磁控濺射偏壓對(duì)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?zhí)鞗_

(中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所 多學(xué)科中心，北京　100049)

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磁控濺射偏壓對(duì)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?zhí)鞗_

(中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所 多學(xué)科中心，北京100049)

摘要：利用磁控濺射技術(shù)，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(duì)樣品進(jìn)行了X-射線(xiàn)反射率測(cè)試，采用X-射線(xiàn)反射率分析法研究了不同偏壓下Cr薄膜密度的變化。發(fā)現(xiàn)當(dāng)偏壓小于300V時(shí)，偏壓對(duì)所沉積的薄膜起到緊致的效果，偏壓為300V時(shí)薄膜密度最大；當(dāng)偏壓大于300V時(shí)，薄膜密度減小。另外，為了探究偏壓對(duì)薄膜表面形貌的影響，用掃描電子顯微鏡對(duì)各樣品進(jìn)行了表面分析，發(fā)現(xiàn)在偏壓較小時(shí)薄膜表面較為平整；隨著偏壓增大，表面呈現(xiàn)界面分明的島狀分布。

關(guān)鍵詞:X-射線(xiàn)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(diǎn)，在不銹鋼、汽車(chē)零件及光學(xué)領(lǐng)域都有大量應(yīng)用[1-3]。磁控濺射具有沉積速率快、鍍膜面積大及附著力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是制備鉻薄膜最常用的方法之一[4-6]。在制備過(guò)程中，給襯底施加的偏壓大小對(duì)薄膜的表面結(jié)構(gòu)、粗糙度、密度等性質(zhì)都有很大的影響，這方面的研究對(duì)于實(shí)際的薄膜制備過(guò)程可以起到指導(dǎo)作用。X-射線(xiàn)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(xiàn)反射率大小主要與薄膜的厚度、表面粗糙度和密度等性質(zhì)有關(guān)[7-8]，對(duì)反射率曲線(xiàn)進(jìn)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(shù)，施加不同偏壓條件下在硅片上沉積Cr薄膜，用parratt軟件對(duì)薄膜進(jìn)行了XRR分析，研究了偏壓對(duì)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(jī)對(duì)硅片表面進(jìn)行2min的刻蝕，以去除表面氧化層，再用無(wú)水酒精和丙酮進(jìn)行清洗，用氮?dú)鈽尨蹈?。用磁控濺射進(jìn)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(xiàn)反射率分析法基本理論

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

1.2.1材料的X-射線(xiàn)折射率

材料的折射率在X-射線(xiàn)段可表示為[11-12]

n=1-δ-iβ

(1)

其中δ是和材料散射性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)；β是和材料吸收性質(zhì)相關(guān)的系數(shù)。

(2)

式中Zj為原子序數(shù)；NA為阿伏加德羅常量；λ為X-射線(xiàn)波長(zhǎng)；fj'為擴(kuò)散修正系數(shù)與材料對(duì)X-射線(xiàn)的散射有關(guān)；Mj為摩爾質(zhì)量；ρj為材料密度；r0為經(jīng)典電子半徑。

1.2.2全反射臨界角、折射率及材料密度的關(guān)系

X-射線(xiàn)由空氣入射到薄膜表面時(shí)滿(mǎn)足折射率關(guān)系

(3)

由于在X-射線(xiàn)段，一般材料的折射率n都小于1，對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)是光疏介質(zhì)，所以在X射線(xiàn)入射過(guò)程中會(huì)有一個(gè)全反射臨界角θc。對(duì)于掠入射來(lái)說(shuō)，θ1和θ2都較小，由公式(1)、(2)和(3)可以得到

(4)

通常擴(kuò)散修正系數(shù)很小，可以忽略。所以對(duì)于同一種材料而言

(5)

式中ε0是真空介電常數(shù)；M是材料相對(duì)原子質(zhì)量；me是經(jīng)典電子質(zhì)量。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

2.1X-射線(xiàn)反射率分析測(cè)量薄膜密度

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

圖1　對(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)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(duì)應(yīng)的全反射臨界角

通過(guò)公式(5)計(jì)算得到所對(duì)應(yīng)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(hào)U偏壓/V臨界角/(°)ρ/(g·cm-3)100.222.3821000.253.0832000.283.8643000.356.0354000.314.73

結(jié)果表明，偏壓達(dá)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(dāng)偏壓達(dá)到300V時(shí)，再增大偏壓，薄膜的密度會(huì)減小。因?yàn)殡S著偏壓的增大，靶材濺射的高能量粒子增多，能夠增強(qiáng)粒子與膜層間的粘附力與致密度；當(dāng)偏壓增大到一定值時(shí)，高能濺射粒子會(huì)造成對(duì)表面的轟擊過(guò)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(duì)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(duì)各樣品進(jìn)行了掃描，如圖3所示。

圖3　對(duì)應(yīng)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(dāng)偏壓較低薄膜密度較小時(shí)，Cr薄膜表面較為平整，隨著偏壓增大，表面紋路越來(lái)越清晰，漸漸出現(xiàn)溝壑；圖3(d)顯示當(dāng)偏壓為300V時(shí)，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(dāng)偏壓增大到400V時(shí)，薄膜表面呈連續(xù)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(jié)　論

通過(guò)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(jīng)過(guò)XRR測(cè)試和SEM掃描，得出以下結(jié)論：

1)偏壓從0V增加到300V的過(guò)程中，Cr薄膜密度逐漸增大；當(dāng)偏壓超過(guò)300V時(shí)薄膜密度減小。

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

3)SEM掃描表明，偏壓對(duì)Cr薄膜密度的影響不僅可能和薄膜表面形貌存在內(nèi)在聯(lián)系，也應(yīng)該和薄膜的生長(zhǎng)方式密切相關(guān)。

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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(lèi)號(hào)：O434.19; TB31

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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