СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ В ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ Российский патент 2003 года по МПК G01N13/00 

Изобретение относится к технологии изготовления пленочных материалов, а именно к исследованию физических свойств, и может быть использовано для контроля параметров диффузионных процессов в тонких пленках.

Известен способ исследования диффузионной границы фаз (патент Российской Федерации 2119654, кл. G 01 N 13/00, 1998), включающий пропускание через границу переменного тока, изменение потенциала одной фазы относительно другой и отыскание минимума дифференциальной емкости границы фаз, в котором значение потенциала соответствует точке перегиба на зависимости дифференциальной емкости от потенциала, а по найденному значению судят о потенциале минимума дифференциальной емкости и о составе межфазного слоя. Недостатками способа являются относительная его сложность, невозможность измерения распределения диффундирующего элемента в межфазном слое и определения коэффициентов диффузии в пленочных материалах малой толщины.

Известен также способ определения коэффициента диффузии в порошковых спеченных соединениях (авторское свидетельство СССР 1721473, кл. G 01 N 13/02, 1992), заключающийся в приготовлении двухкомпонентных порошковых смесей, прессовании, последующем изотермическом отжиге и измерении характеристики, по которой рассчитывают коэффициент диффузии. Приготовление двухкомпонентных порошковых смесей проводят путем механического перемешивания до однородного распределения, перед и после изотермического отжига смесь рентгенографируют и измеряют максимальную интенсивность характеристических линий обоих или одного из компонентов, а коэффициент диффузии рассчитывают по формуле, учитывающей размер частиц и отношение максимумов интенсивности до и после диффузии. Способ отличают сложность, особенно приготовление порошковых смесей при малом содержании диффундирующего элемента, и невозможность применения для пленочных материалов малой толщины.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения коэффициента диффузии элемента, содержащего радиоактивный изотоп, в твердых телах снятием слоев (Б.И. Болтакс, Диффузия в полупроводниках, М., 1961, с. 166), включающий нанесение пленки элемента, содержащего радиоактивный изотоп, на поверхность твердого тела, стимулирующее диффузию воздействие (термическое или радиационное), определение концентрации элемента после отжига по активности изотопа в каждом последовательно снятом с поверхности тонком слое твердого тела и отыскание по концентрационной зависимости распределения элемента в твердом теле коэффициента диффузии элемента. Данному способу также свойственны недостатки, обусловленные сложностью процесса внедрения радиоактивного диффузанта, определения распределения его в твердом теле последовательным снятием слоев с определением содержания элемента в каждом из них, невозможностью учета диффузии материала твердого тела в пленку диффундирующего элемента. Кроме того, послойное снятие поверхности твердого тела для определения концентрации диффундирующего элемента делают способ практически неприменимым для определения коэффициентов диффузии в пленочных системах и материалах малой толщины, таких, например, как фольга.

Технический результат от совокупности влияния признаков, предлагаемых в изобретении, заключается в упрощении способа и применимости его для пленочных материалов.

Указанный технический результат достигается в способе определения коэффициентов диффузии в пленочных материалах, включающем нанесение пленки диффундирующего элемента на поверхность металла, стимулирующее диффузию воздействие, определение изменения концентрации элемента в металле и отыскание коэффициента диффузии элемента по концентрационной зависимости, в котором осуществляют одновременное определение изменения концентрации элемента в металле и пленке до и после стимулирующего диффузию воздействия, коэффициенты диффузии элемента в металле и металла в пленке рассчитывают по изменению концентрационной зависимости распределения элемента в металле и пленке с учетом толщины пленки элемента, при этом концентрацию элемента в металле и в пленке и толщину пленки определяют путем облучения потоком протонов и измерением потока и энергии обратно рассеянных протонов. Облучение выполняют потоком протонов с энергией, необходимой для резонансной ядерной реакции элемента, и измеряют поток вторичных γ-квантов.

Осуществление одновременного определения распределения элемента в металле и пленке до и после стимулирующего диффузию воздействия позволяет определить расстояние проникновения и профиль концентрации элемента в металле и металла по толщине пленки (по уменьшению содержания элемента от исходного в приграничной области), что позволяет определить коэффициенты диффузии составляющих пленочного материала. Одновременное с этим определение толщины пленки элемента позволяет фиксировать относительно поверхности пленки граничную плоскость, соответствующую определенной концентрации элемента, по которой судят о результирующем потоке вещества (при разных диффузионных потоках атомов элемента в металл и металла в пленку элемента) и перемещении граничной плоскости при взаимной диффузии, по обе стороны которой определяют по концентрационному распределению элемента по толщине металла и металла (за вычетом содержания элемента) по толщине пленки элемента коэффициенты диффузии с учетом перемещения граничной плоскости.

