Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Нестационарные методы исследования физических свойств пленок и тонких фолы- с использованием излучения лазеров 10
1.1. Методы, основанные на однократном импульсном нагреве 10
1.1.1, Классические методы 10
1.1.2. Методы, использующие неоднородность пространственного распределения излучения 15
1.2. Методы, основанные на синусоидальном нагреве
1.2.1. Классические методы 17
1.2.2. Методы, использующие неоднородность пространственного распределения излучения 22
1.3. Методы, основанные на периодическом импульсном нагреве 23
1.4. Нестационарные методы исследования тепловой проводимости границы раздела плен ка-подложка 27
1-5. Влияние процессов релаксации па перенос тепла 33
1.6. Выводы 35
Глава 2. Особенности постановки линейных краевых задач, моделирующих нагрев излучением лазера. Основные определения 37
2.1. Пространственная и временная составляющие плотности поглощен-ной мощности интенсивных лазерных источников тепла 37
2.2. Линеаризация математической модели 44
2.3. Тепловые импульсы и температурные волны 45
2.4. Выход на квазистационарный тепловой режим 53
2.5. Выводы 56
Глана 3. Нагрев конденсированных сред излучением лазера, работающего в периодическом импульсном режиме 57
3.1. Осциллирующая составляющая к ваз и стационарно го температурного поля, возникающая в полу ограниченном теле при периодическом им пульсном нагреве 57
3.2. Осциллирующая составляющая квази стационарного температурного поля, возникающая в пленках и тонких фольгах при периодическом им пульсном нагреве 60
3.3. Осциллирующая составляющая квазистационарного температурного ноля с учетом процесса релаксации термически активируемых дефектов 68
3.4. Выводы 72
Глава 4. Периодический импульсный нагрев системы пленка-подложка излучением лазера 73
4.1. Осциллирующая составляющая квазистационарного температурного поля в системе 73
4.2. Результаты математическою моделирования осциллирующей составляющей квазистационарного температурного поля в системе пленка-подложка 75
4.3. Выводы 83
Глава 5. Векторный подход к исследованию осциллирующей составляющей квазистационарного температурного поля S4
5.1. Переход к векторному представлению осциллирующей составляющей. Частотная и временная характеристика образца 84
5.2. Спектральный анализ осциллирующей составляющей температурного поля полу ограниченного образца 86
5.3. Спектральный анализ осциллирующей составляющей температурного поля в пленках и топких фольгах 89
5.4. Спектральный анализ осциллирующей составляющей температурного поля в системе пленка-подложка 96
5.5. Выводы 102
Глава 6. Экспериментальная часть 103
6.1. Аппаратура для исследования релаксационных свойств конденсированных сред и тепловой иронодимоети границы раздела подложка с использованием периодического импульсного излучения лазеров 103
6.2.1. Исследование влияния конечного времени релаксации термически активируемых дефектов на коэффициент затухания осциллирующей составляющей кв аз и стационар ного температурного поля в тонких вольфрамовых образцах 107
6.2.2. Исследование влияние облучения высокоэнергетическими электронами на величину тепловой проводимости в системе W пленка (0,8 мкм)-Si подложка (0,7 мм) 110
6.2.3. Исследование влияния на величину тепловой проводимости границы раздела в системе В (10 мкм) - Si (0,7 мм) процессов массопереноса под действием облучения высокоэнергетичеекими электронами 114
6.3. Выводы 117
Заключение 118
Список использованных источников
- Нестационарные методы исследования тепловой проводимости границы раздела плен ка-подложка
- Пространственная и временная составляющие плотности поглощен-ной мощности интенсивных лазерных источников тепла
- Осциллирующая составляющая квази стационарного температурного поля, возникающая в пленках и тонких фольгах при периодическом им пульсном нагреве
- Спектральный анализ осциллирующей составляющей температурного поля полу ограниченного образца
Введение к работе
До последнего времени применение излучения лазеров, работающих в однократном импульсном режиме или с синусоидальной модуляцией доб-ротности резонатора, рассматривались в качестве' альтернативных, поскольку синусоидальная модуляция предполагает использование монохроматическо-го воздействия, в то время как при однократном импульсном режиме работы лазера существенную роль играет именно ширина спектра. В результате осталось почти не рассмотренной проблема взаимодействия с конденсированными средами тепловых источников с дискретным спектром частот, которые реализуются с помощью лазеров, работающих в периодическом импульсном режиме.
