多层膜作为极紫外与X射线的关键光学材料,已在等离子体诊断、生命科学、天文观测、同步辐射等领域发挥越来越重要的作用^{[1, 2, 3]}。多层膜Laue透镜作为一种新型的线性波带片,能够实现X射线的纳米聚焦。W/Si多层膜由于具有化学性质稳定、界面清晰、粗糙度小等优点,是制备多层膜Laue透镜的理想材料^{[4, 5]}。为了获得高的衍射效率和分辨率,制备多层膜Laue透镜的多层膜需要镀制几百甚至上千层才能达到应用要求。因此,膜层生长过程中不可避免的应力会引起膜层褶皱、破裂和基底变形,是多层膜Laue透镜研制中必须解决的关键问题。薄膜应力产生的原因很复杂,但主要原因有2种:一种是由于不同材料的热膨胀系数不同引起的,由此原因产生的应力称为热应力;一种是薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的,由此原因产生的应力称为内应力^[6]。薄膜应力主要是在薄膜生长过程中积累起来的,为了研究薄膜生长过程中应力的变化,探究应力产生机理,对多层膜Laue透镜镀制过程中进行实时应力的测量和研究很有意义^{[7, 8]}。

溅射气压是磁控溅射镀制多层膜的一项重要的实验条件,氩气压力的高低会直接影响薄膜沉积过程中应力的演变。文献^[9]论述了多种材料薄膜磁控溅射沉积过程中的平均内应力和氩气压力的关系,通过研究应力从压应力转变为张应力时的临界气压和沉积材料原子质量之间的关系,认为磁控溅射沉积薄膜过程中原子撞击表面是内应力的主要来源和应力产生的主要原因。2011年Argonne国家实验室的Kimberly MacArthur使用实时应力测量装置对W/WSi₂多层膜在不同溅射气压条件下沉积多层膜的应力演变进行了研究,研究结果表明,在不同溅射气压条件下W/WSi₂多层膜均表现为压应力,随着溅射气压的增大压应力不断减小,在低的溅射气压环境下W/WSi₂多层膜的应力是呈周期性演变的,并发现应力主要来源于Si层。为了进一步研究用于制备多层膜Laue透镜的多层膜不同材料组合的应力特性,本文研究不同溅射气压条件下制备W/Si多层膜的应力特性,使用实时应力测量装置对薄膜沉积过程中的应力演变过程进行实时测量,并对应力变化的机理进行分析讨论。

实时应力测量装置原理图如图 1所示,应力测量系统由氦氖激光器、准直光路、分束镜、CCD接收器、计算机以及磁控溅射镀膜机组成。由氦氖激光器发射的激光经过准直后被分束镜分为一组平行等间距的激光束,这组激光束通过镀膜机的玻璃窗口照射到镀膜的基片上,而镀膜过程中产生的应力会引起基片的形变,基片的形变会导致经基片反射后的平行光束间距变化。通过比较基片反射前后激光束间距的变化量可以计算出基片曲率变化的大小,而曲率的变化是与应力的变化紧密相关,因此通过实时测量激光束间距变化就可得到基片所受应力的大小。经基片反射后的光束会被CCD接收并得到光斑图像,再经电脑实时计算出光斑间距,由光斑间距的变化量计算出基片所受应力的大小,实现薄膜沉积过程中应力的实时测量。

图 1

Fig. 1

图 1 实时应力测量装置原理图 Fig. 1 Online stress measurement system diagram

薄膜应力会导致基片的弹性弯曲,由Stoney公式可以得到薄膜应力和基片曲率之间的关系为

2.1 W/Si多层膜制备工艺

实验采用高真空直流磁控溅射镀膜机制备W/Si多层膜。磁控溅射成膜致密,膜层杂质含量少,适合用来制作X射线多层膜。首先确定W和Si的沉积速率,再通过控制样品在不同靶位上的停留时间来控制厚度。W/Si镀膜过程中,镀制W的功率为30 W,镀制Si的功率为40 W,真空室的本底真空为2.0×10^-4 Pa,Ar气纯度为99.999%。实验中采用溅射气压分别为0.05 Pa、0.30 Pa、0.60 Pa、0.90 Pa、1.10 Pa制备标记为S1、S2、S3、S4、S5的5种样品。多层膜的设计厚度均为27.5 nm,利用X射线衍射仪对制备的单层膜和周期多层膜进行掠入射反射测试,通过拟合来获得单层膜的厚度和周期多层膜的周期厚度。衍射仪所用的X射线光源是经单色器准直的Cu靶的Kα线,波长λ为0.145 nm。图 2是溅射气压为0.05 Pa时的W/Si周期多层膜的掠入射反射测试数据和拟合曲线,测量结果表明,W/Si多层膜的周期厚度为27.3 nm,与设计值基本一致。按照同样方法测得的溅射气压分别为0.30 Pa、0.60 Pa、0.90 Pa、1.10 Pa样品的周期厚度分别为28.3 nm、26.8 nm、26.5 nm、25.6 nm,也与设计值基本一致。

图 2

Fig. 2

图 2 S1样品掠入射反射测量和拟合曲线 Fig. 2 Grazing incidence X-ray reflectivity measured and fitted results curver of S1

实验使用0.15 mm厚度、直径为30 mm的超光滑玻璃基底,利用Veeco公司的Dektak 6M台阶仪对镀膜前玻璃基底的面形进行测量。每次样品的测量都是使探针沿着玻璃基底表面的两个相互垂直的方向进行扫描,记作XY方向。不同基底镀膜前X 轴方向的面型测试曲线如图 3所示。

图 3

Fig. 3

图 3 镀膜前玻璃基底表面X方向的面形 Fig. 3 Surface profile measurement along X-direction of substrates before deposition Totong

从图中可以看出,由于基片非常薄,基片略有弯曲。

使用实时应力测量装置对不同溅射气压条件下的W/Si多层膜的应力变化进行了测量,薄膜沉积过程中样品会在W靶、Si靶、应力测试点3个位置停留,每镀制完一层薄膜样品回到应力测试点进行应力测试,整个薄膜沉积过程中10个周期会进行20次的应力测试,不同溅射气压条件下的样品薄膜沉积过程中的曲率变化如图 4所示。不同工作气压条件下,在薄膜生长过程中基片的曲率均是呈线性变化的,工作气压在从0.05 Pa增大到1.10 Pa的过程中,基片曲率曲线的斜率呈不断增大的趋势,对应的基片所受的应力由压应力转变为张应力。

由式(1)变形可以得到

图 4

Fig. 4

图 4 不同溅射气压下薄膜沉积过程中曲率变化 Fig. 4 Curvature data for sputtering at different gas pressure

表 1 (Tab. 1)

表 1 不同溅射气压下样品镀膜前后曲率和应力值 Tab. 1 英文标题 样品编号 S1 S2 S3 S4 S5 工作气压/Pa 0.05 0.30 0.60 0.90 1.10 κpre/m-1 -0.026 -0.025 -0.055 -0.056 -0.035 κpost/m-1 -0.427 -0.379 -0.147 0.0743 0.249 应力/MPa -540.15 -476.86 -123.92 175.51 382.55

表 1 不同溅射气压下样品镀膜前后曲率和应力值 Tab. 1 Curvature and stress data for sputtering at different gas pressure

由表 1可以看出:不同样品镀膜前曲率相差较小,镀膜后所有样品的曲率均产生了较大变化,溅射气压从0.05 Pa增加到1.10 Pa,曲率由-0.427 m^-1增加到0.249 m^-1,其中当工作压力为0.60 Pa时曲率变化较小;随着溅射气压增加,对应的应力值由-540.15 MPa的压应力转变为382.55 MPa的张应力,当溅射气压为0.60 Pa时应力值为-123.92 MPa的压应力。

应力实验结果表明:在溅射气压不断增大的过程中,W/Si多层膜沉积过程中产生的压应力不断减小,最终转变为张应力。这种应力转变是与磁控溅射工艺沉积薄膜过程中应力产生的机理相关,磁控溅射相对其他薄膜沉积方法的显著特点是原子到生长表面相对有较高的动能。高能原子向前轰击或是原子向后弹回引起表面损伤产生过剩间隙原子的“原子撞击”是磁控溅射薄膜沉积过程中形成压应力的主要原因。而随着溅射气压的增大,镀膜室中的氩原子不断增多,导致沉积原子从靶面到样品表面转移过程中与氩原子的碰撞几率增大,沉积原子到达样品表面时动能减小,从而沉积的薄膜的压应力减小。随着溅射气压的继续增大,溅射粒子到达样品表面时的动能不断减小,由“原子撞击”对薄膜沉积形成的应力影响越来越小,而Si原子沉积在W膜层表面时,Si原子产生较大的扩散,原子半径较小的Si占据W膜层表面较大的空位而产生拉伸作用,随着溅射气压的不断增大,这种拉伸作用占据了对薄膜应力影响的主导作用,从而在溅射气压不断增大的过程中,薄膜沉积过程中产生的压应力不断减小,最终转变为张应力。

通过实时应力测量实验,研究了直流磁控溅射在不同溅射气压条件下制备的W/Si多层膜的应力特性。实验结果表明,W/Si多层膜在不同溅射气压条件下的应力均比较稳定,随着溅射气压的不断增大,W/Si多层膜沉积过程中的压应力不断减小,最终转变张应力。其中,当溅射气压为0.60 Pa时,制备出薄膜的应力值最小,为-123.92 MPa的压应力,因此,溅射气压为0.60 Pa时能够制备出应力特性较好的W/Si多层膜。