Структура, дифузія і початкові стадії фазоутворення у нанорозмірних багатошарових системах метал-кремній при термічному і радіаційному впливі

На температурній залежності періоду БПП можна виділити дві ділянки: 1-ділянка слабкої залежності зміни періоду БПП від температури (T_опр ? 260єC) і 2-ділянка сильної температурної залежності (T_опр > 260єC). Температурна залежність зміни періоду БПП Mo/Si була побудована для зразків, опромінених при кожній температурі однією і тією ж дозою опромінення Ф = 7.5Ч10¹⁹ іон/м². Енергії активації для першої і другої ділянок складають Q₁ ? 0.02 еВ і Q₂ ? 0.5 еВ, відповідно. Енергія активації іонно-променевого перемішування на залежній від температури ділянці (2) більш ніж в 4 рази менша, за енергію активації дифузії атомів Si через шар дисиліциду молібдену MoSi₂ при звичайному термічному відпалі.

У сьомому розділі «Структурні перетворення в багатошарових періодичних покриттях Sc/Si при дії на них рентгенівського лазера» досліджуються механізми пошкодження в дзеркалах Sc/Si при опроміненні їх інтенсивними лазерними імпульсами (0.04ч1 Дж/cм²) з довжиною хвилі 46.9 нм і тривалістю імпульсу ~ наносекунди. Дані ґрунтуються на результатах детального дослідження структурних змін в опромінених зразках.

Багатошарові покриття Sc/Si опромінювали сфокусованими імпульсами електромагнітного випромінювання з довжиною хвилі 46.9 нм від неоноподібного Ar розрядно-капілярного лазера з частотою 1 Гц. Енергія лазера в окремому імпульсі складала ~ 0.13 мДж, а тривалість імпульсу була ~ 1.2 нс. Лазерний промінь фокусувався на зразки у вигляді плоских багатошарових періодичних покриттів Sc/Si за допомогою багатошарового рентгенівського дзеркала Sc/Si, осадженого на сферичну підкладку. Відбивна здатність сферичного дзеркала дорівнювала R~35% на довжині хвилі 46.9 нм.

Растрові електронно-мікроскопічні зображення зразка, опроміненого флюенсом 0.23 Дж/см², свідчать про утворення поверхневих шорсткостей і мережі тріщин, які зазвичай спостерігаються в розплавлених областях. Зменшення флюенсу до ~ 0.10 Дж/см² приводить до зменшення частки розплавленої області в межах лазерного відбитку. Розплавлена область шириною 50ч60 мкм відтворює кільцеву форму сфокусованого лазерного променя.

На периферії лазерного відбитку спостерігається область зі зміненим кольором шириною 4ч16 мкм, яка добре виявляється у вторинних електронах. Можна передбачити, що багатошарове покриття в цій області зазнало нагріву, хоча температура і не досягала рівня, потрібного для плавлення. При флюенсі ~ 0.08 Дж/см² частка розплавленої області ще зменшується. Скорочення флюенсу до ~ 0.04 Дж/см² призводить до зміни кольору поверхні зразка тільки у вигляді маленьких плям, при цьому помітна область пошкодженої поверхні багатошарового покриття Sc/Si становить менше за 3%. З порівняння зображень можна зробити висновок, що пороговий флюенс пошкодження досліджених багатошарових покриттів, при якому спостерігається плавлення БПП, становить ~ 0.08 Дж/см².

На електронно-мікроскопічному зображенні поперечного зрізу багатошарового рентгенівського дзеркала Sc/Si, опроміненого флюенсом ~ 0.10 Дж/см² (рис.11), виразно помітні дві зони: розплавлена зона (РЗ), нагорі багатошарового пакету, і немодифікована зона, що не зазнала дії лазерного випромінювання, поблизу підкладки. Товщина розплавленої зони складає ~280 нм, а число періодів в немодифікованій зоні дорівнює 19 (сумарне число періодів в початковому стані дорівнює 33). Розшифровка мікродифракційних картин показала, що розплавлена зона являє суміш кристалічного силіциду скандію с-Sc₃Si₅ і с-Si. Розрахунки показують, що зменшення товщини покриття в

області РЗ в порівнянні з початковим зразком становить в середньому 20ч26%, що добре узгоджується з об'ємними змінами при утворенні силіциду Sc₃Si₅. Це вказує на те, що при флюенсі ~ 0.10 Дж/см² відсутнє помітне випаровування матеріалу покриття з розплавленої поверхні. Детальний аналіз електронно-мікроскопічних зображень показує, що розплавлені і немодифіковані області розділяються ще однією зоною: зоною теплової дії (ЗТД) (рис.11). Ця зона складається всього з декількох шарів, які відрізняються товщиною і структурою від шарів в немодифікованій зоні. ЗТД містить 4 періоди, в яких шари, що містять скандій, пронумеровані римськими цифрами I-IV. Ми бачимо, що аморфні перемішані зони в шарах III і IV стали тільки трохи товщі, тоді як шари I і II суттєво товщі, ніж у вихідних зразках, до того ж шар чистого скандію в них повністю зникає.

Великі градієнти температури на сусідніх міжфазних межах поділу призводять до асиметричного споживання атомів кремнію в твердофазній хімічній реакції силіцидоутворення. У шарах, що містять Si і розташовані найближче до РЗ, зростання силіциду здійснюється переважно на міжфазній межі поділу ScSi/Sc, за рахунок дифузії атомів кремнію з шару Si, який лежить вище через силіцидний шар. В результаті цього, споживання кремнію як функція відстані від міжфазної межі поділу до РЗ носить осцилюючий характер.

