Diffusion kinetics and phase formation in Ag/Al and Ru/Al multilayer thin films

Abstract

Thin films demonstrate peculiar mass-transport and chemical reactions, which is a manifestation of their unique microstructure properties compared to bulk. High interfacial densities found in multilayer thin films induce various effects on the kinetics and thermodynamics which require further attention. Multilayers deposited by DC magnetron sputtering undergo calorimetric and microstructural analyses. The microstructure is extensively studied on the atomic scale to provide quantitative information on concentration gradients, grain boundary segregations and reaction mechanisms. Two multilayer thin films systems of miscible elements are chosen for the investigation, namely, Ag/Al and Ru/Al, analyzed in as-deposited and annealed conditions, respectively. The interdiffusion in the Ag/Al films is studied under different deposition conditions and period thicknesses. The magnitude of interdiffusion is found to be inversely proportional to the period thickness and reduced using low sputtering power. Layer thicknesses in Ag/Al below 6 nm have revealed the influence of the interfacial gradient energy on enhancing interdiffusion. Metastable phases were detected in Ag/Al reactions which form as transient or product phases. Asymmetric interdiffusion is detected in Ru/Al multilayers, related to non-equilibrium segregations during deposition.

Dünnschichten zeigen Besonderheiten im Stofftransport und bei chemischen Reaktionen, was ein Ausdruck ihrer einzigartigen Gefügeeigenschaften im Vergleich zu Bulk-Materialien ist. Die hohe Grenzflächendichte in Multischichten hat verschiedene Auswirkungen auf Thermodynamik und Kinetik, was besondere Aufmerksamkeit verdient. Mittels DC-Magnetronsputtern abgeschiedene Multischichten werden kalorimetrisch und mikrostrukturell analysiert. Eingehende Gefügeuntersuchungen auf der atomaren Skala liefern quantitative Informationen über Konzentrationsgradienten, Korngrenzensegregation und Reaktionsmechanismen. Zwei verschiedene Multilagensysteme miteinander mischbarer Elemente, Ag/Al und Ru/Al, werden für die Untersuchungen ausgewählt und sowohl nach der Abscheidung, als auch nach Wärmebehandlung analysiert. Die Interdiffusion in Ag/Al-Schichten wird als Funktion der Abscheidebedingungen und Bilayerdicke untersucht, wobei sich ihr Ausmaß als umgekehrt proportional zur Bilayerdicke erweist und bei geringerer Sputterleistung weniger ausgeprägt ist. Einzellagendicken von weniger als 6 nm in Ag/Al zeigen den Einfluss der Grenzflächengradientenenergie auf die Interdiffusion. Die intermetallische ?-Phase nukleiert durch lokale Übersättigung in wärmebehandelten Ag/Al-Schichten. Metastabile Phasen wurden sowohl als Zwischen-, als auch als Endprodukte von Ag/Al-Reaktionen gefunden. Asymmetrische Interdiffusion als Folge von Ungleichgewichtssegregationen wurde in Ru/Al-Multilagen nachgewiesen.