ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2009, < 4, с. 63-66
УДК 543.51: 541.123
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АРГОНА НА ОБРАЗОВАНИЕ ИНТЕРМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В СИСТЕМЕ
НИКЕЛЬ-АЛЮМИНИЙ
© 2009 г. В. И. Бачурин1, С. А. Кривелевич2
Ярославский государственный технический университет, Ярославль, Россия 2Ярославский филиал Физико-технологического института РАН, Ярославль, Россия
Поступила в редакцию 10.06.2008 г.
Экспериментально исследованы процессы образования интерметаллидов NixAly при облучении ионами Ar+ двухслойных структур Ni/Al, представлявших собой пленки никеля, осажденные в вакууме на алюминиевую подложку. Методом резерфордовского обратного рассеяния ионов He+ показано, что в результате облучения ионами аргона в приповерхностном слое формируются интерметаллические соединения. Толщина образующегося интерметаллического слоя существенно превышает величину проективного пробега ионов. Толщина слоя и его состав практически не зависят от плотности ионного тока, а определяются дозой имплантации и температурой образца. С повышением температуры содержание никеля в интерметаллидном слое увеличивается. Установлено, что в отсутствие облучения образование интерметаллидов не наблюдается до T = 400°С, в то время как при облучении слой, близкий по составу к Ni3Al, образуется уже при 320°С.
ВВЕДЕНИЕ
Тонкопленочные покрытия на основе алюминия (Cr-Al, Ti-Al, Ni-Al) обладают высокой коррозионной устойчивостью и износостойкостью, что привлекает к ним внимание исследователей. Применение методов, использующих имплантацию соответствующих металлических ионов в алюминиевую подложку и ионное перемешивание тонких металлических слоев, позволяет создавать сплавы практически любого состава [1]. Наиболее полно изучено образование интерметаллических соединений в системе Al-Ni, каждый из элементов которой имеет простую ГЦК-ре-шетку [2-6]. Имплантация ионов никеля в алюминиевую подложку приводит к формированию практически всех стабильных фаз NixAly в приповерхностном слое Al [2, 3]. Состав слоя и его толщина зависят от условий ионного облучения. При увеличении плотности тока и дозы имплантации толщина сформированного слоя может более чем в десять раз превышать проективный пробег ионов [3]. Ионное перемешивание двухслойных пленок Ni/Al, выполненное при комнатной температуре с помощью ионов криптона и ксенона, проективный пробег которых значительно превышает толщину пленок, приводит к образованию равновесных соединений NixAly [4]. Их сте-хиометрический состав определяется толщинами исходных пленок Ni и Al, а структура зависит от дозы облучения и может содержать аморфную и кристаллическую фазы.
Образование интерметаллических соединений при ионном перемешивании, когда граница разде-
ла пленок лежит в каскадной области и происходит преимущественно за счет радиационно-стиму-лированной диффузии [5]. Целью данной работы явилось изучение влияния различных факторов на протекание ионно-индуцированных процессов фа-зообразования в системе №-А1 в тех случаях, когда граница раздела пленок лежит вне каскадной области.
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В качестве исходных образцов использовались пленки Ni толщиной 80, 120 и 200 нм, осажденные на предварительно очищенную ионной бомбардировкой Al-подложку путем распыления никелевой мишени (99.99%) в вакуумной камере (P ~ 10-4 Па) пучком ионов Ar+ с энергией 1 кэВ. Эксперименты по изучению ионно-стимулированного фазообразо-вания на границе пленка - подложка проводились на установке, подробно описанной в [7]. Образцы облучались пучком ионов Ar+ с энергией 80 кэВ по нормали к поверхности. Плотность тока в большинстве экспериментов составляла 16 мкА/см2, доза облучения изменялась от 1016 до 1017 ион/см2. Имплантация ионов производилась при температурах мишеней от 20 до 370°С. Анализ образцов in situ осуществлялся методом резерфордовского обратного рассеяния (РОР) ионов He+ (2 МэВ), угол падения пучка на поверхность составлял 65°, угол рассеяния - 170°. Такая геометрия обеспечивала разрешение по глубине не ниже 2 нм. Давление в вакуумной камере во время облучения и
^60 G
I 50
л н о о
X
w
S о я
<D
н я S
40 30 20 10
380°С Диффузия ^ Al3Ni
400°С
100 200 300 400 Номер канала
500
Рис. 1. РОР-спектры от поверхности образцов, подвергнутых нагреву без ионной бомбардировки при температурах 380 и 400°С.
н
а
100 г 80
w
и
я
а р
н е
!? 20
60 -40
1 2 3 4 5 Глубина, 1018 ат. • см-2
Рис. 3. Распределение концентраций алюминия (1) и никеля (2) в приповерхностном слое образцов с исходной толщиной пленок никеля 200 нм. Температура облучения 285°С, доза - 1017 см-2.
анализа образцов составляло 10-6 Па. Обработка спектров РОР с помощью программы RUMP позволяла получать концентрационные профили и рассчитывать количество Al в пленках Ni после облучения. На рис. 1 представлены спектры РОР с поверхности образцов, подвергнутых нагреву без ионной бомбардировки при температурах 380 и 400°С в течение двух часов, что более чем в пять раз, превышает время набора максимальной дозы облучения. При T = 400°С произошло формирование соединения Ni3Al, в то время как нагрев образцов до 380°С не приводит к образованию интерметаллических соединений. Тем не менее, для всех образцов проводился анализ как облученных, так и необлученных участков поверхности.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 представлены данные о составе приповерхностного слоя, полученные из концентрационных профилей для пленок Ni толщиной 80 и 200 нм, подвергнутых ионной бомбардировке при различных температурах. Как видно из приведенного рисунка, облучение образцов при T < 285°С не приводит к заметной взаимной диффузии ато-
400
300
и
°
а, 200 р
у
т
а ер
I100
е
н
Равновесие
о
NiAl3 О Ni2Al3
О Пп О в'
о □
CD а
NiAl
Al + NiAl3
Ni
Al
NiAl
в' + а'
N
а + а
i3Al
Ni
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Концентрация N1, ат. %
Рис. 2. Состав приповерхностного слоя пленок N1 толщиной 80 нм (квадраты) и 200 нм (кружки), подвергнутых ионной бомбардировке при различных температурах.
т. 80 а
60
и
а 40 т н
&20 н о
0
1 2 3 4 5 Глубина, 1018 ат. • см-2
Рис. 4. Распределение концентраций алюминия (1) и никеля (2) в приповерхностном слое образцов с исходной толщиной пленок никеля 200 нм. Температура облучения 320°С, доза - 1017 см-2.
мов пленки и подложки. При Т = 285°С в приповерхностном слое содержание алюминия составляет примерно 10%, что, видимо, соответствует образованию твердого раствора на основе никеля (рис. 3). После облучения образцов при температурах 300-320°С концентрации элементов соответствуют фазам а' ( №3А1) (рис. 4) и в' (№А1) как для пленок толщиной 80 нм, так и для пленок толщиной 200 нм. Облучение пленок при температурах 360 и 370°С приводит к формированию практически однородных слоев, состав которых отвечает фазам №2А13 и №А13 (рис. 5) соответственно. При этом с ростом температуры растет не только содержание алюминия в формирующемся соединении, но и толщина интерметаллического слоя.
В данной работе не проводился фазовый анализ интерметаллических соединений. Однако результаты, представленные в [3, 4], позволяют сде-
0
в
а
а
2
6
1
6
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АРГОНА
65
80
н
i60
Í40
н
я о я
X
о &
20
1 2 3 4 5 Глубина, 1018 ат. • см-2
Рис. 5. Распределение концентраций никеля (1) и алюминия (2) в приповерхностном слое образцов с исходной толщиной пленок никеля 200 нм. Температура облучения 370°С, доза - 1017 см-2.
т.
а
«
и Я а а т н
(Ü Я н
о
и
100 80 60 40 20
123456789 10 11 Глубина, 1017 ат./см2
Рис. 6. Зависимость концентрации N1 в пленке толщиной 120 нм после ее облучения при Т = 320°С различными дозами: 1 - 1016, 2 - 5 х 1016 3 - 1017 см-2.
2
2
3
1
6
лать заключение о том, что в результате ионного перемешивания происходит формирование вышеназванных фаз. В указанных работах также методом POP определялись концентрации Ni и Al, а фазовое состояние изучалось с помощью дифракции медленных электронов [3] и дифракции рентгеновских лучей [2]. Было установлено однозначное соответствие результатов анализа дифракционным и POP методами.
Следует отметить, что проективный пробег ионов Ar+ (80 кэВ) в никеле составляет около 50 нм, и, с учетом распыления, ионы будут достигать границы пленка-подложка при дозах, близких к 1017 ион/см2 для пленок толщиной 80 нм. Характер температурной зависимости количества Al, оказавшегося в слое Ni, для таких образцов предполагает участие механизма радиационно-стимулированной диффузии (РСД) в ионном перемешивании. Значения критической температуры для РСД и энергия активации по результатам [8] составляют ~230°С и 0.6 эВ, что неплохо согласуется с данными работ [7, 9]. Однако то обстоятельство, что процессы перемешивания наблюдаются и в пленках Ni толщиной 120 и 200 нм (в то время как область существования РСД в данном температурном диапазоне из-за отжига точечных дефектов сравнима с каскадной областью), по-видимому, может быть связано и с эффектами дальнодействия [10]. Об этом же говорит представленная на рис. 6 зависимость концентрации Ni в пленке толщиной 120 нм после облучения ее при T = 320°С различными дозами. При увеличении дозы облучения концентрация Ni уменьшается, т.е. взаимная диффузия Ni и Al увеличивается. Проведенные дополнительные эксперименты, в которых плотность ионного тока изменялась от 4 до 27 мкА/см2, не выявили зависимости состава и толщины формирующегося слоя от плотности ионного тока, что также указывает на дальнодействующий характер влияния ионного облучения на процессы образования интерметаллических соединений [10].
С этой точки зрения, полученные результаты можно объяснить следующим образом. При облучении поверхности ионами аргона значительная доля энергии падающих ионов преобразуется в энергию фононов. В частности, моделирование с помощью программы TRIM показывает, что в условиях, близких к условиям проведения наших экспериментов, эта доля энергии составляет более девяноста процентов. Реакции образования интерметаллических соединений являются экзотермическими и, например, энергии синтеза ин-терметаллидо
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.