王丹 葉鳴 馮鵬 賀永寧? 崔萬(wàn)照

1) (西安交通大學(xué)微電子學(xué)院,西安 710049)

2) (中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院,空間微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710100)

(2018 年8 月16 日收到; 2019 年1 月10 日收到修改稿)

使用紅外激光刻蝕技術(shù)在鍍金鋁合金表面制備了多種形貌的微孔及交錯(cuò)溝槽陣列. 表征了兩類激光刻蝕微陣列結(jié)構(gòu)的三維形貌和二維精細(xì)形貌,分析了樣品表面非理想二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制. 研究了微陣列結(jié)構(gòu)二次電子發(fā)射特性對(duì)表面形貌的依賴規(guī)律. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 激光刻蝕得到的微陣列結(jié)構(gòu)能夠有效抑制鍍金表面二次電子產(chǎn)額(secondary electron yield,SEY),且抑制能力明顯優(yōu)于諸多其他表面處理技術(shù); 微陣列結(jié)構(gòu)對(duì)SEY 的抑制能力與其孔隙率及深寬比呈現(xiàn)正相關(guān),且孔隙率對(duì)SEY 的影響更為顯著. 使用蒙特卡羅模擬方法并結(jié)合二次電子發(fā)射唯象模型和電子軌跡追蹤算法,仿真了各微結(jié)構(gòu)表面二次電子發(fā)射特性,模擬結(jié)果從理論上驗(yàn)證了微陣列結(jié)構(gòu)孔隙率及深寬比對(duì)表面SEY 的影響規(guī)律. 本文獲得了能夠劇烈降低鍍金表面SEY 的微陣列結(jié)構(gòu),理論分析了SEY 對(duì)微結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的依賴規(guī)律,對(duì)開(kāi)發(fā)空間微波系統(tǒng)中低SEY 表面及提高鍍金微波器件性能有重要意義.

1 引 言

工作在空間環(huán)境中的大功率微波部件受到空間粒子束流的影響,其表面易于發(fā)生電子倍增現(xiàn)象,誘發(fā)微放電效應(yīng),進(jìn)而引起微波部件的性能劣化,嚴(yán)重時(shí)可能引起部件甚至航天器整體失效[1].空間微波部件表面二次電子產(chǎn)額(secondary electron yield,SEY,即電子碰撞材料表面時(shí)出射電子數(shù)量與入射電子束量之比)大于1 是誘發(fā)微放電效應(yīng)的根本原因之一[2]. 已有諸多研究[2,3]表明抑制空間材料表面的SEY 能夠有效降低微波部件表面發(fā)生微放電的風(fēng)險(xiǎn). 鍍銀鋁合金是空間大功率微波部件中常用的基體材料,例如空間環(huán)行器、濾波器、微波開(kāi)關(guān)等. 航天工程中為提高空間精密微波部件的靈敏度,通常會(huì)在鋁合金基體表面鍍金,以獲得部件的超快響應(yīng)性能,同時(shí)鍍金層能夠降低部件表面損耗且防止表面氧化. 然而平滑鍍金表面的SEY 最大值(記為σmax)通常在1.8 附近[4,5],較大的SEY 使得鍍金層暴露在空間環(huán)境中時(shí),其表面易于發(fā)生電子倍增,從而引起部件損傷或性能退化. 因此探究鍍金金屬表面低SEY 技術(shù)對(duì)提高高精度空間微波部件的性能及壽命有重要意義.

