本發(fā)明屬于電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種探針法測量介質(zhì)材料表面電位的裝置及方法。

背景技術(shù)：

在研究電子束激發(fā)的二次電子發(fā)射現(xiàn)象中，往往采用金屬筒狀收集極偏壓法對二次電子發(fā)射系數(shù)進行測量。當入射電子照射介質(zhì)樣品后，由于介質(zhì)材料導(dǎo)電性差，致使樣品材料表面會有電子積累，從而產(chǎn)生帶電現(xiàn)象，進而影響二次電子發(fā)射特性。為了中和介質(zhì)表面所帶的電荷，可以采用迫使二次電子返回的技術(shù)，如負偏壓金屬筒狀收集極的方法。這種方法可以使樣品累積的電荷穩(wěn)定在一個負帶電的狀態(tài)下。此時，經(jīng)中和后，樣品表面具有一個穩(wěn)定的負電位。對該表面電位進行測量，對于深入研究樣品的帶電過程、研究二次電子發(fā)射的機理和二次電子的能量分布有十分重要的意義。

雖然基于振動電容原理的Kelvin探頭是一種常見的較為準確的介質(zhì)材料表面電位的測量方法，但是，將其應(yīng)用于二次電子發(fā)射現(xiàn)象的研究中卻有諸多不便之處。其一，由于探頭的尺寸較大，會阻擋電子束照射樣品。其二，若電子束先照射樣品，然后再從照射區(qū)外移動Kelvin探頭至照射區(qū)，這必然增加了真空設(shè)備的復(fù)雜性，使成本上升。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種簡單、方便的探針法測量介質(zhì)材料表面電位的裝置及方法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而且測量方法簡便。

為達到上述目的本發(fā)明采用如下方案：

一種探針法測量介質(zhì)材料表面電位的裝置，包括置于高真空系統(tǒng)中脈沖電子槍、金屬筒狀收集極、探針、樣品以及平板金屬樣品托；

金屬筒狀收集極頂部開設(shè)有圓孔，脈沖電子槍發(fā)出的入射電子束穿過金屬筒狀收集極頂部圓孔垂直照射到樣品上，樣品與下方的平板金屬樣品托緊密相貼并通過電阻R₁接地；金屬筒狀收集極連接外加電源，探針與樣品緊密相貼，并且位于樣品以及脈沖電子槍發(fā)出的電子束斑點的中央，探針連接示波器；探針經(jīng)過開關(guān)與外加電源連接，探針加負偏壓，流過探針的電流I_p經(jīng)過電阻R_p后用示波器測出。

進一步，所述探針直徑為0.1～0.5mm，探針長度為2～5cm。

進一步，所述探針所加偏壓范圍為0～-100V，偏壓可調(diào)。

一種探針法測量介質(zhì)材料表面電位的方法，包括以下步驟：

步驟一：樣品表面電荷的中和

在兩次測量之間，對前一次測量后表面累積的電荷進行中和，若原先樣品表面電位較金屬筒狀收集極偏壓為正，由樣品出射的二次電子被反射回樣品，使得樣品表面電位下降；反之，若原先樣品表面電位較金屬筒狀收集極偏壓為負，由樣品出射的二次電子被金屬筒狀收集極接收，使得樣品表面電位上升；

(2)步驟二：介質(zhì)材料表面電位的測量

首先，介質(zhì)材料在某個表面電位時，開關(guān)處于斷開狀態(tài)下，對二次電子發(fā)射系數(shù)δ0進行測量；

其次，在同樣表面電位的情況下，開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，進行二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓關(guān)系的測量；

最后是比較二次電子發(fā)射系數(shù)δ0和二次電子發(fā)射系數(shù)與探針的偏壓，得出介質(zhì)材料表面電位。

進一步，步驟一，開關(guān)處于斷開狀態(tài)下測量二次電子發(fā)射系數(shù)δ0的具體方法如下：

當樣品中和后，樣品表面具有一個表面電位，在該表面電位的狀態(tài)下，設(shè)置金屬筒狀收集極偏壓為正偏壓+40V，并保持開關(guān)為斷開狀態(tài)，然后測量樣品二次電子發(fā)射系數(shù)δ0；

測量時，觸發(fā)脈沖電子槍使其輸出單次脈沖電子束，同時，從示波器中分別測量出金屬筒狀收集極和樣品所接收到的電流分別為I₂和I₁，這樣，二次電子發(fā)射系數(shù)δ0表示為：

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

開關(guān)處于閉合狀態(tài)時，進行二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓關(guān)系的測量方法如下：

當樣品中和后，樣品表面具有一個表面電位，在該表面電位的狀態(tài)下，設(shè)置金屬筒狀收集極偏壓為正偏壓+40V，并保持開關(guān)為閉合狀態(tài)，然后給定一個探針偏壓，再測量流過金屬筒狀收集極、樣品、探針的電流I₂、I₁和I_p，再按照式(2)計算二次電子發(fā)射系數(shù)；

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

在樣品中和后，多次改變探針的偏壓，進行二次電子發(fā)射系數(shù)的測量，得到二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓的關(guān)系曲線。

