鍍膜對金屬材料表面二次電子發(fā)射系數(shù)的影響

柳 鈺，梁昌慧，梅策香，劉 婷

（咸陽師范學院 物理與電子工程學院，陜西 咸陽 712000）

材料表面二次電子發(fā)射現(xiàn)象早在20世紀20年代被發(fā)現(xiàn)。它的產(chǎn)生機理是材料內(nèi)部電子的激發(fā)，當材料表面受到高速電子的沖擊時，在特定的條件下該電子會在材料表面發(fā)生兩種情況，即彈性正碰和非彈性進入。當前者發(fā)生時，高速電子被反彈回來就形成了相當于電子二次發(fā)射的現(xiàn)象；當后一種情況發(fā)生時，高速電子的動能會傳入材料內(nèi)部，從而激發(fā)材料內(nèi)部的高能帶電子發(fā)射出來形成二次電子。直到20世紀80年代，隨著晶體器件保持摩爾定律發(fā)展，器件越來越小，集成度越來越高，二次電子發(fā)射現(xiàn)象在器件中的影響越來越明顯，終于到了不能忽略的地步，所以對抑制二次電子發(fā)射的研究也從此時正式開始[1-2]。

二次電子發(fā)射又叫二次電子的倍增放電現(xiàn)象，它是一種在射頻條件下的放電擊穿現(xiàn)象。這種擊穿現(xiàn)象根據(jù)環(huán)境以及條件不同共分為以下兩種：一種是在兩個金屬板之間的擊穿現(xiàn)象，另一種是單介質(zhì)表面產(chǎn)生的微放電現(xiàn)象[3]。本文主要研究后一種情況。

微放電效應(yīng)會在器件內(nèi)部產(chǎn)生一個不必要的噪音電場，這個電場對于器件的正常工作狀態(tài)和使用壽命都非常不利。微放電效應(yīng)對微波器件的危害有：使諧振的設(shè)備失諧，從而導致所傳輸?shù)男盘柌▏乐厥д{(diào)；使金屬內(nèi)部氣體發(fā)生溢出，從而產(chǎn)生氣體放電；會產(chǎn)生接近載波頻率的帶寬很小的噪聲；微放電效應(yīng)產(chǎn)生的電子會侵蝕器件表面，從而使器件性能下降甚至失效；會引起器件內(nèi)部無源互調(diào)[4]。所以對二次電子發(fā)射的抑制勢在必行。

1 實驗原理和方法

1.1 實驗原理

目前對微放電效應(yīng)的研究主要是如何抑制二次電子發(fā)射系數(shù)。已知的抑制二次電子發(fā)射的方法主要有以下4個方面[5-8]：（1）提高微放電器件的設(shè)計門限；（2）提高設(shè)備的通氣性能；（3）對于要求嚴格的部件區(qū)域，可以考慮外加磁場或直流配置，以便使電子偏離可能的微放電區(qū)域；（4）對材料表面進行處理。

1.2 實驗方法

本實驗在對以上4種抑制材料表面二次電子發(fā)射的方法進行比較后選擇第四種，改變材料表面結(jié)構(gòu)來抑制二次電子發(fā)射。實驗通過真空鍍膜方法起到降低材料表面二次電子發(fā)射系數(shù)的目的。

材料表面二次電子發(fā)射閾值對二次電子發(fā)射系數(shù)起到?jīng)Q定作用，因此在材料表面鍍上一層二次電子發(fā)射閾值較高的材料薄膜會降低二次電子發(fā)射系數(shù)[9-10]。在實驗中選擇鍍一層40 nm厚的Ta-C薄膜。