自科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)二次電子發(fā)射(secondary electron emission,SEE)是誘發(fā)空間中不良效應(yīng)的根本原因之一起,許多研究者開(kāi)始探索能夠應(yīng)用于空間科學(xué)中以提高空間微波部件可靠性的低SEY 工程表面. 由于SEY 對(duì)于材料的本征特性(物理密度、功函數(shù)等)、表面形貌、表面狀態(tài)(沾污、氧化等)均較為敏感[6?8],因此現(xiàn)有的SEY 抑制技術(shù)均是通過(guò)改變以上參量從而達(dá)到改善SEY的目的. 目前領(lǐng)域內(nèi)較為成熟的低SEY 技術(shù)大體可分為以下五類: 1)表面粗糙化(物理、化學(xué)刻蝕[4,9?11]); 2)表面涂覆低SEY 薄膜(TiN[12?14]、非蒸散型吸氣劑(non-evaporable getter,NEG)[15,16]、無(wú)定形碳[17]等); 3)表面生長(zhǎng)與基體材料同質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)[18,19]; 4)使用低SEY 材料作為基體; 5)以上四類方法的多種結(jié)合[11,20]. 以上低SEY 表面的實(shí)現(xiàn)大多依賴較為昂貴的設(shè)備(如原子層沉積、磁控濺射、真空蒸發(fā)等)或較為苛刻的環(huán)境(如高真空、超凈). 相比于其他的低SEY 表面工程,使用激光刻蝕技術(shù)在材料表面制備微納結(jié)構(gòu)是較為容易實(shí)現(xiàn)的表面處理方法,且激光刻蝕具有以下優(yōu)點(diǎn): 1)環(huán)境要求度低,無(wú)需超凈或真空環(huán)境等;2)設(shè)備簡(jiǎn)易、操作簡(jiǎn)單、靈活度高且表面處理效率高; 3)表面處理僅通過(guò)光束輻照表面完成,無(wú)其他接觸,因此在做適當(dāng)保護(hù)的情況下表面不易產(chǎn)生沾污; 4)所制備微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不易被破壞. 目前已有文獻(xiàn)[11,21]表明,使用激光刻蝕在銅、鋁及不銹鋼表面形成的微納結(jié)構(gòu)能夠有效抑制相應(yīng)金屬表面的SEY,而關(guān)于使用激光刻蝕技術(shù)在鍍金金屬表面制備微結(jié)構(gòu)抑制SEY 的研究還相對(duì)較少.

實(shí)驗(yàn)中使用紅外激光掃描刻蝕技術(shù)在鋁合金樣品表面制備了多種不同特征尺寸的微米陣列結(jié)構(gòu),使用磁控濺射在所制備微陣列結(jié)構(gòu)樣品表面鍍約250 nm 厚的金層; 使用顯微技術(shù)表征了樣品的二維及三維精細(xì)形貌,探究了微陣列特征尺寸與激光刻蝕參數(shù)之間的關(guān)系; 使用SEE 測(cè)試平臺(tái)表征了各微陣列結(jié)構(gòu)的SEE 特性,驗(yàn)證了微米陣列結(jié)構(gòu)對(duì)鍍金表面SEY 的顯著抑制作用,同時(shí)研究了微陣列結(jié)構(gòu)表面SEY 對(duì)結(jié)構(gòu)深寬比及孔隙率的依賴規(guī)律; 比較了激光刻蝕樣品與其他工藝所制備樣品對(duì)SEY 的抑制程度,證明了激光刻蝕微結(jié)構(gòu)對(duì)SEY 的顯著抑制效果. 在獲得平滑鍍金表面SEY 測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,使用蒙特卡羅模擬方法,并結(jié)合金屬SEE 唯象概率模型和電子運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤算法,對(duì)各微陣列表面電子出射情況進(jìn)行了仿真,理論上驗(yàn)證了表面孔隙率及結(jié)構(gòu)深寬比對(duì)SEY 的影響規(guī)律,揭示了激光刻蝕微陣列結(jié)構(gòu)有效抑制鍍金表面SEY 的機(jī)理. 對(duì)比分析了微陣列結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)SEY 與仿真結(jié)果之間的差異,給出了二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)對(duì)實(shí)測(cè)SEY 的影響規(guī)律.

