CN106198711A - 一种探针法测量介质材料表面电位的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探针法测量介质材料表面电位的装置及方法，测量装置包括置于高真空***中脉冲电子枪、金属筒状收集极、探针、样品以及平板金属样品托；金属筒状收集极顶部开设有圆孔，脉冲电子枪发出的入射电子束穿过金属筒状收集极顶部圆孔垂直照射到样品上，样品与下方的平板金属样品托紧密相贴并通过电阻R₁接地；金属筒状收集极连接外加电源，探针与样品紧密相贴，并且位于样品以及脉冲电子枪发出的电子束斑点的中央，探针连接示波器；在测量装置中，增加了一个金属探针，配合二次电子发射系数与探针偏压关系曲线的测量过程，完成样品表面电位的测量，该***不仅结构简单，成本低，而且测量方法简便。

Description

一种探针法测量介质材料表面电位的装置及方法

技术领域

本发明属于电子科学与技术领域，具体涉及一种探针法测量介质材料表面电位的装置及方法。

背景技术

在研究电子束激发的二次电子发射现象中，往往采用金属筒状收集极偏压法对二次电子发射系数进行测量。当入射电子照射介质样品后，由于介质材料导电性差，致使样品材料表面会有电子积累，从而产生带电现象，进而影响二次电子发射特性。为了中和介质表面所带的电荷，可以采用迫使二次电子返回的技术，如负偏压金属筒状收集极的方法。这种方法可以使样品累积的电荷稳定在一个负带电的状态下。此时，经中和后，样品表面具有一个稳定的负电位。对该表面电位进行测量，对于深入研究样品的带电过程、研究二次电子发射的机理和二次电子的能量分布有十分重要的意义。

虽然基于振动电容原理的Kelvin探头是一种常见的较为准确的介质材料表面电位的测量方法，但是，将其应用于二次电子发射现象的研究中却有诸多不便之处。其一，由于探头的尺寸较大，会阻挡电子束照射样品。其二，若电子束先照射样品，然后再从照射区外移动Kelvin探头至照射区，这必然增加了真空设备的复杂性，使成本上升。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种简单、方便的探针法测量介质材料表面电位的装置及方法，***结构简单，成本低，而且测量方法简便。

为达到上述目的本发明采用如下方案：

一种探针法测量介质材料表面电位的装置，包括置于高真空***中脉冲电子枪、金属筒状收集极、探针、样品以及平板金属样品托；

金属筒状收集极顶部开设有圆孔，脉冲电子枪发出的入射电子束穿过金属筒状收集极顶部圆孔垂直照射到样品上，样品与下方的平板金属样品托紧密相贴并通过电阻R₁接地；金属筒状收集极连接外加电源，探针与样品紧密相贴，并且位于样品以及脉冲电子枪发出的电子束斑点的中央，探针连接示波器；探针经过开关与外加电源连接，探针加负偏压，流过探针的电流I_p经过电阻R_p后用示波器测出。

进一步，所述探针直径为0.1～0.5mm，探针长度为2～5cm。

进一步，所述探针所加偏压范围为0～-100V，偏压可调。

一种探针法测量介质材料表面电位的方法，包括以下步骤：

步骤一：样品表面电荷的中和

在两次测量之间，对前一次测量后表面累积的电荷进行中和，若原先样品表面电位较金属筒状收集极偏压为正，由样品出射的二次电子被反射回样品，使得样品表面电位下降；反之，若原先样品表面电位较金属筒状收集极偏压为负，由样品出射的二次电子被金属筒状收集极接收，使得样品表面电位上升；

(2)步骤二：介质材料表面电位的测量

首先，介质材料在某个表面电位时，开关处于断开状态下，对二次电子发射系数δ0进行测量；

其次，在同样表面电位的情况下，开关处于闭合状态时，进行二次电子发射系数与探针偏压关系的测量；

最后是比较二次电子发射系数δ0和二次电子发射系数与探针的偏压，得出介质材料表面电位。

进一步，步骤一，开关处于断开状态下测量二次电子发射系数δ0的具体方法如下：

当样品中和后，样品表面具有一个表面电位，在该表面电位的状态下，设置金属筒状收集极偏压为正偏压+40V，并保持开关为断开状态，然后测量样品二次电子发射系数δ0；

测量时，触发脉冲电子枪使其输出单次脉冲电子束，同时，从示波器中分别测量出金属筒状收集极和样品所接收到的电流分别为I₂和I₁，这样，二次电子发射系数δ0表示为：

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{I_2}{I_1+I_2}---\left(1\right)$

