Теоретический и экспериментальный анализ влияния условий метода магнетронного напыления на состав межфазных границ многослойных структур на основе бериллия
Введение 3
Глава 1 6
1.1 Теория рентгеновских многослойных зеркал 6
1.2 Физические основы магнетронного напыления. 11
Глава 2 16
2. Техника и методика эксперимента 16
2.1 Детали эксперимента 16
2.2 Описание образцов 18
Глава 3 Теоретическое предсказание механизмов формирования переходных областей на границах раздела тонких пленок. 20
3.1. Модель для описания синтеза многослойных структур методом магнетронного распыления 20
3.2. Формирование тонкой пленки методом магнетронного напыления 21
3.2.1. Выбивание атомов мишени ионами аргона 21
3.2.2 Движение атомов мишени в газе. 24
3.2.3. Конденсация на подложке 29
3.3. Формирование пары веществ методом магнетронного напыления. 32
3.4. Влияние барьерного слоя на формирование переходной области. 34
3.4.1. Si барьерный слой. 34
3.4.2. B4C барьерный слой. 39
3.5 Влияние свободной поверхностной энергии на формирование переходной области: 42
Глава 4. Изучение системы Mo/Be с/без барьерного слоя Si методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. 43
Заключение 47
Благодарности 48
Литература 49
Многослойные рентгеновские зеркала (МРЗ) активно используются в качестве рентгенооптических элементов для синхротронных измерений, дисперсионных элементов для задач рентгеновской спектроскопии и элементного флуоресцентного анализа, EXAFS-спектроскопии, рентгеновской диагностики плазмы. Основным требованием при разработке рентгенооптических схем на основе МРЗ является достижение высоких пиковых коэффициентов отражения и высокой селективности на рабочих длинах волн. Спецификой рентгеновских многослойных зеркал являются предельно малые периоды (в короткопериодных зеркалах - несколько нм и менее), большое число периодов (до 1000), и сильное поглощение излучения большинством материалов.
В последние годы особое внимание уделяется конструированию МРЗ, обеспечивающих работу в области коротких длин волн. Зеркала нормального падения позволяют успешно решать задачи в области длин волн λ>3 нм [1-6]. Короткопериодные зеркала с периодом d~1-2 нм представляют большой интерес для применений в качестве поляризаторов и фазовращателей рентгеновского излучения, элементов высокоразрешающих микроскопов в диапазоне “окна прозрачности воды” (λ=2.3-4.5 нм), фокусирующих и коллимирующих зеркал для жесткого рентгеновского диапазона [7]. Следует подчеркнуть, что именно уменьшение периода МРЗ “обостряет” проблему качества интерфейса в этих системах и, как следствие, проблему повышения отражательной способности МРЗ. Дело в том, что на межслоевой границе неизбежно возникают переходные слои той или иной протяженности. Формирование этих слоев обусловлено как взаимодействием материалов соседних слоев, так и шероховатостью поверхности подложки, и ростовой шероховатостью. Влияние этих переходных слоев на пиковые коэффициенты отражения МРЗ усиливается при уменьшении периода МРЗ до 1нм и менее. Особенно остро этот вопрос встает в коротковолновой области спектра.
Имеющиеся к настоящему времени экспериментальные исследования многослойных зеркал [8,9] указывают на зависимость характеристик переходных областей, таких как протяженность и химический состав, от порядка нанесения материалов. Установленный факт называют асимметрией переходных областей. В этой связи, основной задачей данной работы было исследование процесса формирования межфазных границ в Mo/Be(Si) МРЗ и выявление факторов, непосредственно влияющих на их формирование.
В настоящее время бериллий широко используется в материаловедении в качестве легирующей добавки. Такие свойства, как высокая прочность, жаростойкость и теплопроводность, позволяют использовать бериллий в авиастроении, ракетной и космической технике. Также бериллий может быть использован в качестве буферного слоя для построения многослойных рентгеновских зеркал, рассчитанных на длину волны более 11,2 нм. В рассматриваемом диапазоне бериллий характеризуется наименьшим поглощением, что делает его привлекательным для применения в качестве слабопоглощающего материала. Сохраняя относительную прозрачность, в сочетании с высокими теплофизическими свойствами бериллий становится одним из важнейших претендентов на роль буферного слоя в зеркалах с высокой отражательной способностью в рассматриваемом спектральном диапазоне для литографии и спектроскопия.
Использование бериллия вместо кремния в многослойной структуре Mo/Si позволяет сместить рабочую область структуры в область длин волн более 11,2 нм, но также, как для зеркал Mo/Si, для зеркал Mo/Be экспериментальные коэффициенты отражения оказываются меньше теоретических значений [4]. Согласно работе [10], основная причина кроется в образовании бериллидов молибдена разной стехиометрии на границе Mo и Be, т.е. фактически в размытии границы. В этой связи основной целью работы является теоретический анализ механизмов формирования границ раздела Mo-на-Be и Be-на-Mo с точки зрения баллистических столкновений осаждаемых атомов и атомов подложки и поверхностной энергии, что указывает на актуальность работы.
Для уменьшения эффектов перемешивания материалов соседних слоев можно использовать так называемые барьерные слои. Методика барьерных слоев хорошо зарекомендовала себя, как способ улучшения оптических свойств веществ [11,12] МРЗ. При этом для эффективного использования барьерных слоев, необходимо понимание процессов, происходящих на границах, в частности формирование тех или иных продуктов взаимодействия слоев, что и является второй задачей представленной работы.
В последнее время был достигнут значительный прогресс в области технологического совершенствования методов синтеза многослойных структур: используются технологии осаждения ионным пучком [13,14], импульсное лазерное осаждение [15,16] и метод магнетронного распыления [17,18]. Большая часть исследований нацелены на исследованиях МРЗ, осажденных методом магнетронного распыления, поскольку такая методика лучшим образом подходит для промышленных масштабов. В этой связи, в данной работе делается акцент именно на методике магнетронного распыления.
Основными задачами данной работы являются:
• Теоретическая оценка влияния различных факторов на величину перемешивания слоев, и как следствие, на протяженность переходных областей, в многослойных зеркалах на основе бериллия, осажденных методом магнетронного распыления.
• Изучение влияния барьерных слоев Si и B4C на формирование переходных областей в многослойных рентгеновских зеркалах на основе Mo/Be.
• Сопоставление результатов расчетов с результатами, полученными методом фотоэлектронной спектроскопии для тех же образцов.
В ходе данной работы было проведено детальное теоретическое рассмотрение процесса магнетронного распыления и дана оценка влияния различных факторов на величину перемешивания слоев, и как следствие, на протяженность переходных областей, в многослойных зеркалах на основе бериллия. Установлено:
• Зона перемешивания Мо-на-Ве(Si) формируется за счет сильного проникновения атомов Мо в подложку Ве(Si), обусловленного обоими механизмами (баллистическими столкновениями и минимизацией поверхностной энергии), тогда как перемешивание при осаждении Be(Si)-на-Mo обусловлено только баллистическими столкновениями, а перемешанный слой имеет небольшую протяженность, ввиду малой глубины проникновения в молибден.
• Нанесение прослойки кремния на слой молибдена препятствует проникновению атомов бериллия в слой молибдена и, следственно, формированию дебериллида молибдена на переходной области Be-on-Mo.
• Нанесение барьерного слоя карбида бора на слой молибдена препятствует проникновению атомов бериллия в слой молибдена.
• Нанесение барьерного слоя на слой бериллия не является эффективно действующим, поскольку практически не препятствует перемешиванию слоев.
