氮?dú)夥磻?yīng)濺射制備Co/Sb多層膜研究

岳帥鵬+朱京濤+涂昱淳+張一志

摘要： 針對“水窗”波段（280～540 eV）對多層膜反射鏡的應(yīng)用需求，在Sb的M5吸收邊（525.5 eV）附近，選擇Co和Sb作為該能點(diǎn)的多層膜材料組合，優(yōu)化設(shè)計(jì)膜系結(jié)構(gòu)。采用直流磁控濺射方法制備了Co/Sb多層膜，通過在濺射氣體氬氣中引入氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體，多層膜界面粗糙度明顯減小。利用X射線掠入射反射（GIXRR）測試多層膜結(jié)構(gòu)，并在北京BSRF同步輻射3W1B實(shí)驗(yàn)站測量了反應(yīng)濺射前后的多層膜反射率（SXR），結(jié)果表明：氮?dú)夂繛?5%時(shí)的界面粗糙度最小，反射率從無反應(yīng)濺射的7.2%提高到11.7%。

關(guān)鍵詞： 反應(yīng)濺射； 多層膜； 同步輻射； Co/Sb

中圖分類號(hào)： O 484.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.018

引言在電磁波譜中，軟X射線波段介于極紫外和硬X射線之間，光子能量處于幾百至幾千電子伏特，是非常特殊和重要的波段。在該波段，所有材料的折射率都近似等于1，而且都存在一定的吸收，這意味著光在介質(zhì)中幾乎不發(fā)生折射現(xiàn)象。其中的“水窗”（E=280～540 eV）波段尤為重要，水（其中的氧）基本上是透明的，而碳（生命物質(zhì)中大部分組成元素）卻有很強(qiáng)的吸收[1]。用該波段的軟X射線作為信息載體，可以在很好對比度條件下對生物樣品全息照相，對活體細(xì)胞顯微成像[2]，也可作為等離子體診斷的光源[34]。然而，在水窗波段，任何單層膜的正入射反射率都非常低，通過菲涅耳公式計(jì)算反射率僅在10-4量級(jí)，顯然不能滿足反射式光學(xué)元件的需求。為提高軟X射線波段光學(xué)薄膜的正入射反射率，Spiller提出，由間隔層和吸收層交替組成的多層膜結(jié)構(gòu)，利用多個(gè)膜層上反射光的相干疊加，能提高極紫外與軟X射線波段的正入射反射率[5]，極大地推動(dòng)了多層膜反射鏡向短波的發(fā)展。在水窗波段，C、Ti、Sc、V是比較常見的多層膜間隔層，近年來，國內(nèi)外有許多關(guān)于水窗波段多層膜反射鏡的研究報(bào)導(dǎo)，其中Cr/Sc[6]、Cr/C[7]多層膜近正入射反射率已經(jīng)可以做到14.5%、7.5%，然而Cr/Ti[8]、Ni/V[9]多層膜近正入射反射率測試結(jié)果僅為3%左右，均與理論反射率差距很大，原因是該波長處高反射多層膜中每層膜的厚度只略大于1 nm，即使很小的界面粗糙度都會(huì)嚴(yán)重影響高反射多層膜的反射性能，因此，降低界面粗糙度，提高成膜質(zhì)量，研制高反射率的多層膜反射鏡是軟X射線光學(xué)研究的重要內(nèi)容。改善多層膜界面性能的方法有很多，比如：插入間隔層、反應(yīng)濺射等。2011年Guen等在制備Mg/Co多層膜中，在CoonMg界面插入間隔層Zr層，有效地提高了反射率[10]。2008年Ghafoor等在 “水窗”波段制備Cr/Sc多層膜反射鏡時(shí)，采用氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w作為濺射氣體，在未達(dá)到飽和周期數(shù)的情況下10°度近正入射反射率從5.3%提高到11.5%[11]。2009年Bellotti等在制備Co/C多層膜過程中，在氬氣中混入9%的氮?dú)庾鳛榉磻?yīng)氣體，在掠入射X射線反射（XRR）測試曲線中明顯看出，在周期厚度1.81～17.60 nm都有明顯的布拉格峰，通過透射電子顯微鏡與未加反應(yīng)濺射的樣品進(jìn)行對比，粗糙度有很大改善，界面變得更加平滑[12]。因此氮?dú)夥磻?yīng)濺射工藝可以改善多層膜成膜質(zhì)量，提高反射率。

