Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут"

Вилкова Наталія Юріївна

УДК 669.548.55

Структурно-концентраційні зміни
в тонкоплівковій системі Cr/Cu/ni
при лазерній обробці

спеціальність 05.16.01 – металознавство та термічна обробка металів

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізики металів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут"

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор,
заслужений діяч науки і техніки України

Сидоренко Сергій Іванович.

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут",

завідувач кафедри фізики металів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, с.н.с.

Дворіна Людмила Андріївна.

Інститут проблем матеріалознавства

ім. І.М. Францевича НАН України,

завідувач відділу тугоплавких сполук

для тонкоплівкової технології

доктор технічних наук, професор

Белоус Михайло В'ячеславович.

Національний технічний університет України

"Київський політехнічний інститут",

професор кафедри загальної фізики і фізики твердого тіла

Провідна установа: Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона

НАН України (м. Київ)

Захист відбудеться "13" червня 2005 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.12 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, ІФФ, корпус №9 ауд. 203.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 12.05.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К26.002.12

кандидат технічних наук, доцент Л.М. Сиропоршнєв

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Подальший розвиток багатьох галузей мікроприладобудування визначається широким використанням багатошарових металевих плівкових систем, одержаних конденсацією у вакуумі. Стабільність роботи плівкових елементів мікроприладів значною мірою залежить від імовірності розвитку дифузійних процесів в умовах термічної дії різної природи. Особливості механізму і кінетики термоіндукованого масопереносу компонентів багатошарових металевих плівкових систем при цьому обумовлені малими товщинами шарів, високим ступенем дефектності структури, розвинутою міжзеренною поверхнею, суттєвими концентраційними та фазовими неоднорідностями.

У багатьох сучасних технологіях обробки металевих матеріалів використовується лазерне опромінення. Можливість локально впливати на ділянки поверхні розміром в субмікронному діапазоні і таким чином досягати потрібних властивостей, висока швидкість нагрівання та мобільність у керуванні лазерним променем роблять методи лазерної обробки матеріалів все більше затребуваними. Технологічні операції виготовлення металевих плівкових елементів в сучасних технологіях мікроприладобудування включають, як правило, не тільки традиційну термічну, але і лазерну обробку. Однак, поряд з очевидними перевагами використання лазерного опромінення, такий потужній вид обробки матеріалів може супроводжуватися низкою небажаних наслідків: інтенсивним розвитком дифузійних процесів та зміною параметрів мікроприладів.

Використання лазерного нагріву забезпечує також можливість покращення фізичних властивостей металевих плівкових композицій шляхом модифікації приповерхневих областей без зміни характеристик в об'ємі матеріалу. Однак, і в цьому випадку можливий розвиток дифузійних процесів, які обумовлюють зміни структури, хімічного та фазового складу поверхневих шарів багатокомпонентних матеріалів і також можуть призводити до зміни параметрів мікроприладів.

Кількість робіт, опублікованих за останні 10 років в галузі плівкового металознавства, присвячених дифузійному масопереносу, досить значна. Проте перевага в цих роботах надається вивченню дифузійних процесів при термічному відпалі (у вакуумі або в інших середовищах). Щодо досліджень масопереносу, формування структурно-концентраційних неоднорідностей при лазерній обробці тонких металевих плівок, то обсяг таких досліджень обмежений.

Отже, враховуючи, що вивчення закономірностей утворення фізичної, хімічної та структурної неоднорідності будови матеріалів, змін структури металів та сплавів під дією потоків частинок або енергії високої густини, механізмів та кінетики фазових перетворень при термічній та комбінованій обробках металів і сплавів є визначеними завданнями металознавства та термічної обробки металів як галузі науки, можна стверджувати, що дослідження закономірностей дифузійних процесів у багатошарових металевих плівкових системах при лазерній обробці є актуальним завданням як з наукової, так і з практичної точок зору.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі фізики металів Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" в рамках науково-дослідних робіт: "Термоіндукований масоперенос у поверхневих шарах та на границях розділу тонкоплівкових структур на основі перехідних металів" Міністерства освіти і науки України (ДРН 0100U00869) та "Формування металевих систем з періодичними наноструктурами на поверхні під дією лазерного опромінення" державного фонду фундаментальних досліджень (ДРН 0101U006529).

Мета роботи полягає у встановленні закономірностей формування структурно-концентраційних неоднорідностей та дифузійного масопереносу компонентів в тонкоплівковій системі Cr/Cu/Ni при термічній обробці імпульсно-періодичним лазерним опроміненням в широкому інтервалі значень енергії імпульсів, кількості діючих імпульсів та тривалості обробки.

Для досягнення мети роботи були поставлені наступні наукові завдання дослідження:

1. Моделювання та визначення градієнтних характеристик термічної обробки лазерним опроміненням в широкому інтервалі енергій імпульсів (0,050,256 Дж), кількості діючих імпульсів (12160) та тривалості імпульсів (2,033,87 мс).

2. Встановлення закономірностей масопереносу компонентів в тонкоплівковій системі Cr/Cu/Ni при термічній обробці імпульсно-періодичним лазерним опроміненням, розрахунок параметрів дифузії.

3. Вивчення особливостей термоіндукованого формування структури поверхні плівкової системи Cr/Cu/Ni при імпульсно-періодичному лазерному опроміненні.

