中國(guó)散裂中子源(CSNS)將在快循環(huán)同步加速器(RCS)的二極磁鐵和四極磁鐵內(nèi)應(yīng)用陶瓷真空盒。為降低陶瓷表面的二次電子發(fā)射系數(shù)(SEY)，采用直流磁控濺射的方法，對(duì)二極陶瓷真空盒內(nèi)壁鍍氮化鈦(TiN)薄膜工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明：薄膜附著力較好，鍍TiN 膜后陶瓷表面SEY 峰值由4.2 降到2.3，但薄膜Ti/N 比例及膜厚均勻性還有待進(jìn)一步改善。

1、介紹

　　中國(guó)散裂中子源(CSNS)是由中國(guó)科學(xué)院和廣東省共同建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，是基于中子散射的綜合性多學(xué)科研究平臺(tái)，建成后將在物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料、納米等學(xué)科領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。CSNS 由一臺(tái)80 MeV 負(fù)氫直線加速器、一臺(tái)1.6 GeV 快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、兩條束流輸運(yùn)線、一個(gè)靶站和3 臺(tái)譜儀及相應(yīng)的配套設(shè)施組成�？煅�環(huán)同步加速器(RCS)束流引出能量1.6 GeV，流強(qiáng)62.5 μA，脈沖重復(fù)頻率25 Hz。由于快循環(huán)磁場(chǎng)會(huì)在金屬真空盒上產(chǎn)生不可接受的渦流損耗，因而在二極磁鐵和四極磁鐵內(nèi)使用氧化鋁陶瓷真空盒以減小渦流熱損耗和渦流產(chǎn)生的磁場(chǎng)干擾，表1列出了CSNS/RCS 不同類型陶瓷真空盒的數(shù)量及尺寸參數(shù)。相比于金屬材料，陶瓷表面的二次電子發(fā)射系數(shù)比較高，而且產(chǎn)生的二次電子有引起束流不穩(wěn)定性的可能，即e-p 不穩(wěn)定性。鑒于TiN 較低的SEY，在陶瓷真空盒內(nèi)壁鍍一層TiN 薄膜可以減少二次電子發(fā)射，抑制電子云不穩(wěn)定性。

表1 CSNS/RCS 陶瓷真空盒結(jié)構(gòu)參數(shù)

2、鍍膜方法

　　磁控濺射鍍膜因其沉積速率高和基片溫升低的特點(diǎn)，在薄膜制備工藝中占有重要位置。在磁控濺射鍍膜裝置中，有多種不同類型的靶結(jié)構(gòu)，因加速器真空盒一般為筒形結(jié)構(gòu)，且鍍膜在真空盒內(nèi)壁，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認(rèn)為選用同軸圓柱形靶有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。圖1 為CSNS/RCS 真空盒內(nèi)壁鍍TiN 薄膜所用磁控濺射靶，主要由一根純鈦管、管內(nèi)周期性排列永磁環(huán)和其他輔助結(jié)構(gòu)(包括法蘭、水冷系統(tǒng)、屏蔽罩、密封等)組成。永磁環(huán)在靶表面附近產(chǎn)生幾百高斯的磁場(chǎng)，通過(guò)直流電源將一負(fù)電壓加在陰極靶上便可產(chǎn)生放電，輝光放電等離子體如圖2。

圖1 CSNS/RCS 真空盒鍍TiN 膜鈦陰極靶(左上為直靶，右下為彎轉(zhuǎn)靶)

圖2 CSNS/RCS 真空盒鍍TiN 膜輝光放電等離子體

　　由于采用純金屬靶材，鍍膜時(shí)需要把反應(yīng)氣體N2 與放電氣體Ar 按一定比例混合，使之與靶材進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，在真空盒內(nèi)表面得到特定組分和特性的TiN 薄膜，這種鍍膜方法又稱之為反應(yīng)濺射法。TiN 薄膜性能受到多種工藝參數(shù)的影響，特別是氣體成分(N2 與Ar 分壓比)、濺射電流與濺射電壓、真空盒內(nèi)表面溫度、鍍膜時(shí)間等。因此鍍膜實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵是找到這些工藝參數(shù)與TiN 薄膜組分和特性的關(guān)系。

3、鍍膜實(shí)驗(yàn)

