CN108165926B - 直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法，选择Mo/Si作为多层膜材料，标定了在直流磁控溅射镀膜方法中Mo靶和Si靶在掠靶镀膜模式下基底上的膜厚分布情况，并据此制备了掩膜版。利用掩膜版控制膜厚和调节基板掠过溅射靶的速度控制膜厚的方法在40 mm×40 mm大小的Si基底上制备了周期厚度横向二维梯度分布的[Mo/Si]₂₅多层膜样品。用Ｘ射线掠入射反射测量了多层膜的膜系结构。结果显示，多层膜的周期厚度在整个样品上呈现近似线性的二维梯度分布。样品上总的周期厚度覆盖范围为6.39 nm到15.65 nm。本方法为极紫外与X射线其它波段范围和其它材料组合的横向二维梯度分布周期多层膜反射镜的制备提供了一种可行的工艺技术。

Description

直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层 膜的方法

技术领域

本发明涉及精密光学元件制作技术领域，尤其涉及一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法。

背景技术

极紫外和软X 射线是电磁波的一部分，其波长介于几纳米到几十纳米。极紫外和软X射线在空间天文观测、材料科学、生物医学等领域有重要的应用。在极紫外与软X 射线波段，所有材料的折射率都接近于1，材料在该波段的折射能力很差，因此，常规的折射透镜以及单层膜反射镜在这一波段无法使用，多层膜是这一波段唯一能够非略入射使用的反射光学元件。多层膜是仿照晶体结构由两种高、低折射率材料交替镀制成周期厚度为纳米量级的多层膜结构。其中高折射率材料称为吸收层，模拟晶体中的原子层，低折射率材料称为间隔层，模拟原子层的间隙。根据Bragg 公式2dsinθ=mλ，当周期厚度与对应波长满足布拉格衍射条件时，多个界面的反射光产生相长干涉，从而在相应波长处获得高反射率。

单一周期厚度的多层膜反射镜能在确定角度上对单一波长实现高反射。但在一些实际应用中，如：X 射线聚焦和准直实验以及磁性材料X 射线分析实验[5,6]，需要多层膜对特定波段范围或者不同入射角度实现X 射线的高反射，在这种情况下需要多个周期厚度的反射镜。

而在极紫外与软X 射线波段的表征测试通常是在真空环境中进行，开腔换反射镜极为不便，同时，由于真空腔体的空间限制，不便安放多个反射镜，因此单一厚度的反射镜无法满足实验需求。解决这一问题，目前有两种方法，其一是用周期厚度纵向梯度分布的宽带多层膜直接实现宽带的反射，这种多层膜可以实现对某一波段的整体反射。但为了实现在任意位置上都有宽带反射，多层膜上确定位置对确定波长的反射率有很大的下降，且该膜系带宽很大，不能应用于对光谱分辨率有要求的光谱连续扫描实验。另一种方法是镀制周期厚度横向梯度分布的多层膜，即，周期厚度沿着多层膜镜面方向渐变，使用时通过一维机械运动调整多层膜位置，从而在不同位置处实现对不同波长的高反射。这种膜系既能实现对较大波段范围的高反射率，同时又具有小带宽，保证了较高的光谱分辨率。

目前，国内外对单一周期厚度的多层膜的研究已较为成熟，但目前还鲜有关于周期厚度二维梯度分布的多层膜的研究报道。同时，Mo、Si 具有相当稳定的物理、化学特性，可以形成界面光滑、稳定的多层膜结构[10]；Si 在12.4 nm 波长处有K 吸收边，当波长大于12.4 nm时，Si 的吸收小，是制备12.5-20 nm 波段范围多层膜的理想材料。

发明内容

本发明的目的是用磁控溅射镀膜设备，同时利用掩膜版控制膜厚和调节基板掠过溅射靶的速度控制膜厚的方法在大尺寸平面基底上制备了周期厚度分别在X、Y 方向二维梯度分布的多层膜。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法，采用高真空恒功率直流磁控溅射设备在尺寸为40mm×40mm的P型超光滑单晶Si基底上制备周期为25的Mo/Si周期多层膜，设备本底真空度为2.5×10^﹣4Pa,溅射气体为Ar气，工作气压为0.15Pa，采用Mo靶和Si靶为多层膜的材料，通过控制Si基底掠过Mo靶和Si靶的速度来实现在膜厚在掠靶方向X方向的梯度变化，垂直于掠靶方向的Y方向的膜厚梯度变化通过掩膜版来实现；