Sb的M5吸收邊在525.5 eV，處于“水窗”波段，可作為多層膜反射鏡的間隔層。本文首先對Sb吸收邊附近的多層膜材料組合進(jìn)行選擇，進(jìn)而對多層膜的膜系結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算分析了不同界面粗糙度條件下的反射率變化，通過改變在工作氣體中混入的氮?dú)鉂舛?，采用直流磁控濺射技術(shù)制備了一組周期厚度相近的周期多層膜。通過X射線衍射分析了樣品的膜層厚度及界面粗糙度，在BSRF北京同步輻射實(shí)驗(yàn)室測量了樣品反射率，對測試結(jié)果進(jìn)行比較和分析。

2實(shí)驗(yàn)

2.1鍍膜制備工藝實(shí)驗(yàn)采用直流磁控濺射鍍膜機(jī)制備Co/Sb多層膜反射鏡。磁控濺射控制簡單、成膜致密、膜層雜質(zhì)含量少，適合制作軟X射線多層膜[15]。根據(jù)速率標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，確定Co和Sb鍍膜速率，通過計(jì)算機(jī)和電機(jī)控制樣品在不同靶位上的停留時(shí)間完成多層膜鍍制。鍍膜過程中，Co靶的濺射功率是25 W，Sb靶的濺射功率是20 W。真空室本底真空度為8.0×10-5 Pa，濺射氣體為氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，濺射氣壓為1.5 mTorr（1 Torr=133.322 Pa）。在保持濺射氣壓不變的情況下，在濺射氣體中混入不同濃度的氮?dú)?，分別利用質(zhì)量流量計(jì)精確調(diào)節(jié)氬氣和氮?dú)獾牧髁?，用真空?jì)實(shí)時(shí)監(jiān)控鍍膜室的氣壓，使其保持恒定，氮?dú)鉂舛确謩e調(diào)整至0%（純氬氣）、5%、10%、15%、20%，25%、30%、35%、40%，制備出一組不同氮?dú)鉂舛取⒑穸冉咏亩鄬幽悠贰?/p>

2.2測試方法（1）掠入射X射線反射（GIXRR）測量使用X 射線衍射儀（英國Bede公司，D1型）測量制備出的Co/Sb多層膜樣品的掠入射反射曲線，光源為Cu的Kα譜線（光子能量8 keV）。通過對測試結(jié)果擬合分析，可得到多層膜的膜層厚度與界面粗糙度。（2）軟X射線反射率（SXR）測測量BSRF同步輻射裝置上，利用反射率計(jì)對Co/Sb多層膜進(jìn)行了反射率測量，測試中固定光的入射角度，連續(xù)掃描能量，對測試結(jié)果進(jìn)行對比分析，可直觀地得到反應(yīng)濺射前后的反射率變化。

3結(jié)果與討論

3.1Co/Sb多層膜的掠入射X射線反射測試在不同氮?dú)鉂舛鹊臑R射條件下，制備了一組周期厚度在8.9nm附近的Co/Sb多層膜，gamma值為0.6，膜對數(shù)為10。掠入射X射線反射測試結(jié)果如圖4所示，橫坐標(biāo)為掠入射角度，縱坐標(biāo)為探測器接收到的光強(qiáng)，要將不同濃度下的反射曲線放在一張圖中方便對比成膜質(zhì)量的改善，因此每條曲線的縱坐標(biāo)都乘了系數(shù)，擬合結(jié)果如表1所示，表中d為膜層厚度，σ為膜的粗糙度。加入氮?dú)夂?，Co層和Sb層的厚度基本維持不變，多層膜的粗糙度均有所降低，當(dāng)?shù)獨(dú)鉂舛冗_(dá)到25%時(shí)，界面粗糙度最小，當(dāng)?shù)獨(dú)鉂舛壤^續(xù)增加時(shí)，界面粗糙度基本維持不變。