Интерес к этой проблеме был стимулирован тем, что исследование тепловых свойств пленок традиционными методами путем однократного импульсного или синусоидального нагрева образца вызывает затруднения. В импульсных методах они связаны с большой случайной ошибкой из-за малой величины выборки и разбросом выходных параметров излучения лазера с уменьшением длительности импульса. При синусоидальном нагреве выйти на частоты s превышающие 1 кГц, практически невозможно из-за резкого уменьшения амплитуды колебаний температуры с увеличением частоты модуляции. Чтобы получить данные о тепловых свойствах пленок, тонких фолы и слоистых систем толщиной 0,1—100 мкм, необходимо перейти в радиочастотный диапазон колебаний температуры.
Одним из эффективных способов решения этой задачи является использование лазеров, работающих в периодическом импульсном режиме, В этом случае, за счет появления дополнительной степени свободы — коэффициента заполнения y = tultab можно независимо изменять импульсную и
среднюю мощность нагрева. Здесь ttt и ttl- длительность и период следования
импульсов лазерной генерации. При этом использование лазеров с акустооп-
f тической модуляцией добротности резонатора позволяет достичь амплитуд
^
пульсаций температуры -100 К в диапазоне частот следования импульсов 0,01—1 МГц при средней температуре в пятне нагрева 500—3000 К.
В общем случае описание процесса взаимодействия периодических импульсных лазерных пучков с конденсированными средами представляет собой сложную нелинейную задачу, которая может быть решена только с помощью машинных методов счета [1], Было показано [2-5], что на больших временах возникает устойчивый колебательный режима, для которого тепловую задачу можно линеаризовать и получить для нее аналитическое решение удобное для моделирования процесса на ЭВМ и постановки физического эксперимента.
По-видимому, впервые экспериментально квазистационарный тепловой режим, возникающий при нагреве модулированным по гармоническому закону электронным пучком, был исследован в работе [6] при разработке варианта метода температурной волны измерения температуропроводности. Результаты экспериментальных исследований и математические модели, описывающие на больших временах тепловые процессы, в радиочастотном диапазоне следования импульсов лазерной генерации предложены в [2-5, 7].
Однако, детальное исследование с помощью полученных формул осциллирующей составляющей температурного поля были ограничены возможностями вычислительной техники.
В связи с этим, в работе было проведено численное исследование квазистационарного теплового режима возникающего при взаимодействии излучения лазеров, работающих в периодическом импульсном режиме с пленками, тонкими фольгами и слоистыми средами. Построены пространственно-временные зависимости осциллирующей составляющей температурного поля. Полученные результаты использованы для разработки методов исследования тепло физических релаксационных свойств образцов и адгезионных характеристик системы плен ка-подложка.
В главе 1 представлены результаты литературного обзора известных нестационарных методов измерения тепловых характеристик пленок и слои-
стых систем излучением лазера. Показано, что существующие нестационарные методы могут быть разбиты на две группы, одна из которых использует излучение лазеров, работающих в однократном импульсном режиме, другая — синусоидальную модуляцию добротности лазерного резонатора, В связи с ограничениями этих методов рассмотрена возможность использования для измерения теплофизических свойств конденсированных сред излучения лазеров, работающих в периодическом импульсном режиме. Основная трудность, связанная с применением для измерения теплофизических свойств таких лазеров, обусловлена недостаточной проработкой соответствующих тепловых моделей.
