WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 7 Взаимодействие алюминия с поверхностью рения: адсорбция, десорбция, рост поверхностных соединений © Н.Р. Галль, Е.В. Рутьков, А.Я. Тонтегоде Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, 194021 Санкт-Петербург, Россия E-mail: gall@ms.ioffe.rssi.ru (Поступила в Редакцию 20 сентября 2001 г.) Экспериментально изучено взаимодействие алюминия с поверхностью (1010) рения в широком интервале температур (300-2000 K). Обнаружено образование поверхностного алюминида (ПА) состава ReAl с концентрацией адсорбированных атомов Al NAl = 1.6 · 1015 cm-2. Показано, что удаление алюминия с поверхности протекает за счет термодесорбции в интервале температур 1300-1600 K, причем при переходе через концентрацию, соответствующую ПА, энергия активации десорбции испытывает скачок от 3.6 к 4.2eV.

Работа выполнена при поддержке Государственной программы МН РФ „Поверхностные атомные структуры“ (проект № 4.6.99).

Во многих случаях элементы, которые в конденсиро- током. Лента очищалась попеременным прогревом в ванном состоянии ведут себя как классические металлы, сверхвысоком вакууме при 2500 K и в атмосфере кислов виде отдельных атомов или в молекулярной форме рода (PO 10-6 Torr), после очистки на ее поверхно2 проявляют существенно неметаллические свойства. Так, сти наблюдались лишь Оже-пики рения. Одновременно очень часто интерметаллиды и тугоплавкие соединения, с очисткой лента текстурировалась и на поверхность образуемые переходными металлами с бериллием и выходила грань (1010) с работой выхода e = 5.15 eV алюминием, оказываются по своим свойствам близкими (величина, типичная для этой грани [7]). По данным к силицидам, сульфидам и боридам [1,2], но весьма рентгеновской дифракции, степень ориентации грани по далеки от классических сплавов металлов.

отношению к поверхности составляла 99.9%, измереТакое положение не должно вызывать удивления, так ния с помощью сканирующей туннельной микроскопии как при взаимодействии отдельного атома примеси, будь показали, что средний размер блоков 20-30 µm.

то атом Si, P или Al, с тугоплавким металлом основ- Температура ленты измерялась микропирометром, а в ную роль играют размеры атома, обусловливающие его непирометрической области определялась из линейной способность к внедрению в решетку, его электроотриэкстраполяции зависимости температуры от тока накала.

цательность как обобщенная характеристика, описываюАлюминий напылялся одновременно на всю поверхщая электронный перенос от или к примеси, и, наконец, ность ленты из специального, разработанного нами проструктура внешних термов, т. е. количество электронов тяженного источника, использующего предварительное и вакантных орбиталей, пригодных для установления растворение алюминия в объеме тугоплавкого металхимических связей [3]. Атомы Si, Al и S весьма близки по ла и его последующую десорбцию. После тренировки размерам [2], имеют близкие диффузионные параметры источника в напыленных слоях не регистрировалось в кристаллических решетках переходных металлов [2], никаких Оже-пиков, кроме пиков алюминия. Испольа образуемые ими силициды, алюминиды и сульфиды зовались Оже-пик Al с E = 68 eV и триплет Ожечасто изоструктурны [2,4,5].

пиков рения с E = 162-177 eV, за интенсивность ОжеПредставляется несомненным, что отмеченное выше сигналов принимался полный размах пиков от нижнего сходство должно отразиться и на поведении адсорбцидо верхнего выброса (peak-to-peak). Оже-пик металлионных слоев Al на поверхности тугоплавких металлов.

ческого алюминия не перекрывался Оже-пиками подВ частности, следует ожидать образования поверхностложки. Для изучения десорбции рядом с рабочей Reных химических соединений, свойства которых схожи лентой параллельно ей устанавливалась, как и в [8], со свойствами поверхностных силицидов, карбидов и вспомогательная Re-лента.

