ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ СТРУКТУРЫ Cu/Al

327
Секция 4. Пучковые методы формирования наноматериалов и наноструктур
ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ СТРУКТУРЫ Cu/Al, СФОРМИРОВАННОЙ
ДИНАМИЧЕСКИМ АТОМНЫМ ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
И.С. Ташлыков1), В.В. Тульев2)
Белорусский государственный педагогический университет им. М. Танка
ул. Советская, 18, 220050, Минск, Беларусь, тел. (017)2278919, факс (017)2264024.
e-mail: [email protected]
2)
Белорусский государственный технологический университет
ул. Свердлова, 13а, 220630 Минск, Беларусь,
тел. (017)2271091, факс (017)2276217, 2261075, e-mail: [email protected]
1)
В данной работе с помощью резерфордовского обратного рассеяния ионов гелия в сочетании с компьютерным моделированием был проведен анализ элементного состава структур Cu/Al, полученных осаждение меди на алюминиевую подложку методом динамического атомного перемешивания. В качестве ассистирующих ионов использовались
2
ионы аргона с энергией 6 кэВ. Плотность ионного тока составляла ∼20 мкА/см , интегральный поток ионов аргона
16
2
(0,7-1,6)⋅10 ион/см . Проведенное исследование позволило установить, что создаваемые структуры содержат ∼10 ат.%
меди, ∼1 ат.% кислорода и ∼0,3 ат.% аргона. При этом наблюдается проникновение атомов алюминия в пленку меди
вследствие атомного перемешивания, проникновение атомов меди и кислорода в алюминий вследствие радиационностимулированной диффузии, а также распыление пленки меди.
Введение
Методы ионно-лучевого модифицирования
широко применяются для изменения поверхностных свойств материалов [1-3]. Их используют,
например,
для
модификации
физикомеханических и электрохимических свойств поверхности металлов. При ионно-лучевом модифицировании поверхности материалов желаемый
эффект изменения его поверхностных свойств
может быть достигнут в результате действия нескольких факторов. Например, за счет введения
легирующих компонентов в состав приповерхностного слоя мишени, или в результате изменения
структурного состояния поверхности, образования соединений химических элементов и других.
Возможно также совместное воздействие нескольких факторов на свойства поверхности
твердого тела.
Одним из методов ионно-лучевого модифицирования поверхности материалов является метод
динамического атомного перемешивания (ДАП). В
этом методе процесс осаждения покрытий сопровождается одновременным облучением ионами
инертных газов поверхности подложки. Применение этого метода обеспечивает хорошее сцепление наносимого покрытия с подложкой, при этом
размеры по толщине и состав наносимых слоев
не ограничиваются [4].
Для объяснения явления перемешивания
атомов на границе раздела пленка/подложка при
облучении ускоренными ионами используют несколько механизмов: внедрение атомов отдачи,
перемешивание в каскаде атомных столкновений,
радиационно-стимулированная диффузия. Интерес также представляет взаимопроникновение
компонентов на границе раздела при облучении
ускоренными ионами и влияние распыления на
формируемую структуру [5].
Методика эксперимента
В качестве подложки использовался алюминий чистотой 99,995%. Методом ДАП на подложку
наносилось медное покрытие. Скорость осаждения покрытия составляла 0,120±0,005 нм/с. Время
осаждения покрытия 130±2 с. Расчетная толщина
Cu-покрытия, осаждаемого без ионного ассистирования, - 15,6±0,7 нм. В качестве ассистирующих ионов использовались ионы аргона с энергией 6 кэВ. Плотность ионного тока при осаждении
покрытия составляла 20,2±0,2 мкА/см2, параметр
I/A (отношение числа I ассистирующих ионов к
числу A атомов осаждаемого покрытия) был равен 0,12 - 0,13. Интегральный поток (Ф) ассистирующих ионов изменялся в интервале от 0,7⋅1016
16
2
до 1,6⋅10 ион/см . Осаждение покрытия проис-6
ходило при вакууме в мишенной камере ~ 2⋅10
Торр.
Элементный состав сформированной структуры Cu/Al исследовался с помощью метода резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов гелия с энергией ионов Е = 2 МэВ при следующей геометрии: угол рассеяния θ = 165°, угол
влёта θ1 = 0°, угол вылета рассеянных ионов θ2 =
15°. Применение данной геометрии обеспечивало
при энергетическом разрешении детектирующей
системы ∆Едет. = 15 кэВ глубинное разрешение в
алюминии ∼ 25 нм.
Концентрационные профили распределения
компонентов покрытия по глубине строились на
основе моделирования спектров резерфордовского обратного рассеяния с использованием
компьютерной программы RUMP [6].
