CN102795591A - 一种利用规则阵列结构减小金属二次电子发射系数的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用规则阵列结构抑制金属表面SEY的方法。该规则阵列结构利用半导体器件领域的图形光刻工艺实现，典型阵列结构可以采用圆孔或者矩形槽结构，结构尺寸在几微米至几十微米。规则阵列结构形状决定于所设计的掩膜版，规则陷阱的深宽比决定于刻蚀时间。在相同深宽比及孔隙率条件下，圆孔陷阱表面SEY抑制效果优于矩形槽陷阱表面；对于同一种阵列结构，深宽比越大，孔隙率越大，SEY抑制效果越好。该技术对于卫星载荷中金属微波部件和粒子加速器中微放电效应抑制具有潜在的应用价值，即在不改变部件表面金属材料前提下，通过表面图形化光刻技术降低其表面SEY，从而较大幅度抑制微放电效应。同时，该技术还适用于行波管收集极等多种需要进行金属表面SEY抑制的特殊应用场合，具有一定的普适性。

Description

一种利用规则阵列结构减小金属二次电子发射系数的方法

技术领域：

本发明专利涉及大功率微波部件表面处理领域，用于抑制金属表面二次电子发射系数，从而应用该新方法大幅度提高相关部件和系统的工作性能。具体涉及利用半导体领域的微图形光刻工艺，在金属表面形成规则阵列结构，这一技术可明显抑制金属表面二次电子发射系数，为提高大功率微波部件工作性能提供一种有效的方法。

背景技术：

二次电子发射是指一定能量的电子入射到固体表面时导致固体表面出射电子的现象，通常将入射电子称为初始电子，将出射电子称为二次电子。二次电子发射系数（SEY）定义为二次电子个数与初始电子个数之比。不同材料具有不同的二次电子发射系数，而且二次电子发射系数随初始电子的入射能量以及入射角度的变化而变化。除此之外，材料的表面形貌也是影响SEY的重要因素。

在扫描电子显微镜等领域中，人们正是利用了材料的二次电子发射特性进行纳米尺度的微观分析，这算是对二次电子发射现象的积极应用。然而，在粒子加速器系统中，由金属二次电子发射导致的“电子云”现象已经成为影响加速器系统性能的重要因素之一；在大功率微波系统中，二次电子发射导致的击穿现象也成为提高系统功率容量的瓶颈之一。

已有研究结果表明，特定的表面结构具有抑制SEY的作用。具体而言，具有大深宽比和大孔隙率的表面结构具有更好的SEY抑制特性。虽然国外已经实现了毫米级的规则结构来抑制SEY，但在一定的场合（例如，大功率微波系统），这种毫米级的表面结构虽然能抑制SEY但会带来系统其它方面性能的恶化，比如微波损耗会因这种毫米级起伏结构而显著增加，而且微波器件的电磁波传输特性也很可能因这种结构而恶化，从而导致器件或系统性能指标无法满足要求。因此，在更小尺度上实现这种表面结构，从而既达到抑制SEY的目的，又不显著恶化器件或系统性能，就变得非常有必要了。另外，这种微米尺度的规则阵列结构的SEY抑制特性，也为相关的理论研究工作提供了很好的实验基础。

基于上述背景，本发明提出了利用半导体光刻工艺在金属表面实现微米级规则阵列结构，显著地抑制了金属表面的二次电子发射特性。

发明内容：

本发明提出一种利用微米级规则阵列结构表面抑制金属表面SEY的方法，其目的在于降低降低金属表面的SEY,从而在不显著恶化系统其它方面性能的前提下提高系统整体工作性能。具体如下：

一种利用规则阵列结构减小金属二次电子发射系数的方法，包括如下步骤：对待处理金属样片依次进行超声清洗、旋转涂胶、烘烤、曝光、烘烤、显影处理；对进行上述处理过的样片在刻蚀液进行腐蚀，形成微米结构阵列，根据对金属表面的二次电子发射系数要求决定微米结构的深宽比或孔隙率，从而决定掩膜版图形设计及其刻蚀工艺参数；腐蚀完毕的样片进行去胶和超声清洗。

进一步地，所述金属是金、铜或铝。

进一步地，还包括如下步骤：在腐蚀时，通过控制腐蚀液成分，实现微米级阵列结构及亚微米两级结构。

进一步地，所述微米结构为圆孔或者矩形槽结构。

进一步地，微米结构尺寸在几微米至几十微米。

本发明的有益效果是：

1.将半导体光刻工艺移植到了大功率微波器件处理领域，在器件金属表面实现了微米级阵列结构，这一结构可显著降低金属表面二次电子发射系数，从而提高了大功率微波器件、加速器等的工作性能。

