基于几何相位分析的Nb-Si{001}界面应变研究

基于几何相位分析的Nb-Si{001}界面应变研究李 旭, 任玲玲, 高思田, 周丽旗, 陶兴付（中国计量科学研究院 纳米新材料计量研究所，北京 100029）摘要：用高分辨电子显微成像和几何相位分析，研究不同溅射气压下制备的铌薄膜/硅基体的界面微观结构和应变状态。

结果表明：铌薄膜表面由花瓣状层片组织构成，层片组织随机分布，没有明显的特征取向；随着溅射气压的增大，层片尺寸随之增大，致密度减小，出现大量孔隙，铌薄膜和硅基体之间存在铌、硅元素的混合层；当溅射气压为0.65 Pa ，0.85 Pa 和1 Pa 时，硅基体中应变εxx 分别是–0.16%，–0.30%和 0.42%，εyy 分别是–1.23%，–0.31%和0.26%，溅射气压对硅基体的应变状态具有很大影响；硅基体的应变主要来自于界面混合层和铌薄膜的作用，混合层中铌原子和硅原子相互混杂，存在大量结构缺陷，产生本征应力，从而导致硅基体中产生应变。

关键词：高分辨成像；几何相位分析；铌薄膜；硅基体；混合层；应变doi ：10.11868/j.issn.1005-5053.2016.000114中图分类号：TB331 文献标识码：A 文章编号：1005-5053(2018)02-0096-08铌（Nb ）薄膜可应用于量子位器件和光子探测器，近年来引起了科学界的广泛关注[1-4]。

很多研究结果表明，铌薄膜的孔隙、晶粒尺寸、厚度、力学性能、界面应力/应变等对铌薄膜器件的性能产生很大的影响[5-7]。

在铌薄膜-基体的微观结构中，界面应力-应变状态至关重要。

应力-应变会影响铌膜量子器件的超导转变温度和磁各向异性；应力-应变严重时会直接导致铌薄膜翘曲、起皱或脱落，最终导致元器件失效。

因此，铌薄膜-基体中的应力-应变，特别是微纳尺度的应力-应变，受到科研界的密切关注。

目前大尺寸薄膜-基体体系的应力-应变研究主要采用宏观尺度的X 射线衍射法和激光曲率法，这两种方法测量毫米-厘米尺寸范围内的应力平均值，不能对微纳尺寸范围内的点-线-面应力值进行充分测量。

同时，微纳尺度应力-应变的研究工作还不够充分和深入，基于高分辨电子显微成像和几何相位分析技术的纳米尺度薄膜-基体应变研究更是非常少[8-10]。

本工作借助高分辨电子显微成像（HREM ）和几何相位分析技术（geometric phase analysis ，GPA ），研究不同溅射气压下制备的铌薄膜与硅基体的界面微观结构和应变状态；在此基础上，对应变的产生机理和影响因素进行分析。

1 实验材料与方法采用直流磁控溅射沉积系统（Kurt J Lesker CMS-A ）和99.95%纯度的铌靶制备铌膜，所使用的溅射气体为99.99%的高纯氩气，沉积基体为Si{001}晶片，电阻率大于2000 Ω·cm ，循环水冷却使硅基体温度维持在20 ℃左右，硅基体与铌靶材之间的距离为11 cm 。

最初整个溅射系统的真空被抽到1.33×10–6Pa ，然后在0.65 Pa ，0.85 Pa 和1 Pa 的沉积气压下分别制备3种铌膜，沉积时间为350 s 。

3种沉积气压的设定，是基于前期晶面应变测量结果，即铌膜-基体的应变在0.6～1 Pa 范围内显著变化[11]。

用Leica TXP 磨抛机和Leica RES101离子减薄仪制备观察Nb/Si 界面的透射电镜样品。

用装配有Oxford X-Max 20 mm 2能谱仪的ZeissUltra 55场发射扫描电镜（SEM ）对铌膜的表面形貌和横截面成分进行分析。

用Zeiss Libra 200场发射透射电镜（TEM ）对Nb-Si 界面进行高分辨成像，用HREM Research 公司的几何相位分析软件（GPA ）对高分辨像进行应变计算分析。

2 结果与分析图1是0.65 Pa ，0.85 Pa 和1 Pa 溅射气压下Si{001}上沉积的铌膜的表面形貌和横截面成分分布。

从图1中可以看出，铌薄膜表面由花瓣状层片组织构收稿日期：2016-06-22；修订日期：2016-11-08基金项目：国家质检总局质量技术监督技术改造项目（2015NIM08）通讯作者：陶兴付（1982—），博士，副研究员，微纳力学测量研究，（E-mail ）li-xu@ 。

2018 年第 38 卷航　空　材　料　学　报2018，Vol. 38第 2 期第 96 – 103 页JOURNAL OF AERONAUTICAL MATERIALSNo.2 pp.96 – 103成，层片的长度、宽度和厚度在100 nm 之内，层片组织随机分布，没有明显的特征取向。

随着溅射气压的增大，层片组织的尺寸随之增大，致密度减小，层片与层片之间出现大量的孔隙。

对铌膜表面进行微区（方框）成分分析，检测到C ，O ，Si ，Nb 四种元素，原子比约为28 : 3 : 50 : 19。

随着溅射气压的增大，C 元素含量轻微减小，O 元素含量先增加后减小，Si 元素含量增加，Nb 元素含量减小。

对Nb-Si 界面进行线扫描分析，从铌薄膜表面到Nb-Si 界面，Nb 元素含量较高，Si 元素含量较低，而从界面到硅侧中的远处区域，Si 元素含量增加，Nb 元素含量减少。

