不同濺射氣壓制備W/Si多層膜的實時應力研究

張一志冀斌葉天明陳進文朱京濤吳文娟

摘要：

研究了不同濺射氣壓條件下磁控濺射制備W/Si多層膜過程中的應力變化，使用X射線衍射儀測量了多層膜的結(jié)構(gòu)，使用實時應力測量裝置研究W/Si多層膜沉積過程中的應力演變。結(jié)果表明，在濺射氣壓從0.05 Pa增加到1.10 Pa的過程中，薄膜沉積過程中產(chǎn)生的壓應力不斷減小并最終過渡為張應力，應力值在濺射氣壓為0.60 Pa時最小，研究結(jié)果對減小膜層應力具有指導意義。

關(guān)鍵詞：

應力； 多層膜； 磁控濺射； 濺射氣壓； W/Si

中圖分類號： O 484.1文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.04.018

引言

多層膜作為極紫外與X射線的關(guān)鍵光學材料，已在等離子體診斷、生命科學、天文觀測、同步輻射等領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。多層膜Laue透鏡作為一種新型的線性波帶片，能夠?qū)崿F(xiàn)X射線的納米聚焦。W/Si多層膜由于具有化學性質(zhì)穩(wěn)定、界面清晰、粗糙度小等優(yōu)點，是制備多層膜Laue透鏡的理想材料。為了獲得高的衍射效率和分辨率，制備多層膜Laue透鏡的多層膜需要鍍制幾百甚至上千層才能達到應用要求。因此，膜層生長過程中不可避免的應力會引起膜層褶皺、破裂和基底變形，是多層膜Laue透鏡研制中必須解決的關(guān)鍵問題。薄膜應力產(chǎn)生的原因很復雜，但主要原因有2種：一種是由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同引起的，由此原因產(chǎn)生的應力稱為熱應力；一種是薄膜生長過程中的非平衡性或薄膜特有的微觀結(jié)構(gòu)引起的，由此原因產(chǎn)生的應力稱為內(nèi)應力。薄膜應力主要是在薄膜生長過程中積累起來的，為了研究薄膜生長過程中應力的變化，探究應力產(chǎn)生機理，對多層膜Laue透鏡鍍制過程中進行實時應力的測量和研究很有意義。

濺射氣壓是磁控濺射鍍制多層膜的一項重要的實驗條件，氬氣壓力的高低會直接影響薄膜沉積過程中應力的演變。文獻論述了多種材料薄膜磁控濺射沉積過程中的平均內(nèi)應力和氬氣壓力的關(guān)系，通過研究應力從壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜r的臨界氣壓和沉積材料原子質(zhì)量之間的關(guān)系，認為磁控濺射沉積薄膜過程中原子撞擊表面是內(nèi)應力的主要來源和應力產(chǎn)生的主要原因。2011年Argonne國家實驗室的Kimberly MacArthur使用實時應力測量裝置對W/WSi2多層膜在不同濺射氣壓條件下沉積多層膜的應力演變進行了研究，研究結(jié)果表明，在不同濺射氣壓條件下W/WSi2多層膜均表現(xiàn)為壓應力，隨著濺射氣壓的增大壓應力不斷減小，在低的濺射氣壓環(huán)境下W/WSi2多層膜的應力是呈周期性演變的，并發(fā)現(xiàn)應力主要來源于Si層。為了進一步研究用于制備多層膜Laue透鏡的多層膜不同材料組合的應力特性，本文研究不同濺射氣壓條件下制備W/Si多層膜的應力特性，使用實時應力測量裝置對薄膜沉積過程中的應力演變過程進行實時測量，并對應力變化的機理進行分析討論。

3結(jié)論

通過實時應力測量實驗，研究了直流磁控濺射在不同濺射氣壓條件下制備的W/Si多層膜的應力特性。實驗結(jié)果表明，W/Si多層膜在不同濺射氣壓條件下的應力均比較穩(wěn)定，隨著濺射氣壓的不斷增大，W/Si多層膜沉積過程中的壓應力不斷減小，最終轉(zhuǎn)變張應力。其中，當濺射氣壓為0.60 Pa時，制備出薄膜的應力值最小，為-123.92 MPa的壓應力，因此，濺射氣壓為0.60 Pa時能夠制備出應力特性較好的W/Si多層膜。

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（編輯：劉鐵英）