MgO/Au復合薄膜的反應射頻磁控濺射法制備及表面形貌研究

2014-10-15 李亨 西安交通大學電子物理與器件教育部重點實驗室

  采用反應射頻磁控濺射法制備MgO/Au 復合薄膜,并對使用Mg 靶和Au 靶共濺射、分步濺射方式以及在不同的襯底溫度和Ar /O2氣體流量比下制備的樣品進行X 射線光電子能譜、X 射線衍射和掃描電子顯微鏡分析,研究了主要工藝參數對復合薄膜表面成分和形貌的影響。結果表明,采用共濺射方式制備的復合薄膜中Au 元素的含量偏高,薄膜表面有團聚生長的Au 晶粒,而采用分步濺射法可以使復合薄膜中Au 元素的摩爾百分比下降到7. 30%。采用分步濺射制備復合薄膜時,較高的襯底溫度有助于MgO 晶粒的生長,當襯底溫度為500℃,通入Ar 氣和O2氣的流量分別為25 和5 mL/min 時,MgO 晶粒尺寸達到了30 ~ 40 nm; MgO 薄膜主要呈現出了( 111) 、( 200) 和( 220) 三種結晶取向,較高的Ar /O2氣體流量比有利于( 200)晶向的形成,而較低的Ar /O2氣體流量比有利于( 220) 晶向的形成。

  MgO 薄膜因為具有二次電子發射系數高以及制備工藝簡單等優點,目前已經被廣泛應用于等離子體顯示器、正交場放大器、圖像增強器和電子倍增器等領域。但由于MgO 是絕緣體,在作為二次電子發射薄膜使用時通常會對其摻入適當的金屬材料以增加薄膜的導電性,而Au 由于電阻率很低( 2. 05 × 10 - 8 Ω·m) 并且化學性質非常穩定,因此是摻雜金屬材料的主要選擇之一。

  目前常用的MgO 薄膜制備方法主要有溶膠-凝膠法( sol-gel) 、分子束外延( MBE) 、脈沖激光沉積( PLD) 、電子束蒸發及磁控濺射等。其中,采用磁控濺射法制備MgO 薄膜時,成膜速率和薄膜結晶取向可控,制備的薄膜具有良好的平整度和致密性,同時,可以通過靈活的靶位選擇在MgO 中摻入其他元素,各成分含量易于控制。而反應磁控濺射法是制備化合物薄膜的一種常用的方法,采用此方法制備MgO 薄膜時,使用Mg 靶作為濺射靶材,在濺射過程中通入O2氣作為反應氣體。

  當MgO 薄膜作為二次電子發射體使用時,其二次電子發射系數主要受到薄膜的表面平整度、MgO晶粒尺寸和結晶取向的影響,同時為了避免薄膜在電子束轟擊下產生表面荷電現象,需要對其摻入少量的Au 以增加薄膜的導電性,然而摻入Au 的比例對薄膜的性能也有很大的影響。因此,研究制備工藝參數對MgO/Au 復合薄膜的表面成分、形貌以及結晶取向等特性的影響對于提高薄膜的性能是非常重要的。

  本文采用反應射頻磁控濺射法制備MgO/Au復合薄膜,比較了Mg靶和Au靶共濺射、分步濺射制備復合薄膜的表面成分及形貌,研究了濺射時襯底溫度和Ar /O2氣體流量比對薄膜晶粒分布、晶粒尺寸和結晶取向的影響。

1、實驗

  制備MgO/Au 復合薄膜所使用的儀器為ACS-4000-C4 型多功能磁控濺射儀。該設備有準備室和濺射室兩個腔體,通過氣動傳送裝置可以完成樣品在兩個腔體之間的運送,其中準備室主要用于裝載、卸載樣品并可以對樣品進行Ar + 反濺射等處理,濺射室則是沉積薄膜的區域,制備薄膜前要對濺射室抽真空,使濺射室本底真空度低于2. 0 × 10 -4 Pa。襯底材料為N 型摻雜Si( 100) 片。備薄膜前將襯底先后浸泡在丙酮和無水乙醇中用超聲波清洗,烘干后放入準備室中,將準備室抽真空至5.0 ×10 -3 Pa 以下,通入Ar 氣對襯底進行反濺射處理,進一步清洗襯底表面以去除表面吸附的氣體、雜質等。實驗所使用的Mg 靶和Au 靶純度均為99. 99%,分別使用兩個獨立的射頻電源進行濺射。制備過程使用反應磁控濺射的方式,通入一定流量的Ar 氣和O2氣。

