非極化中子超鏡用NiC薄膜制作技術(shù)研究

靳鑫　張眾

摘要：

NiC/Ti中子超鏡是一種高性能的中子多層膜光學(xué)元件，NiC納米薄膜的制作是實(shí)現(xiàn)NiC/Ti多層膜的關(guān)鍵技術(shù)?；贜i和C的直流磁控濺射方法，提出了一種NiC聯(lián)合濺射靶材的實(shí)現(xiàn)方法，并制作了NiC單層膜樣品。X射線光電子能譜的測量結(jié)果表明：用聯(lián)合濺射靶材制作的NiC薄膜中Ni和C的原子數(shù)比與理論預(yù)期相吻合；基于X射線光電子能譜測試得到的Ni、C原子數(shù)比，通過構(gòu)建Ni86C14的模型，可以很好地對掠入射X射線反射測試結(jié)果進(jìn)行理論擬合。該研究可為進(jìn)一步開展NiC/Ti中子超鏡的制作提供參考。

關(guān)鍵詞：

聯(lián)合濺射； NiC薄膜； 原子數(shù)比； X射線光電子能譜； X射線反射

中圖分類號： O 434文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2017.04.014

Abstract：

NiC/Ti neutron supermirror as a kind of multilayered optical elements presents highperformance.The manufactured technique of NiC nanometer films is extremely important to realize the fabrication of NiC/Ti multilayers.Based on the direct current magnetron sputtered technique of Ni and C，a cosputtering technique is reported in this paper.The NiC monolayer was fabricated from NiC target successfully.The measured result of Xray photoelectron spectroscopy（XPS） indicates that the atomic ratio of Ni and C from NiC layer made by NiC target agrees with the theoretical expected result.The Ni86C14 model based on the atomic ratio measured by XPS was used to fit the curve measured by grazing incidence Xray reflectivity.The fitted curve is in generally consistent with the measured result.This investigation can give direction to develop the fabricated technique of NiC/Ti neutron supermirror.

Keywords：

cosputtering； NiC monolayer； atomic ratio； Xray photoelectron spectroscopy； Xrayreflectivity

引言

中子是開展物質(zhì)的物理、化學(xué)、機(jī)械等特性研究的理想探針，尤其是中子散射和衍射技術(shù)，是研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性的有效技術(shù)方法[12]。在中子檢測實(shí)驗(yàn)過程中，中子通量決定著測試實(shí)驗(yàn)的效率和測量數(shù)據(jù)的信噪比[3]。中子超鏡作為傳輸中子束線的導(dǎo)管的內(nèi)鍍層，其性能決定了中子束線的傳輸效率[4]，是國際上中子光學(xué)技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一[57]。

中子檢測實(shí)驗(yàn)所使用的中子一般分為極化中子和非極化中子兩種，對于前者，經(jīng)常使用Fe/Si作為超鏡材料，而對于后者，Ni/Ti是最為常用的材料組合[8]。由于薄膜間的界面粗糙度、相互滲透和化合物生成等作用，使得Ni/Ti多層膜之間形成明顯的過渡層，從而降低了Ni/Ti超鏡的反射性能[910]。為了抑制Ni/Ti多層膜內(nèi)界面過渡層的形成，很多方法被提出[1113]。其中，在Ni膜層中摻入C原子的共濺射方法，因工藝控制相對容易，運(yùn)行成本較低，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大面積均勻性較好的超鏡制備，從而得到了廣泛的應(yīng)用[1415]。

目前，國際上對基于共濺射方法獲得NiC/Ti多層膜的理論和實(shí)驗(yàn)研究取得了一些進(jìn)展。Vidal等[16]發(fā)現(xiàn)Ni層中摻入C原子后會(huì)進(jìn)一步增加膜層間散射長度密度的差值，能夠從理論上增加反射率，并且他們通過對中子反射率的測量也證明了NiC/Ti比Ni/Ti組合的光學(xué)性能更好。Jiang等[17]制備了周期數(shù)均為100的Ni（6.5 nm）/Ti（7.0 nm）和NiC（6.5 nm）/Ti（7.0 nm）的多層膜，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，Ni層中摻入C原子后Ni的晶粒尺寸減小，并且在高分辨透射電子顯微鏡下可看到NiC/Ti比Ni/Ti膜層組合的界面更加清晰。Casanove等[18]制備了Ni（5.9 nm）/Ti（7.2 nm）和NiC（10.0 nm）/Ti（10.0 nm）兩組樣品，在高分辨透射電子顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，Ni層中摻入C原子后制備的NiC膜層類似于非晶狀態(tài)，C原子的存在抑制了Ni層和Ti層之間的擴(kuò)散。由于目前對于如何實(shí)現(xiàn)NiC膜層的制作還缺少詳細(xì)的報(bào)道，因此，本文主要從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面對基于直流磁控濺射方法實(shí)現(xiàn)NiC膜層的制作方法進(jìn)行了研究，從而為進(jìn)一步開展NiC/Ti中子超鏡的制作提供了參考。

