ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 5, с. 634-636
УДК 544.431.11/539.216.2
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ФАЗ ПРИ ТВЕРДОФАЗНОМ СИНТЕЗЕ В ПЛЕНКАХ Al/Ni (Al:Ni = 60:40 ат. %)
© 2007 г. С. М. Жарков1, К. Ю. Малышонок1'2
E-mail: zharkov@iph.krasn.ru
Исследована структура, сформировавшаяся при твердофазном синтезе в тонких двуслойных пленках Al/Ni (Al:Ni = 60:40 ат. %). Пленки получены методом термического испарения в вакууме 10-510-6 Торр. Твердофазный синтез проведен методом реакционной диффузии. Установлена последовательность образования фаз при отжиге двуслойных пленок Al/Ni в вакууме: Al + Ni ^ Al3Ni + Ni (при Тотж = 180°C) ^ Al3Ni2 (при Тотж = 220°C).
Развитие микроэлектроники связано с интенсивным внедрением в нее тонкопленочных элементов. Реакции в твердых телах между двумя или несколькими компонентами начали исследовать относительно недавно. Твердофазные реакции могут стать существенным фактором, влияющим на микроструктуру и фазовый состав тонких пленок в процессе эксплуатации интегральных схем и других элементов электроники. Одной из отличительных особенностей твердофазных реакций в тонких пленках является то, что они могут инициироваться при сравнительно низких температурах, значительно меньших, чем в массивных образцах. Продуктами твердофазных реакций могут быть как соединения, так и твердые растворы реагентов, возникающие в результате перемешивания слоев. Одним из важных вопросов, возникающих при исследовании процессов твердофазного синтеза, является вопрос о том, какая фаза, из множества возможных фаз, будет формироваться первой. В настоящее время предложены различные "правила первой фазы", например в [1-3], однако до настоящего времени не объяснено все многообразие полученных экспериментальных данных. Исследование твердофазных реакций представляет не только фундаментальный, но и практический интерес. Так, на сплавах Al-Ni наблюдается эффект памяти формы [4], что позволяет применять данные материалы при создании микроэлектромеханических систем, например в качестве микродвигателей.
В настоящей работе исследованы процессы твердофазного синтеза, протекающего в двуслойных тонких пленочных образцах Al/Ni (соотношение Al:Ni = 60:40 ат. %). Двуслойные пленки получены методом термического испарения в вакууме ÍO^-IO-6 Торр последовательным осаждением пленок никеля и алюминия. Пленки напыляли на
1 Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, Красноярск.
2 Красноярский государственный технический университет.
подложки (стекло, NaCl), находящиеся при комнатной температуре Т = Ткомн. Толщины индивидуальных слоев Al и Ni равнялись соответственно 45 и 20 нм. Твердофазный синтез проводили методом реакционной диффузии: длительный нагрев (1 ч) при фиксированной температуре (в диапазоне от 180 до 300°C). Исследования структуры пленок и фазовый анализ проведены методами просвечивающей и дифракционной электронной микроскопии на просвечивающем электронном микроскопе ПРЭМ-200.
Электронно-микроскопические исследования двуслойных пленок в исходном состоянии, напыленных на подложки, находящиеся при комнатной температуре (Тподл = 17°С), показали, что пленки состоят из кристаллитов размером 10-30 нм (рис. 1а). Расшифровка картины дифракции электронов (рис. 16) показала, что в пленке присутствуют следующие фазы: Ni с кубической гранецентрирован-ной (ГЦК) решеткой, параметр решетки: a = 3.52 Á (JCPDS card # 04-0850); и, Al с ГЦК-решеткой, параметр решетки: a = 4.05 Á (JCPDS card # 04-0787). Эти фазы характерны для данных материалов (Ni, Al) в массивных состояниях.
Для инициирования процесса твердофазного синтеза пленочные системы Al/Ni отжигали в вакууме Ю^-10-6 Торр при фиксированной температуре в течение 1 ч (отжиг проводили в температурном диапазоне Т = 180-300°С). В этом случае твердофазный синтез проходил в режиме реакционной диффузии.
Расшифровка электронограммы (рис. 26), полученной от пленки Al/Ni, отожженной в вакууме в течение первого часа при фиксированной температуре Тотж = 180°С, показала, что в пленке сформировалась фаза Al3Ni (пространственная группа Pnma). Эта фаза обладает орторомбиче-ской решеткой с параметрами: a = 6.60 Á, b = 7.35 Á, с = 4.80 Á (JCPDS card # 02-0416). Многие авторы, например [5, 6], предполагают, что фаза Al3Ni формируется первой на границе раздела Al/Ni при
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ОБРАЗОВАНИЯ ФАЗ ПРИ ТВЕРДОФАЗНОМ СИНТЕЗЕ
635
Рис. 1. Электронно-микроскопическое изображение (а) и картина дифракции электронов (б), полученные от пленки Al/Ni, в исходном состоянии.
