微通道板（MCP）是由成千上万个细小的具有连续电子倍增能力的微通道按照一定几何规律排列而成的二维器件，具有电子增益高、时间响应快、空间分辨率高、功率损耗低等优点，在微光夜视技术、飞行时间质谱仪、粒子检测、光电倍增管等领域得到了广泛的应用。随着各应用领域对MCP的高增益、长寿命、低噪声等性能要求越来越高，传统的氢还原铅硅酸盐玻璃MCP制备工艺难以满足要求，科研工作者们开始将原子层沉积（ALD）工艺应用于制造MCP器件，实现了MCP器件增益、寿命等性能的显著提升。
西安交通大学王丹副教授团队使用ALD工艺探究了Ru和Al2O3纳米薄膜的生长工艺及成膜特性，在此基础上制备了Ru/Al2O3复合薄膜作为MCP导电层，并对其制备工艺参数、体电阻调控以及体电阻稳定性进行了研究，着重研究了金属相Ru的ALD循环占循环总数比例对体电阻的影响规律，给出了适用于MCP导电层制备的Ru:Al2O3的ALD循环比例范围；根据不同器件偏压下MCP体电阻的测试结果，获得了工艺条件对体电阻量级及体电阻稳定性的影响规律。研究结果对于使用ALD工艺制备MCP器件功能层、提升ALD-MCP器件性能具有重要的工程意义。
研究MCP器件的体电阻变化规律，需要掌握其体电阻测试方法及相关原理。MCP体电阻的测试要求在真空环境中（<3×10−4 Pa）进行，具体的测试原理图如图1所示。
结合Ru和Al2O32种材料的ALD沉积工艺参数，能够实现Ru/Al2O3复合薄膜的制备。通过ALD交替通入2种前驱体，实现金属、陶瓷2类薄膜材料的交替生长，从而制备复合薄膜。将MCP基板作为衬底，进行导电层ALD复合薄膜的沉积。实验中将沉积一种导电材料外加沉积一种陶瓷介质材料组成的周期定义为一个子循环。单个子循环内包含若干个Ru和Al2O3的ALD循环，此外将薄膜生长期间内子循环的总数称为总循环。实验中通过调节单个子循环内Ru的ALD循环和Al2O3的ALD循环的比例，能够实现薄膜电阻的大范围调控，通过调节总循环内子循环的个数，能够实现薄膜厚度的精确控制，也能够在一定程度上控制薄膜电阻特性。实验中将子循环的个数均设置为10，选取多种子循环比例，进行复合薄膜的镀制，预期的Ru/Al2O3复合薄膜结构示意图如图2所示。
MCP在工作过程中，为了减少电流波动引起的噪声，需要保持体电阻的稳定性。选取表2中RA#5样品的ALD循环比条件，研究制备工艺对体电阻稳定性的影响。制备过程中控制3个方面的工艺条件：是否烘烤、吹扫时间、是否自然降温，最终获得3种工艺状态下的MCP器件并进行体电阻测试，所获得MCP的3种状态分别为：镀膜未烘烤、镀膜后高温烘烤、镀膜时加长ALD吹扫时间烘烤并随炉降温自然冷却。如图3a所示，给出了不同偏压条件下测得3种工艺状态制备的MCP器件体电阻测试结果，同时还列出了商用MCP器件的体电阻稳定性测试结果进行对比。图3b为4种样品10组偏压下测得的体电阻与器件体电阻平均值的差值，直接体现了不同工艺条件MCP器件100~1000 V偏压下的体电阻的稳定性。图3的结果表明，导电层薄膜成形后进行烘烤，能够使MCP的体电阻上升。但不同偏压下的测试结果表明，相较于未烘烤的MCP样品，烘烤后MCP的体电阻稳定性并未有所改善。如果在导电层制备时延长ALD工艺过程的吹扫时间，并在烘烤后让器件随炉冷却自然降温，最终获得的MCP体电阻明显升高。
应用ALD工艺制备了Ru/Al2O3复合薄膜作为MCP导电层，并对其体电阻以及体电阻随测试偏压变化的稳定性进行了研究，可以得出以下结论：应用ALD工艺能够制备得到厚度精确可控且结构致密的Al2O3和Ru纳米薄膜；应用ALD工艺交替沉积2种材料，能够获得高质量的Ru/Al2O3纳米复合薄膜，当复合薄膜中Al2O3薄膜的ALD循环次数一定时，随着金属相Ru薄膜ALD循环次数的增加，体电阻显著降低，当Al2O3薄膜ALD循环次数为10且Ru薄膜ALD循环次数为28~40时，能够实现体电阻从几至几百兆欧的调控；在应用ALD工艺制备Ru/Al2O3复合薄膜时，延长ALD工艺吹扫时间，并对成膜后的MCP进行烘烤，能够获得工艺稳定性好且体电阻特性优良的MCP器件。
该文章发表在《表面技术》第53卷第14期。
廉卓禧, 朱香平, 王丹, 等. 原子层沉积钌/氧化铝复合纳米薄膜的制备与电阻调控[J]. 表面技术, 2024, 53(14): 173-180.
LIAN Zhuoxi, ZHU Xiangping, WANG Dan, et al. Fabrication and Bulk Resistance Modulation of Ru/Al2O3 Composite Nanofilm by Atomic Layer Deposition[J]. Surface Technology, 2024, 53(14): 173-180.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.14.016
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审核|汪 潇
编辑|邓李旸