сульфидов.

2. Результаты и их обсуждение 1. Методы эксперимента Исследования проводились в сверхвысоковакуумном 2.1. Напыление алюминия на рений при (P 10-10 Torr) Оже-спектрометре высокого разреше- разных температурах. На рис. 1 представлены ния, который был описан в [6]. В качестве образ- изменения Оже-сигналов адсорбата и подложки при ца использовалась поликристаллическая рениевая лента напылении атомов Al на (1010)Re постоянным потоком размером 1 0.02 40 mm, прогреваемая переменным при двух температурах: 300 и 1300 K. Напыление при Взаимодействие алюминия с поверхностью рения: адсорбция, десорбция, рост... температуре. Поверхностная концентрация алюминия в пленке составляет (8-10) · 1015 cm-2 (Оже-пик рения меньше в 15 раз). Отжиг пленки производился ступенчато, с выдержкой 30 s при каждой температуре.

Вплоть до 900 K пленка остается стабильной, затем величина пика рения начинает монотонно возрастать, а Оже-сигнал алюминия уменьшаться. При 1500 K алюминия на поверхности нет.

Для сравнения на том же рисунке представлены изменения Оже-сигналов адсорбата и подложки при отжиге субмонослойной пленки алюминия с толщиной, равной примерно 1/2 ПА (рений заэкранирован в 1.2 раза).

Пленка стабильна вплоть до 1300 K, затем начинается уменьшение Оже-пика алюминия, описываемое той же кривой, что и в случае толстой пленки. Подобное совпадение указывает на схожесть механизмов удаления алюминия с поверхности рения при существенно различающихся поверхностных концентрациях.

Рис. 1. Зависимость интенсивности Оже-пиков алюминия 2.3. Абсолютная концентрация атомов (1, 2) и рения (3, 4) от времени адсорбции алюминия постоа л ю м и н и я в П А. В связи с отсутствием надежных янным потоком при температурах 300 (1, 4) и 1300 K (2, 3).

эталонов поверхностного покрытия металлов алюминиAl = 1.6 · 1013 cm-2 · s-1.

ем для расчета абсолютной концентрации атомов Al в ПА воспользуемся данными о поверхностной концентра ции кремния в силициде на грани (1010)Re [10]. Для комнатной температуре ведет к постепенному уменьшетакого расчета необходимо определить коэффициент нию Оже-сигнала подложки до нуля, что соответствует элементной чувствительности алюминия по отношению образованию сплошной многослойной пленки адсорбата.

к кремнию. Воспользоваться справочными данными, наНа начальном этапе напыления, вплоть до 80 s, имеет пример из [11], невозможно, так как в представленном место линейный рост Оже-сигнала алюминия, затем там Оже-спектре кроме пиков алюминия присутствуют и скорость его роста уменьшается. Величина Оже-пика пики кислорода, а это может привести к значительным рения при этом падает в 1.5 раза, а амплитуда Ожеошибкам из-за различий в коэффициентах элементной пика алюминия составляет 60 единиц. Линейный рост Оже-пика на начальном эатпе, видимо, соответствует накоплению всех поступающих на поверхность атомов алюминия в первом адсорбированном слое, а перегиб — началу роста второго слоя на поверхности.

Совершенно иначе протекают процессы при напылении Al на рений при повышенных температурах. Видно, что напыление при 1300 K на начальном этапе приводит к такому же росту Оже-сигнала алюминия, что и напыление при комнатной температуре, т. е. каждый упавший на поверхность атом алюминия остается на ней в первом адсорбционном слое. Однако после достижения некото рой характерной концентрации NAl ситуация меняется:

теперь поверхностное покрытие остается постоянным, несмотря на непрерывное поступление атомов Al. По своему характеру эти кривые очень похожи на те, что отражали образование поверхностных силицидов при напылении кремния на W и Re в наших работах [9,10].

