張一志冀斌葉天明陳進(jìn)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(yīng)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(yīng)力測量裝置研究W/Si多層膜沉積過程中的應(yīng)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(yīng)力不斷減小并最終過渡為張應(yīng)力，應(yīng)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(yīng)力具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：

應(yīng)力； 多層膜； 磁控濺射； 濺射氣壓； W/Si

中圖分類號： O 484.1文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)材料，已在等離子體診斷、生命科學(xué)、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(xué)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(dá)到應(yīng)用要求。因此，膜層生長過程中不可避免的應(yīng)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(yīng)力產(chǎn)生的原因很復(fù)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(yīng)力稱為熱應(yīng)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(yīng)力稱為內(nèi)應(yīng)力。薄膜應(yīng)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(yīng)力的變化，探究應(yīng)力產(chǎn)生機理，對多層膜Laue透鏡鍍制過程中進(jìn)行實時應(yīng)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(yīng)力的演變。文獻(xiàn)論述了多種材料薄膜磁控濺射沉積過程中的平均內(nèi)應(yīng)力和氬氣壓力的關(guān)系，通過研究應(yīng)力從壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閺垜?yīng)力時的臨界氣壓和沉積材料原子質(zhì)量之間的關(guān)系，認(rèn)為磁控濺射沉積薄膜過程中原子撞擊表面是內(nèi)應(yīng)力的主要來源和應(yīng)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(yīng)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(yīng)力演變進(jìn)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(yīng)力，隨著濺射氣壓的增大壓應(yīng)力不斷減小，在低的濺射氣壓環(huán)境下W/WSi2多層膜的應(yīng)力是呈周期性演變的，并發(fā)現(xiàn)應(yīng)力主要來源于Si層。為了進(jìn)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(yīng)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(yīng)力特性，使用實時應(yīng)力測量裝置對薄膜沉積過程中的應(yīng)力演變過程進(jìn)行實時測量，并對應(yīng)力變化的機理進(jìn)行分析討論。

3結(jié)論

通過實時應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力不斷減小，最終轉(zhuǎn)變張應(yīng)力。其中，當(dāng)濺射氣壓為0.60 Pa時，制備出薄膜的應(yīng)力值最小，為-123.92 MPa的壓應(yīng)力，因此，濺射氣壓為0.60 Pa時能夠制備出應(yīng)力特性較好的W/Si多層膜。

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（編輯：劉鐵英）