磁控濺射偏壓對Cr薄膜密度以及表面形貌的影響

孫鋼杰,　伊福廷,　王煥華,　賈全杰，　張天沖

(中國科學院 高能物理研究所 多學科中心，北京　100049)

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磁控濺射偏壓對Cr薄膜密度以及表面形貌的影響

孫鋼杰,伊福廷,王煥華,賈全杰，張天沖

(中國科學院 高能物理研究所 多學科中心，北京100049)

摘要：利用磁控濺射技術，在不同偏壓條件下在Si(001)基底上沉積了金屬Cr薄膜樣品。用同步輻射裝置對樣品進行了X-射線反射率測試，采用X-射線反射率分析法研究了不同偏壓下Cr薄膜密度的變化。發現當偏壓小于300V時，偏壓對所沉積的薄膜起到緊致的效果，偏壓為300V時薄膜密度最大；當偏壓大于300V時，薄膜密度減小。另外，為了探究偏壓對薄膜表面形貌的影響，用掃描電子顯微鏡對各樣品進行了表面分析，發現在偏壓較小時薄膜表面較為平整；隨著偏壓增大，表面呈現界面分明的島狀分布。

關鍵詞:X-射線反射率分析； 鉻薄膜； 密度； 表面形貌； 磁控濺射； 偏壓

引　言

鉻薄膜具有良好的硬度、耐磨性、耐腐蝕性和表面裝飾性等特點，在不銹鋼、汽車零件及光學領域都有大量應用[1-3]。磁控濺射具有沉積速率快、鍍膜面積大及附著力強等優點，是制備鉻薄膜最常用的方法之一[4-6]。在制備過程中，給襯底施加的偏壓大小對薄膜的表面結構、粗糙度、密度等性質都有很大的影響，這方面的研究對于實際的薄膜制備過程可以起到指導作用。X-射線反射率(XRR)分析是表征薄膜性能的重要方法，由于薄膜表面的X-射線反射率大小主要與薄膜的厚度、表面粗糙度和密度等性質有關[7-8]，對反射率曲線進行模擬分析可以得到薄膜密度的精確信息[9-10]。

本工作利用磁控濺射技術，施加不同偏壓條件下在硅片上沉積Cr薄膜，用parratt軟件對薄膜進行了XRR分析，研究了偏壓對薄膜密度的影響，以及用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察了薄膜表面形貌的差異。

1　材料的制備與表征原理

1.1Cr薄膜樣品的制備

基底材料為直徑5cm(001)硅片，在沉積前先用離子束刻蝕機對硅片表面進行2min的刻蝕，以去除表面氧化層，再用無水酒精和丙酮進行清洗，用氮氣槍吹干。用磁控濺射進行沉積，磁控濺射條件：本底真空3mPa，氬氣流量為20mL/min，腔體氣壓為0.5Pa，濺射偏壓分別為0、100、200、300和400V。

1.2X-射線反射率分析法基本理論

X-射線反射率(XRR)分析法是將X-射線掠入射到樣品表面，變換入射光角度，通過分析得出全反射臨界角曲線，從而得到樣品信息的方法。

1.2.1材料的X-射線折射率

材料的折射率在X-射線段可表示為[11-12]

n=1-δ-iβ

(1)

其中δ是和材料散射性質相關的系數；β是和材料吸收性質相關的系數。

(2)

式中Zj為原子序數；NA為阿伏加德羅常量；λ為X-射線波長；fj'為擴散修正系數與材料對X-射線的散射有關；Mj為摩爾質量；ρj為材料密度；r0為經典電子半徑。

1.2.2全反射臨界角、折射率及材料密度的關系

X-射線由空氣入射到薄膜表面時滿足折射率關系

(3)

由于在X-射線段，一般材料的折射率n都小于1，對于空氣來說是光疏介質，所以在X射線入射過程中會有一個全反射臨界角θc。對于掠入射來說，θ1和θ2都較小，由公式(1)、(2)和(3)可以得到

(4)

通常擴散修正系數很小，可以忽略。所以對于同一種材料而言

(5)