Об’єкт дослідження. Вплив термічної обробки при дії лазерного опромінення на багатошарову металеву тонкоплівкову систему Cr/Cu/Ni.

Предмет дослідження. Закономірності масопереносу та структурно-концентраційних змін в тонкоплівковій системі Cr/Cu/Ni при лазерній обробці.

Методи дослідження. Відповідно до поставлених задач використовувалися методи дифракції повільних електронів, електронної оже-спектроскопії (ЕОС), растрової електронної мікроскопії (РЕМ).

Наукова новизна роботи. В роботі отримано ряд результатів, що мають наукову новизну.

При моделюванні і визначенні градієнтних характеристик термічної обробки імпульсно-періодичним лазерним опроміненням тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni показано, що такий вид термічної обробки має характер високоекстремального впливу – "термоудару", що при певних енергетичних режимах (ЕЕп=0,196 Дж) забезпечує перехід мікрооб'ємів матеріалу в рідкий стан, розвиток прискореного масопереносу в системі "рідка фаза – тверда фаза", загартування; при такій обробці формуються вельми неоднорідні структурно-концентраційні розподіли, термодинамічно нерівноважні, але кінетично стійкі стани; останнє є фактором, який визначає стабільність в подальшій експлуатації елементів мікроприладів, що були піддані такому особливому виду термічної обробки.

Особливу роль в дифузійному масопереносі атомів міді та хрому при термічній обробці лазерним опроміненням тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni відіграє зовнішня поверхня шару нікелю: поверхня термодинамічно обумовлює направлений масоперенос компонентів в об’ємі тонкоплівкової системи і є стоковою для дифундуючих елементів – міді та хрому, при цьому контролюючим фактором є утворення оксиду хрому на зовнішній поверхні нікелю; наявність градієнтів концентрацій дифундуючих елементів протягом термічної обробки лазерним опроміненням зберігається (концентраційна однорідність в об’ємі тонкоплівкової системи не досягається).

До певного порогового значення енергії лазерних імпульсів Еп=0,196 Дж на стоковій поверхні нікелю переважно накопичуються атоми міді; при ЕЕп виявлено ефект підвищеної дифузійної рухливості атомів хрому порівняно з дифузійною рухливістю атомів міді: збільшення енергії імпульсів над пороговим значенням ЕЕп забезпечує переважний масоперенос до зовнішньої поверхні шару нікелю атомів хрому (при цьому чим більше енергія, тим менша кількість імпульсів при даному значенні енергії імпульсів забезпечує ефект).

З використанням методу "поверхневого накопичення" за результатами електронної оже-спектроскопії розраховані значення коефіцієнтів дифузії хрому та міді: в діапазоні
10-910-10 см2/с коефіцієнти дифузії експоненціально залежать від енергії лазерних імпульсів 0,990,256 Дж.

В результаті термоіндукованих твердофазних реакцій при імпульсно-періодичному лазерному опроміненні тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni відбувається формування структур різних масштабних рівнів: зеренної з розмірами зерен в діапазоні 100500 мкм та структури, що складається з евтектичних колоній частинок Cr(Ni) з розміром елементів у субмікронному діапазоні; застосування режиму сканування дозволяє керовано впливати на формування структури поверхні.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані у роботі результати використовуються при створенні нових технологій виробництва та термічної обробки плівкових елементів підвищеної стабільності у мікроприладах різного функціонального призначення. Наукові результати, отримані в дисертаційній роботі, є важливими для подальшого розвитку уявлень про процеси масопереносу в багатошарових металевих тонкоплівкових структурах під дією лазерного опромінення.

Одержані результати можуть бути також використані для розробки фізичних принципів створення дисипативних структур Такі структури характеризуються широким спектром різноманітних властивостей: малою роботою виходу електронів ( 1 еВ), низькою пороговою напругою (1 В/мкм), високою густиною станів на рівні Фермі; комплекс таких властивостей обумовлює можливість створення ефективних "холодних" катодів в емісійній електроніці для польових (автоелектронних) емітерів для плоских дисплеїв, табло, освітлювачів тощо. на поверхні металевих елементів мікроприладів при більш низьких, ніж при традиційному термічному відпалі, температурах технологічних процесів їх виготовлення.

Результати роботи впроваджено на підприємстві "Девайс-прибор" (Москва, Російська федерація) та в Науково-дослідному інституті лазерної техніки і технології (Київ, Україна).

Результати роботи використовуються також в навчальному процесі в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" при викладанні курсів матеріалознавчого спрямування "Термодинаміка та кінетика дифузії у металах", "Теорія тепло- і масопереносу в матеріалах", "Металознавство і термічна обробка металів", "Фізика металевих покриттів та плівок", "Теорія дифузії у твердих тілах", "Структура та властивості тіл у рідкому, аморфному та тонкоплівковому стані", "Комп’ютерне моделювання процесів тепло- та масопереносу", "Фізика надтонких взаємодій у твердих тілах, методи їх дослідження і моделювання ".