В главе 2 даны основные обозначения и определения, используемые в работе. Рассмотрены особенности описания взаимодействия с конденсированными средами однократных тепловых импульсов и тепловых источников, меняющихся во времени по гармоническому закону. Описана процедура линеаризации исходной тепловой задачи. Приведены результаты теоретического исследования процесса установления квазистационарного теплового режима при периодическом импульсном нагреве.
В главе 3 проведено исследование осциллирующей составляющей квазистационарного температурного поля, возникающего при периодическом
импульсном нагреве полуиространстна и образцов конечной толщины перио-
дическими импульсными лазерными лучками с поверхностным поглощением излучения. Показано, что решение может быть представлено в виде линейной суперпозиции температурных колебаний с частотами, кратными частоте следования импульсов лазерной генерации. Проведено моделирование осциллирующей составляющей температурного поля в зависимости от частоты следования импульсов лазерной генерации й> = 2ж//|?1 толщины / образца и коэффициента заполнения /. Рассмотрен вопрос о возможности использования периодического импульсного нагрева для исследования релаксационных процессов, обусловленных конечным временем установления равновесной л концентрации термически активируемых дефектов.
Б главе 4 представлены результаты исследоплиий осциллирующей составляющей температурного поля в системе пленка-подложка при конечной величине тепловой проводимости границы раздела. Показано, что информативным параметром, характеризующим качество границы раздела является амплитудное значения осциллирующей составляющей температурного поля и ее производная по величине тепловой продо дим ости. Найдена зависимость производной от частоты следования импульсов лазерной генерации и толщины пленки. -
В главе 5, используя векторное представление решения, предложен метод анализа осциллирующей составляющей аналогичный методу спектрального анализа периодических сигналов. Для устойчивых конфигураций осциллирующей составляющей температурного ноля, ностроенны зависимости изменения коэффициента корреляции по толщине образца- Используя векторную интерпретацию, проведено исследонание спектральных характеристик осциллирующей составляющей температурного поля в зависимости от частоты импульсов лазерной генерации и толщи яы образца, а для системы пленка-поднтожка - зависимости спектральных амплитуд от тепловой проводимости границы раздела.
В главе 6 описаны аппаратура для экспериментальных исследований осциллирующей составляющей квазистационарного температурного поля и результаты исследований тепловой проводимости границы раздела в системе плен ка-подложка. Проведено исследование влияния процессов релаксации па коэффициент затухания температурного сигнала в тонких вольфрамовых образцах толщиной 10 мкм. По величине тепловой проводимости границы раздела изучены адгезионные характеристики системы W (0,8 мкм) — Si (0,7 мм), а в системе В (10 мкм) — Si (0,5 мм) — изменение состояние границы раздела после облучения выеокоэнергетическим электронным пучком.
Нестационарные методы исследования тепловой проводимости границы раздела плен ка-подложка
В общем случае описание процесса взаимодействия периодических импульсных лазерных пучков с конденсированными средами представляет собой сложную нелинейную задачу, которая может быть решена только с помощью машинных методов счета [1], Было показано [2-5], что на больших временах возникает устойчивый колебательный режима, для которого тепловую задачу можно линеаризовать и получить для нее аналитическое решение удобное для моделирования процесса на ЭВМ и постановки физического эксперимента.
По-видимому, впервые экспериментально квазистационарный тепловой режим, возникающий при нагреве модулированным по гармоническому закону электронным пучком, был исследован в работе [6] при разработке варианта метода температурной волны измерения температуропроводности. Результаты экспериментальных исследований и математические модели, описывающие на больших временах тепловые процессы, в радиочастотном диапазоне следования импульсов лазерной генерации предложены в [2-5, 7].
Однако, детальное исследование с помощью полученных формул осциллирующей составляющей температурного поля были ограничены возможностями вычислительной техники.
