научная статья по теме ОБРАЗОВАНИЕ ПОР В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ НИКЕЛЯ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Химия

Текст научной статьи на тему «ОБРАЗОВАНИЕ ПОР В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ НИКЕЛЯ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ»

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ, 2007, том 43, № 5, с. 556-559

УДК 539.231

ОБРАЗОВАНИЕ ПОР В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ НИКЕЛЯ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© 2007 г. В. К. Гончаров, М. И. Маркевич, А. Н. Малышко, С. А. Петров,

М. В. Пузырев, А. М. Чапланов**

Институт электроники Национальной академии наук Белоруссии, Минск Поступила в редакцию 16.05.2006 г.

В процессе импульсного лазерного воздействия в наносекундном диапазоне получены пористые пленки никеля. Методами просвечивающей электронной микроскопии исследована структура пленок никеля. Показано, что поры в пленках никеля в процессе наносекундной обработки не имеют огранки и образуются в объеме зерен.

ВВЕДЕНИЕ

Быстрые термические процессы обработки материалов привлекают внимание исследователей в связи с возможностью создания новых материалов и структур с уникальными физическими свойствами.

В настоящее время в связи с широким использованием импульсных высокоэнергетических методов обработки в технологических процессах микро и наноэлектроники проводятся исследования процессов, протекающих в тонких металлических пленках и поверхностных слоях под действием импульсного лазерного излучения. Реализация новых технологий связана со структурными исследованиями пористых пленок, так как поры и их размеры значительно влияют на физические свойства тонких пленок.

Цель настоящей работы - исследование структурных изменений в тонких пленках никеля при импульсном лазерном воздействии наносекундной длительности и сравнение результатов исследований структуры при миллисекундном и наносекундном воздействиях.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Тонкие пленки, полученные термическим осаждением в вакууме на аморфную или поликристаллическую подложку, в большинстве случаев имеют поликристаллическую структуру [1-3]. Кристаллизация тонких пленок протекает в условиях значительного пересыщения и переохлаждения, что способствует образованию большого количества дефектов кристаллической решетки [4-7]. Осажденные пленки обладают высокой свободной энергией и находятся в термодинамически неравновесном состоянии. При осаждении в условиях значительного переохлаждения, когда темпе-

ратура подложки менее 1/3 температуры плавления наносимого материала, в пленке образуется значительное количество вакансий. Их концентрация существенно превышает равновесную концентрацию при температуре осаждения и может достигать 0.01-1 ат. % [4, 6]. Следовательно, структура и физические свойства таких пленок нестабильны.

Пленки никеля получали методом термического испарения в вакууме и осаждением на скол монокристаллического хлористого натрия, поверхность которого имела ориентацию (001). Пленки никеля толщиной 0.2 мкм помещали на медную сеточку, закрепляли в держателе и подвергали лазерному воздействию. В экспериментах использовали лазер на основе стекла, активированного неодимом: длина волны 1.06 мкм, длительность импульса 30 нс. Лазер, работающий в режиме модулированной добротности, обеспечивал энергию в импульсе до 20 Дж. Модуляция добротности проводилась вращением призмы полного внутреннего отражения, которую использовали в качестве "глухого" зеркала. Воздействие на образцы осуществляли в вакууме с давлением остаточных газов 2.6 х 10-3 Па.

Общая схема экспериментальной установки приведена на рис. 1. Источником излучения в ней служит рабочее тело 4 из неодимового стекла гЛС-6 диаметром 30 и длиной 630 мм. Лампы накачки 3 типа ИФП-20000 питаются от блока питания 15 (Г0С-1001М). Резонатор лазера состоит из полупрозрачного зеркала 5 и вращающейся призмы полного внутреннего отражения 2, изменяющей добротность резонатора. Такая схема позволяет осуществить режим генерации лазерного излучения с модулированной добротностью в виде моноимпульса длительностью 30 нс (по полувысоте) с энергией до 20 Дж. Основу системы синхронизации составляет узел 13, состоящий из

фотодиода и лампочки накаливания, расположенных по разные стороны диска, вращающегося вместе с призмой 2. Лампочку вместе с фотодиодом можно установить в любое положение относительно оси вращения призмы, жестко связанной с диском. Включение лампочки накаливания (при вращении призмы с необходимыми оборотами) вызывает засветку фотодиода через отверстие в диске. Энергия лазерного излучения контролируется калориметром 6 типа ИМО-3. Вся оптическая схема юстируется с помощью гелий-неонового лазера ЛГН-207А. Воздействующее лазерное излучение вводится в вакуумную камеру 10 через окно 9. Диафрагмой 12 вырезается наиболее равномерная часть лазерного пучка. Временные характеристики лазерного излучения контролировали с помощью с помощью коаксиального фотоэлемента 7 и скоростного осциллографа 16. (Назначение остальных элементов - см. подпись к рис. 1.)

После импульсной обработки лазерным пучком пленки никеля исследовали на микроскопе YEM-200CX.

Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки: 1 - юстировочный лазер, 2 - призма полного внутреннего отражения, 3 - лампы накачки, 4 - рабочее тело, 5 - выходное зеркало, 6 - калориметр, 7 - фотоэлемент (ФЭК-19), 8 - линза, 9 - входное окно вакуумной камеры, 10 - вакуумная камера, 11 - образец, 12 -диафрагма, 13 - система синхронизации, 14 - блок задержки синхронизирующего сигнала, 15 - блок питания, 16 - прибор контроля временных характеристик лазерного импульса, 17 - светоделительные пластинки, 18 - источник светового сигнала, 19 - фотодиод.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Поликристаллическое состояние материала является термодинамически неустойчивым. Чем меньше размер зерна в пленке, тем ниже термодинамическая устойчивость такой пленки. При нагреве такие пленки переходят в более устойчивое структурное состояние. Устранение тех или иных несовершенств кристаллической структуры происходит в разных температурных интервалах. Для оценки температуры пленке, в которой происходит процесс собирательной рекристаллизации, использовали модель, описывающую процесс нагрева и охлаждения системы пленка-подложка при импульсном лазерном воздействии. В основу модели положены следующие допущения:

- поскольку размер фокусировки лазерного пятна в поперечной к лучу плоскости много больше характерной длины распространения тепла за время действия импульса, задача может решаться как одномерная;

- тепловой контакт пленки с подложкой считается идеальным, что соответствует идеальной адгезии пленки к подложке;

- перед лазерной обработкой температура постоянна по всему объему системы пленка-подложка;

- выделение тепла происходит только в приповерхностном слое;

- объектом нагрева является тело ограниченных размеров;

- световой импульс имеет прямоугольную форму по времени;

- учитывается теплообмен с окружающей средой;

- распространение тепла в системе пленка-подложка происходит на основании закономерностей нестационарной теплопроводности.

При этих допущениях математическая модель переноса тепла для системы металлическая пленка-подложка под действием импульсного лазерного излучения может быть представлена нестационарным квазилинейным уравнением теплопроводности в неоднородной среде и распределенным источником тепла за счет поглощения излучения:

Р( г) Ср( г)

г)!)

N (X) д (г),

д(г) = ЛЕкехр (-кг), г < г1; д (г) = 0, г > гь

N (X) =

1,

X <т; X >т.

Граничные условия:

\д Т ■ лдТ

= ое(Т4- Т0),

= ое( Т4 - ТО).

■ = 1

Начальное условие при X = 0: Т = То.

Здесь Л - поглощательная способность, г -продольная координата, Т - температура, X - вре-

г = 0

558

ГОНЧАРОВ и др.

ЩЩШШШШШ*

I яиМК

'* *Т > к ^'¿ffN^J&vSSl^ . V ■ i

Шжя№ВяР

5 ЯШ^^й^ЗьЗйа

0.08 mkm

11-1

Рис. 2. Исходная структура пленки никеля (температура осаждения 20°С).

Рис. 3. Структура пленки никеля после лазерной обработки (длительность импульса 30 нс, плотность мощности 7 х 106 Вт/см2).

мя, к - коэффициент поглощения, - координата, соответствующая толщине пленки, Ср - теплоемкость, X - теплопроводность, р - плотность, I -толщина пленки и подложки, а - постоянная Стефана-Больцмана, Т0 - температура окружающего воздуха, Е - плотность мощности излучения, т - продолжительность лазерного импульса.

Максимальная расчетная температура на поверхности пленки никеля при плотности мощности 7 х 106 Вт/см2 и длительности импульса 30 нс составляет 1020°С.

Следовательно, процесс рекристаллизации происходит при высоких температурах. Исходные осажденные пленки никеля являются мелкодисперсными, поликристаллическими; средний размер зерна составляет 15 нм (рис. 2).

Как следует из анализа структуры пленок никеля после лазерного воздействия, при повышении температуры в пленке до 1000°С в ней интенсивно протекают процессы собирательной рекристаллизации (рис. 3). В процессе импульсной лазерной обработки формируется стабильная равновесная структура пленки с большим размером зерна по сравнению со стационарным термическим отжигом. Формирование стабильной структуры происходит за счет ускоренной миграции границ зерен при концентрации вакансий выше равновесной и практическом отсутствии диффузионного массо-переноса по границам зерен [1, 2, 8].

В зависимости от температуры в области импульсного лазерного воздействия средний размер зерна составляет 200 нм (рис. 3). Зерна являются столбчатыми и имеют равновесную форму. В объеме зерен концентрация вакансионных пор, которые образовались в процессе остывания пленки, высокая (рис. 3). При быстром охлаждении пленки, когда скорость охлаждения составляет не менее 106 К/с, вакансии не успевают выйти на стоки, которыми являются границы зерен и поверхность пленки, и собираются в поливакансионные поры в объеме зерна.

Следует отметить, что в процессе лазерной обработки в миллисекундном диапазоне образующиеся поры имеют огранку, которая определяется кристаллографической ориентацией зерна, и расположены в основанном по границам зерен [8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе импульсного лазерного воздействия наносекундной длительности и плотностях мощности до порога плавления в пленках никеля с исходной высокой неравновесной концентрацией вакансий (10-7-10-3 отн. ед.) наряду с процессами собирательной рекристаллизации протекают закалочные явления, приводящие к формированию пор в объеме пленки. Образование пор в

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.

Показать целиком