Результаты и обсуждение
Экспериментальный спектр РОР от структуры
Сu/Аl, сформированной при интегральном потоке
16
2
ассистирующих ионов 1,6⋅10 ион/см , показан на
рис. 1. На спектре РОР от сформированной
структуры мы наблюдаем сигналы от атомов подложки алюминия, атомов осаждаемого покрытия
меди, атомов аргона и атомов кислорода. Отличительной особенностью при формировании
структур Сu/Аl является появление кислорода в
приповерхностных слоях образцов. Источником
кислорода, по нашему мнению, является оксидный слой, всегда появляющийся на поверхности
алюминиевой матрицы [7].
9-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 20-22 сентября 2011 г., Минск, Беларусь
9th International Conference “Interaction of Radiation with Solids”, September 20-22, 2011, Minsk, Belarus
328
Секция 4. Пучковые методы формирования наноматериалов и наноструктур
Cu
14000
Число счетов, имп.
12000
10000
O
8000
Al
6000
Ar
4000
2000
0
100
200
300
400
Номер канала
Рис. 1. Спектр РОР ионов гелия от структуры Сu/Al,
полученной при интегральном потоке ассистирующих
16
2
ионов аргона 1,6⋅10 ион/см
На рис. 2 представлены участки спектров РОР
от структур Cu/Al, полученных при различных потоках ассистирующих ионов аргона, соответствующие сигналам от атомов подложки (Al) и атомов покрытия (Cu).
Используя компьютерное моделирование [6],
были построены концентрационные профили
композиционного состава структур Сu/Аl (рис. 3).
При облучении структур Сu/Аl ионами Аr наблюдается проникновение атомов Сu в алюминиевую
матрицу на глубину ∼80-100 нм при всех потоках,
а атомов кислорода ∼60 нм. Проективный пробег
ионов Аr в алюминии с учетом страгглинга пробега оценивается ∼9.0±4.3 нм. Следовательно, проникновение атомов меди и кислорода в алюминий
превышает теоретически оцениваемое. Поэтому,
с учетом экспериментально определенной глубины распределения атомов меди и кислорода в
сформированной структуре, можно сделать вывод о том, что кроме механизма перемешивания
атомов меди и алюминия в каскаде атомных
столкновений, при формировании структуры Сu/Аl
методом динамического атомного перемешивания важную роль играет механизм радиационностимулированной диффузии атомов покрытия (Сu
и О) в подложку.
100
0
20
40
60
80
100
120
140
90
Число счетов, имп.
1
2
3
4
10000
концентрация, ат.%
Cu
15000
Al
5000
160
a)
80
70
60
50
Al
Cu
Ar
O
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Глубина, нм
0
250
260
270
280
370
380
390
400
410
Номер канала
С ростом потока происходит уменьшение интегрального выхода обратного рассеяния ионов
гелия от меди и сигнал от алюминия сдвигается в
сторону больших номеров каналов. Оба эффекта
отражают процесс распыления поверхности формируемой структуры. Эффективность распыления
покрытия из меди можно оценить средним коэффициентом распыления S, который показывает
количество атомов меди, эмитированных с поверхности при падении на нее одного иона аргона. Экспериментально рассчитанный коэффициент распыления составляет ∼3,5-5,2. Причем значение коэффициента распыления уменьшается с
ростом интегрального потока ассистирующих ионов аргона. Это объясняется тем, что при облучении ионами инертных газов вследствие атомного перемешивания происходит распыление не
только атомов меди, а также атомов алюминия из
подложки, внедренных атомов инертного газа и
атомов кислорода из оксидной пленки, что приводит к уменьшению экспериментально измеряемого коэффициента распыления меди.
100
0
20
40
60
80
100
120
140
160
90
Концентрация, ат.%
Рис. 2. Спектры РОР ионов гелия от структур Сu/Al,
полученных при интегральном потоке ассистирующих
16
2
16
2
ионов аргона: 1) 0,7⋅10 ион/см ; 2) 1,0⋅10 ион/см ;
16
2
16
2
3) 1,4⋅10 ион/см ; 4) 1,6⋅10 ион/см
80
б)
70
60
50
Al
Cu
Ar
O
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Глубина, нм
Рис. 3. Распределение компонентов по глубине в структурах Сu/Al, полученных при интегральном потоке ассистирующих ионов аргона:
16
2
16
2
а) 0,7⋅10 ион/см , б) 1,6⋅10 ион/см
На основе данных РОР были рассчитаны
слоевые концентрации компонентов структуры
Сu/Аl, сформированной динамическим атомным
перемешиванием. Расчеты производились для
слоя толщиной ∼100 нм. Данные расчетов представлены в табл. 1.