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок дисертанта полягає у плануванні, підготовці, самостійному виконанні та обробці результатів експериментальних досліджень, зокрема, підбір параметрів лазерного випромінювання для обробки зразків, проведення оже-спектральних досліджень, вивчення мікроструктури за допомогою растрової електронної мікроскопії, розрахунки кількісних параметрів тепло- та масопереносу. Здобувач приймав безпосередню участь в обговоренні результатів, написанні статей та підготовці доповідей на конференціях.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи обговорювались і доповідались на чотирьох наукових конференціях: VIII Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП-VIII), 24 червня  липня 2001 р., Івано-Франківськ, Україна; Другий міжнародний симпозіум "Дифузія і фазові дифузійні перетворення у сплавах" (DIFTRANS-2001), Черкаси, Україна, 25-30 червня 2001 р.; Міжнародна конференція "Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenge", 4-8 листопада 2002 р., Київ, Україна; IX Міжнародна конференція з фізики і технології тонких плівок (МКФТТП- IX), 19-25 травня 2003 р., Івано-Франківськ, Україна.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 друковані роботи, з яких 3 статті у наукових журналах, що входять до переліку ВАК України, і тези 3-х доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з переліку умовних позначень, вступу, п’яти розділів, висновків і 3-х додатків, загальний обсяг – 194 сторінки машинописного тексту, який містить 40 рисунків і 21 таблицю та список використаних джерел з 130 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ роботи

У вступі обґрунтовано актуальність вибраного напрямку досліджень, проаналізовано сучасний стан проблеми, сформульовані мета та задачі роботи, вирішенню яких присвячена робота, зазначені методи дослідження, наукова новизна та практичне значення отриманих результатів, наведені дані про структуру роботи та її апробацію, зазначено особистий внесок автора.

У першому розділі "Вплив лазерної обробки на структуру та властивості металічних поверхонь тонких плівок" (літературний огляд) проаналізовано літературні дані щодо теми дисертації та обґрунтовано основні напрямки досліджень. розглянуто основні фізичні процеси, що відбуваються при взаємодії лазерного опромінення з поверхнею матеріалу, який обробляється, наведено результати експериментальних досліджень металевих плівкових систем після лазерного впливу. Проаналізовано можливості лазерного поверхневого легування шляхом нанесення тонких плівок на металеві підкладки, висвітлені деякі проблеми тонкоплівкового металознавства при використанні лазерної обробки в мікроприладобудуванні. Показано принципову важливість визначення кількісних параметрів масопереносу для різних режимів лазерного опромінення багатошарових металевих плівкових структур.

Другий розділ "Матеріали та методика експерименту" містить характеристику об’єктів дослідження, технології та режимів лазерної обробки, а також експериментальної апаратури і методик дослідження.

Система Cr/Cu/Ni, яка досліджувалась в роботі, отримана шляхом послідовного осадження металевих шарів товщиною по 100 нм на підкладку з ситалу марки СТ-50-1 (температура підкладки 293 К) в одному вакуумному циклі (Р = 10-4 Па). Мідь напилялась резистивним методом, хром і нікель – електронно-променевим. Товщина шарів контролювалась методом багатопроменевої інтерференції (чутливість методу 20 нм).

Імпульсно-періодична лазерна обробка зразків проводилась на установці "Квант-12" в камері з захисним середовищем аргону (YAG:Nd-лазер з довжиною хвилі =1,06 мкм та гаусовим просторовим розподілом інтенсивності в пучку радіусом 0,5 мм) в широкому інтервалі енергій імпульсів, кількості імпульсів та тривалості обробки (табл. 1).

При імпульсно-періодичному лазерному опроміненні в режимі сканування зсув лазерного променя уздовж площини плівкової системи складав 1,0-3,3 мкм за один імпульс.

Таблиця 1

Режими імпульсно-періодичного лазерного опромінення |

Параметри лазерного опромінення

Номер режиму | Енергія імпульсу,
Е, Дж0,001Дж | тривалість імпульсу,
?, мс0,01 мс | густина потужності, q·104, Вт/см2 | Кількість імпульсів, N, одиниць

1 | 0,344 | 3,87 | 1,1 | 1-80

2 | 0,256 | 3,51 | 0,9 | 1-80

3 | 0,196 | 3,21 | 0,8 | 1-360

4 | 0,132 | 2,82 | 0,6 | 1-1320

5 | 0,099 | 2,56 | 0,5 | 1-2160

6 | 0,05 | 2,03 | 0,3 | 1-2160

Для вивчення дифузійних процесів в багатошаровій металевій плівковій структурі використано метод електронної оже-спектроскопії, який завдяки високій чутливості не вимагає великої кількості матеріалу для проведення аналізу і дозволяє визначити як пошаровий розподіл компонентів, так і кінетику накопичення дифузантів на зовнішній поверхні. В даній роботі використано серійний растровий електронний оже-спектрометр JAMP-10S (фірма JEOL, Японія), що дозволило також здійснити структурні дослідження методом растрової електронної мікроскопії.

Дослідження методом дифракції повільних електронів проведені на електронографі, розробленому у відділі атомної структури та динаміки поверхні Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України.

В третьому розділі "Моделювання та визначення градієнтних характеристик термічної обробки лазерним опроміненням" наводяться результати розрахунків для різних значень тривалості лазерного імпульсу  та енергії імпульсу Е.

Визначення температури нагріву плівкової структури Cr/Cu/ni при лазерній обробці проведено за рівнянням для поверхневого джерела тепла гаусівської форми, що діє протягом часу t:

, (1)

Е – енергія імпульсу; rг - радіус гаусової плями (0,5 мм); R – коефіцієнт відбиття опромінення від поверхні нікелю; с – теплоємність ситалу; – густина ситалу; ac та апл – коефіцієнти температуропровідності ситалу і плівкової структури, відповідно; – тривалість імпульсу,
t – часовий інтервал дії імпульсу (, n=1…10).

