Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 6 11;12 Твердофазные реакции и фазовый переход порядокЦбеспорядок в тонких пленках й В.Г. Мягков, Л.Е. Быкова, Г.Н. Бондаренко, Г.В. Бондаренко, Ф.В. Мягков Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 660036 Красноярск, Россия e-mail: kim@ksc.krasn.ru (Поступило в Редакцию 29 августа 2000 г.) Проведен сравнительный анализ температур инициирования твердофазных реакций в двухслойных тонких пленках и температур Курнакова фаз, образующихся в продуктах реакции. Для типичных в явлении упорядочения сверхструктур показано, что температура Курнакова совпадает с температурой инициирования твердофазных реакций, если по диаграмме состояния переходу порядокЦбеспорядок не предшествуют другие твердофазные структурные превращения. Предложено правило для определения пленочных пар, между которыми возможны твердофазные реакции, и их температур инициирования.

Введение не может объяснить многообразия экспериментальных данных. Тем не менее предсказание пар, между которыми Три последних десятилетия твердофазные реакции возможны твердофазные реакции, температур иницииинтенсивно исследуются в тонких пленках, которые со- рования, первой фазы и фазовой последовательности ставляют основу современной микроэлектроники [1,2Ц8]. является крайне важным для технических приложений.

Большинство твердофазных реакций в тонких металли- Одной из форм термообработки, в результате которой ческих пленках проходит в температурном интервале твердофазные реакции в тонких пленках успевают обра400-800 K и делится на два класса. К первому классу зовывать соединения, является быстрый температурный относятся реакции, в ходе которых формируются новые отжиг [9]. Быстрый температурный отжиг включает фазы. Ко второму Ч реакции, в продуктах которых не быстрый нагрев образца до некоторой температуры, образуется новых фаз, а наблюдается перемешивание выдержку при ней в течение 1Ц100 s с последующим слоев [1] при температурах ниже температур эвтектики.

быстрым охлаждением. В работах [10,11] показано, что Считается, что основным механизмом низкотемператур- твердофазные реакции в металлических тонких пленках ных твердофазных реакций в тонких пленках является могут проходить в режиме самораспространяющегося диффузия по границам зерен, которая на несколько высокотемпературного синтеза (СВС). СВС в тонких порядков выше диффузии в объемных образцах [1]. пленках в отличие от СВС на порошках [10,11] самопроДиффузия по границам зерен и высокая дефектность извольно инициируется, только когда температура образпленок являются основными факторами формирования ца Ts превысит температуру инициирования T0 (Ts > T0), соединений на поверхности раздела пленочных конден- и представляет волну поверхностного горения. Скорость сатов. Образование новых фаз в пленочных образцах фронта СВС растет экспоненциально с увеличением так же, как и в массивных, происходит путем зарожде- температуры Ts и при температуре образца, близкой к ния и роста, удовлетворяющим кинетическому закону температуре инициирования, равна 2-10 10-2 m/ s.

КолмогороваЦАврамиЦДжонсонаЦМела. Такой анализ в Поэтому время прохождения волны СВС по поверхсилу аррениусовской зависимости диффузии от темпе- ности образцов, используемых в экспериментах, равна ратуры предполагает, что образование фаз на границе 5-15 s. Это предполагает, что многие твердофазные раздела происходит при любой температуре и толщина реакции, проходящие при быстром температурном отжислоя продуктов реакции зависит только от температуры ге, являются СВС реакциями. Так же как и твердофазные и времени отжига. Однако калориметрические данные и реакции, СВС в тонких пленках бывают двух видов.

исследования обратного резерфордовского рассеивания В первом после прохождения волны СВС по образцу в многих твердофазных реакций в тонких пленках пока- продуктах реакции образуются соединения. СВС второго зывают, что образование фаз начинается при некоторой вида состоит из волны горения и волны фазового разлотемпературе и интенсивно происходит в узком темпе- жения, которая возникает, когда температура образца Ts ратурном диапазоне [2,3]. Как правило, с увеличением становится ниже температуры инициирования T0. При температуры на межфазной границе образуется фаза, ко- СВС второго вида в двухслойных пленочных системах, торая называется первой. Дальнейшее повышение темпе- которым соответствует простая эвтектическая диаграмратуры может приводить к появлению новых фаз с обра- ма состояния, в продуктах реакции образуются исходные зованием фазовой последовательности [2Ц8]. Различные компоненты. Поэтому в таких образцах после реакции правила предлагаются для предсказания первой фазы и создается эффект перемешивания слоев. СВС второго фазовой последовательности [6Ц8], однако ни одни из них вида назван множественным СВС [12,13] и соответствуТвердофазные реакции и фазовый переход порядокЦбеспорядок в тонких пленках ет переходу через температуру эвтектики массивных подложки и на свежесколотую поверхность MgO(001).