开关处于闭合状态时，进行二次电子发射系数与探针偏压关系的测量方法如下：

当样品中和后，样品表面具有一个表面电位，在该表面电位的状态下，设置金属筒状收集极偏压为正偏压+40V，并保持开关为闭合状态，然后给定一个探针偏压，再测量流过金属筒状收集极、样品、探针的电流I₂、I₁和I_p，再按照式(2)计算二次电子发射系数；

$SEY\left(V_p\right)=\frac{I_2}{I_1+I_2+I_p}---\left(2\right)$

在样品中和后，多次改变探针的偏压，进行二次电子发射系数的测量，得到二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线。

进一步，具体测量过程如下：

(1)准备阶段：将真空室抽至高真空状态，待气压低于3×10^-3Pa后，开启脉冲电子枪的控制***，调节脉冲电子枪参数，使脉冲电子枪处于良好聚焦状态；

(2)对样品中和：固定电子束入射能量为200eV；将金属筒状收集极偏压设为-40V；断开开关；触发脉冲电子枪工作于连续输出脉冲状态，中和时间约1分钟；

(3)δ0的测量：给定电子束入射能量；设定金属筒状收集极偏压为+40V；开关保持断开状态；触发单次电子束照射样品，读出金属筒状收集极、样品电流I₂、I₁，按照(1)式计算二次电子发射系数；

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{I_2}{I_1+I_2}---\left(1\right)$

(4)对样品中和

(5)二次电子发射系数与探针偏压关系的测量：在同样的电子束入射能量下，设定金属筒状收集极偏压为+40V；开关处于闭合状态；给定一个探针偏压；触发单次电子束照射样品，读出金属筒状收集极、样品以及探针的电流I₂、I₁和I_p，按照式(2)计算二次电子发射系数；

$SEY\left(V_p\right)=\frac{I_2}{I_1+I_2+I_p}---\left(2\right)$

(6)重复(4)～(5)的过程，直至获得二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线；

(7)依据二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线中两条直线的交点，得到介质材料表面电位。

本发明提供了一种简单方便的测量出二次电子发射过程中介质材料样品表面电位的方法和装置，测量装置包括置于高真空***中脉冲电子枪、金属筒状收集极、探针、样品以及平板金属样品托；在测量装置中，增加了一个金属探针，配合二次电子发射系数与探针偏压关系曲线的测量过程，完成样品表面电位的测量，该***不仅结构简单，成本低，而且测量方法简便。

附图说明

图1介质材料表面电位测量装置示意图

图2探针与样品以及电子束斑的位置关系示意图

图3探针电位Vp对SEY的影响

图4 PI的测量结果

具体实施方式

下面通过实施例，对本发明作进一步的说明，但本发明并不限于以下实施例。

1、介质材料表面电位测量装置

图1所示的是介质材料表面电位测量装置的原理示意图。其中，脉冲电子枪1、金属筒状收集极2、探针3、样品4以及平板金属样品托5被置于高真空***中。当脉冲电子枪发出的入射电子束，以一定的能量穿过金属筒状收集极上的圆孔和栅极，垂直照射到样品上时，样品便产生二次电子。

测量时，真空度约为2～4×10^-4Pa。样品与下方的金属样品托紧密相贴并通过电阻R₁接地，R₂用于测量收集极电流。在测量二次电子发射系数时，金属筒状收集极的偏压为正偏压，即+40V。在中和样品表面电荷时，金属筒状收集极的偏压为负偏压，即-40V。

在测量装置中增加了一个金属探针，为了尽可能减小探针的引入造成样品二次电子发射系数的变化，探针的直径越小越好，一般取0.1～0.5mm。探针长度一般为2～5cm。探针与样品紧紧相贴，并且位于样品以及电子束斑点的中央，如图2所示。

探针经过开关K_p与外加电源连接，探针所加的偏压范围为0～-100V可调。流过探针的电流I_p经过电阻R_p后用示波器测出。

2、介质材料表面电位的测量方法

理论研究表明，样品的表面电位会很大程度上影响金属筒状收集极接收二次电子的效率。因此，当改变探针的偏压时，金属筒状收集极接收二次电子的效率将发生变化。也就是说，当探针的偏压低于表面电位时，会使得一部分二次电子返回表面，不被金属筒状收集极接收，使得二次电子发射系数下降。探针的偏压越低，二次电子发射系数越小。反之，当探针的偏压高于表面电位时，所有出射的二次电子均被金属筒状收集极接收，二次电子发射系数基本不随探针偏压的变化而变化。

按照上述原理，本发明涉及的介质材料表面电位的测量，主要分为二个步骤，步骤一为样品表面电荷的中和，步骤二为表面电位的测量。

(1)步骤一：样品表面电荷的中和

在进行介质材料二次电子发射系数的测量过程中，当上一次测量工作完成后，样品表面会累积电荷，这会影响下一次测量的准确度。因此，在两次测量之间，应该对前一次测量后表面累积的电荷进行中和。