Теплофізичні характеристики (с, а та ) і коефіцієнт відбиття опромінення (R), які входять до рівняння (1), складним чином залежать від температури і наявності поверхневих оксидних шарів. Для врахування цієї залежності використано нетрадиційний підхід: значення теплофізичних характеристик і коефіцієнта відбиття лазерного опромінення визначені безпосередньо з експерименту по вимірюванню радіусу оплавленої зони при різних значеннях енергії імпульсу.

Розраховане значення коефіцієнту температуропровідності тришарової структури складає (0,366 см2/с).

Результати моделювання часових температурних розподілів для різних значень енергії лазерних імпульсів з досліджуваного інтервалу (табл. ) представлено на рис. та на рис. .

Визначено також радіально-просторові розподіли температури для значень енергії імпульсів 0,050,256 Дж та тривалості термічної обробки лазерним опроміненням 2,810-43,9510-3 с. При цьому максимальні значення температури нагріву плівкової системи Cr/Cu/ni в епіцентрі зони лазерної обробки складають 1114 к, 1250 К, 1300 К для енергій 0,132 Дж, 0,196 Дж, 0,256 Дж, відповідно. Оцінка похибки при визначенні температури дає величину 15 %.

Співставлення одержаних результатів з температурами плавлення нікелю (1726 К), міді (1356 К), хрому (2173 К) свідчить, що термічна обробка лазерним опроміненням має характер високоекстремального впливу – "термоудару", який при певних енергетичних режимах обробки забезпечує перехід мікрооб'ємів більш легкоплавкого матеріалу (в даному випадку – міді) в рідкий стан з наступним загартуванням. При такій обробці формуються вельми неоднорідні структурно-концентраційні розподіли, термодинамічно нерівноважні, але кінетично стійкі стани; останнє є фактором, який визначає стабільність в подальшій експлуатації елементів мікроприладів, що були піддані такому особливому виду термічної обробки.

Максимальна швидкість нагріву та охолодження плівкової структури в процесі лазерної обробки 3·106 К/с та 1·106 К/с відповідно. Найбільші температурні градієнти, які виникають в плівковій структурі, направлені нормально до поверхні і досягають значень 2,5·105 К/см, тоді як температурні градієнти вздовж площини плівкової структури виявляються на порядок меншими (1,4·104 К/см).

Згідно проведеним розрахункам величина густини дислокацій в приповерхневому шарі в початковий період часу на стадії нагріву дорівнює ~7•109 см-2, ступінь деформації ~10-2 і швидкість деформації с-1. Таким чином, особливістю лазерної обробки є висока швидкість пластичної деформації при малому її ступеню; значні температурні градієнти призводять до генерації нерівноважних дефектів.

У четвертому розділі "Вплив лазерного нагріву на концентраційні зміни в тонКоплівковій структурі Cr/Cu/ni" представлено закономірності масопереносу компонентів при термічній обробці імпульсно-періодичним лазерним опроміненням, розрахунки коефіцієнтів дифузії за експериментальними даними.

Встановлено, що особливу роль в дифузійному масопереносі атомів міді та хрому при термічній обробці лазерним опроміненням тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni відіграє зовнішня поверхня шару нікелю: поверхня термодинамічно обумовлює направлений масоперенос компонентів в об’ємі тонкоплівкової системи і є стоковою для дифундуючих елементів – міді та хрому.

Швидкість протікання дифузійних процесів в тонкоплівковій структурі Cr/Cu/Ni має пороговий характер: при енергії лазерних імпульсів Е=0,1320,196 Дж (4,9103 7,5103 Вт/см2) на стоковій поверхні нікелю переважно накопичуються атоми міді, а при Е>Еп=0,196 Дж прискорюється дифузія до поверхні нікелю атомів хрому.

Ефект підвищеної дифузійної рухливості атомів хрому порівняно з дифузійною рухливістю атомів міді спостерігається при збільшенні енергії імпульсів над пороговим значенням Еп=0,196 Дж, при якому температура нагріву плівкової системи за оцінками близька до температури плавлення міді.

При ЕЕп відбувається перехід мікрооб'ємів матеріалу в шарі міді в рідкий стан, що призводить до розвитку прискореного масопереносу в системі "рідка фаза – тверда фаза", а саме прискорення дифузії атомів хрому і відповідного збільшення концентрації хрому на поверхні шару нікелю.

Співвідношення значень поверхневих концентрацій атомів міді та хрому залежить також і від кількості імпульсів при даному значенні енергії (рис. ). Чим більше енергія, тим менша кількість імпульсів (N) забезпечує ефект підвищеної дифузійної рухливості атомів хрому порівняно з дифузійною рухливістю атомів міді (при Е = 0,196 Дж – N = 200, при Е= 0,226 Дж – N = 100, при Е= 0,256 Дж – N = 5).

