镀膜对金属材料表面二次电子发射系数的影响

柳 钰，梁昌慧，梅策香，刘 婷

（咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000）

材料表面二次电子发射现象早在20世纪20年代被发现。它的产生机理是材料内部电子的激发，当材料表面受到高速电子的冲击时，在特定的条件下该电子会在材料表面发生两种情况，即弹性正碰和非弹性进入。当前者发生时，高速电子被反弹回来就形成了相当于电子二次发射的现象；当后一种情况发生时，高速电子的动能会传入材料内部，从而激发材料内部的高能带电子发射出来形成二次电子。直到20世纪80年代，随着晶体器件保持摩尔定律发展，器件越来越小，集成度越来越高，二次电子发射现象在器件中的影响越来越明显，终于到了不能忽略的地步，所以对抑制二次电子发射的研究也从此时正式开始[1-2]。

二次电子发射又叫二次电子的倍增放电现象，它是一种在射频条件下的放电击穿现象。这种击穿现象根据环境以及条件不同共分为以下两种：一种是在两个金属板之间的击穿现象，另一种是单介质表面产生的微放电现象[3]。本文主要研究后一种情况。

微放电效应会在器件内部产生一个不必要的噪音电场，这个电场对于器件的正常工作状态和使用寿命都非常不利。微放电效应对微波器件的危害有：使谐振的设备失谐，从而导致所传输的信号波严重失调；使金属内部气体发生溢出，从而产生气体放电；会产生接近载波频率的带宽很小的噪声；微放电效应产生的电子会侵蚀器件表面，从而使器件性能下降甚至失效；会引起器件内部无源互调[4]。所以对二次电子发射的抑制势在必行。

1 实验原理和方法

1.1 实验原理

目前对微放电效应的研究主要是如何抑制二次电子发射系数。已知的抑制二次电子发射的方法主要有以下4个方面[5-8]：（1）提高微放电器件的设计门限；（2）提高设备的通气性能；（3）对于要求严格的部件区域，可以考虑外加磁场或直流配置，以便使电子偏离可能的微放电区域；（4）对材料表面进行处理。

1.2 实验方法

本实验在对以上4种抑制材料表面二次电子发射的方法进行比较后选择第四种，改变材料表面结构来抑制二次电子发射。实验通过真空镀膜方法起到降低材料表面二次电子发射系数的目的。

材料表面二次电子发射阈值对二次电子发射系数起到决定作用，因此在材料表面镀上一层二次电子发射阈值较高的材料薄膜会降低二次电子发射系数[9-10]。在实验中选择镀一层40 nm厚的Ta-C薄膜。

实验装置主要由一个真空腔、真空泵、Ta-C源组成，另外还有温度循环系统和真空腔气压控制系统。

处理基片：将基片放入无水乙醇中在超声波下清洗10 min，然后再放入丙酮中在超声波下继续清洗10 min。

放片：取出丙酮中的基片，在氩气条件下烘干。放入真空腔中，使样片整片对准离子枪发射出口。

抽真空：关上腔体打开真空泵抽真空，直到达到所需气压3.0×10-3Pa。

关闭真空泵，打开Ta-C源，往样片表面低速发射该类金刚石材料分子20 min，即可制出实验需要的40 nm厚的Ta-C薄膜。

Ta-C即非晶四面体碳，是新兴的一种类金刚石材料，它与一般的类金刚石材料的区别在于晶格结构中sp3键的含量很高，通常可以到80%左右，所以也称之为非晶金刚石[8]。该类金刚石结构中同时存在sp2杂化键和sp3杂化键，因此它既具有金刚石的高硬度、高加工强度等机械特性，同时也具有一些石墨的电学特性。

对不同镀膜时间产生的6个样片进行拉曼光谱分析，得到了不同样片中sp3杂化键含量。由表1可知，Ta-C薄膜中sp3杂化键随着厚度的减小而减小，即sp2杂化键随着厚度减小而增加。当薄膜厚度变小时，由于边界应力的作用，sp3键不断向sp2键转化，所以当薄膜厚度达到40 nm时，导电性能已经接近膜结构了，然而它的金刚石机械性能依然存在。综合以上原因，选择Ta-C薄膜作为镀膜材料。

表1 Ta-C薄膜的sp3键含量随成膜时间变化关系

2 实验结果分析

实验对未处理的基片和镀上40 nm厚的Ta-C膜样片（本次实验中选择c样片）的二次电子发射系数进行检测，通过电子枪发射高速电子撞击样片表面，测试发射的二次电子密度来判定实验结果。其测试结果如图1所示。

