CC BY
22
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АРГОНА ФОЛЬГ СПЛАВА №-Ш _С НАПЫЛЕНИЕМ СЛОЯ АЛЮМИНИЯ_
УДК 539.534.9
ВЛИЯНИЕ ОБЛУЧЕНИЯ ИОНАМИ АРГОНА ФОЛЬГ СПЛАВА Ш-СТ С НАПЫЛЕНИЕМ СЛОЯ АЛЮМИНИЯ
НОВОСЕЛОВ А.А., БАЯНКИН В.Я., СУРНИН Д.В., ВОЛКОВА И.Б.
Физико-технический институт УрО РАН, Ижевск, Россия, less@fti.udm.ru
АННОТАЦИЯ. В работе представлены данные по исследованию элементного состава методом Оже-электронной спектроскопии прокатанных фольг слава №50^50 с напыленным слоем алюминия, подвергнутых имплантации ионов Ar+ в различных режимах. Выявлена нелинейная зависимость элементного состава поверхностных слоев фольг от параметров облучения.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из процессов, протекающих при ионном облучении, является атомное перемешивание [1, 2]. Отличительной чертой баллистического перемешивания является направленный перенос атомов вещества (в связи с очевидной анизотропностью потока падающих ионов), что особенно важно при наличии в облучаемом материале тонких слоев, состав или структура которых существенно отличаются от окружающего объема. Несомненный интерес в данном аспекте представляет ионно-лучевое перемешивание нанесенных слоев.
В настоящее время существует большое количество литературы, посвященной вопросам ионно-лучевой модификации металлических систем. Но практически во всех этих работах рассматриваются материалы, находящиеся в равновесном состоянии. В этом случае наблюдаются явления, хорошо описываемые теорией [2]. Однако отсутствует понимание ионного перемешивания для металлических систем, находящихся в неравновесном состоянии. В частности, при облучении медно-никелевой фольги с напыленным слоем алюминия можно ожидать появления аномальной диффузии напыленного элемента и изменения концентрации меди и никеля, составляющих основу мишени. Последнее наблюдалось нами ранее, при исследовании облученных фольг пермаллоя-79 и медно-никелевого сплава (без напыления) [3]. В связи с этим, исследование зависимости химического состава прокатанных, неравновесных фольг от параметров ионного облучения, в частности, энергии бомбардирующих ионов и интегральной дозы облучения, представляет определенный интерес.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
На фольги Cu50Ni50, прокатанные до толщины 50 мкм и в силу этого находящиеся в сильно неравновесном состоянии, напылялся алюминий до расчетной толщины слоя порядка 8-10 нм. Напыление проводилось резистивным методом в вакууме порядка 10-6 торр. Со стороны напыленнного слоя фольги облучались ионами аргона, плотность тока составляла 10 мкА, в первой серии образцов варьировалась интегральная доза: 5Е+16, 7,5Е+16, 10Е+16, 12,5Е+16 ион/см , при этом энергия ионов составляла 40 кэВ; во второй серии образцов варьировалась энергия ионов от 20 до 50 кэВ с шагом 10 кэВ при интегральной дозе облучения 5E+16 ион/см2.
Исследования элементного состава поверхностных слоев и переходного слоя пленка-подложка выполнены методом Оже-электронной спектроскопии на спектрометре JAMP-10s [4]. При этом относительная ошибка расчета концентраций компонентов не превышала ±4% от измеряемой величины [5].
Послойный анализ проведен с использованием травления поверхности ионами Аг+ с энергией 0,85 кэВ и плотностью тока 12 мкА/см (расчетная скорость травления ~ 1 нм/мин).
РЕЗУЛЬТАТЫ
В соответствии с теорией Линдхарта-Шафта-Шиотта, рассчитанный проективный пробег ионов аргона для выбранных нами энергий составляет 8,5 нм, 11,8 нм, 15,1 нм и 18,5 нм в медно-никелевом сплаве и 19,6 нм, 27,7 нм, 35,8 нм и 44,1 нм в алюминии соответственно^]. Таким образом, имплантированные ионы в соответствии с расчетами проникали сквозь алюминиевый слой и расчетная область их максимальной концентрации располагается на глубине, большей 5 нм (от границы алюминиевой пленки и медно-никелевой матрицы), а при энергии ионов 40 кэВ - на глубине, большей 10 нм. Из литературы [2] известно, что увеличение дозы приводит к повышению концентрации имплантируемого элемента, в пределах глубины проективного пробега. Количество радиационных дефектов с увеличением дозы также увеличивается, а максимум их концентрации находится на большем расстоянии от поверхности мишени, чем максимум концентрации имплантированного элемента. В связи с этим для получения образцов с различной концентрацией и пространственным распределением внедренных атомов, при облучении варьировались энергия имплантируемых ионов и интегральная доза облучения.
Исследования химического состава показали, что при имплантации в режиме D=5Е+16 ион/см2, Е=20 кэВ баллистическое перешивание атомов мишени довольно слабое, и на профиле концентрации элементов четко виден переход от слоя напыленного алюминия к медно-никелевой основе на глубине порядка 6 нм (рис. 1). В этой точке наблюдается резко выраженный пик углерода и соответственно значительное уменьшение концентрации кислорода, меди, никеля и алюминия. Присутствие углерода в столь больших количествах, очевидно, связано с присутствием паров С-Н при напылении алюминия. Это и вызвало появление углеродной прослойки внутри образца.
время травления, мин
Рис. 1. Профиль концентраций компонентов образца, облученного с энергией ионов 20 кэВ до интегральной дозы 5E+16 ион/см2
В образцах, облученных ионами с большей энергией, углерод ведет себя существенно иначе - также наблюдается пик на профиле углерода, но меньшей амплитуды и заметно «размазанный» по глубине (рис. 2).
