介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統及其測量方法

2023-10-07 15:32:09

介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統及其測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統及其測量方法，該系統包括：電子槍、桶狀收集極、樣品託、以及總電源，其中，桶狀收集極的頂端開設有圓孔，樣品託設置於桶狀收集極中，電子槍設置於桶狀收集極外側，樣品託、圓孔、以及電子槍發射端均在同一直線上；樣品託通過第一電阻與總電源的接地端相連，電子槍與總電源的負極相連；桶狀收集極上連接有正負極相反的第一電源和第二電源，第一電源和第二電源的另一端連接有轉換開關，轉換開關通過第二電阻與總電源的接地端相連接。本發明只需要一把電子槍，一個收集極，就能夠對樣品的二次電子發射係數進行測試，使得測量周期縮短，效率提高，並且本發明的測量系統結構簡單，成本低。
【專利說明】介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統及其測量方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電子科學與【技術領域】，具體涉及一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統及其測量方法。
【背景技術】
[0002]在進行介質材料二次電子發射係數(SEY)的測量時，由於介質材料導電性差，使得在測量過程中介質材料表面產生帶電現象。帶電現象導致樣品表面電位發生改變,致使材料二次電子發射係數的測量不準確甚至無法進行測量。在現有介質材料二次電子發射係數的測量方法中，為了消除材料的帶電現象，早期，人們採用單脈衝的電子槍法進行測量。在單脈衝測量方法中，要求在兩次脈衝間隔期間，設法對樣品加熱，使樣品表面已經帶的電荷洩放出去。單脈衝法測量周期長，很費時間，因而測量效率不高。目前，廣泛採用的是雙電子槍的測量方法。在雙電子槍中，脈衝電子槍作為測量槍，直流電子槍作為中和槍。這兩把電子槍的配合十分重要，例如，測量槍的電流要小於中和槍的電流；中和槍出射的電子束希望是彌散的；由中和槍發射的電子束能量要小於leV。此外，在測量裝置中，收集極與樣品間需要有多層接地的柵網配合等等。這些因素使得整個測量裝置非常複雜，成本較高，而且測量方法也複雜。

【發明內容】

[0003]本發明的目的在於克服現有技術中的問題，提供一種測量周期短、效率高的介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統及其測量方法。
[0004]為達到以上目的，本發明的技術方案為:
[0005]一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，包括:電子槍、桶狀收集極、樣品託、以及總電源，其中，桶狀收集極的頂端開設有圓孔，樣品託設置於桶狀收集極中，電子槍設置於桶狀收集極外側，樣品託、圓孔、以及電子槍發射端均在同一直線上；
[0006]樣品託通過第一電阻與總電源的正極相連，總電源的正極接地，電子槍與總電源的負極相連；
[0007]桶狀收集極上連接有正負極相反的第一電源和第二電源，第一電源和第二電源的另一端連接有轉換開關，轉換開關通過第二電阻與總電源的正極相連接。
[0008]還包括真空室，電子槍、桶狀收集極、以及樣品託設置於真空室中。
[0009]所述真空室的真空氣壓小於3X 10_3Pa。
[0010]所述總電源為直流高壓穩壓電源。
[0011]所述第一電源和第二電源為電壓為40V的直流電源。
[0012]一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，包括以下步驟:
[0013]I)調節電子槍參數以及總電源的負輸出，以使得電子槍發射出聚焦狀態的電子束；