За даними пошарового оже-спектрального аналізу системи Cr/Cu/ni (рис. ) при лазерному опроміненні з енергіями імпульсу в інтервалі 0,132-0,256 Дж спостерігаються наступні закономірності масопереносу. При всіх енергетичних режимах атоми хрому дифундують до поверхневого шару, при цьому контролюючим фактором є утворення оксиду хрому на зовнішній поверхні шару нікелю. Концентрація міді в поверхневому шарі дорівнює 15 ат.% і практично не залежить від енергії лазерного імпульсу. Концентрація міді в об'ємі плівкової системи із збільшенням енергії імпульсу зростає до 36 ат.%. Нікель більш рівномірно розподіляється по товщині плівкової структури, при збільшенні енергії імпульсу нікель дифундує в напрямку підкладинки.

Таким чином, при лазерному опроміненні формуються вельми неоднорідні концентраційні розподіли, наявність градієнтів концентрацій дифундуючих елементів протягом обробки зберігається (концентраційна однорідність в об’ємі тонкоплівкової системи не досягається).

Для визначення кількісних параметрів масопереносу за даними електронної оже-спектроскопії використано метод поверхневого накопичення, який не вимагає пошарового аналізу. Розраховані значення коефіцієнтів дифузії D для міді та хрому (рис. 5) і "довжини дифузійного шляху" (рис. ) для лазерних імпульсів з енергією в діапазоні 0,99 0,256 Дж. Коефіцієнти дифузії міді в нікель визначені також за формулою Ареніуса в інтервалі розрахованих значень температур нагріву плівкової системи при лазерній обробці з даною енергією імпульсу. При цьому використані значення енергії активації дифузії Еа=1,5 еВ та D0=10-3 cм2/c з літературних джерел.

Характер одержаних залежностей (рис. ) та  (рис. ) суттєво відрізняється. Коефіцієнти дифузії міді та хрому, розраховані за експериментальними даними електронної оже-спектроскопії, в діапазоні 10-910-10 см2/с експоненціально залежать від енергії лазерних імпульсів. Розрахунок за формулою Ареніуса, тобто при умові, що діє тільки температурний фактор, але без врахування впливу нерівноважних дефектів свідчить про лінійну залежність коефіцієнтів дифузії від енергії опромінення. Підвищення дифузійної рухливості атомів міді та хрому при лазерній обробці у порівнянні з традиційною термічною обробкою є наслідком прискореного лазерно-стимульованого масопереносу, обумовленого генерацією високої концентрації нерівноважних дефектів в зоні такого високоекстремального впливу.

Низька енергія активації точкових дефектів в процесі високоенергетичної обробки (для Ni (100) і Ni (111) – 0,3 і 0,25 еВ, відповідно), розрахована за даними методу дифракції повільних електронів, підтверджує даний висновок.

В п’ятому розділі "ФОРМУВАННЯ ВПОРЯДКОВАНИХ СТРУКТУР РЕЛЬЄФУ ПОВЕРХНІ ТОНКОПЛІВКОВОЇ СИСТЕМИ Cr/Cu/ni ПРИ ІМПУЛЬСНО-ПЕРІОДИЧНОМУ ЛАЗЕРНОМУ ОПРОМІНЕННІ" показано, що під дією імпульсно-періодичного лазерного опромінення в результаті твердофазних реакцій відбуваються суттєві зміни структури поверхні тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni в зоні впливу (рис. 7). При цьому спостерігається формування структур різних масштабних рівнів: зеренної з розмірами зерен в діапазоні 100500 мкм та структури, що складається з евтектичних колоній частинок Cr(Ni) з розміром елементів у субмікронному діапазоні.

Діаграма фазових рівноваг бінарної системи Ni-Cr має точку евтектики при Т=1618 К, яка відповідає існуванню трьох фаз: рідини і двох твердих розчинів Ni(Cr) та Cr(Ni)Cr(Ni) – твердий розчин нікелю на основі хрому, Ni(Cr) – твердий розчин хрому на основі нікелю.. Особливість утворення евтектичної структури при лазерному опроміненні полягає в тому, що процес відбувається не в результаті кристалізації з рідкого стану при охолодженні розплаву, а при нагріві тонкоплівкової структури, в якій два компоненти (хром на нікель) спочатку розділені шаром міді.

В результаті переважної дифузії атомів хрому крізь шари міді і нікелю до поверхні системи Cr/Cu/Ni в процесі лазерної імпульсно-періодичної обробки формується евтектична структура Cr-46 % Ni (що відповідає діаграмі фазових рівноваг та підтверджується даними електронної оже-спектроскопії) з радіусом частинок ведучої фази Cr(Ni) порядку товщини плівкової системи (0,3 мкм). Евтектичні колонії частинок Cr(Ni) в безперервній фазі Ni(Cr) утворюють структури на поверхні у вигляді періодично розташованих концентричних дуг (з радіусом кривизни від 10 мкм до 80 мкм) і перемичок між дугами (рис. 8), які орієнтовані вздовж напрямку градієнта температури, їх розмір збільшується до 2-5 мкм, відстань між частинками складає 1-3 мкм.

Такі особливості є характерними для випадку формування евтектичних структур за рахунок гвинтових дислокацій на поверхні плівок Cr/Ni в роботах проф. Белоуса М.В. та проф. Попова В.І.

Лазерна обробка тонкоплівкової структури Cr/Cu/Ni в режимі сканування, що не викликає плавлення, також призводить до формування евтектичної структури (з переважною орієнтацією елементів структури уздовж напрямку сканування).