　　由于二極陶瓷真空盒彎轉(zhuǎn)角度15°(圖3)，為了保證鍍膜時(shí)沿真空盒長(zhǎng)度方向靶- 基距不變，加工一根彎轉(zhuǎn)陰極靶(圖1)。因陶瓷為絕緣材料，二極陶瓷真空盒無(wú)法直接同陰極靶之間形成均勻同軸電場(chǎng)進(jìn)行濺射鍍膜。美國(guó)SNS 采用在真空盒內(nèi)安裝銅柵網(wǎng)的辦法完成直段陶瓷真空盒鍍TiN薄膜。但考慮到二極陶瓷真空盒的彎轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，將銅柵網(wǎng)放入真空盒內(nèi)很不方便，故我們?cè)谡婵蘸型獍�裹紫銅板作為直流放電的陽(yáng)極，如圖4。解決電場(chǎng)問(wèn)題后，將真空盒內(nèi)表面清潔處理，開(kāi)始鍍膜系統(tǒng)安裝，包括陶瓷真空盒、紫銅板、陰極靶、直流電源、電容真空計(jì)、水冷系統(tǒng)、充氣系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)和烘烤系統(tǒng)等。

圖3 CSNS/RCS 二極陶瓷真空盒樣機(jī)

圖4 二極陶瓷真空盒外包裹紫銅板作鍍膜陽(yáng)極

　　鍍膜系統(tǒng)安裝完成后，先將系統(tǒng)抽真空檢漏。系統(tǒng)各處真空檢漏無(wú)漏后，將真空盒外部用加熱帶在120 ℃下烘烤48 h 除去水蒸氣和其它表面污物，并在鍍膜開(kāi)始前5 小時(shí)左右將真空盒溫度維持在100 ℃。經(jīng)過(guò)烘烤除氣，真空盒內(nèi)極限真空度達(dá)到~1.60×10^-4 Pa，這時(shí)向系統(tǒng)充入氬氣和氮?dú)猓�用質(zhì)量流量控制器調(diào)整氣體流速，Ar 為1.94 sccm、N2 為3.80 sccm，氣體混合均勻后真空盒內(nèi)總壓強(qiáng)為1 Pa 左右。打開(kāi)水冷系統(tǒng)，然后開(kāi)啟直流電源給陰極靶加電壓，放電電流限制在~4.00 A，放電電壓~170 V。鍍膜大約30 分鐘后，關(guān)掉各儀器設(shè)備。待真空盒冷卻后取出鍍膜樣品。

4、結(jié)果與討論

　　陶瓷真空盒內(nèi)壁鍍TiN 薄膜，不僅要保證降低其SEY (一般要求鍍膜后峰值SEY 小于2)，還對(duì)薄膜厚度、成分和附著力提出一定要求。描述有鍍層的氧化鋁陶瓷二次電子發(fā)射系數(shù)δ 與薄膜厚度t 的關(guān)系式如下：

　　式中λfilm和λalumina分別是薄膜和氧化鋁中電子的平均自由程，B、E 和β 分別是表面脫附幾率、初級(jí)粒子能量和產(chǎn)生二次電子所需能量，TiN 薄膜中λ值約為0.5 nm，而在氧化鋁中該值為50~100 nm。膜厚大于等于1 nm 足夠抑制二次電子，但考慮到膜厚沿縱向及橫向均勻性偏差、薄膜與陶瓷表面的附著強(qiáng)度以及薄膜耐粒子轟擊性能，設(shè)計(jì)要求膜厚在100 nm 左右，Ti/N 比例在0.9~1.1 之間。

4.1、膜厚

　　鍍膜前將處理過(guò)的載玻片放入真空盒底端作為待測(cè)樣品，樣品位置分別在陶瓷真空盒端部和距離端部約500 mm 深處(樣品位置分別記為A 和B)。鍍膜完成后取出樣品，因TiN 屬于硬質(zhì)膜，直接采用接觸式臺(tái)階儀測(cè)量其膜厚，結(jié)見(jiàn)表2。

表2 樣品膜厚測(cè)試數(shù)據(jù)

