直流磁控溅射沉积含h钛膜的研究e

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1、第22卷第1期原子核物理评论Vo1．22．No．1Mar．，20052005年3月NuclearPhysicsReview文章编号：1007—4627(2005)01—0148—05直流磁控溅射沉积含He钛膜的研究施立群．金钦华，刘超卓，徐世林，周筑颖(复旦大学现代物理研究所，上海200433)摘要：研究了用H。／Ar混合溅射气体的直流磁控溅射制备钛膜中He的掺入现象．分析结果表明．_大量的He原子(He／Ti原子比高达56％)被均匀地引入到Ti膜中，He含量可由混合溅射气体的H。分量精确控制。通过调节溅射参数，可实现样品中He的低损伤引入．研究还发现，溅射沉积的含氦Ti膜

2、具有较高的He成泡剂量和高的固He能力，这可能是溅射沉积形成了纳米晶Ti膜所致．纳米晶Ti膜较粗晶材料具有很高浓度的'He捕陷中心，使He泡密度增大而泡尺寸减小．随H。引入量的增加，Ti膜的晶粒尺寸减小，He引起的晶体点阵参数和X射线衍射峰宽度增大。晶体的无序程度增加．关键词：氦；损伤；泡；钛膜；溅射沉积中图分类号：TL99文献标识码：A1引言成泡行为。本文采用一种简单、高效的磁控溅射方法沉积含氦Ti膜，借助质子背散射(PBS)和碳离在核能技术的许多领域中，涉及到He在材料子前向反冲(C-ERD)测量He在膜内的浓度及分中的产生及存在行为问题【l]．研究材料中的He布，并用

3、x射线衍射(XRD)及透射电镜(TEM)进行为必须人为地引入He．理想的引入方法是不在行膜的微结构分析．材料中产生附加的损伤．一种引入方法就是通过溶解在材料中的氚(T)衰变产生He(最大能量为18．62Ti膜中的氦引入原理keV的B粒子和最大反冲能大约为3eV的He不会在通有工作气体和He的阴极靶材和阳极引发晶体的离位损伤)，但因T的半衰期长，要产生足够量的He，样品必须存放数月至数年，实验基片之间．当加上一定的放电电压时，将产生气体周期太长．若采用常规的离子注入方法，根据金属放电．等离子体中的Ar和He离子在阴极区电场原子的位移能．最大注入的He能量即阈值能仅在的作用下轰

4、击靶材，其中一部分离子在接近靶表面几十到几百eV(取决于金属原子种类)．此时氦的时已被中性化了．靶原子在受到入射粒子的能量传注人深度仅在材料的浅表层内(1nm左右)．当材输后．一旦获得高于其阈值的能量，将被溅射出料中存在一定浓度的点缺陷时【4]，其扩散深度(在来．已知Ar的溅射产额远大于He，因此，Ti膜的1×10atoms空位浓度)也仅能达到几十个nm．因沉积主要受离子流的控制．此这种低能注人只能研究表面区．而高能注人虽增入射靶表面的He离子在与靶原子经历单次或加了注入深度。但沿深度的分布不均匀．注人过程多次碰撞后将从靶表面背散射(反射)，或慢化在对晶体结构的损伤也较大．

5、并很难区分出荷能离子靶表层内(这些被捕获在靶表层内的原子．在随后轰击产生的辐照损伤和因He积累引起的晶格损碰撞的粒子能量传输或热扩散运动作用下将再次进伤．入等离子体)．为简单分析起见，认为氦轰击靶表为了模拟氚钛靶中氚衰变产生的He的扩散、层原子主要为单次二体弹性碰撞，则背散射粒子收稿日期：2004—08—31}基金项目：国家自然科学基金资助项目(10176008，10076003，50131050)作者简介：施立群(1963一)，男(汉族)，江苏镇江人，副教授，从事离子束分析及应用研究：E-mail：lgshi@fudan．edu．Cll第1期施立群等：直流磁控溅射沉积含H

6、e钛膜的研究(大部分为原子)的能量E为不同含He量薄膜样品的晶体结构，由XRD(D／max2550V)分析确定．所用的x射线源为CuE。=E。(·+鲁)一{cos0+【(等一sin】)，K．波长A：1．5418A，衍射采用20模式，掠射角固定为2。，步长为0．02。，每步6S．采用TEM式中，为入射离子的初始能量，m。和m为入射离(CM200FEG)观察样品的微观结构，分析He泡的子和靶原子的质量，而0为散射角度．当散射角度0形态及分布特征．=180o时．上式简化为4结果El=【4．1Ti膜的引氦量对于给定的靶原子Ti，入射离子He和Ar的背散图1给出了测得的溅射沉积含He

7、钛膜的H与射能量分别为人射能量的0．715和0．008．背散射He反冲能谱和用SIMNRA程序【6]模拟得到的H与离子的产额随入射离子的能量减低而急剧增加，因He在膜内的深度分布．该Ti膜样品的制备参数此，具有高产额和一定能量的反射He原子就能穿是：Ar／He流量比为0．0238，混合气体的总压强过等离子体。轰击不断生长的Ti膜，并被捕获在为0．95Pa，放电电压和电流分别为310V和0．12膜层内．而反射能量很低的离子则大部分被等A．图1表明了在Ti膜沉积过程中引入了大量的均离子体散射掉．关于背散射粒子在靶表面的