Dyfuzja i zmiany strukturalne w cienkich warstwach Al(1-x)Si(x)O(y); badane przy pomocy metody Spektroskopii Mas Jonów Wtórnych wyposażonej w analizator czasu przelotu

Abstract

Celem pracy jest jakościowe i ilościowe opisanie procesów, które zachodzą w cienkich warstwach tlenku aluminium oraz materiałów kompozytowych Al(1-x)Si(x)O(y) podczas obróbki termicznej. Próbki wytworzono na warstwach krzemowych z naturalnym tlenkiem lub dodatkową warstwą azotku krzemu przy pomocy metody Atomic Layer Deposition (ALD) i poddano wygrzewaniu w szerokim zakresie temperatur (650 - 1100˚C). Zidentyfikowano i scharakteryzowano wiele procesów, mianowicie krystalizację, kurczenie, gęstnienie oraz dyfuzję krzemu z substratu wzdłuż granic ziaren polikrystalicznych. Energia aktywacji dyfuzji zależy od ilości krzemu w materiale kompozytowym i zmienia się zgodnie z następującymi wzorami Ea=0.8-0.51x eV dla próbek amorficznych oraz Ea=2.64+1.65x eV i Ea=3.10-0.53x eV dla próbek krystalicznych wytworzonych odpowiednio na naturalnym tlenku oraz na dodatkowej warstwie azotku krzemu. Wykazano, że naturalna warstwa tlenku posiada silną tendencję do reakcji z cienką warstwą w wyniku której powstaje warstwa przejściowa, która utrudnia dalszą dyfuzję. Prawdziwość wyznaczonego modelu dyfuzji została dodatkowo potwierdzona badaniami dielektrycznymi. Ponadto wykazano, że zastosowana metoda badawcza, Spektroskopia Mas Jonów Wtórnych wyposażona w analizator czasu przelotu może być wykorzystywania jako wiodąca metoda przy badaniu cienkich warstw.

The purpose of this work is qualitative and quantitative description of processes that occur in aluminum oxide and composite material Al(1-x)Si(x)O(y) thin films during the thermal treatment. Samples were fabricated on silicon wafers with natural oxide or additional silicon nitride layer by Atomic Layer Deposition (ALD) and annealed at the wide range of temperatures (650 – 1100˚C). Many processes were identified and characterized, namely crystallization, compaction, densification and diffusion of silicon from the substrate along the grain boundaries. The activation energy of the diffusion process depends on the amount of Si in the composite material and is given by the following equations: Ea=0.8-0.51x eV for amorphous samples and Ea=2.64+1.65x eV ans Ea=3.10-0.53x eV for crystalline samples on natural oxide and additional silicon nitride layer, respectively. It was proved that the natural oxide had a strong tendency to react with the thin film forming an interface layer that restrain further diffusion. The validity of the diffusion model was further confirmed by the dielectric measurements. It was also proved that Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectroscopy can be used as a leading technique for characterization of thin films.