球形收集极结构的二次电子产额测量装置及测量方法

温凯乐，刘术林，闫保军，王玉漫，张斌婷，韦雯露，彭华兴

(1.中国科学院高能物理研究所 核探测与核电子学国家重点实验室, 北京 100049；2.中国科学院大学，北京 100049)

0 引言

具有一定能量的粒子(如离子、光子和缪子等)轰击材料表面时，从材料表面发射出电子，称为次级电子发射现象。当入射粒子为电子时，通常，将这一过程称为二次电子发射现象。

二次电子产额(Secondary electron yield，SEY)定义为出射的电子数量与入射的电子数量的比值，不同研究领域对材料的SEY值要求不同。空间站表面的微放电效应、大型粒子加速器真空管道内部的电子云效应以及大功率微波真空部件的电击穿效应等，这些领域要求材料的SEY值越小越好[1-4]；在基于二次电子发射原理的电子倍增器研究领域，通常希望材料拥有足够大的SEY值[5-7]；随着大型中微子实验对探测器件的要求越来越高，深入研究具有较高SEY值的材料成为热点课题。

为了准确测试评价材料的SEY值，国内外很多单位研制了基于不同结构和测试原理的SEY测试设备。美国犹他大学搭建了可装载11个样品具有半球形结构的测试设备[8]，普林斯顿大学等离子物理实验室研制了样品台和法拉第杯旋转结构的测试设备[9]；中国科学技术大学[10]、西安交通大学[11]、中国空间技术研究院西安分院[12-13]、中国科学院大学[3,5]、电子科技大学[14]等单位均搭建了具有各自特色的SEY测试设备。

本文在借鉴现有SEY测试设备优点的基础上，研制了收集极为球形结构的测量装置。选取球形结构作为收集极的原因如下：1)球形结构有利于二次电子的充分收集，并提高测量精度；2)当一次电子入射角度较大时，球形结构仍可以实现二次电子的有效收集；3)在球心位置测试样品的二次电子能谱时，可以改善测试精度。

通常，绝缘材料具有较高的SEY值，在测试绝缘材料过程中材料表面会带有正电荷，导致SEY值迅速减小，最终入射到材料表面的电子数量和从材料表面出射的电子数量相等，SEY值为1。为了减小表面电荷的影响，准确测试SEY值，在测量过程中需要对材料表面进行中和处理。本文采用一把电子枪，既作为测试用电子枪也作为中和用电子枪，提出一种新的中和方法[15]，可以有效消除绝缘材料表面积累的正电荷，同时，中和剂量易于控制。

1 测量装置的结构

图1为本文研制的SEY测量装置，包括真空机组，脉冲电子枪，真空腔体，样品台移动旋转控制系统，电子学信号处理系统5部分[16]。

图1 研制的SEY测量装置Fig.1 The developed SEY testsystem

1.1 真空机组

在测量SEY值时，要求样品所处环境的真空度优于5×10-5Pa，为了满足测试过程对真空环境的需求，真空机组采用机械油泵作为前级泵，分子泵作为主泵，样品所处环境的真空度可以达到10-6Pa量级，极限真空度可以达到10-7Pa量级。为了解决机械泵的返油问题，在机械泵和分子泵管道之间增加了高效分子筛装置。

1.2 脉冲电子枪

测量装置采用美国Kimball Physics公司生产的脉冲电子枪，型号为3101D，出射能量范围从100eV～10keV，脉冲宽度在2～200μs之间连续可调，控制频率为5kHz。该电子枪具有聚焦和偏转功能，聚焦功能可以控制电子束斑直径在2mm以内，偏转功能可以在一定范围内调节束斑位置。

1.3 真空腔体

真空腔体包括测试腔体和样品处理腔体。

测试腔体内部含有球壳形状的4层结构，从外到内分别为信号屏蔽层、信号收集极、外层栅网和内层栅网，这4层结构球心位置相同。信号屏蔽层与信号收集极由高电导率的无氧铜材料制作而成，为了直接观察到测试腔体内部，这两层球壳上半球中心轴线偏离45°位置处设置观察窗，观察窗表面中心垂线的延长线经过球心位置，为了不影响球形内部电场，观察窗上覆盖ITO导电玻璃。外层栅网和内层栅网材料为高透过率的铜网，内层栅网接地，外层栅网施加不同的电压，可以测量二次电子的出射能量(详见2.2节)。脉冲电子枪产生的电子束和样品台分别通过4层球形结构上方和下方的窗口进入球形结构内部。

样品处理腔体有一个快开门观察窗，可以手动放入样品；利用磁流体控制机械爪可以移动样品到烘烤灯附近，进行烘烤除气处理，烘烤温度为180°C(最高不超过250°C)，时间为60min。

1.4 样品台移动旋转控制机构

通过高精度中空直线导入器可以控制样品台上下移动，移动距离为350mm，精度优于1mm；通过电机驱动直线导入器可以控制样品台旋转，旋转角度为0°～85°，通过电机模块控制样品台的移动和旋转，模块通过R232串行数据接口连接上位机，可以通过软件进行自动控制。

