引言

眾所周知，材料的宏觀性質(zhì)，例如硬度、熱和電傳輸以及光學(xué)描述符與其微觀結(jié)構(gòu)特征相關(guān)聯(lián)。通過改變加工參數(shù)，可以改變微結(jié)構(gòu)，從而能夠控制這些性質(zhì)。在薄膜沉積的情況下，微結(jié)構(gòu)特征，例如顆粒尺寸和它們的顆粒形態(tài)，在沉積技術(shù)之間和沉積技術(shù)內(nèi)部可以有很大的不同，導(dǎo)致上述物理響應(yīng)的變化，即使對(duì)于相同的材料也是如此。

特別是薄膜，由于沉積過程，它們可能保留顯著的內(nèi)部殘余應(yīng)力，從而影響這些特定的性能。這些應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致薄膜由于翹曲、破裂或分層機(jī)制而失效。事實(shí)上，當(dāng)考慮薄膜的性質(zhì)時(shí)，我們需要同時(shí)量化材料的微觀結(jié)構(gòu)及其殘余應(yīng)力特征。理解沉積的微結(jié)構(gòu)和其殘余應(yīng)力之間的關(guān)系是定制薄膜性能的明確前提。

實(shí)驗(yàn)與討論

Ni膜是在裝有四個(gè)共焦靶和加熱器控制器的濺射室中通過平衡磁控濺射沉積的。為了保持均勻的沉積速率，我們將每層膜在較低壓力下由單個(gè)Ni靶沉積，或者在較高壓力下使用多個(gè)Ni靶共濺射靶，每個(gè)靶的純度需要>99.99%。所有的膜都沉積在具有100納米熱生長(zhǎng)表面氧化物層的Siu100襯底上，該表面氧化物層以每分鐘30轉(zhuǎn)的速度旋轉(zhuǎn)。

對(duì)沉積壓力的依賴性可以解釋為通過增加靶和襯底之間的碰撞次數(shù)來改變到達(dá)物質(zhì)的動(dòng)能。增加沉積壓力會(huì)降低粒子的到達(dá)能量，到達(dá)動(dòng)能的減少會(huì)導(dǎo)致更大的拉伸應(yīng)力。較低的動(dòng)能降低了表面上吸附原子的遷移率；因此，這種吸附原子的遷移能力限制了它們?cè)诤缶劢Y(jié)沉積機(jī)制中對(duì)壓縮應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)制的貢獻(xiàn)。它還減少了碰撞引起的晶界致密化和顆粒引起的缺陷的捕獲，這些缺陷會(huì)導(dǎo)致壓應(yīng)力。

這些表面拓?fù)淇蓪?dǎo)致界面能的差異，例如自由表面與柱狀晶界能的差異。圖1平面取向的明場(chǎng)(BF) TEM顯微照片證實(shí)了在升高的工作壓力下晶粒之間存在裂縫)。裂縫被定義為薄膜微結(jié)構(gòu)中的線性空隙區(qū)域。這種裂縫在磁控濺射沉積的鎳薄膜中觀察到在低濺射功率下。它們的形成歸因于Ar和Ni物種之間的高散射相互作用和Ni吸附原子的有限移動(dòng)性。

圖1：透射電鏡下沉積的Ni薄膜的環(huán)境溫度顯微圖和方向圖

當(dāng)分離的區(qū)域朝向彼此“拉伸”以消除自由表面和相關(guān)的表面能損失時(shí)，這種晶粒間的間隙為拉伸應(yīng)力的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。此外，致密化的缺乏也證實(shí)了導(dǎo)致拉伸應(yīng)力條件的低吸附原子遷移率。

通過BF TEM成像不容易觀察到平均晶粒尺寸或晶粒尺寸分布的顯著變化。BF顯微圖還揭示了沉積溫度為0.27帕。定性地說，紋理特征的變化在整個(gè)薄膜范圍內(nèi)觀察到，從0.27 Pa的中等111〈織構(gòu)變化到1.33 Pa的弱1〈10〉織構(gòu)，與沉積速率無關(guān)。

一般來說，在較高的壓力下，應(yīng)力對(duì)壓力的依賴性變小。這主要是由于粒子的能量隨著壓力的增加而降低，因此它們對(duì)應(yīng)力的能量貢獻(xiàn)變得不那么顯著。環(huán)境溫度下0.250 nm/s的生長(zhǎng)速率是一個(gè)例外，其中0.67 Pa的應(yīng)力實(shí)際上比1.33 Pa的應(yīng)力略大。這是因?yàn)榫ЯＩL(zhǎng)引起的拉伸應(yīng)力的增加補(bǔ)償了濺射引起的壓縮應(yīng)力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，表面的晶粒尺寸是另一個(gè)可以在實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和擬合結(jié)果之間進(jìn)行比較的參數(shù)。

結(jié)論

在一定的沉積速率、工作壓力和襯底溫度下，英思特將一系列Ni薄膜濺射沉積到Si襯底上的熱生長(zhǎng)無定形二氧化硅表面上。我們研究發(fā)現(xiàn)在0.27 Pa的環(huán)境溫度下沉積的薄膜在20-800nm的寬范圍內(nèi)具有雙峰粒度分布。

相比之下，在0.67 Pa和1.33 Pa下沉積的薄膜保持了窄的納米晶粒尺寸結(jié)構(gòu)，但是晶界之間的不完全致密化通過裂縫明顯。這些微觀結(jié)構(gòu)的差異促成了應(yīng)力-厚度乘積的演變，其趨勢(shì)表明拉伸應(yīng)力響應(yīng)隨壓力的增加而增加。

審核編輯 黃宇