一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括：1）在金屬基底上沉積緩沖層；2）在緩沖層上沉積氧化鎂與金屬混合層，氧化鎂與金屬混合層采用濺射鎂靶/氧化鎂靶和濺射其他金屬靶的方式沉積而成；3）在氧化鎂與金屬混合層上沉積表層。本發(fā)明步驟2）中，采用兩個(gè)靶材分別沉積氧化鎂和其它金屬，單獨(dú)控制各個(gè)靶材的濺射功率、濺射時(shí)間、工作氣體和反應(yīng)氣體流量及基底溫度制備出具有適當(dāng)?shù)难趸V和金屬晶粒尺寸、氧化鎂結(jié)晶取向、金屬含量及金屬晶粒在膜層中的分布以及膜層厚度的氧化鎂金屬混合層；采用這種方法制備的二次電子發(fā)射薄膜既有高的二次電子發(fā)射系數(shù)，而且由于有好的導(dǎo)電性，因而其還有高的二次電子發(fā)射穩(wěn)定性。
【專利說(shuō)明】一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子材料與器件【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種可用于電子倍增器的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化鎂(MgO)薄膜因?yàn)榫哂卸坞娮影l(fā)射系數(shù)高、抗帶電粒子轟擊性能好及制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于圖像增強(qiáng)器、光電倍增管、電子倍增器、正交場(chǎng)放大器和等離子體顯示器等器件中。在用于電子倍增器時(shí)，為了使器件獲得長(zhǎng)的使用壽命，二次電子發(fā)射薄膜必須能耐受較高功率電子流長(zhǎng)時(shí)間的轟擊，因此制備的MgO薄膜厚度需要達(dá)到幾十納米甚至一百納米以上。但是，由于氧化鎂是絕緣材料，較厚的MgO薄膜在電子流轟擊下會(huì)產(chǎn)生表面荷電現(xiàn)象，這會(huì)使其二次電子發(fā)射系數(shù)快速降低并最終接近于1，從而影響薄膜二次電子發(fā)射的穩(wěn)定性。這一問(wèn)題限制了氧化鎂薄膜在高性能電子倍增器中的應(yīng)用。
[0003]為了避免較厚的MgO薄膜在電子流轟擊下產(chǎn)生表面荷電，Henrich采用在MgO薄膜中摻入了一定比例的金以形成MgO/金屬陶瓷薄膜，使薄膜的導(dǎo)電性得到增強(qiáng)，并且為了使這種薄膜能夠具有接近于純MgO薄膜的高二次電子發(fā)射系數(shù)，通過(guò)工藝處理在薄膜表面形成一層MgO含量很高的薄層(Appl.Phys.Lett.，1973，23 (7):7_8)。這種二次電子發(fā)射薄膜的具體制備方法是采用射頻濺射法濺射MgO/Au復(fù)合靶在金屬基底上制備MgO/Au金屬陶瓷薄膜，然后用能量為500ev的Ar+對(duì)薄膜表面進(jìn)行轟擊處理，利用Ar+對(duì)金的濺射速率遠(yuǎn)高于對(duì)MgO的濺射速率從而在MgO/Au金屬陶瓷薄膜表面形成一個(gè)具有高M(jìn)gO含量的薄層。由于Au的摻入，這種MgO薄膜導(dǎo)電性得到了改善，使其在膜層較厚時(shí)仍能有效避免表面荷電，因而可以通過(guò)增 加薄膜厚度以提高薄膜耐受較高功率電子流轟擊的性能，并且因?yàn)樵诒∧け砻嬗蠱gO含量很高的薄層存在，此薄膜還具有較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。將這種二次電子發(fā)射薄膜應(yīng)用于電子倍增器時(shí)，可以使電子倍增器獲得較高的增益和較長(zhǎng)的使用壽命。
[0004]研究表明，盡管以上文獻(xiàn)中報(bào)道的這種二次電子發(fā)射薄膜相對(duì)于純氧化鎂薄膜具有前述優(yōu)點(diǎn)，但它也存在以下明顯的不足之處:
[0005](I)使用一個(gè)含有一定比例金成分的復(fù)合氧化鎂靶制備二次電子發(fā)射薄膜，因此，在薄膜沉積過(guò)程中靶材內(nèi)的氧化鎂和金受到相同功率的Ar+濺射。由于Ar+對(duì)MgO和Au的濺射速率差異很大，造成沉積在基底上的薄膜中的Au含量發(fā)生變化，與靶材中的Au含量不一致；并且，Ar+對(duì)MgO和Au的濺射速率的差異大小還會(huì)隨著濺射功率和工作氣體壓強(qiáng)等條件的改變而發(fā)生變化；此外，MgO和Au晶粒的生長(zhǎng)、氧化鎂結(jié)晶取向、薄膜中金的含量及金晶粒在薄膜中的分布與轟擊靶材的Ar+的能量及兩種材料各自的沉積速率有關(guān)。因此，這種成膜方法不能通過(guò)分別調(diào)控MgO和Au的濺射條件來(lái)得到合適的氧化鎂和金晶粒尺寸、氧化鎂結(jié)晶取向、金含量及金晶粒在薄膜中的分布，所以難以對(duì)制備工藝進(jìn)行精細(xì)的優(yōu)化以得到性能優(yōu)異的二次電子發(fā)射薄膜。