3.2Co/Sb多層膜軟X射線反射率測試在北京同步輻射光源（BSRF）3W1B實(shí)驗(yàn)站，利用軟X射線反射率計(jì)，測量多層膜的反射率。掠入射角14.5°，實(shí)驗(yàn)中采用儲(chǔ)存環(huán)的束流修正直通光數(shù)據(jù)，使信號(hào)光與直通光光通量一致，將信號(hào)光與直通光進(jìn)行歸一化處理得到反射率，測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率達(dá)到11.7%，而未經(jīng)反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率只有7.2%。4結(jié)論在“水窗”波段，選擇在Sb的M5吸收邊附近，以Sb為間隔層，設(shè)計(jì)并制備了Co/Sb多層膜反射鏡，計(jì)算了同樣膜系下不同界面粗糙度的多層膜反射率，并利用反應(yīng)濺射成功改善了多層膜成膜質(zhì)量。通過掠入射X射線反射和軟X射線反射率的測試，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)濺射制備Co/Sb多層膜時(shí)，氮?dú)鉂舛?5%為最優(yōu)，界面粗糙度最小，反射率為11.7%，而不加氮?dú)獾亩鄬幽し瓷渎蕛H有7.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明氮?dú)夥磻?yīng)濺射可以有效改善軟X射線Co/Sb多層膜性能。反應(yīng)濺射改善成膜質(zhì)量的物理機(jī)理還需進(jìn)一步研究，下一步將采用XPS分析反應(yīng)濺射制備多層膜的機(jī)理。

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3.2Co/Sb多層膜軟X射線反射率測試在北京同步輻射光源（BSRF）3W1B實(shí)驗(yàn)站，利用軟X射線反射率計(jì)，測量多層膜的反射率。掠入射角14.5°，實(shí)驗(yàn)中采用儲(chǔ)存環(huán)的束流修正直通光數(shù)據(jù)，使信號(hào)光與直通光光通量一致，將信號(hào)光與直通光進(jìn)行歸一化處理得到反射率，測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率達(dá)到11.7%，而未經(jīng)反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率只有7.2%。4結(jié)論在“水窗”波段，選擇在Sb的M5吸收邊附近，以Sb為間隔層，設(shè)計(jì)并制備了Co/Sb多層膜反射鏡，計(jì)算了同樣膜系下不同界面粗糙度的多層膜反射率，并利用反應(yīng)濺射成功改善了多層膜成膜質(zhì)量。通過掠入射X射線反射和軟X射線反射率的測試，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)濺射制備Co/Sb多層膜時(shí)，氮?dú)鉂舛?5%為最優(yōu)，界面粗糙度最小，反射率為11.7%，而不加氮?dú)獾亩鄬幽し瓷渎蕛H有7.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明氮?dú)夥磻?yīng)濺射可以有效改善軟X射線Co/Sb多層膜性能。反應(yīng)濺射改善成膜質(zhì)量的物理機(jī)理還需進(jìn)一步研究，下一步將采用XPS分析反應(yīng)濺射制備多層膜的機(jī)理。

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3.2Co/Sb多層膜軟X射線反射率測試在北京同步輻射光源（BSRF）3W1B實(shí)驗(yàn)站，利用軟X射線反射率計(jì)，測量多層膜的反射率。掠入射角14.5°，實(shí)驗(yàn)中采用儲(chǔ)存環(huán)的束流修正直通光數(shù)據(jù)，使信號(hào)光與直通光光通量一致，將信號(hào)光與直通光進(jìn)行歸一化處理得到反射率，測試結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率達(dá)到11.7%，而未經(jīng)反應(yīng)濺射制備的Co/Sb多層膜反射率只有7.2%。4結(jié)論在“水窗”波段，選擇在Sb的M5吸收邊附近，以Sb為間隔層，設(shè)計(jì)并制備了Co/Sb多層膜反射鏡，計(jì)算了同樣膜系下不同界面粗糙度的多層膜反射率，并利用反應(yīng)濺射成功改善了多層膜成膜質(zhì)量。通過掠入射X射線反射和軟X射線反射率的測試，發(fā)現(xiàn)在反應(yīng)濺射制備Co/Sb多層膜時(shí)，氮?dú)鉂舛?5%為最優(yōu)，界面粗糙度最小，反射率為11.7%，而不加氮?dú)獾亩鄬幽し瓷渎蕛H有7.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明氮?dú)夥磻?yīng)濺射可以有效改善軟X射線Co/Sb多層膜性能。反應(yīng)濺射改善成膜質(zhì)量的物理機(jī)理還需進(jìn)一步研究，下一步將采用XPS分析反應(yīng)濺射制備多層膜的機(jī)理。

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