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 激光刻蝕制備微陣列結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)中使用波長(zhǎng)為1064 nm 的脈沖式紅外光纖激光器(GSS-Fiber-20,西安高斯激光)對(duì)鋁合金樣品表面進(jìn)行掃描刻蝕. 激光器最大刻蝕功率為20 W,最小束斑直徑約為 10 μm ,最大可加工區(qū)域面積為110 mm × 110 mm,激光焦距約為150 mm,刻蝕過(guò)程中工作環(huán)境為大氣環(huán)境. 實(shí)驗(yàn)選用的刻蝕樣品為鋁合金樣片(樣品尺寸: 20 mm × 10 mm,厚度為1 mm). 實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變每個(gè)刻蝕單元內(nèi)刻蝕面的形狀及尺寸以達(dá)到控制樣品表面刻蝕區(qū)域的目的,通過(guò)改變激光功率大小及掃描刻蝕次數(shù)控制刻蝕區(qū)域的深度. 如圖1(a)和圖1(c)所示分別為兩種刻蝕圖形樣式: 圓孔微陣列和正交溝槽微陣列,圖1(b)和圖1(d)分別給出了兩種微陣列中單個(gè)刻蝕單元的圖樣和尺寸標(biāo)注. 實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制單點(diǎn)加工次數(shù)和激光功率,制備了4 組如圖1(a)所示的圓形孔洞陣列(#1—#4 樣品); 通過(guò)控制刻蝕區(qū)域的特征尺寸,制備了3 組如圖1(c)所示的正交溝槽陣列(#5—#7 樣品). 7 組樣品詳細(xì)加工參數(shù)及各刻蝕圖形尺寸在表1 中列出. 表1 中理論孔隙率(記為A)定義如下: 單元面積內(nèi),刻蝕區(qū)域投影面積與單元投影總面積之比,對(duì)于圓柱微孔陣列,其理論孔隙率可由(1)式計(jì)算得到:

圖1 刻蝕圖樣 (a)微孔陣列; (b)微孔陣列刻蝕單元; (c)正交溝槽陣列; (d)正交溝槽陣列刻蝕單元Fig. 1. Etching patterns: (a) Micro hole array; (b) etching unit of the micro hole array; (c) orthogonal groove array; (d) etching unit of the orthogonal groove array.

對(duì)于正交溝槽陣列,其理論孔隙率可由(2)式計(jì)算:

為了達(dá)到測(cè)試鍍金層表面SEY 的目的并規(guī)避刻蝕后產(chǎn)生的表面改性(如沾污及高溫氧化等),刻蝕完成后使用磁控濺射技術(shù)在各樣品表面鍍約250 nm 厚的金鍍層以盡量弱化表面改性帶來(lái)的影響. 同時(shí),已有研究結(jié)果表明: 入射電子侵入材料內(nèi)部的深度與電子的著地能量以及材料本征物理特性相關(guān)[6],幾千電子伏能量的入射電子侵入材料表面的深度最多為十幾納米[6,7],因此本實(shí)驗(yàn)中厚度為250 nm 的金鍍層遠(yuǎn)大于電子的侵入深度. 此外,由于所刻蝕的微結(jié)構(gòu)其尺寸在百微米量級(jí),特征尺寸遠(yuǎn)大于金鍍層厚度,因此250 nm 厚的金鍍層對(duì)于微結(jié)構(gòu)的形貌幾乎不會(huì)有影響.

表1 各樣品刻蝕單元內(nèi)圖形尺寸及激光刻蝕參數(shù)Table 1. Sizes of the etching patterns and the detailed etching parameters.

2.2 表面形貌及SEE 特性表征

表征實(shí)驗(yàn)中,使用激光掃描顯微鏡(laser scanning microscopy,LSM,Keyence-VK9700)對(duì)激光刻蝕前后樣品的三維形貌進(jìn)行了表征; 使用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM,Hitachi S-4800)對(duì)刻蝕前后樣品的二維精細(xì)形貌進(jìn)行了表征. 此外,實(shí)驗(yàn)中使用能量色散X 射線譜(energy dispersive X-Ray spectroscopy,EDX,Hitachi S-4800 附件)分別對(duì)不同狀態(tài)下樣品的表面元素組分進(jìn)行了分析. 樣品SEE 特性測(cè)試使用超高真空金屬SEE 研究平臺(tái)完成,關(guān)于該系統(tǒng)的具體參數(shù)及相關(guān)描述已在文獻(xiàn)[22]中做了詳盡報(bào)道. 樣品的SEY 測(cè)試使用傳統(tǒng)的樣品電流法,關(guān)于樣品電流法的詳細(xì)原理及誤差分析可見(jiàn)文獻(xiàn)[23],該測(cè)試過(guò)程可簡(jiǎn)述為如下兩步: 首先在樣品上施加+ 500 V 的偏壓,在此種入射情況下,幾乎所有逃逸的二次電子都會(huì)被吸引回樣品表面,此時(shí)測(cè)得的電流為該過(guò)程中所有電子束流之和IP; 然后在樣品上施加–20 V 的偏壓,此種入射條件下,所有逃逸的電子均會(huì)受到樣品表面負(fù)偏壓的排斥作用而加速遠(yuǎn)離樣品表面,此時(shí)測(cè)得樣品上流過(guò)的電流IS即為總的電子束流IP減去逃逸的電子束流. 在得到IP和IS的情況下,樣品表面的SEY 可由(3)式計(jì)算得到:

3 結(jié)果與討論

3.1 微陣列結(jié)構(gòu)顯微分析

圖2(a)—(d)為使用LSM 觀測(cè)得到的激光刻蝕圓孔陣列#1—#4 樣品的三維形貌,圖2(e)—(g)為所刻蝕正交溝槽陣列#5—#7 樣品的三維形貌,圖2(h)給出了未經(jīng)激光刻蝕處理的平滑鍍金表面的三維形貌作為對(duì)照. 圖3(a)—(d)給出了圖2 中部分樣品的二維形貌,插圖為對(duì)應(yīng)樣品局部區(qū)域的精細(xì)形貌表征結(jié)果. 表征實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)LSM 給出的樣品三維形貌,提取了7 種微陣列結(jié)構(gòu)的特征尺寸(微孔陣列特征尺寸為表面孔徑和孔深,交錯(cuò)溝槽陣列特征尺寸為槽寬和槽深). 表2 列出了7 種微結(jié)構(gòu)的深寬比(記為H),此處將兩類樣品的深寬比定義為: 微孔(或溝槽)平均深度與微孔孔徑(或溝槽槽寬)之比. 對(duì)于圓柱微孔陣列,其尺寸標(biāo)注如圖1(b)所示,微孔深寬比由(4)式計(jì)算得到:

對(duì)于正交溝槽陣列,其尺寸標(biāo)注如圖1(d)所示,其深寬比由(5)式計(jì)算:

對(duì)比表1 中各樣品的刻蝕參數(shù)及表2 中的特征尺寸可知: 對(duì)于微孔陣列,當(dāng)激光刻蝕次數(shù)增加時(shí),孔的深度顯著增加,但受激光聚焦位置所限,隨著刻蝕次數(shù)的成倍增加,所刻蝕微孔深度的增幅逐漸變小,說(shuō)明刻蝕面在稍微偏離激光聚焦位置百微米時(shí),激光的刻蝕效率會(huì)大大降低. 此外表2 數(shù)據(jù)表明: 實(shí)際刻蝕的微孔孔徑及溝槽槽寬均略大于表1 中的設(shè)計(jì)尺寸,這使得實(shí)際得到的刻蝕樣品表面孔隙率均大于理論設(shè)計(jì),該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要受限于激光的刻蝕精度(約為 1 0 μm )和刻蝕過(guò)程中的橫向擴(kuò)散效應(yīng).

圖2 各鍍金鋁合金樣品的三維形貌 (a) #1 樣品; (b) #2 樣品; (c) #3 樣品; (d) #4 樣品; (e) #5 樣品; (f) #6 樣品; (g) #7 樣品; (h)未經(jīng)激光刻蝕處理的平滑鍍金表面Fig. 2. Three-dimensional morphologies of various gold coated samples: (a) Sample #1; (b) sample #2; (c) sample #3; (d) sample #4;(e) sample #5; (f) sample #6; (g) sample #7; (h) untreated flat gold coated surface.