[0014]2)在第一電阻和第二電阻上連接示波器；[0015]3)調節轉換開關，使得桶狀收集極與電極為正極的第一電源連通，並使電子槍工作於單次脈衝狀態，用示波器記錄下流過第一電阻的第一單次電流脈衝波形，以及流過第二電阻的第二單次電流脈衝波形；
[0016]4)根據第一單次電流脈衝波形和第二單次電流脈衝波形，讀出第一單次電流脈衝波形和第二單次電流脈衝波形的幅度，計算出二次電子發射係數；
[0017]5)保持總電源的輸出不變，調節轉換開關，將桶狀收集極與電極為負極的第二電源連通，讓電子槍工作在連續脈衝狀態，以中和樣品表面所帶的正電荷；
[0018]6)重複I)?5)的過程，繪製二次電子發射係數與入射電子能量的關係曲線。
[0019]所述電子槍發射出聚焦狀態的電子束能量為20?3000eV。
[0020]所述步驟3)中，電子槍工作於單次脈衝狀態時脈衝寬度為120?200us。
[0021]所述步驟5)中，電子槍工作在連續脈衝狀態時的脈衝寬度為120?200us，脈衝重複頻率為100?1000Hz，電子槍工作時間為10?30s。
[0022]其特徵在於，所述電子槍、桶狀收集極、以及樣品託設置於真空室中，且真空室的真空氣壓小於3X10-3Pa。
[0023]與現有技術比較，本發明的有益效果為:
[0024]本發明提供了一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，由於本發明中，在用於收集二次電子的桶狀收集極上連接有能夠進行正負極切換的電源，使得在進行完一次測量後，通過轉換開關將桶狀收集極與電源負極相連接，對上一次測量時，樣品表面遺留下的正電荷進行中和，消除了樣品的帶電現象，因此，本發明只需要一把電子槍，一個收集極，就能夠對樣品的二次電子發射係數進行測試，使得測量周期縮短，效率提高，並且本發明的測量系統結構簡單，成本低。
[0025]本發明還提供了一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，由於樣品表面帶正電荷，這些電荷的存在將影響下一次的測量，因此，通過對收集極施加負偏壓，使得樣品出射的二次電子都被反射回樣品，將樣品表面的正電荷中和掉，達到消除樣品表面帶正電荷的目的，因此，與現有技術相比較，本發明測量方法簡便，並且能夠提高了二次電子發射係數測試的準確性，縮短了測量周期，提高了測試效率，並且測量方法簡便。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發明的介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統結構示意圖；
[0027]圖2是本發明實施例Si02薄膜材料二次電子發射係數的測量結果曲線圖。
[0028]圖中，I為電子槍,2為桶狀收集極,3為樣品託,4為總電源,5為第一電源,6為第二電源，7為轉換開關。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖對本發明做詳細描述。
[0030]如圖1所示，本發明提供了一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，包括:電子槍1、桶狀收集極2、樣品託3、以及總電源4，其中，電子槍1、桶狀收集極2、以及樣品託3設置於真空室中，真空室內的真空度為高真空，真空室的真空氣壓小於3X10-3Pa ;總電源4為直流高壓穩壓電源。真空室內的桶狀收集極2的頂端開設有圓孔，樣品託3設置於桶狀收集極2中，電子槍I設置於桶狀收集極2外側，樣品託3、圓孔、以及電子槍I發射端均在同一直線上；當電子槍I發出的電子束，以一定的能量穿過桶狀收集極2上的圓孔，轟擊到樣品時，樣品便產生二次電子。
[0031]樣品託3通過第一電阻Rl與總電源4的正極相連，總電源4的正極接地，電子槍I與總電源4的負極相連；電子槍I的燈絲接直流高壓穩壓電源的負輸出，樣品託3接直流高壓穩壓電源的接地端，這樣，電子束轟擊樣品時的能量就由直流高壓穩壓電源的輸出決定，電子槍I的輸出束流由電子槍燈絲電流或調製極電位控制，此外，電子槍I可以工作在單次脈衝或連續脈衝狀態，電子槍I的工作狀態可以通過控制電子槍中調製極電位的狀態(單次或連續脈衝)來實現。