Застосування режиму сканування при термічній обробці лазерним опроміненням дозволяє керовано впливати на формування структури поверхні системи Cr/Cu/ni (рис. ): одночасним зменшенням енергії лазерного імпульсу (від 0,05 Дж до 0,256 Дж) та швидкості сканування (від 1,0 до 3,3 мс) досягається збільшення розміру зерен в широкому діапазоні величин
(100-500 мкм); зростання в твердій фазі розміру зерен в напрямку сканування відбувається із високою швидкістю – порядку 10-5 м/с. Процес росту зерен з високою швидкістю, що спостерігається, подібний до процесу динамічної рекристалізації.

Ефект спостерігається за умови (v – швидкість сканування; – частота проходження імпульсів (10 Гц), D – діаметр гаусової плями), тобто для випадку коли відстань між епіцентрами сусідніх зон лазерної обробки ?l1 мкм значно менша за радіус сфокусованої плями і область дії наступного імпульсу попадає в основному вже на опромінену поверхню.

Загальні висновки по роботі

Із застосуванням методів електронної оже-спектроскопії, растрової електронної мікроскопії, дифракції повільних електронів досліджено вплив термічної обробки імпульсно-періодичним лазерним опроміненням (з довжиною хвилі =1,06 мкм та гаусовим просторовим розподілом інтенсивності в промені радіусом 0,5 мм) в широкому інтервалі енергій імпульсів (0,050,256 Дж), кількості імпульсів (12160) та тривалості обробки (2,033,87 мс) на закономірності формування структурно-концентраційних неоднорідностей та дифузійного масопереносу компонентів в тонкоплівковій системі Cr/Cu/Ni.

Основні наукові і практичні результати, отримані в роботі, полягають у наступному:

1. При моделюванні і визначенні градієнтних характеристик термічної обробки лазерним опроміненням тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni встановлено зміну температури нагріву
(900-1300 К) в зоні опромінення при різних часових інтервалах дії імпульсу для значень енергії імпульсів 0,050,256 Дж, радіально-просторовий розподіл температури для даного значення енергії та тривалості імпульсів 2,810-43,9510-3 с, максимальну температуру нагріву в епіцентрі зони лазерного опромінення (1300 К), коефіцієнт температуропровідності тришарової структури (0,366 см2/с); максимальну швидкість нагріву та охолодження (відповідно 3·106 К/с та 1·106 К/с), максимальний температурний градієнт в напрямку, перпендикулярному до поверхні (2,5·105 К/см), максимальний температурний градієнт в напрямку уздовж площини плівкової структури (1,4·104 К/см).

2. Термічна обробка лазерним опроміненням має характер високоекстремального впливу – "термоудару", що при певних режимах обробки (ЕЕп) забезпечує перехід мікрооб'ємів матеріалу в рідкий стан, розвиток прискореного масопереносу в системі "рідка фаза – тверда фаза", загартування. При такій обробці формуються вельми неоднорідні структурно-концентраційні розподіли, термодинамічно нерівноважні, але кінетично стійкі стани; останнє є фактором, який визначає стабільність в подальшій експлуатації елементів мікроприладів, що були піддані такому особливому виду термічної обробки.

3. Встановлено, що особливу роль в дифузійному масопереносі атомів міді та хрому при термічній обробці лазерним опроміненням тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni відіграє зовнішня поверхня шару нікелю: поверхня термодинамічно обумовлює направлений масоперенос компонентів в об’ємі тонкоплівкової системи і є стоковою для дифундуючих елементів – міді та хрому, при цьому контролюючим фактором є утворення оксиду хрому на зовнішній поверхні шару нікелю; наявність градієнтів концентрацій дифундуючих елементів протягом термічної обробки лазерним опроміненням зберігається (концентраційна однорідність в об’ємі тонкоплівкової системи не досягається).

4. Показано, що швидкість руху компонентів системи Cr/Cu/Ni до зовнішньої поверхні при лазерній обробці визначається енергією опромінення та кількістю діючих імпульсів. До певного порогового значення енергії лазерних імпульсів Еп=0,196 Дж на стоковій поверхні нікелю переважно накопичуються атоми міді. При ЕЕп виявлено ефект підвищеної дифузійної рухливості атомів хрому порівняно з дифузійною рухливістю атомів міді: збільшення енергії імпульсів над пороговим значенням ЕЕп забезпечує переважний масоперенос до зовнішньої поверхні шару нікелю атомів хрому. При цьому чим більше енергія, тим менша кількість імпульсів (N) при даному значенні енергії імпульсів забезпечує ефект (при Е = 0,196 Дж – N = 200, при Е= 0,226 Дж – N = 100, при Е= 0,256 Дж – N = 5).

5. Розрахунок коефіцієнтів дифузії компонентів системи Cr/Cu/Ni з використанням даних щодо енергії і тривалості лазерного імпульсу, радіусу гаусової плями в зоні дії, оптичних і теплофізичних характеристик (при визначенні температури нагріву), але без врахування впливу нерівноважних дефектів, свідчить про лінійну залежність коефіцієнтів дифузії від енергії лазерного опромінення. Коефіцієнти дифузії хрому та міді розраховані з використанням методу "поверхневого накопичення" за результатами електронної оже-спектроскопії в діапазоні 10-910-10 см2/с експоненціально залежать від енергії лазерних імпульсів. Підвищення дифузійної рухливості атомів міді та хрому при лазерній обробці у порівнянні з традиційною термічною обробкою є наслідком прискореного лазерно-стимульованого масопереносу, обумовленого генерацією високої концентрації нерівноважних дефектів в зоні такого високоекстремального впливу.