實驗裝置主要由一個真空腔、真空泵、Ta-C源組成，另外還有溫度循環(huán)系統(tǒng)和真空腔氣壓控制系統(tǒng)。

處理基片：將基片放入無水乙醇中在超聲波下清洗10 min，然后再放入丙酮中在超聲波下繼續(xù)清洗10 min。

放片：取出丙酮中的基片，在氬氣條件下烘干。放入真空腔中，使樣片整片對準離子槍發(fā)射出口。

抽真空：關(guān)上腔體打開真空泵抽真空，直到達到所需氣壓3.0×10-3Pa。

關(guān)閉真空泵，打開Ta-C源，往樣片表面低速發(fā)射該類金剛石材料分子20 min，即可制出實驗需要的40 nm厚的Ta-C薄膜。

Ta-C即非晶四面體碳，是新興的一種類金剛石材料，它與一般的類金剛石材料的區(qū)別在于晶格結(jié)構(gòu)中sp3鍵的含量很高，通?？梢缘?0%左右，所以也稱之為非晶金剛石[8]。該類金剛石結(jié)構(gòu)中同時存在sp2雜化鍵和sp3雜化鍵，因此它既具有金剛石的高硬度、高加工強度等機械特性，同時也具有一些石墨的電學特性。

對不同鍍膜時間產(chǎn)生的6個樣片進行拉曼光譜分析，得到了不同樣片中sp3雜化鍵含量。由表1可知，Ta-C薄膜中sp3雜化鍵隨著厚度的減小而減小，即sp2雜化鍵隨著厚度減小而增加。當薄膜厚度變小時，由于邊界應(yīng)力的作用，sp3鍵不斷向sp2鍵轉(zhuǎn)化，所以當薄膜厚度達到40 nm時，導電性能已經(jīng)接近膜結(jié)構(gòu)了，然而它的金剛石機械性能依然存在。綜合以上原因，選擇Ta-C薄膜作為鍍膜材料。

表1 Ta-C薄膜的sp3鍵含量隨成膜時間變化關(guān)系

2 實驗結(jié)果分析

實驗對未處理的基片和鍍上40 nm厚的Ta-C膜樣片（本次實驗中選擇c樣片）的二次電子發(fā)射系數(shù)進行檢測，通過電子槍發(fā)射高速電子撞擊樣片表面，測試發(fā)射的二次電子密度來判定實驗結(jié)果。其測試結(jié)果如圖1所示。

圖1中UP表示入射電子加速電壓，δ表示二次電子發(fā)射系數(shù)，從實驗結(jié)果可以看出，對于同一個樣片，在入射電子加速電壓不斷增加時二次電子發(fā)射系數(shù)先增大再減小，因此二次電子發(fā)射時這個峰值可作為我們判斷的依據(jù)。此外，從圖1中還可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)處理的基片的二次電子發(fā)射系數(shù)峰值為2.15左右，然而經(jīng)過鍍膜處理的樣片二次電子發(fā)射系數(shù)峰值為1.39，減少了35%。這一實驗結(jié)果說明了真空鍍膜技術(shù)能很大幅度地降低材料表面的二次電子發(fā)射系數(shù)。

圖1 基片和鍍Ta-C薄膜樣片的二次電子發(fā)射系數(shù)