При опроміненні багатошарового рентгенівського дзеркала Sc/Si з числом періодів n=48 флюенсом F?0.9 Дж/см² навколо лазерного відбитку утворюється періодичний поверхневий рельєф з періодом 1.7ч2.3 мкм.

Висновки

У роботі вирішено наукову проблему із встановлення закономірностей дифузії, структурних і фазових перетворень у шарах з нанорозмірною товщиною. Застосування модельних об'єктів - багатошарових періодичних структур Mo/Si і Sc/Si з високим ступенем періодичності і гладкості міжфазних меж дало можливість ефективно використовувати методи малокутової рентгенівської дифракції і рентгенівської тензометрії у поєднанні з електронною мікроскопією поперечних зрізів з високим розділенням. Це дало можливість простежити на атомному рівні й одержати кількісну інформацію про морфологію і хімічний склад проміжних фаз, а також охарактеризувати дифузійні потоки в наношарах при їх виготовленні, термічному відпалі і опроміненні.

Основні наукові і практичні результати можна сформулювати у вигляді таких узагальнюючих висновків:

1. Встановлено, що формування аморфних перемішаних зон складу MoSi₂ на межах поділу відбувається в процесі виготовлення багатошарових періодичних покриттів Mo/Si. За відсутності потенціалу зміщення на підкладці в процесі виготовлення:

- при номінальній товщині молібдену 2.3 нм, молібденовий шар аморфний і на межі Si-на-Mo утворюються аморфні перемішані зони товщиною ?1.2 нм;

- при номінальній товщині > 2.3 нм молібден переходить в кристалічний стан, а аморфна перемішана зона на межі Si-на-Mo стрибком зменшується до товщини ? 0.6 нм;

- на міжфазній межі Мо-на-Si завжди формується аморфна перемішана зона завтовшки ? 1.2 нм незалежно від структурного стану металевого шару.

У багатошарових періодичних покриттях з номінальною товщиною молібдену >> 2.3 нм і одержаних з потенціалом зміщення під час осадження шарів Мо, спостерігається зростання дисиліциду молібдену із зниженою густиною (приблизно на 10% щодо табличного значення) тільки на межі Мо-на-Si, що пов'язано з високим рівнем стискувальних напружень (~ - 2.5 ГПа) в шарі молібдену.

2. Встановлено механізми формування напружень в шарах молібдену залежно від товщини шару і потенціалу зміщення на підкладці. Напружений стан шарів Mo у багатошаровій структурі Mo/Si визначається такими процесами: генерацією радіаційних дефектів, збиральною рекристалізацією, а також складом твердого розчину заміщення кремнію в молібдені. Потенціал зміщення приводить до збільшення радіаційних дефектів у зростаючій плівці і, як наслідок, збільшення рівня стискувальних напружень. За малої товщини шарів молібдену h_Mo20 нм в багатошаровому періодичному покритті Mo/Si період ґратки молібдену в ненапруженому перерізі менший за табличне значення параметра ґратки, що свідчить про утворення твердого розчину кремнію в молібденовому шарі. Концентрація розчиненого в молібдені кремнію більша поблизу міжфазної межі Мо-на-Si і менша поблизу протилежної межі Si-на-Mo.

3. У багатошарових структурах Sc/Si на обох міжфазних межах поділу Sc-на-Si і Si-на-Sc утворюється аморфна перемішана зона складу ScSi і товщиною 3.0ч4.0 нм залежно від умов одержання. Дифузійні бар'єри на основі вольфраму і хрому дають можливість істотно зменшити дифузійне перемішування між скандієм і кремнієм у багатошарових періодичних покриттях Sc/Si. Мінімальна номінальна товщина бар'єрного шару, який блокує дифузійну взаємодію в процесі виготовлення періодичних покриттів, складає h_W^ном ?0.44 нм і 0.5 h_Cr^ном 1.0 нм для вольфраму і хрому, відповідно.

4. За допомогою методу дифузійних міток на основі вольфраму встановлено, що атоми Si є найбільш рухливими в бінарній системі Sc-Si. Процес утворення силіциду лімітується дифузією атомів кремнію через шар ScSi, а утворення силіциду скандію відбувається на міжфазних межах поділу Sc-на-ScSi і ScSi-на-Sc. Силіцид ScSi аморфний при низьких температурах відпалу (130ч210С) і кристалічний при вищих температурах (300ч400С).

5. Кінетика зростання аморфного силіциду ScSi добре описується на основі уявлень про структурну релаксацію й анігіляцію надлишкового вільного об'єму в шарі зростаючого силіциду. Дифузія атомів кремнію через шар силіциду характеризується низьким значенням енергії активації Q=1.0 еВ і передекспоненціального множника D₀=4Ч10^-12 м²/с. На початкових стадіях зростання аморфного силіциду має явно виражений нелінійний характер (параболічний закон зростання h²~t не виконується). Зі збільшенням часу відпалу відбувається перехід до класичного параболічного закону зростання, при цьому коефіцієнт дифузії зменшується в 15-20 разів.

6. Швидкість росту дисиліциду MoSi₂ в багатошарових покриттях Mo/Si при досягненні ним деякої товщини сильно сповільнюється на міжфазній межі Si-на-Mo. Ця товщина збільшується зі збільшенням температури відпалу. Кінетичні криві (залежність квадрата товщини дисиліциду молібдену від часу відпалу h²~t) росту дисиліциду молібдену описуються релаксаційною моделлю аморфної речовини. Енергія активації дифузії складає Q = 2.3 еВ, а передекспоненціальний множник D₀=6Ч10^-5 м²/c.