1.5 电子学信号处理系统

根据跨阻放大器设计原理以及二次电子信号特点，选取低输入偏置电流、高压摆率、低输入噪声运放芯片，研制出一款高性能电流电压放大器，其电流电压增益可达500kV/A，测量二次电子脉冲信号最小宽度为4μs，最小电流范围为10～50nA。

2 SEY测试原理

通过信号发生器输出一定频率和占空比的脉冲波信号控制脉冲电子枪产生电子束流作为入射电子，入射电子轰击球心位置上的样品，样品表面发射出二次电子被内层栅网、外层栅网和球形收集极收集，获得样品的二次电子脉冲信号，该信号被跨阻放大器转化为电压信号后被示波器采集，上位机通过R232接口读取示波器波形数据。通常，内层栅网和样品台接地，在内部产生屏蔽区域，降低外部电场的干扰；收集极接+50V的电压，保证低能二次电子被充分收集。

2.1 SEY值计算公式

样品表面产生的二次电子穿过内层栅网和外层栅网后到达收集极，分别测量内层栅网、外层栅网和收集极上的二次电流信号，这3部分电流之和为总的二次电子电流，即Ise=Iinnergrid+Ioutergrid+Icollector。

根据电荷守恒原理，脉冲电子枪产生的入射电流全部被内层栅网、外层栅网、收集极和样品台收集。因此，脉冲电子枪产生的一次电子电流Ipe=Iinnergrid+Ioutergrid+Icollector+Isample stage，可知SEY值计算公式为：

(1)

2.2 二次电子出射能谱测试分析

内层栅网接地、改变外层栅网上的电压，可以对待测样品产生的具有不同能量的二次电子进行筛选。为了提高二次电子能谱测试精度，需要将待测样品放置在两层栅网之间电场线延长线的交点位置处，即球形收集极的球心位置。一般，内层栅网接地，收集极上接+50V，外层栅网电压为U(U<0V)，由可程控精密电压源提供，两层栅网之间的电场方向沿球形直径方向，出射二次电子能量的径向分量大于eU时才能穿过外层栅网到达收集极，公式如下：

(2)

E为二次电子能量，Er为二次电子能量的径向分量，θ为二次电子的运动方向与径向的夹角，Icollector(U)、Iinnergrid(U)、Ioutergrid(U)、Isample stage(U)为外层栅网上电压为U时，分别在收集极、内层栅网、外层栅网和样品台上测量的平均电流。δ(Er)为出射二次电子能量的径向分量高于Er时的SEY值。

由于待测样品位于球心位置，出射的二次电子运动方向与径向一致，根据式(2)可知，

(3)

δ(E)为二次电子能量高于E时的SEY值。

改变外层栅网上的电压，可以计算得到二次电子的积分能谱，将δ(E)值的相邻项求差分，计算出二次电子出射能谱，即：

(4)

其中(Ek+1-Ek)的值越小，越接近于真实的二次电子出射能谱。

上述分析过程表明，内层栅网、外层栅网和收集极全部设计成球壳形状，有利于测试二次电子能谱。

2.3 样品表面电荷中和方案

测量绝缘样品的SEY值时，由于绝缘样品具有较高的体电阻率，当其表面发射出电子后，材料体内的电子来不及补充表面缺失的电子，造成电子发射区域电位上升呈正电势，将影响SEY值的测量。

因此，需要在测试过程中对绝缘样品表面电荷进行中和，确保入射电子束每次轰击样品表面时，样品表面电位始终稳定。图2为本文提出的一种表面电荷中和方案，不锈钢样品台接地，样品台的一半区域放置待测样品；测试时，脉冲电子枪产生电子束轰击绝缘样品表面，在轰击位置产生正电荷区；中和时，通过电子枪的偏转功能，改变电子束方向，使其轰击在样品附近的样品台空白区域，此处会产生大量二次电子，这些具有较低能量的二次电子被样品表面正电荷区电场吸引，与正电荷区发生电荷中和，使得样品表面电位恢复至原始状态。

图2 表面电荷中和方案Fig.2 Surface charge neutralization method

传统中和方法往往使用低能电子束直接轰击样品表面正电荷区域进行中和[17-18]，可能存在中和剂量不足导致样品表面残留正电荷或中和过量导致样品表面带负电荷的问题。本文提出的中和方法，控制中和剂量的方式比较简单，中和时，当轰击样品台空白区域的电子束流足够强时，样品表面正电荷区域被中和后，不会再吸引样品台产生的低能二次电子，不存在过量中和的问题。

3 二次电子脉冲信号分析

3.1 二次电子脉冲波形分析

图3为SEY值大于1时测得的二次电子脉冲波形。跨阻放大器中运放的反相信号输入端接二次电子信号，当二次电子信号为负电流时，测得脉冲波形为正脉冲，此时为电子流入状态。由图3(a)，图3(b)，图3(c)可知，内层栅网、外层栅网和收集极上脉冲形状均为正脉冲，表明二次电子流入这3层结构中。鉴于内层栅网和外层栅网均为高透过率的网状结构，收集二次电子数量很小，因此，收集极上的脉冲信号幅度最大；另外，内层栅网具有一定的遮挡效应，其上收集的二次电子数量高于外层栅网，所以，外层栅网上的脉冲信号幅度最小。考虑到SEY值大于1，说明样品台产生的二次电子数量大于接收到的一次电子数量，表明样品台为电子流出状态，样品台上的脉冲信号为负脉冲，如图3(d)所示。