[0032]桶狀收集極2上連接有正負極相反的第一電源5和第二電源6，第一電源5和第二電源6的另一端連接有轉換開關7，轉換開關7通過第二電阻R2與總電源4的接地端相連接，其中，所述第一電源5和第二電源6為電壓為40V的直流電源。
[0033]需要說明的，本發明中桶狀收集極2為金屬桶狀收集極，樣品託3為平板金屬樣品託，轉換開關7為單刀雙擲開關。
[0034]本發明的工作原理為:
[0035]在進行二次電子發射係數的測量時，電子槍I工作在單次脈衝狀態脈衝寬度為120?200us，總電源2與第一電源5連接，桶狀收集極2電位比樣品電位高40伏，以利於收集二次電子。樣品發射出的二次電子被桶狀收集極2捕獲形成二次電子對應的電流，該電流經取樣第二電阻R2由示波器測出。與此同時，經樣品託也形成一個電流脈衝，經取樣第一電阻Rl由示波器測出。由示波器記錄的第一電阻R1、第二電阻R2上的脈衝峰值URl和UR2，計算出二次電子發射係數SEYJP SEY=UR2/ (UR1+UR2)。
[0036]當上一次測量工作完成後，樣品表面會帶電荷，電荷的極性可以從SEY的大小判斷出來。若SEY>1，則樣品表面帶正電荷；若SEY〈1，則樣品表面帶負電荷。這些電荷的存在將影響下一次的測量。因此，在二次測量之間，應該對上一次測量遺留下的電荷進行中和。中和是在樣品表面帶正電荷時進行的。中和時，設置桶狀收集極2電位比樣品電位低40伏，入射電子能量保持上一次測量時的能量，並讓電子槍工作在連續脈衝狀態。中和的基本原理是，在桶狀收集極2為負偏壓時，樣品出射的二次電子基本上都被反射回樣品，將樣品表面的正電荷中和掉。合理選擇電子槍I工作時的脈衝寬度、脈衝重複頻率、電子槍I工作時間是必要的。以Si02薄膜為例，實驗結果表明，電子槍工作時的脈衝寬度為120?200us，脈衝重複頻率為100?1000Hz，電子槍工作時間為10?30s時，中和效果較好。
[0037]若上一次的測量工作結束後，樣品表面帶負電荷的話，可以通過改變電子束入射能量並對樣品進行轟擊，讓樣品表面帶正電荷後，再按上述方法進行中和。
[0038]本發明還提供了一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，包括以下步驟:
[0039]I)調節電子槍參數以及總電源4的負輸出，以使得電子槍發射出聚焦狀態的電子束，電子束能量為20?3000eV ；
[0040]2)在第一電阻Rl和第二電阻R2上連接示波器；
[0041]3)調節轉換開關7，使得桶狀收集極2與電極為正極的第一電源5連通，並使電子槍工作於單次脈衝狀態，用示波器記錄下流過第一電阻Rl的第一單次電流脈衝波形，以及流過第二電阻R2的第二單次電流脈衝波形，電子槍工作於單次脈衝狀態時脈衝寬度為120 ?200us ；
[0042]4)根據第一單次電流脈衝波形和第二單次電流脈衝波形，讀出第一單次電流脈衝波形和第二單次電流脈衝波形的幅度，計算出二次電子發射係數；
[0043]5)保持總電源4的輸出不變，調節轉換開關7，將桶狀收集極2與電極為負極的第二電源6連通，讓電子槍工作在連續脈衝狀態，以中和樣品表面所帶的正電荷，電子槍工作在連續脈衝狀態時的脈衝寬度為120?200us，脈衝重複頻率為100?1000Hz，電子槍工作時間為10?30s ；
[0044]6)重複I)?5)的過程，繪製二次電子發射係數與入射電子能量的關係曲線。
[0045]需要說明的是，本發明中所述電子槍1、桶狀收集極2、以及樣品託3設置於真空室中，且真空室的真空氣壓小於3 X 10-3Pa。
[0046]實驗結果:
[0047]下面以以Si02薄膜為例，按照本發明的測量方法，測量了 Si襯底上，厚度約500nm的Si02薄膜樣品的二次電子發射係數，結果如圖2所示。測量結果表明，Si02薄膜樣品SEY的最大值約4.1，最大值的位置約400eV。整個曲線較為光滑，未出現明顯的帶電現象。說明本發明的測量結果可行。
[0048]另外，顯示出，電子槍I工作時的脈衝寬度為120?200us，脈衝重複頻率為100?1000Hz,電子槍I工作時間為10?30s時，中和效果較好。
[0049]本發明對研究介質材料二次電子發射特性，提供了一種新的測量系統和測量方法。該系統不僅結構簡單，成本低，而且測量方法簡便、測量周期短效率高。