7. Встановлено, що в багатошарових періодичних покриттях Mo/Si, які виготовлялись із використанням потенціалу зміщення і характеризуються високим рівнем стискувальних напружень, переважним дифузантом є атоми кремнію, які доставляються до місця реакції на міжфазній межі Мо-на-MoSi₂. Енергія активації процесу дифузії складає приблизно Q = 2.34 еВ, а передекспоненціальний множник D₀=1Ч10^-4 м²/c на ділянці параболічного зростання силіцидної фази. Енергія активації дифузії на різних ділянках кінетичної кривої в межах точності вимірювання приблизно однакова, хоча і більша на ділянці параболічного зростання. Кристалізація дисиліциду молібдену, який утворюється, спостерігається при температурі відпалу Т_відп ? 350С.

8. При малих дозах опромінення (іонами He⁺ до Ф ? 5Ч10²⁰ іон/м² і іонами Ar⁺ до Ф ? 1.3Ч10¹⁸ іон/м²) товщина обох зон на міжфазних межах поділу Мо-на-Si і Si-на-Mo збільшується однаково і лінійно залежить від дози опромінення. При збільшенні дози опромінення спостерігається зменшення густини аморфних перемішаних зон. Середній атомний склад аморфних перемішаних зон, що утворюються при іонно-променевому перемішуванні, відповідає сплаву складу MoSi_8.2 і MoSi_3.9 при опроміненні іонами He⁺ і іонами Ar⁺, відповідно. Силіциди даного складу розташовуються між найбагатшою кремнієм рівноважною фазою (дисиліцидом молібдену MoSi₂) і евтектикою. Особливості іонно-променевого перемішування пояснюються на основі перемішування в субкаскадах зіткнень. Ефективність перемішування багатошарових періодичних покриттів Mo/Si іонами He⁺ становить f = 2.7Ч10^-4 нм⁵/еВ, а іонами Ar⁺ - f=9.6Ч10^-4 нм⁵/еВ. Ефективність перемішування більша для важких первинних іонів за рахунок ефекту перекриття субкаскадів зіткнень.

9. Вивчено механізми руйнування багатошарових періодичних покриттів Sc/Si, опромінених інтенсивними лазерними імпульсами від неоноподібного Ar розрядно-капілярного лазера, що працює на довжині хвилі 46.9 нм і флюенсах 0.04ч1 Дж/см². Поріг пошкодження багатошарових періодичних покриттів Sc/Si становить ? 0.08 Дж/см². При малих флюенсах <0.08 Дж/см² пошкодження носять переважно поверхневий характер. При флюенсі 0.08 F 0.23 Дж/см² в опроміненому багатошаровому покритті можна розрізнити три різні зони: 1) розплавлена зона нагорі багатошарового періодичного покриття, що складається переважно з силіциду Sc₃Si₅; 2) зона теплової дії, в якій шарувата структура послідовно змінюється від (c-Sc₃Si₅+ScSi)/a-Si поблизу розплавленої зони до a-ScSi/c-Sc/a-ScSi/a-Si; 3) немодифікована шарувата структура. Її структура така ж, як і у вихідного багатошарового періодичного покриття. Товщина зони теплової дії складає ? 0.05ч0.1мкм або 2-4 періоди вихідного багатошарового періодичного покриття. Фазовий склад зони теплової дії відповідає фазовому складу багатошарових періодичних покриттів, які були піддані короткочасному (1година) ізотермічному відпалу в інтервалі температур 130ч530єС. При опроміненні багатошарового рентгенівського дзеркала Sc/Si з числом періодів n = 48 флюенсом F ? 0.9 Дж/см² навколо лазерного відбитку утворюється періодичний поверхневий рельєф з періодом 1.7ч2.3 мкм.

10. Запропоновано нову електронно-мікроскопічну методику визначення середнього хімічного складу проміжних фаз, що утворюються на міжфазних межах поділу метал/кремній в процесі одержання багатошарових періодичних покриттів. За електронно-мікроскопічними зображеннями визначаються з високою точністю (~0.3нм) товщини всіх шарів. Потім, задаючись одним з відомих силіцидів, товщина силіцидной фази перераховується в товщину чистих компонентів, металу і кремнію. Сумарна товщина чистих компонентів, одержана з електронно-мікроскопічних знімків, порівнюється з номінальною товщиною чистих компонентів, які задавалися в експерименті при виготовленні багатошарового періодичного покриття. Встановлено, що середній хімічний склад аморфних перемішаних зон в багатошарових періодичних покриттях Mo/Si і Sc/Si відповідає дисиліциду молібдену MoSi₂ і моносиліциду ScSi.

Виявлені закономірності дифузії і фазоутворення в наношарах дали можливість прогнозувати стабільність багатошарових структур Mo/Si і Sc/Si, створити дифузійні бар'єри атомарної товщини, що дало можливість створити рентгенівські дзеркала з підвищеною термічною і радіаційною стійкістю.

Список праць здобувача, опублікованих за темою дисертації

1. Materials modification with intense extreme ultraviolet pulses from a compact laser / M.E. Grisham, G. Vaschenko, C.S. Menoni, L. Juha, M. Bittner, Yu.P. Pershyn, V.V. Kondratenko, E.N. Zubarev, A.V.Vinogradov, I.A. Artioukov, J. Rocca // Book «Laser Ablation and its Applications», C. Phipps ed.- Springer Verlag, 2007.- Chapter 21.- P.529-548.

