衬底材料对Ti膜形貌及结构的影响-西北有色金属研究院.DOC

衬底材料对Ti膜形貌及结构的影响 付文博，刘锦华，梁建华，杨本福，周晓松，程贵钧，王维笃 (中国工程物理研究院，四川 绵阳 621900) 摘 要：使用电子束蒸发法在抛光Mo、石英和单晶硅衬底上沉积Ti薄膜，并用SPM、XRD及SEM对衬底及薄膜的表面形貌和微观结构进行了分析。结果表明：Ti膜的表面形貌和微观结构受衬底材料影响较大。抛光Mo衬底上的Ti膜表面有微小起伏，断面处发现Ti膜先在衬底形核，后以柱状颗粒的形式竖直向上生长；抛光石英衬底上的Ti膜表面平整，颗粒与界面清晰可见，在界面处有一层等轴晶；粗糙度最低的单晶硅基片上沉积的Ti膜表面反而最粗糙，通过XRD分析发现有TiSi2的峰存在。 关键词：衬底；储氢薄膜；电子束热蒸发；形核；薄膜生长 中图法分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1002-185X(2016)03-0623-06 固态薄膜以其独特的性质和功能受到人们越来越多的重视，影响膜结构的因素有沉积方式[1]、衬底结构、衬底温度[2]以及沉积速率[3]等。Ti薄膜具有良好的储氢性能[4]，抗氢脆性能力强，材料丰度高成本较低廉，作为储氢材料广泛用于工业生产。同时Ti的氢同位素效应也使其成为核工业中的一项重要应用[5,6]。 M. Hutha和C. P. Flynn在MgO（111）和Al2O3（0001） 2种衬底上制备Ti膜，并使用RHEED和AFM分析了不同温度下沉积Ti膜的结构及表面形貌[7]。衬底的晶粒取向[8,9]及表面形貌[10]是影响薄膜生长的关键因素。一般选用熔点高、在氢气氛中强度好和吸收氢同位素少的金属作为储氢薄膜的衬底[11]，但是考虑到衬底加工及镀膜后分析测试样品的制备，也常使用单晶硅、石英、NaCl、Al2O3等材料作为衬底。为了从不同类型衬底的表面形貌、物相结构以及成膜机理方面研 究多晶薄膜的生长，实现用衬底对Ti膜结构的调控。本研究选用多晶金属Mo、非晶石英以及单晶硅3种典型的材料作为衬底，研究了Ti膜的表面形貌，物相结构以及界面的分布。 1 实 验 原材料选用的是Ti，纯度99.99%，滚轧钢板。首先根据实验需求对板材进行机械加工，经切割之后的金属样品表面会存在油污、氧化层等覆盖物。为去除表面的油污，将样品放入NaOH溶液煮沸，同时需不停地搅拌以防溶液暴沸。油污清表1 样品膜厚及附着状态 Table 1 Film thickness and adhesion condition of samples Substrate material Mo Quartz Si Film thickness/μm 1.8 7.02 10.81 1.62 7.06 10.38 1.68 7.03 - Adhesion conditions Well Well Well Well Alice edge Peeling Well Peeling Peeling  石墨材料，步长0.04°，时间1.0 s，连续扫描方式，发射狭缝1°，接受狭缝2°，角度范围20°~90°。 采用精工SPA300HV扫描探针显微镜（SPM）观察了抛光Mo、石英、单晶硅衬底及Ti薄膜的粗糙度。使用CamScan公司Apollo300场发射扫描电子显微镜（SEM）观察了Mo衬底上Ti膜的断面，其分析电压10 kV。使用Emitech SC7620喷金仪对石英和硅衬底沉积Ti膜断面喷金，并用德国蔡司仪器公司的Ultra 55场发射扫面电子显微镜（FSEM）观察断面。 2 结果与讨论 2.1 衬底材料对Ti膜粗糙度及形貌的影响 使用AFM测试了各种衬底及薄膜的表面形貌，测试面积均为10 μm×10 μm。如图1a、1b、1c所示，抛光Mo基片表面较为平整，但有明显的凹坑存在，这些小凹坑可能是机械抛光时使用的酸性研磨液对Mo表面腐蚀产生，石英衬底表面平滑但是有较多微小的划痕，抛光硅衬底表面平整度较好，表面存在微小的颗粒。 图1d、1e、1f、1g、1h、1i分别为在不同衬底上沉积Ti膜的3D图谱和平面图。发现Mo衬底上沉积的Ti膜表面致密存在较小的凹坑与凸峰，起伏高度在73.81 nm内；膜面由大小均匀的颗粒组成，颗粒尺寸在纳米量级。而石英上沉积的Ti膜将衬底划痕覆盖，表面平整，起伏高度小于55 nm，从3D和平面图上均可以看到不规则形状晶粒且晶粒边界清晰，晶粒尺寸范围为0.5~3 μm。Ti在抛光石英衬底上的生长克服表面形貌的影响，长出了平整度较为光滑的薄膜。单晶  图1 不同衬底及薄膜的AFM形貌 Fig.1 AFM morphologies of substrates and films: (a) Mo substrate, (b) quartz substr