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
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(jìn)行X 射線(xiàn)光電子能譜、X 射線(xiàn)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(cháng)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(shí)，較高的襯底溫度有助于MgO 晶粒的生長(cháng)，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(shí)，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(fā)射系數高以及制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)被廣泛應用于等離子體顯示器、正交場(chǎng)放大器、圖像增強器和電子倍增器等領(lǐng)域。但由于MgO 是絕緣體，在作為二次電子發(fā)射薄膜使用時(shí)通常會(huì )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(xué)性質(zhì)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(fā)及磁控濺射等。其中，采用磁控濺射法制備MgO 薄膜時(shí)，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(shí)，可以通過(guò)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(shí)，使用Mg 靶作為濺射靶材，在濺射過(guò)程中通入O2氣作為反應氣體。
當MgO 薄膜作為二次電子發(fā)射體使用時(shí)，其二次電子發(fā)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(shí)為了避免薄膜在電子束轟擊下產(chǎn)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(shí)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(shí)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(gè)腔體，通過(guò)氣動(dòng)傳送裝置可以完成樣品在兩個(gè)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(jìn)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(wú)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(jìn)行反濺射處理，進(jìn)一步清洗襯底表面以去除表面吸附的氣體、雜質(zhì)等。實(shí)驗所使用的Mg 靶和Au 靶純度均為99. 99%，分別使用兩個(gè)獨立的射頻電源進(jìn)行濺射。制備過(guò)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(xiàn)衍射( XRD) 儀、MK-II 型X 射線(xiàn)光電子能譜( XPS) 儀和JSM-7000F 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡( SEM) 進(jìn)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(shí)，如果Mg 靶濺射功率過(guò)低會(huì )導致濺射過(guò)程中靶材不放電，而功率過(guò)高則會(huì )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(fā)射系數，而Au 的二次電子發(fā)射系數較低，摻入過(guò)高比例的Au 會(huì )降低MgO 的二次電子發(fā)射系數，因此要獲得具有高二次電子發(fā)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(shí)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(guò)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(gè)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(shí)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(guò)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(shí)間與共濺射時(shí)MgO 的沉積時(shí)間相同，由于每次單獨沉積MgO 的時(shí)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(jìn)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(shuō)明即使在A(yíng)u 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(shuō)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。
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(fā)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(cháng)，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(shí)，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(shí)，晶向( 200) 的強度最高。隨著(zhù)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(yōu)取向。