此外,觀察圖2 和圖3 中的樣品形貌可以看出,兩類微結(jié)構(gòu)陣列除了表面有意刻蝕得到的微孔或溝槽這類一級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)外,微孔和溝槽的邊緣及內(nèi)壁還存在一定的二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu),例如圖3(a)和圖3(b)中的孔洞邊緣堆積著一些十幾微米的金屬顆粒,圖3(c)中溝槽陣列頂部未經(jīng)處理的區(qū)域也有一些微米顆粒堆積. 這類二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)并非理論設(shè)計(jì)時(shí)有意為之,而是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中受實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響所致,即實(shí)驗(yàn)環(huán)境為大氣環(huán)境時(shí),孔洞內(nèi)受熱熔融而飛濺出的金屬顆粒受空氣阻力影響,不能夠及時(shí)遠(yuǎn)離樣品表面,故而冷凝堆積在孔洞及溝槽的內(nèi)壁或邊緣,因此形成了這類二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu). 通過(guò)對(duì)比圖3(a)和圖3(b)中的微孔結(jié)構(gòu)可知,當(dāng)微孔較深時(shí)(#1 樣品,圖3(a)),孔洞邊緣堆積的顆粒較多,但微孔內(nèi)壁相對(duì)光滑,此時(shí)二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)僅存在于孔洞邊緣; 而當(dāng)微孔較淺時(shí)(#4 樣品,圖3(b)),孔洞邊緣堆積的微米顆粒尺寸變大、數(shù)量變多,且微孔內(nèi)壁也較為粗糙,此時(shí)二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)存在于孔洞邊緣、內(nèi)壁及底部. 對(duì)比圖3(c)和圖3(d)中的交錯(cuò)溝槽結(jié)構(gòu)可以看出,刻蝕區(qū)域小且槽深較淺的#5 樣品(圖3(c))其頂部堆積的微顆粒相對(duì)較多,形成了該樣品的二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu),相比于頂部的微米顆粒,該類溝槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁相對(duì)光滑; 對(duì)于刻蝕區(qū)域大且槽深較深的#7 樣品(圖3(d)),其刻蝕區(qū)域接近于100%,幾乎沒(méi)有頂部的未刻蝕區(qū)域,其側(cè)壁在高倍顯微圖像中可以觀察到不同程度的二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu),尺寸約在幾微米量級(jí).

表2 各激光掃描刻蝕樣品的特征尺寸、深寬比及孔隙率統(tǒng)計(jì)Table 2. Characteristic sizes,aspect ratio and porosity of the laser etched samples.

圖3 SEM 下各激光刻蝕樣品的二維精細(xì)形貌 (a) #1 樣品; (b) #4 樣品; (c) #5 樣品; (d) #7 樣品Fig. 3. Accurate two-dimensional morphologies of various samples characterized by SEM: (a) Sample #1; (b) sample #4; (c) sample #5;(d) sample #7.

除對(duì)樣品的表面形貌進(jìn)行了分析外,表征實(shí)驗(yàn)中還使用EDX 對(duì)樣品原始表面、激光刻蝕后、刻蝕 + 鍍金后三種表面狀態(tài)下的表面元素進(jìn)行了定量分析,表3 列出了#4 樣品三種狀態(tài)下表面元素的定量分析結(jié)果(各元素原子數(shù)量比). 表3 的測(cè)試結(jié)果表明: 對(duì)于原始的鋁合金鍍銀樣品,其表面存在一定程度的氧化,根據(jù)元素測(cè)試結(jié)果推測(cè)其表面以氧化銀為主; 對(duì)于激光掃描后的樣品,其表面的鍍銀層經(jīng)刻蝕從表面剝離,鋁合金基體裸露于表面,故鋁含量較高,此外對(duì)比發(fā)現(xiàn)刻蝕區(qū)域的氧含量明顯降低,該類情況下,刻蝕區(qū)域表面以鋁和氧化鋁的混合物為主; 對(duì)于刻蝕+濺射鍍金后的樣品,鍍金層已基本覆蓋了刻蝕區(qū)域表面,其表面金原子比例達(dá)到45.64%,而測(cè)試中之所以仍然能夠探測(cè)到氧、鋁、銀元素的含量,是因?yàn)镋DX 的探測(cè)深度(幾微米)大于鍍金層厚度(250 nm)所致.

