共濺射制備WxSi1—x/Si多層膜應力的實驗研究

冀斌等

摘要： 采用直流磁控濺射技術制備了周期厚度為27.5 nm的W/Si多層膜，使用實時應力測量裝置對其應力特性進行了研究。為降低膜層應力，采用W、Si共濺射技術制備WxSi1-x膜層替換W膜層，制備出WxSi1-x/Si多層膜，與W/Si多層膜的應力特性進行了比較研究。結果表明，W/Si多層膜為較大的壓應力，測量值為-476.86 MPa，WxSi1-x/Si周期多層膜為較小的壓應力，測量值為-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力特性。

關鍵詞： 應力； 多層膜； 共濺射； 磁控濺射； X射線

中圖分類號： O484.1 文獻標志碼： 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射線光學的關鍵元件，多層膜已在等離子體診斷、生命科學[1]、空間天文觀測、同步輻射[2]等領域發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構[3]。它利用多層膜技術，克服了傳統刻蝕方法對高寬比的限制，適合應用于硬X射線波段，是目前國際上實現硬X射線納米聚焦最有效的方法之一。 W/Si多層膜材料是X射線廣泛運用的材料組合，其化學性質穩定，界面清晰，粗糙度小等優點。在X射線能段，要求多層膜的總層數幾百層達到上千層。但是磁控濺射制備出的W/Si多層膜具有較大的壓應力，采用W的硅化物代替W膜層，制備出的WSi2/Si多層膜應力較小[4]。例如，同濟大學實驗室制備的MLL的膜層總數為532層，總厚度為7.9 μm。膜層生長中不可避免的應力及薄膜應力的累積會引起膜層褶皺、破裂和基板變形等問題[5]，因此，膜系的應力是多層膜Laue透鏡研制中必須解決的關鍵問題[6]。

薄膜應力可分為熱應力和內應力。熱應力主要來自于不同薄膜材料熱膨脹系數的差異；內應力的性質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、不同膜層厚度都會引起內應力的很大變化。當薄膜和基板的附著力無法承受薄膜應力帶來的形變，尤其當應力發生突變或在邊緣處集中時，薄膜就會因壓應力而彎曲、褶皺，或因張應力而破裂、脫落[3]。為了制備多層膜Laue透鏡，本文研究了W/Si、WxSi1-x/Si周期多層膜的應力特性，采用共濺射制備WxSi1-x膜層，通過測量鍍膜過程中基板的曲率變化，利用Stony公式計算了多層膜的應力大小，比較了相同工藝條件下制備的W/Si和WxSi1-x/Si周期多層膜應力特性。

1 實驗

在薄膜應力研究中，一般只考慮宏觀應力，薄膜應力測量首先是以面形測量為基礎，然后再根據Stony公式進行計算。薄膜中應力的測量方法有多種，本文采用測量基片曲率半徑的方法來計算薄膜的應力。在厚度為0.15 mm圓形的平面基片上鍍制薄膜以后，基板會產生形變。基板所產生的形變是由薄膜內存在的應力導致的。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算出薄膜的應力大小。本文利用實時應力測量裝置對鍍膜過程中的圓形玻璃基板面形進行測量，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行對比，由此得到沉積前后基板形變，利用幾何關系R≈a2/8h（ha）得到鍍膜前基板表面的曲率半徑Rpre，最后根據Stony公式就可求得應力值。

利用直流磁控濺射技術制備了W/Si周期多層膜，利用共濺射技術制備了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）測量膜層的厚度。多層膜的設計周期D=27.5 nm，γ =0.5，周期數N=10，基板為直徑為30 mm超光滑玻璃，厚度為0.15 mm。制備時鍍膜設備本底真空為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，利用臺階儀（Veeco公司，Dektak 6M）對玻璃基板的面形進行測量。測量時探針沿著玻璃基板表面的兩個相互垂直的方向進行掃描，并標記X、Y方向。圖1給出了兩塊基板鍍膜前在X方向的測試結果，其中基板1準備鍍制W/Si多層膜，基板2準備鍍制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有ABC三個靶，其中，AC均為Si靶，B為W靶。鍍制W/Si周期多層膜時利用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周期多層膜時利用ABC三靶，通過調整BC兩靶之間的傾斜角度實現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，樣品回到測量點，實時應力測量裝置測量樣品基板曲率。

圖2是兩樣品在膜層鍍制過程中基板曲率實時變化情況。可以看出，在薄膜鍍制的過程中，隨著鍍膜的進行，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 薄膜應力計算分析

根據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力[7]。假設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Stony公式，可計算出薄膜整體的應力

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]。計算結果表明，W/Si周期多層膜的應力值為-476.86 MPa，WxSi1-x/Si周期多層膜的應力值為-102.84 MPa。W/Si和WxSi1-x/Si多層膜都變現出壓應力，這是因為濺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構，薄膜生長過程中產生壓應力，這與文獻[9-10]中結論一致。在兩種膜系中，WxSi1-x/Si周期多層膜的應力遠小于W/Si周期多層膜的應力。W/Si多層膜應力較高的原因可能與界面材料相互擴散形成界面層有關，而對于WxSi1-x/Si多層膜來說，WxSi1-x是Si的化合物，不易與Si發生反應[11]，因此有著較小的應力。

3 結論

通過薄膜實時應力測量實驗，對直流磁控濺射條件下制備W/Si、WxSi1-x/Si周期多層膜的應力特性進行了研究。應力實驗結果顯示，W/Si、WxSi1-x/Si都表現為壓應力，但是WxSi1-x/Si周期多層膜的應力明顯小于W/Si周期多層膜的應力，表現出更穩定的應力特性，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力。對于研制大膜層對數的MLL有一定的幫助。

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（編輯：程愛婕）