С
о
№ Си
-■©- А1
4 6 8 10 время травления, мин
12
14
0
2
Рис. 2. Профиль концентраций компонентов образца, облученного с энергией ионов 30 кэВ до интегральной дозы 5E+16 ион/см2
На диаграмме суммарной концентрации алюминия в поверхностном слое толщиной 5 нм в зависимости от энергии имплантируемых ионов видно (рис. 3), что увеличение энергии имплантируемых ионов приводит к частичному распылению алюминиевой пленки и уменьшению количества алюминия. По-видимому, это связано с более быстрым повышением скорости селективного распыления атомов алюминия относительно атомов меди и никеля (см. табл.) [7].
25
20
к н о
* 15
к
к а а а
Ё 10 и
а х о
* 5 I 10 нм
5 нм
0
20 30 40 50
Е, кэВ
Рис. 3. Энергетическая зависимость количества Л! в слоях толщиной 5 и 10 нм
Таблица
Скорости распыления меди и никеля относительно скорости распыления алюминия
Элемент 20 кэВ 30 кэВ 40 кэВ 50 кэВ
Си 90% 85% 76% 70%
№ 63% 59% 53% 50%
Резкое повышение содержания алюминия в случае E=50 кэВ, по-видимому, связано с интенсификацией процесса направленного баллистического переноса атомов алюминия с поверхности в глубину образца[6].
Исследование серии образцов, облученных до различных интегральных доз, выявило наличие нелинейной зависимости элементного состава приповерхностного слоя толщиной 5 нм от дозы облучения (рис. 4).
5E+16 7^+16 Ш+17 1^+17 доза, ион/см2
Рис. 4. Дозовая зависимость количества Л! в слое толщиной 5 нм
2
Для всех образцов, облученных до дозы большей, чем 5E+16 ион/см , характерно резкое уменьшение концентрации алюминия в приповерхностной области (рис. 5-7).
время травления, мин
Рис. 5. Профиль концентраций компонентов образца, облученного до интегральной дозы 7,5Е+16 ион/см2, с энергией ионов 40 кэВ
время травления, мин
Рис. 6. Профиль концентраций компонентов образца, облученного до интегральной дозы 10Е+16 ион/см2, с энергией ионов Е=40 кэВ
время травления, мин
Рис. 7. Профиль концентраций компонентов образца, облученного до интегральной дозы 12,5Е+16 ион/см2, с энергией ионов Е=40 кэВ
Очевидно, что даже небольшое превышение дозы приводит к распылению алюминиевой пленки. Кроме того, происходит интенсивный перенос атомов углерода с поверхности вглубь образца, и на глубине 4 нм (при дозах 7,5Е+16 и 10Е+16 ион/см ) и 3 нм (при дозе 12,5Е+16 ион/см2) наблюдается увеличение концентрации углерода, хотя и крайне незначительное при дозе 7,5Е+16 ион/см2. По-видимому, в последнем случае толщина распыленного слоя увеличивается на 1 нм, что и приводит к смещению профилей концентрации элементов на 1 нм в сторону поверхности (рис. 7).
Следует отметить, что в наших предыдущих работах, в частности, [3], также наблюдались нелинейные зависимости химического состава и механических свойств материала от параметров облучения.
ВЫВОДЫ
1. Ожидаемого нами пространственного расслоения образцов по химическому составу и аномальной диффузии напыленного материала не наблюдается - профили концентрации химических элементов находятся в рамках классического диффузионного приближения.
2. Выявлена нелинейная зависимость концентрации алюминия в приповерхностном
2
слое толщиной 5 нм от интегральной дозы облучения: превышение дозы 5Е+16 ион/см приводит к сильному распылению алюминиевого покрытия.
3. Наблюдается нелинейная зависимость элементного состава поверхностных слоев фольг от энергии ионов, связанная, очевидно, с параллельным протеканием процессов распыления и направленного баллистического перемешивания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поут Дж. М., Фоти Г., Джекобсон Д. К. Модификация и легирование поверхности лазерными, ионными и электронными пучками / под ред. А.А.Углова. М.: Машиностроение, 1987. 424 с.
2. Комаров Ф.Ф. Ионная имплантация в металлы. М.: Металлургия, 1990. 216 с.
3. Баянкин В.Я., Гусева М.И., Тетельбаум Д.И., Гильмутдинов Ф.З. Сегрегация как проявление «эффекта дальнодействия» при облучении ионами бора фольг сплавов пермаллоя-79 и Си-№ // Поверхность, 2005. №5. С. 77-81.
4. Анализ поверхности методами Оже- и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии / под ред. Д. Бриггса и М.П. Сиха. М.: Мир, 1984.
5. Захватова М.В., Гильмутдинов Ф.З., Сурнин Д.В. Учет фоновой составляющей в рентгеновской фотоэлектронной и Оже-электронной спектроскопии // Физика металлов и металловедение, 2007. Т.104, вып. 2. С. 166-171.
6. Буренков А.Ф., Комаров Ф.Ф., Кумахов М.А., Темкин М.М. Таблицы параметров пространственного распределения ионно-имплантированных примесей. М.: Изд-во БГУ им. В.И. Ленина, 1980.
7. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / под ред. Р.Бериша. М.: Мир, 1984.
SUMMARY. Influence of ion implantation at various modes on element composition of rolled Cu50Ni50 foils with Aluminium coating is studied by Auger-electron spectroscopy. Non-linear dependency of element composition of surface layers from ion energy and integral dose is revealed.