[0006](2)為了提高薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)，在薄膜沉積完成后，需要用較高能量(如500ev)的氬離子對(duì)其表面進(jìn)行濺射處理，利用Ar+對(duì)MgO和Au的差異化濺射得到表面高M(jìn)gO含量的薄層。但這種方法制備的薄膜表面MgO層的厚度難以精確控制，如果表面MgO層厚度過(guò)厚則會(huì)降低薄膜導(dǎo)電性，從而影響二次電子發(fā)射穩(wěn)定性，如過(guò)薄則會(huì)降低薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)。并且，Ar+濺射處理會(huì)造成表層氧化鎂晶粒的損傷，降低氧化鎂的二次電子發(fā)射系數(shù)。特別是由于Ar+對(duì)各種金屬與氧化鎂的濺射速率的差異大小也各不相同，有些金屬由于濺射速率較低或者與MgO有較強(qiáng)的結(jié)合力的原因與MgO的濺射速率差異不大，則無(wú)法使用這種方法制備表面高氧化鎂含量的薄層，因此該方法對(duì)制備摻入不同金屬材料的氧化鎂薄膜的適用性較差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0009]一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0010]1)、采用濺射鈦、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底上沉積緩沖層，其厚度為3-100nm ；
[0011]2)、在緩沖層上沉積氧化鎂與金屬混合層，氧化鎂與金屬混合層采用濺射鎂靶/氧化鎂靶和濺射其他金屬靶的方式沉積而成，其中所述的其他金屬靶為金、銀、鉬材料中的一種靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材；氧化鎂與金屬混合層的總厚度為30-300nm ；
[0012]3)、在氧化鎂與金屬混合層上沉積表層,其厚度為5_20nm。
[0013]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:步驟3)中所述表層為純氧化鎂層或摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層，所述摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層中摻雜的其他金屬氧化物是三氧化二鈧、氧化鈣、氧化鋅、氧化鋯、三氧化二釔、二氧化鈦、三氧化二鋁中一種或幾種；摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層中除氧化鎂以外的其他金屬氧化物的摩爾百分比含量為
.0.001%-9%。
[0014]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:步驟3)中摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層通過(guò)濺射鎂靶/氧化鎂靶和其他金屬氧化物靶的形式制備而成。
[0015]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:步驟2)中氧化鎂與金屬混合層中由底部至頂部，金屬的含量逐漸遞減，氧化鎂的含量逐漸遞增。
[0016]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:氧化鎂與金屬混合層中氧化鎂的摩爾百分比含量為X, 70% ≤ X ≤ 95%。
[0017]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:步驟2)中氧化鎂與金屬混合層采用共濺射鎂靶/氧化鎂靶和其他金屬靶的方式同時(shí)沉積形成；
[0018]或者，步驟2)中氧化鎂與金屬混合層采用持續(xù)濺射鎂靶/氧化鎂靶而間歇式濺射其他金屬靶的方式沉積而成；氧化鎂與金屬混合層包括多重交替排布的氧化鎂層與氧化鎂金屬陶瓷層；每一層氧化鎂金屬陶瓷層的厚度為15_40nm，每一層氧化鎂層的厚度為15_40nm ；
[0019]或者，步驟2)中氧化鎂與金屬混合層采用交替濺射鎂靶/氧化鎂靶和其他金屬靶的方式沉積而成；氧化鎂與金屬混合層包括多重交替排布的氧化鎂層與金屬層；每一層氧化鎂層的厚度為15-40nm，每一層金屬層的厚度為10_20nm。
[0020]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:氧化鎂與金屬混合層中的氧化鎂與金屬分別以15-40nm和10-20nm尺寸晶粒的形式存在，表層中的氧化鎂以5-20nm尺寸晶粒的形式存在。
[0021]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:制備氧化鎂與金屬混合層和表層時(shí)，金屬基底溫度控制在300-550°C之間，控制鍍膜腔體中氬氣與氧氣的總氣壓為1.0\10_2-5.0\10_中&，氬氣與氧氣的流量比為10:1-1:1。
[0022]本發(fā)明進(jìn)一步的改進(jìn)在于:將步驟3)所獲得的二次電子發(fā)射薄膜置于350-600°C和5.0X KT1-L OX IO3Pa氣壓的高溫氧氣環(huán)境中進(jìn)一步氧化及退火。