所述Mo/Si多层膜的制备方法包括以下步骤：

在Si基底上标定Mo靶和Si靶于掠靶模式下在Y方向的膜厚分布；

根据标定结果，结合设计的Y方向梯度，决定掩膜版上各位置的开口宽度，分别制备Mo靶掩膜版和Si靶掩膜版；

沉积时，Si基底以设定的速度依次经过装有掩膜版的Mo靶和Si靶上方的辉光区域，溅射粒子在Si基底上沉积成膜；

完成横向二维梯度模的制备后，通过X射线衍射仪对多层模进行X射线掠入射反射测试，获得多层膜的结构参数。

进一步地，所述Mo靶和Si靶均采用环形溅射靶材，Mo靶的纯度为99.95%，Si靶的纯度为99.999%，在制备过程中，Mo靶溅射功率保持为60W，Si靶的溅射功率保持为100W。

进一步地，所述步骤

中，Mo靶掩膜版和Si靶掩膜版在中心处开口固定的情况下，其它位置的开口宽度正比于该位置处的设计膜厚与中心处设计膜厚的比值。

进一步地，所述Mo靶掩膜版和Si靶掩膜版与述Mo靶和Si靶的距离均为55mm，与Si基底的距离均为15mm。

进一步地，所述步骤

中，X射线光源为Cu-K_a线，其波长为0.154mm。

进一步地，所述步骤

中，测试过程中在二维梯度模的X与Y方向均每隔5mm进行一次测试。

本发明的有益效果是：本发明的制备方法通过掩模版和调节基板的掠过溅射靶的速度来控制X和Y方向的模厚，保证了多层模生成后承二维梯度分布，有效地扩展了周期厚度横向梯度分布的多层膜在同步辐射以及磁性材料研究中的应用，同时，本发明提出的制备方法操作方法，工艺简单，为X射线其它波段范围和其它组合的横向二维梯度分布周期多层膜反射镜的制备提供了一种可行的方案。

附图说明

图1为环形靶材在定靶镀制模式下基底上的理论膜厚分布曲线图；

图2为Mo靶和Si靶在掠靶镀膜模式下的基底上横向膜厚分布图；

图3为周期厚度横向二维梯度公布的多层膜样品上周期厚度的分布图；

图4为[Mo/Si]₂₅多层膜样品在Y为20mm处的不同X位置处的X射线掠入射反射测试曲线图；

图5为[Mo/Si]₂₅多层膜样品在X为20mm处的不同Y位置处的X射线掠入射反射测试曲线图；

图6为[Mo/Si]₂₅多层膜样品周期厚度在Y为20mm处沿X方向的变化趋势图；

图7为为[Mo/Si]₂₅多层膜样品周期厚度在X为20mm处沿Y方向的变化趋势图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明做进一步地说明。

实施例1

一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法，采用高真空恒功率直流磁控溅射设备在尺寸为40 mm×40 mm 的P 型超光滑单晶Si基底上制备了周期数为25 的Mo/Si 周期多层膜。制备前，溅射室的本底真空度为2.5×10-4 Pa，溅射气体为高纯Ar 气，工作气压为0.15 Pa。使用的靶材为环形溅射靶材，其中Mo 靶的纯度为99.95%，Si 靶的纯度为99.999%。采用恒功率直流溅射模式，保持Mo 靶溅射功率为60 W，Si靶功率为100 W。

通过控制基底掠过靶材的速度来实现膜厚在掠靶方向X 方向上的梯度变化。基底在X 方向上某位置的膜厚反比于该位置掠过靶材的速度。垂直于掠靶方向的Y 方向的膜厚梯度变化则是通过掩膜版来实现的。

对环形靶材在定靶镀制模式下基底上膜厚分布公式如下：

t＝[m_xh²(h²+r²+a²)]/[ 𝜌𝜋(h²+r²+a²+2ar)^1.5(h²+r²+a²－2ar)^1.5]

其中，m_x为镀制过程中靶材的损耗质量，𝜌为靶材密度，h为靶材到基底距离，r为靶材半径，a为基底上距离对应于靶心的基底中心的距离。根据该公式，将基底上某一点的厚度t对基底中心最厚处模厚t_o进行归一，得到基底上的相对膜厚分布如图1。