В связи с этим, в работе было проведено численное исследование квазистационарного теплового режима возникающего при взаимодействии излучения лазеров, работающих в периодическом импульсном режиме с пленками, тонкими фольгами и слоистыми средами. Построены пространственно-временные зависимости осциллирующей составляющей температурного поля. Полученные результаты использованы для разработки методов исследования тепло физических релаксационных свойств образцов и адгезионных характеристик системы плен ка-подложка.
В главе 1 представлены результаты литературного обзора известных нестационарных методов измерения тепловых характеристик пленок и слоистых систем излучением лазера. Показано, что существующие нестационарные методы могут быть разбиты на две группы, одна из которых использует излучение лазеров, работающих в однократном импульсном режиме, другая — синусоидальную модуляцию добротности лазерного резонатора, В связи с ограничениями этих методов рассмотрена возможность использования для измерения теплофизических свойств конденсированных сред излучения лазеров, работающих в периодическом импульсном режиме. Основная трудность, связанная с применением для измерения теплофизических свойств таких лазеров, обусловлена недостаточной проработкой соответствующих тепловых моделей.
В главе 2 даны основные обозначения и определения, используемые в работе. Рассмотрены особенности описания взаимодействия с конденсированными средами однократных тепловых импульсов и тепловых источников, меняющихся во времени по гармоническому закону. Описана процедура линеаризации исходной тепловой задачи. Приведены результаты теоретического исследования процесса установления квазистационарного теплового режима при периодическом импульсном нагреве.
В главе 3 проведено исследование осциллирующей составляющей квазистационарного температурного поля, возникающего при периодическом импульсном нагреве полуиространстна и образцов конечной толщины периодическими импульсными лазерными лучками с поверхностным поглощением излучения. Показано, что решение может быть представлено в виде линейной суперпозиции температурных колебаний с частотами, кратными частоте следования импульсов лазерной генерации. Проведено моделирование осциллирующей составляющей температурного поля в зависимости от частоты следования импульсов лазерной генерации й = 2ж//?1 толщины / образца и коэффициента заполнения /. Рассмотрен вопрос о возможности использования периодического импульсного нагрева для исследования релаксационных процессов, обусловленных конечным временем установления равновесной л концентрации термически активируемых дефектов.
В главе 4 представлены результаты исследоплиий осциллирующей составляющей температурного поля в системе пленка-подложка при конечной величине тепловой проводимости границы раздела. Показано, что информативным параметром, характеризующим качество границы раздела является амплитудное значения осциллирующей составляющей температурного поля и ее производная по величине тепловой продо дим ости. Найдена зависимость производной от частоты следования импульсов лазерной генерации и толщины пленки. В главе 5, используя векторное представление решения, предложен метод анализа осциллирующей составляющей аналогичный методу спектрального анализа периодических сигналов. Для устойчивых конфигураций осциллирующей составляющей температурного ноля, ностроенны зависимости изменения коэффициента корреляции по толщине образца- Используя векторную интерпретацию, проведено исследонание спектральных характеристик осциллирующей составляющей температурного поля в зависимости от частоты импульсов лазерной генерации и толщи яы образца, а для системы пленка-поднтожка - зависимости спектральных амплитуд от тепловой проводимости границы раздела.
В главе 6 описаны аппаратура для экспериментальных исследований осциллирующей составляющей квазистационарного температурного поля и результаты исследований тепловой проводимости границы раздела в системе плен ка-подложка. Проведено исследование влияния процессов релаксации па коэффициент затухания температурного сигнала в тонких вольфрамовых образцах толщиной 10 мкм. По величине тепловой проводимости границы раздела изучены адгезионные характеристики системы W (0,8 мкм) — Si (0,7 мм), а в системе В (10 мкм) — Si (0,5 мм) — изменение состояние границы раздела после облучения выеокоэнергетическим электронным пучком.