Определение концентрации элемента и толщины его пленки облучением потоком протонов и измерением потока и энергии обратно рассеянных протонов позволяет непосредственно определить глубину и профиль взаимного распределения элемента и металла без приема использования снятия слоев (не разрушающий контроль) и значительно упростить способ.

Изложенное делает возможным реализацию способа определения коэффициентов диффузии материалов, составляющих пленочную систему, и упрощает его.

Использование протонов с энергией, достаточной для протекания ядерной реакции элемента, и измерением потока вторичных γ-квантов вследствие высокой чувствительности измерения позволяет применить способ для определения коэффициентов диффузии в пленках толщиной до 100 нм. Последнее также направлено на достижение технического результата.

Способ реализован для определения коэффициентов диффузии в пленочных материалах на тандемом ускорителе УКП-2 Института ядерной физики для металлических покрытий, сформированных ионно-плазменным напылением, и фольги, полученной традиционными способами. Примеры использования и результаты определений изложены ниже.

Пример 1. При определении коэффициентов диффузии меди в алюминий и алюминия в медь на медной ленте толщиной 2 мм, изготовленной традиционным способом, ионно-плазменным способом сформировано пленочное покрытие, состоящее из меди толщиной 1,5 мкм, поверх которого аналогично нанесен слой алюминия толщиной 0,5 мкм. Один из двух образцов, полученных в идентичных условиях, подвергнут стимулирующему диффузию воздействию нагреву до 207^oС и охлажден, второй - нагрет до 207^oС и выдержан при этой температуре 600 с. Нагрев и охлаждение образцов проведены в идентичных условиях. При определении толщины пленки алюминия и распределения алюминия в диффузионной области (между алюминием и медью) использовано облучение потоком протонов с энергией пучка 1•10⁶ эВ, при токе пучка на поверхности 1•10^-9 А и заряде 1•10^-6 Кл. Направление пучка составило 90^o по отношению к плоскости поверхности. Поверхностно-барьерный детектор, размещенный под углом 45^o к пучку, регистрировал поток и энергию обратно рассеянных протонов. При определении использован метод Резерфордовского обратного рассеяния (RBS), при обработке результата - программа RUMP. В результате получено распределение алюминия в диффузионной зоне в виде функции C=f(x), где С - содержание алюминия в интервале 0-100 ат. %, х - глубина диффузии алюминия. По изменению концентрации алюминия в меди до и после стимулирующего диффузию воздействия и с учетом изменения положения по отношению к поверхности алюминия (диффузанта) плоскости Мотано (граница на плоскости, по обе стороны которой расположены равновеликие площади, ограниченные кривой C=f(x) и прямыми С=0 и С=100) определен коэффициент диффузии алюминия в меди. Аналогичным образом по изменению концентрации меди в алюминии (как разности содержания алюминия от 100 ат. %) найден коэффициент диффузии меди в алюминий. В результате отжига плоскость Мотано оказалась смещенной в сторону меди на 14 нм, что свидетельствует о преимущественном материальном потоке в сторону меди. Это расстояние вычтено из расстояния проникновения - диффузии алюминия в медь и добавлено при расчете в случае диффузии меди в алюминий. Далее по известному методу построением зависимости в координатах lg С_Al и lg С_Cи-х² по тангенсу угла наклона из выражения D = 1/(4•t•tgα), где t - время стимулирующего диффузию воздействия, определены коэффициенты диффузии, равные D_Al=2,257•10^-13 см²/с и соответственно D_Сu= 1,0256•10^-13 см²/с. Следует отметить, что метод расчета коэффициентов диффузии по концентрационной зависимости элементов в диффузионной зоне может быть другим.

Пример 2. Коэффициенты диффузии никеля и меди в фольге, полученной на последнем этапе совместной прокаткой, суммарной толщиной 10 мкм, из них 4,5 мкм меди, определяли при температуре диффузионного отжига 550^oС. Один из двух образцов, полученных в идентичных условиях, подвергнут стимулирующему диффузию воздействию нагреву до 550^oС и охлажден, второй нагрет до 550^oС и выдержан при этой температуре 1200 с. Нагрев и охлаждение образцов проведены в идентичных условиях. После отжига аналогично примеру 1 определены коэффициенты диффузии меди и никеля, равные D_Сu=3,49•10^-13 см²/с и D_Ni=7,31•10^-13 см²/с соответственно, при этом смещение плоскости Мотано относительно поверхности меди составило несколько нанометров и в расчетах не учтено.