2. Влияние основных структурных параметров на рентгенооптические свойства многослойных покрытий Sc/Si в диапазоне длин волн 36-50 нм / В.В. Волобуев, Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко Ю.П. Першин, А.Г. Пономаренко, В.А. Севрюкова, А.И. Федоренко, А.В. Виноградов, В.Е. Левашов // Наноструктурные материалы. Сб. научных трудов НАН Украины.- К.: Ин-т проблем материаловедения, 1998.- С.141-161.

3. High-reflectivity multilayer mirrors for a vacuum-ultraviolet interval of 35-50 nm / Yu.A. Uspenskii, A.V. Vinogradov, V.E. Levashov, Yu.P. Pershin, A.I. Fedorenko, E.N. Zubarev, V.Yu. Fedotov // Opt. Lett.- 1998.- Vol. 23, №10.- P.771-773.

4. Layer interaction in multilayer Sc/Si and Sc/W/Si/W coating / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, A.V. Pen'kov, Yu.P. Pershin, A.I. Fedorenko // Func. Mater.- 1999.- Vol. 6, № 5.- P.856-859.

5. Sc-Si normal incidence mirrors for a VUV interval of 35-50 nm / Yu.A. Uspenskii, V.E. Levashov, A.V. Vinogradov, A.I. Fedorenko, V.V. Kondratenko, Yu.P. Pershin, E.N. Zubarev, S. Mrowka, F. Schafers // Nucl. Instrum. Math. A.- 2000. Vol. 448.- P.147-151.

6. Structure of Sc/Si multilayer mirrors in as-deposited state and after annealing / A.I. Fedorenko, Yu.P. Pershin, O.V. Poltseva, A.G. Ponomarenko, V.A. Sevryukova, D.L. Voronov, E.N. Zubarev // J. X-Ray Sci. Technol.- 2001.- № 9.- P.35-42.

7. Структура, термическая стойкость и оптические свойства многослойных рентгеновских зеркал Sc/Si и Sc/W/Si/W / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин, А.Г. Пономаренко, А.В. Виноградов, Ю.А. Успенский, Д. Сили // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.- 2002.- №1.- С.6-9.

8. Interlayer transition zones in Mo/Si superlattices / S. Yulin, T. Feigl, T. Kuhlmann, N. Keiser, A.I. Fedorenko, V.V. Kondratenko, O.V. Poltseva, V.A. Sevryukova, A.Yu. Zolotaryov, E.N. Zubarev // J. App. Phys.- 2002.- Vol. 92, I. 3.- P.1216-1220.

9. Структура межфазных границ раздела в сверхрешетках Mo/Si / Е.Н. Зубарев, А.Ю. Золотарев, В.В. Кондратенко О.В. Польцева, В.А. Севрюкова, А.И. Федоренко, С.А. Юлин, T. Файл, Т. Кульман, Н. Кайзер // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.- 2002.- №2.- С.20-24.

10. Study of silicide formation processes in Sc/Si multilayer coating / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, A.V. Pen'kov, Yu.P. Pershin // Func. Mater.- 2002.- Vol. 9, № 3.- P.534-539.

11. Влияние структурного состояния слоев молибдена на образование межфазных перемешанных зон в многослойных композициях Мо/Si / Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, В.А. Севрюкова, С.А. Юлин, Т. Файгл, Т. Кульман, Н. Кайзер // Металлофиз. и новейшие технол.- 2002.- Т. 24, № 10.- С.1429-1437.

12. Ионно-лучевое перемешивание в многослойных периодических композициях Мо/Si / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, В.А. Севрюкова, Т.И. Перегон, Л.П. Тищенко // Металлофиз. и новейш. технол.- 2004.- Т. 26, № 6.- С.753-763.

13. Начальные стадии перемешивания в многослойных периодических покрытиях Mo/Si при облучении ионами He / Д.Л. Воронов, А.Ю. Девизенко, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, В.А. Севрюкова, В.В. Бобков, Т.И. Перегон, Л.П. Тищенко // Физическая инженерия поверхности.- 2004.- Т. 2, № 1-2.- С.1-6.

14. Damage to extreme ultraviolet Sc/Si multilayer mirrors exposed to intense 46.9- nm laser pulses / M. Grisham, G. Vaschenko, C.S. Menoni, J.J. Rocca, Yu.P. Pershyn, E.N. Zubarev, D.L. Voronov, V.A. Sevryukova, A.V. Vinogradov, I.A. Artioukov // Opt. Lett.- 2004.- Vol. 29, № 6.- P.620-622.

15. Features of diffusion mixing in Mo/Si multilayers / A.V. Penkov, D.L. Voronov, A.Yu. Devizenko, A.G. Ponomarenko, E.N. Zubarev // Func. Mater.- 2005.- Vol. 12, № 4.- P.750-754.

16. Температурная зависимость ионно-лучевого перемешивания в многослойных периодических покрытиях Mo/Si / А.В. Пеньков, Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.Г. Пономаренко, В.А. Севрюкова, В.В. Бобков, Т.И. Перегон, Л.П. Тищенко // Металлофиз. новейшие технол.- 2006.- Т. 28, № 2.- С.183-192.