式中ε0是真空介電常數；M是材料相對原子質量；me是經典電子質量。

2　實驗結論分析

2.1X-射線反射率分析測量薄膜密度

利用北京同步輻射光源，對0、100、200、300及400V偏壓下沉積的Cr薄膜進行X-射線反射率掃描，將得到的數據用parratt軟件進行模擬繪出樣品的全反射臨界角曲線，如圖1所示。

圖1　對應于偏壓從0～400V變化的全反射臨界角

得到臨界角的變化如圖2所示。由圖2可以看出，不同偏壓條件下薄膜樣品對應的全反射臨界角分別為0.22°、0.25°、0.28°、0.35°和0.31°。

圖2　不同偏壓條件下薄膜樣品對應的全反射臨界角

通過公式(5)計算得到所對應的薄膜密度如表1所示。由表1可知，薄膜密度分別為2.38、3.08、3.86、6.03及4.73g/cm3。

表1Cr薄膜密度

編號U偏壓/V臨界角/(°)ρ/(g·cm-3)100.222.3821000.253.0832000.283.8643000.356.0354000.314.73

結果表明，偏壓達到300V之前，磁控濺射沉積的Cr薄膜密度隨著偏壓的增大而增大；當偏壓達到300V時，再增大偏壓，薄膜的密度會減小。因為隨著偏壓的增大，靶材濺射的高能量粒子增多，能夠增強粒子與膜層間的粘附力與致密度；當偏壓增大到一定值時，高能濺射粒子會造成對表面的轟擊過大，造成二次濺射，使得Cr薄膜致密度下降。

2.2表面形貌分析

為了探究偏壓對磁控濺射Cr薄膜表面形貌的影響，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對各樣品進行了掃描，如圖3所示。

圖3　對應于偏壓為0～400V Cr薄膜表面SEM照片

圖3(a)、圖3(b)和圖3(c)表明，當偏壓較低薄膜密度較小時，Cr薄膜表面較為平整，隨著偏壓增大，表面紋路越來越清晰，漸漸出現溝壑；圖3(d)顯示當偏壓為300V時，表面呈明顯的星形島狀分布，界面清晰；圖3(e)與圖3(d)相比,當偏壓增大到400V時，薄膜表面呈連續的島狀分布，相互間界面比較模糊，且表面島的形狀也不同。

3　結　論

通過磁控濺射方法，在偏壓為0～400V條件下在Si片上沉積得到Cr薄膜樣品。經過XRR測試和SEM掃描，得出以下結論：

1)偏壓從0V增加到300V的過程中，Cr薄膜密度逐漸增大；當偏壓超過300V時薄膜密度減小。

2)偏壓對Cr薄膜表面形貌有很大影響。當偏壓較小時，薄膜表面形狀比較平整，隨著偏壓的升高表面出現溝壑，界面清晰，呈島狀生長。

3)SEM掃描表明，偏壓對Cr薄膜密度的影響不僅可能和薄膜表面形貌存在內在聯系，也應該和薄膜的生長方式密切相關。

參考文獻

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doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.07.001

收稿日期：2016-01-27修回日期： 2016-03-01

中圖分類號：O434.19; TB31

文獻標識碼：A

Influences of Bias Voltage on Density and Surface Morphology of Chromium Thin Films in Magnetron Sputtering

SUN Gangjie,YI Futing,WANG Huanhua,JIA Quanjie,ZHANG Tianchong

(Center for Multi-disciplinary,Research Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

Abstract:Magnetron sputtering technology was used to deposit a series of Cr thin films under different bias voltages on Si (001).The X-ray reflectivity of the sample was tested by the synchrotron radiation device,and the density change of Cr thin films was studied under different bias voltages by X-ray reflection analysis.The results showed that when the bias was less than 300V,the deposited thin films were more compact.And the film density was the largest when the bias was 300V.When the bias voltage exceeded 300V,the correspondent density declined.Scanning electron microscope (SEM) was used to investigate the influence of bias voltage on films' surface morphology.The surfaces of films are relatively smooth at low bias voltages,while the surface structure became harsh and island distribution at high bias voltages.

Keyword:X-ray reflection analysis;chromium thin film;density;surface morphology;magnetron sputtering;bias voltage