Замулко Сергій Олександрович. Формування силіцидних фаз при реакційній дифузії в системах "плівкові шари (5-30 нм) Ni Ti, - монокристалічний кремній"

brief description

Замулко Сергій Олександрович. Формування силіцидних фаз при реакційній дифузії в системах "плівкові шари (5-30 нм) Ni Ti, - монокристалічний кремній" : дис... канд. техн. наук: 05.16.01 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін- т". - К., 2006

ЗАМУЛКО С.О. ФОРМУВАННЯ СИЛІЦИДНИХ ФАЗ ПРИ РЕАКЦІЙНІЙ ДИФУЗІЇ В СИСТЕМАХ «ПЛІВКОВІ ШАРИ (5 - 30 нм) Ti, Ni - МОНОКРИСТАЛІЧНИЙ КРЕМНІЙ» Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 металознавство та термічна обробка металів. Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2005.
Дисертація присвячена експериментальному дослідженню та теоретичному моделюванню процесів термостимульованої реакційної дифузії в системах «плівкові шари Ni (Ti, Ni-Ti) нанометрових товщин (5 30 нм) монокристал Si(001)».
Запропоновано багатостадійну модель структурних та фазових перетворень в процесах реакційної дифузії в системах Ni-Si, Ti-Si при термічній обробці в інтервалі температур 773К-1273К.
Виявлено ефект „дифузійної перебудови” системи Ni-Ti-Si в систему Ti-Ni-Si при температурі відпалу 723 К на основі порівняльного аналізу концентраційних розподілень компонентів. Встановлено, що особливу роль в дифузійному масопереносі компонентів при термічній обробці досліджених систем, відіграє зовнішня поверхня: процеси, що розвиваються на зовнішній поверхні, термодинамічно обумовлюють масоперенос компонентів в об’ємі тонкоплівкової системи; зовнішня поверхня є стоковою для атомів титану, коли титан є проміжним шаром; коли на поверхні утворюється оксид титану, зовнішня поверхня відіграє роль дифузійного бар’єру для атомів речовини глибинних шарів.
В рамках задач масопереносу у новій постановці запропоновані моделі дифузійного росту нових фаз: модель дифузії з реакцією в системі ”підкладинка шар скінченої товщини”; модель масопереносу у плоскошаровій системі «тверда фаза - рідка фаза - тверда фаза»; модель дифузійного росту включень нової фази різної геометричної форми в об’ємному середовищі, що є вичерпним джерелом дифузанту.
Показано можливість практичного використання отриманих числовими методами розв’язків для моделювання та прогнозування дифузійного росту нових фаз. Шляхом порівняння теоретичних та одержаних експериментальних даних розраховані параметри дифузії.

