Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 1 Диффузионные параметры азота в ионно-имплантированных монокристаллах вольфрама й О.Б. Боднарь, И.М. Аристова, А.А. Мазилкин, Л.Н. Пронина, А.Н. Чайка, П.Ю. Попов Московская государственная академия приборостроения и информатики, 107076 Москва, Россия Институт физики твердого тела Российской академии наук, 142432 Черноголовка, Московская обл., Россия E-mail: aristova@issp.ac.ru (Поступила в Редакцию 4 марта 2005 г.

В окончательной редакции 18 марта 2005 г.) Исследована диффузия азота, имплантированного в монокристаллический вольфрам в температурном интервале 700-820C. В основу измерений положен разработанный авторами метод неразрушающего определения коэффициентов диффузии по динамике изменения поверхностной концентрации примеси.

Начальное распределение и диффузионные профили для различных времен отжига определялись методом масс-спектроскопии вторичных ионов. Измерение относительной поверхностной концентрации азота проводилось методом Оже-электронной спектроскопии. Экспериментально обнаружено существование нескольких потоков примесных атомов в приповерхностной области ионно-легированного вольфрама. В предположении взаимодействующих потоков определены температурные зависимости коэффициентов диффузии азота в потоке, связанном с дислокациями, образовавшимися в результате ионной имплантации, и в потоке, связанном с объемным механизмом диффузии. Диффузия азота характеризуется довольно низкой величиной энергии активации: 0.15 и 0.75 eV по дислокационному и объемному механизмам соответственно.

Один из авторов (А.Н.Ч.) благодарит за финансовую поддержку Фонд содействия отечественной науке и программу научных школ (грант НШ-2169.2003.2).

PACS: 61.72.Ww, 66.30.Jt Методы обработки металлических материалов кон- максимального значения в момент времени tc, а затем центрированными потоками энергии (например, ионны- уменьшаться. Коэффициент диффузии в этом случае ми пучками) составляют одно из наиболее перспек- определяется решением уравнения для полуограничентивных направлений современного материаловедения. ного образца в момент времени t = tc Исследование динамики радиационных дефектов в при поверхностной области ионно-легированных материаC(0, t) 4Dt = C0() e- d = 0, (1) лов позволяет выяснить механизм возникновения новых t t t свойств, связанных с коррозионной стойкостью, хими- ческой активностью, механической прочностью, сверхгде C0() Ч начальное распределение примеси.

проводимостью и др. Представляет интерес изучение Для реализации второго метода создается начальное данных процессов современными локальными методами распределение примеси с максимумом на поверхности анализа поверхности.

образца. Затем измеряется скорость уменьшения поверхВ настоящей работе представлены результаты иссленостной концентрации примеси в процессе термического дования диффузии азота, имплантированного в монокристаллы вольфрама, в области температур ниже 0.3Tm отжига. Для ступенчатого начального распределения с максимумом на поверхности справедлива следующая (Tm Ч температура плавления) неразрушающими метозависимость поверхностной концентрации от времени дами.

отжига [2]:

l 1. Методика эксперимента 4Dt C(0, t) = C0 e- d, (2) Dt Теоретические основы неразрушающих методов определения коэффициентов термической диффузии по динамике изменения поверхностной концентрации примеси где C0 Ч концентрация примеси на поверхности.

представлены в работе [1]. Для реализации первого из Исходным материалом для исследований являлись предлагаемых методов в образце необходимо создать цилиндрические монокристаллы вольфрама, выращенначальное распределение примеси с максимумом, на- ные методом электронно-лучевой зонной плавки. Из ходящимся на некоторой глубине. В процессе терми- них методом электроискровой резки вырезались образческого отжига концентрация примеси на поверхности цы, имеющие ориентацию плоскости поверхности, совx = 0 будет сначала возрастать, достигая некоторого падающую с кристаллографической плоскостью (001).

Диффузионные параметры азота в ионно-имплантированных монокристаллах вольфрама Рис. 1. Экспериментальная зависимость относительной поверхностной концентрации азота, имплантированного в вольфрам, от времени отжига (пунктирная линия) и результаты интерполяции экспериментальных данных (сплошная линия). Энергия имплантации 100 keV, доза 3 1017 cm-2. Температура отжига, C: a Ч 700, b Ч 740, c Ч 780, d Ч 820.

Поверхность полученных образцов вольфрама обраба- ности. Оже-спектры во время отжига регистрировались тывалась путем механической полировки алмазными каждые 4 min. Первичные Оже-спектры обрабатывались пастами и последующей электролитической полировки полиномиальной интерполяцией с помощью программы в растворе NaOH. ДMachtcadУ с учетом аппаратурной ошибки спектрометра, равной 20%.

Ионы азота имплантировались в образцы вольфрама в направлении [001], нормальном к поверхности образца.

Имплантация осуществлялась в следующих режимах.

2. Результаты и обсуждение 1) Энергия имплантации 100 keV, доза 3 1017 cm-2.

Это позволяло создать начальное распределение примеЭкспериментальные данные и результаты интерполяси с максимумом, находящимся на глубине 0.1 m.