По аналогии адсорбционное состояние с NAl мы назвали поверхностным алюминидом (ПА). ПА можно было получить также прогревом пленки алюминия толщиной два-три слоя при температуре 1250-1300 K в течение 1-2 min.

Рис. 2. Зависимость интенсивности Оже-пиков алюминия 2.2. О т ж и г а л ю м и н и е в ы х п л е н о к р а з н о й (1, 3) и рения (2, 4) от температуры при ступенчатом (через толщины на рении. На рис. 2 (кривые 1 и 2) 100 K) отжиге пленок Al с поверхностной концентрацией представлены результаты отжига многослойной плен- NAl = (8-10) · 1015 (1, 2) и 0.7 · 1015 cm-2 (3, 4). Выдержка ки алюминия, напыленной на рений при комнатной при каждой температуре 30 s.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. 1334 Н.Р. Галль, Е.В. Рутьков, А.Я. Тонтегоде Интенсивности Оже-сигналов подложки, кремния и алюминия Для этого поставлен следующий опыт. Использовалась для различных адсорбционных состояний на поверхности ревспомогательная Re-лента, аналогичная рабочей и расния (все данные приведены в одном масштабе) положенная в 15 mm под угом 45 к поверхности образца. На ней можно было создавать те же адсорбIRe (pure) IAl (SA) ISi (SS) IRe (with SA) ISi (polylayer) IAl (polylayer) ционные состояния, что и на рабочей ленте, причем 40 118 125 26 282 260 геометрическое расположение лент было таково, что при включении напылителя алюминий поступал на раП р и м е ч а н и е. SA — поверхностный алюминид, SS — поверхностбочие поверхности обеих лент одинаковым потоком.

ный силицид.

Схема опыта изображена на рис. 3, a. На вспомогательную ленту напыляли многослойную пленку алюминия, чувствительности металлического и окисленного алю- затем рабочую ленту очищали путем ее прогрева до миния. Полученные нами данные сведены в таблицу. T = 2200 K и поддерживали при T = 300 K, а вспомоВоспользуемся формулами для интенсивности Оже- гательную ленту ступенчато нагревали. При этом атомы сигналов от толстых пленок Al десорбировались с нее и накапливались на чистой поверхности рабочей ленты, где регистрировались с I = nkT, (1) помощью электронной микроскопии (AES). Использованное в опыте взаимное расположение лент позволяло где n — атомная концентрация в пленке, —длина свободного пробега, k — коэффициент элементной чувствительности, T — пропускание спектрометра, постоянное в одном опыте.

Применим формулу (1) к толстым пленкам кремния и алюминия и разделим полученные соотношения друг на друга. Легко получить kSi/kAl =(ISi/IAl)(nAl/nSi)(Al/Si). (2) Считая длины свободного пробега для Оже-электронов обоих элементов близкими, получим kSi/kAl =(282/260) · (6/5) · 1 1.3 ± 0.4. (3) 30-процентный разброс обусловлен в первую очередь неточными данными о длинах свободного пробега.

Рассчитаем теперь поверхностную концентрацию алюминия в ПА. Для поверхностных соединений справедливо соотношение [12] I = kNT, (4) где N — поверхностная концентрация адсорбата. Применим формулу (4) к Оже-сигналам для ПА и поверхностного силицида, записанным в одном масштабе, и разделим друг на друга полученные соотношения.

Видно, что NAl = NSi(IAl/ISi)(kSi/kAl). (5) Подставляя реальные значения из таблицы и (3) получаем NAl = NSi(1.2 ± 0.4).

Таким образом, атомные концентрации кремния и алюминия в ПА и поверхностном силициде на рении близки, и, следовательно, NAl =(1.6 ± 0.4) · 1015 cm-2 [10].

