CC BY
44
УДК 539.234, 621.316.849
УПРАВЛЕНИЕ СОСТАВОМ ПЛЕНОК МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ
МАТЕРИАЛОВ
К.И. Аверин
Аннотация. Разработана квазихимическая модель изменения состава пленок в процессе синтеза на основе вакансионного механизма и реакций замещения атомов хрома атомами никеля.
Abstract. Quasichemieal model changes of the films composition in the process of synthesis based on the vacancy mechanism and replacement reactions of chromium atoms by nickel atoms is developed.
Ключевые слова: многокомпонентные материалы, свойства, состав, условия получения.
Keywords: multicomponent materials, properties, composition, conditions of preparation.
Важной задачей микроэлектроники является получение многокомпонентных материалов и структур на их основе с заданными и стабильными во времени параметрами.
Многокомпонентные материалы, как правило, являются фазами переменного состава, где небольшие девиации состава фазы вызывают изменения электрофизических свойств материалов и соответственно параметров приборов с их использованием. Основы методики контролируемого и управляемого синтеза многокомпонентных материалов базируются на квазихимическом подходе.
Варьирование температур испарения исходной загрузки и подложки приводит к изменению состава пленок на основе твердых растворов никеля и хрома, а следовательно и их свойств. Эта зависимость объясняется вакансионным механизмом и реакциями замещения атомов хрома атомами никеля [1]. Испарения атомов хрома и никеля при синтезе пленок хромоникелевых сплавов приводят к образованию структур Шоттки, которое заключается в следующем. Атомы, находящиеся на поверхности пленки, испаряются, а на их место изнутри диффундируют другие, оставляя после себя вакансии, которые также заполняются атомами из нижележащих слоев пленки. В результате образуется диффузия атомов из объема на поверхность пленки, а вакансий наоборот. Уравнение, характеризующее образование структур Шоттки, применительно к никелю имеет вид [2]
NiCr = NiCr 1_yVyc< + yCrПар, (1)
где У - вакансии в подрешетки хрома.
Заполнение вакансий в подрешетке хрома описывается уравнением
NiCr 1_yVyCr + x'Ni = NiCr 1_yNi V-X . (2)
Увеличение парциального давления пара никеля при росте температуры испарения исходной загрузки приводит к заполнению всех вакансий в подрешетке хрома:
NiCr!_yVy^ + yNi = NiCr!_yNi y . (3)
При высоких температурах испарения исходной загрузки может осуществляться замещение атомов хрома атомами никеля:
NiCr j_yNi y + zNi = Ni VzCrCrj-y Ni y+z . (4)
В результате рост температуры испарения исходной загрузки приводит к увеличению концентрации никеля и уменьшению содержания хрома в пленках
Ni* Cr^.
Для нахождения энтальпий и энтропий реакций образования и заполнения собственных дефектов в твердых растворах разработана модель, основанная на квазихимическом подходе.
Процесс образования дефектов по Шоттке в твердых растворах Ni* Cri_*
представим в виде квазихимического уравнения:
0 = VM + VCr +AHS,Ks =[VNi]-[Vc,] = KS exp(
AH s)
kT
(5)
где [VNi], [VCr] - соответственно концентрация вакансий в подрешетке никеля и
хрома; KS0 - предэкспоненциальные множители соответствующих реакций образования собственных дефектов.
При нагревании исходной загрузки происходит диссоциация твердых растворов на хром и никель, а затем обработка конденсата паром чистых компонентов, обуславливающая достройку своей подрешетки и образование соответствующего числа вакансий в подрешетке другого компонента. Так, например, обработка твердых растворов паром никеля записывается в следующем виде:
Ni = NIni + VCr +DH ni ■
KNi„ = VC^ = KNi„ ЄХР(
A H
Ni,,
P
Ni
kT
-)
(6)
где PNi - давление пара халькогена; K- предэкспоненциальный множитель.
Концентрации дефектов подчиняется условию равенства числа узлов в подрешетке металла и неметалла:
[CrCr] + [VCr] = [NiNi] + [VNi]. (7)
По графику температурной зависимости предельной концентрации устойчивых зародышей при частичной конденсации, построенному в координатах
ln( N ¥) = f (T) , можно определить энтальпии и энтропии реакций заполнения
дефектов в подрешетках никеля и хрома при обработке в парах никеля. Энтропии реакций заполнения дефектов AS связаны с предэкспоненциальными множителями температурных зависимостей констант равновесия квазихимических реакций следующим выражением:
AS
K0 =exp-
k
(8)
По экспериментальным зависимостям концентраций никеля и хрома в пленках, полученных при различных условиях конденсации, найдены энталь-
пии и энтропии реакций заполнения собственных дефектов, которые характеризуют состав пленки.
На рисунке представлены рассчитанные на основе разработанной квазихимической модели зависимости состава пленок твердых растворов от температур испарения исходной загрузки и подложки, которые хорошо коррелируют с экспериментальными данными. Увеличение температуры испарения исходной загрузки приводит к росту содержания никеля в пленках, причем концентрация
Ni растет приблизительно от 0,7 до 0,9 м.д. Зависимость -N = f (Тисп,Тп) при изменении температуры подложки имеет максимум функции, соответствующий критической температуре [1].
• - экспериментальные данные; — расчет в рамках квазихимической модели
Рисунок - Зависимость содержания никеля в пленках Nix Cr1-x от температур испарения исходной загрузки и подложки
Для адсорбированных атомов хрома наблюдается противоположная зависимость х от условий синтеза, чем для никеля. Рост температуры испарения исходной загрузки вызывает уменьшение концентрации атомов хрома в пленках.
Список использованных источников
1. Аверин, И.А. Управляемый синтез гетерогенных систем: получение и свойства: монография / И.А. Аверин. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2006. -316 с.
2. Аверин, И.А. Управление составом многокомпонентных систем / И.А. Аверин, Р.М. Печерская // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Естественные науки. - 2006. - N° 5. - С. 184-190.