ции для различных температур отжига образцов первого Исходный имплантированный профиль азота определялвида с максимумом начального распределения примеси ся с помощью вторично-ионной масс-спектроскопии.

на глубине представлены на рис. 1. Главная особенность 2) Энергия имплантации 40 keV, доза 1 1017 cm-2.

полученных результатов Ч наличие двух максимумов Создавалось начальное распределение примеси с максина интерполяционных кривых. Было сделано предполомумом, находящимся на поверхности образца.

жение, что этот факт можно объяснить наличием двух В зависимости от режима имплантации получались потоков примеси с различными коэффициентами диффуобразцы двух видов.

зии. При этом поток, которому отвечает первый макПлотность тока ионов для обоих случаев составля- симум поверхностной концентрации и больший коэффила 12 A/cm2. Динамика измерения поверхностной кон- циент диффузии, по-видимому, определяется диффузией центрации азота в ионно-легированном вольфраме ис- по дефектам, образовавшимся в результате имплантации следовалась методом Оже-электронной спектроскопии. азота (дислокациям), а поток, за который отвечает Отжиг имплантированных образцов проводился в каме- второй максимум, связан с объемной диффузией.

ре Оже-спектрометра в вакууме не хуже 1 10-9 Torr в Математическая модель задачи о двухпоточной дифинтервале температур 700-820C. Одновременно опре- фузии в полуограниченном образце с полностью отраделялась относительная концентрация азота на поверх- жающей границей в предположении связанных потоков Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 14 О.Б. Боднарь, И.М. Аристова, А.А. Мазилкин, Л.Н. Пронина, А.Н. Чайка, П.Ю. Попов Рис. 2. Микроструктуры монокристалла вольфрама: образец в исходном состоянии (a) и после ионного легирования (b). Энергия имплантации 100 keV, доза 3 1017 cm-2.

сводится к системе уравнений в частных производных [1] Результирующее распределение примеси C(x, t) является суперпозицией профилей, созданных каждым поC1/t = D12C1/x2 - Cтоком,, (3) C(x, t) =C1(x, t) +C2(x, t). (7) C2/t = D22C2/x2 + CЗадача моделирования состояла в подборе при решес начальными условиями нии системы уравнений (3) параметров D1, D2, и m, при которых наблюдается совпадение теоретических и C1(x, 0) =m(x), C2(x, 0) =(1 - m)(x), (4) экспериментальных времен экстремумов поверхностной концентрации для координаты x = 0. Расчеты проводигде C1 и C2, D1 и D2 Ч соответственно концентрации лись по формулам (5) и (6) с использованием програми коэффициенты диффузии, связанные с двумя разными мы ДMathcadУ.

потоками примеси, Ч коэффициент, определяющий Анализ микрофотографий облученных ионами моноскорость отжига дислокаций, m Чдоля общего числа кристаллов вольфрама показал, что ионная бомбардиатомов примеси, диффундирующей по дислокациям в ровка приводит к значительной локальной деформации начальный момент времени, (x) Ч начальное распрев кристаллической решетке в приповерхностном слое:

деление атомов примеси. Решение системы (3) с перевозникает большое число дефектов, которые состоят численными выше граничными и начальными условиями в основном из густой сети дислокаций и множества имеет вид небольших дислокационных петель (рис. 2). Как пока зало дислокационное травление, плотность дислокаций (x-)2 (x+)me-t 4D1t 4D1t C1(x, t) = e- + e- () d, (5) в процессе отжига уменьшается более чем на поря2 D1t док. Данные динамики отжига дислокаций, полученные из результатов дислокационного травления, использова(1 - m) лись при моделировании. Если плотность дислокаций в C2(x, t) = 2 D2t процессе отжига убывает по экспоненциальному закону, для коэффициента пропорциональности справедливо (x-)2 (x+)2 следующее выражение:

m 4D2t 4D2t e- + e- () d() + 4 D1D = ln(N0/N)/t, (8) t где N0 Ч начальная плотность дислокаций, N Чплот(z -)2 (z +)e4D1 4D1 ность дислокаций через время отжига t.

e- + e- () (t - ) Для температуры 700C N0 = 3.1 107 cm-2, N = 0 0 = 2.2 106 cm-2, t = 12 600 s, = 0.00021 s-1. Для тем(x-)2 (x+)пературы 780C N0 = 3.1 107 cm-2, N = 6.5 106 cm-2, 4D2(t- 4D2 (t- ) e- ) + e- d d dz. (6) t = 2100 s, = 0.000744 s-1.

Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. Диффузионные параметры азота в ионно-имплантированных монокристаллах вольфрама Параметры диффузии азота в вольфраме Параметры первого потока Параметры второго потока T, C m, s-1 DW, 10-11 cm-2/s [3] tc1, s D1, 10-14 cm2/s D01, cm2/s E1, eV tc2, s D2, 10-15 cm2/s D02, cm2/s E2, eV 700 0.00021 3400 1.89 10200 1.9 0.740 0.00032 3300 1.98 8400 2.4 1.0.91 7 10-14 0.15 1.24 10-12 0.780 0.00074 3600 2.2 7800 3.6 3.820 0.0012 2100 3 7800 4.9 8.Параметры диффузии, при которых совпадают экс- риментальных измерений диффузии азота в вольфраме периментально определенное время достижения макси- при сравнимых температурах, дающие довольно близкое мума поверхностной концентрации примеси для двух значение энергии активации (1eV) [6], а также репотоков (tc1 и tc2 соответственно) и экстремумы кривых, зультаты расчета по методу молекулярно-динамического рассчитанных по предложенной математической модели, моделирования энергии активации диффузии внедренприведены в таблице. В ней также представлены лите- ных атомов в решетке вольфрама (0.365 eV) [7] и в ратурные данные по коэффициенту диффузии азота в решетке -Fe (0.23 eV Ч энергия активации диффузии поликристаллическом вольфраме в заданном интервале для внедренных атомов, 0.42 eV Ч то же для вакантемператур DW [3]. сий) [8]. Энергия активации второго потока, связанного По результатам моделирования и данным, получен- с диффузией по объемному механизму, в несколько раз превышает аналогичный параметр первого потока. Это ным при отжиге дислокаций, построена температурная зависимость диффузионных параметров азота в припо- подтверждает предположение о связи первого потока с дислокационным механизмом, для которого характерны верхностной области ионно-легированного вольфрама низкие (по сравнению с объемным механизмом) значев интервале температур 700-820C для двух потоков примеси (предэкспоненты D01, D02 и энергии актива- ния энергии активации.

ции E1, E2). Наши предположения о характере диффузионных поСледует отметить, что литературные данные по дис- токов также косвенно подтверждаются результатами локационной диффузии весьма ограничены. Наиболее дислокационного травления и данными электронной близкими являются данные по дислокационной само- микроскопии: в начальный момент времени плотность диффузии в ниобии [4], сравнимые по порядку величи- дислокаций высока, и поток, связанный с дислоканы с полученными нами значениями D1. Измеренные ционной диффузией, доминирует над диффузией по коэффициенты объемной диффузии D2 на несколько объему. Затем в процессе отжига и по мере уменьшения порядков ниже приведенных в литературе значений для плотности дислокаций механизм объемной диффузии аналогичных температур. Расхождение можно объяс- начинает преобладать. Следует также учесть тот факт, нить тем, что исходные образцы являлись достаточно что диффузионный эксперимент проводился в интервале чистыми и совершенными монокристаллами с малым температур < 0.3Tm, где общий коэффициент диффузии числом субграниц и других дефектов, которые явля- практически полностью определяется диффузией вдоль ются эффективными стоками для точечных дефектов, дислокаций [9], т. е. вклад дислокационной диффузии образовавшихся в результате имплантации [5], тогда как значительно превышает объемный. Этот факт отражает представленные в таблице литературные данные [3] от- параметр m Ч доля атомов, диффундирующих вдоль линосятся к поликристаллическому вольфраму, где основ- ний дислокаций. Наилучшее согласие экспериментальным механизмом является диффузия по границам зерен. ных данных и результатов аппроксимации соответствует Кроме того, для протекания процесса диффузии по величине m = 0.91.

объемному (в данном случае межузельному) механизму На рис. 3 представлены данные Оже-электронной необходимо наличие свободных от примесных атомов спектроскопии по изменению относительной поверхмеждоузлий. Частота перескоков атомов определяется ностной концентрации азота и результаты интерполявероятностью того, что соседнее междоузлие окажется ции для образцов второго вида при различных темпепустым. В связи с тем что концентрация примеси в при- ратурах отжига. Большая доза имплантации и малая поверхностной области весьма велика (более 50 at.%), энергия внедренных ионов позволяют аппроксимировать число свободных междоузлий значительно уменьшается.

начальное распределение примеси ступенчатой функПоскольку энергия активации процесса не изменяется, цией с максимумом на поверхности образца. Ширина уменьшение коэффициента диффузии происходит за счет профиля l = 0.15 m определялась по дозе легирования предэкспоненциального множителя.

Q = 1017 cm-2 и измеренному значению поверхностной Также обращают на себя внимание низкие значения концентрации азота в начальный момент времени. Заданэнергии активации. Однако существуют данные экспе- ное приближение и вычисленные параметры начального Физика твердого тела, 2006, том 48, вып. 16 О.Б. Боднарь, И.М. Аристова, А.А. Мазилкин, Л.Н. Пронина, А.Н. Чайка, П.Ю. Попов 2) Экспериментально обнаружено существование двух потоков примесных атомов. Предложена модель многопоточной диффузии при условии взаимодействующих потоков. По результатам моделирования и данным, полученным при отжиге дислокаций, построена температурная зависимость диффузионных параметров азота в приповерхностной области ионно-легированного вольфрама.

Список литературы [1] О.Б. Боднарь. Неразрушающие методы определения параметров диффузии примеси в твердом теле. Машиностроение-1, М. (2004). 88 с.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам