Анотація до роботи:

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 МеSi₂ за рахунок дифузійного розчинення проміжної силіцидної фази;

взаємна дифузія атомів Ме та Si з формуванням включень МеSi₂ в об’ємі монокристалу Si₍₀₀₁₎;

просторова самоорганізація включень МеSi₂ в 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 NiSi₂ в області границі розділу з Si₍₀₀₁₎; дифузія атомів титану в NiSi з формуванням потрійного силіциду Ni₄Ti₄Si₇ між 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, NiSi₂ та 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.

Публікації автора:

1. С.І. Сидоренко, С.А. Березовський, С.М. Волошко, С.І. Конорев, С.О. Замулко. Теоретичний аналіз процесів складного масопереносу при формуванні включень нових фаз різної геометричної форми. II. Рост сферичних включень нової фази. //Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2002. - Т.26, №6. - С. 84-88.

Здобувачем розглянуто задачу з вільною межею для рівнянь дифузії, що виникає при моделюванні процесу утворення сферичних включень нової фази у сферичній області.

2. С.И.Сидоренко, A.А.Березовский, С.М. Волошко, С.А.Замулко, С.И. Конорев “Математическая модель роста сферических включений новой фазы в жаропрочных сплавах”. //Металлофизика и новейшие технологии. – 2003. -Т. 25, №4. - С. 431-443.

Дисертантом одержані наближені розв’язки початково-крайової задачі для другого рівняння Фіка у рамках дифузійної моделі росту включень нової g - фази сферичної форми у пересиченому a -твердому розчині та створено алгоритм числової реалізації дифузійної задачі.

3. С.І. Сидоренко, Л.М. Березовська, С.М. Волошко, С.О. Замулко. Дифузія з рідкої фази обмеженого об’єму в оточуючу тверду фазу. //Наукові вісті НТУУ “КПІ”. – 2003. - Т. 31, №5. - С. 127-132.

Автором пропонується модель масопереносу у системі “ тверда фаза – рідка фаза – тверда фаза”, що враховує суттєву різницю коефіцієнтів дифузії речовини у контактуючих фазах.

4. С.О. Замулко, С.І. Конорев. Комп‘ютерне моделювання процесів дифузійного формування включень нової фази в пересиченому твердому розчині. //Металознавство та обробка металів: Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАНУ – 2003. - №1. – С. 56-57. /Матеріали всеукраїнської конференції молодих вчених «Металознавство та обробка металів», присвяченої 100-річчю від дня народження М.П. Брауна.

Дисертантом проведено комп’ютерне моделювання процесів дифузійного формування сферичних включень нової фази в пересиченому твердому розчині обмеженого об’єму в рамках запропонованої математичної моделі.

5. Сидоренко С.І., Волошко С.М., Макогон Ю.М., Павлова О.П., Замулко С.О., Могілатенко А.В., Беддіс Г. Багатостадійна модель дифузійного формування включень силіцидної фази NiSi₂ в плівковій системі Ni(10 нм)-Si₍₀₀₁₎ //Металлофизика и новейшие технологии. – 2005. -Т. 27, №11. - С. 1529-1537.

Здобувачем проведено дослідження методами електронної мікроскопії поперечних зрізів і растрової електронної мікроскопії морфології поверхні термічно стимульованих твердотільних реакцій, що розвиваються в плівковій системі Ni(10 нм)-Si₍₀₀₁₎ при відпалі в атмосфері азоту.

6. Г. Беддис, С.М. Волошко, Ю.Н Макогон, А.В. Могилатенко, Е.П. Павлова, С.И. Сидоренко, Г.Ю. Хиннеберг, В.Л. Колотовская, С.А. Замулко. Перераспределение элементов в тонкопленочной системе Ni (24нм)-Ti (5нм) в процессе формирования фазового состава на кремнии 001 при отжигах в азоте // Міжнародна конференція «Нанорозмірні системи. Електронна, атомна будова і властивості» (НАНСИС - 2004). - м. Київ: ІМФ ім. Г.В. Курдюмова, 2004.– С. 276.

Дисертантом досліджено розподіл елементів по глибині методом електронної оже-спектроскопії та встановлено закономірності масопереносу.

7. S. Voloshko, Y. Makogon, E. Pavlova, S. Sidorenko, S. Zamulko, A. Mogilatenko, G. Beddies. Silicide NiSi₂ formation regularities in Ni(10 nm)-Si(001) thin film. // First International Conference on Diffusion in Solids and Liquids.- Aveiro (Portugal), 2005.– P. 453-456.

Здобувачем проведено комп‘ютерне моделювання процесів реакційної дифузії в системі Ni(10 нм)-Si₍₀₀₁₎ за одержаними експериментальними даними.