图1中UP表示入射电子加速电压，δ表示二次电子发射系数，从实验结果可以看出，对于同一个样片，在入射电子加速电压不断增加时二次电子发射系数先增大再减小，因此二次电子发射时这个峰值可作为我们判断的依据。此外，从图1中还可以发现，未经处理的基片的二次电子发射系数峰值为2.15左右，然而经过镀膜处理的样片二次电子发射系数峰值为1.39，减少了35%。这一实验结果说明了真空镀膜技术能很大幅度地降低材料表面的二次电子发射系数。

图1 基片和镀Ta-C薄膜样片的二次电子发射系数

通过前面的理论分析可知，材料表面的二次电子发射系数和表面材料的二次电子发射阈值关系很大。因此在材料表面加上一层二次电子发射阈值很高的材料能降低二次电子发射系数。但是在一般情况下金属导体的二次电子发射阈值较低，而绝缘介质的二次电子发射阈值都很高。本次实验采用Ta-C薄膜作为样片表面涂层材料。Ta-C材料是一种高类金刚石材料，具有高物理机械特性和很好的加工特性，其内部的sp3杂化键最高可以达到85%以上。当Ta-C薄膜在厚度极小时，即达到原子量级，它里面的sp3杂化键会向sp2杂化键转化。这是因为并不存在绝对的金刚石结构，严格的说没有百分之百sp3杂化键的C单质。由于其中存在边界效应的问题，无论多么严密的键位结构，到了边缘就会出现原子的缺失，而那条本来应该存在的共价键便由于该原子的缺失而发生断裂。从化学角度来说，不可能存在断裂的共价键。因此这个键位必然要向其他键位转变，而其附近的化学键也会受到影响。此外，在材料的边缘还存在一种应力作用。在一般情况下，由于晶体结构一般都比较大，这种边缘效应影响很小几乎可以忽略不计。但当材料薄到一定程度时，它的作用就会变得明显，尤其是材料厚度达到原子的量级，此时材料的原子间键位分布将主要受这种效果影响。在本实验制备的Ta-C薄膜测试中发现当薄膜厚度达到nm量级时，该薄膜不再呈现类金刚石材料的绝对绝缘性，而是出现一定导体的性质，这正是说明了其中一部分sp3键正向着sp2键杂化转换。

从图1中还可以发现，镀了一层Ta-C薄膜的样片相对于镀膜前二次电子发射系数下降。由于我们为样片表面镀上的这一层薄膜厚度只有几十个nm，也就只有几百个原子的厚度，在这样小的尺寸下，Ta-C薄膜原有的sp3键在一定程度上被破坏，向sp2键转换，这种转换主要表现在薄膜的两边。薄膜中间的键位依然以sp3杂化键为主，因此该薄膜被镀上去之后，其原本具有的高硬度、高机械强度的特性依然存在。

此外，由于两侧共价键类型的转换，使薄膜两侧出现石墨化，即出现了一些导电性等电学性质的转变。这些转换使得Ta-C薄膜由原来的绝对绝缘体转化成了一种两侧导电中间绝缘的高性能材料。在样片表面加上这一层高性能材料之后，原本裸露出的材料表面就被这层薄膜所覆盖，其二次电子发射特性也就成了这种新型混合材料的二次电子发射特性。当高速电子打到材料表面的时候，电子将首先撞击到已经石墨化的Ta-C薄膜表面，这些电子会发生弹性碰撞和非弹性进入。如果其外表仅仅是一层类金刚石结构，那么毫无疑问，这些电子将被大量反弹出去，并且引起很大的二次电子释放。但是由于其表面多了一层类似石墨结构，这就使得二次电子在这一层被大量留下，因此二次电子的发射阈值增加，二次电子的发射系数也就降低了。

因此，在材料表面镀上一层很薄的Ta-C薄膜以后，二次电子将在薄膜表面被大量吸收，材料的微放电效应能得到限制，二次电子释放系数减小。

3 总结

二次电子倍增形成微放电效应严重的影响和制约了器件性能，改变器件表面材料结构能够有效地抑制二次电子的发射。本实验研究利用离子束镀膜技术改变材料表面结构，有效地抑制二次电子发射，避免由于二次电子倍增引起的微放电效应。在镀膜时选择使用40 nm厚的Ta-C薄膜这种新型类金钢石材料是一种创新，并且取得了良好的效果。