激光誘發(fā)Ti-α-Si多層膜自蔓延反應(yīng).pdf

1、微納米器件的連接需要非常精確的熱源。受誘發(fā)的某些納米多層膜在室溫即可進(jìn)行自蔓延反應(yīng),同時(shí)快速放熱,可為微納米結(jié)構(gòu)單元尤其是熱敏感器件的連接提供熱量。關(guān)鍵是如何精確控制反應(yīng)的反應(yīng)速率和放熱量,從而減小或者避免對(duì)微納米單元的破壞。
　　采用磁控濺射的方法制備了19種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)(層數(shù)N、多層膜調(diào)制周期λ、SiO2厚度w)的Ti/α-Si納米多層膜,并對(duì)多層膜的表面粗糙度、層間結(jié)構(gòu)以及相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。用低能量激光對(duì)所制備的薄膜體系進(jìn)行

2、誘發(fā),研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與誘發(fā)能量E和反應(yīng)速率v的關(guān)系,并對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的形貌和成分進(jìn)行了分析。通過差熱分析法(DifferentialThermalAnalysis,簡(jiǎn)稱為DTA)分析了多層膜反應(yīng)的放熱過程和Ti/α-Si薄膜反應(yīng)的機(jī)理,用有限元模擬的方法對(duì)自蔓延反應(yīng)過程中溫度的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了分析。
　　研究結(jié)果表明:(1)當(dāng)反應(yīng)產(chǎn)物僅為Ti5Si3時(shí),Ti和Si反應(yīng)的理論絕熱溫度Tad約為2403K,大于自蔓延反應(yīng)發(fā)生的理論臨界值1

3、800K。制備的多層膜層間結(jié)構(gòu)非常清晰,表面粗糙度僅為4.14nm,且Ti層和α-Si層之間沒有明顯的固相反應(yīng),說明制備的多層膜從理論和試驗(yàn)角度都符合自蔓延反應(yīng)的要求。(2)SiO2厚度w是一個(gè)最為關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)參數(shù),當(dāng)w較小時(shí),所制備的薄膜體系很難被誘發(fā)。當(dāng)其它參數(shù)一定時(shí),v隨誘發(fā)能量E、層數(shù)N以及SiO2厚度w增大而增大;v隨多層膜調(diào)制周期λ減小而增大;v隨預(yù)擴(kuò)散厚度增大而減小。自蔓延反應(yīng)的主要產(chǎn)物為Ti5Si3。(3)DTA處理的加熱

4、速率越快,各放熱峰越明顯。在500°C、600°C、700°C、1000°C、1300°C處有放熱峰,說明在該溫度存在Ti和α-Si之間的固相擴(kuò)散反應(yīng)。用XRD和SEM對(duì)各個(gè)放熱峰所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)產(chǎn)物的成分和橫截面形貌進(jìn)行分析,得到反應(yīng)產(chǎn)物隨溫度變化趨勢(shì)為TiSi2→TiSi→Ti5Si4→Ti5Si3,并用“圓盤生長(zhǎng)模型”來描述了Ti/α-Si多層膜的反應(yīng)機(jī)理。(4)有限元計(jì)算結(jié)果表明,在自蔓延反應(yīng)過程中,由于SiO2的熱阻擋作用,熱量主