Stress Analysis of Silicon-Titanium Coating Created by Ion Beam Sputter Deposition

• Autorzy: Rońda J , Rajchel W. , Wojnarowski P.
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of this paper is to evaluate stress in Si-Ti coating created by the ion beam sputter deposition (IBSD) process and to verify the numerical solution against the experimental results. The numerical model of IBSD consists of two sub-models for ? elastic collisions of substrate atoms with ion impinging into the substrate, ? coating structure created in the frame of molecular dynamic simulation. Two programs: TRIM and TRIDYN, are used. These programs are applied at the first stage of calculations based on binary collision approximation (BCA) with Monte Carlo algorithm and neglecting plastic effects. The energy loss for impinging ions appears because of their collisions with substrate atoms and appearance of a scattering angle for both particles. The energy losses are evaluated in each iteration of BCA. The density profile in respect of coating depth is calculated by using TRIDYN. On the basis of the density profile, the structure of coating can be determined from the Cerius2 program by using models of molecular dynamics. Following this, stress in the coating can also be evaluated. Macroscopic properties are computed on the basis of thermodynamic NVT ensemble. The coating process is controlled by parameters such as: a beam current of sputtered atoms, temperature of a substrate, and time. The energy of sputtering beam is assumed as 15keV.

PL

Artykuł ten poświęcony jest analizie naprężeń wewnętrznych wygenerowanych w powłoce krzemowej w czasie nakładania warstwy metodą rozpylania jonowego (NWMPJ), która została wykorzystana do wytworzenia powłoki tytanowej na powierzchni próbki wykonanej z krzemu. Warstwa pośrednia jest mieszaniną krzemu i tytanu i ma większą gęstość niż podłoże krzemowe. Naprężenie w warstwie przejściowej trudno jest zmierzyć ale można je obliczyć metodami numerycznymi. Łatwiejszym zadaniem jest zmierzenie różnicy naprężeń między warstwą pośrednią i krzemowym podłożem, co można wykonać przy użyciu mikro-spektroskopu Ramana. Model numeryczny NWMPJ można przedstawić jako proces złożony z dwóch części: modelu sprężystych zderzeń atomów podłoża z jonami penetrującymi podłoże i modelu tworzenia struktury powłoki. Przestawiony problem można numerycznie rozwiązać przy użyciu dwóch programów: SRIM i TRYDYN. Pierwsza część rozwiązania bazuje na obliczeniach sprężystych zderzeń dwu-cząsteczkowych (SZD), gdzie wykorzystano metodę Monte Carlo. Energia jonów penetrujących podłoże jest rozpraszanaj skutek zderzeń z kolejnymi atomami podłoża. W następstwie tego można obserwować zmiany kąta rozpraszania dla cząstek. W każdej iteracji SZD oblicza się stratę energii cząstki atakującej. Rozkład gęstości warstwy pośredniej oblicza się w programie TRIDYN. Na podstawie tego rozkładu można określić strukturę powłoki używając programu Cerius2, gdzie wykorzystano modele dynamiki molekularnej. Wyniki tych obliczeń pozwalają na określenie naprężeń wewnętrznych w powłoce. Makroskopowe właściwości próbki Si-Ti określa się numerycznie przyjmując, że energia układu termodynamicznego w czasie obróbki warstwy wierzchniej zmienia się ale objętość układu jest stała. Taki układ termodynamiczny jest znany jako układ kanoniczny NVT (ciężar molowy (N), objętość i temperatura (T)), gdzie energia procesów endotermicznych i egzotermicznych jest wymieniana z termostatem (termostat Nose-Hoovera i dynamika Langevina). Proces powlekania jest kontrolowany przez następujące parametry: strumień rozpylonych atomów, temperatura podłoża i czas. Założono, ż energia strumienia rozpylonych atomów jest równa 15 keV.

Słowa kluczowe

EN

molecular dynamics; stress; IBSD; binary collision; coating

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Computer Methods in Materials Science
• Rocznik: 2009
• Tom: Vol. 9, No. 1
• Strony: 110--116
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys.

Twórcy

autor

Rońda J

autor

Rajchel W.

autor

Wojnarowski P.

• Department of Applied Computer Science and Modelling, University of Science and Technology AGH, Cracov, Poland,

Bibliografia

• 1. Eckstein, W., Computer simulation of Ion-Solid Interac-tion, Springer Series, 1991.
• 2. Eckstein, W., Yerbeek, H., Biersack, J.P., Computer simulation of the backscattering and implantation of hydrogen and helium, J. Appl. Phys., 51,2, 1980, 1194-1200.
• 3. Möller,  W., Posselt, M., TRIDYN_FZR User Manual,Dresden, Germany, 2002.
• 4. Rappe, A.K., Casewit, C.J., Colwell, K.S., Goddard, W.A., Skiff, W.M., UFF, a full periodic table forcefield for molecular mechanics and molecular dynamics simulations, J. Am. Chem. Soc., 114, 1992, 10024-10035.
• 5. Robertson, J., Diamond-like Amorphous Carbon, Materials Science and Engineering, 37, 2002, 129-281.
• 6. Wilson, W.D., Haggmark, L.G., Calculations of nuclear stopping, ranges, and straggling in the low-energy region, Physical Review B, 15, 5, 1977, 2458-2468.
• 7. Xiaoming, W., Jianyuan, Y., Tianling, R., Litian, L., Micro-Raman spectroscopy measurement of stress in silicon, Microelectronics Journal, l, 2007, 87-90.
• 8. Yilan, K., Yu, Q., Zhenkun, L., Ming, H., An application of Raman spectroscopy on the measurement of residual stress in porous silicon, Optics and Lasers in Engineering, 8, 2005, 847-855.
• 9. Ziegler, J.F., Biersack, J.P., Littmark, U., The Stopping and Range of lons in Solids. The Stopping and Range of lons in Matter, vol. l, ed. by Ziegler J.F., Pergamon, New York, 1985.