образцов. В отличие от эвтектической кристаллизации Толщины слоев были выбраны так, чтобы в полномассивных образцов множественный СВС в тонких плен- стью прореагировавших образцах их состав попадал в ках является обратимым твердотельным структурным область гомогенности исследуемых упорядочивающихся фазовым переходом. Этот результат является крайне сплавов. Общая толщина пленочного образца не пренеожиданным, так как современное понимание фазового вышала 250 nm. Для улучшения адгезии и создания расслоения, возникающего при эвтектической кристал- монокристаллических слоев на поверхности MgO(001) лизации, основано на переходе жидкой эвтектики в твер- первые слои на любых подложках осаждались при темдую. Поэтому множественный СВС надо рассматривать пературе подложки 500Ц520 K. Чтобы избежать реации как Фтвердофазное плавлениеФ эвтектических систем. во время осаждения, температура напыления второго Температуры инициирования СВС многих двухслой- слоя была равна комнатной. Полученные образцы в ных пленочных образцов попадают в температурный вакууме помещали на вольфрамовый нагреватель и со интервал 400Ц800 K, характерный для твердофазных ре- скоростью не менее 20 K / s нагревали до температуры инициирования СВС. После прохождения фронта СВС, акций. Сравнительный анализ с бинарными диаграммами который наблюдался визуально, образцы охлаждались со фазового равновесия объемных образцов показывает, что в этом температурном интервале 400Ц800 K находятся скоростью 10 K / s. В тех случаях, когда движение фронта СВС было слабо выраженным или не наблюдамногие структурные твердофазные превращения. Это лось, образцы подвергались быстрому температурному предполагает, что температуры твердофазных реакций (в том числе и СВС) совпадают с температурами твер- отжигу. Быстрый температурный отжиг (БТО) включал нагрев двухслойных образцов со скоростью не менее дофазных превращений. Однако считается, что все они определены диффузией (исключая мартенситные перехо- 20 K / s до температуры, которая на 20Ц40 K выше T0, выдержку при этой температуре в течение 15 s (это ды), которая при этих температурах невелика и не может время необходимо для прохождения фронта СВС) с создавать через границу раздела слоев значительный последующим охлаждением со скоростью 10K/ s.

массоперенос, характерный для СВС и твердофазных реакций. Тем не менее предположение, что температу- Образцы получали, и температурные отжиги проводили в вакууме 1 10-5 Torr. Температура инициирования ры инициирования СВС в тонких пленках совпадают сильно зависит не только от скорости нагрева, но и от с температурами других твердофазных превращений, толщины подложки. Поэтому в экспериментах толщипроверялось для двухслойных систем S / Fe и Cu / Au.

Так, в работе [14] показано, что температура иницииро- на подложек бралась минимальной. Для стеклянных и слюдяных она была 0.10-0.18 mm и для подложек MgO вания СВС S / Fe двухслойных тонких пленок совпадает 0.35-0.40 mm. Фазовый состав определялся на прис температурой фазового перехода металЦдиэлектрик в боре Дрон-4-07 (K-излучение). Рентгеноспектральный моносульфиде железа FeS. В работе [15] показано, что флуоресцентный метод использовался для нахождения температура Курнакова перехода порядокЦбеспорядок в химического состава и толщины пленок. Измерения магклассической системе CuЦAu определяет температуру нитной кристаллографической анизотропии проводились инициирования СВС в Cu / Au двухслойной пленочной методом крутящих моментов. Степень превращения системе.

определялась по изменению магнитного момента ферДанная работа посвящена дальнейшему эксперименромагнитного слоя образца до и после реакции по тальному доказательству того, что и в других двухслойметодике, описанной в работах [10,11].

ных пленочных системах температура инициирования в них твердофазных реакций определяется температурой Курнакова упорядочивающихся фаз, образующихся в Экспериментальные результаты продуктах реакции.

и их обсуждение С и с т е м а C uЦZ n. В системе CuЦZn существует Образцы и методика эксперимента упорядоченная по типу В2 фаза -CuZn. Температура Объектами исследований были двухслойные пленоч- Курнакова массивной -CuZn фазы находится в преные образцы, которые после прохождения волны СВС делах Tk = 741-727 K [16]. Двухслойные пленочные или твердофазной реакции в продуктах реакции могли образцы Zn / Cu напыленные на слюдяные и стеклянные содержать упорядоченные фазы. Для проведения сравни- подложки при повышении температуры Ts до темпетельного анализа температур Курнакова и температур ратуры T0 (Ts = T0) показывают, что действительно инициирования твердофазных реакций были взяты ти- происходит реакция СВС между пленками меди и цинпичные в явлении упорядочения системы: CuЦZn, NiЦZn, ка. Температура инициирования находится в пределах MnЦNi, CoЦAl, FeЦAl, NiЦAl, CuЦAl, TiЦAl, CoЦPt, 550-600 K, и распространение фронта СВС легко наAuЦCu [16,17,18]. Двухслойные пленочные образцы по- блюдать визуально (рис. 1). Температура инициирования лучали последовательным вакуумным осаждением ука- T0 Zn / Cu / MgO(001) образцов была на 50-100 K выше, занных металлов в вакууме на стеклянные, слюдяные чем на стеклянных подложках, и движение фронта СВС Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 106 В.Г. Мягков, Л.Е. Быкова, Г.Н. Бондаренко, Г.В. Бондаренко, Ф.В. Мягков тонких пленках [10,11]. Те же образцы на подложке MgO(001) имели T0 = 600-650 K. Рентгеновская дифракция исходных Zn / Ni / MgO(001) образцов показывает, что пленка никеля вырастала монокристаллической на поверхности (001)MgO и не содержала отражений от цинка (рис. 4, a). Причина отсутствия этих отражений та же, что и для Zn / Cu / MgO(001) образцов.