[0023]本發(fā)明方法與現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的二次電子發(fā)射薄膜制備方法主要不同點(diǎn)在于:二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，即緩沖層——氧化鎂與金屬混合層——氧化鎂層；緩沖層是與金屬基底材料有較強(qiáng)附著力的金屬薄膜；采用濺射獨(dú)立的鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶沉積氧化鎂金屬混合層，通過(guò)在成膜過(guò)程中調(diào)節(jié)兩個(gè)靶材的濺射功率與濺射時(shí)間、氣體流量和基底溫度等成膜條件，以調(diào)控氧化鎂和金屬晶粒尺寸、氧化鎂結(jié)晶取向、金屬含量及金屬晶粒在薄膜中的分布；在薄膜表面采用濺射鎂靶(或氧化鎂靶)沉積一層氧化鎂薄層，或著采用濺射鎂靶/氧化鎂靶和其他金屬氧化物靶沉積一層摻雜的氧化鎂薄層。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是二次電子發(fā)射薄膜中各種成分的含量及薄膜微結(jié)構(gòu)更容易精確控制，從而有利于工藝參數(shù)優(yōu)化以制備高性能的二次電子發(fā)射薄膜。
[0024]本發(fā)明的基本構(gòu)思是:制備的二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，即緩沖層一氧化鎂與金屬混合層——氧化鎂層。設(shè)置緩沖層是用來(lái)增強(qiáng)氧化鎂薄膜在基底上的附著力，并且有助于氧化鎂晶粒 的生長(zhǎng)。采用射頻放電方式濺射氧化鎂靶來(lái)沉積氧化鎂或者采用反應(yīng)濺射法以射頻放電或直流放電方式濺射鎂靶來(lái)沉積氧化鎂。對(duì)于氧化鎂與金屬混合層，采用分別濺射獨(dú)立的鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶沉積氧化鎂和金屬制備而成，其中的金屬是導(dǎo)電性好并且物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的金屬材料。二次電子發(fā)射薄膜的表層可以是純氧化鎂層，使薄膜具有接近于純氧化鎂的二次電子系數(shù)；還可以在表層氧化鎂中適當(dāng)摻雜其他金屬氧化物，研究表明，在氧化鎂中摻入一定比例的具有較低的功函數(shù)或者在氧化鎂禁帶中能形成雜質(zhì)能級(jí)的材料，可有利于薄膜的二次電子發(fā)射，從而獲得高于純氧化鎂的二次電子發(fā)射系數(shù)。在沉積氧化鎂時(shí)，在鍍膜腔體內(nèi)通入氬氣和氧氣，氬氣是作為濺射用的工作氣體，氧氣是作為反應(yīng)氣體。采用鎂靶制備氧化鎂時(shí)，濺射出的鎂原子經(jīng)與氧分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后生成氧化鎂；采用氧化鎂靶制備氧化鎂時(shí)，在鍍膜腔體中通入適量的氧氣有助于抑制氧化鎂的分解，并且可以提高氧化鎂的結(jié)晶度。制備二次電子發(fā)射薄膜時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)鎂靶(或氧化鎂靶)及其他金屬靶各自的濺射功率和溉射時(shí)間、工作氣體和反應(yīng)氣體流量及基底溫度制備出具有適當(dāng)?shù)难趸V和金屬晶粒尺寸、氧化鎂結(jié)晶取向、金屬含量、金屬晶粒在薄膜中的分布和膜層厚度的氧化鎂金屬混合層以及表層氧化鎂，使制備出的二次電子發(fā)射薄膜既具有高的二次電子發(fā)射系數(shù)，同時(shí)還具有好的導(dǎo)電性以防止薄膜在電子流轟擊過(guò)程中產(chǎn)生表面荷電現(xiàn)象，從而提高薄膜二次電子發(fā)射的穩(wěn)定性。
[0025]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
[0026](I)氧化鎂和金屬的晶粒尺寸、氧化鎂結(jié)晶取向、金屬含量及金屬晶粒在薄膜中的分布以及膜層厚度易于精確控制，使薄膜既有好的導(dǎo)電性以避免表面荷電，又保證了氧化鎂具有優(yōu)化的微觀結(jié)構(gòu)，因而薄膜可以獲得更高的二次電子發(fā)射系數(shù)和穩(wěn)定性。[0027](2)成膜工藝靈活，相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需Ar+的差異化濺射，薄膜表層氧化鎂厚度容易控制，適應(yīng)于在氧化鎂中摻入各種不同的金屬材料以形成具有適當(dāng)表層氧化鎂厚度的二次電子發(fā)射薄膜。
[0028](3)在薄膜表層氧化鎂中摻入一定比例的具有較低的功函數(shù)或者在氧化鎂禁帶中能形成雜質(zhì)能級(jí)的材料，有利于薄膜的二次電子發(fā)射，從而獲得高于純氧化鎂的二次電子發(fā)射系數(shù)。