通過前面的理論分析可知，材料表面的二次電子發(fā)射系數(shù)和表面材料的二次電子發(fā)射閾值關(guān)系很大。因此在材料表面加上一層二次電子發(fā)射閾值很高的材料能降低二次電子發(fā)射系數(shù)。但是在一般情況下金屬導體的二次電子發(fā)射閾值較低，而絕緣介質(zhì)的二次電子發(fā)射閾值都很高。本次實驗采用Ta-C薄膜作為樣片表面涂層材料。Ta-C材料是一種高類金剛石材料，具有高物理機械特性和很好的加工特性，其內(nèi)部的sp3雜化鍵最高可以達到85%以上。當Ta-C薄膜在厚度極小時，即達到原子量級，它里面的sp3雜化鍵會向sp2雜化鍵轉(zhuǎn)化。這是因為并不存在絕對的金剛石結(jié)構(gòu)，嚴格的說沒有百分之百sp3雜化鍵的C單質(zhì)。由于其中存在邊界效應(yīng)的問題，無論多么嚴密的鍵位結(jié)構(gòu)，到了邊緣就會出現(xiàn)原子的缺失，而那條本來應(yīng)該存在的共價鍵便由于該原子的缺失而發(fā)生斷裂。從化學角度來說，不可能存在斷裂的共價鍵。因此這個鍵位必然要向其他鍵位轉(zhuǎn)變，而其附近的化學鍵也會受到影響。此外，在材料的邊緣還存在一種應(yīng)力作用。在一般情況下，由于晶體結(jié)構(gòu)一般都比較大，這種邊緣效應(yīng)影響很小幾乎可以忽略不計。但當材料薄到一定程度時，它的作用就會變得明顯，尤其是材料厚度達到原子的量級，此時材料的原子間鍵位分布將主要受這種效果影響。在本實驗制備的Ta-C薄膜測試中發(fā)現(xiàn)當薄膜厚度達到nm量級時，該薄膜不再呈現(xiàn)類金剛石材料的絕對絕緣性，而是出現(xiàn)一定導體的性質(zhì)，這正是說明了其中一部分sp3鍵正向著sp2鍵雜化轉(zhuǎn)換。

從圖1中還可以發(fā)現(xiàn)，鍍了一層Ta-C薄膜的樣片相對于鍍膜前二次電子發(fā)射系數(shù)下降。由于我們?yōu)闃悠砻驽兩系倪@一層薄膜厚度只有幾十個nm，也就只有幾百個原子的厚度，在這樣小的尺寸下，Ta-C薄膜原有的sp3鍵在一定程度上被破壞，向sp2鍵轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換主要表現(xiàn)在薄膜的兩邊。薄膜中間的鍵位依然以sp3雜化鍵為主，因此該薄膜被鍍上去之后，其原本具有的高硬度、高機械強度的特性依然存在。

此外，由于兩側(cè)共價鍵類型的轉(zhuǎn)換，使薄膜兩側(cè)出現(xiàn)石墨化，即出現(xiàn)了一些導電性等電學性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。這些轉(zhuǎn)換使得Ta-C薄膜由原來的絕對絕緣體轉(zhuǎn)化成了一種兩側(cè)導電中間絕緣的高性能材料。在樣片表面加上這一層高性能材料之后，原本裸露出的材料表面就被這層薄膜所覆蓋，其二次電子發(fā)射特性也就成了這種新型混合材料的二次電子發(fā)射特性。當高速電子打到材料表面的時候，電子將首先撞擊到已經(jīng)石墨化的Ta-C薄膜表面，這些電子會發(fā)生彈性碰撞和非彈性進入。如果其外表僅僅是一層類金剛石結(jié)構(gòu)，那么毫無疑問，這些電子將被大量反彈出去，并且引起很大的二次電子釋放。但是由于其表面多了一層類似石墨結(jié)構(gòu)，這就使得二次電子在這一層被大量留下，因此二次電子的發(fā)射閾值增加，二次電子的發(fā)射系數(shù)也就降低了。

因此，在材料表面鍍上一層很薄的Ta-C薄膜以后，二次電子將在薄膜表面被大量吸收，材料的微放電效應(yīng)能得到限制，二次電子釋放系數(shù)減小。

3 總結(jié)

二次電子倍增形成微放電效應(yīng)嚴重的影響和制約了器件性能，改變器件表面材料結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制二次電子的發(fā)射。本實驗研究利用離子束鍍膜技術(shù)改變材料表面結(jié)構(gòu)，有效地抑制二次電子發(fā)射，避免由于二次電子倍增引起的微放電效應(yīng)。在鍍膜時選擇使用40 nm厚的Ta-C薄膜這種新型類金鋼石材料是一種創(chuàng)新，并且取得了良好的效果。