如图1所示，定靶镀膜模式下，随着基底位置逐渐远离基底中心，薄膜厚度逐渐减小。因此，掠靶镀制模式下，在垂直于掠靶方向的Y 方向上的膜厚也为非均匀对称分布。

为了制备掩膜版以实现Y方向的膜厚梯度变化，在Si 基底上标定了Mo 靶和Si 靶于掠靶模式下在Y 方向上的膜厚分布。标定结果示于图2，图中横坐标代表Y 方向上基底的位置，零点位置代表Y 方向上基底对应于靶心的中心位置。可见，掠靶镀膜模式下Mo 靶和Si 靶上方基底上的膜厚分布均为中心最厚，随着基底位置远离中心，膜厚逐渐减小，且Mo靶基底的膜厚减小幅度明显小于Si 靶幅度。根据标定结果，结合设计的Y 方向梯度，可以决定掩膜版上各位置的开口宽度。在掩膜版中心处开口宽度固定的情况下，某位置的开口宽度反比于图2中该处的膜厚与中心膜厚的比值并正比于该位置处的设计膜厚与中心处设计膜厚的比值。

分别制备Mo 靶和Si 靶掩膜版。两个掩膜版与靶材的距离均为55 mm，与基底距离为15 mm。沉积时，基底以设定的速度依次经过装有掩膜版的Mo 靶和Si 靶上方的辉光区域，溅射粒子在Si 基底上沉积成膜。

完成横向二维梯度膜的制备后，采用X 射线衍射仪对[Mo/Si]₂₅多层膜样品进行了X射线掠入射反射测量（GIXRR），X射线光源为Cu-K_α线，其波长为0.154 nm。通过对获得的反射率进行分析，获得多层膜的结构参数。

如图3所示，X代表样品在掠靶方向上的坐标，Y代表样品在垂直于掠靶方向上的坐标。多层膜的周期厚度在整个样品上呈现横向二维梯度分布。在Y分别为0 mm 和40 mm 处，多层膜样品的周期厚度D随着测试点坐标沿着X 方向增大呈近似线性梯度增加。在Y为0 mm处，D由6.39 nm 增大到8.50 nm，平均梯度为0.0528 nm/mm。在Y为40 mm处，D由11.03 nm增大到15.65 nm，平均梯度为0.116 nm/mm。在X为0 mm处，D沿Y方向近似线性地由6.39nm增大到11.03 nm，平均梯度0.162nm/mm。在X 为40 mm处，D沿Y方向由8.50 nm 增大到15.65nm，平均梯度为0.179 nm/mm。周期厚度在X，Y坐标为(0，0)处最薄，为6.39 nm；在(40，40)处最厚，为15.65 nm。

如图4和图5所示，为了在更小尺度检测多层膜周期的横向二维梯度变化，在样品中心位置Y为20 mm 处的X 方向每隔2 mm 进行一次GIXRR 测试。之后，同样在样品中心X为20 mm 处的Y方向每隔2 mm 进行一次GIXRR测试。为了方便比较，将不同样品反射曲线的强度依次错开了2 个量级。

如图4和图5所示，多层膜的GIXRR测试曲线均存在多级衍射峰，表明多层膜结构完整，界面较为清晰。图中高级次的衍射峰出现较为严重的展宽现象，这是由于在测试中X射线为掠入射，X光照射范围内包含了较大的周期厚度范围。随着图4中测试点X 图5中测试点Y从40 mm减小到0 mm，测试曲线中的各级Bragg反射峰均匀地向大角度方向移动，各级反射峰的间距增大，这表明多层膜周期厚度分别随着X及Y的减小而逐渐减小。由修正的Bragg公式根据反射峰峰位计算出的Mo/Si 多层膜周期厚度在Y为20 mm处的X 方向变化趋势如图6所示，周期厚度在X为20 mm 处的Y方向变化趋势如图7所示。

多层膜的周期厚度在两个方向上均呈现均匀变化趋势，梯度均匀。图6中，在Y 为20 mm 处，随着测试点坐标沿着X 方向增大，多层膜样品周期厚度D 呈近似线性梯度增加。X从0 mm 增大到40 mm，多层膜周期厚度由8.37 nm 增大到10.68 nm，平均梯度为0.0578nm/mm。图7中，在X为20 mm 处，随着测试点坐标沿着Y方向从0 mm 增大到40 mm，多层膜样品周期厚度D呈近似线性梯度由8.11 nm 增大到14.58 nm，平均梯度为0.162nm/mm。