[0029](4)在金屬基底上設(shè)置緩沖層可以增強(qiáng)氧化鎂薄膜在基底上的附著力，并且有助于氧化鎂晶粒的生長(zhǎng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是采用本發(fā)明實(shí)施例1的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法制備的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是采用本發(fā)明實(shí)施例2的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法制備的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖3是采用本發(fā)明實(shí)施例3的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法制備的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖4是采用本發(fā)明實(shí)施例4的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法制備的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖5是采用本發(fā)明實(shí)施例5的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法制備的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖6是采用本發(fā)明實(shí)施例6的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法制備的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0036]圖7是采用本發(fā)明實(shí)施例2的工藝步驟制備的具有不同氧化鎂晶粒尺寸的兩種摻入金的氧化鎂二次電子發(fā)射薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)δ隨入射電子能量Ep的變化曲線；
[0037]圖8是采用本發(fā)明實(shí)施例2的工藝步驟分別以遞減功率和恒定功率濺射金靶的沉積金屬方式制備的具有不同金屬含量分布的兩種摻入金的氧化鎂二次電子發(fā)射薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)δ隨時(shí)間t衰減的曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0038]實(shí)施例1
[0039]參照?qǐng)D1所示，二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置于金屬基底4上的緩沖層1、氧化鎂與金屬混合層2和氧化鎂層3。
[0040]本發(fā)明一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0041]首先，采用濺射鈦、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底4上沉積緩沖層I，其厚度為3-100nm ；
[0042]接著，在緩沖層I上沉積氧化鎂與金屬混合層2，該層是采用共濺射鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的方式同時(shí)沉積氧化鎂和金屬而形成的氧化鎂金屬陶瓷層，其中的其他金屬靶是金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材，在由混合層底部至頂部的沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的濺射功率，使其他金屬靶的濺射功率逐漸降低或者使鎂靶(或氧化鎂靶)的濺射功率逐漸提高，使金屬含量從混合層底部到頂部的位置呈遞減分布，氧化鎂與金屬混合層2的厚度為30-300nm ；
[0043]然后，通過(guò)濺射鎂靶(或氧化鎂靶)在氧化鎂與金屬混合層2上沉積純氧化鎂層3，其厚度為5-20nm。
[0044]實(shí)施例2
[0045]參照?qǐng)D2所示，二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置于金屬基底4上的緩沖層1、氧化鎂與金屬混合層2和氧化鎂層3。
[0046]本發(fā)明一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0047]首先，采用濺射鈦、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底4上沉積緩沖層1，其厚度在3-100nm之間；
