± 2) с. Толщина покрытия, осаждаемого на подложку без ионного ассистирования, составляла (15,6 ± 0,3) нм. В качестве ас-
систирующих ионов использовались ионы аргона с энергией 6 кэВ. Диаметр ионного пучка составлял ~10 см. Плотность у ионного тока была измерена в различных точках пучка. В центре ионного пучка у = 20,2 ± 0,2 мкА/см2. По мере удаления от центра пучка плотность ионного тока уменьшалась. График изменения у от расстояния до центра ионного пучка представлен на рис. 1.
20
S1^
8 12-1 о
о к н о н С
8-
4-
4
Расстояние до центра ионного пучка, см
Рис. 1. Зависимость плотности ионного тока от расстояния до центра ионного пучка
Изменение плотности тока в ионном пучке приводит к тому, что интегральный поток (Ф) ассистирующих ионов аргона в пределах ионного пучка изменяется от 0,7 • 1016 до 1,6 • 1016 ион/см2. Используя плотность у ионного тока и скорость г осаждения покрытия по формуле (1) можно рассчитать параметр I / А (отношение плотности потока I ассистирующих ионов к плотности потока А атомов осаждаемого покрытия).
0
Влияние параметров осаждения на толщину модифицированного слоя при перемешивании Си/Д!-структур 67
L = 1 j M
A F r p
(1)
где ^ - постоянная Фарадея; ] - плотность ионного тока; г - скорость осаждения покрытия; М - молярная масса меди; р - плотность меди.
Расчеты показали, что в ионном пучке параметр I / А изменяется в интервале от 0,04 до 0,13 (рис. 2).
0,16
0,12-
(U
S К
<D
В
о к н о о U
0,08-
0,04-
0,00
0 12 3 4
Расстояние до центра ионного пучка, см
Рис. 2. Зависимость параметра I / А от расстояния до центра ионного пучка
При расчете толщины осажденного покрытия учитывались плотности потоков ассистирующих ионов и нейтральных атомов, а также распыление атомов покрытия:
1 - S-
(2)
где й0 - толщина покрытия, получаемого при осаждении без ионного ассистирования; -коэффициент распыления меди ионами аргона.
С использованием формулы (2) была рассчитана толщина й медного покрытия, которое должно сформироваться на подложке из А1 при определенном значении параметра I/ А. Результаты расчета представлены на рис. 3.
15
0,05 0,10
Соотношение I /А
0,15
Рис. 3. Расчетная толщина d покрытия в зависимости от параметра I / А
Элементный состав, распределение компонентов покрытия по глубине и толщина покрытия определялись методом резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием. Энергия ионов гелия составляла 2 МэВ, угол влета 0°, угол вылета 15°, угол рассеяния 165°. Энергетическое разрешение анализирующей системы составляло 15 кэВ, что обеспечивало разрешение по глубине ~11 нм. Моделирование экспериментальных спектров резерфордовского обратного рассеяния выполнялось с использованием программы RUMP [7]. Исследуемый образец представлял собой пластину длиной 4 см. Спектры РОР снимались в четырех различных точках образца: на расстоянии 0,5, 1,5, 2,5 и 3,5 см от края пластины (при осаждении покрытия один край образца располагался под центром ионного пучка). Это позволило анализировать распределение компонентов по глубине в покрытии, полученном при различных потоках ассистирующих ионов (при различных значениях параметра I / А).
Экспериментальный спектр РОР ионов гелия от структуры Cu/Al, сформированной при интегральном потоке ассистирующих ионов 0,7 • 1016 ион/см2 (I / А = 0,12), показан на рис. 4.
Cu
15 000
« 10 000
о
н
(D
о О
4
о
5
V
5000-
O
Al
I
Ar
100
200 300 Номер канала
400
Рис. 4. Спектр РОР ионов гелия от структуры Cu/Al, полученной при интегральном потоке ассистирующих ионов Ф = 0,7
1016 ион/см2
На спектре РОР (рис. 4) наблюдались сигналы от атомов подложки алюминия, атомов осаждаемого покрытия меди, атомов сопутствующей примеси кислорода [4] и атомов аргона. На основе данных РОР, используя компьютерное моделирование RUMP [7], были построены концентрационные профили компонентов Cu/Al-структуры, полученной при различных значениях параметра I / A (рис. 5).
