При описании некоторых явлений, рассмотренных в предыдущих главах, мы предполагали, что любой данный атом «привязан» к определенному узлу решетки. В этих случаях считалось, что атом не совершает никаких перемещений, кроме тепловых колебаний относительно своего среднего положения. В действительности атомы обладают большей свободой передвижения и могут переходить из одного узла решетки в другой. Процесс направленного переноса частиц (атомов, ионов или молекул) в газах, жидкостях и твердых телах, происходящий за счет случайных смещений и связанный с тепловым движением этих частиц, называется диффузией. Элементарный акт диффузии состоит в скачке одиночных частиц или их небольших групп на расстояния порядка межатомного.
Хаотический обмен местами между атомами, находящимися на поверхности твердого тела и внутри него, протекает при обычных температурах слишком медленно, чтобы можно было легко обнаружить последствия этого процесса. Однако при высоких температурах скорость диффузии такова, что, например, серебряное или хромовое покрытия «впитываются» в сталь в течение нескольких недель. Другим примером применения диффузии для получения слоистой структуры может служить кристаллический триод (транзистор). Требуемые слои примесей можно получить в течение нескольких минут за счет их диффузии при температуре, близкой к точке плавления германия. Однако при комнатной температуре строение такого кристаллического триода остается неизменным практически неограниченно долгое время [78].
Особое значение процессы диффузии имеют в тонкопленочных структурах, которые состоят из нескольких слоев материалов, различных по своей природе. Такие структуры являются основой практически всех микроэлектронных устройств. Если локальные изменения состава массивных материалов, происходящие вследствие взаимной диффузии в слоях толщиной несколько микрометров и более, слабо влияют на свойства этих материалов, то в тонкопленочных композициях такие процессы диффузии могут привести к коренному изменению состава и структуры отдельных слоев и, как следствие, к деградации параметров приборов и интегральных схем и даже выходу их из строя [52].
Движущей силой диффузии являются градиенты концентрации dC/dx и температуры dT/dx. Наиболее распространена свободная диффузия − диффузия, вызываемая градиентом концентрации. Она всегда направлена в сторону выравнивания концентрации. Различают два случая свободной диффузии − гетеродиффузия и самодиффузия. Гетеродиффузия − это диффузия чужеродных атомов при наличии градиента их концентрации, а самодиффузия − это случай диффузии в чистом веществе атомов этого же вещества под влиянием градиента изотопного состава. Искусственным путем такой градиент создают нанесением на поверхность образца слоя того же вещества, но обогащенного одним из изотопов. Этот градиент используется для экспериментального определения коэффициентов самодиффузии.
Кроме свободной, различают еще и вынужденную диффузию. Она возникает под действием направленных внешних сил. Этот вид диффузии, как правило, приводит не к выравниванию, а к увеличению градиента концентрации. В зависимости от природы внешних сил, различают следующие основные виды вынужденной диффузии: термо-, электро-, баро- и восходящую диффузию.
Термодиффузия происходит под действием градиента температуры dT/dx. Поток при этом направлен в сторону более низких температур, например диффузия носителей заряда от горячего спая к холодному в термоэлектрических преобразователях энергии.
Электродиффузия протекает под действием градиента электрического поля dE/dx. В этом процессе заряженные частицы диффундируют в сторону полюса противоположного знака, например диффузия в полупроводниках под влиянием внутренних электрических полей, электролитические процессы.
Бародиффузия идет под действием поля тяжести или давления dP/dx.
Восходящая диффузия возникает под действием градиента упругих напряжений ds/dx. Поток атомов больших размеров при этом направлен в сторону, испытывающую напряжения растяжения, а поток атомов малых размеров − в сжатую область, например процесс образования примесных атмосфер вокруг дислокаций.