[0048]接著，在緩沖層I上沉積氧化鎂與金屬混合層2，氧化鎂與金屬混合層2是采用持續(xù)濺射鎂靶(或氧化鎂靶)而間歇式濺射其他金屬靶的方式沉積多重交替的氧化鎂金屬陶瓷層21與氧化鎂層22，其中的其他金屬靶是金、銀、鉬材料中的一種靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材，在由混合層底部至頂部的沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的濺射功率及濺射時(shí)間，使其他金屬靶的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸減少，或者使鎂靶(或氧化鎂靶)的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸增加，使金屬含量從混合層底部到頂部的位置呈遞減分布，每一層氧化鎂金屬陶瓷層21的厚度為15-40nm，每一層氧化鎂層22的厚度為15-40nm，氧化鎂與金屬混合層2的總厚度為30_300nm ；
[0049]然后，通過(guò)濺射鎂靶(或氧化鎂靶)在氧化鎂與金屬混合層2上沉積純氧化鎂層3，其厚度為5-20nm。
[0050]實(shí)施例3
[0051]參照?qǐng)D3所示，二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置于金屬基底4上的緩沖層1、氧化鎂與金屬混合層2和氧化鎂層3。
[0052]本發(fā)明一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0053]首先，采用濺射鈦、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底4上沉積緩沖層I，其厚度為3-100nm ；
[0054]接著，在緩沖層1上沉積氧化鎂與金屬混合層2，氧化鎂與金屬混合層2是采用交替濺射鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的方式沉積多重交替的金屬層23與氧化鎂層24，其中的其他金屬靶是金、銀、鉬材料中的一種靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材，在由混合層底部至頂部的沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金靶的濺射功率及濺射時(shí)間，使其他金屬靶的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸減少，或者使鎂靶(或氧化鎂靶)的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸增加，使金屬含量從混合層底部到頂部的位置呈遞減分布，每一層金屬層23的厚度為10-20nm,每一層氧化鎂層24的厚度為15_40nm,氧化鎂與金屬混合層2的總厚度為30-300nm ；
[0055]然后，通過(guò)濺射鎂靶(或氧化鎂靶)在氧化鎂與金屬混合層2上沉積純氧化鎂層3，其厚度為5-20nm。
[0056]實(shí)施例4
[0057]參照?qǐng)D4所示，二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置于金屬基底4上的緩沖層1、氧化鎂與金屬混合層2和摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5。[0058]本發(fā)明一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0059]首先，采用濺射鈦、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底4上沉積緩沖層I，其厚度為3-100nm ；
[0060]接著，在緩沖層I上沉積氧化鎂與金屬混合層2，該層采用共濺射鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的方式同時(shí)沉積氧化鎂和金屬而形成的氧化鎂金屬陶瓷層，其中的其他金屬靶是金、銀、鉬材料中的一種靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材，在由混合層底部至頂部的沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的濺射功率，使其他金屬靶的濺射功率逐漸減少或者使鎂靶(或氧化鎂靶)的濺射功率逐漸增加，使金屬含量從混合層底部到頂部的位置呈遞減分布，氧化鎂與金屬混合層2的厚度為30-300nm ；
[0061]然后，通過(guò)分別濺射鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬氧化物靶在氧化鎂與金屬混合層2上沉積摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5，其中的其他金屬氧化物靶是三氧化二鈧、氧化鈣、氧化鋅、氧化鋯、三氧化二釔、二氧化鈦、三氧化二鋁中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材；摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5中除氧化鎂以外的其他金屬氧化物的摩爾百分比含量為0.001%-9%，摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5的厚度為5-20nm。