　　從兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，真空盒端部薄膜比內(nèi)部薄膜明顯厚2~3 倍左右，且改變鍍膜工藝參數(shù)并沒(méi)有使膜厚均勻性得到改善。膜厚均勻性出現(xiàn)較大偏差可能與真空盒沿縱向各處靶- 基距不同有關(guān)。由于靶- 基距的增加，薄膜沉積速率會(huì)下降，這是因?yàn)榘? 基距的增加使被濺射原子在向基體遷移過(guò)程中與其他氣體分子或原子發(fā)生碰撞的幾率增加，造成靶材原子能量損失增大，沉積速率降低。第二次實(shí)驗(yàn)通過(guò)觀察窗發(fā)現(xiàn)陰極靶偏離中心位置，證實(shí)了這一點(diǎn)。因此，要改善膜厚均勻性，需要重新加工陰極靶與陶瓷真空盒之間的過(guò)渡連接件，減小陰極靶的偏離。

4.2、薄膜成分

　　樣品為一鍍TiN 膜的銅圓片，經(jīng)X 射線光電子能譜儀掃描分析，得到如圖5 所示全譜圖，然后對(duì)Ti、N 譜峰進(jìn)行窄掃描。采用原子靈敏度因子法進(jìn)行定量分析，由分別得到Ti、N 元素在樣品中的相對(duì)原子濃度，因此Ti/N 比例為ρTi/ρN≈0.78。但從XPS 全譜圖可以看出，在結(jié)合能284.8 eV 和529.8 eV 處還有兩個(gè)峰，說(shuō)明樣品表面有C 和O 的污染物，污染物的主要來(lái)源：

　　1) 樣品在放入真空盒和取出過(guò)程中暴露空氣，吸附了空氣中的C 和O；

　　2)真空室內(nèi)有殘余氣體。

　　因此，要注意鍍膜前樣品的清潔處理，提高鍍膜室極限真空度，鍍膜完成后注意保護(hù)樣品，盡可能減少污染來(lái)源。

圖5 樣品XPS 全譜圖

4.3、二次電子發(fā)射系數(shù)

　　樣品為2 mm 厚97%氧化鋁陶瓷片，鍍TiN膜后進(jìn)行SEY 測(cè)試，測(cè)試前樣品表面未經(jīng)其他處理。用能量在20~4000 eV 之間的初始電子垂直入射到樣品表面，產(chǎn)生的二次電子分別收集，結(jié)果如圖6 所示。從圖中可以看出，樣品鍍TiN 后SEY 峰值從4.2 降低到2.3，說(shuō)明TiN 薄膜可以有效抑制陶瓷表面的二次電子發(fā)射；另一方面，鍍TiN 膜后SEY 峰值略高于2 是正常的，這是因?yàn)殄兡�樣品曾暴露于空氣中，其SEY 峰值與表層吸附的水蒸氣和碳?xì)浠�合物有關(guān)。如果測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行電子束或離子束濺射清潔處理，SEY 峰值能降到1左右。

圖6 氧化鋁陶瓷樣品鍍TiN 前后二次電子發(fā)射系數(shù)對(duì)比

4.4、附著力

　　鍍層對(duì)基底表面的附著力是非常重要的參數(shù)。若薄膜對(duì)基底附著力不夠，時(shí)間久了可能會(huì)發(fā)生起弧甚至脫落，嚴(yán)重影響加速器的正常運(yùn)行。用膠帶測(cè)試法判斷TiN 膜附著力，即劃刻有細(xì)微間隔的網(wǎng)格(“井”字格)穿透薄膜到基底上，然后把膠帶條粘在這部分薄膜上并迅速扯動(dòng)試圖移走薄膜，以確定膜對(duì)基底的物理粘附性能。測(cè)試結(jié)果顯示薄膜附著力較好，滿足工程設(shè)計(jì)指標(biāo)。

5、結(jié)論

　　采用直流磁控濺射的方法，對(duì)CSNS/RCS 二極陶瓷真空盒內(nèi)壁鍍TiN 膜工藝進(jìn)行研究。鍍膜加入紫銅板作陽(yáng)極解決電場(chǎng)問(wèn)題，制備的TiN 膜附著力較好，陶瓷表面鍍TiN 后SEY 峰值降低約1 倍，能有效抑制二次電子發(fā)射，但薄膜Ti/N 比例及膜厚均勻性還需進(jìn)一步改善。