Із застосуванням методів мас-спектрометрії вторинних іонів, електронної оже-спектроскопії, рентгенофазового аналізу, просвічуючої електронної мікроскопії поперечних зрізів, растрової електронної мікроскопії, резистометрії досліджено вплив термічної обробки на процеси реакційної дифузії в системах «плівкові шари Ni (Ti, Ni-Ti) нанометрових товщин (5 30 нм) монокристал Si(001)» в інтервалі температур 723 - 1273К; проведене теоретичне моделювання процесів реакційної дифузії на основі математичних моделей ряду дифузійних задач в новій постановці.
Основні наукові і практичні результати, отримані в роботі, полягають у наступному:
1. Запропоновано і для досліджених систем експериментально підтверджено багатостадійну модель структурних та фазових перетворень в процесах реакційної дифузії в системах „плівкові шари Ni (Ti) нанометрових товщин (5 30 нм) монокристал Si(001)” при термічній обробці в інтервалі температур 773К-1273К, яка включає в себе такі стадії:
утворення проміжних силіцидних фаз в області границі розділу металевої плівки та Si(001);
дифузія атомів металу з проміжних силіцидних фаз в монокристал Si(001)за об’ємним механізмом;
зародження на границі розділу „проміжний силіцид-Si(001)” включень кінцевої стабільної фази МеSi2(де Me - Ni, Ti) різної геометричної форми;
ріст включень МеSi2за рахунокдифузійного розчинення проміжної силіцидної фази;
взаємна дифузія атомів Ме та Si з формуванням включень МеSi2в об’ємі монокристалу Si(001);
просторова самоорганізація включень МеSi2в реакційній зоні;
геометрична форма, розмір, щільність та взаємне розташування включень силіцидних фаз визначається режимом термічної обробки; за характером морфологічних змін в реакційній зоні процес є подібним до розпаду пересичених твердих розчинів.
Показано, що закономірності дифузійних процесів у плоскошарових вакуумних конденсатах металів, які представлені багатостадійною моделлю, є загальними для досліджуваних систем, але для кожної конкретної системи можуть спостерігатися деякі особливості, що зумовлені термодинамічними та кристалохімічними властивостями взаємодіючих компонентів.
2. Процеси термостимульованої реакційної дифузії в складній системі Ti(5нм)-Ni(24нм)-Si(001)в інтервалі температур 723 К - 1273 К також мають багатостадійний характер; послідовно відбуваються такі стадії:
дифузія атомів нікелю в монокристал кремнію за об’ємним механізмом з формуванням проміжних силіцидних фаз Ni2Si та NiSi; формування інтерметаліда Ni3Ti в області границі розділу шарів Ni та Ti;
вирівнювання концентрації нікелю за товщиною силіцидного шару з формуванням силіциду NiSi, накопичення атомів титану в області границі розділу з силіцидним шаром;
збільшення товщини силіцидного шару за рахунок дифузії атомів Ni в монокристал Si(001)та зародження фази NiSi2в області границі розділу з Si(001); дифузія атомів титану в NiSi з формуванням потрійного силіциду Ni4Ti4Si7між поверхневим шаром титану і шаром силіцидних фаз;
дифузійне розчинення фази NiSi та росту фази NiSi2; взаємної дифузії атомів титану та кремнію з формуванням фази TiSi2;
подальше зростання фаз TiSi2, NiSi2та дифузійне розчинення фази Ni4Ti4Si7.
3. Експериментально виявлено ефект „дифузійної перебудови” системи Ni(24 нм)-Ti(5 нм)-Si(001)в систему Ti(5 нм)-Ni(24 нм)-Si(001)при температурі відпалу 723 К, зумовлений процесом масопереносу речовини з шару Ti до зовнішньої поверхні; концентраційні розподіли компонентів за товщиною в системах Ni(24 нм)-Ti(5 нм)-Si(001)та Ti(5 нм)-Ni(24 нм)-Si(001)при T723 К практично співпадають; термічна стабільність шару NiSi характеризується температурою 973К.
4. Встановлено, що особливу роль в дифузійному масопереносі компонентів при термічній обробці систем «плівкові шари Ni-Ti нанометрових товщин (5 30 нм) монокристал Si(001)» відіграє зовнішня поверхня: процеси, що розвиваються на зовнішній поверхні, термодинамічно обумовлюють масоперенос компонентів в об’ємі тонкоплівкової системи; зовнішня поверхня є стоковою для атомів титану, коли титан є проміжним шаром; коли на поверхні утворюється оксид титану, зовнішня поверхня відіграє роль дифузійного бар’єру для атомів речовини глибинних шарів.
5. На основі встановлених в роботі закономірностей структурних та фазових перетворень в системах «плівкові шари Ni (Ti, Ni-Ti) нанометрових товщин (5 30 нм) монокристал Si(001)», запропоновано ряд задач масопереносу у новій постановці та моделі дифузійного росту нових фаз: модель дифузії з реакцією в системі ”підкладинка шар скінченої товщини”; модель масопереносу у плоскошаровій системі «тверда фаза - рідка фаза - тверда фаза»; модель дифузійного росту ансамблю частинок нової фази різної геометричної форми в об’ємному середовищі, що є вичерпним джерелом дифузанту.
6. Показано можливість практичного використання отриманих числовими методами розв’язків для моделювання та прогнозування дифузійного росту частинок нових фаз: визначення розміру частинок на етапах термічної обробки пересичених твердих розчинів, часу відпалу матеріалів при даній температурі для досягнення певного розміру частинок, зокрема, - максимального, прогнозування швидкості росту включень та концентрації дифузанту в області границі розділу фаз на різних стадіях відпалу.