[0062]實(shí)施例5
[0063]參照?qǐng)D5所示，二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置于金屬基底4上的緩沖層1、氧化鎂與金屬混合層2和摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5。
[0064]本發(fā)明一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0065]首先，采用濺射鈦 、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或者由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底4上沉積緩沖層1，其厚度為3-100nm ；
[0066]接著，在緩沖層I上沉積氧化鎂與金屬混合層2，氧化鎂與金屬混合層2是采用持續(xù)濺射鎂靶(或氧化鎂靶)而間歇式濺射其他金屬靶的方式沉積多重交替的氧化鎂金屬陶瓷層21與氧化鎂層22，其中的其他金屬靶是金、銀、鉬材料中的一種靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材，在由混合層底部至頂部的沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的濺射功率及濺射時(shí)間，使其他金屬靶的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸減少，或者使鎂靶(或氧化鎂靶)的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸增加，使金屬含量從混合層底部到頂部的位置呈遞減分布，每一層氧化鎂金屬陶瓷層21的厚度為15-40nm，每一層氧化鎂層22的厚度為15-40nm，氧化鎂與金屬混合層2的總厚度為30_300nm ；
[0067]然后，通過(guò)分別濺射鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬氧化物靶在氧化鎂與金屬混合層2上沉積摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5，其中的其他金屬氧化物靶是三氧化二鈧、氧化鈣、氧化鋅、氧化鋯、三氧化二釔、二氧化鈦、三氧化二鋁中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材；摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5中除氧化鎂以外的其他金屬氧化物的摩爾百分比含量為0.001%-9%，摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5的厚度為5-20nm。
[0068]實(shí)施例6
[0069]參照?qǐng)D6所示，二次電子發(fā)射薄膜具有多層結(jié)構(gòu)，包括依次設(shè)置于金屬基底4上的緩沖層1、氧化鎂與金屬混合層2和摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5。
[0070]本發(fā)明一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，包括以下步驟:
[0071]首先，采用濺射鈦、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底4上沉積緩沖層I，其厚度為3-100nm ；[0072]接著，在緩沖層I上沉積氧化鎂與金屬混合層2，氧化鎂與金屬混合層2是采用交替濺射鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的方式沉積多重交替的金屬層23與氧化鎂層24，其中的其他金屬靶是金、銀、鉬材料中的一種靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材，在由混合層底部至頂部的沉積過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬靶的濺射功率和濺射時(shí)間，使其他金屬靶的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸減少，或者使鎂靶(或氧化鎂靶)的濺射功率或?yàn)R射時(shí)間逐漸增加，使金屬含量從混合層底部到頂部的位置呈遞減分布，每一層金屬層23的厚度為10-20nm,每一層氧化鎂層24的厚度為15_40nm,氧化鎂與金屬混合層2的總厚度為30-300nm ；
