Диффузия

Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров кристаллической решётки. Диффузия связана с переносом вещества, что может привести к изменению химического состава. Наиболее вероятным механизмом диффузии (т.е. путем перемещения атомов во время диффузии) в твердых растворах являются вакансионный (диффундирующий атом занимает вакансию). Наиболее легко диффузия протекает также по дефектам кристаллического строения и границам зерен. В твердом теле происходят также колебания атомов около положения равновесия с частотой порядка 10¹³Гц, поэтому возможен и перескок их из одной плоскости в другую.

Мерой диффузионной способности служит коэффициент диффузии D, который определяется на основе первого закона Фика:

, (1)

где: m – количество вещества, диффундирующего через единицу площади поверхности раздела за единицу времени (т.е. скорость диффузии);

– градиент концентрации химического элемента в направлении, нормальном к поверхности раздела; – концентрация; – расстояние в выбранном направлении.

Из выражения (1) можно получить формулу для определения коэффициента диффузии D:

D= –,

где: определяет число атомов n, прошедших за время ∂t через сечение S перпендикулярно направлению диффузии. Размерностькоэффициента диффузии D –м²/с.

Знак минус в формуле (1) показывает, что диффузия протекает в направлении от объемов с большой концентрацией атомов к объемам с меньшей концентрацией. Отметим, что коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, размера зерен, и особенно сильно от температуры. С увеличением температуры коэффициент диффузии D возрастает по экспоненциальному закону.

Диффузионные процессы имеют место не только при ТО и ХТО (диффундируют атомы азота, углерода, алюминия), но и в полупроводниках (диффузия носителей, вредных быстро диффундирующих примесей меди, натрия, водорода, железа), в технологии микроэлектроники (управляемое небыстрое введение легирующих примесей в полупроводники на малую глубину), адгезии пленок к поверхности и в других случаях. Диффундировать могут примеси, а также атомы двух контактирующих металлов.

Вредное влияние диффузии в микроэлектронике проявляется в деградации контактов из золота и алюминия с образованием новых фаз AuAl₂ .Диффузия алюминия в кремний нарушает p-n переход, увеличивает удельное электрическое сопротивление ρ.