磁控濺射法制備PVD薄膜晶格結構分析
發布時間：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射粒子，因而把入射離子與固體表面原子之間的濺射現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，晶粒電性能穩定性好。而衍射峰寬，則存在較多晶格缺陷，電性能相對穩定。
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，衍射角也發生2θ～θ的轉變。而且晶粒越小，寬化越明顯，直至轉變為漫散峰。試驗薄膜晶粒尺寸由Scherrer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生的蒸發、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位錯，分析其成因主要如下：
(1)由于薄膜在形成初期出現小島合并長大的過程中島邊界晶格交接處發生了小角度扭曲。
(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譜線呈現寬化，這是受PVD薄膜制備條件所限而較難避免出現的現象。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性能不穩定的情況。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、熱穩定性處理等，以獲得性能穩定的PVD薄膜材料。
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