纳米薄膜厚度的X射线测量

附表 Fe/ SiC 纳米多层膜的沉积参数
样品号
P Fe W
tFe s
P SiC W
tSi C s
周期数
实测周期 nm
1
50 5 200 20
61
7. 7
2
50 10 200 20
60
9
3
50 20 200 20
Fra Baidu bibliotek
45
4
50 40 200 20
33
11. 9 17. 8
5
50 60 200 20
27
23
与微米级厚度的薄膜相比, 纳米薄膜的厚度测 量与控制的困难不仅来自于对测量仪器量程范围拓 展与精度提高的要求, 更主要的是来自于薄膜本身 以极薄厚度沉积所造成的影响。这些影响主要有:
( 1) 基 片平整度的 影响 对 于平整度 差的基 片, 厚度测量最常用的轮廓仪方法由于难以区分基 片背景的起伏和薄膜沉积形成的台阶, 不能准确测 出薄膜厚度。纳米薄膜由于厚度极薄, 对基片的平整 度要求极高。实际上, 即使是精密抛光硅片, 也难以 达到纳米级的平整度。
the effects of t he proper ites of var iant substr ates, sur face smoothness and oxidization of metal films. I n this paper , measurement of thickness a nd deposition rat e of multilayer nanomet er films by XRD of was discussed and Fe nanometer films on SiC were measured by this met hod. The r esults show that small angle XRD method can avoid the influence of the factor s ment ioned above and measur e the thickness and deposit ion r ate of nanomet er films accur ately and conveniently.
Fe/ SiC 纳米多层膜采用 ANELVA -SP C350 多 靶磁控溅射仪设备, F e( 99. 9% ) 靶和 SiC( 99% ) 靶 分别由两个射频阴极控制。溅射功率 P Fe和 P SiC 保持 不变时, 由基片在 Fe 或 SiC 靶前的停留时间来控制 纳米多层膜各层的厚度。基片采用玻璃片, 丙酮液超 声 清洗 , 真空 室 背底 真空 为1 0- 4 P a ; 溅 射气 体为
Mao Shunj uan
( T he Key Lab of the Education Minist ry for High- Temperat ur e Mat erials & T esting, Shanghai Jiao Tong University)
Abstr act T hickness measurement and contr ol of nanometer films couldnpt be conducted easily because of
我们提出一种采用制备纳米多层膜试样, 利用 X 射线对纳米多层膜调制周期产生衍射的方法来测 量纳米多层膜的厚度, 此方法可克服上述纳米薄膜 厚度测量与控制中的困难, 具有准确、方便的优点。
1 测量原理
由两种材料交替沉积形成的纳米多层膜具有成
分周期性变化的调制结构。入射 X 射线满足 Bragg
条件时就可能像晶体材料一样发生相干衍射。由于
Keywords Nanomet er films Thickness measur ement Mult ilayer s XRD
厚度的测量和控制始终是气相沉积薄膜研究和
生产中的主要问题之一。随着微电子、微机械和光学 等科学领域的发展, 纳米薄膜( 指纳米量级厚度的薄 膜) 得到越来越多的应用, 而通常测量微米量级膜厚 的技术难以胜任对纳米薄膜厚度测量的要求。
毛顺娟
( 上海交通大学高温材料及高温测试教育部开放实验室 上海 200030)
摘 要 研究了通过小角度 X 射线衍射( XR D) 技术测量纳米薄膜沉积厚度与沉积速率的方法, 并测定了在 SiC 表面沉积 F e 纳米薄膜的厚度和沉积速率。结果表明, 采用小角度 XRD 技术测量纳 米薄膜厚度和沉积速率, 能克服基片性质、表面平整度和金属膜氧化的影响, 准确、方便地测量纳米 薄膜的厚度和沉积速率。
第 36 卷第 12 期 2000 年 12 月
理化检验—物理分册
P TCA ( PART A: P HYSICAL TESTI NG)
Vol. 36 No. 12 Dec. 2000
测试技术
纳米薄膜厚度的 X 射线测量
赖倩茜 李戈扬 竺品芳
( 上海 交通大学金属基复合材料国家重点实验室 上海 200030)
如果 X 射线衍射仪的角度分辨率达到 2H= 0. 1°的 话, 此方法的膜厚测量上限可为 100nm 左右。
与最为广泛使用的台阶仪方法相比, 采用小角 度 XRD 方法 测量纳米 薄膜的 厚度具有 明显的 优 点, 不但对基片的平整度要求大大降低, 而且由于 X 射线有很强的穿透能力, 其界面信息来自于亚表层, 表面薄膜的氧化对测量影响不大, 必要时甚至可在 表层镀覆保护层。更为重要的是, 这种方法采用的多 层结构具有组合多样性, 变换纳米多层膜两调制层 的材料组合, 可视为两调制层互为沉积基底, 从而可 以测量薄膜在不同基底材料上的初期沉积速率和膜 厚, 这一点对纳米薄膜的厚度控制也是非常重要的。 另外, XRD 谱是 X 射线光斑扫射样品中 所得信息 的综合体现, 因此小角度 XRD 方法测量 的膜厚是 约 1cm2 范围的平均结果, 具有统计意义。
纳米多层膜的成分调制周期远大于晶体材料的晶面
间距, 其衍射峰产生于小角度区间。小角度 XRD 被 广泛用来测量纳米多层膜的成分调制周期[ 2, 3] 。
另外, 纳米多层膜的成分调制周期 + 可表示为
+ = Ca õta + Cb õtb
( 1)
式中 Ca, Cb ——分别为一定功率下 a 和 b 两种材
( 2) 基片性质的影响 气相沉积过程中的入射 气相粒子( 原子、分子或原子团) 对不同材料的基片 有不同的粘附系数, 从而造成初始沉积速率的不 同[ 1] 。随沉积膜厚的增加, 入射的气相粒子沉积在同 质材料上, 粘附系数趋于不变, 沉积速率 才保持不 变。因而, 简单地采用厚膜的沉积速率以等比例减小 沉积时间的方法来控制纳米薄膜的厚度会有较大的 误差, 膜厚越薄, 误差越大。同样的原因, 对于同样的 沉积材料, 也不能用在一种基底材料上的沉积速率 来代替在另一种基底材料上的沉积速率以确定纳米 薄膜的厚度。
将实验结果代入上式计算出的 F e/ SiC 纳米多 层膜的成分调制周期见附表。
F e/ SiC 纳米多层膜调制周期随 F e 沉积时间的 变化示于图 3。由图可见, Fe/ SiC 纳米多层膜的调制
( a) += 11. 9nm
赖倩茜等: 纳米薄膜厚度的 X 射线测量
( b) + = 17. 8nm 图 2 F e/ Si 多层膜的小角度 XR D 谱
与其他各种膜 厚测量方法 一样, 小 角度 XRD 方法也存在其局限性。首先这种方法需要专门制备 纳米多层膜样品, 因此最好是采用多源或多靶的沉 积设备。对于单源或单靶设备, 可以采用制备一层金 属层和一层反应沉积的化合物层组成的多层膜来测 量沉积速率和膜厚, 只是在此条件下忽略了前沉积 层作为基底对后沉积层的影响。此外, 作为一种间接 方法, 小角度 XRD 法对于膜厚的控制是 通过确定 工艺条件来控制膜厚的。尽管如此, 小角度 XRD 方 法用于极薄膜的厚度测量与控制具有明显优点仍使 其具有推广应用的价值。
6
50 100 200 20
22
34
2. 2 结果分析 图 2 示出了 F e/ SiC 纳米多层膜的小角度 XRD
谱。由 Bragg 方程 2+ sinH= mK, 可得到 Fe/ SiC 纳米 多层膜的调制周期为
+ = K/ 2( sinHm+ 1 - sinHm) ≈ K/ 2$ H 式中 m 为衍射级数, m= 1, 2, 3…
料的沉积速率, nm/ s
ta , t b —— 分别 为 a 和 b 两种材 料的沉 积时
间, s
制备不同调制周期的纳米多层膜, 控制不同靶
的沉积时间, 使 ta1 ∶ta2 ≠tb1 ∶t b2, 通过式( 1) 得到线
性无关的方程组, 通过方程组便可求出两种材料的
沉积速率 Ca 和 Cb 和膜厚 Ca ·ta 和 Cb ·tb 。
根据以上原理, 本试验制备了 F e/ SiC 纳米多层
膜, 测量了在一定工艺条件下的 F e 纳米薄膜在 SiC
表面的沉积厚 度随时间的变 化, 从而达到 控制 F e
纳米薄膜厚度的目的。
2 试验过程与结果分析
2. 1 试验过程 为研究 Fe 纳米薄膜在一定沉积条件下厚度随
沉积时间的变化, 制备了一系列 Fe/ SiC 纳米多层膜 试样。各纳米多层膜中, SiC 层的厚度保持不变, 而 Fe 层的厚度通过基片在 Fe 靶前停留时间的不同而 改变。纳米多层膜的结构示于图 1。
( 3) 氧化的影响 对于金属薄膜, 试样从真空 室取出后就会发生氧化, 这种氧化造成的膜厚改变 在微米级膜厚时相对于总厚度所占比例较小, 有时 可以忽略, 但对于纳米薄膜却是不可忽略的。例如在
·5 49 ·
赖倩茜等: 纳米薄膜厚度的 X 射线测量
玻璃表面沉积 10nm 的 Ag 膜具有透过可见光和阻 碍红外光的作用, 在住房保温节能方面有广泛用途。 但 沉 积后 的 Ag 膜 从真 空 室 取出 后 立 即氧 化 成 AgO2 而改变厚度, 使 Ag 膜厚度难以准确测量。
周期随 Fe 的沉积时间呈线性增加。可得到方程式 + = 6. 369 + 0. 277tFe
由上式和图 3 可知, 拟合直线的斜率即 Fe 的沉 积速率为一常数, 表明 F e 在 SiC 表面沉积时, 其沉 积速率保持恒定, 不随 F e 膜的厚度增加而改变。直 线外推与纵轴相交的截距就 是 SiC 单层膜的厚度 ( 各样品中 SiC 的溅射功率和沉积时间均无改变) 。 而不同沉积时间下 F e/ SiC 纳米多层膜的调制周期 与 SiC 层的厚度之差就是该条件下 F e 膜的厚度。
·55 0·
图 1 纳米多层膜的调制周期结构
Ar , 溅射气压为 3×10- 1Pa。为提高膜基结合, 在沉 积 F e/ SiC 纳米 多层膜 前先沉 积约 50nm 厚 的 Fe 层。薄膜总厚度控制约为 200nm。各 F e/ SiC 纳米多 层膜的具 体沉积参数见 下表。XRD 测量采 用 D/ max-Ë A 型 X 射 线衍 射 仪, Cu 靶, 其 特 征 谱 线 CuK A波长为 0. 154nm。
4 结论
采用对纳米多层膜进行小角度 XRD 测量的方 法, 可以克服极薄膜厚度测量中基片平整度对膜厚 测量造成的误差、不同基片对沉积速率影响造成的 膜厚控制不准确以及金属膜氧化带来的厚度改变等 难点, 能准确、方便测量纳米薄膜的厚度。
图 3 F e/ SiC 纳米多层膜的调制周期与 Fe 调制层沉积时间的关系
虽然试验中制备了六种不同调制周期的纳米多 层膜, 实际上, 如果不研究纳米薄膜的初期沉积速率 而仅研究一定工艺条件下的膜厚, 设计和制备两组 线性无关的多层膜试样即可。
3 讨论
利用纳米多层膜的小角度 XRD 方法测量纳米 薄膜的厚度有很高的精度。小角度 XRD 方法测量 纳米薄膜的量程范围下限可达 1nm 或更小( 如果此 时能形成连续薄膜的话) , 但其上限受 X 射线衍射 仪角度分辨率和多层膜界面质量的影响受到限制。
主题词 纳米薄膜 厚度测量 多层膜 X 射线衍射
THICKNESS MEA SU REMENT OF NAN OM ETER FILM S BY XRD
Lai Qianxi Li Geyang Zhu Pinfang
( The State Key Lab of MMCs, Shanghai Jiao T ong Univer sity)