表3 三種狀態(tài)下#4 樣品表面元素原子比例定量分析Table 3. Quantitative analysis of atomic proportion under three surface states for sample #4.

3.2 微陣列結(jié)構(gòu)SEE 特性

圖4 激光刻蝕樣品SEE 特性表征 (a)微孔陣列; (b)正交溝槽陣列Fig. 4. Measured SEE characteristics of laser etched samples:(a) Micro hole array; (b) orthogonal groove array.

圖4 給出了兩種微陣列結(jié)構(gòu)的SEE 特性表征結(jié)果,其中圖4(a)為#1—#4 微孔陣列結(jié)構(gòu)SEY,這4 種樣品孔隙率相近但深寬比相差較大; 圖4(b)為#5—#7 交錯(cuò)溝槽陣列結(jié)構(gòu)的SEY,這3 種樣品孔隙率和深寬比均有一定差異; 其中的插圖為各樣品歸一化SEY (設(shè)各初始電子能量下,平滑鍍金表面SEY 為1). 圖4 的SEY 測(cè)試結(jié)果表明,兩類微陣列結(jié)構(gòu)都能夠大幅降低鍍銀層表面SEY,且#1 樣品表現(xiàn)出最小的SEY,其σmax為0.74. 結(jié)合表2 中的特征尺寸可以得出: 對(duì)于孔隙率相近的#1—#4 號(hào)樣品,單個(gè)微孔深寬比越大時(shí),微孔陣列對(duì)SEY 的抑制作用越強(qiáng)烈; 歸一化SEY 曲線表明,在 初 始 電 子 能 量 為400 eV 時(shí),#1 樣 品 對(duì)SEY 的抑制幅度達(dá)到60.2%. 在所有正交溝槽微陣列 樣 品 中,相 比 于#5 和#6 樣 品,#7 表 現(xiàn) 出 對(duì)SEY 更為強(qiáng)烈的抑制作用,其σmax為0.81,歸一化結(jié)果表明在初始電子能量為400 eV 時(shí),#7 樣品對(duì)SEY 的抑制幅度達(dá)到56.0%. 結(jié)合表2 樣品特征尺寸可知,盡管#7 樣品的深寬比小于#5 及#6 樣品的深寬比,但其孔隙率較大(接近100%),抑制SEY 的能力也更加明顯. 該現(xiàn)象表明,在深寬比較大的情況下(例如#5—#7 樣品深寬比均大于2.5),深寬比的變化對(duì)SEY 的影響較小,而相比之下孔隙率對(duì)于SEY 的影響則較大. 綜上所述可知,微結(jié)構(gòu)孔隙率相近時(shí)且深寬比各異時(shí),深寬比越大則SEY 越小; 微結(jié)構(gòu)深寬和孔隙率均不同時(shí),孔隙率對(duì)SEY 的影響能力要強(qiáng)于深寬比(針對(duì)深寬比較大的情況).

圖5 給出了其他工藝制備的低SEY 表面與本實(shí)驗(yàn)中激光刻蝕微結(jié)構(gòu)表面SEY 的對(duì)比結(jié)果. 所展示的樣品包括: 本實(shí)驗(yàn)中使用激光刻蝕制備的#1 和#7 微陣列結(jié)構(gòu)、氬離子清洗后的鍍金鋁合金表面[5]、低氣壓蒸發(fā)制備的金納米結(jié)構(gòu)(蒸發(fā)氣壓為70 Pa)[19]、磁控濺射TiN 薄膜(經(jīng)氬離子清洗)[12]及磁控濺射NEG 薄膜[15]. 圖5 的SEY 對(duì)比結(jié)果顯示,相比于其他的金表面(金納米結(jié)構(gòu)表面及氬離子清洗鍍金表面),激光刻蝕得到的鍍金微陣列結(jié)構(gòu)能夠大幅降低鍍金表面的SEY,表明激光刻蝕微結(jié)構(gòu)能夠有效束縛表面電子出射,且抑制二次電子能力優(yōu)于其他類型的粗糙金屬表面; 相比于TiN 和NEG 鍍層表面,激光刻蝕的鍍金微陣列結(jié)構(gòu)在200—1000 eV 初始電子能量范圍內(nèi)表現(xiàn)出更小的SEY,該結(jié)果表明在此能量范圍內(nèi)激光刻蝕微結(jié)構(gòu)對(duì)二次電子的束縛能力優(yōu)于低SEY薄膜.

