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磁控濺射法制備PVD薄膜晶格結構分析
發(fā)布時間：2018-08-09
物理氣相沉積(PVD)技術制造火工品器件是一項新發(fā)展的技術。磁控濺射制備金屬薄膜是PVD的重要方法。在濺射鍍膜中，金屬靶材受到高能粒子轟擊作用，靶材表面的原子與高能粒子進行能量交換，從靶材表面逸出，在磁場和重力作用下沉積到基底表面，經薄膜生長過程形成薄膜。由于PVD薄膜的形成過程是金屬原子重新組合排列的過程，因此，PVD薄膜的原子排列(即晶格結構)受到濺射條件的影響，有異于原金屬靶材的原子排列。PvD薄膜的這種晶格重新排列對薄膜的電阻率等物理性能有較大影響。為此對磁控濺射法制備的PVD薄膜晶格結構與金屬靶材晶格結構進行了對比。分析研究了品格結構發(fā)生變化對電性能變化的影響，以及消除此種影響應采取的必要措施。
1、PVD薄膜制備及結構分析
1.1 薄膜制備工藝及原理
濺射機理是動能從碰撞粒子傳遞給晶體點陣粒子的過程。在最簡單的情況下，動能是從入射粒子傳遞給發(fā)射粒子，因而把入射離子與固體表面原子之間的濺射現(xiàn)象看作是純力學的彈性碰撞問題。粒子轟擊陰極，釋放出次級電子，后者與中性氣體原子碰撞，形成更多粒子。這些粒子再回到陰極，產生出更多的電子，并進一步形成更多的粒子。當產生的電子數正好形成足夠量的離子，這些離子能再生出同樣數量的電子時，放電即達到自持。被濺射下來的靶材粒子在電場作用下沉積到基體表面，首先成核，在核的附近凝聚成島，最后連成片形成連續(xù)PVD薄膜。
試驗中采用磁控濺射直流靶作為濺射源，靶材大小為Φ60cmX5cm，在靶材正下方6cm處放置基底材料，外加400V、0.3A電源，濺射0.5h，制得PVD薄膜材料。
1.2 濺射膜結構測試
通常認為PVD薄膜中微晶的晶體結構與塊狀的晶體結構相同，只是晶粒取向與晶粒尺寸不同。
試驗中利用X衍射法對PVD薄膜晶體結構與體材料晶體結構進行了對比分析。衍射圖如圖1和圖2所示。
圖3中PVD薄膜與金屬靶材的X衍射圖譜特征峰2θ位置完全重合，其d值與靶材的衍射譜對應，為同一面心立方相，分別出現(xiàn)了(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面。但從圖中可以看到，靶材衍射峰強明顯高于PVD薄膜衍射峰強，且PVD薄膜衍射峰呈現(xiàn)寬化。
1.3 PVD薄膜衍射峰寬化分析
衍射峰寬化可以作為判斷一種物質晶粒電性能發(fā)生變化的判據。通常，衍射峰窄而高，晶格缺陷少，晶粒電性能穩(wěn)定性好。而衍射峰寬，則存在較多晶格缺陷，電性能相對穩(wěn)定。
薄膜晶粒的大小是影響薄膜衍射峰寬的因素之一。晶粒細小的薄膜的XRD譜線呈寬化。當晶粒小于10-5cm時，由于晶體結構完整性的下降和無序度的增加，衍射峰變寬，衍射角也發(fā)生2θ～θ的轉變。而且晶粒越小，寬化越明顯，直至轉變?yōu)槁⒎濉Ｔ囼灡∧ぞЯ３叽缬蒘cherrer公式計算：
可求得晶粒在垂直(hkl)面方向的尺度D。K與晶粒形狀、分布等有關，但通常取值為1(或0.9)，λ為X射線波長，θ為Bragg角，B為衍射峰的半高寬，以弧度為單位。B的測算方法常用方法如下，見圖4。
式中：Bo、Bi分別為薄膜和標準粉末的半高寬。利用積分寬度將峰面積除以峰高可求得Bo、Bi。采用以上方法計算晶粒尺寸，由式(1)得：
本次衍射試驗中，X射線波長λ為1.5406A，K取1。由圖2可知衍射峰半高寬為0.017453，帶入式(4)得薄膜晶粒尺寸D1為9.526nm。
由圖1靶材衍射峰半高寬計算可得靶材晶粒尺寸D2為47.6nm。由此可以得出結論，薄膜晶面衍射峰寬化是PVD薄膜晶粒細小的原因之一。而用磁控濺射法制備出的薄膜晶粒尺寸小于金屬靶材晶粒尺寸，這是因為磁控濺射法制備薄膜時，真空室中溫度較低，基片未經過加熱處理，使達到基底表面的金屬粒子動能減小，在基底表面上凝結，只能得到很小的晶粒甚至得到無定形薄膜。
薄膜中存在晶格缺陷是衍射峰寬化的另一主要原因。薄膜中的晶格缺陷直接影響薄膜的各種電性能。這些缺陷主要包括點缺陷、線位錯和堆積層錯等。
在薄膜形成過程中所發(fā)生的蒸發(fā)、凝結等變化過程必然會產生很多缺陷。由于金屬薄膜的迅速凝結，沉積的原子層還未來得及與基片達到熱平衡就被新層所覆蓋，這樣就會導致薄膜中有許多原子空位。
薄膜中因晶格畸變而出現(xiàn)位錯，分析其成因主要如下：
(1)由于薄膜在形成初期出現(xiàn)小島合并長大的過程中島邊界晶格交接處發(fā)生了小角度扭曲。
(2)基片與薄膜間的晶格常數不同，不僅引起界面處品格畸變，還會導致小島間的畸變，當這樣兩個小島合并時，也會產生位錯。同時，在位錯附近存在應力集中，形成應力場，影響PVD性能變化。
通常，PVD薄膜的晶界比面積遠大于塊狀材料，堆積層錯的增多是薄膜材料電阻率比塊狀材料電阻率大的原因之一。
2、結論
通過分析表明，采用真空沉積磁控濺射技術制備PVD薄膜，所得XRD譜線呈現(xiàn)寬化，這是受PVD薄膜制備條件所限而較難避免出現(xiàn)的現(xiàn)象。磁控濺射法制備的PVD薄膜存在晶格缺陷，它直接影響PVD薄膜材料的性能，使其在使用過程中會出現(xiàn)性能不穩(wěn)定的情況。因此，要想獲得高質量的PVD薄膜，在薄膜制備完成之后，還需對其進行消除缺陷的處理，如退火處理、熱穩(wěn)定性處理等，以獲得性能穩(wěn)定的PVD薄膜材料。
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