Рис. 1. Фронт СВС в (150 nm)Zn / (50 nm)Cu пленке на Измеренные значения константы магнитной кристаллостеклянной подложке. Стрелкой показано распространение графической анизотропии исходных Zn / Ni / MgO(001) фронта.

образцов соответствуют значению массивного никеля Рис. 3. Зависимость степени превращения от температуры подложки Ts в двухслойной пленочной системе Рис. 2. Дифрактограммы (150 nm)Zn / (50 nm)Cu / MgO(001) (150 nm)Zn / (50 nm)Ni.

пленочного образца после прохождения волны СВС.

было слабо выраженным. Дифрактограммы двухслойных Zn / Cu / MgO(001) образцов до инициирования показывают, что слой меди вырастал эпитаксиально с ориентацией (001) на поверхности (001)MgO. Отсутствие отражений от пленки цинка, которая осаждалась сверху на пленку меди, предполагает, что она вырастала либо мелкодисперсной, либо аморфной. После СВС слой меди реагирует полностью, так как отражения от него исчезали. Анализ дифрактограмм показывает, что в продуктах реакции образуются упорядоченные и высокотемпературная 2 фазы (рис. 2). Упорядоченная -CuZn фаза является типичным примером упорядочения B2 фазы.

Высокотемпературная 2 фаза застабилизирована, вероятно, большой скоростью охлаждения, которая возникает позади фронта СВС.

С и с т е м а N iЦZ n. Система NiЦZn имеет только одну упорядоченную по типу B2 фазу NiZn. Упорядоченная 1-NiZn фаза типа CuЦAu образуется в результате эвтектоидного распада при температуре Tk = 888 K [16].

Фаза 1-NiZn является устойчивой при комнатной температуре. Пленочные образцы Zn / Ni, осажденные на стеклянные подложки, так же как Zn / Cu пленки (рис. 1), при инициировании СВС показывают ярко выраженный фронт. Температура инициирования СВС лежала в пределах T0 = 430-480 K. На рис. 3 представлено измеРис. 4. Дифрактограммы (150 nm)Zn / (50 nm)Ni / MgO(001) нение степени првращения от температуры подложки пленочного образца: a Ч исходный образец; b, c Ч после Ts, которое является характерным для СВС реакций в прохождения фронта СВС при = 0.5 и 1 соответственно.

Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Твердофазные реакции и фазовый переход порядокЦбеспорядок в тонких пленках и подтверждают, что пленка Ni росла эпитаксиально с поверхностью (100) на плоскости (001)MgO. Магнитные и рентгенодифракционные измерения показывают, что СВС Zn / Ni / MgO(001) образцах может захватывать не всю толщину пленки. Вероятно, это связано с большим теплоотводом в подложку и наблюдается также в Al / Ni / MgO(001) образцах [17]. На рис. 4, b и c приведены дифрактограммы соответственно для степени превращения = 0.5 и 1. Новая фаза растет эпитаксиально на поверхности (100)Ni, так как появляется только сильное отражение с d = 0.178 nm. Однако это отражение не принадлежит упорядоченной 1-NiZn фазе.

Ранее показано [10,11,18], что формирование фаз при больших скоростях фронта СВС проходит в неравновесных условиях и возможно образование метастабильных фаз и квазикристаллов в продуктах реакции. Предположительно, отражение с d = 0.178 nm принадлежит либо неизвестной метастабильной фазе, или -фазе, или ZnNiфазе, имеющей решетку -латуни [19]. Большое несоответствие температур Tk = 888 K и T0 = 430-480 K предполагает, что температура инициирования первой фазы в пленочных Zn / Ni образцах определяется не Рис. 6. Дифрактограммы (100 nm)Mn / (100 nm)Ni / MgO(001) температурой Курнакова 1-NiZn фазы, а неизвестным пленочного образца: a Ч после прохождения твердофазной структурным превращением в системе NiЦZn, имеющим реакции во время последовательного осаждения слоя марганца низкую температуру перехода. на слой никеля, b Ч после цикла быстрого температурного отжига.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам