（粒子物理与原子核物理专业论文）等离子体辅助沉积含氦钛膜的研究.pdf

等离子体辅助沉积含氦钛膜的研究 摘要 实验上研究h e 在金属中的行为时，常用 e 离子注入的方法获得含h e 样品， 然丽常规h e 注入的方法存在注入损伤和h e 分布局域化、不均匀等问题。本文研 究了薅种等离予体辅助沉积含氦钛膜的方法，一茅审跫在氦躲电子回旋共振( e c r ) 产生的等离子体气氛中用脉冲激光沉积( p l d ) 含氮钛膜，另一种是渗入氮气放电 的磁控溅射沉积含氮钛膜。两种方法均是在钛膜沉积过程中进行h e 的引入，实现 了较大量的h e 在膜内均匀体分布，引入的h 。量可由j 冗积参量调节。实验结果表 明，两种方法中h e 引入视制均是载能h e 粒子注入，但在第一种方法中起主要作 用的是h 。离子，第二种方法中是h e 原子起主要作用。其中第种方法通过控制 树底偏压可以实现低于阈值能量的h e 注入。样品的表面形貔、微结构等也进行了 分拆，可以躞察到注入引起的样品表面鼓泡现缘，x 射线衍射( x r d ) 结果表明 较大量的h e 的引入使膜结构趋两无定形化，透射电镜( t e m ) 可观测到膜中的 h e 治。 s t u d y o i lm e t h o d so fp l a s m aa i d e d f i l m d e p o s i t i o n f b r h e l i u m - c h a r g e d t i t a n i u mf i l m s p r e p a r i n g a b s t r a c t w h e nr e s e a r c h e r ss t u d yt h eb e h a v i o ro fh e l i u ma t o m sa n dh e l i t m ab u b b l e si n m e t a l s ，t h em a t e r i a 矗a r eu s u a l l yc h a r g e dw i t hh e l i u mb y i o n i m p l a n t a t i o n ，w h i c ha l w a y s p r o d u c e s d a m a g e i n t om e t a l s ，a n dt h eh e l i u md i s t r i b u t e sl o c a l l ya n d u n e v e n l y i nt h eb o d y i nt h i sw o r k ，t w om e t h o d s o f p l a s m a a i d e df i l md e p o s i t i o nf o rh e l i u m - c h a r g e dt i t a n i u m f i l m sp r e p a r i n gw e r es t u d i e d ，o n ei st h et i t a n i u mf i l mp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) i n a l le l e c t r o n c y c l o t r o nr e s o n a n c e ( e c r ) h e l i u mp l a s m a , a n dt h e o t h e ri sh e l i u m i n c o r p o r a t e dm e g n e t r o ns p u t t e r i n gd e p o s i t i o no f t i t a n i u mf i l m b o t hi n t r o d u c e dh e l i u m i n t od u r i n gf i l mp r e p a r i n g ，a n dt h ea m o u n ti n t r o d u c e di nc a r lb ea d j u s t e db yv a r y i n gt h e f i l m d e p o s i t i o np a r a m e t e r s a n a l y s i s r e s u l t ss h o wt h a tt h em e c h a n i s mf o rh e l i u m i n t r o d u c i n gi nb o t hc a s e si se n e r g e t i ch e l i u ms p e c i e si m p l a n t a t i o n ，w i t hh e l i u mi o n s d o m i n a t i n gi nt h ef i r s tm e t h o d a n dh e l i u ma t o m sp l a y i n gt h er o l ei nt h eo t h e r o n ec a n r e a l i z et h eh e l i u mi o n ss u b t h r e s h o l di m p l a n t a t i o nw i t ht h ef i r s tm e t h o db yc h o o s i n g s m t a b l es u b s t r a t eb i a sv o l t a g e 。t h es a m p l e sc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha ss u r f a c em o r p h o l o g y a n dm i c r o - s t r u c t u r ew e r es t u d i e da l s o ，t h es u r f a c e b l i s t e r i n g c a u s e d b y h e l i u m i m p l a n t a t i o nh a sb e e no b s e r v e d x r dr e s u l t si n d i c a t et h a tf i l m sw i t hl a r g eq u a n t i t y h e l i u mi n t r o d u c e di nt h i sw a yt e n dt 0b ea m o r p h o u s a n dt h eh e l i u mb u b b l e sw e r e o b s e r v e dw i t ht e m t e c h n i q u e 第一章一；f 言 第一章引言 在核能技术许多领域使用的金属材料中普遍存在着氦的产生及其引起的脆化 问题，如裂变堆、聚变堆内部核反应产生的中子与结构材料的( n ，c 【) 反应会在材 料中产生氦；聚变堆的第一壁材料表面受氘、氚等离子体中聚变产物粒子的轰击 而造成氦的积累；储存氚的金属容器中由于氚的高渗透性和衰变造成容器壁中高 浓度氦3 的积累：高通量散裂中子源中高能中子与靶、包壳、窗材料的( n ，) 反 应会在这些材料中产生高浓度的氦；以及中子管中氚靶由于氚衰变在靶内产生氦3 积累；等等【1 1 。 材料分析表明，氦在金属中产生、迁移、扩散，达到一定浓度时会在材料的基 体、位错、晶界、相界处形成纳米尺寸的析出相一氦泡。氮泡生长，继而发生氦 释放。氦泡的形成会导致材料的延伸率、蠕变断裂时间、疲劳寿命显著变小，称 为氦脆( h e l i u me m b r i t t l e m e n t ) 1 lo 对中予管表现为氚靶掉粉掉皮，并有大量的氦 逸出，使管内真空度急剧下降。氦在空间不断积累最终会导致中子管的报废。这 些严重影响到中子管储存寿命和工作稳定性f 2 】。到目前为止尚无方法能够有效克服 氦脆问题，为了最终能解决氦脆问题，有必要对氮在金属中与各种缺陷的相互作 用及氦的迁移、聚集行为的机制做深入的探讨。 近三、四十年来，氦在金属中行为的研究一直受到各国研究人员的重视，展开 了各种研究，取得很多重要结果，发表了大量的论文。1 9 8 2 年在德国j u l i c h ，召开 的题为”f u n d a m e n t a la s p e c t so fh e l i u mi nm e t a l s ”的国际会议对之前的这方面工作 做了理论及实验的回顾【3 】；1 9 8 9 年，r l a s s e r 以其著作t “t i u ma n dh e l i u m 3i n m e t a l s ”【4 j 对氚衰变产生的氮的行为进行了全面的总结；1 9 9 1 年，s e d o n n e l l v 及 j h e v a n s 编著的”f u n d a m e n t a la s p e c t so f i n e r tg a s e si ns o l i d s ”f 5 】一书中也有相当的 篇幅论述氦在金属中的行为。9 0 年代以后，这方面的研究在材料上以台余或掺杂 对氦行为的影响为热点，在实验方法上表现出多种方法相结合的特点。表1 1 列出 近来关于氦在金属中行为实验方法的一些论文。 第一牵引言 第一卷，；言 从表中这些文献基本可以看出，在实验上要获得含氦的金属薄膜或体材料，即 氦的引入方法有注入、氚衰变、( n ，c 【) 核反应三种。下面分别作简要介绍。 一h e 离子注入。包括单能量注入、多能量平台分布注入、低于阈值能量 注入、极低温度下注入。它的优点是方便，可以在短时间内实现氦的引入，并且 氦的浓度及分布基本可控。因而这是最常用的氦引入方法。它的缺点是，氦注入 造成材料的损伤。虽然低于闽值能量的注入可以避免这种注入损伤，却只有材料 表面一薄层( 1 0 n m ) 被引入了氦。 二 氚衰变。利用氚的b 衰变在材料中产生3 h e ，t 一3 h e + 1 3 + v + 1 8 5 8 2 k e v ( 半衰期t l ，2 为1 2 3 6 年) 。对于材料m t r o ( m 表示金属原子) ，经过时间t 后，材 料中产生3 h e 浓度c ( t ) = r o 1 - e x p ( 一t l n 2 t l 2 ) 。它的优点是氦在材料中浓度分布均匀， 辐照损伤低。缺点是氦浓度会随时间发生变化，并且要获得高浓度的氦需要很长 时间。 三 ( n ，0 【) 反应。材料受中予辐照，发生( n ，o 【) 反应，在材料中得到均匀 分布的氦。缺点是非常严重的辐照损伤，并使材料带有放射性。 实验上氦行为的分析研究手段主要有如下几种： 一 电镜观测。包括样品表面( s e m ) 及内部( t e m ) 的形貌。可原位观测 样品体内氦泡或表面形貌随时间、温度等发生的变化。 二 x 射线及中子衍射测量。可以测量由于氦的引入而引起的晶格常数的 变化。晶格常数的增加相应于氦原予占领间隙位，而减少相应于占领置换位。 三+ 离子束分析方法。包括质子背散射( p b s ) 、重离子的前向反冲( e r d ) 、 核反应分析( n r a ) 及二次离子质谱( s i m s k 可以确定氮在材料体内的浓度及 分布情况。 四热释放。 应用氦的热释放谱( t h d s ) ，可以获得单个氦原子和小的氦 团簇与缺陷作用的结合能和迁移能。 五 其他。包括厚度测量、核磁共振( n m r ) 、正电子湮没( p a t ) 等。 第一章引言 本工作是围绕这解决中子管中氚钛靶的贮存问题，研究氦在金属钛中的行为 而开展的。 钛是使用较早但仍具有开发前景的贮氚材料。钛的吸氚容量很高，室温离解 平衡压很低，是中子发生器用氚靶膜的优先考虑选择。时效早期t i t 。膜的3 h c 释 放量非常小，当3 h e t i 0 1 时释放系数仍在1 0 。5 量级。贮存2 3 年的t i t l7 中的3 h c 主要以直径小于1 0 0 n m 的氦泡形式分布( 3 h e 浓度o 1 8 0 2 5 ) 。热释放结果表明， 3 h e 的释放峰高达5 个，对应其在晶格中具有的不同存在状态。t i t 2 。h e 。的加速释 放临界浓度为0 3 左右【。 为了更好模拟氚靶中由于氚衰变产生的氦的行为，需要获得氦浓度均匀分布 的低损伤的含氦钛膜。本工作主要探讨了沉积过程中进行氦引入的方法，其一是 在氦的电子回旋共振( e c r ) 产生的等离子体气氛中用脉冲激光沉积( p l d ) 含氦钛 膜，另一是掺入氦气放电的溅射沉积含氦钛膜，并对氦的引入机制及薄膜性质进 行了研究分析。分析手段包括质子背散射谱( p b s ) ，碳离子前向反冲( c e r d ) 测量氦在膜内的浓度及分布；扫描电镜( s e m ) 及x 射线衍射( x r d ) 观测膜的 表面形貌及微结构；透射电镜( t e m ) 观测膜中的氮泡。 本文各部分安排如下： 第二章介绍离子束分析方法，包括质子背散射及碳离子前向反冲，介绍实验 原理及分析的基本知识；第三章探讨在氦的e c r 等离子体气氛下脉冲激光沉积含 氦钛膜的方法，及对膜的组分及微结构的分析；第四章探讨掺入氦气放电的溅射 沉积方法制各含氦钛膜，包括膜组分及微结构分析；第五章是总结，对两种方法 进行比较、讨论。 一一， 蔓三童懋! 查坌逝童鲨熊坌 第二章离子束分析方法简介2 0 l 带电粒子拜往毅麓分褥，篷括声瑟棰瞽敬瓣分聿厅帮翦淘弹淫爱冲分辑。鬻散 射技术具有方法简便、可靠，不需要依赖于标准样品就能得到定量的分析结果， 不必用辎层办法破坏样品宏躐结褐就能获得深度分布信息等优点。与弹性反冲结 合，熊对样品无损地分析从轻到重的器声孛元索。 针对本工作，本章主要介绍一下质子背敞射分析以及碳离子弹性反冲分析。 。 实验设餐 1 加速器 复量大学现代物理掰应角离子柬物理实验室的n e c9 s t l d 22 x 3 m v 串列 静电加速嚣如图i 所示。 离子源：q t r o s s 源产生氦离予柬；铯溅射离子源产生质子、碳等其余元素 款离子隶 加速部分：离子源引出电压为5 4 k e v ，端电压0 3 3 m v ，发散角小于0 0 5 。， 筑量稳定性爵，n n d , 5 。o 1 ，静态真空离予1 0 + 7 鼬。 图i n e c9 s h d - 22 x 3 m v 串列静电加速嚣 2 + 分析靶室 实验新躅赣警在n1 5 。管道，管道及靶室觅黼2 。实验时靶室内真空可达 1 0 一p a ，可进行背敞射实验及反冲实验。 第二章瑚f 柬分析方法简介 墨2 。饕道及实验靶室 3 ，获取设备 e g & g o r t e c 公司出品的n i m 插件，利用计算机进行能谱的记录和储存。 图3 获取设备 6 第二帝离于束分析方法简介 二分析原理 1 质子背散射分析 当具有一定能量的质子束入射到靶物质时，有极小部分离子与靶原子核发 生大角度库仑散射而离开原来的入射方向，用探测器对这些背散射粒子进行测 量，能获得有关靶原子的质量、含量和深度分布等信息。 质子背散射( p b s ) 方法利用质子对d 、t 、h e 、l i 等较轻元素有较高的 质量分辨率和2 3 m e v 的质子与这些轻元素之间的弹性散射截面增强效应，分 析重元素基体中的d 、t 、h e 、l i 等轻元素，有很大的探测深度。实验中用2 5 m e v 的质子柬垂直靶表面入射，样品中的t i 、h e 、c 、n 、o 等元素可精确确定； 元素含量分辨灵敏度高于l ；探测深度达4 9 r n 。 图1 散射分析谱示意图 2 碳离子弹性反冲分析 测量靶中与碳离子发生弹性碰撞时前向反冲出来的轻元素杂质原子，可 以确定轻元素的含量及其深度分布。常用在探测器前加吸收膜的方法甄别掉 重的反冲原子及前向散射离子。 实验中用8 m e vc 4 + 离子束，7 5 。入射，反冲h 、h e 元素，探测角3 0 。 从谱图上可观察h e 在膜内随深度分布的均匀性，探测深度3 0 0 n m 。 第二章离了柬分析方法简介 图2 弹性反冲分析示意图 三谱分析计算机拟合程序s i m n r a 2 1 】 s i m n r a 是德国m a x - p l a n c k i n s t i t u t 开发的计算机拟合程序，主要用来拟 合背散射谱、核反应及弹性反冲谱。程序内自带原子数据、阻止本领数据及截 面数据。使用非常方便。 图3 s i m n r a 的分层计算原理 上图是它分层计算的原理图。 使用时只需设定膜组分、厚度、入射离子能量、剂量、入射角度及相关探 测参量，选择适合的截面数据，运行程序进行模拟计算，将拟合谱与实验谱进 行对照，适当调整各参数，即可得到分析结果。 第三章e c r 辅助p l d 方法沉较禽氮链膜 背景 第三章e c r 辅助p l d 方法沉积含氦钛膜 电子圈浚焚叛( e c r ) 等离予俸添是一种裁瘸擞滚敖邀，嚣磁场褥毫子束缚 在放电腔中，与气体分子发生碰撞产生等离子体。这种方法产生的等离子体相 眈d c 、r f 放电产生的等离子俸其有离亿率高驰优点，通过控制加在蘩底上酶 偏压，可以实现刻蚀或沉积的功能1 2 “。 脉冲激光沉积( p l d ) 是利用激光脉冲烧蚀、融蒸靶材表面，形成等离子体 羽，喷射沉积在衬底上形或薄膜熬镀膜方法。矮有方馁、灵活、快速豹优点。 并且能在气氛巾进行沉积，满足制备有特殊要求的薄膜f 2 3 】。 在e c r 等亵子髂气氯孛送行躲羚激跫潺稷，是一耱特臻黯裁鍪薄貘静方 法。9 0 年代初就有研究者在e c r 放电产生的筑等离予体气氛中脉冲激光沉积 y b c o 越导薄貘l 硐。：i 跫尼年，簧重大学吴嘉运簿天，农e c r 产生静氮等离子 体气氛下，脉冲激光沉积了氮化硅膜f 2 扪，及碳氮膜。e c r 等离子体源可以提 供高密度的原予、分予态及离子态的带能粒子( 一l o e v ) 【2 6 】，这些粒子以注入 及表面吸附化念的方式进入膜朦1 2 7 】，辅助脉冲激光等燕子体羽的薄膜沉积，可 形成化合物薄膜，因此是嘉达等称这种方法为e c r 辅助的p l d 沉积。而在非 爱痤熬等离子体气氛中，如氦瓣e c r 等枣子钵气氛孛遴行爨冷激茺沉积薄簇， 可以在沉积薄膜同时实现低于阉值能量的氮离子注入。我们的实验正是基于这 样豹思想拜震瓣。 二 样晶制备 l 。设誊 样品是在簸旦大学信息学院光科学与工程系的e c r 辅助p l d 设备上制各 的。设蔷见照片。( 图1 ) 9 第三章e c r 辅助p l d 方法沉积含氮钛膜 图1 e c r 辅助p l d 设备 图2 沉积靶室示意图 0 第三耄e c r 辅助p l d 方法溉根台氮皱膜 图2 是沉积靶室示意图。实验参数如下： e c r 源：2 4 5 g h z 微波放电；放电功率8 0 0 w 脉冲激光沉积：倍频n d ：y a g 激光器，波长5 3 2 r m l ，脉宽1 5 n s ，脉冲功 搴1 1 5 m j ； 由遴镜聚焦在靶上，隶斑囊径i m m ；黥渖霞复 率可调 靶：缝锾靶( 9 9 ，9 9 ) 衬底：单晶磁片( 1 0 0 ) ，表面与靶表面平行，间距3 c m ，可加负偏压 2 + 镀膜基本过程 实验前靶寝内达到5 x 1 0 4 p a 真空度，将h e 气( 纯度高于9 9 9 9 9 ) 通入放电 整，牙始擞波藏龟，微渡频率2 4 5 g h z ，藏龟凌率设兔8 0 0 w , 敖窀簸内产生氦等 离子体后将其导入沉积靶室，同时开始脉冲激光沉积，衬底可加一定负偏压。沉 积对赣室内蓬强傈撩焱5 l o 吱p a 。 镀膜前以氮等离予体流对树底进行轰击，可以清法树底有测于膜的生长成形。 通过掖制氦等离子体的有无，还可实现生长含氮不含氦的多屡薄膜。 3 样品摘述 第一组： 在激光脉冲重复率为sh z 时改变衬底所加偏压及e c r 源放电情况，探讨 氦的弓i 入机制。袋的沉积时间是3 0 分钟 搓虽塑显煎垂堡匿! y ! 塑娄然韭重熊窒f 望互整逼i i i i 二 a 1 0 5 y e s 一一 a 2 - 5 0 5 v c s a 3 1 0 05 v e s a 4 1 0 0 5 n o a 5 2 0 0 5 y e s a 6 - 3 0 0 5 v e s 堑_ = 箜垃一一 主 过! 第二组： 在激光脉冲重复率为1 0h z 时，改变衬底所加偏压及e c r 源放电情况，探 第三章e c r 辅助p l 。d 方法沉积含氢慷膜 讨氮的引入机制，并对照第一组样品，研究激光脉冲重复率对成膜的影响。 溪靛沉积辩闻是3 0 分镑 样品编号衬底偏压( v )激光脉冲重复率( h z ) 放电情况 b l0i 0r i o b 201 0 y e s b 3- 5 01 0 y e s b 4一1 0 01 0 n o b 5一t 0 01 0 y e s 第三组： 在激光脉冲羹复率必5 h z 及l oh z 时，衬底镳压为。1 0 0 v ，e c r 放毫，改 变膜的沉积时间 壁曼基篷遨耋壁建重量皇壁垒!瀑墼壁塑! 堡垒! c l 52 0 c 25 3 0 e 35 4 0 c 4 5 6 0 c 5 1 01 0 c 61 0 2 0 c 71 0 3 0 c 81 06 0 壁釜塑篓熬堂壁登熏塞奎f i 边远墼堕塑! 堡垫! d 1 5 3 0 里2 5 三样品分析： 交膜的沉 1 质子背散射( p b s ) 测量薄膜组分及厚度 实验髑2 5 m e v 熬矮子柬垂妻入瓣，掇测角1 6 1 。4 。，强3 绘爨谨品a 2 的 p b s 谱。 姨谱土可鞋着疆，h e 被引入捌整个羧中，n 鄯t x n n x 。在筷中还 存在n 、o 杂质，主要是由于镀膜l j i f 本底冀空中的贱余气体引起的。由于钛是 簿三常e c r 辅船p l d 方法沉投禽辍辍唆 c h a n n e i 圈3 样晶a 2 豹p b s 谱翻 菲常活泼的金属，等离予体中的n 、o 离予原子，分子更容易与t i 离子原予结 合，遂a 羧中。疑以虽然镀蔟蓠辩零褒囊空度已经较赛，窃然毒较夫量翁n 、 o 杂质混入膜中。膜中还混有少量c 杂质，这是由机械泵的返油污染引起的。 c 、n 、o 祭凄奁貘孛遣聂髂分毒。 利用拟合程序s i m n r a ，得到备样晶的膜厚( 以原子灏密度1 0 i s a t c m 2 为 革缆) 及袋中氦食霪( 蕊h e f i 舔予疣表示 ，热袭i 所示。 从样始姐一和= 的结粱可以蓍出，激光豹脉淬羹复率并不影蛾氮的l 入摄 制。无论蕊在5 h z 还是在1 0 h z 的情况下，当沉积气氛是氮气而不鼹e a r 放电 产生的氮咎离子髂瓣，或卷裢底不搬一定铸攫，都没毒( a 3 a 1 ) ，表面的凸超越 缌小密集。 第四章掺入彝气放 乜的磁控溅射境积禽氮镀艇 图5 ( a ) 样品b 4 袭面形貌 图5 ( b ) 样品a l 亵面形貌 第四章掺入氯气放电的磁控溅射沉积禽氮钛膜 图5 ( c ) 样品a 3 袭面形貌 圈5 ( d ) 样晶b 3 袭面形貌 3 0 第西章掺八氯气放电的磁控谶甜沉积含氨钛膜 图5 ( e ) 。样县8 3 热释放厦鳇表垂形载 霉5 ( f ) 样品蠢3 表面形貌，放大倍数8 0 0 0 0 倍，倾角3 0 。 第峭章掺入氮气放l 乜的磁控溅g 沉积含氢铁膜 引入氦的膜表面这种表面鼓泡现象表明这确实是一个载能氦粒子的注 入引入机制。由于注入的氦粒子的动能( - 2 0 0 e v ) 相对e c r 辅助p l d 沉积 时氦粒子的能量( 6 0 e v ) 比较大，它的表面形貌与一般注入时产生的表面 鼓泡现象更相似，形成的氦泡内的气体压强也较高。图5 ( e ) 给出了样品b 3 加热释放后的表面形貌，可以看到加热使氦气膨胀释放引起的表面的鼓泡和 泡破裂的情况】。图5 ( f ) 是样品a 3 的放大8 0 0 0 0 倍并倾斜3 0 0 角时拍摄的 表面照片，可以更清楚地看出膜表面的凸起情况。 4 x 射线衍射分析( x r d ) 为了研究引入氦对膜的微结构的影响，对样品进行了x 射线衍射分析。 由于膜层厚度较薄，用掠角入射的方法，排除样品衬底的干扰，得到更理想 的结果。实验是在中科院上海硅酸盐所分析中心x 射线衍射室完成的，实验 仪器是d m a x2 5 5 2 v x 射线衍射仪。实验用x 射线为c u k a 九1 5 4 1 8 ，掠角 度数为2 0 。 样品b 4 、a 1 、b 3 的x 射线衍射谱图如图6 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 2 02 53 03 54 0 4 55 05 56 0 6 57 0 2 0 ( 。) 圈6 ( a ) 样品b 4 的x 射线衍射谱 薹i 湖 蝴枷 | 弓 喜| 珊 瑚 伽 o 一竹ux=c一c一 第四章掺八氢气放电的臌控溅射沉积盘氮钛膜 1 5 0 嚣 31 0 0 譬 三 5 0 0 1 0 0 5 0 o 2 。2 53 03 54 。 聪5 s8 5 图6 ( b ) 样品a l 的x 射线衍射谱 2 02 53 0 3 54 04 55 0 5 s6 06 57 0 2 f ) o 鹫6 ( e ) ，搀黯8 3 翦x 瓣线锈矍孛谱 一曲。)辛lsclu 第四章掺入氮气艘i 乜的磁控溅射沉积台氮钛膜 在网6 ( a ) 中，可以看到溅射沉积的钛膜魁多晶的结构，钛的五条强度 最高的谱线( d2 。5 5 7i 1 1 3 0 ；d2 。3 4 2t i 2 6 ；d2 2 4 4i 1 1 1 0 0 ；d1 7 2 6 ，l i 9 ；d 1 4 7 5i 1 1 1 7 ) 在图上很明显，但谱线强度与卡片上不同。由于沉积的衬底是 s i ( 1 0 0 ) 基片，这反映出钛晶粒的成形是受鍪片晶向取向的影响的。谱图 上还有条不是钛的谱线，由予在其它的谱图中均未发现同样数谱线存在， 认为是成膜过程中引入的杂质可能较大。 样晶a l 中引入氦羹为h e t i t 5 ，与样熬b 4 提毙，谱线鼹强度下辫， 谱线发嫩展宽。这是与x 射线衍射研究禽氚样品中由于氚衰变产生氦3 后发 生港线溅宽兹绪莱一襻懿，焉墓蓉饕谱绫豹强度发生了变纯，躐在强震疑高 的谱线对应的是( 0 1 1 ) 晶向，谱线略有移动。样品b 3 中氦量高达h e t i 4 9 ， 觚圈6 ( c ) 上麓已是一个浸射的震宽潍，中心与( 0 0 2 ) 晶向较近。暗示此 时的膜内含有极大量的气泡的存在。 x 射线衍射分析结聚表明，在掺入氮气进行的溅射沉积时，当引入的氦 比率较小，膜仍然是多菇结梅，当；l 入缀大量熬氮对，膜走大鬃戆氦泡熬存 在使膜趋为无定测的结构。 5 t e m 分析 为了更进一步了解h e 在样品中的成泡情况，对样品做了透射电镜的观 察。实验寡在复熙大学分叛测试中心电镜塞宠成懿，分板仪器是c m 2 0 0 f e g 。 图7 是样品b 3 的电子衍射照片，图8 ( a ) 、( b ) 分别是样品b 3 的透射电镜 欠焦( u n d e f f o c u s ) 、过焦( o v e r f o c u s ) 爨片。 幽7 样品b 3 电子衍射照片 筵塑釜鎏盔萋墨鎏! 堡笪堂整塑塑塑宣筮丛壁一一 闰8 ( a ) 样品b 3 明场欠焦t e m 照片 圈8 ( a ) 撵晶b 3 明场过焦t e m 照片 3 5 第四荦掺入氯气放l 色的磁控溅嫩沉税含氯钛滕 图7 给出的样品b 3 的电子衍射照片中，可以看到多条宽度不一的光环， 与无定形薄膜在电子衍射图中的显示的弥散形光环较接近。样品b 3 的x 射 线衍射谱图中显现的漫散射峰表明样品在大尺度晶粒摊布的无序性，恧此电 子辑射匿褒明榉爨在较小尺度上晶粒已有无廖撑蠢趋期。 在样品b 3 明场透射邂镜静欠焦( 图8 ( 8 ) ) 、过焦( 图8 ( b ) ) 照片中， 可以看到样品中h e 泡的存在，与含氚样品由于氚衰变在样品内产生h e 泡的 情形转2 马# 常相似。h e 泡韵直径3 r i m ，分布较均匀、密集。 四。小结 鲻掺入氦气的混合气体放电，溅射沉积薄貘的方法，可戳镪备含氮的金属钛 膜，氦在膜中是均匀的体分布。分析结果表明，通过调节混合气体中的氦麓，可 以改变引入膜中的氮比率。引入膜中的氦羹可以在一个较大的范围内变动，从0 到5 0 ，更大量的氮引入在本实验中未有尝试。由于沉积速度受很多因素的影响， 所以沉积的薄膜的厚度在这里没有研究，可得到的基本结论是相同溅射电流下， 沉积气氛中氲量越离，相同的时间沉积的膜层越厚。改变树底偏重对膜中寨蛇s l 入量影响很小，表明氮粒子主要是以原子态的形式被引入朕中。认为是壹滚放电 产生数缀离子加速淘靶运动( 3 0 0 e v ) ，在鞣表甏发生反撵( 2 1 0 e v ) ，荠被瞧中性 化，载熊氦霖子囱辩底运动莽蓉一定动麓( 2 0 0 e v ) 注入膜中。这种寻i 入氦静方法， 根方便，沉积的膜中氧亿氮化程度极低，但不易实现低于鲻值韵氦注入。 在较小量的氦芍l 入时，钛膜仍然是多晶的结构，认为此时氮在膜中是以内部 气体压强较高的气泡形式存在。而当引入氮量较高时，大量的氮泡存在使膜趋向 无定形的结构。样晶表面形貌结果可以看到由予氦引入引起的表面鼓泡现象，加 热释放压的样品表颟可清楚地者到由于膜内氮气被匆热膨涨释放弓| 起的表露款鼓 泡、破裂、起皮的现象。 进一步的实验碍戳研究怎样实瑷这种方法下氮粒子的低于溺值的引入( 如靶 极攘低予1 0 0 v 躺偏压) ，戳及探讨氮引入量的可变动范匿等。 第纛章蕊螭 第五章总结 本文尝试了掰种等离子体稀韵薄膜沉积翻备含氦镟膜的方法，第一种方法是 在e c r 放毫产生的h e 等离子体气氛中，脉i 中激光沉积含氮铣膜；另种方法是 掺入氦气放电的溅射沉积吉氦铁膜。两种方法都成功的将大量的氦引入了膜中， 而鼠实现了氦在膜中的均匀体分布。但两种方法的氦引入机制、膜微结构、沉积 参数影响作用都有很大不同，现以下表对两种方法加以比较： e c r 辅助p l d 沉积食氦钛膜掺入氨气放电溅射沉积含氨钛膜 e c r 放电功攀、放电气体压强、溅射电压、溅射电流、混合气体 滋豪参量控熬砖激光重复率、糟底受偏瘫压强、混合气体h e a r 院、衬赢 制筹各参藿可独立控稍，灵活性负镛盛等各参量阉互相有联 静系，不能独立控翩，灵活性差 膜中杂质情n 、0 杂质量太，膜成分主要是 杂羡嫠最少 况t i o ：，并混有部分t i n ， 通过注潮激光脉冲数基本可控 受很多因素影响，较不可控，一 膜厚控制般糖月溅射电漉下混合气体中 铷膜厚 砖量越蔫溪沉积速度越 夹 较大( 2 0 ) ，逶过耪熹镰压控 遁过改变混合气体中h e a t 比可 制，衬底不加谪蕊爵引入氦鬣 h eg i 入量 改变膜申氨麴引入量，从 为0 ，偏压为- 5 0 v 时i f 入氦谶 h e t i 一0 到h e t i 一5 8 最高 h e 在膜中 均匀俸分布均匀体分布 的分布 h e 在膜中 氨泡氦泡 存在状态 第五章总结 h e 的引入载能氦粒子注入，起主要作用 鼗憝氦粒子注入，起主要传爝麓 是氦原予( 被加速的氦离子从靶 枫制螅是氮等离子体中魄氦离子 表蔼莰复辩且电中性讫) 较难，或者溅射电压低于1 0 0 v ， 低予阙值的可隧赛蕊，当所如孚毒蕊偏压低 或者沉积气压较大，但两者均会 氦粒子注入干5 0 v 带寒闻题 有表面鼓泡现象，鼓泡大小不 一，妻逡破裂影嚏嫫翳君继沉 有表面鼓泡现象，泡的形状、太 表面形貌 小、分布较均匀，膜中； 入氨量 积时，在膜表面会形成大小不 一酶毳满 越大表礞的鼓泡越细密 t i o z 的无定垫结构，可能是膜当膜中氦量较小( 1 5 ) ，膜仍为 中含戴较多引斑，含氦膜串爵钛曲多晶结构；当膜中氦量较大 膜的徽结构 大量氨气泡存在也会g 起膜的( 5 0 ) ，膜表现出体内含较多气 无定蒜结构泡的无定番结构。 从表中可以看出，虽然两种方法均实现了较大量的氦引入，但引入机制并不 相同，膜的表面形貔、徽结构都有缀大差异。两种方法沉积薄膜筠非善翻，餐用 来有目的的农沉积薄膜时引入氦，却还是第一次。本正作主要探讨了方法的可行 性，并对膜的组分及微结构傲了初步的分析研究，进一步的工作是必要的。 参考文献 1 】张崇宏，陈克勤，王引书，孙继光，原子核物理评论，1 8 ( 2 0 0 1 ) 5 0 2 】许卫东，h e 在t i 中的深度分布及扩散行为的研究，复旦大学硕士学位论文，1 9 9 5 3 r a d i a t i o ne f f e c t s ，v 0 1 7 81 9 8 3 4 r l f i s s e r , t r i t i u ma n dh e l i u m - 3i nm e t a l s ，s p r i n g e r - v a r l a gb e r l i nh e i d e l b e r g ，1 9 8 9 5 】s e d o n n e l l y a n dj h e v a n s ，f u n d a m e n t a l a s p e c t s o fi n e r tg a s e si n s o l i d s ，n e wy o r k p l e n u mp r e s s ，1 9 9 1 6 r r a j a r a m a n ，b v i s w a n a t h a n ，m c v a l s a k u m a r a n dk e g o p i n a t h a n ，p h y s r e v b ，5 0 ( 1 9 9 4 ) 5 9 7 7 g a m a r e n d r a ，b v i s w a n a t h a n ，a b h a r a t h i ，a n dk e g o p i n a t h a n ，p l a y s r e v b ，4 5 ( 1 9 9 2 ) 1 0 2 3 1 8 r c b o w m a n ，j r ，g b a m b a k i d i s ，g c a b e l l ，a a t t a l l a ，a n db d c r a f t ，p h y sr e v b ， 3 7 ( 1 9 8 8 ) 9 4 4 7 【9 e j u n g ，a n dr 1 地s e r , p h y s r e v b ，3 7 ( 1 9 8 8 ) 2 8 4 4 1 0 s n a g a t a ，k t a k a h i r o ，s y a m a g u c h i ，s y a m a m o t o ，b t s u c h i y a , a n dh n a r a m o t o ，n u c l i n s t r a n dm e t h b ，1 3 6 - 1 3 8 ( 1 9 9 8 ) 6 8 0 【1 1 】rj u n g ，c l 沁，j c h e n , j n u c l m a t e r ，2 9 6 ( 2 0 0 1 ) 1 6 5 1 2 】s t h i e b a n t ，v p 训- b o n c o u r , a p e r c h e r o n - g u e g a n ，b l i m a c h e r , o b l a s c h k o ，c m a i e r , c t a i l l a n d ，a n dd l e r o y , p l a y s r e v b ，5 7 ( 1 9 9 8 ) 1 0 3 7 9 1 3 】st h i e b a a t ，b ，d e c a m p s ，j m p e n i s s o n ，b l i m a c h e r , a n da p e r c h e r o ng u e g a n ，j n u c l m a t e r ， 2 7 7 ( 2 0 0 0 ) 2 1 7 1 4 】c l i n t o nd e w v a n s i c l e na n dr i c h a r d n w r i g h t ，p h y s r e v l e t t ，6 8 ( 1 9 9 2 ) 3 8 9 2 1 5 b l i m a c h e r , d l e r o y , c a r n o b x ，a n de g a s p a r d ，j a l l o y sc o m p ，2 3 1 ( 1 9 9 5 ) 7 9 2 1 6 h r a j a i n m a k i ，s l i n d e r o t h ，h e h a n s e n ，r m n i e m i n e n ，a n dm d b e n t z o n ，p h y s r e v b ， 3 8 ( 1 9 8 8 ) 1 0 8 7 1 7 a m a n u a b a ，e p a s z t i ，a n de k o t a i ，j n u c l m a t e r ，1 7 5 ( 1 9 9 0 ) 1 5 8 18 j d h u n n ，e h l e e ，t s b y u n ，a n d l k m a n s u r , j n u c l m a t e r ，2 8 2 ( 2 0 0 0 ) 1 3 1 1 9 】王隆宝，吕曼祺，李依依，金属氚化物的时效和时效效应。中科院金属研究所承担中物 院深题交流会资料，2 0 0 2 2 0 1 赵国庆，任炽刚，核分析技术，原子能山版社，1 9 8 7 ，p 1 0 8 3 9 【2 1 m a t e jm a y e r , s i m n r au s e r sg u i d e ，m a x 。p l a n c k - l a s t i t u t f u rp l a s m a p h y s i kb o l t z m a n n s t r 2 g e r m a n y , 1 9 9 4 【2 2 】s k a n g r a ，p a r s h a n tk u m a r , e c b a n e 日i e ，rp b a j p a i ，t h i ns o l i df i h n s ，3 0 4 ( 1 9 9 7 ) 2 9 4 2 3 】吴自勤，王兵，薄膜生艮t 科学出版社，p 3 2 0 2 4 1d o u g l a sb c h r i s e y ，g r a h a m k h u b l e rtp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o no ft h i nf i l m s ，j o h n w i l e y & s o n s ，n e w y o r k ，1 9 9 4 ，p 2 8 0 【2 5 lj d w u ，j s u n ，x x z h o n g ，z y z h o u ，c z 。w u ，f m ，l i ，豫融s o l i df i l m s ，3 5 0 ( 1 9 9 9 ) t 0 1 _ 1 0 5 【2 6 】t o s h i y u k ia i d a ，a k i r at s u k a m o t o ，k a z u s h i g ei m a g a w a ，t o k u u m i f u k a z a w a ，s a k a es a i t o ， k e i j i r os h i n d o ，k a z u m a s at a k a g i k a t s u k im i y a u c h i ，j a p a n e s e j o u r n a lo f a p p l i e dp h y s i c s ， 2 8 ( 1 9 8 9 ) l 6 3 5 2 7 】m k l e i ，z l z h a n g ，t c m a ，s u r f a c ea n dc o a t i n g st e c h n o l o g y ，1 31 ( 2 0 0 0 ) 3 1 7 2 8 】j e g r e e n e ，s ，a b a r n e t t ，j v a c s c i t e c h n o t2 1 ( 1 9 8 2 ) 2 8 5 2 9 】j p e t e r ，r a d i a t e f f e c t s ，3 5 ( 1 9 7 8 ) 1 5 5 【3 0 】 u i i m a i e r ，r a d i a t e f f e c t s ，7 8 ( 1 9 8 3 ) 1 【3 l 】j j ，c u o m o t r j 。g a m b i n o ，j v a c 。s c i 。t e c h n 0 1 ，1 4 ( 1 9 7 7 ) 1 5 2 【3 2 j 韬邦赣，王文生，薄膜物淫与技术，宅予科技大学击舨柱，p 1 6 6 ( 3 3 】陈正豪，物理，2 4 ( 1 9 9 5 ) 7 1 9 【3 4 】m i t s u h a r uk o n u m a , f i l md e p o s i t i o nb y p l a s m at e c h n i q u e s ，s p r i n g e r - 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