共溅射制备WxSi1—x/Si多层膜应力的实验研究

冀斌等

摘要： 采用直流磁控溅射技术制备了周期厚度为27.5 nm的W/Si多层膜，使用实时应力测量装置对其应力特性进行了研究。为降低膜层应力，采用W、Si共溅射技术制备WxSi1-x膜层替换W膜层，制备出WxSi1-x/Si多层膜，与W/Si多层膜的应力特性进行了比较研究。结果表明，W/Si多层膜为较大的压应力，测量值为-476.86 MPa，WxSi1-x/Si周期多层膜为较小的压应力，测量值为-102.84 MPa。因此采用共溅射制备WxSi1-x代替W可以显著改善多层膜的应力特性。

关键词： 应力； 多层膜； 共溅射； 磁控溅射； X射线

中图分类号： O484.1 文献标志码： 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

作为极紫外与X射线光学的关键元件，多层膜已在等离子体诊断、生命科学[1]、空间天文观测、同步辐射[2]等领域发挥着越来越重要的作用。多层膜Laue透镜（multilayer Laue lens，MLL）是一种新型的基于多层膜的一维波带片结构[3]。它利用多层膜技术，克服了传统刻蚀方法对高宽比的限制，适合应用于硬X射线波段，是目前国际上实现硬X射线纳米聚焦最有效的方法之一。 W/Si多层膜材料是X射线广泛运用的材料组合，其化学性质稳定，界面清晰，粗糙度小等优点。在X射线能段，要求多层膜的总层数几百层达到上千层。但是磁控溅射制备出的W/Si多层膜具有较大的压应力，采用W的硅化物代替W膜层，制备出的WSi2/Si多层膜应力较小[4]。例如，同济大学实验室制备的MLL的膜层总数为532层，总厚度为7.9 μm。膜层生长中不可避免的应力及薄膜应力的累积会引起膜层褶皱、破裂和基板变形等问题[5]，因此，膜系的应力是多层膜Laue透镜研制中必须解决的关键问题[6]。

薄膜应力可分为热应力和内应力。热应力主要来自于不同薄膜材料热膨胀系数的差异；内应力的性质和大小主要取决于沉积原子的生长方式，不同材料、不同工艺、不同膜层厚度都会引起内应力的很大变化。当薄膜和基板的附着力无法承受薄膜应力带来的形变，尤其当应力发生突变或在边缘处集中时，薄膜就会因压应力而弯曲、褶皱，或因张应力而破裂、脱落[3]。为了制备多层膜Laue透镜，本文研究了W/Si、WxSi1-x/Si周期多层膜的应力特性，采用共溅射制备WxSi1-x膜层，通过测量镀膜过程中基板的曲率变化，利用Stony公式计算了多层膜的应力大小，比较了相同工艺条件下制备的W/Si和WxSi1-x/Si周期多层膜应力特性。

1 实验

在薄膜应力研究中，一般只考虑宏观应力，薄膜应力测量首先是以面形测量为基础，然后再根据Stony公式进行计算。薄膜中应力的测量方法有多种，本文采用测量基片曲率半径的方法来计算薄膜的应力。在厚度为0.15 mm圆形的平面基片上镀制薄膜以后，基板会产生形变。基板所产生的形变是由薄膜内存在的应力导致的。形变后的曲面可视为球面的一部分，Stony公式，由镀膜过程中圆形基片的曲率的变化计算出薄膜的应力大小。本文利用实时应力测量装置对镀膜过程中的圆形玻璃基板面形进行测量，得到镀膜过程中基板面形的变化情况，将其跟镀膜前基板面形进行对比，由此得到沉积前后基板形变，利用几何关系R≈a2/8h（ha）得到镀膜前基板表面的曲率半径Rpre，最后根据Stony公式就可求得应力值。

