冀斌等

摘要： 采用直流磁控濺射技術(shù)制備了周期厚度為27.5 nm的W/Si多層膜，使用實(shí)時(shí)應(yīng)力測(cè)量裝置對(duì)其應(yīng)力特性進(jìn)行了研究。為降低膜層應(yīng)力，采用W、Si共濺射技術(shù)制備WxSi1-x膜層替換W膜層，制備出WxSi1-x/Si多層膜，與W/Si多層膜的應(yīng)力特性進(jìn)行了比較研究。結(jié)果表明，W/Si多層膜為較大的壓應(yīng)力，測(cè)量值為-476.86 MPa，WxSi1-x/Si周期多層膜為較小的壓應(yīng)力，測(cè)量值為-102.84 MPa。因此采用共濺射制備WxSi1-x代替W可以顯著改善多層膜的應(yīng)力特性。

關(guān)鍵詞： 應(yīng)力； 多層膜； 共濺射； 磁控濺射； X射線

中圖分類號(hào)： O484.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.04.018

Abstract： W/Si multilayer film with periodic of 27.5 nm was fabricated by using DC magnetron sputtering technology. The stress property has been studied by using the real time stress measuremenmt instrument. To reduce the stress between the layers， WxSi1-x material made by W and Si co-deposited technology was used to replace W material， and finally the WxSi1-x/Si film was fabricated. A comparative study of stress property between WxSi1-x/Si film and W/Si film has been conducted. The result indicates that W/Si periodic multilayer film shows relatively larger compressive stress. The value is -476.86 MPa. WxSi1-x/Si periodic multilayer film shows relatively smaller compressive stress. The value is -102.84 MPa. Therefore， the replacement of W material by WxSi1-x material fabricated by co-deposited technology can significantly improve the stress of the multilayer film.

Keywords： stress； multilayer； co-deposited； magnetron sputtering； X-ray

引 言

作為極紫外與X射線光學(xué)的關(guān)鍵元件，多層膜已在等離子體診斷、生命科學(xué)[1]、空間天文觀測(cè)、同步輻射[2]等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。多層膜Laue透鏡（multilayer Laue lens，MLL）是一種新型的基于多層膜的一維波帶片結(jié)構(gòu)[3]。它利用多層膜技術(shù)，克服了傳統(tǒng)刻蝕方法對(duì)高寬比的限制，適合應(yīng)用于硬X射線波段，是目前國際上實(shí)現(xiàn)硬X射線納米聚焦最有效的方法之一。 W/Si多層膜材料是X射線廣泛運(yùn)用的材料組合，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，界面清晰，粗糙度小等優(yōu)點(diǎn)。在X射線能段，要求多層膜的總層數(shù)幾百層達(dá)到上千層。但是磁控濺射制備出的W/Si多層膜具有較大的壓應(yīng)力，采用W的硅化物代替W膜層，制備出的WSi2/Si多層膜應(yīng)力較小[4]。例如，同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室制備的MLL的膜層總數(shù)為532層，總厚度為7.9 μm。膜層生長中不可避免的應(yīng)力及薄膜應(yīng)力的累積會(huì)引起膜層褶皺、破裂和基板變形等問題[5]，因此，膜系的應(yīng)力是多層膜Laue透鏡研制中必須解決的關(guān)鍵問題[6]。

薄膜應(yīng)力可分為熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。熱應(yīng)力主要來自于不同薄膜材料熱膨脹系數(shù)的差異；內(nèi)應(yīng)力的性質(zhì)和大小主要取決于沉積原子的生長方式，不同材料、不同工藝、不同膜層厚度都會(huì)引起內(nèi)應(yīng)力的很大變化。當(dāng)薄膜和基板的附著力無法承受薄膜應(yīng)力帶來的形變，尤其當(dāng)應(yīng)力發(fā)生突變或在邊緣處集中時(shí)，薄膜就會(huì)因壓應(yīng)力而彎曲、褶皺，或因張應(yīng)力而破裂、脫落[3]。為了制備多層膜Laue透鏡，本文研究了W/Si、WxSi1-x/Si周期多層膜的應(yīng)力特性，采用共濺射制備WxSi1-x膜層，通過測(cè)量鍍膜過程中基板的曲率變化，利用Stony公式計(jì)算了多層膜的應(yīng)力大小，比較了相同工藝條件下制備的W/Si和WxSi1-x/Si周期多層膜應(yīng)力特性。

1 實(shí)驗(yàn)

在薄膜應(yīng)力研究中，一般只考慮宏觀應(yīng)力，薄膜應(yīng)力測(cè)量首先是以面形測(cè)量為基礎(chǔ)，然后再根據(jù)Stony公式進(jìn)行計(jì)算。薄膜中應(yīng)力的測(cè)量方法有多種，本文采用測(cè)量基片曲率半徑的方法來計(jì)算薄膜的應(yīng)力。在厚度為0.15 mm圓形的平面基片上鍍制薄膜以后，基板會(huì)產(chǎn)生形變。基板所產(chǎn)生的形變是由薄膜內(nèi)存在的應(yīng)力導(dǎo)致的。形變后的曲面可視為球面的一部分，Stony公式，由鍍膜過程中圓形基片的曲率的變化計(jì)算出薄膜的應(yīng)力大小。本文利用實(shí)時(shí)應(yīng)力測(cè)量裝置對(duì)鍍膜過程中的圓形玻璃基板面形進(jìn)行測(cè)量，得到鍍膜過程中基板面形的變化情況，將其跟鍍膜前基板面形進(jìn)行對(duì)比，由此得到沉積前后基板形變，利用幾何關(guān)系R≈a2/8h（ha）得到鍍膜前基板表面的曲率半徑Rpre，最后根據(jù)Stony公式就可求得應(yīng)力值。