進一步，具體測量過程如下：

(1)準備階段：將真空室抽至高真空狀態(tài)，待氣壓低于3×10^-3Pa后，開啟脈沖電子槍的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)脈沖電子槍參數(shù)，使脈沖電子槍處于良好聚焦狀態(tài)；

(2)對樣品中和：固定電子束入射能量為200eV；將金屬筒狀收集極偏壓設(shè)為-40V；斷開開關(guān)；觸發(fā)脈沖電子槍工作于連續(xù)輸出脈沖狀態(tài)，中和時間約1分鐘；

(3)δ0的測量：給定電子束入射能量；設(shè)定金屬筒狀收集極偏壓為+40V；開關(guān)保持斷開狀態(tài)；觸發(fā)單次電子束照射樣品，讀出金屬筒狀收集極、樣品電流I₂、I₁，按照(1)式計算二次電子發(fā)射系數(shù)；

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

(4)對樣品中和

(5)二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓關(guān)系的測量：在同樣的電子束入射能量下，設(shè)定金屬筒狀收集極偏壓為+40V；開關(guān)處于閉合狀態(tài)；給定一個探針偏壓；觸發(fā)單次電子束照射樣品，讀出金屬筒狀收集極、樣品以及探針的電流I₂、I₁和I_p，按照式(2)計算二次電子發(fā)射系數(shù)；

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

(6)重復(fù)(4)～(5)的過程，直至獲得二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓的關(guān)系曲線；

(7)依據(jù)二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓的關(guān)系曲線中兩條直線的交點，得到介質(zhì)材料表面電位。

本發(fā)明提供了一種簡單方便的測量出二次電子發(fā)射過程中介質(zhì)材料樣品表面電位的方法和裝置，測量裝置包括置于高真空系統(tǒng)中脈沖電子槍、金屬筒狀收集極、探針、樣品以及平板金屬樣品托；在測量裝置中，增加了一個金屬探針，配合二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓關(guān)系曲線的測量過程，完成樣品表面電位的測量，該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單，成本低，而且測量方法簡便。

附圖說明

圖1介質(zhì)材料表面電位測量裝置示意圖

圖2探針與樣品以及電子束斑的位置關(guān)系示意圖

圖3探針電位Vp對SEY的影響

圖4 PI的測量結(jié)果

具體實施方式

下面通過實施例，對本發(fā)明作進一步的說明，但本發(fā)明并不限于以下實施例。

1、介質(zhì)材料表面電位測量裝置

圖1所示的是介質(zhì)材料表面電位測量裝置的原理示意圖。其中，脈沖電子槍1、金屬筒狀收集極2、探針3、樣品4以及平板金屬樣品托5被置于高真空系統(tǒng)中。當脈沖電子槍發(fā)出的入射電子束，以一定的能量穿過金屬筒狀收集極上的圓孔和柵極，垂直照射到樣品上時，樣品便產(chǎn)生二次電子。

測量時，真空度約為2～4×10^-4Pa。樣品與下方的金屬樣品托緊密相貼并通過電阻R₁接地，R₂用于測量收集極電流。在測量二次電子發(fā)射系數(shù)時，金屬筒狀收集極的偏壓為正偏壓，即+40V。在中和樣品表面電荷時，金屬筒狀收集極的偏壓為負偏壓，即-40V。

在測量裝置中增加了一個金屬探針，為了盡可能減小探針的引入造成樣品二次電子發(fā)射系數(shù)的變化，探針的直徑越小越好，一般取0.1～0.5mm。探針長度一般為2～5cm。探針與樣品緊緊相貼，并且位于樣品以及電子束斑點的中央，如圖2所示。

探針經(jīng)過開關(guān)K_p與外加電源連接，探針所加的偏壓范圍為0～-100V可調(diào)。流過探針的電流I_p經(jīng)過電阻R_p后用示波器測出。

2、介質(zhì)材料表面電位的測量方法

理論研究表明，樣品的表面電位會很大程度上影響金屬筒狀收集極接收二次電子的效率。因此，當改變探針的偏壓時，金屬筒狀收集極接收二次電子的效率將發(fā)生變化。也就是說，當探針的偏壓低于表面電位時，會使得一部分二次電子返回表面，不被金屬筒狀收集極接收，使得二次電子發(fā)射系數(shù)下降。探針的偏壓越低，二次電子發(fā)射系數(shù)越小。反之，當探針的偏壓高于表面電位時，所有出射的二次電子均被金屬筒狀收集極接收，二次電子發(fā)射系數(shù)基本不隨探針偏壓的變化而變化。

按照上述原理，本發(fā)明涉及的介質(zhì)材料表面電位的測量，主要分為二個步驟，步驟一為樣品表面電荷的中和，步驟二為表面電位的測量。

(1)步驟一：樣品表面電荷的中和

在進行介質(zhì)材料二次電子發(fā)射系數(shù)的測量過程中，當上一次測量工作完成后，樣品表面會累積電荷，這會影響下一次測量的準確度。因此，在兩次測量之間，應(yīng)該對前一次測量后表面累積的電荷進行中和。