2.通过实验验证了微米阵列结构可有效降低金属表面二次电子发射系数。

附图说明：

图1微米级阵列结构的光刻工艺过程。

图2(a)是工艺1条件下的微米级阵列结构微观形貌。

图2(b)是工艺2条件下的微米级阵列结构微观形貌。

图3(a)是工艺1条件下的试样微观形貌。

图3(b)是工艺1条件下的对SEY的抑制效果。

图4(a)是工艺2条件下的试样微观形貌。

图4(b)是工艺2条件下的对SEY的抑制效果。

图5(a)是工艺3条件下的试样微观形貌。

图5(b)是工艺3条件下的对SEY的抑制效果。

图6(a)是工艺4条件下的试样微观形貌。

图6(b)是工艺4条件下的对SEY的抑制效果。

图7(a)是工艺5条件下的试样微观形貌。

图7(b)是工艺5条件下的对SEY的抑制效果。

图8(a)是工艺6条件下的试样微观形貌。

图8(b)是工艺7条件下的试样微观形貌。

图8(c)是工艺8条件下的试样微观形貌。

图8(d)是工艺9条件下的试样微观形貌。

图9(a)是铜样品清洗前SEY测试曲线。

图9(b)是铜样品清洗后SEY测试曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做详细描述。

典型的金属表面微米级阵列结构的工艺过程如图1所示。

本专利提出了一种有效抑制金属表面二次电子发射系数的方法。这一方法利用典型的半导体光刻工艺在常见金属表面制备微米级阵列结构，从而达到抑制SEY的目的。该方法主要包括以下处理步骤：用无水乙醇、去离子水对待处理金属样片进行超声清洗，去除表面沾污；在一定的旋转速度下对样片进行旋转涂胶（依据所需阵列图形及掩膜版参数确定采用正性光刻胶还是负性光刻胶）；在一定的温度下对涂胶后的样片进行一定时间的烘烤（称为前烘）；在合适的紫外光强度下对前烘完毕的样片进行一定时长的曝光处理；对曝光完毕的样片在一定温度下进行一定时间的烘烤（称为中烘）；在合适的温度下用显影液对中烘完毕的样片进行一定时长的显影操作；用特制的刻蚀液在一定的温度下对样片进行一定时长的腐蚀；腐蚀完毕的样片用去胶剂进行去胶；用无水乙醇和去离子水对样片进行超声清洗。

所用掩膜版图形以及刻蚀液成分是影响微米阵列结构形貌及尺寸的主要工艺参数。典型工艺条件下可获得不同深宽比及孔隙率的阵列结构，从而呈现出不同的SEY抑制特性。

工艺流程：

样片清洗→烘干→旋转涂胶→前烘→曝光→中烘→显影→清洗→吹干→后烘→刻蚀→清洗→去胶→清洗→烘干→保存.

工艺参数：

旋转涂胶    2000RPM 15s

            4000RPM 50s

前烘        90℃，60s

曝光        50s

中烘        115℃，60s

显影        20s

            温度：室温

后烘        110℃，60s

刻蚀        温度：50℃

典型工艺对应条件：

工艺1：

刻蚀液成分：质量分数为20％的Fe(NO₃)₃溶液

刻蚀时间：35s

掩膜版参数：圆形，直径6μm，间距10微米

工艺2：

刻蚀液成分：质量分数为20％的Fe(NO₃)₃溶液

刻蚀时间：30s

掩膜版参数：圆形，直径12μm，间距20微米

工艺3：

刻蚀液成分：质量分数为55％的Fe(NO3)3溶液

刻蚀时间：40s

掩膜版参数：圆形，直径6μm，间距20微米

工艺4：

刻蚀液成分：质量分数为55％的Fe(NO₃)₃溶液

刻蚀时间：60s

掩膜版参数：圆形，直径6μm，间距20微米

工艺5：

刻蚀液成分：质量分数为55％的Fe(NO₃)₃溶液

刻蚀时间：20s

掩膜版参数：沟槽形，宽度16μm，间距16微米

工艺6：

刻蚀液成分：质量分数为28％FeCl₃溶液

刻蚀时间：10s

掩膜版参数：圆孔型，孔径6微米，间距10微米

工艺7：

刻蚀液成分：质量分数为28％FeCl₃溶液

刻蚀时间：15s

掩膜版参数：圆孔型，孔径6微米，间距10微米

工艺8：

刻蚀液成分：质量分数为28％FeCl₃溶液

刻蚀时间：20s

掩膜版参数：沟槽形，宽度16μm，间距16微米

工艺9：

刻蚀液成分：质量分数为28％FeCl₃溶液

刻蚀时间：20s

掩膜版参数：沟槽形，宽度16μm，间距16微米

下面两个表格分别对银和铜表面不同工艺条件样片的SEY特性进行了对比。

表1银表面不同工艺条件样片的等离子体清洗前后的SEY特性

表2铜表面不同工艺条件样片等离子体清洗前后的SEY特性

Claims (5)

1.一种利用规则阵列结构减小金属二次电子发射系数的方法，其特征在于，包括如下步骤：对待处理金属样片依次进行超声清洗、旋转涂胶、烘烤、曝光、烘烤、显影处理；对进行上述处理过的样片在刻蚀液进行腐蚀，形成微米结构阵列，根据对金属表面的二次电子发射系数要求决定微米结构的深宽比或孔隙率，从而决定掩膜版图形设计及其刻蚀工艺参数；腐蚀完毕的样片进行去胶和超声清洗。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属是金、铜或铝。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括如下步骤：在腐蚀时，通过控制腐蚀液成分，实现微米级阵列结构及亚微米两级结构。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述微米结构为圆孔或者矩形槽结构。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：微米结构尺寸在几微米至几十微米。

Images