利用直流磁控濺射技術(shù)制備了W/Si周期多層膜，利用共濺射技術(shù)制備了WxSi1-x/Si周期多層膜。鍍膜后，膜層采用X射線掠入射反射（grazing incident X-ray reflectivity，GIXRR）測(cè)量膜層的厚度。多層膜的設(shè)計(jì)周期D=27.5 nm，γ =0.5，周期數(shù)N=10，基板為直徑為30 mm超光滑玻璃，厚度為0.15 mm。制備時(shí)鍍膜設(shè)備本底真空為2×10-4 Pa，工作氣體Ar（純度為99.99%），工作氣壓為0.3 Pa。

鍍膜前，利用臺(tái)階儀（Veeco公司，Dektak 6M）對(duì)玻璃基板的面形進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)探針沿著玻璃基板表面的兩個(gè)相互垂直的方向進(jìn)行掃描，并標(biāo)記X、Y方向。圖1給出了兩塊基板鍍膜前在X方向的測(cè)試結(jié)果，其中基板1準(zhǔn)備鍍制W/Si多層膜，基板2準(zhǔn)備鍍制WxSi1-x多層膜。從圖1中看出，由于基板太薄，基板略有彎曲。利用幾何關(guān)系R≈a2/8h（ha）可得到鍍膜前基板表面的曲率半徑Rpre，其中a為臺(tái)階儀橫向掃描的長度；h為掃描的最大形變高度。基板1與基板2表面曲率分別為0.03 m-1和0.025 m-1。

用來制備樣品的鍍膜機(jī)有ABC三個(gè)靶，其中，AC均為Si靶，B為W靶。鍍制W/Si周期多層膜時(shí)利用AB兩靶，W靶的濺射功率為30 W，Si靶的濺射功率為40 W。鍍制WxSi1-x/Si周期多層膜時(shí)利用ABC三靶，通過調(diào)整BC兩靶之間的傾斜角度實(shí)現(xiàn)W、Si的共濺射，共濺射W靶和Si靶的濺射功率分別為30 W和20 W。A靶Si的濺射功率保持40 W不變。在鍍膜過程中，每鍍完一層薄膜，樣品回到測(cè)量點(diǎn)，實(shí)時(shí)應(yīng)力測(cè)量裝置測(cè)量樣品基板曲率。

圖2是兩樣品在膜層鍍制過程中基板曲率實(shí)時(shí)變化情況?？梢钥闯?，在薄膜鍍制的過程中，隨著鍍膜的進(jìn)行，WxSi1-x/Si多層膜與W/Si多層膜玻璃基板的曲率不斷增大，并且在整個(gè)鍍膜過程中，WxSi1-x/Si多層膜的曲率變化幅度明顯小于W/Si多層膜。

2 薄膜應(yīng)力計(jì)算分析

根據(jù)鍍膜前后基板表面的曲率半徑值，利用Stony公式即可以求得薄膜應(yīng)力[7]。假設(shè)基板是具有彈性模量Es和泊松比Vs的各向同性的彈性固體，根據(jù)Stony公式，可計(jì)算出薄膜整體的應(yīng)力

σf=161Rpost-1RpreEs1-Vst2stf（1）

式中：ts為基板厚度；tf為薄膜厚度。

取超光滑基板的彈性模量Es=80 GPa，泊松比Vs=0.17[8]。計(jì)算結(jié)果表明，W/Si周期多層膜的應(yīng)力值為-476.86 MPa，WxSi1-x/Si周期多層膜的應(yīng)力值為-102.84 MPa。W/Si和WxSi1-x/Si多層膜都變現(xiàn)出壓應(yīng)力，這是因?yàn)闉R射成膜條件下能量較高的沉積原子轟擊薄膜表面形成致密的膜層結(jié)構(gòu)，薄膜生長過程中產(chǎn)生壓應(yīng)力，這與文獻(xiàn)[9-10]中結(jié)論一致。在兩種膜系中，WxSi1-x/Si周期多層膜的應(yīng)力遠(yuǎn)小于W/Si周期多層膜的應(yīng)力。W/Si多層膜應(yīng)力較高的原因可能與界面材料相互擴(kuò)散形成界面層有關(guān)，而對(duì)于WxSi1-x/Si多層膜來說，WxSi1-x是Si的化合物，不易與Si發(fā)生反應(yīng)[11]，因此有著較小的應(yīng)力。

3 結(jié)論

通過薄膜實(shí)時(shí)應(yīng)力測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)直流磁控濺射條件下制備W/Si、WxSi1-x/Si周期多層膜的應(yīng)力特性進(jìn)行了研究。應(yīng)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，W/Si、WxSi1-x/Si都表現(xiàn)為壓應(yīng)力，但是WxSi1-x/Si周期多層膜的應(yīng)力明顯小于W/Si周期多層膜的應(yīng)力，表現(xiàn)出更穩(wěn)定的應(yīng)力特性，因此引入共濺射WxSi1-x層代替W層可以改善周期多層膜的應(yīng)力。對(duì)于研制大膜層對(duì)數(shù)的MLL有一定的幫助。

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（編輯：程愛婕）