твердофазном синтезе. В пленках после отжига при Тотж = 180°С также все еще присутствует ГЦК-фаза Ni (JCPDS card # 04-0850).
В пленках Al/Ni, отожженных в вакууме в течение первого часа при фиксированной температуре Тотж = 220°С (см. рис. 3), наблюдается только фаза
Al3Ni2 (пространственная группа P3 ml), с параметрами решетки: a = 0.406 нм, c = 0.491 нм (JCPDS card # 14-0648). Дальнейшие отжиги при более высоких температурах, вплоть до Тотж = 300°С, не приводят к формированию других фаз Al-Ni.
Таким образом, в настоящей работе установлена следующая последовательность образования фаз при отжиге в вакууме двуслойных тонких пленок Al/Ni (Al:Ni = 60:40 ат. %):
Al + Ni ^ Al3Ni + Ni (при Тотж = 180°C) ^ ^ Al3Ni2 (при Тотж = 220°C).
Эти результаты соответствуют правилу упорядочения Cu3Au [3], первой должна формироваться фаза, имеющая максимальный коэффициент диффузии. В случае системы Al-Ni это фаза с наибольшим содержанием алюминия.
Следует отметить, что вопрос о том, какая фаза формируется первой на границе раздела Al/Ni в процессе твердофазного синтеза, до сих пор является открытым. Разные авторы, исследовавшие твердофазный синтез в двуслойных пленках Al/Ni, сообщали о наблюдении различных фаз, форми-
Рис. 2. Электронно-микроскопическое изображение (а) и картина дифракции электронов (б), полученные от пленки Al/Ni, после отжига при Тотж = 180°С.
Рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение (а) и картина дифракции электронов (б), полученные от пленки Al/Ni, после отжига при Тотж = 220°С.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 5 2007
2*
636
ЖАРКОВ, МАЛЫШОНОК
рующихся первыми: Al3Ni [5, 6], Al9Ni2 [7], Al3Ni2 [8], AlNi [9]. По-видимому, это связано как с неодинаковыми условиями получения пленок, так и с различными условиями инициирования твердофазного синтеза.
В [6] на основании правила, введенного Бене [1], предположено, что при твердофазном синтезе в бинарной системе Al/Ni первой должна формироваться фаза с наибольшим содержанием Al, а в каждой последующей формирующейся фазе концентрация Al должна быть меньше, чем в предыдущей. Результаты этих выводов также соответствуют описанному выше правилу Cu3Au [3]. В таком случае можно предположить, что при Тотж > 220°C, в пленках Al/Ni (при соотношении Al:Ni = 25:75 ат.%), помимо наблюдавшихся в данной работе фаз Al3Ni и Al3Ni2, будут последовательно формироваться следующие фазы: AlNi (B2 фаза), Al3Ni5, AlNi3 (Y'-фаза).
Авторы благодарны В.Г. Мягкову за обсуждение результатов. Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 06-03-32970.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bene R.W. // Appl. Phys. Lett. 1982. V. 41. № 6. P. 529.
2. Theron C.C., Ndwandwe O.M., Lombaard J.C., Pretori-us R. // Mater. Chem. Phys. 1996. V. 46. № 2-3. P. 238.
3. d'Heurle F.M., Ghez R. // Thin Solid Films. 1992. V. 215. № 1. C. 26.
4. George E.P., Liu CT., Horton J.A., Sparks CJ. et al. // Mater. Characterization. 1997. V. 39. P. 665.
5. Ma E, Thompson C.V., Clevenger L.A. // J. Appl. Phys. 1991. V. 69. № 4. P. 2211.
6. Rothhaar U, Oechsner H, Scheib M, Müller R. // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. № 2. P. 974.
7. Barmak K, Michaelsen C, Lucadamo G. // J. Mater. Res. 1997. V. 12. № 1. P. 133.
8. Bhattacharya P., Chattopadhyay K, Bellon P., Ishiha-ra K.N. // Mater. Sci. Eng. A. 2004. V. 375-377. P. 1277.
9. Michaelsen C, Lucadanno G, Barmak K. // J. Appl. Phys. 1996. V. 80. № 12. P. 6689.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 5 2007
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.