6. Встановлено, що в результаті термоіндукованих твердофазних реакцій при імпульсно-періодичному лазерному опроміненні тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni відбувається формування структур різних масштабних рівнів: зеренної з розмірами зерен в діапазоні 100500 мкм та структури, що складається з евтектичних колоній частинок Cr-Ni з розміром елементів у субмікронному діапазоні. Лазерно-стимульований масоперенос та формування структури відбувається в умовах знакозмінних температурних градієнтів (~105 К/см), великих значень густини дислокацій (~7·109 см-2), високої швидкості деформації ( 20 с-1) при малому ступеню деформації (~0,01).

7. Визначено режими керування процесами дифузійного формування структури поверхні; застосування режиму сканування, що не приводить до плавлення, при термічній обробці лазерним опроміненням дозволяє проводити направлену модифікацію поверхні системи Cr/Cu/Ni в зоні обробки: одночасним зменшенням енергії лазерного імпульсу (від 0,05 Дж до 0,256 Дж) та швидкості сканування (від 1,0 до 6,6 мс) досягається збільшення розміру зерен в широкому діапазоні величин (100-500 мкм); зростання розміру зерен з переважною їх орієнтацією в напрямку сканування відбувається в твердій фазі із високою швидкістю – порядку 10-5 м/с.

Одержані результати можуть бути також використані для розробки металознавчих принципів створення дисипативних структур на поверхні металевих елементів мікроприладів при більш низьких, ніж при традиційному термічному відпалі, температурах технологічних процесів їх виготовлення.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1.

Дисертантом визначена енергія активації точкових дефектів методом дифракції повільних електронів.

2.

Здобувачем отримано зразки тонкоплівкових систем, проведено лазерну обробку цих зразків, досліджено вплив лазерного нагріву на процеси масопереносу в тонкоплівковій системі Cr/Cu/Ni за допомогою метода електронної оже-спектроскопії, розраховані коефіцієнти та інші параметри дифузії.

3.

Автором проведено оже-спектральний аналіз лазерно-стимульованої дифузії, визначені температурні градієнти, досліджено топографію і структуру поверхні методом растрової електронної мікроскопії.

4.

Здобувачем проведено дослідження процесу формування макроскопічної зеренної та евтектичної періодичної структури методом растрової електронної мікроскопії при різних режимах опромінення.

5.

Автором здійснено дослідження впливу імпульсно-періодичного опромінення на дифузійні процеси за допомогою методу електронної оже-спектроскопії, вивчено формування періодичної мікроструктури методом растрової електронної мікроскопії.

6.

Здобувачем проведено дослідження процесів масопереносу при різних режимах термічної обробки імпульсно-періодичним лазерним опроміненням методом електронної оже-спектроскопії, розраховані коефіцієнти дифузії хрому та міді.

7.

Автором проведено комп’ютерне моделювання концентраційних профілів за даними спектральних методів для ряду тонкоплівкових систем.

АНОТАЦІЇ

Вилкова Н.Ю. Структурно-концентраційні зміни в тонкоплівковій системі Cr/Cu/ni при лазерній обробці – 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 встановленню закономірностей формування структурно-концентраційних неоднорідностей та дифузійного масопереносу компонентів в тонкоплівковій системі Cr-Cu-Ni при термічній обробці імпульсно-періодичним лазерним опроміненням в широкому інтервалі значень енергії імпульсів, кількості діючих імпульсів та тривалості обробки.

Показано, що термічна обробка лазерним опроміненням має характер високоекстремального впливу – "термоудару", що при певних режимах обробки (ЕЕп) забезпечує перехід мікрооб'ємів матеріалу в рідкий стан, розвиток прискореного масопереносу в системі "рідка фаза – тверда фаза", загартування. При такій обробці формуються вельми неоднорідні структурно-концентраційні розподіли, термодинамічно нерівноважні, але кінетично стійкі стани.

Встановлено, що особливу роль в дифузійному масопереносі атомів міді та хрому при термічній обробці лазерним опроміненням тонкоплівкової системи Cr/Cu/Ni відіграє зовнішня поверхня шару нікелю: поверхня термодинамічно обумовлює направлений масоперенос компонентів в об’ємі тонкоплівкової системи і є стоковою для дифундуючих елементів – міді та хрому, при цьому контролюючим фактором є утворення оксиду хрому на зовнішній поверхні шару нікелю; наявність градієнтів концентрацій дифундуючих елементів протягом термічної обробки лазерним опроміненням зберігається (концентраційна однорідність в об’ємі тонкоплівкої системи не досягається).

Показано вплив різних режимів термічної обробки лазерним опроміненням на формування структури поверхні тонкоплівкової системи Cr/Cu/ni.

Ключові слова: тонкоплівкові системи, лазерне опромінення, термічна обробка, масоперенос, концентраційна неоднорідність.

Вилкова Н.Ю. СТРУКТУРНО-КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ В ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ СИСТЕМЕ Cr/Cu/ni ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКЕ. – Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 – металловедение и термическая обработка металлов. – Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2005.