Пространственная и временная составляющие плотности поглощен-ной мощности интенсивных лазерных источников тепла
Температурный ото и к в молибденовой и алюминиевой гонких пленках толщиной в ТОО им, нанесенных на подложку из стекла Ругех 7740. исследовался при комнатной температуре по RF схеме. Показано, что гештоиеренос в пленках молибдена и алюминия протекает в рамках кл ас сич ее ко го закона Фурье, а теплопроводность тонких шіеиок соответствует значениям, полученным для компактных материалов.
Метод измерения анизотропии теплопроводности тежкопленочлых материалов, разработанный для свободных пленок, описан j [19]. Точечный и линейный источники реализованы с помощью соответствующей фокусировки луча лазера. Оба способа фокусировки позволяют измерять анизотропию температуропроводности. С использованием ИК-детектора записаны кривые зависимости «температура-время». Показано,, что они совпадают с решением для источника нагрева, включенным в начальный момент времени (ступенчатый нагрев). Таким образом, нет необходимости знать коэффициент поглощения или абсолютный рост температуры образца. Теоретически исследовано влияние размеров образца и теплопоторь па конфигурацию температурного поля. Для тонких образцов использовалась двумерная модель, В экспериментах теплопотери исключались путем экстраполяции коэффициентов температуропроводности, полученных на разных временных промежутках. Метод тестирован путем сравнения с результатами измерений теплопроводности эталонных образцов. w
Зависимость температуропроводности от толщины тонких пленок и подложек изучалась с помощью метода, основанного на преломлении отраженного луча лазера (TRG метод) [14]. Для нагрева использовался лазер с длиной волны излучения 800 им и длительностью импульса 200 фс. В эксперименте тонкая пленка чистого золота наносилась на силиконовую подложку или подложку из кварцевого стекла. Измерения выполнялись на пленках различной толщины. Результатві исследований показали, что в диапазоне толщин от 25 до 500 нм температуропроводность зависит как от толщины пленки, так и материала подложки.
В [20] при исследовании тепловых свойств проводящих структур им пульсным методом было предположено, ччо тепловой процесс подчиняется гиперболическому уравнению теплопроводности. В расчетах использовалось решение, полученное с использованием матричных методов. Эксперимен тальные зависимости температурного сигнала, приведенные в работе, хоро шо согласуются с результатами, полученными аналитически. Показано, что температурный сигнал, вызванный излучением импульсного лазера, может быть использован для анализа внутренних параметров, дефектов и полостей, изменений толщины пленки, а также теплового сопротивления границы раздела. распределения излучения Другой подход к измерению тепловых свойств пленок импульсным ме тодом был продемонстрирован в [21]. Этот вариант метода основан на изме рении температуропроводности поверхности пленок с использованием то чечного источника нагрева. Поверхностная темпе ратуропр овод ноет ь пленки оценивалась по изменению температуры в двух разных точках па поверхно сти образца, фиксированных в пятне нагрева. Для получения расчетных фор мул решалась соответствующая задача теплопроводности. Модель учи гывала конечную глубину поглощения лазерного импульса и тештопотери с поверх ности образца- В [22] предложен импульсный метод измерения температуропроводности тонких пленок в направлении параллельном и перпендикулярном поверхности образцов- При измерении в направлении параллельно поверхности образца, использовался узкий линейный профиль температурного отклика с задней поверхности образца. Для исследования тепловых свойств пленок в [23] был использован метод сходящихся волн. Кольцеобразная область образца нагревалась импульсным излучением лазера, сфокусированным на поверхности образца с помощью системы сферических и конических линз. Температура поверхности регистрировалась с помощью ИК-приемника. В