17. Межслоевое перемешивание в многослойных периодических композициях Mo/Si, MoSi₂/Si и Mo/C/Si/C при облучении ионами гелия / А.В. Пеньков, Е.Н. Зубарев, О.В. Польцева, А.Г. Пономаренко, В.В. Кондратенко, В.В. Бобков, Т.И. Перегон, Л.П. Тищенко // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение».- 2006.- Т. 89, № 4.- С.157-163.

18. Определение химического состава промежуточных фаз в многослойных структурах Sc/Si при помощи электронной микроскопии поперечных срезов / Е.Н. Зубарев, Д.Л. Воронов, В.В. Кондратенко, Ю.П. Першин, В.А. Севрюковa, И.Ю. Михайловa // Вісник Харківського національного університету. Серія «Фізика».- 2006.- № 739, Вип. 9.- C.141-144.

19. Study of fast diffusion species in Sc/Si multilayers by W-based marker analysis / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, Yu.P. Pershin, V.A. Sevryukova, Ye.A. Bugayev // Thin Solid Films.- 2006.- Vol. 513.- P.152-158.

20. Исследование процессов деградации многослойных рентгеновских зеркал Sc/Si при нагреве и облучении рентгеновским лазером методами рентгеновской дифракции и электронной микроскопии / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, Ю.П. Першин, В.А. Севрюкова, А.В. Пеньков, В.В. Кондратенко, А.В. Виноградов, И.А. Артюков, Ю.А. Успенский, G. Vaschenko, M. Grisham, C.S. Menoni, J.J. Rocca // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования.- 2007.- № 5.- С.13-20.

21. The structure, diffusion and phase formation in Mo/Si multilayers with stressed Mo layers / E.N. Zubarev, A.V. Zhurba, V.V. Kondratenko, V.I. Pinegyn, V.A. Sevryukova, S.A. Yulin T. Feigl, N. Kaiser // Thin Solid Films.- 2007.- Vol. 515.- P.7011-7019.

22. Процессы перемешивания в многослойных периодических композициях Mo/Si при облучении ионами Ar⁺ / Е.Н. Зубарев, В.П. Мельник, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, А.Г. Пономаренко, Б.Н. Романюк, В.А. Севрюкова // Металлофиз. новейшие технол.- 2007.- Т.29, № 12.- С.1555-1570.

23. Structure and stressed state of molybdenum layers in Mo/Si multilayers / V.I. Pinegyn, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, V.A. Sevryukova, S.A. Yulin, T. Feigl, N. Kaiser // Thin Solid Films.- 2008.- Vol. 516.- P.2973-2980.

24. Initial stages of diffusion and phase formation in Sc/Si layered systems / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, Yu.P. Pershin, V.A. Sevryukova, Ye.A. Bugayev // Funct. Mater.- 2008.- Vol. 15, № 1.- P.30-37.

25. Ионно-лучевое перемешивание в многослойных периодических композициях Mo/Si и Mo/C/Si/C при облучении ионами гелия / А.В. Пеньков, Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.Г. Пономаренко, В.А. Севрюкова, В.В. Бобков, Т.И. Перегон, Л.П. Тищенко // Известия РАН, Серия Физическая.- 2006.- Т. 70, № 6.- С.917-920.

26. Structure, thermal stability, and reflectivity of Sc/Si and Sc/W/Si/W multilayer x-ray mirrors / A.V. Vinogradov, Yu.P. Pershin, E.N. Zubarev, D.L. Voronov, O.V. Penkov, V.V. Kondratenko, Yu.A. Uspenskii, I.A. Artioukov, J.F. Seely // Proc. SPIE «Soft X-Ray Lasers and Applications IV». 1 August 2001. - San Diego, CA, USA. - 2001. - Vol. 4505. - P. 230-235.

27. Structural transformations in multilayers irradiated by EUV lasers / Dmitriy L. Voronov, Evgeniy N. Zubarev, Yuriy P. Pershyn, Victoriya A. Sevryukova, Valeriy V. Kondratenko, Alexander V. Vinogradov, Igor A. Artioukov, Yuriy A. Uspenskiy, Michael Grisham, Georgiy Vaschenko, Carmen S. Menoni, and Jorge J. Rocca // Proc. SPIE «Soft X-Ray Lasers and Applications VII». 29 August 2007. - San Diego, CA, USA. - 2007. - Vol. 6702. - P. 6702OU-10.

28. Thermoresistive multilayer mirrors with antidiffusion barriers for work at the wavelengths 40-50 nm / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, A.V. Penkov, Yu.P. Pershin, A.G. Ponomarenko, I.A. Artioukov, A.V. Vinogradov, Yu.A. Uspenskii, J.F. Seely // 8^th International Conference on X-Ray Lasers. 27-31May 2002.- Aspen, USA. AIP Conference Proceedings.- 2002.- Vol. 641.- P.575-582.

29. Damage threshold and damage mechanism of Sc/Si multilayer mirrors exposed to intense nanosecond 46.9 nm laser pulses / G. Vaschenko, M. Grisham, C.S. Menoni, J.J. Rocca, Yu.P. Pershyn, E.N. Zubarev, D.L. Voronov, V.A. Sevryukova, V.V. Kondratenko, A.V. Vinogradov, I.A. Artioukov // 9^th International Conference on X-Ray Lasers 24-38 May 2004.- Beijing, China. AIP Conf. Ser.- 2004.- № 186.- P.559-562.

30. Процессы атомного перемешивания в искусственных сверхрешетках Mo/Si при облучении их ионами гелия / Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, Ю.П. Першин, А.И. Федоренко, Л.П. Тищенко, Т.И. Перегон // Взаимодействие атомных частиц с твердым телом : материалы девятой Всесоюзной конференции, 10-12 октября 1989г. Т. 2.- Москва, 1989г.- C.87-89.