0
68
В. В. Тульев, И. С. Ташлыков, А. А. Литвинов
а
15
(D
Я
и
о «
100
75
50
25
0
40 60 Глубина, нм
-•-Al Cu -■- O — * — Ar
80
100
Рис. 5. Профили распределения компонентов по глубине в Си/А1-структуре, полученной при параметре I / А = 0,08
По данным компьютерного моделирования и на основании методики [5] были экспериментально определены толщины модифицированного слоя при различных значениях параметра I / А. Сравнительные данные приведены на рис. 6.
0 0,00
0,05 0,10
Соотношение I / A
0,15
Рис. 6. Толщина покрытия в зависимости от параметра I / А
Из рис. 6 видно, что при значениях параметра I / А = 0,07-0,13 экспериментально определенная толщина покрытия выше рассчитанной толщины, а при значениях I / А < 0,07 приближается к рассчитанной. Так как при расчете толщины покрытия мы учитывали только распыление атомов меди ионами аргона, то наблюдаемое различие, по нашему мнению, связано с тем, что помимо распыления атомов меди, происходит преимущественное распыление атомов оксидной пленки и атомов алюминия из подложки. И при более интенсивных потоках ассистирующих ионов (больших значениях I / А), когда процессы распыления играют существенную роль, количество атомов меди в пленке больше теоретически ожидаемого. Вследствие этого экспериментально определенная толщина покрытия больше рассчитанной. При уменьшении I / А определяющим является процесс распыления атомов меди и толщина модифициро-
ванного слоя приближается к теоретически рассчитанной.
Заключение. Методом резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием определено, что при осаждении медного покрытия на алюминий методом динамического атомного перемешивания, в котором в качестве ассистирующих ионов использовались ионы Аг+ с энергией 6 кэВ и интегральными потоками (0,7-1,6) • 1016 ион/см2, формируются покрытия толщиной —10—15 нм. Установлено, что толщина сформированного покрытия зависит от параметра I / A (отношение числа I ассистирующих ионов к числу A атомов осаждаемого покрытия). Следует отметить, что при расчете толщины покрытия необходимо учитывать не только процессы распыления атомов осаждаемой пленки, но и процессы распыления атомов подложки и атомов сопутствующих примесей.
Литература
1. Соболь, О. В. Влияние условий получения на фазовый состав, структуру, механические характеристики вакуумно-дуговых покрытий системы Zr — Ti — Si — N / О. В. Соболь, А. Д. Погребняк, В. М. Береснев // Физика металлов и металловедение. — 2011. — Т. 112, № 2. — С. 199—206.
2. Блинков, И. В. Многофазность материала покрытий как фактор, влияющий на формирование наноструктуры и их свойств / И. В. Блинков, А. О. Волхонский, А. Г. Юдин // ФХОМ. — 2011. — № 6. — С. 57—64.
3. Авдиенко, А. А. Упрочнение поверхности конструкционных материалов и сплавов методом ионно-лучевой обработки / А. А. Авдиен-ко, К. И. Авдиенко // Упрочняющие технологии и покрытия. — 2009. — № 12. — С. 16—27.
4. Тульев, В. В. Состав и распределение компонентов по глубине в Cu-Al-структурах, формируемых методом ионного перемешивания / В. В. Тульев, И. С. Ташлыков // ФХОМ. — 2000. — № 3. — С. 14—17.
5. Изучение металлсодержащих (Ti, Co) покрытий, осажденных на кремний при ионном ассистировании, ядерно-физическими методами / О. Г. Бобрович [и др.] // ФХОМ. — 2006. — № 1. — С. 54—58.
6. Gailliard, J. P. Recoil implantation and mixing / J. P. Gailliard // Surface Engineering. Surface Modification of Materials / ed. R. Kossowski, S. C. Singhal. — Pittsburg: Westinghouse R&D Center Materials Science Division, 1984. — Р. 32—47.
7. Doolittle, L. R. A semiautomatic algorithm for rutherford backscattering analysis / L. R. Doolittle // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. — 1986. — Vol. B15. — P. 227—234.
Поступила 01.03.2013
0