1NiC單層膜的制作

本文基于國產(chǎn)高真空直流磁控濺射設(shè)備（如圖1所示），采取Ni、C聯(lián)合濺射的方法實(shí)現(xiàn)NiC膜層的制備。所使用的鍍膜機(jī)內(nèi)裝有美國Lesker公司生產(chǎn)的2 in（1 in=25.4 mm）圓形直流磁控濺射源，濺射源面向上安裝，與薄膜基板垂直面對，通過計(jì)算機(jī)控制基板在濺射源上方的停留時(shí)間實(shí)現(xiàn)對膜層厚度的控制，基板在鍍膜過程中保持高速自轉(zhuǎn)以提升膜層的均勻性。為了實(shí)現(xiàn)Ni和C的聯(lián)合濺射，本文采用了如圖2所示的NiC靶材料。該靶材料是將Ni和C靶材黏接在同一個(gè)圓形的銅板上，并安裝在圓形的直流磁控濺射源上。由于Ni和C在相同濺射功率條件下具有不同的濺射速率，而且基板處于高速自轉(zhuǎn)狀態(tài)，從理論上可知，如果自轉(zhuǎn)的周期遠(yuǎn)小于膜層沉積時(shí)間，則可以認(rèn)為膜層中兩種原子的原子數(shù)分布是均勻的。因此，圖2所示的聯(lián)合濺射靶材料中，C部分占靶材總面積的比例（Г）是影響C在NiC膜層中原子數(shù)占比（x）的唯一因素，并且滿足[16]endprint

x=0.17Γ1-0.85Γ

（1）

根據(jù)文獻(xiàn)[19]的研究結(jié)果，在NiC膜層中C的原子數(shù)占比為14%時(shí)，NiC/Ti多層膜的界面過渡層較小，根據(jù)式（1）可以計(jì)算得到，C原子數(shù)占比為14%的NiC聯(lián)合濺射靶材中，C靶材部分的面積占比為50%。因此，本文采用了直徑為4 in的半圓形Ni靶材和C靶材拼接并黏貼在銅圓板上的方法，制作了NiC聯(lián)合濺射靶材料。

考慮樣品實(shí)際制備的難度、設(shè)備限制以及課題組之前的制備經(jīng)驗(yàn)，確定了NiC單層膜的制備工藝參數(shù)：本底真空優(yōu)于1.0×10-4 Pa，NiC靶距基板的距離為11.0 cm，濺射過程中的工作氣體為Ar氣（99.99%），工作氣壓為0.266 Pa，充氣流量為7.4 ml/min。樣品制備采用恒功率模式的直流磁控濺射方法，加載在NiC靶上的濺射功率為30 W。單層膜所用的基板是經(jīng)過單面拋光的超光滑Si片，基底的粗糙度<0.5 nm，鍍制成品前，標(biāo)定得出NiC的沉積速率約為0.047 nm/s。

2NiC單層膜的X射線光電子能譜測試與分析

本文采用Kratos公司的Axis UltraDld光電子譜儀實(shí)現(xiàn)對NiC單層膜樣品中原子數(shù)比的測試。光電子譜儀所用的X射線源為Al的Kα射線，刻蝕的Ar+能量約為4 keV，深度刻蝕過程中全譜掃描功率為120 W，刻蝕速率約為0.03 nm/s?？涛g時(shí)間分別為30 s、90 s、120 s、150 s的NiC單層膜的光電子能譜（XPS）如圖3所示。基于光電子能譜測量數(shù)據(jù)，采用靈敏度因子方法，對各原子的相對含量進(jìn)行定量計(jì)算，從而得出NiC膜層內(nèi)不同深度位置的Ni和C原子數(shù)的分布，如圖4所示。由圖4可知，NiC單層膜樣品表面因受大氣污染而含有較多的C和O元素，隨著刻蝕時(shí)間的增加，膜層內(nèi)部的O元素迅速消失，而Ni和C原子的相對含量趨于穩(wěn)定，且原子數(shù)比接近86∶14，與理論計(jì)算結(jié)果相吻合。

3NiC單層膜的掠入射X射線反射（XRR）測試與理論擬合

本文采用X射線衍射儀（英國Bede公司，D1型）實(shí)現(xiàn)NiC單層膜樣品的掠入射反射測量。衍射儀的光源為Cu的Kα線（波長為0.154 nm），出射X射線光束的角發(fā)散度約為25"，采用θ2θ掃描方式，掃描步長0.01°，X射線束在樣品表面的掠入射角度的掃描范圍為0°～3.5°，每個(gè)角度位置處，獲取反射X射線強(qiáng)度的積分時(shí)間為2 s。利用衍射儀自帶的Refs分析軟件，對測量結(jié)果進(jìn)行擬合分析，從而獲得NiC單層膜樣品的膜層厚度與表面粗糙度。在理論擬合過程中，NiC膜層的組分全部為Ni86C14。測試和擬合結(jié)果如圖5所示。