31. Радиационная деградация рентгеновских зеркал / Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, Ю.П. Першин, А.И. Федоренко, Л.П. Тищенко, Т.И. Перегон // Взаимодействие ионов с поверхностью : материалы десятой Всесоюзной конференции, 3-6 сентября 1991г. Т. 1. - Звенигород, 1991. - С.174-176.

32. Ионное перемешивание в сверхрешетках Mo/Si и MoSi₂/Si / В.В. Ганн, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.И. Федоренко // Взаимодействие ионов с поверхностью : материалы двенадцатой Международной конференции, 5-8 сентября 1995г., Т. 2.- Звенигород, Россия, 1995. - С.191-193 .

33. Межслоевое взаимодействие в многослойных рентгеновских зеркалах Sc/Si / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, Ю.П. Першин, А.Г. Пономаренко, В.А. Севрюкова // Рентгеновская оптика - 99 : материалы рабочего совещания, 1-4 марта 1999г.- Нижний Новгород, Россия, 1999.- С.138-141.

34. Структура межфазных границ раздела в сверхрешетках Mo-Si / Е.Н. Зубарев, А.Ю. Золотарев, В.В. Кондратенко, О.В. Польцева, В.А. Севрюкова, А.И. Федоренко, С.А. Юлин // Тезисы докладов IХ Национальной конференции по росту кристаллов, 16-20 октября 2000г.- Москва, Россия, 2000.- C.528.

35. Diffusion barrier in Sc/Si multilayers / D.L. Voronov, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, Yu.P. Pershin, A.I. Fedorenko, V.E. Levashov, A.V. Vinogradov, I.A. Artioukov // Books of Abstracts «The 5^th International Conference on the Physics of X-ray Multilayer Structures», March 5-9, 2000. - Chamonix Mont-Blanc, France, 2000.- P.13-15.

36. Структура, термическая стойкость и оптические свойства многослойных рентгеновских зеркал Sc/Si и Sc/W/Si/W / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Ю.П. Першин // Рентгеновская оптика - 2001 : материалы совещания, 19-22 февраля 2001г. - Нижний Новгород, Россия, 2001.- C.48-54.

37. Зубарев Е.Н. Электронно-микроскопическое исследование начальных стадий фазообразования на межфазных границах металл/кремний / Е.Н. Зубарев // Тонкие пленки в электронике : материалы 12-го Международного симпозиума, 23-27 апреля 2001г.- Харьков, Украина, 2001.- С.194.

38. The structure of interfaces in as-deposited, annealed and irradiated multilayers / E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, V.A. Sevryukova, A.V. Pen'kov // Books of Abstracts «12^th International Conference on Thin Films». September 15-20, 2002.- Bratislava, Slovakia, 2002.- P.212.

39. Ионно-лучевое перемешивание в многослойных рентгеновских зеркалах Mо/Si / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.В. Пеньков, Т.И. Перегон, Л.П. Тищенко // Тонкие пленки в оптике и электронике : сборник докладов 14-го Международного симпозиума, Ч.2.- Харьков, Украина, 2002.- С.168-175.

40. Scanning and transmission electron microscopy and x-ray diffraction study of damage Sc/Si multilayer mirrors irradiated by intense 46.9 nm laser pulses / M. Grisham, G. Vaschenko, C.S. Menoni, J.J. Rocca, E.N. Zubarev, Yu.P. Pershyn, D.L. Voronov, V.A. Sevryukova, V.V. Kondratenko, A.V. Vinogradov, I.A. Artioukov // Books of Abstracts «The 7^th International Conference on the Physics of X-ray Multilayer Structures». March 7-11, 2004.- Rusutsu Resort, Sapporo, Japan, 2004.- P.02-03.

41. Нелинейная реактивная диффузия в наноразмерных пленочных системах Sc/Si / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, Ю.П. Першин, В.А. Севрюкова // Нелинейные процессы и проблемы самоорганизации в современном материаловедении : материалы V Международной конференции, 3-5 октября 2004г., Т. 1.- Воронеж, Россия, 2004.- С.117-119.

42. Межфазное взаимодействие в многослойных композициях металл-кремний / Е.Н. Зубарев, Д.Л. Воронов, В.В. Кондратенко, В.И. Пинегин, В.А. Севрюкова // Фізичні явища в твердих тілах : матеріали 7-ої Міжнародної конференції, 14-15грудня 2005р.- Харків, Україна, 2005.- С.88.

43. Interfacial mixing in Mo/Si multilayer coatings during irradiation and annealing / O.Yu. Devizenko, D.L. Voronov, V.V. Kondratenko, A.G. Ponomarenko, E.N. Zubarev, V.V. Bobkov, T.I. Peregon, L.P. Tishenko // Abstract book of the International Conference «Crystal Materials '2005» (ICCM'2005). - Kharkov, Ukraine, 2005.- P.211.

44. Межслоевое перемешивание в многослойных периодических композициях Mo-Si при облучении ионами гелия / А.В. Пеньков, Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, В.В. Кондратенко, А.Г. Пономаренко, В.В. Бобков, Т.И. Перегон, Л.П. Тищенко // Взаимодействие ионов с поверхностью (ВИП-2005) : материалы XVII Международной конференции, 25-29 августа 2005г., Т.2. -Звенигород, Россия 2005. - С.44-47.