从本实施例中可得出，选择Mo/Si 作为多层膜材料，标定了在恒功率直流磁控溅射镀膜方法中Mo 靶和Si 靶在掠靶镀膜模式下基底上的横向膜厚分布情况，并据此制备了掩膜版以控制基底在垂直于掠靶方向的Y 方向上的膜厚梯度分布，同时通过控制基底的掠靶速率以控制其在掠靶方向上的周期厚度梯度分布。在40 mm×40 mm 大小的硅衬底上制备了周期厚度横向二维梯度分布的[Mo/Si]₂₅多层膜样品。Ｘ射线掠入射反射测量结果显示，多层膜的周期厚度在整个样品上呈现近似线性的二维梯度分布，样品上总的周期厚度覆盖范围为6.39 nm 到15.65 nm。多层膜上周期厚度沿X 方向的厚度变化梯度介于0.0528nm/mm 与0.116 nm/mm 之间；Y 方向的厚度变化梯度介于0.162 nm/mm 与0.179 nm/mm 之间。本文为X 射线其它波段范围和其它材料组合的横向二维梯度分布周期多层膜反射镜的制备提供了一种可行的方法。

本申请并不局限于本发明详细记载的实施例，本领域技术人员可以对此作出各种变形或修改。但是这些变形或修改只要不背离本发明的精神和意图，仍在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法，其特征在于：采用高真空恒功率直流磁控溅射设备在尺寸为40mm×40mm的P型超光滑单晶Si基底上制备周期为25的Mo/Si周期多层膜，设备本底真空度为2.5×10^-4Pa，溅射气体为Ar气，工作气压为0.15Pa，采用Mo靶和Si靶为多层膜的材料，通过控制Si基底掠过Mo靶和Si靶的速度来实现在膜厚在掠靶方向X方向的梯度变化，垂直于掠靶方向的Y方向的膜厚梯度变化通过掩膜版来实现；

对环形靶材在定靶镀制模式下基底上膜厚分布公式如下：

t＝[m_xh²(h²+r²+a²)]/[ρπ(h²+r²+a²+2ar)^1.5(h²+r²+a²-2ar)^1.5]

其中，m_x为镀制过程中靶材的损耗质量，ρ为靶材密度，h为靶材到基底距离，r为靶材半径，a为基底上距离对应于靶心的基底中心的距离，将基底上某一点的厚度t对基底中心最厚处膜厚t_o进行归一，得到基底上的相对膜厚分布；

所述Mo/Si多层膜的制备方法包括以下步骤：

(1)在Si基底上标定Mo靶和Si靶于掠靶模式下在Y方向的膜厚分布；

(2)根据标定结果，结合设计的Y方向梯度，决定掩膜版上各位置的开口宽度，分别制备Mo靶掩膜版和Si靶掩膜版；

(3)沉积时，Si基底以设定的速度依次经过装有掩膜版的Mo靶和Si靶上方的辉光区域，溅射粒子在Si基底上沉积成膜；

(4)完成横向二维梯度膜的制备后，通过X射线衍射仪对多层膜进行X射线掠入射反射测试，获得多层膜的结构参数；

所述步骤(2)中，Mo靶掩膜版和Si靶掩膜版在中心处开口固定的情况下，其它位置的开口宽度正比于该位置处的设计膜厚与中心处设计膜厚的比值；

所述Mo靶掩膜版和Si靶掩膜版与所述Mo靶和Si靶的距离均为55mm，与Si基底的距离均为15mm。

2.根据权利要求1所述一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法，其特征在于：所述Mo靶和Si靶均采用环形溅射靶材，Mo靶的纯度为99.95％，Si靶的纯度为99.999％，在制备过程中，Mo靶溅射功率保持为60W，Si靶的溅射功率保持为100W。

3.根据权利要求1所述一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，X射线光源为Cu-Ka线，其波长为0.154mm。

4.根据权利要求1所述一种直流磁控技术制备周期厚度横向二维梯度分布的Mo/Si多层膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)中，测试过程中在二维梯度膜的X与Y方向均每隔5mm进行一次测试。

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