Пример 3. При определении коэффициента диффузии меди в алюминий на медной фольге толщиной 15 мкм, изготовленной традиционным способом, ионно-плазменным способом сформировано пленочное покрытие, состоящее из меди толщиной 1,4 мкм, поверх которого аналогично нанесен слой алюминия толщиной 0,36 мкм. Один из двух образцов, полученных в идентичных условиях, подвергнут стимулирующему диффузию воздействию нагреву до 170^oС и охлажден, второй нагрет до 170^oС и выдержан при этой температуре 2100 с. Нагрев и охлаждение образцов проведены в идентичных условиях. При определении толщины пленки алюминия и концентрационной зависимости его в диффузионной зоне до и после отжига использовано облучение потоком протонов с энергией пучка, равной 9,92•10⁵ эВ, при токе пучка на поверхности 1•10^-6 А. Направление пучка составило 90^o по отношению к поверхности образца, детектор (Naj)-сцинтиллятор размещен за образцом по оси пучка протонов. При определении концентрационной зависимости алюминия в диффузионной зоне использована ядерная реакция ²⁷Al(p,γ) ²⁸Si. При сравнении концентрационной зависимости алюминия до и после отжига определено, что плоскость Мотано, соответствующая ~48 ат. % алюминия, смещена в сторону поверхности алюминия на 25,8 нм, что свидетельствует о преимущественной диффузии меди в алюминий. На основании изменения концентрационной зависимости меди в алюминии определено (как в примере 1) расстояние проникновения меди в глубь пленки алюминия, построением графической зависимости в координатах lg С_Си от х² и по тангенсу угла наклона к оси абсцисс определен коэффициент диффузии меди в алюминий, составивший при этих условиях 5,176•10^-15 см²/с. Диффузии алюминия в медь в этих условиях не обнаружено вследствие условий формирования многослойного покрытия состава плазмообразующего газа.

Пример 4. При определении коэффициента диффузии алюминия в медь в случае, когда стимулирующим диффузию воздействием является поток протонов, на медной фольге толщиной 15 мкм, изготовленной традиционным способом, ионно-плазменным способом сформировано пленочное покрытие, состоящее из меди толщиной 1,0 мкм, поверх которого аналогично нанесен слой алюминия толщиной 0,20 мкм. Один из двух образцов, полученных в идентичных условиях, подвергнут воздействию потока протонов с удельной мощностью 1,26 Вт/см² суммарной энергией 14,3 кДж. При определении концентрационной зависимости алюминия в диффузионной зоне при тех же, что и в примере 3, условиях использована ядерная реакция ²⁷Al(p,γ) ²⁸Si. При сравнении концентрационной зависимости алюминия до и после воздействия потока протонов определено, что диффузия меди в алюминий отсутствует. На основании изменения концентрационной зависимости алюминия в меди определено расстояние проникновения алюминия в глубь пленки меди, затем построением графической зависимости в координатах lg c_ai от х² и по тангенсу угла наклона к оси абсцисс определен коэффициент диффузии алюминия в медь, составивший при этих условиях 4,57•10^-16 см²/с.

Таким образом, примеры реализации способа определения коэффициентов диффузии в пленочных материалах и результаты, изложенные в них, свидетельствуют о применимости его к исследованию диффузионных процессов в пленочных системах и значительном упрощении определений, особенно на этапе определения изменения концентрационного распределения элементов.

Использование: изобретение относится к технологии изготовления пленочных материалов, а именно к исследованию физических свойств, и может быть использовано для контроля параметров диффузионных процессов в тонких пленках. Сущность: способ включает нанесение пленки диффундирующего элемента на поверхность металла, стимулирующее диффузию воздействия, определение изменения концентрации элемента в металле и расчет коэффициента диффузии элемента по концентрационной зависимости. При этом осуществляют одновременное определение изменения концентрации элемента в металле и пленке до и после стимулирующего диффузию воздействия. Коэффициенты диффузии элемента в металле и металла в пленке рассчитывают по изменению концентрационной зависимости распределения элемента в металле и пленке с учетом толщины пленки элемента. Концентрацию элемента в металле и в пленке и толщину пленки определяют путем облучения потоком протонов и измерением потока и энергии обратно рассеянных протонов. Облучение выполняют потоком протонов с энергией, необходимой для резонансной ядерной реакции элемента, и измеряют поток вторичных γ-квантов. Технический результат заключается в упрощении способа и применимости его для пленочных материалов. 1 з.п.ф-лы.

1. Способ определения коэффициентов диффузии в пленочных материалах, включающий нанесение пленки диффундирующего элемента на поверхность металла, стимулирующее диффузию воздействие, определение изменения концентрации элемента в металле и определение коэффициента диффузии элемента по концентрационной зависимости, отличающийся тем, что осуществляют одновременное определение изменения концентрации элемента в металле и пленке до и после стимулирующего диффузию воздействия, коэффициенты диффузии элемента в металле и металла в пленке рассчитывают по изменению концентрационной зависимости распределения элемента в металле и пленке с учетом толщины пленки элемента, при этом концентрацию элемента в металле и в пленке и толщину пленки определяют путем облучения потоком протонов и измерением потока и энергии обратно рассеянных протонов. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что облучение выполняют потоком протонов с энергией, необходимой для резонансной ядерной реакции элемента, и измеряют поток вторичных γ-квантов.