9-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 20-22 сентября 2011 г., Минск, Беларусь
9th International Conference “Interaction of Radiation with Solids”, September 20-22, 2011, Minsk, Belarus
329
Секция 4. Пучковые методы формирования наноматериалов и наноструктур
2
Таблица 1. Слоевые концентрации (ат/см ) компонентов
в структурах Cu/Al, рассчитанные по данным РОР
Ф, ион/см2
Cu
Al
O
Ar
0,7⋅1016
10.1⋅1016 8.15⋅1017 9.63⋅1015 2.37⋅1015
1,0⋅1016
9.83⋅1016 8.15⋅1017 1.16⋅1016 3.16⋅1015
1,4⋅1016
8.65⋅1016 8.27⋅1017 7.13⋅1015 3.37⋅1015
1,6⋅1016
7.87⋅1016 8.35⋅1017 6.98⋅1015 3.44⋅1015
На основе рассчитанных слоевых концентраций компонентов были определены относительные концентрации компонентов в слое ∼100 нм
изученных Сu/Аl структур. Данные представлены
в табл. 2.
Таблица 2. Относительная концентрация (ат.%) компонентов в структуре Cu/Al, рассчитанная по данным РОР
алюминий методом динамического атомного перемешивания, в котором в качестве ассистирую+
щих ионов использовались ионы Аr с Е = 6 кэВ и
интегральными потоками (0,7–1,6)⋅1016 cм-2, формируется Сu/Аl система, содержащая ∼10 ат.%
меди, ∼1 ат.% кислорода и ∼0,3 ат.% аргона. При
этом наблюдается проникновение атомов алюминия в пленку меди вследствие атомного перемешивания и встречной диффузии, проникновение
атомов меди и кислорода в алюминий вследствие
радиационно-стимулированной диффузии, а также распыление пленки меди. Отличительной особенностью при перемешивании Сu/Аl структур
является наличие кислорода в приповерхностных
слоях, источником которого может служить оксидный слой, образующийся на поверхности
алюминиевой матрицы
Список литературы
1.
2.
Ф, ион/см2
Cu
Al
O
Ar
0,7⋅1016
10,9
87,8
1,1
0,26
1,0⋅1016
10,5
87,8
1,2
0,34
1,4⋅1016
9,4
89,5
0,8
0,36
16
8,5
90,3
0,8
0,39
1,6⋅10
Из экспериментальных данных видно, что
сформированные структуры Сu/Аl содержат ∼10
ат.% меди, ∼1 ат.% кислорода и ∼0,3 ат.% аргона.
Заключение
3.
4.
5.
6.
7.
Углов В.В., Тарасюк Н.С., Стальмошенок Е.К.,
Черенда Н.Н. // Физика и химия обработки материалов. -2010.- 3. -С. 62.
Лысова Г.В., Биржевой Г.А., Дворяшин А.М. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. -2010. - 12. – С. 75.
Погребняк А.Д., Даниленок М.М., Дробышевская
А.А., Береснев В.М., Ердыбаева Н.К., Кирик Г.В.,
Дуб С.Н., Русаков B.C., Углов В.В., Шипиленко
А.П., Тулеушев Ю.Ж. // Известия высших учебных
заведений. Физика. –2009, 52. - 12. – С. 61.
Gailliard J.P. // Surface Engineering. -1984. -Р. 32.
Тульев В.В., Ташлыков И.С. // Взаимодействие
излучений с твердым телом: материалы III-ей Международной конференции. – Мн., 1999. - Ч. 2. С. 160.
Doolittle L.R. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. –1986.
- V.B15. – P. 227.
Тульев В.В., Ташлыков И.С. // Физика и химия обработки материалов. -2000. - 3. - С. 14.
Исследования методом РОР ионов гелия в
сочетании с компьютерным моделированием показали, что при осаждении медного покрытия на
COMPOSTION OF Cu/Al SYSTEM CONSTRUCTED BY MEANS
OF DYNAMIC ATOMIC DEPOSITION
1)
2)
Igor Tashlykov , Valentin Tuliev ,
Belarusian State Рedagogical University, 18 Sovetskaya str.,220050 Minsk, Belarus,
tel.: (017) 227-89-19, fax: (017)226-40-20, e-mail: [email protected]
2)
Belarusian State Technological University, 13-a Sverdlova str., 220630 Minsk, Belarus,
tel. (017)2271091, fax: (017)2276217, 2261075, e-mail: [email protected]
1)
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. It is estimated that thin (∼15 nm) surface layer consists of ∼50 at.% Cu, ∼10 at.% Ar, ∼4 at.% O and the remaining is Al. Dynamic deposition of Cu on Al substrate is accompanied with radiation enhanced diffusion of Cu, O, Ar atoms in substrate and out diffusion of Al atoms in deposited Cu coating.
9-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 20-22 сентября 2011 г., Минск, Беларусь
9th International Conference “Interaction of Radiation with Solids”, September 20-22, 2011, Minsk, Belarus
330
Секция 4. Пучковые методы формирования наноматериалов и наноструктур
9-ая Международная конференция «Взаимодействие излучений с твердым телом», 20-22 сентября 2011 г., Минск, Беларусь
9th International Conference “Interaction of Radiation with Solids”, September 20-22, 2011, Minsk, Belarus