  MgO/Au 復合薄膜制備完成后,其晶體結構、表面成分和形貌分別使用D/MAX-2400 型X 射線衍射( XRD) 儀、MK-II 型X 射線光電子能譜( XPS) 儀和JSM-7000F 型場發射掃描電子顯微鏡( SEM) 進行測量分析。

2、結果與討論

  在使用磁控濺射儀制備MgO/Au 復合薄膜時,如果Mg 靶濺射功率過低會導致濺射過程中靶材不放電,而功率過高則會導致靶材放電不穩定,因此Mg 靶功率通常在100 ~ 150 W 范圍內調整。在相同條件下,以射頻功率100 W 分別濺射Mg 靶和Au靶以制備MgO 薄膜和Au 薄膜,得出該工藝條件下MgO 和Au 的成膜速率分別為0. 5 和10 nm/min。Au的成膜速率要遠遠高于MgO 的成膜速率,因此Au 靶濺射功率選擇為靶材穩定放電的最低功率7 W。

  MgO 具有很高的二次電子發射系數,而Au 的二次電子發射系數較低,摻入過高比例的Au 會降低MgO 的二次電子發射系數,因此要獲得具有高二次電子發射系數并且具有一定導電性的MgO/Au 復合薄膜,首先要確定薄膜中MgO 和Au 的比例,希望能夠在避免薄膜表面充電的同時盡可能降低Au 元素的含量,一般希望Au 元素的摩爾百分比不超過30%。

  在Mg 靶和Au 靶濺射功率分別為100 和7 W的條件下,采用Mg 靶和Au 靶共濺射及分步濺射的方法分別制備了兩個MgO/Au復合薄膜樣品。其中樣品1 采用共濺射的方式制備,制備流程如圖1(a)所示,MgO 和Au 的沉積時間相同; 樣品2 采用分步濺射的方式,制備流程如圖1(b) 所示,MgO 持續沉積,在其沉積過程中分步沉積Au,復合薄膜最上層為MgO 沉積層,其MgO 總沉積時間與共濺射時MgO 的沉積時間相同,由于每次單獨沉積MgO 的時間很短,因此可以認為復合薄膜內部成分是均勻的。對制備的薄膜進行XPS 分析,得到薄膜主要成分及摩爾百分比如表1 所示。樣品1 薄膜中Au 元素與Mg 元素的摩爾比為5. 6∶ 1,Au 元素的摩爾百分比達到44.92%,而Mg 元素的摩爾百分比只有8.01%,說明即使在Au 濺射功率只有7 W 的情況下,Au 的成膜速率也要遠遠高于MgO 的成膜速率。樣品2 中Au 元素的摩爾百分比為7.30%,Mg 元素的摩爾百分比為30.79%,后者為前者的4.2 倍,說明采用分步濺射法制備的MgO/Au 復合薄膜中Au元素的摩爾百分比有了很大的降低。

Mg 靶和Au 靶共濺射與分步濺射流程圖

圖1 Mg 靶和Au 靶共濺射與分步濺射流程圖

3、結論

  Mg 靶和Au 靶分步濺射法是制備作為二次電子發射體使用的MgO/Au 復合薄膜的一種行之有效的方法,它可以有效地控制復合薄膜中Au 元素的含量,并且制備的薄膜表面平整、晶粒大小均勻。較高的襯底溫度有助于MgO 晶粒的生長,當襯底溫度為500℃,通入氣體流量Ar 氣和O2氣分別為25 和5 mL /min 時,MgO 晶粒的尺寸達到了30 ~ 40 nm。在通入氣體總流量恒定,不同的Ar /O2氣體流量比下制備的MgO 薄膜主要呈現出了( 111) 、( 200) 及( 220) 三種結晶取向,當Ar /O2氣體流量比較高時,晶向( 200) 的強度最高。隨著Ar /O2氣體流量比的減小,晶向( 200) 的強度逐漸減弱,最終薄膜呈現出( 220) 擇優取向。