Low-Temperature Interdiffusion and Ordered Phase Formation in Au/Cu Nanocrystalline Thin Films at the Different Atmospheres

Abstract

Interdiffusion processes in the polycrystalline Au (30 nm)/Cu (40 nm) thin films during annealing at 100-200C for 15 and 30 min in a vacuum with different residual-atmosphere pressures of 10 2 and 10 6 Pa and in an environment of hydrogen at a pressure of 510 2 Pa are investigated. Secondary neutral mass spectrometry complemented with transmission electron microscopy, X-ray diffraction, and atomic force microscopy is used. The intermixing of two layers is observed at the temperatures, at which the bulk diffusion can be safely ruled out. Within the Au layer, the detected Cu profiles and their time evolution are typical C-kinetic regime grain boundary profiles. Due to the much higher grain boundary diffusivity, the saturation of Au grain boundaries at the Au-rich side is hit in a very short time. The high Cu concentration level in the Au-side could be interpreted by supposing existing boundaries, which are moving and leaving behind themselves the areas with high Cu concentration close to the stoichiometric compositions. Phase formation takes place in and around grain boundaries due to diffusing component transport along moving grain boundaries.Досліджено процеси взаємної дифузії в тонких полікристалічних плівках Au (30 нм)/Cu (40 нм) під час відпалу за температур у 100-200С впро-довж 15 і 30 хв. у вакуумі при різних тисках залишкової атмосфери у 10 2 і 10 6 Па та в середовищі водню при значенні тиску у 510 2 Па. Застосовано методу мас-спектрометрії вторинних нейтральних частинок, доповнену трансмісійною електронною мікроскопією, Рентґеновою дифракцією й атомно-силовою мікроскопією. Перемішування двох шарів спостерігало-ся при температурах, за яких повністю виключається дифузія за об'ємним механізмом. Одержані для шару Au профілі Cu та їх еволюція з часом були типовими профілями C-кінетичного режиму зерномежової Па. Использован метод масс-спектрометрии вторичных нейтральных ча-стиц, дополненный трансмиссионной электронной микроскопией, рент-геновской дифракцией и атомно-силовой микроскопией. Перемешивание двух слоёв наблюдалось при температурах, при которых объёмная диф-фузия полностью исключается. Измеряемые для слоя Au профили Cu и их развитие с течением времени были типичными профилями зерногранич-ной диффузии с кинетикой C-типа. Из-за гораздо более высокой зерногра-ничной диффузионной подвижности в обогащённом слое Au насыщение границ зёрен золота достигается за очень короткое время. Высокий уро-вень концентрации Cu в слое Au можно объяснить, предполагая наличие подвижных границ, которые оставляют позади себя области с высокой концентрацией Cu, близкой к стехиометрическому составу. Фазообразо-вание происходит внутри и вокруг границ зёрен посредством перемеще-ния диффундирующего компонента вдоль движущихся границ зёрен.