Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. За последние десятилетия необычайно возрос интерес к исследованиям поверхностных явлений. Это связано, в первую очередь, с осознанием того факта, что решение огромного числа фундаментальных и практических задач, выдвигаемых научно-техническим прогрессом, зависит от знания свойств поверхностей и уровня понимания процессов, протекающих с их участием. Дальнейший прогресс во многих перспективных направлениях современной техники и технологии в значительной степени зависит от успехов в развитии физических представлений о свойствах тонких переходных слоев между фазами.
Для исследования свойств поверхностного слоя и межфазных границ разработаны и широко используются такие уникальные по своим характеристикам экспериментальные методы, как электронная и ионная спектроскопия поверхности материалов. Однако, в случае определения химического состава поверхности и характера распределения элементов в поверхностном слое и межфазных границах большинство этих методов дает усредненное по достаточно большой толщине материала значение. Это искажает реальную картину и затрудняет понимание природы физико-химических явлений, происходящих на межфазных границах.
В большинстве случаев экспериментальные исследования свойств границ раздела фаз носит эмпирический характер, а теоретически, как правило, проводятся методами функционала электронной плотности, а также электронно-статистическим и термодинамическим методами при изотермических условиях. На практике же наиболее часто встречаются изобарические условия, которые до настоящего времени при решении подобных задач не рассматривались.
Анализ литературных данных показывает, что к настоящему времени наиболее полно изучена поверхностная сегрегация в металлических сплавах, однако мало изученными остаются поверхностная сегрегация в металлических монокристаллических твердых растворах, ее ориентационная зависимость, распределение атомов в поверхностном монослое. Также мало изучено распределение элементов в поверхностном слое интерметаллических соединений типа фаз Лавеса, которые находят широкое применение на практике в качестве конструкционных материалов.
Одним из интересных явлений, возникающих на границе раздела твердых фаз, является контактное плавление, приводящее к образованию жидкой фазы в зоне контакта при температуре ниже температуры плавления чистых компонентов. Закономерности кинетики контактного плавления получили широкое применение в решении ряда вопросов сварки и пайки металлов (контактно-реактивная пайка). Теоретические и экспериментальные исследования в этом направлении позволяют проследить кинетику процессов, протекающих при повышенных температурах в кон-
такте разнородных кристаллов и дать соответствующие рекомендации по вопросам пайки. Однако, несмотря на практическую и теоретическую значимость исследований контактного плавления, механизм и кинетика этого процесса в гетерогенных структурах, в частности в эвтектических композициях и в системах с химическим взаимодействием компонентов, мало изучены.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Цель работы заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований термодинамических свойств поверхности металлических, полупроводниковых и диэлектрических материалов, а также границ раздела: полупроводник - металлическая пленка, металлическая композиция- жидкость. Здесь под термодинамическими характеристиками понимаются - состав поверхности и межфазной области, поверхностное и межфазное натяжение, работа адгезии, краевой угол смачивания, коэффициент растекания. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Разработка термодинамической теории межфазной сегрегации и межфазного натяжения многокомпонентных систем в изобарических условиях.
Исследование методами ионной и электронной спектроскопии поверхностной сегрегации в однофазных металлических, интерметаллических и полупроводниковых материалах.
- Экспериментальное исследование сегрегации легирующей
примеси в кремнии на границе с металлической пленкой.
- Теоретическое и экспериментальное исследования кинетики
контактного плавления в эвтектических композициях и дистектических
системах.
-Исследование влияния физико-химических свойств поверхности и границ раздела фаз на технологические процессы пайки металлов и сплавов с металлами, полупроводниками и керамиками, а также на формирование полупроводниковых структур при создании интегральных микросхем.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В рамках термодинамического метода слоя конечной толщины развита теория межфазных явлений на границе раздела конденсированных фаз в изобарических условиях.
Впервые получены новые уравнения изобар состава межфазного слоя, межфазного натяжения, работы адгезии, краевого угла смачивания и коэффициента растекания на границе раздела конденсированных фаз с учетом межчастичных взаимодействий в различных приближениях для бинарных и многокомпонентных систем.
Исходя из этих уравнений, установлены новые критерии межфазной активности компонентов на межфазной границе.
Создана новая экспериментальная установка для определения состава и структуры моноатомного поверхностного слоя методом спектроскопии обратно рассеянных ионов низкой энергии (СОРИНЭ) и мо-
дернизировано устройство вторично- ионной масс спектрометрии (ВИМС) для построения профилей распределения элементов в ультратонких поверхностных слоях материалов.
Впервые экспериментально изучены профили распределения элементов в поверхностном слое монокристаллических твердых растворов, фаз Лавеса, элементарных полупроводниках и полупроводниковых соединениях типа А3 В5.
Впервые методом СОРИНЭ изучены структура поверхности монокристалла твердого раствора Си+6 ат.% Ge (111) и реконструкция поверхностного слоя при напылении долей монослоя Sn на эту поверхность.
Впервые изучено распределение легирующих примесей на межфазной грашще кремния с металлической пленкой, а также перераспределение их в процессе образования и роста силицидов металлов.
Обнаружена анизотропия кинетики контактного плавления эвтектических композиций с чистыми металлами и установлено существование массопереноса вдоль межфазной границы композиционный материал-жидкость, влияющего на процесс контактного плавления.
Используя полученные экспериментальные данные, проведены расчеты термодинамических характеристик поверхностного слоя исследованных систем.
Разработаны новые способы определения толщины силгщидных пленок на межфазной грашще металл-кремний, соединения металлов с керамическими материалами, а также поверхностной энерпш твердых тел. Разработанные способы защищены авторскими свидетельствами на изобретения.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Полученные уравнения изобар межфазного натяжения, состава межфазного слоя, работы адгезии, краевого угла смачивания и коэффициента растекания могут быть использованы при разработке новых и оптимизации существующих технологических процессов создания изделий микроэлектроники и машиностроения, а также в планировании экспериментов.
Разработанное для диагностики поверхности экспериментальное оборудование используется для научных исследований и в учебном процессе при выполнении курсовых и дипломных работ.
Результаты исследования поверхностных и межфазных характеристик полупроводниковых структур внедрены в ОАО СКБ "Элькор" (Нальчик) 1992 и 1997г и ОАО НЗПП (Нальчик) 1994 г.
Разработанные рекомендации по пайке металлов с металлами, полупроводниками и керамическими материалами использованы во Всесоюзном электротехническом институте (Москва) и п/о "Элькор" .
Результаты исследований используются также в курсе лекций по термодинамике межфазных явлений, в спецкурсе "Методы исследования твердотельных структур с помощью ионных пучков", а также в лабораторном практикуме "Методы диагностики материалов и изделий электронной техники с помощью ионных пучков".