Способ определения коэффициентов диффузии в пленочных материалах

КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ ла, стимулирующее диффузию воздействие, определение изменения концентрации элемента в металле и отыскание 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,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 -квантов. Технический результат заключается в упрощении способа и применимости его для пленочных материалов.(72) Тулеушев Адил Жианшахович Володин Валерий Николаевич Горлачев Игорь Дмитриевич Тулеушев Юрий Жианшахович(73) Дочернее государственное предприятие Институт ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДИФФУЗИИ В ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ(57) 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. Способ определения коэффициентов диффузии в пленочных материалах включает нанесение пленки диффундирующего элемента на поверхность метал 13075 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.0113/00, 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 (а.с. СССР 1721473, кл.0113/02, 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 (Болтакс Б.И. 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 мате 2 риала 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 -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 13075 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 -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 тандемном 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 С и охлажден, второй нагрет до 207 С 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 1106 эВ, при токе пучка на поверхности 110-9 А и заряде 110-6 Кл. Направление пучка составило 90 по отношению к плоскости поверхности. Поверхностно-барьерный детектор, размещенный под углом 45 к пучку, регистрировал поток и энергию обратно рассеянных протонов. При определении использован метод Резерфордовского обратного рассеяния , при обработке результата- программа . В результате получено распределение алюминия в диффузионной зоне в виде функции , 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 кривойи 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 2 иССи - х по тангенсу угла наклона из выражения 1/(4 ), где- время стимулирующего диффузию воздействия, определены коэффициенты диффузии, равные 2,25710-13 см 2/с и, соответственно,1,025610-13 см 2/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 С. Один из двух образцов, полученных в идентичных условиях, подвергнут стимулирующему диффузию воздействию - нагреву до 550 С и охлажден, второй нагрет до 550 С 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 3,4910-13 см 2/с и 7,311013 см 2/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 С и охлажден, второй нагрет до 170 С 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 9,92105 эВ при токе пучка на поверхности 110-6 А. Направление пучка составило 90 по отношению к поверхности образца, детектор-сцинтиллятор размещен за образцом по оси пучка протонов. При определении концентрационной зависимости алюминия в диффузионной зоне использована ядерная реакция 27(,) 28. 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 3(как в примере 1) расстояние проникновения меди в глубь пленки алюминия, построением графической зависимости в координатахот х 2 и по тангенсу угла наклона к оси абсцисс определен коэффициент диффузии меди в алюминий, составивший при этих условиях 5,17610-15 см 2/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, ионноплазменным 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/см 2 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 27 А(р,) 28. 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 координатахот х 2 и по тангенсу угла наклона к оси абсцисс определен коэффициент диффузии алюминия в медь, составивший при этих условиях 4,5710-16 см 2/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. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 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 отыскание коэффициента диффузии элемента по концентрационной зависимости,отличающийся тем, что осуществляют одновременное определение изменения концентраций элемента в металле и металла в пленке до и после стимулирующего диффузию воздействия, коэффициенты диффузии элемента в металле и металла в пленке рассчитывают по изменению концентрационных зависимостей распределения элемента в металле и металла в пленке с учетом толщины пленки элемента, при этом концентрацию элемента в металле и металла 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 -квантов.