45. Исследование процессов деградации многослойных рентгеновских зеркал Sc/Si при нагреве и облучении рентгеновским лазером методами рентгеновской дифракции и электронной микроскопии / Д.Л. Воронов, Е.Н. Зубарев, Ю.П. Першин, В.А. Севрюкова, А.В. Пеньков, В.В. Кондратенко, А.В. Виноградов, И.А. Артюков, Ю.А. Успенский, G. Vaschenko, M. Grisham, C.S. Menoni, J.J. Rocca // Современные методы анализа дифракционных данных (топография, дифрактометрия, электронная микроскопия) : материалы Третьего международного научного семинара, 22-25 мая 2006г. - Великий Новгород, Россия, 2006.- С.135-138.

46. Interdiffusion in Sc/Si multilayers / Dmitriy L. Voronov , Evgeniy N. Zubarev, Valeriy V. Kondratenko, Yuri P. Pershin, Victoriya A. Sevrukova, and Yegor A. Bugaev // Books of Abstracts «The 9^th International Conference on the Physics of X-ray Multilayer Structures», February 3-7, 2008.- Montana ,USA, 2008.- P.2-3.

47. Fabrication and characterization of Sc/Cr/Si multilayer mirrors for Schwarzschild optics for 49.6 nm compact capillary discharge laser / D.L. Voronov, A.G. Ponomarenko, E.N. Zubarev, V.V. Kondratenko, A.V. Penkov, V.A. Sevryukova, I.A. Kopylets, A.V. Vinogradov, I.A. Artioukov, Yu.A. Uspenskii, Yu.S. Kasjanov, J.J. Rocca // Books of Abstracts «10^th International Conference on X-Ray Lasers», August 21-25, 2006.- Berlin, Germany, 2006.- P.115.

Анотація

Зубарєв Є.Н. Структура, дифузія і початкові стадії фазоутворення у нанорозмірних багатошарових системах метал-кремній при термічному і радіаційному впливі.- Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла.- Інститут електрофізики і радіаційних технологій НАН України, Харків, Україна, 2008.

Дисертація присвячена встановленню закономірностей дифузії, структурних і фазових перетворень на ранніх стадіях у нанорозмірних багатошарових покриттях Mo/Si і Sc/Si у процесі їх виготовлення, термічного відпалу й опромінення прискореними частинками та лазерним рентгенівським випромінюванням.

У процесі одержання багатошарових покриттів Mo/Si і Sc/Si на міжфазних межах поділу утворюються аморфні перемішані зони складу MoSi₂ і ScSi, які продовжують рости на початку ізотермічного відпалу. Переважним дифузантом є атоми кремнію, а реакція силіцидоутворення відбувається на межі метал-силіцид. При опроміненні багатошарових покриттів Mo/Si іонами He⁺ і Ar⁺ малими дозами товщина перемішаних зон збільшується лінійно з дозою опромінення, а їх середній атомний склад відповідає сплаву складу MoSi_8.2 і MoSi_3.9, відповідно. Наведено результати детального вивчення структурних перетворень в багатошарових покриттях Sc/Si, опромінених імпульсами рентгенівського лазеру.

Ключові слова: дифузія, силіцид, іонно-променеве перемішування, багатошарові покриття, електронна мікроскопія, рентгенівська дифрактометрія.

Abstract

Zubarev E.N. Structure, diffusion and the initial stages of phase formation in nanoscale multilayer metal-silicon systems at annealing and irradiation.- Manuscript.

Thesis for the scientific degree of Doctor of Science in Physics and Mathematics on speciality 01.04.07 - Solid State Physics.- Institute of Electrophysics & Radiation Technologies, NAS of Ukraine, Kharkiv, Ukraine, 2008.

The dissertation is devoted to the determination of the mechanisms of diffusion, structural and phase transformations at the initial stages in nanoscale Mo/Si and Sc/Si multilayers during deposition, annealing and irradiation by accelerated particles and X-ray laser radiation.

Amorphous intermixed zones with chemical composition of MoSi₂ and ScSi are formed at the interfaces in as-deposited Mo/Si and Sc/Si multilayers, correspondingly. MoSi₂ and ScSi silicides grow during annealing too. Silicon atoms were found to be the fastest diffusion atoms in the multilayers, and silicide formation process occurs at the metal-silicide interface. Ion-beam mixing at the interfaces takes place during irradiation of the Mo/Si multilayers by He⁺ and Ar⁺ ions, and the intermixed zones increase linearly on the dose. Average composition of the intermixed zones formed during irradiation by He⁺ and Ar⁺ ions is MoSi_8.2 и MoSi_3.9, correspondingly. The results of detailed study of structural changes in Sc/Si multilayers when exposed to intense X-ray laser pulses are reported.

Keywords: diffusion, silicide, ion-beam mixing, multilayer, electron microscopy, X-ray diffractometry.

Аннотация

Зубарев Е.Н. Структура, диффузия и начальные стадии фазообразования в наноразмерных многослойных системах металл-кремний при термическом и радиационном воздействии.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела.- Институт электрофизики и радиационных технологий НАН Украины, Харьков, Украина, 2008.

Диссертация посвящена установлению закономерностей диффузии, структурных и фазовых превращений на ранних стадиях в наноразмерных многослойных покрытиях Mo/Si и Sc/Si в процессе их изготовления, термического отжига и облучения ускоренными частицами и лазерным рентгеновским излучением. Методами высокоразрешающей электронной микроскопии поперечных срезов, малоугловой рентгеновской дифракции в сочетании с моделированием малоугловых рентгеновских спектров, рентгеновской тензометрии в скользящей геометрии и рентгеновского фазового анализа установлена морфология и фазовый состав образующейся фазы, измерены напряжения, определен преимущественный диффузант и диффузионные характеристики в многослойных покрытиях Mo/Si и Sc/Si на ранних стадиях диффузионного отжига и облучения ускоренными частицами и рентгеновским лазером.