利用直流磁控溅射技术制备了W/Si周期多层膜，利用共溅射技术制备了WxSi1-x/Si周期多层膜。镀膜后，膜层采用X射线掠入射反射（grazing incident X-ray reflectivity，GIXRR）测量膜层的厚度。多层膜的设计周期D=27.5 nm，γ =0.5，周期数N=10，基板为直径为30 mm超光滑玻璃，厚度为0.15 mm。制备时镀膜设备本底真空为2×10-4 Pa，工作气体Ar（纯度为99.99%），工作气压为0.3 Pa。

镀膜前，利用台阶仪（Veeco公司，Dektak 6M）对玻璃基板的面形进行测量。测量时探针沿着玻璃基板表面的两个相互垂直的方向进行扫描，并标记X、Y方向。图1给出了两块基板镀膜前在X方向的测试结果，其中基板1准备镀制W/Si多层膜，基板2准备镀制WxSi1-x多层膜。从图1中看出，由于基板太薄，基板略有弯曲。利用几何关系R≈a2/8h（ha）可得到镀膜前基板表面的曲率半径Rpre，其中a为台阶仪横向扫描的长度；h为扫描的最大形变高度。基板1与基板2表面曲率分别为0.03 m-1和0.025 m-1。

用来制备样品的镀膜机有ABC三个靶，其中，AC均为Si靶，B为W靶。镀制W/Si周期多层膜时利用AB两靶，W靶的溅射功率为30 W，Si靶的溅射功率为40 W。镀制WxSi1-x/Si周期多层膜时利用ABC三靶，通过调整BC两靶之间的倾斜角度实现W、Si的共溅射，共溅射W靶和Si靶的溅射功率分别为30 W和20 W。A靶Si的溅射功率保持40 W不变。在镀膜过程中，每镀完一层薄膜，样品回到测量点，实时应力测量装置测量样品基板曲率。

图2是两样品在膜层镀制过程中基板曲率实时变化情况。可以看出，在薄膜镀制的过程中，随着镀膜的进行，WxSi1-x/Si多层膜与W/Si多层膜玻璃基板的曲率不断增大，并且在整个镀膜过程中，WxSi1-x/Si多层膜的曲率变化幅度明显小于W/Si多层膜。

2 薄膜应力计算分析

根据镀膜前后基板表面的曲率半径值，利用Stony公式即可以求得薄膜应力[7]。假设基板是具有弹性模量Es和泊松比Vs的各向同性的弹性固体，根据Stony公式，可计算出薄膜整体的应力

σf=161Rpost-1RpreEs1-Vst2stf（1）

式中：ts为基板厚度；tf为薄膜厚度。

取超光滑基板的弹性模量Es=80 GPa，泊松比Vs=0.17[8]。计算结果表明，W/Si周期多层膜的应力值为-476.86 MPa，WxSi1-x/Si周期多层膜的应力值为-102.84 MPa。W/Si和WxSi1-x/Si多层膜都变现出压应力，这是因为溅射成膜条件下能量较高的沉积原子轰击薄膜表面形成致密的膜层结构，薄膜生长过程中产生压应力，这与文献[9-10]中结论一致。在两种膜系中，WxSi1-x/Si周期多层膜的应力远小于W/Si周期多层膜的应力。W/Si多层膜应力较高的原因可能与界面材料相互扩散形成界面层有关，而对于WxSi1-x/Si多层膜来说，WxSi1-x是Si的化合物，不易与Si发生反应[11]，因此有着较小的应力。

3 结论

通过薄膜实时应力测量实验，对直流磁控溅射条件下制备W/Si、WxSi1-x/Si周期多层膜的应力特性进行了研究。应力实验结果显示，W/Si、WxSi1-x/Si都表现为压应力，但是WxSi1-x/Si周期多层膜的应力明显小于W/Si周期多层膜的应力，表现出更稳定的应力特性，因此引入共溅射WxSi1-x层代替W层可以改善周期多层膜的应力。对于研制大膜层对数的MLL有一定的帮助。

参考文献：

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（编辑：程爱婕）