[0073]然后，通過(guò)分別濺射鎂靶(或氧化鎂靶)和其他金屬氧化物靶在氧化鎂與金屬混合層2上沉積摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5，其中的其他金屬氧化物靶是三氧化二鈧、氧化鈣、氧化鋅、氧化鋯、三氧化二釔、二氧化鈦、三氧化二鋁中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材；摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5中除氧化鎂以外的其他金屬氧化物的摩爾百分比含量為0.001%-9%，摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5的厚度為5-20nm。
[0074]在上述實(shí)施例中，氧化鎂與金屬混合層2中氧化鎂的摩爾百分比含量為X，70% 95%，并且金屬含量從氧化鎂與金屬混合層2的底部到頂部的位置呈遞減分布，這樣的二次電子發(fā)射薄膜因?yàn)槟拥撞坑休^高的金屬含量使薄膜具有好的導(dǎo)電性，同時(shí)在越靠近薄膜表面的位置氧化鎂的含量越高使薄膜具有高的二次電子發(fā)射系數(shù)。
[0075]對(duì)于上述實(shí)施例，氧化鎂與金屬混合層2中的氧化鎂與金屬分別以15_40nm和10-20nm尺寸晶粒的形式存在，表層(純氧化鎂層3或摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層5)中氧化鎂以5-10nm尺寸晶粒的形式存在。制備氧化鎂與金屬混合層和表層氧化鎂時(shí)，基底溫度控制在300-550°C之間使氧化鎂與金屬具有合適的晶粒尺寸以保證薄膜具有高的二次電子發(fā)射系數(shù)的同時(shí)氧化鎂晶粒上積累的正電荷可以通過(guò)金屬晶粒的傳導(dǎo)作用被來(lái)自基底的電子中和掉以避免薄膜表面荷電，并且，在從氧化鎂與金屬混合層的底部到薄膜表層氧化鎂頂部的沉積過(guò)程中保持基底溫度恒定，或者使基底溫度逐漸降低以減少金屬原子向薄膜表面的擴(kuò)散；制備氧化鎂與金屬混合層和表層氧化鎂時(shí)，通過(guò)改變IS氣和氧氣的流量，控制總氣壓在1.0X 10_2-5.0X IO-1Pa之間，氬氣與氧氣的流量比為10:1_1: 1，使沉積的氧化鎂具有合適的結(jié)晶取向，并且，在從氧化鎂與金屬混合層的底部到表層氧化鎂的沉積過(guò)程中保持氬氣與氧氣的流量比恒定，或者通過(guò)調(diào)節(jié)氬氣和氧氣的流量使它們的流量比以遞減的方式制備以提高靠近薄膜表層的氧化鎂的結(jié)晶度；在二次電子發(fā)射薄膜沉積完成后，將薄膜置于350-600°C和5.0X KT1-L OX IO3Pa氣壓的高溫氧氣環(huán)境中進(jìn)行30-120分鐘的進(jìn)一步氧化及退火，目的是使薄膜中的鎂原子充分氧化及消除薄膜應(yīng)力，并提高氧化鎂薄膜致密性。
[0076]圖7所示為采用本發(fā)明實(shí)施例2的工藝步驟制備的氧化鎂晶粒尺寸分別為5_20nm和小于2nm的兩種摻入金的氧化鎂二次電子發(fā)射薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)δ隨入射電子能量Ep變化的曲線(分別對(duì)應(yīng)曲線a和曲線b)?？梢钥闯?，較大氧化鎂晶粒的薄膜與較小氧化鎂晶粒的薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)相比，前者明顯高于后者。但如果氧化鎂晶粒尺寸過(guò)大，薄膜在電子流的轟擊下易產(chǎn)生表面荷電。因此，為了獲得好的二次電子發(fā)射性能，必須沉積具有合適氧化鎂晶粒尺寸的的薄膜。
[0077]圖8所示為采用本發(fā)明實(shí)施例2的工藝步驟分別以35W至22W遞減功率和30W恒定功率濺射金靶的沉積金屬方式制備的在膜層中具有不同金屬含量分布的兩種摻入金的氧化鎂二次電子發(fā)射薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)δ隨時(shí)間t衰減的曲線(分別對(duì)應(yīng)曲線a和曲線b)?？梢钥闯?，隨著入射電子流轟擊時(shí)間的增長(zhǎng)，采用遞減功率濺射金靶制備的在由氧化鎂與金屬混合層的底部至頂部的位置金屬含量呈遞減分布的二次電子發(fā)射薄膜始終有較高的二次電子發(fā)射系數(shù)。
[0078]由以上實(shí)施例可以看出，與現(xiàn)有的二次電子發(fā)射薄膜制備方法相比，薄膜中的氧化鎂和金屬的晶粒尺寸、氧化鎂結(jié)晶取向、金屬含量及金屬晶粒在薄膜中的分布易于精確控制，因而可以使薄膜獲得更高的二次電子發(fā)射系數(shù)和穩(wěn)定性；成膜工藝靈活，相對(duì)簡(jiǎn)單，適應(yīng)于在氧化鎂中摻入各種不同的金屬材料以提高其導(dǎo)電性，無(wú)需采用Ar+的差異化濺射，薄膜表層厚度容易控制；在薄膜表層氧化鎂中摻入一定比例的具有較低的功函數(shù)或者在氧化鎂禁帶中能形成雜質(zhì)能級(jí)的材料，有利于薄膜二次電子發(fā)射，從而獲得高于純氧化鎂的二次電子發(fā)射系數(shù)。