работе представлен теоретический анализ метода и результаты эксперимента, полученные для разных материалов- Обсуждено влияние на тепловые процессы теплопотерь с поверхности образца. Импульсный метод измерения температуропроводности, основанный на регистрации амплитуды и сдвига фаз кольпеных температурных изотерм, вызванных лазерным импульсом, предложен в [24]. Поликристаллическая алмазная пленка наносилась па подложку методом вакуумного напыления. Проведен аналитический расчет температурного поля (параллельно поверх ности пленки). Модель использовалась для исследования поверхностной температуропроводности и теплопроводности системы алмаз-кремний и ал мазных пленок. Полученные значения чегглопроводности алмазных пленок оказались равными 13,50 и 13,28 Вт/см-К, Измерения по сдвигу фаз и изме нению амплитуды в пределах погрешности эксперимент дали одинаковые результаты, В [25] исследована теплопроводность тонких металлических пленок с использованием лазерных импульсов с гауссовым распределением плотности поглощенной мощности. Тепловой сигнал с передней поверхности пленки, облучаемой пикосекундными лазерными импульсами, сравнивался с результатом машинного счета исходной тепловой задачи. Авторы оценивают совпадение расчетов с экспериментом как удовлетворительное. Решение для метода сходящихся волн при определении температуропроводности предполагает идеализированные условия, которые трудно достичь в условиях реального эксперимента и это препятствует получению реальных значении температуропроводности. В [26] рассмотрена, связанная с этим погрешность эксперимента.
Осциллирующая составляющая квази стационарного температурного поля, возникающая в пленках и тонких фольгах при периодическом им пульсном нагреве
Типичным примером метода, использующего неоднородность пространственного распределения излучения, является сканирующий зопдоиый метод. В [36] этим методом была измерена теплопроводность никелевой и золотой тонких пленок (толщиной 0,4-8 мкм) на кварцевой подложке. Предварительно рассчитывалась оптимальная для проведения измерений частота колебаний температуры и пленке. Измерения для пленок различной толщины показали, что величина теплопронодности для никеля близка к значениям для компактных матерналов, в то время как для золотых пленок наблюдается уменьшение теплопроводности с уменьшением их толщины.
В [37] гармонический нагрев использован для измерения поверхностной температуропроводности пленок (толщиной менее 300 мкм) однородных материалов и слоистых систем. Тепловые свойства определялись из анализа затухания синусоидальной температурной волны, возникающей при облучении образца мо;іулированным излучением (на частоте от 1 до 20 Гц). Чтобы преодолеть ограничивающие факторы, в частности, улучшить соотношение сигнал-шум и уменьшить теплопотери, была усовершенствована схема измерений. В пей использован синусоидально модулированный лазерный пучок с большой плотностью мощноетщ и специальной оптической системы, предназначенной для обеспечения однонаправленного прохождения температурной волны. Измерения проводились на частотах в диапазоне от 0?01 до 10 Гц, Работоспособность установки продемонстрирована путем измерения тепловых свойств материалов с известными характеристиками (никель, сталь), а также таких материалов как стекловидный углерод и алюминий. Показано удовле творительное совпадение полученных результатов для химически осажден ных алмазных пленок с результатами, полученными традиционными спосо бами. Экспериментальный лазерный стенд, который позволяет проводить одновременные измерения поверхностной температуропроводности а и теплоемкости Ср, описан в [38]. Для измерения температуры в нем испольчован фототшромет рический микроскоп. Получены результаты для сверхпроводящего YBazCu Ov х н диапазоне температур 50-300 К, Результаты хорошо со-гласуюгея со значениями, известными из других независимых источников. Тепловые свойства тонкой двухслойной