圖5 不同處理工藝獲得的低電子產(chǎn)額表面SEY 對(duì)比Fig. 5. SEY comparison among some surfaces acquired by various surface treatment technics.

3.3 微陣列結(jié)構(gòu)SEE 特性仿真

為驗(yàn)證3.2 節(jié)中所制備微陣列結(jié)構(gòu)深寬比及孔隙率對(duì)鍍銀表面SEY 的影響規(guī)律,本節(jié)中使用如圖1(a)和圖1(c)中的規(guī)則幾何陣列分別對(duì)激光刻蝕制備的兩類微陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效,等效模型的幾何參數(shù)選用表2 中所制備樣品的實(shí)際尺寸. 仿真過(guò)程與文獻(xiàn)[24]中報(bào)道的方法類似,可簡(jiǎn)述如下:1)使用MEST SEE 唯象概率模型[25]模擬平滑鍍金表面的SEE 特性以確定模型中的部分待定參數(shù);2)使用蒙特卡羅模擬方法并結(jié)合已確定參數(shù)的MEST 模型模擬電子的碰撞及出射過(guò)程; 3)基于電子的出射信息并借助電子軌跡追蹤算法模擬電子在微結(jié)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)過(guò)程; 4)判斷電子在該運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最終狀態(tài)(從微結(jié)構(gòu)中逃逸成為出射電子,或再次碰撞微結(jié)構(gòu)表面); 5)重復(fù)以上過(guò)程2)—4),直至所有初始電子的碰撞過(guò)程均模擬完畢.對(duì)于每種微陣列結(jié)構(gòu),仿真過(guò)程中入射電子設(shè)置為5 × 104個(gè),入射位置均勻分布于樣品表面,且均為垂直入射.

圖6(a)和圖6(b)分別給出了4 種微孔陣列及3 種正交溝槽陣列的SEY 仿真結(jié)果,并列出了圖4 中的SEY 測(cè)試結(jié)果作為對(duì)比. 從圖6(a)可以看出,對(duì)于孔隙率相近、深寬比依次減小的#1—#4 號(hào)樣品,其SEY 的仿真結(jié)果與微孔深寬比呈現(xiàn)反關(guān)系,即深寬比越大的微孔其SEY 越低,抑制二次電子能力越強(qiáng),深寬比越小的微孔其SEY 越高,抑制二次電子能力越弱. 該仿真結(jié)果從趨勢(shì)上驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的合理性,并且從理論上證明了單一因素情況下深寬比對(duì)SEY 的影響規(guī)律.圖6(b)中對(duì)深寬比各異、孔隙率不同的正交溝槽微結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果表明: 在深寬比均較大的情況下,深寬比對(duì)SEY 的影響較小而孔隙率對(duì)SEY 的影響較大,且孔隙率越大的微陣列(#7)結(jié)構(gòu)其SEY 越低,對(duì)SEE 的抑制作用越強(qiáng)烈. 該仿真結(jié)果證明了實(shí)驗(yàn)中激光刻蝕溝槽陣列對(duì)鍍金表面SEY 的抑制規(guī)律,并從理論上證明了多因素條件下,孔隙率對(duì)SEY 的影響更為顯著. 綜上所述,仿真結(jié)果從趨勢(shì)上驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性,并且為激光刻蝕微陣列結(jié)構(gòu)抑制電子發(fā)射提供了理論依據(jù).

圖6 激光刻蝕樣品等效結(jié)構(gòu)SEE 特性仿真 (a)微孔陣列; (b)正交溝槽陣列Fig. 6. Simulated SEE characteristics of laser etched samples:(a) Micro hole array; (b) orthogonal groove array.