[0079]雖然本 發(fā)明以上述較佳的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作出了詳細(xì)的描述，但并非用上述實(shí)施例來(lái)限定本發(fā)明。本發(fā)明的二次電子發(fā)射薄膜的制備方法不局限于上述幾種方案，只要是按照本發(fā)明的基本構(gòu)思，采用濺射獨(dú)立的鎂靶(或氧化鎂靶)和金屬靶，通過(guò)分別精確控制鎂靶(或氧化鎂靶)及金屬靶的濺射功率、濺射時(shí)間、工作氣體和反應(yīng)氣體流量及基底溫度制備具有適當(dāng)?shù)难趸V和金屬晶粒尺寸、氧化鎂結(jié)晶取向、金屬含量、金屬晶粒在薄膜中的分布和膜層厚度的氧化鎂金屬混合層以及表層氧化鎂，以達(dá)到使二次電子發(fā)射薄膜獲得更高的二次電子發(fā)射系數(shù)和穩(wěn)定性的目的，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)、采用濺射鈦、鎳、鉻、金、銀、鉬中一種材料的靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材在金屬基底(4)上沉積緩沖層(I )，其厚度為3-100nm ； 2)、在緩沖層(I)上沉積氧化鎂與金屬混合層(2)，氧化鎂與金屬混合層(2)采用濺射鎂靶/氧化鎂靶和濺射其他金屬靶的方式沉積而成，其中所述的其他金屬靶為金、銀、鉬材料中的一種靶材或由其中幾種材料組成的復(fù)合靶材；氧化鎂與金屬混合層(2)的總厚度為30_300nm ； 3)、在氧化鎂與金屬混合層(2)上沉積表層,其厚度為5-20nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，步驟3)中所述表層為純氧化鎂層或摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層，所述摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層中摻雜的其他金屬氧化物是三氧化二鈧、氧化鈣、氧化鋅、氧化鋯、三氧化二釔、二氧化鈦、三氧化二鋁中一種或幾種；摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層中除氧化鎂以外的其他金屬氧化物的摩爾百分比含量為0.001%-9%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，步驟3)中摻雜其他金屬氧化物的氧化鎂層通過(guò)濺射鎂靶/氧化鎂靶和其他金屬氧化物靶的形式制備而成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，步驟2)中氧化鎂與金屬混合層(2)中由底部至頂部，金屬的含量逐漸遞減，氧化鎂的含量逐漸遞增。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述 的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，氧化鎂與金屬混合層(2)中氧化鎂的摩爾百分比含量為X，70%95%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，步驟2)中氧化鎂與金屬混合層(2)采用共濺射鎂靶/氧化鎂靶和其他金屬靶的方式同時(shí)沉積形成； 或者，步驟2)中氧化鎂與金屬混合層(2)采用持續(xù)濺射鎂靶/氧化鎂靶而間歇式濺射其他金屬靶的方式沉積而成；氧化鎂與金屬混合層(2)包括多重交替排布的氧化鎂金屬陶瓷層(21)與氧化鎂層(22);每一層氧化鎂金屬陶瓷層(21)的厚度為15-40nm，每一層氧化鎂層(22)的厚度為15-40nm; 或者，步驟2)中氧化鎂與金屬混合層(2)采用交替濺射鎂靶/氧化鎂靶和其他金屬靶的方式沉積而成；氧化鎂與金屬混合層(2)包括多重交替排布的金屬層(23)與氧化鎂層(24);每一層金屬層(23)的厚度為10-20nm，每一層氧化鎂層(24)的厚度為15_40nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，氧化鎂與金屬混合層(2)中的氧化鎂與金屬分別以15-40nm和10_20nm尺寸晶粒的形式存在,表層中的氧化鎂以5-20nm尺寸晶粒的形式存在。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，制備氧化鎂與金屬混合層(2)和表層時(shí)，金屬基底(4)溫度控制在300-550°C之間，控制鍍膜腔體中氬氣與氧氣的總氣壓為1.0X IO-2UXlO-1Pa,氬氣與氧氣的流量比為10:1-1:1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二次電子發(fā)射薄膜的制備方法，其特征在于，將步驟3)所獲得的二次電子發(fā)射薄膜置于350-600°C和5.0XKT1-L OX IO3Pa氣壓的高溫氧氣環(huán)境中進(jìn)一步氧化及退火。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK103789730SQ201410020285
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】胡文波, 吳勝利, 徐琳, 魏強(qiáng), 李 亨, 付馬龍 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)