磁控溅射法制备PVD薄膜晶格结构分析
发布时间：2018-08-09
物理气相沉积(PVD)技术制造火工品器件是一项新发展的技术。磁控溅射制备金属薄膜是PVD的重要方法。在溅射镀膜中，金属靶材受到高能粒子轰击作用，靶材表面的原子与高能粒子进行能量交换，从靶材表面逸出，在磁场和重力作用下沉积到基底表面，经薄膜生长过程形成薄膜。由于PVD薄膜的形成过程是金属原子重新组合排列的过程，因此，PVD薄膜的原子排列(即晶格结构)受到溅射条件的影响，有异于原金属靶材的原子排列。PvD薄膜的这种晶格重新排列对薄膜的电阻率等物理性能有较大影响。为此对磁控溅射法制备的PVD薄膜晶格结构与金属靶材晶格结构进行了对比。分析研究了品格结构发生变化对电性能变化的影响，以及消除此种影响应采取的必要措施。
1、PVD薄膜制备及结构分析
1.1 薄膜制备工艺及原理
溅射机理是动能从碰撞粒子传递给晶体点阵粒子的过程。在最简单的情况下，动能是从入射粒子传递给发射粒子，因而把入射离子与固体表面原子之间的溅射现象看作是纯力学的弹性碰撞问题。粒子轰击阴极，释放出次级电子，后者与中性气体原子碰撞，形成更多粒子。这些粒子再回到阴极，产生出更多的电子，并进一步形成更多的粒子。当产生的电子数正好形成足够量的离子，这些离子能再生出同样数量的电子时，放电即达到自持。被溅射下来的靶材粒子在电场作用下沉积到基体表面，首先成核，在核的附近凝聚成岛，最后连成片形成连续PVD薄膜。
试验中采用磁控溅射直流靶作为溅射源，靶材大小为Φ60cmX5cm，在靶材正下方6cm处放置基底材料，外加400V、0.3A电源，溅射0.5h，制得PVD薄膜材料。
1.2 溅射膜结构测试
通常认为PVD薄膜中微晶的晶体结构与块状的晶体结构相同，只是晶粒取向与晶粒尺寸不同。
试验中利用X衍射法对PVD薄膜晶体结构与体材料晶体结构进行了对比分析。衍射图如图1和图2所示。
图3中PVD薄膜与金属靶材的X衍射图谱特征峰2θ位置完全重合，其d值与靶材的衍射谱对应，为同一面心立方相，分别出现了(111)、(200)、(220)、(311)、(222)晶面。但从图中可以看到，靶材衍射峰强明显高于PVD薄膜衍射峰强，且PVD薄膜衍射峰呈现宽化。
1.3 PVD薄膜衍射峰宽化分析
衍射峰宽化可以作为判断一种物质晶粒电性能发生变化的判据。通常，衍射峰窄而高，晶格缺陷少，晶粒电性能稳定性好。而衍射峰宽，则存在较多晶格缺陷，电性能相对稳定。
薄膜晶粒的大小是影响薄膜衍射峰宽的因素之一。晶粒细小的薄膜的XRD谱线呈宽化。当晶粒小于10-5cm时，由于晶体结构完整性的下降和无序度的增加，衍射峰变宽，衍射角也发生2θ～θ的转变。而且晶粒越小，宽化越明显，直至转变为漫散峰。试验薄膜晶粒尺寸由Scherrer公式计算：
可求得晶粒在垂直(hkl)面方向的尺度D。K与晶粒形状、分布等有关，但通常取值为1(或0.9)，λ为X射线波长，θ为Bragg角，B为衍射峰的半高宽，以弧度为单位。B的测算方法常用方法如下，见图4。
式中：Bo、Bi分别为薄膜和标准粉末的半高宽。利用积分宽度将峰面积除以峰高可求得Bo、Bi。采用以上方法计算晶粒尺寸，由式(1)得：
本次衍射试验中，X射线波长λ为1.5406A，K取1。由图2可知衍射峰半高宽为0.017453，带入式(4)得薄膜晶粒尺寸D1为9.526nm。
由图1靶材衍射峰半高宽计算可得靶材晶粒尺寸D2为47.6nm。由此可以得出结论，薄膜晶面衍射峰宽化是PVD薄膜晶粒细小的原因之一。而用磁控溅射法制备出的薄膜晶粒尺寸小于金属靶材晶粒尺寸，这是因为磁控溅射法制备薄膜时，真空室中温度较低，基片未经过加热处理，使达到基底表面的金属粒子动能减小，在基底表面上凝结，只能得到很小的晶粒甚至得到无定形薄膜。
薄膜中存在晶格缺陷是衍射峰宽化的另一主要原因。薄膜中的晶格缺陷直接影响薄膜的各种电性能。这些缺陷主要包括点缺陷、线位错和堆积层错等。
在薄膜形成过程中所发生的蒸发、凝结等变化过程必然会产生很多缺陷。由于金属薄膜的迅速凝结，沉积的原子层还未来得及与基片达到热平衡就被新层所覆盖，这样就会导致薄膜中有许多原子空位。
薄膜中因晶格畸变而出现位错，分析其成因主要如下：
(1)由于薄膜在形成初期出现小岛合并长大的过程中岛边界晶格交接处发生了小角度扭曲。
(2)基片与薄膜间的晶格常数不同，不仅引起界面处品格畸变，还会导致小岛间的畸变，当这样两个小岛合并时，也会产生位错。同时，在位错附近存在应力集中，形成应力场，影响PVD性能变化。
通常，PVD薄膜的晶界比面积远大于块状材料，堆积层错的增多是薄膜材料电阻率比块状材料电阻率大的原因之一。
2、结论
通过分析表明，采用真空沉积磁控溅射技术制备PVD薄膜，所得XRD谱线呈现宽化，这是受PVD薄膜制备条件所限而较难避免出现的现象。磁控溅射法制备的PVD薄膜存在晶格缺陷，它直接影响PVD薄膜材料的性能，使其在使用过程中会出现性能不稳定的情况。因此，要想获得高质量的PVD薄膜，在薄膜制备完成之后，还需对其进行消除缺陷的处理，如退火处理、热稳定性处理等，以获得性能稳定的PVD薄膜材料。
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