【權利要求】
1.一種介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，其特徵在於，包括:電子槍(I)、桶狀收集極(2)、樣品託(3)、以及總電源(4)，其中，桶狀收集極(2)的頂端開設有圓孔，樣品託(3)設置於桶狀收集極(2)中，電子槍(I)設置於桶狀收集極(2)外側，樣品託(3)、圓孔、以及電子槍(I)發射端均在同一直線上； 樣品託(3)通過第一電阻(Rl)與總電源(4)的正極相連，總電源(4)的正極接地，電子槍(I)與總電源(4)的負極相連； 桶狀收集極(2)上連接有正負極相反的第一電源(5)和第二電源(6)，第一電源(5)和第二電源(6)的另一端連接有轉換開關(7)，轉換開關(7)通過第二電阻(R2)與總電源(4)的正極相連接。
2.根據權利要求1所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，其特徵在於，還包括真空室，電子槍(I)、桶狀收集極(2)、以及樣品託(3)設置於真空室中。
3.根據權利要求2所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，其特徵在於，所述真空室的真空氣壓小於3X 10_3Pa。
4.根據權利要求1所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，其特徵在於，所述總電源(4)為直流高壓穩壓電源。
5.根據權利要求1所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量系統，其特徵在於，所述第一電源(5)和第二電源(6)為電壓為40V的直流電源。
6.一種基於權利要求1所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，其特徵在於，包括以下步驟: 1)調節電子槍參數以及總電源(4)的負輸出，以使得電子槍發射出聚焦狀態的電子束； 2)在第一電阻(Rl)和第二電阻(R2)上連接示波器； 3)調節轉換開關(7)，使得桶狀收集極(2)與電極為正極的第一電源(5)連通，並使電子槍工作於單次脈衝狀態，用示波器記錄下流過第一電阻(Rl)的第一單次電流脈衝波形，以及流過第二電阻(R2)的第二單次電流脈衝波形； 4)根據第一單次電流脈衝波形和第二單次電流脈衝波形，讀出第一單次電流脈衝波形和第二單次電流脈衝波形的幅度，計算出二次電子發射係數； 5)保持總電源(4)的輸出不變，調節轉換開關(7)，將桶狀收集極(2)與電極為負極的第二電源(6)連通，讓電子槍工作在連續脈衝狀態，以中和樣品表面所帶的正電荷； 6)重複I)?5)的過程，繪製二次電子發射係數與入射電子能量的關係曲線。
7.根據權利要求6所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，其特徵在於，所述電子槍發射出聚焦狀態的電子束能量為20?3000eV。
8.根據權利要求6所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，其特徵在於，所述步驟3)中，電子槍工作於單次脈衝狀態時脈衝寬度為120?200us。
9.根據權利要求6所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，其特徵在於，所述步驟5)中，電子槍工作在連續脈衝狀態時的脈衝寬度為120?200us，脈衝重複頻率為100?1000Hz,電子槍工作時間為10?30s。
10.根據權利要求6至9任一項所述的介質薄膜的二次電子發射係數的測量方法，其特徵在於，所述電子槍(I)、桶狀收集極(2)、以及樣品託(3)設置於真空室中，且真空室的真空氣壓小於3Xl(T3Pa。
【文檔編號】G01N23/22GK103713001SQ201310647561
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】翁明, 曹猛, 張海波 申請人:西安交通大學