不同溅射气压制备W/Si多层膜的实时应力研究

张一志冀斌叶天明陈进文朱京涛吴文娟

摘要：

研究了不同溅射气压条件下磁控溅射制备W/Si多层膜过程中的应力变化，使用X射线衍射仪测量了多层膜的结构，使用实时应力测量装置研究W/Si多层膜沉积过程中的应力演变。结果表明，在溅射气压从0.05 Pa增加到1.10 Pa的过程中，薄膜沉积过程中产生的压应力不断减小并最终过渡为张应力，应力值在溅射气压为0.60 Pa时最小，研究结果对减小膜层应力具有指导意义。

关键词：

应力； 多层膜； 磁控溅射； 溅射气压； W/Si

中图分类号： O 484.1文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.04.018

引言

多层膜作为极紫外与X射线的关键光学材料，已在等离子体诊断、生命科学、天文观测、同步辐射等领域发挥越来越重要的作用。多层膜Laue透镜作为一种新型的线性波带片，能够实现X射线的纳米聚焦。W/Si多层膜由于具有化学性质稳定、界面清晰、粗糙度小等优点，是制备多层膜Laue透镜的理想材料。为了获得高的衍射效率和分辨率，制备多层膜Laue透镜的多层膜需要镀制几百甚至上千层才能达到应用要求。因此，膜层生长过程中不可避免的应力会引起膜层褶皱、破裂和基底变形，是多层膜Laue透镜研制中必须解决的关键问题。薄膜应力产生的原因很复杂，但主要原因有2种：一种是由于不同材料的热膨胀系数不同引起的，由此原因产生的应力称为热应力；一种是薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的，由此原因产生的应力称为内应力。薄膜应力主要是在薄膜生长过程中积累起来的，为了研究薄膜生长过程中应力的变化，探究应力产生机理，对多层膜Laue透镜镀制过程中进行实时应力的测量和研究很有意义。

溅射气压是磁控溅射镀制多层膜的一项重要的实验条件，氩气压力的高低会直接影响薄膜沉积过程中应力的演变。文献论述了多种材料薄膜磁控溅射沉积过程中的平均内应力和氩气压力的关系，通过研究应力从压应力转变为张应力时的临界气压和沉积材料原子质量之间的关系，认为磁控溅射沉积薄膜过程中原子撞击表面是内应力的主要来源和应力产生的主要原因。2011年Argonne国家实验室的Kimberly MacArthur使用实时应力测量装置对W/WSi2多层膜在不同溅射气压条件下沉积多层膜的应力演变进行了研究，研究结果表明，在不同溅射气压条件下W/WSi2多层膜均表现为压应力，随着溅射气压的增大压应力不断减小，在低的溅射气压环境下W/WSi2多层膜的应力是呈周期性演变的，并发现应力主要来源于Si层。为了进一步研究用于制备多层膜Laue透镜的多层膜不同材料组合的应力特性，本文研究不同溅射气压条件下制备W/Si多层膜的应力特性，使用实时应力测量装置对薄膜沉积过程中的应力演变过程进行实时测量，并对应力变化的机理进行分析讨论。

3结论

通过实时应力测量实验，研究了直流磁控溅射在不同溅射气压条件下制备的W/Si多层膜的应力特性。实验结果表明，W/Si多层膜在不同溅射气压条件下的应力均比较稳定，随着溅射气压的不断增大，W/Si多层膜沉积过程中的压应力不断减小，最终转变张应力。其中，当溅射气压为0.60 Pa时，制备出薄膜的应力值最小，为-123.92 MPa的压应力，因此，溅射气压为0.60 Pa时能够制备出应力特性较好的W/Si多层膜。

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（编辑：刘铁英）