中和的基本思想是，若原先样品表面电位较金属筒状收集极偏压为正，由样品出射的二次电子被反射回样品，使得样品表面电位下降。反之，若原先样品表面电位较金属筒状收集极偏压为负，由样品出射的二次电子被金属筒状收集极接收，使得样品表面电位上升。

中和时，入射电子能量选取为200eV；设置金属筒状收集极偏压为负偏压，一般为-40V；同时，设开关K_p为断开状态；此时，触发脉冲电子枪使其输出周期性的脉冲电子束照射样品约60s。

中和后，样品表面带有一个表面电位，表面电位的大小与中和时金属筒状收集极的偏压有关。该电位就是我们所要测量的。

(2)步骤二：介质材料表面电位的测量

为了实现介质材料表面电位的测量，我们要做以下三件事。首先，介质材料在某个表面电位时，开关K_p处于断开状态下对应的二次电子发射系数δ0的测量；其次，在同样表面电位的情况下，开关K_p处于闭合状态时，二次电子发射系数与探针偏压关系的测量；最后是比较前二者，得出表面电位。

开关K_p处于断开状态下的二次电子发射系数δ0的测量

当样品中和后，样品表面具有一个表面电位。在该表面电位的状态下，设置金属筒状收集极偏压为正偏压+40V，并保持开关K_p为断开状态，然后测量样品二次电子发射系数δ0。测量时，触发脉冲电子枪使其输出单次脉冲电子束，同时，从示波器中分别测量出金属筒状收集极和样品所接收到的电流分别为I₂和I₁，这样，二次电子发射系数δ0可以表示为：

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{I_2}{I_1+I_2}---\left(1\right)$

开关K_p为闭合状态下二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线SEY～Vp

当样品中和后，样品表面具有一个表面电位。在该表面电位的状态下，设置金属筒状收集极偏压为正偏压+40V，并保持开关K_p为闭合状态，然后给定一个探针偏压，再测量流过金属筒状收集极、样品、探针的电流I₂、I₁和I_p，再按照式(2)计算二次电子发射系数。

为了获得二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线，应该在样品中和后，改变探针的偏压，再次进行二次电子发射系数的测量。

$SEY\left(V_p\right)=\frac{I_2}{I_1+I_2+I_p}---\left(2\right)$

图3是二次电子发射系数与探针偏压的关系示意图。其中δ0代表开关K_p处于断开状态时样品的二次电子发射系数，点状符号代表开关K_p处于接通状态时二次电子发射系数。

表面电位的得出

计算表明，当探针电位高于表面电位时，二次电子发射系数与探针偏压无关，如图3中δ0处的水平线。当探针电位低于表面电位时，二次电子发射系数与探针偏压在一定范围内呈线性关系，如图3中的斜线。因此，二条直线的交点处对应的探针偏压就代表了样品的表面电位。

3、具体测量过程

(1)准备阶段：将真空室抽至高真空状态，待气压低于3×10^-3Pa后，开启脉冲电子枪的控制***，调节脉冲电子枪参数，使脉冲电子枪处于良好聚焦状态。

(2)对样品中和：固定电子束入射能量为200eV；将金属筒状收集极偏压设为-40V；断开开关K_p；触发脉冲电子枪工作于连续输出脉冲状态。中和时间约1分钟。

(3)δ0的测量：给定电子束入射能量；设定金属筒状收集极偏压为+40V；开关K_p保持断开状态；触发单次电子束照射样品，读出金属筒状收集极、样品电流I₂、I₁，按照(1)式计算二次电子发射系数。

(4)对样品中和。

(5)二次电子发射系数与探针偏压关系的测量：在同样的电子束入射能量下，设定金属筒状收集极偏压为+40V；开关K_p处于闭合状态；给定一个探针偏压；触发单次电子束照射样品，读出金属筒状收集极、样品以及探针的电流I₂、I₁和I_p，按照式(2)计算二次电子发射系数。

(6)重复(4)～(5)的过程，直至获得二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线。

(7)依据两条直线的交点，得到表面电位。

按照本发明方法，我们测量了厚度约30μm的PI(聚酰亚胺)样品的表面电位，结果如图4所示。测量结果表明，PI样品经过中和后，其表面电位约为-28V。

Claims (6)

1.一种探针法测量介质材料表面电位的装置，其特征在于：包括置于高真空***中脉冲电子枪(1)、金属筒状收集极(2)、探针(3)、样品(4)以及平板金属样品托(5)；