理論結(jié)果顯示，所制備的NiC單層膜的厚度約為12.8 nm，密度值為Ni86C14理論密度的96.58%，表面粗糙度約為0.67 nm。

4結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了采用聯(lián)合濺射靶材料可實(shí)現(xiàn)NiC薄膜的制備，得出了精密控制NiC薄膜組分的實(shí)驗(yàn)方法。XPS測量結(jié)果表明，NiC膜層中Ni和C的原子數(shù)比與理論預(yù)期相吻合。XRR測量結(jié)果表明，基于XPS的測量結(jié)果可以對XRR的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的理論擬合。XRR理論擬合結(jié)果表明，所制作的NiC單層膜的密度接近理論密度，膜層致密性較好，表面粗糙度相比基板增加不多，膜層的制作質(zhì)量較好，可以用于制作NiC/Ti中子多層膜。

參考文獻(xiàn)：

[1]YAMAMURA K，NAGANO M，ZETTSU N，et al.Highreflectivity（m=4） elliptical neutron focusing supermirror fabricated by numerically controlled local wet etching with ion beam sputter deposition[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2010，616（2/3）：193196.

[2]VERES T，CSER L，BODNARCHUCK V，et al.Investigation of periodic NiTi multilayers[J].Thin Solid Films，2013，540：6972.

[3]PLESHANOV N K.Algorithm for the realstructure design of neutron supermirrors[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipmen，2004，524（1/2/3）：273286.

[4]ZHANG Z，WANG Z S，ZHUJ T，et al.Design and fabrication of Ni/Ti multilayer for neutron supermirror[J].Chinese Physics Letters，2006，23（10）：26782680.

[5]NAGANO M，YAMAGA F，ZETTSU N，et al.Development of fabrication process for aspherical neutron focusing mirror using numerically controlled local wet etching with lowpressure polishing[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2011，634（1S）：S112S116.endprint

[6]MHLBAUER S，NIKLOWITZ PG，STADLBAUER M，et al.Elliptic neutron guidesfocusing on tiny samples[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2008，586（1）：7780.

[7]STUNAULT A，WILDES AR，RNNOWH M，et al.Performancesof a new focusing supermirror guide on IN14[J].Physica B：Condensed Matter，2004，350（1/2/3）：E683E686.

[8]BENTLEY P M，COOPERJENSEN C P，ANDERSEN K H.High intensity neutron beamlines[J].Reviews of Accelerator Science and Technology，2013，6：259274.

[9]JANKOWSKI A F，WALL M A.Transmission electron microscopy of Ni/Ti neutron mirrors[J].Thin Solid Films，1989，181（1/2）：305312.

[10]KEEM J E，WOOD J，GRUPIDO N，et al.Neutron，Xray scattering and TEM studies of NiTi multilayers[C]∥Proceedings of SPIE 0983，Thin Film Neutron Optical Devices：Mirrors，Supermirrors，Multilayer Monochromators，Polarizers，and Beam Guides.San Diego，CA：SPIE，1989，983：3853.

[11]AY M，SCHANZER C，WOLFF M，et al.New interface solution for Ni/Ti multilayers[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A：Accelerators，Spectrometers，Detectors and Associated Equipment，2006，562（1）：389392.

[12]KUMAR M S，BNI P，TIXIER S.On the reflectivity of reactively sputtered Ni/Ti multilayers[J].Physcia B：Condensed Matter，1998，248（1/2/3/4）：5355.

[13]MARUYAMA R，YAMAZAKI D，EBISAWA T，et al.Effect of interfacial roughness correlation on diffuse scattering intensity in a neutron supermirror[J].Journal of Applied Physics，2009，105（8）：083527.

[14]BALLOT B，SAMUEL F J，F(xiàn)ARNOUX B.Supermirror neutron guide[C]∥Proceedings of SPIE 1738，Neutron Optical Devices and Applications.San Diego，CA：SPIE，1992，1738：159165.

[15]GUBAREV M V，KHAYKOVICH B，RAMSEY B，et al.From xray telescopes to neutron focusing[C]∥Proceedings of SPIE 8147，Optics for EUV，XRay，and GammaRay Astronomy V.San Diego，CA：SPIE，2011，8147：81470B.

[16]VIDAL B，JIANG Z，SAMUEL F J.Reflectivity improvements for neutron mirrors and supermirrors[C]∥Proceedings of SPIE 1738，Neutron Optical Devices and Applications.San Diego，CA：SPIE，1992，1738：3041.

[17]JIANG Z，VIDAL B，BRUNEL M，et al.Characterization of neutron mirrors and supermirrors using Xray and neutron measurements[C]∥Proceedings of SPIE 1738，Neutron Optical Devices and Applications.San Diego，CA：SPIE，1992，1738：141149.

[18]CASANOVE M J，SNOECK E，ROUCAU C，et al.Fine structure of sputtered Ni/Ti multilayered thin films studied by HREM[J].MRS Online Proceeding Library Archive，1994，343：277282.

[19]WOOD J L.Neutron reflecting supermirror structure：United States，5082621[P].19900731.

（編輯：劉鐵英）endprint