Рис. 3. a) — Схема эксперимента по изучению де2.4. Десорбция алюминия с поверхности сорбции. b) — Рост Оже-сигнала алюминия на поверхнор е н и я. Для создания последовательной физической сти рабочей ленты при ступенчатом (через 100 K) отжиге картины процессов взаимодействия алюминия с повспомогательной ленты с многослойной пленкой алюминия верхностью рения необходимо разделить растворение (NAl =(8-10)·1015 cm-2) на поверхности. Выдержка в каждой алюминия в объеме металла и его термодесорбцию. точке 30 s.

Физика твердого тела, 2002, том 44, вып. Взаимодействие алюминия с поверхностью рения: адсорбция, десорбция, рост... собрать на поверхности рабочей ленты 1/30 всех десорбировавшихся со вспомогательной ленты атомов адсорбата.

На рис. 3, b представлены результаты такого опыта.

Как видно, при T < 1200 K десорбции алюминия с поверхности не наблюдается. При более высоких температурах количество десорбировавшегося адсорбата растет, и при T > 1500 K новые атомы адсорбата на поверхность рабочей ленты не поступают, что свидетельствует о том, что процесс десорбции завершился. Количество атомов адсорбата, перенесенных со вспомогательной ленты на рабочую, рассчитанное из геометрических соображений, с хорошей точностью совпадает с измеренными величинами, представленными на рис. 3, b.

Сравним данные рис. 2 и 3, b. Видно, что десорбция алюминия начинается лишь при T > 1200 K, а значит, уменьшение его поверхностной концентрации при Рис. 4. Зависимость интенсивности Оже-пика алюминия (1) меньших температурах может быть только следствии Оже-пика подложки (2) от времени изотермического отжига ем растворения. Поскольку ПА термостабилен вплоть при 1300 K пленки алюминия с NAl 3 · 1015 cm-2 (примерно до 1300-1350 K, его разрушение протекает, видимо, удвоенный ПА).

лишь благодаря термодесорбции. Более того, логично предположить, что именно термодесорбция вновь поступающих атомов алюминия обеспечивает стабильность поверхностной концентрации, соответствующей ПА, при напылении Al на Re при 1300 K. Это существенно отличает изучаемую систему от адсорбционных систем Si / W(100) и Si / Re(1010), где стабильность поверхностных силицидов обеспечивалась растворением избыточных атомов кремния в объеме металлической подложки [9,10].

2.5. Кинетика ухода алюминия с рения при р а з н ы х т е м п е р а т у р а х. Рассмотрим подробнее уход алюминия с поверхности рения. На рис. 4 представлены данные по отжигу при 1300 K напыленной пленки алюминия с NAl = 3 · 1015 cm-2 (т. е. примерно удвоенный ПА). Видно, что довольно быстро (за 100 s) Ожесигнал алюминия выходит на уровень, соответствующий ПА, а затем, за следующие 300 s, покрытие уменьшается Рис. 5. Зависимость интенсивности Оже-пика алюминия от еще на 15-20%. Сравнение с данными рис. 3, b покавремени изотермического отжига при 1500 K пленки алюмизывает, что наиболее вероятным механизмом удаления ния с NAl = 1.6 · 1015 cm-2, соответствующей ПА.

адсорбата является термодесорбция.

Воспользовавшись аррениусовской формулой для времени жизни адсорбированного атома алюмния, мы можем оценить энергию активации десорбции Al при его Неожиданным оказывается узкий термический интервал поверхностной концентрации, превышающей таковую в десорбции: ПА стабилен при 1300 K в течение сотен ПА. Она составляет Edes 3.6 eV. Интересно отметить, секунд, но очень быстро разрушается при 1500 K. Это что эта величина существенно больше, чем энергия ис- радикально отличает поверхностное соединение алюмипарения алюминия из его расплава (Esub = 2.9eV [13]); ния от соответствующих соединений кремния или серы данный факт, видимо, указывает на то, что атомы с поверхностью рения, в которых температурный интералюминия даже при концентрации, превышающей кон- вал десорбции был весьма широк и составлял 500 K.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.