пластины при прохождении через нее иериолического температурного сигнала были исспедованьЕ в [39]. Были изучены расхождения между классической моделью распределения тепла, волновой моделью, и моделью расхождения по фазе на границе раздела. Получено аналитическое решение для распространения тепла внутри пластины. Изучена частотная зависимость, влияние толщины пленки, времени релаксации, анизотропная разность фаз градиента температуры. Обнаружено, что расхождение в результатах возрастает с увеличением частоты модуляции и уменьшается с увеличением толщины пластины. Показана необходимость учета влияния границы раздела на изменение фазы колебаний при толщине пленок меньше 6-10 мкм и частоте колебаний температуры о 10 Гц, По-видимому, впервые на возможность достичь степени нестационарное температурного поля, характерной для однократного импульсного нагрева, сохранив характерную для синусоидального сигнала малую погрешность измерений, было обращено Б [3. 4]. В этик работах использовалось излучение лазеров, в которых периодический импульсный реэгеим создавался с помощью акустооптического затвора (АОЗ). Была исследоиана осциллирующая составляющая кваз и стационарного температурного поля, возникающего при нагреве образцов большой толщины (приближение полу ограниченного тела) излучением Y AG-лазера. Длительность импульсов tu составляла — 1 мке, период следования импульсов лазерной генерации /п =10" с. Появление дополнительной степени свободы — коэффициента заполнения у = tu /ta позволило «развязать» среднюю и импульсную мощность нагрева и, выйдя в радиочастотный диапазон колебаний температуры, достигнуть скорости нагрева и амплитуды пульсаций температуры 7] -107-108К/с и 0Д 1О —100К5 характерных для однократного импульсного нагрева. В общем случае моделирование тепловых процессов, возникающих под действием периодического импульсного излучения лазера связано с решением сложной нелинейной тепловой задачи, которое может быть получено только с использованием современных методов машинного счета [1]. Используя численные методы, было показано существование на больших временах квазистационарного температурного поля, у которого спектр частот колебательной составляющей Q(t x) температурного поля совпадает со спектром частот внешнего теплового (лазерного) воздействия. Однако ввиду трудностей счета провести детальное исследование конфигурации осциллирующей составляющей в зависимости от частотных характеристик излучения лазера и геометрических параметров образца не удалось. Проблема, которая возникает при использовании аналитических методов описания осциллирующей составляющей Q(t,x), связана с обоснованием способа линеаризации задачи на больших временах.
Спектральный анализ осциллирующей составляющей температурного поля полу ограниченного образца
В работе [62] описывается применение модулированной отражательной микроскопии для одновременного определения тепловой проводимости границы раздела и температуропроводности тонких сверхпроводящих пленок YbaCuO нанесенных на подложку из ZrO?, LaAIOjj и SrTiO - Измерялись изменения амплитуды и фазы температурной волны между нагретой и зондирующей точками поверхности. Получены значения тепловой проводимости тонкой пленки и подложки и тепловое сопротивление на границе фаз пленка-подложка, Измеренная поверхностная температуропроводность пленки YbaCuO оказалась равной 0,29-0,36 см /с, тепловая проводимость раздела на qmi-шце пленка-подложка — 1,25-0,7740 Вт/м К у всех трех подложках; температуропроводность подложек — ОД см"/с (/.гСЬХ 0,41 см /с (La А Юз) и 0,33 см /с (5гТЮз) соответственно,
Импульсный метод измерения температуропроводности тонких пленок и покрытий, включая возможностью определения теплового сопротивления границы контакта и тепловой анизотропии пленок или покрытий, при двухмерной постановке тепловой задачи был развит it [6-3]. Приведены формулы для расчета температуропроводности и тепловой проводимости границы раз-дела.