不同溅射气压下，Nb 沉积原子获得的能量不同，到达基体后发生扩散、固溶的方式和深度不同，从而导致薄膜/基体界面元素分布不同。

为了研究Nb-Si 界面元素分布与界面区域应变之间的关系，使用装配有OMEGA 能量过滤器的场发射透射电镜，对Nb-Si 界面区域的元素进行电子能量谱成像分析。

图2是不同溅射气压下制备的Nb-Si{001}界面的透射电镜形貌和电子能量谱成像（ESI ）。

溅射气压为0.65 Pa 时铌膜的厚度为244.71 nm ，显微组织由长条状晶粒构成，Si ，Nb ，O 三种元素的面分布如图2（a ）右侧所示，在Si ，Nb 之间形成了一个宽约10 nm 的混合层，而在铌层中存在较多的O 元素，这是铌的氧化导致。

当溅射气压为0.85 Pa 时，铌膜的厚度为253.78 nm ，在Si 和Nb 之间存在一个宽约10 nm 的混合层，整个分析区域内O 元素极少。

当溅射气压为1 Pa 时，铌膜的厚度为256.29 nm ，在Si ，Nb 之间形成宽约20 nm 的混合层，而在铌膜层中，存在较多的O 元素。

总体看来，在Si{001}晶面上制备的铌膜，其厚(a)(b)(c)(d)(e)(f)Mass AtomElement fraction/%fraction/%CK OK SiK NbL9.631.2339.4149.7328.462.7249.8119.00Mass AtomElement fraction/%fraction/%CK OK SiK NbL9.621.3639.5549.4828.333.0149.8218.84Mass AtomElement fraction/%fraction/%CK OK SiK NbL8.881.2943.0646.7725.892.8253.6617.62200 nm200 nm200 nmNbNbNbSiSiSi500 nm500 nm500 nm图 1 不同溅射气压沉积的铌膜的扫描电镜形貌和成分分布Fig. 1 SEM micrographs and element distributions of Nb films prepared at different deposition pressures （a ）,（b ）0.65 Pa;（c ）,（d ）0.85 Pa;（e ）,（f ）1 Pa第 2 期基于几何相位分析的Nb-Si{001}界面应变研究97度随着溅射气压的增加而增大，但增幅很小。

从电子能量谱成像分析可知，Si层和Nb层之间产生了二者的混合层，该混合层很可能是界面体系中应变的主要来源。

使用透射电镜高分辨成像技术和几何相位分析软件，对Nb-Si{001}界面区域硅基体的应变状态进行分析。

图3是0.65 Pa溅射气压制备的Nb-Si{001}界面区域硅基体的高分辨电子显微像和应变分布，单晶硅的高分辨晶格像在离界面几十纳米范围内比较清晰，Nb-Si界面清晰可见，图像衬度均匀。

选取界面线方向作为x方向，界面线的垂直方向作为y方向，构建的坐标系如图3右下角所示。

从εxx的面分布图可以看出，单晶硅中x方向的应变较小且均匀，总体为负，计算出白色方框内应变的平均值为–0.16%。

从εyy的面分布图可以看出，y 方向的应变在界面附近为负，而应变在远离界面的区域则非常小，白色方框内应变的平均值为–1.23%。

图4是0.85 Pa溅射气压制备的Nb-Si{001}界面硅基体的高分辨电子显微像和应变分布，从图4（a）中可以看出，单晶硅晶格像质量在大部分区域比较好，Nb-Si界面清晰可见。

选取界面线方向作为x方向，界面线的垂直方向作为y方向，构建的坐标系如图4右下角所示。

从εxx的面分布图可以看出，单晶硅中x方向的应变非常小，但在界面附近存在负应变，白色方框内应变平均值为–0.30%。

从εyy的面分布图可看出，单晶硅中y方向的应变在界面附近为负，而应变在远离界面的区域则非常小，白色方框内应变的平均值为–0.31%。

图5是1 Pa溅射气压制备的Nb-Si{001}界面区域硅基体的高分辨电子显微像和应变分布，硅基(a)(b)(c)SiNbOSiNbOSiNbO图 2 不同溅射气压制备的Nb/Si{001}界面的透射电镜形貌和电子能量谱成像Fig. 2 TEM micrographs and ESI images of Nb/Si{001} interfaces prepared at different deposition pressures（a）0.65 Pa;（b）0.85 Pa;（c）1 Pa98航　空　材　料　学　报第 38 卷体的高分辨晶格像非常清晰，Nb-Si图像衬度均匀，界面清晰。

选取界面线方向作为x方向，界面线的垂直方向作为y方向，构建的坐标系如图5右下角所示。

从εxx的面分布图可以看出，单晶硅中x方(c)(b)5%−5%yx(a)2 nm图 3 0.65 Pa溅射气压制备的界面区域硅基体的透射电镜形貌和应变分布　（a）高分辨电子显微像;（b）εxx的面分布;（c）εyy的面分布Fig. 3 TEM micrograph and strain distribution of Si substrate at interface prepared at 0.65 Pa　（a）HREM image;（b）mapping of εxx;（c）mapping of εyy(c)(b)5%−5%yx(a)5 nm图 4 0.85 Pa溅射气压制备的界面区域硅基体的透射电镜形貌和应变分布　（a）高分辨电子显微像;（b）εxx的面分布;（c）εyy的面分布Fig. 4 TEM micrograph and strain distribution of Si substrate at interface prepared at 0.85 Pa　（a）HREM image;（b）mapping of εxx;（c）mapping of εyy第 2 期基于几何相位分析的Nb-Si{001}界面应变研究99向的应变总体上为正，且在界面附近稍大，白色方框内应变的平均值为0.42%。