中和的基本思想是，若原先樣品表面電位較金屬筒狀收集極偏壓為正，由樣品出射的二次電子被反射回樣品，使得樣品表面電位下降。反之，若原先樣品表面電位較金屬筒狀收集極偏壓為負，由樣品出射的二次電子被金屬筒狀收集極接收，使得樣品表面電位上升。

中和時，入射電子能量選取為200eV；設(shè)置金屬筒狀收集極偏壓為負偏壓，一般為-40V；同時，設(shè)開關(guān)K_p為斷開狀態(tài)；此時，觸發(fā)脈沖電子槍使其輸出周期性的脈沖電子束照射樣品約60s。

中和后，樣品表面帶有一個表面電位，表面電位的大小與中和時金屬筒狀收集極的偏壓有關(guān)。該電位就是我們所要測量的。

(2)步驟二：介質(zhì)材料表面電位的測量

為了實現(xiàn)介質(zhì)材料表面電位的測量，我們要做以下三件事。首先，介質(zhì)材料在某個表面電位時，開關(guān)K_p處于斷開狀態(tài)下對應(yīng)的二次電子發(fā)射系數(shù)δ0的測量；其次，在同樣表面電位的情況下，開關(guān)K_p處于閉合狀態(tài)時，二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓關(guān)系的測量；最后是比較前二者，得出表面電位。

開關(guān)K_p處于斷開狀態(tài)下的二次電子發(fā)射系數(shù)δ0的測量

當樣品中和后，樣品表面具有一個表面電位。在該表面電位的狀態(tài)下，設(shè)置金屬筒狀收集極偏壓為正偏壓+40V，并保持開關(guān)K_p為斷開狀態(tài)，然后測量樣品二次電子發(fā)射系數(shù)δ0。測量時，觸發(fā)脈沖電子槍使其輸出單次脈沖電子束，同時，從示波器中分別測量出金屬筒狀收集極和樣品所接收到的電流分別為I₂和I₁，這樣，二次電子發(fā)射系數(shù)δ0可以表示為：

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

開關(guān)K_p為閉合狀態(tài)下二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓的關(guān)系曲線SEY～Vp

當樣品中和后，樣品表面具有一個表面電位。在該表面電位的狀態(tài)下，設(shè)置金屬筒狀收集極偏壓為正偏壓+40V，并保持開關(guān)K_p為閉合狀態(tài)，然后給定一個探針偏壓，再測量流過金屬筒狀收集極、樣品、探針的電流I₂、I₁和I_p，再按照式(2)計算二次電子發(fā)射系數(shù)。

為了獲得二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓的關(guān)系曲線，應(yīng)該在樣品中和后，改變探針的偏壓，再次進行二次電子發(fā)射系數(shù)的測量。

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

圖3是二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓的關(guān)系示意圖。其中δ0代表開關(guān)K_p處于斷開狀態(tài)時樣品的二次電子發(fā)射系數(shù)，點狀符號代表開關(guān)K_p處于接通狀態(tài)時二次電子發(fā)射系數(shù)。

表面電位的得出

計算表明，當探針電位高于表面電位時，二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓無關(guān)，如圖3中δ0處的水平線。當探針電位低于表面電位時，二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，如圖3中的斜線。因此，二條直線的交點處對應(yīng)的探針偏壓就代表了樣品的表面電位。

3、具體測量過程

(1)準備階段：將真空室抽至高真空狀態(tài)，待氣壓低于3×10^-3Pa后，開啟脈沖電子槍的控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)脈沖電子槍參數(shù)，使脈沖電子槍處于良好聚焦狀態(tài)。

(2)對樣品中和：固定電子束入射能量為200eV；將金屬筒狀收集極偏壓設(shè)為-40V；斷開開關(guān)K_p；觸發(fā)脈沖電子槍工作于連續(xù)輸出脈沖狀態(tài)。中和時間約1分鐘。

(3)δ0的測量：給定電子束入射能量；設(shè)定金屬筒狀收集極偏壓為+40V；開關(guān)K_p保持斷開狀態(tài)；觸發(fā)單次電子束照射樣品，讀出金屬筒狀收集極、樣品電流I₂、I₁，按照(1)式計算二次電子發(fā)射系數(shù)。

(4)對樣品中和。

(5)二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓關(guān)系的測量：在同樣的電子束入射能量下，設(shè)定金屬筒狀收集極偏壓為+40V；開關(guān)K_p處于閉合狀態(tài)；給定一個探針偏壓；觸發(fā)單次電子束照射樣品，讀出金屬筒狀收集極、樣品以及探針的電流I₂、I₁和I_p，按照式(2)計算二次電子發(fā)射系數(shù)。

(6)重復(fù)(4)～(5)的過程，直至獲得二次電子發(fā)射系數(shù)與探針偏壓的關(guān)系曲線。

(7)依據(jù)兩條直線的交點，得到表面電位。

按照本發(fā)明方法，我們測量了厚度約30μm的PI(聚酰亞胺)樣品的表面電位，結(jié)果如圖4所示。測量結(jié)果表明，PI樣品經(jīng)過中和后，其表面電位約為-28V。