Диссертация посвящена установлению закономерностей формирования структурно-концентрационных неоднородностей и диффузионного массопереноса компонентов в тонкопленочной системе Cr/Cu/Ni при термической обработке импульсно-периодическим лазерным облучением в широком интервале значений энергии импульсов, количества действующих импульсов и продолжительности обработки.

Показано, что термическая обработка лазерным облучением имеет характер высокоэкстремального воздействия – "термоудара", который при определенных режимах обработки (ЕЕп) обеспечивает переход микрообъемов материала в жидкое состояние, развитие ускоренного массопереноса в системе "жидкая фаза – твердая фаза", закалку. При такой обработке формируются весьма неоднородные структурно-концентрационные распределения, термодинамически неравновесные, но кинетически устойчивые состояния.

Установлено, что особую роль в диффузионном массопереносе атомов меди и хрома при термической обработке лазерным облучением тонкопленочной системы Cr/Cu/Ni играет внешняя поверхность слоя никеля: поверхность термодинамически обуславливает направленный массоперенос компонентов в объеме тонкопленочной системы и является стоковой для диффундирующих элементов – меди и хрома, при этом контролирующим фактором является образование оксида хрома на внешней поверхности слоя никеля; наличие градиентов концентраций диффундирующих элементов в процессе термической обработки лазерным облучением сохраняется (концентрационная однородность в объеме тонкопленочной системы не достигается).

скорость массопереноса компонентов тонкопленочной системы Cr/Cu/ni определяется энергией облучения и количеством действующих импульсов. До определенного порогового значения энергии лазерных импульсов Еп=0,196 Дж на стоковой поверхности никеля преимущественно накапливаются атомы меди. Обнаружен эффект повышенной диффузионной подвижности атомов хрома по сравнению с диффузионной подвижностью атомов меди: превышение энергии импульсов над пороговым значением ЕЕп обеспечивает преобладающий массоперенос к внешней поверхности слоя никеля атомов хрома (при этом чем больше энергия, тем меньшее количество импульсов при данном значении энергии импульсов обеспечивает эффект).

Коэффициенты диффузии меди и хрома, рассчитанные методом поверхностного накопления, в области значений 10-910-10 см2/с экспоненциально зависят от энергии лазерных импульсов. Более интенсивное развитие диффузионных процессов при лазерном облучении по сравнению с традиционным термическим отжигом связано с повышенной концентрацией неравновесных дефектов, генерируемых в зоне обработки. Низкая энергия активации точечных дефектов в процессе высокоэнергетического воздействия (для Ni (100) и Ni (111) – 0,3 и 0,25 эВ, соответственно), рассчитанная по данным метода дифракции медленных электронов, подтверждает данный вывод.

Показано влияние разных режимов термической обработки лазерным облучением на формирование структуры поверхности пленочной системы Cr/Cu/ni. Установлено, что в результате термоиндуцированных твердофазных реакций при импульсно-периодическом лазерном облучении тонкопленочной системы Cr/Cu/Ni происходит формирование структур разных масштабных уровней: зеренной с размерами зерен в диапазоне 100500 мкм и структуры, которая состоит из эвтектических колоний частиц Cr-Ni с размером элементов в субмикронном диапазоне.

Определены режимы управления процессами диффузионного формирования структуры поверхности. Использование режима сканирования, не приводящего к плавлению, при термической обработке лазерным облучением позволяет проводить направленную модификацию структуры поверхности системы Cr/Cu/Ni в зоне обработки: одновременным уменьшением энергии лазерного импульса (от 0,05 Дж до 0,256 Дж) и скорости сканирования (от 1,0•105 до 3,3•105 м/с) достигается увеличения размера зерен в широком диапазоне величин (100-500 мкм); рост размера зерен с преобладающей их ориентацией в направлении сканирования происходит в твердой фазе с высокой скоростью – порядка 10-5 м/с.

Ключевые слова: тонкопленочные системы, лазерное облучение, термическая обработка, массоперенос, концентрационная неоднородность, структура поверхности.

Vylkova N.Yu. – Structural and concentration changes in thin-film Cr/Cu/ni system under laser treatment. – Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree by speciality 01.04.13 – metallurgical science and heat treatment. – The National Technical university of Ukraine "Kyiv Polytechnic Institute", Kyiv, 2005.

The thesis is devoted to determination of regularities of structural and concentration heterogeneity formation and diffusion components mass transfer in thin-film Cr/Cu/Ni system at a thermal treatment by pulse-periodic laser irradiation in a wide interval of energy and impulses, impulses amount and treatment durations.

It is shown, that the thermal treatment laser treatment has character high extreme effects – "thermal heat", that at particular treatment conditions (ЕЕп) provide transfer of a material microvolumes in a fluid state, development of the accelerated mass transfer in a system "liquid phase-solid phase", hardening. At such treatment the nonuniform structural and concentration distributions, thermodynamically nonequilibrium, but kinetically resistant states are formed.

It is established, that the special role in diffusion mass transfer of copper and chromium atoms at high-heat treatment by laser irradiation of thin-film Cr/Cu/Ni system is played with an external surface of a nickel layer. The surface thermodynamically causes directional components mass transfer in volume of a thin-film system. It is drain region for diffusing elements – copper and chromium at that the control factor is chromium oxide formation on external surface of nickel layer. The concentration gradients of diffusing elements during a high-heat treatment by laser irradiation are kept (concentration homogeneity in volume of a thin-film system not attained).

The effect