CSNS四极陶瓷真空盒磁控溅射镀Ti N膜研究

中国散裂中子源（CSNS）快循环质子同步加速器的二极和四极真空盒均采用陶瓷材料，用于减少二极磁铁和四极磁铁的磁场快速上升导致的真空盒表面的涡流效应。然而，质子束在同步环循环时会电离束流管道内剩余气体分子然后捕获其中的电子，而这些电子在质子吸引下运动轰击真空盒内壁，可能产生二次电子或多次电子发射，在管道内部形成稳态的电子云分布，从而影响质子束的稳定性，即e－p不稳定性。鉴于Ti N良好的真空性能及低的二次电子发射系数，故在真空盒内壁镀1层适当厚度的Ti N薄膜，能够一定程度上抑制这种潜在的e－p不稳定性，提高束流性能。

1 镀膜方法选择

目前，制备薄膜的两大方法分别为PVD（Physical Vapor Deposition）和CVD（Chemical Vapor Deposition），根据PVD和CVD的机理及特点［1］，考虑到CSNS四极真空盒的材料与结构，且含有Ti元素的气态反应物难以制备和控制，选择PVD，而CVD则更适合集成电路中的薄膜制备及很多半导体行业的薄膜制备。溅射作为PVD的基本方法之一，分为直流溅射、磁控溅射、射频溅射、反应溅射等，而磁控溅射技术以高速、低温两大特点使镀膜工艺发生了深刻变化，促进了真空溅射技术的飞速发展，直流磁控溅射镀膜不仅沉积速率高、成膜速度快、基片温升低，且可控性及成膜均匀性上也有优良表现，因此，实验采用该方法对真空盒进行内壁Ti N镀膜。

国内外加速器在正电子储存环束流管道内壁镀Ti N薄膜的有美国PEPⅡ正电子储存环［2］及中国 BEPCⅡ正电子储存环［3］，二者均采用直流溅射法，其管道材料为铝，且内径均较小。质子环束流管道内壁镀Ti N薄膜的有美国SNS及日本J－PARC，SNS采用陶瓷真空盒内安放帘栅极，帘栅极接电源阳极并与阴极靶之间形成电场，完成溅射镀膜［4－5］；日 本 JPARC氧化铝陶瓷真空盒的Ti N镀膜在工业镀膜机中进行，采用空心阴极放电法，不同的陶瓷管分别进行镀膜，然后在真空炉焊接在一起，形成一完整的陶瓷真空盒［6］。综合考虑CSNS真空盒的材料、尺寸、实际可行性及工程要求，本实验需建立特殊适用性的磁控溅射镀膜系统，不能复制国外的经验方法。

2 镀膜系统建立

借用BEPC的镀膜经验，建立了1套镀Ti N膜系统，该系统包括真空室、钛阴极、直流稳流源、充气系统、涡轮分子泵机组、电容真空计、残余气体分析仪和冷却装置等。磁块插在空心阴极内，并以相反的极性排放，在阴极表面形成1个足够强的环型磁场，高纯的氩气和氮气充入真空系统，气体的流量通过流量控制器来调整。在镀膜前真空盒需高温烘烤48 h，清除内表面吸附的气体。

由于四极真空盒为陶瓷材料，绝缘性能很好，因此，无法利用管道自体产生电场并进行溅射［7］，必须想办法获得真空室的均匀电场。美国的SNS，采用在管道内建立帘栅极的办法为镀膜系统提供所需电场，但此方法实际操作困难较大，帘栅极的支撑和外接供电均存在问题，应用不很方便，因此本装置采用管道外壁构建屏蔽筒的办法，在陶瓷真空盒外表面包裹1层1 mm厚的紫铜板，并用喉箍扎紧，形成一屏蔽筒。屏蔽筒与系统其他部件一起接地，作为镀膜时的阳极，这样钛阴极与屏蔽筒之间形成均匀的同轴电场，为溅射提供所需的电场，同时有利于Ti N膜沿轴向均匀分布。