此外,圖6 表明: SEY 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間表現(xiàn)出一定的差異,具體如下: 對(duì)于圖6(a)中#1—#4 微孔陣列結(jié)構(gòu),仿真得到的SEY 幾乎均小于實(shí)測(cè)值; 對(duì)于圖6(b)中#5—#7 溝槽陣列結(jié)構(gòu),仿真得到的SEY 幾乎均大于實(shí)測(cè)值. 此處我們認(rèn)為激光刻蝕過(guò)程中產(chǎn)生的非理想二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)(如圖3 中各樣品的二維精細(xì)形貌所示)是引起該差異的主要原因. 由圖3 可知,激光刻蝕樣品的二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)主要由球形顆粒和隨機(jī)形狀的間隙結(jié)構(gòu)組成,而這兩類結(jié)構(gòu)對(duì)于SEY 的影響可參考文獻(xiàn)[24]中的理論模型及其對(duì)SEY 的作用規(guī)律. 文獻(xiàn)[24]探討了金屬納米結(jié)構(gòu)中球形顆粒結(jié)構(gòu)和間隙結(jié)構(gòu)對(duì)SEE 的作用機(jī)制,即: 球形顆粒能夠增強(qiáng)表面SEY,間隙結(jié)構(gòu)抑制表面SEY,而金屬納米結(jié)構(gòu)由球形顆粒結(jié)構(gòu)和間隙結(jié)構(gòu)組合而成,因此納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的SEY 是兩類結(jié)構(gòu)加權(quán)平均作用的結(jié)果.

觀察圖3(a)和圖3(b)中樣品的精細(xì)形貌可知,對(duì)于微孔陣列結(jié)構(gòu),其表面微顆粒比例大而間隙結(jié)構(gòu)比例較小,因此二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)中,球形顆粒對(duì)SEY 的增強(qiáng)作用大于間隙結(jié)構(gòu)對(duì)SEY 的抑制作用,從而導(dǎo)致微孔陣列的SEY 測(cè)試值略大于仿真值. 對(duì)于交錯(cuò)溝槽微陣列結(jié)構(gòu),圖3(c)和圖3(d)顯示其表面和側(cè)壁有很大比例的間隙結(jié)構(gòu),而球狀顆粒結(jié)構(gòu)則僅存在于頂部部分區(qū)域,因此二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)中球狀顆粒所占的比例遠(yuǎn)小于間隙結(jié)構(gòu)所占比例,在影響電子出射方面,即表現(xiàn)為溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)SEY 的抑制作用大于球狀顆粒對(duì)SEY 的增強(qiáng)作用,從而導(dǎo)致溝槽陣列的SEY 測(cè)試值小于仿真值.

4 結(jié) 論

使用激光刻蝕技術(shù)獲得了能夠大幅降低鍍金表面SEY 的微陣列結(jié)構(gòu),并理論驗(yàn)證了該類微陣列結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對(duì)SEY 的影響規(guī)律. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明: 1)激光刻蝕能夠在金屬表面高效率地制備深寬比各異、孔隙率不同的微結(jié)構(gòu); 2)激光刻蝕獲得的微結(jié)構(gòu)能夠大幅抑制鍍金表面電子出射,且抑制幅度優(yōu)于諸多其他工藝獲得的低SEY 表面; 3)微結(jié)構(gòu)對(duì)SEY 的抑制能力與孔隙率及深寬比呈現(xiàn)正相關(guān),且孔隙率對(duì)微結(jié)構(gòu)抑制SEY 能力的影響要大于深寬比,即在設(shè)計(jì)低SEY 微陷阱結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮孔隙率對(duì)SEY 的影響. 使用蒙特卡羅模擬方法,并結(jié)合SEE 唯象概率模型和電子軌跡追蹤算法,仿真了微結(jié)構(gòu)中電子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及出射情況,仿真結(jié)果從理論上定性驗(yàn)證了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)象的正確性. 從二級(jí)粗糙結(jié)構(gòu)角度出發(fā),定性解釋了微結(jié)構(gòu)SEY 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異. 本工作系統(tǒng)研究了激光刻蝕金屬表面微結(jié)構(gòu)的SEE 特性,對(duì)開(kāi)發(fā)材料低SEY 表面有重要參考價(jià)值.