Обратим внимание, что возможность оценки качества границы раздела по величине тепловой проводимости является эффективным средством для исследования эффекта мае с оперено с а, возникающего при облучении многослойных систем высоко энергетическими электронами? и представляет интерес как инструмент для изучения адгезионных и диффузионных свойств гра-ницы .шздела /641. Поэтому эту возможность материаловедческого подхода к исследованию тепловой проводимости рассмотрим более подробно, По-видимому, впервые эффект электронно-стимулированного массо-переноса наблюдался в [65] при исследовании радиационной стойкости материалов. Было обнаружено образование фазы MgsAls в ненасыщенном твердом растиоре Al-Mg в условиях облучения высокоэнергетическими электронами. Новый подход к исследованию эффекта был продемонстрирован в [66]. В этих исследованиях впервые изучался электронно-стимулированный мас-соперенос в бинарных системах с границей раздела. Так как использовались плоские двухслойные образцы, то это позволило применить для исследования диффузионных зон хороню разработанные классические методы. При исследовании образцов германия и кремнии с нанесенным слоим алюминия толщиной 0,3 мм под действием облучения электронами с энергией 2-9 МэВ, плотностью тока в пучке- 15 мкА/см2 и интегральной дозой облучения- 10Г7 эл/см при температурах 293-333 К было обнаружено проникновение элементов из иерхней пластины в нижнюю на глубину 0,5 мкм. На основании этого был сделан вывод о наличии аномалы того массопереіюса при тсомнат-ной температуре. Показано, что эффект начинает проявляться при облучении образцов электронами с энергиями, превышающими 1 МэВ, В дальнейшем подобная методика и виды образцов были использованы в работах [67-70].
Основная трудность, которая возникает при исследовании эффекта, состоит в том, что его результаты существенно зависит от организации эксперимента. Например, превышение определенной толщины образца приводит к тому, что электронный пучок не будет проникать на глубину, необходимую для образования диффузионной зоны. При увеличении плотности тока и лучке вследствие появления объемного теплового источника происходит разогрев образца, В результате становится невозможным разделить термически активируемые диффузионные процессы и процессы радиационного массопе-реноса. Кроме того, установлено, что существуют пороговые значения энергии электронов, ниже которых эффект не наблюдается. Поэтому в [71] были проведены математическое моделирование оснонных параметрои взаимодействия иысокоэнергетических электронов с образцами и специальные экспе риадепты, которые позволили выявить важную роль процессов, протекающих на границе раздела.
В связи с этим в [72] было исследование влияния облучения высоко-энергетическими электронами па состояние границы раздела системы В (10 мкм) — Si (0,5 мм) при термическом отжиге,
Для исследований использовались комплекс методов физико-химическою анализа, включающий оптическую и сканирующую электронную микроскопию, рентге но фазовый и ми крорентгено спектральный анализ и метод лазерной дефектоскопии. Изучение распределения концентрации элементов в переходной зоне до и после облучения проводили па микроапализа-торе «Cam ebax- microbe am». Информация о строении диффу з ионной зоны сравнивалась с результатами для контрольного образца, полученных в тех же условиях, но в отсутствие облучения. Достижение системами стационарных состояний устанавливалось по отсутствию изменений параметров в процессе облучения: фазового состава диффузионной зоны, концентрации элементов на іраницах слоев фаз и парциальных коэффициентов диффузии компонентов, Соответствие стационарных состоянии, полученных после облучения систем с равновесными определялось путем сравнения с положением фазовых границ па диаграмме состояния.
Для достижения стационарного состояния проводилось облучение образцов при фиксированной температуре 1200К в течение нескольких интервалов времени. По мере набора флюенса определялся фазовый состав и распределение элементов в образовавшейся диффузионной зоне образца.
Было проведено исследование распределения концентрации компонентов на границе раздела системы В-Si в диффузионной зоне после облучения электронами в течение 10, 100, 250 и 500 мин. Предварительно исследовалось распределение компонентов в диффузионных зонах, полученных при тех же условиях в отсутствие облучения. Полученные концентрационные кривые использовались для расчета коэффициента массопереноса и его зависимости от концентрации компонентов в системе. Данные расчетов в облученпои зоне, полученные при исследовании процесса электронно-стимулированного массопереноса, а также данные, полученные при исследовании процесса термической диффузии в этих системах без облучения, позволяют утверждать, что концентрационная зависимость коэффициента взаимной диффузии практически не меняется в результате облучения. Однако значения коэффициента диффузии бора в кремний в облученных образцах оказываются выше на порядок.