金属筒状收集极(2)顶部开设有圆孔，脉冲电子枪(1)发出的入射电子束穿过金属筒状收集极(2)顶部圆孔垂直照射到样品(4)上，样品(4)与下方的平板金属样品托(5)紧密相贴并通过电阻R₁接地；金属筒状收集极(2)连接外加电源，探针(3)与样品(4)紧密相贴，并且位于样品(4)以及脉冲电子枪(1)发出的电子束斑点的中央，探针(3)连接示波器；探针(3)经过开关(K_p)与外加电源连接，探针加负偏压，流过探针(3)的电流I_p经过电阻R_p后用示波器测出。

2.如权利要求1所述的探针法测量介质材料表面电位的装置及方法，其特征在于：所述探针(3)直径为0.1～0.5mm，探针长度为2～5cm。

3.如权利要求1所述的探针法测量介质材料表面电位的装置及方法，其特征在于：所述探针(3)所加偏压范围为0～-100V，偏压可调。

4.一种基于权利要求1装置的探针法测量介质材料表面电位的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：样品表面电荷的中和

在两次测量之间，对前一次测量后表面累积的电荷进行中和，若原先样品表面电位较金属筒状收集极偏压为正，由样品出射的二次电子被反射回样品，使得样品表面电位下降；反之，若原先样品表面电位较金属筒状收集极偏压为负，由样品出射的二次电子被金属筒状收集极接收，使得样品表面电位上升；

(2)步骤二：介质材料表面电位的测量

首先，介质材料在某个表面电位时，开关(K_p)处于断开状态下，对二次电子发射系数δ0进行测量；

其次，在同样表面电位的情况下，开关(K_p)处于闭合状态时，进行二次电子发射系数与探针偏压关系的测量；

最后是比较二次电子发射系数δ0和二次电子发射系数与探针的偏压，得出介质材料表面电位。

5.如权利要求4所述的探针法测量介质材料表面电位的方法，其特征在于：步骤一，开关(K_p)处于断开状态下测量二次电子发射系数δ0的具体方法如下：

当样品中和后，样品表面具有一个表面电位，在该表面电位的状态下，设置金属筒状收集极偏压为正偏压+40V，并保持开关(K_p)为断开状态，然后测量样品二次电子发射系数δ0；

测量时，触发脉冲电子枪使其输出单次脉冲电子束，同时，从示波器中分别测量出金属筒状收集极和样品所接收到的电流分别为I₂和I₁，这样，二次电子发射系数δ0表示为：

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{I_2}{I_1+I_2}---\left(1\right)$

开关(K_p)处于闭合状态时，进行二次电子发射系数与探针偏压关系的测量方法如下：

当样品中和后，样品表面具有一个表面电位，在该表面电位的状态下，设置金属筒状收集极偏压为正偏压+40V，并保持开关(K_p)为闭合状态，然后给定一个探针偏压，再测量流过金属筒状收集极、样品、探针的电流I₂、I₁和I_p，再按照式(2)计算二次电子发射系数；

$SEY\left(V_p\right)=\frac{I_2}{I_1+I_2+I_p}---\left(2\right)$

在样品中和后，多次改变探针的偏压，进行二次电子发射系数的测量，得到二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线。

6.如权利要求4所述的探针法测量介质材料表面电位的方法，其特征在于具体测量过程如下：

(1)准备阶段：将真空室抽至高真空状态，待气压低于3×10^-3Pa后，开启脉冲电子枪的控制***，调节脉冲电子枪参数，使脉冲电子枪处于良好聚焦状态；

(2)对样品中和：固定电子束入射能量为200eV；将金属筒状收集极偏压设为-40V；断开开关(K_p)；触发脉冲电子枪工作于连续输出脉冲状态，中和时间约1分钟；

(3)δ0的测量：给定电子束入射能量；设定金属筒状收集极偏压为+40V；开关(K_p)保持断开状态；触发单次电子束照射样品，读出金属筒状收集极、样品电流I₂、I₁，按照(1)式计算二次电子发射系数；

${\mathrm{\δ}}_0=\frac{I_2}{I_1+I_2}---\left(1\right)$

(4)对样品中和

(5)二次电子发射系数与探针偏压关系的测量：在同样的电子束入射能量下，设定金属筒状收集极偏压为+40V；开关(K_p)处于闭合状态；给定一个探针偏压；触发单次电子束照射样品，读出金属筒状收集极、样品以及探针的电流I₂、I₁和I_p，按照式(2)计算二次电子发射系数；

$SEY\left(V_p\right)=\frac{I_2}{I_1+I_2+I_p}---\left(2\right)$

(6)重复(4)～(5)的过程，直至获得二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线；

(7)依据二次电子发射系数与探针偏压的关系曲线中两条直线的交点，得到介质材料表面电位。