3 溅射镀膜实验

本实验采用1 m长的陶瓷真空盒，外径302 mm，内径282 mm。经清洗、烘干后安装，真空检漏无漏，而后进行120℃、48 h的烘烤，清除真空室内表面吸附气体。实验开始时，先充入氩气，流量为1.25×10－8 m3／s，后充入氮气，流量为4.17×10－8 m3／s，保持氮／氩比约为3∶1，待系统真空度平衡稳定时，进气口、出气口压强分别为0.2、0.7 Pa，然后加微小电流，恰好使阴极起辉，此时阴极为闪烁的微弱放电，以此可达到清扫真空、清除阴极表面吸尘的目的，利于得到高品质薄膜，此过程维持1～3 min，而后调节稳流电源至电流3 A，此时放电电压约120 V，进气口、出气口压强达到平衡，均维持在0.3 Pa，阴极放电增强且趋于稳定，呈持续的粉红色状。维持镀膜时间1 h，分别停止电源、气源、冷却水源，实验结束。而后自然冷却，待真空室温度降至室温，充入高纯氮气，取出镀膜样品。

4 结果测量与分析

4.1 膜厚

工程设计要求膜厚约100 n m。薄膜过厚由于热应力作用，容易脱落；过薄由于粒子轰击，容易失效。因此，膜厚是一较为重要的参数。本实验采用载玻片制作膜厚测量样品，在进气口与抽气口之间分别等距放置4块载玻片，编号为1、2、3、4，每块载玻片中部用记号笔画宽1～3cm的线条，以产生膜厚测量所需的台阶。镀膜结束后，取出样品，用酒精擦去记号笔所画线条即可，而后采用台阶仪对4块样品进行厚度测量，测量数据列于表1。

表1 样品膜厚数据
Table 1 Thickness date of samples

因载玻片是平面，放置于圆形管道内部，其各点到阴极靶的距离不同，因此，以对载玻片的膜厚测量来评价管道内部膜厚及均匀性，就引入了一定误差，但因管道的孔径较大，每块样品取3点测量再取平均，在一定程度上减小了该误差的影响。取4块样品的平均膜厚，对Ti N镀膜均匀性进行分析，得到4块样品平均膜厚为93.56 n m，最大正偏离在第2块样品，为＋4.18%，最大负偏离在第4块样品，为－4.05%，由此可见，在整个镀膜区域内，膜厚偏离在±5%范围内，说明溅射均匀性尚好。

4.2 成分分析

本实验采用铜基底圆片制作成分分析镀膜样品，而后用X射线光电子能谱（XPS）对样品进行成分分析，薄膜的全谱扫描如图1所示。对Ti、N进行窄区扫描，得到如图2所示谱。

图1 样品的XPS全谱图
Fig.1 XPS survey spectrum of sample

采用原子灵敏度因子法［8］对样品进行半定量分析，由，得。分别对Ti、N元素的峰强度进行修正，分别除以各自的原子灵敏度因子，得到Ti、N的原子浓度比≈0.97，满足0.9～1.1的设计要求。

从XPS扫描数据及全谱图来看，薄膜不仅 含有 Ti、N 元素，在结合能283.95 e V 及529.70 e V处也分别产生两个波峰，由此可知，薄膜中存在C和O元素，出现该情况有以下几种可能：1）由于真空室内有残余气体；2）由于管道可能存在非常微小的漏气情况，使得溅射中产生Ti的氧化物；3）由于铜基片清洗后在放入真空室过程中可能受到污染；4）由于样品取出过程可能受到污染，在空气中放置时间过长，吸附了空气中的C、O。鉴于以上4种可能，应更加严格遵守操作要求，对管道进行全面细致的清洗，进一步提高真空密封要求，注意保护样品，及时测量分析，尽可能减少污染来源，提高薄膜品质。

图2 样品钛元素（a）和氮元素（b）的XPS谱
Fig.2 XPS spectra of titaniu m （a）and nitrogen（b）

4.3 附着力

薄膜的附着力也是工程设计的要求之一，如果Ti N薄膜极易脱离，不仅会污染加速器真空，更重要的是影响束流，降低束流品质，且薄膜脱落在整个加速器系统中，清除工作难度极大。因此，薄膜的附着力一定要强。根据BNL和SLAC实验附着力的方法，首先在样品上用锋利的刀片画井字格，然后粘上胶带并迅速扯下，如果膜层没有脱落则为合格，用这种方法对样品进行了实验，未出现膜层脱落的现象。在实际操作中，应严格进行管道内表面清洗，提高基底的清洁度和温度，都是提高薄膜附着力的有效途径［9］。

5 结论

采用磁控溅射法，通过在绝缘体长直管道外表面安装金属屏幕罩来提供同轴电场，方便实用，且很好解决了镀膜均匀性的问题。Ti、N比在0.9～1.1范围内，膜厚为100 n m左右，附着力达到要求，总体满足设计指标。同时本实验方法也有一定的普遍适用性，为如何进行绝缘体长直管道的内壁镀膜提供了思路。