При помощи оригинальной электронно-микроскопической методики установлен средний химический состав аморфных перемешанных зон в многослойных периодических покрытиях (МПП), который в МПП Mo/Si соответствует дисилициду молибдена MoSi₂, а в МПП Sc/Si - силициду ScSi. Подобная методика используется также для определения состава силицидных фаз, образованных при отжиге и облучении многослойных периодических покрытий. В процессе изготовления МПП Mo/Si методом магнетронного распыления на межфазных границах раздела Mo-на-Si образуется аморфная перемешанная зона толщиной 1.2 нм. Ее толщина не зависит от кристаллического совершенства металлического слоя. Толщина аморфных перемешанных зон на противоположных границах раздела Si-на-Mo зависит от кристаллического строения молибденового слоя. Напряжённое состояние слоев молибдена определяется генерацией радиационных дефектов, собирательной рекристаллизацией, а также составом твёрдого раствора замещения кремния в молибдене. Концентрация растворённого в молибдене кремния больше вблизи межфазной границы Mo-на-Si и меньше вблизи противоположной границы Si-на-Mo. В многослойных структурах Sc/Si, полученных методом магнетронного распыления, на межфазных границах раздела образуется аморфная перемешанная зона состава ScSi толщиной 3.0ч4.0 нм в зависимости от условий получения.

На начальных стадиях отжига в интервале температур 130ч400С процессы силицидообразования в пленочных системах Sc/Si протекают по схеме твердофазной реакции: с-Sc+a-Sia(c)-ScSi. Состав образующегося силицида близок к ScSi. На начальных стадиях роста силицид скандия аморфный. Атомы Si являются наиболее подвижными в данной бинарной системе. Диффузия атомов кремния через слой силицида характеризуется низким значением энергии активации Q=1.0 эВ и предэкспоненциального фактора D₀=4Ч10^-12 м²/с. На начальных стадиях рост аморфного силицида имеет явно выраженный нелинейный характер (параболический закон роста h²~t не выполняется). Кинетика роста силицида хорошо описывается на основе представлений о структурной релаксации и аннигиляции избыточного свободного объема в слое растущего силицида.

Структурное состояние металлических слоев и напряжения в них влияют на кинетику фазообразования в многослойных периодических покрытиях Mo/Si. В многослойных периодических покрытиях Mo/Si, полученных без потенциала смещения, образование дисилицида молибдена MoSi₂ наблюдается на обеих межфазных границах раздела Mo-на-Si и Si-на-Mo. Скорость роста дисилицида MoSi₂ при достижении им некоторой толщины сильно замедляется на межфазной границе Si-на-Mo. В МПП Mo/Si, полученных с потенциалом смещения во время осаждения слоев молибдена и характеризуемых высоким уровнем сжимающих напряжений ( - 2.5 ГПа) в слоях Мо, наблюдается рост дисилицида молибдена с пониженной плотностью только на межфазной границе Мо-на-MoSi₂, а наиболее подвижным компонентом являются атомы кремния. Энергия активации диффузии атомов кремния составляет примерно Q=2.34 эВ, а предэкспоненциальный множитель D₀=1Ч10^-4 м²/c на участке параболического роста силицидной фазы.

При малых дозах облучения (ионами He⁺ до Ф?5Ч10²⁰ ион/м² и ионами Ar⁺ до Ф?1.3Ч10¹⁸ ион/м²) толщина обеих зон на межфазных границах раздела Mo-на-Si и Si-на-Mo увеличивается одинаково и линейно с дозой облучения. При увеличении дозы облучения наблюдается уменьшение плотности аморфных перемешанных зон. Средний атомный состав аморфных перемешанных зон соответствует сплаву состава MoSi_8.2 и MoSi_3.9 при облучении ионами He⁺ и ионами Ar⁺. Особенности ионно-лучевого перемешивания объясняются на основе перемешивания в субкаскадах столкновений.

Изучены механизмы разрушения многослойных периодических покрытий Sc/Si, облученных интенсивными лазерными импульсами от неоноподобного Ar разрядно-капиллярного лазера, работающего на длине волны 46.9 нм и флюенсах 0.04ч1 Дж/см². При флюенсе 0.08F0.23 Дж/см² в МПП можно различить три различных зоны: 1) расплавленная зона (РЗ) наверху МПП, состоящая преимущественно из силицида Sc₃Si₅; 2) зона теплового воздействия (ЗТВ), в которой слоистая структура последовательно изменяется от (c-Sc₃Si₅+ScSi)/a-Si вблизи РЗ до a-ScSi/c-Sc/a-ScSi/a-Si; 3) не модифицированная слоистая структура. Ее структура такая же, как и в исходном МПП. Толщина зоны теплового воздействия составляет ? 0.05ч0.1 мкм или 2-4 периода исходного МПП. Фазовый состав ЗТВ соответствует фазовому составу МПП, подвергнутому кратковременному (1час) изотермическому отжигу в интервале температур 130ч530єС.

Ключевые слова: диффузия, фазообразование, силицид, ионно-лучевое перемешивание, многослойные покрытия, электронная микроскопия, рентгеновская дифрактометрия.

Размещено на Allbest.ru