图3 二次电子脉冲波形Fig.3 Typical secondary electron pulse waveform

测试过程中，观察到内层栅网、外层栅网和收集极上的二次电子脉冲波形均偏离标准脉冲波形。这是由于内层栅网、外层栅网和收集极三者之间相互构成电容造成的，当收集极脉冲信号出现时，会在内层和外层栅网上感应出较强的信号，造成这两层栅网上脉冲信号的前沿和后沿存在明显的尖峰；另外，收集极上脉冲波形的前沿和后沿还和RC时间常数有关。感应信号对二次电子脉冲波形的影响也同跨阻放大器的性能有关，应选取合适的运放及外围电路。利用电路仿真可以对图3中结果进行验证，图4为采用电路仿真模型，在两个放大器输入端分别流过幅值为-1 000nA和-100nA的脉宽为10μs，前后沿都为500ns的电流，放大器之间并联一个0.3nF的电容。

图4 电路仿真模型Fig.4 Circuit simulation model

图5为仿真和实验测试脉冲波形的对比结果，通过电路仿真给出了和真实情况接近的脉冲信号波形。利用电容表对收集极和栅网构成的电容结构进行测试，其电容值小于1nF，和仿真时采用的电容值一致。

图5 实验结果与仿真结果对比Fig.5 Comparison of experimental and simulation results

3.2 二次电子电流的计算方法

图6为收集极上的二次电子脉冲波形，将波形在整个时间轴上进行积分，计算出电荷量Q，对波形前20μs的基线部分求平均后再乘以波形时间长度，可以计算出基线部分的电荷量Qbase，总电荷量Qcollector=Q-Qbase，已知脉冲电子枪产生电子束宽度为t，可以计算出平均电流Icollector，同样的方法可以求出内层栅网、外层栅网和样品台测得的脉冲电流值，带入式(1)，可以计算出SEY值。

图6 收集极上的二次电子脉冲波形Fig.6 Secondary electron pulse waveform on collector

4 SEY值测试结果分析和讨论

4.1 Cu材料测试结果

图7为Cu材料的SEY值和入射电子能量的关系，每条数据线是连续测量3次后取平均值，其标准偏差小于0.055。结果表明，随着入射电子能量的增加，SEY值迅速升高到最大值后再逐渐降低，与理论一致[19-22]。其中上方曲线测试Cu材料前未烘烤除气，测得的SEY值较高，下方曲线为烘烤除气一个小时后测得的SEY值，测试结果存在明显差异，说明样品测试前应进行烘烤除气。

图7 Cu材料的SEY值和入射电子能量的关系Fig.7 The relationship between the SEY value of Cu and the energy of incident electrons

不考虑烘烤除气时，将Cu材料重复测试2次，在大气中存放7天后，再进行第3次测试，3次测试结果如图8所示，3次测试数据的标准偏差均小于0.055，说明测试系统的稳定性和可重复性良好。

图8 Cu样品SEY值3次测试结果比较Fig.8 Comparison of three SEY test results for Cu samples

调节入射电子能量为300eV，改变入射电子角度后测试Cu材料的SEY值，见图9，由理论公式δ(θ)=δ(0)·ec(1-cos θ)进行拟合[23]，计算表明理论值与实验值拟合度很高，R2=0.998 64。

图9 不同入射电子角度下Cu的SEY值Fig.9 SEY of Cu under different incident electron angles

固定入射电子能量为500eV，Cu材料的二次电子能谱如图10(a)所示，出射二次电子的能量集中在10eV以内。图10(b)为对应的积分能谱，当入射电子能量为500eV时，SEY值接近零，因此，二次电子最大能量和入射电子能量一致，同理论相符[23-24]。

图10 Cu材料的二次电子能谱测量Fig.10 Secondary electron spectrum measurement of Cu

4.2 Al2O3薄膜材料测试结果

利用原子层沉积技术在硅片上分别制备厚度为4nm、10nm和12.5nm的Al2O3薄膜材料。不考虑电荷中和时，测量10nm厚度的Al2O3薄膜材料的SEY值和入射电子能量的关系，如图11所示。结果表明，测试过程中样品表面已经出现电荷积累，造成SEY值随着测试次数的增加而逐渐降低。

图11 未中和时Al2O3薄膜材料的SEY值Fig.11 Measurement results of insulating samples without neutralization

考虑电荷中和时，测试不同厚度Al2O3薄膜材料的SEY值，如图12所示，图中测试数据的标准偏差均小于0.126。当入射电子能量小于300eV，3个样品的测得的SEY值重合，表明入射电子穿透深度小于4nm。入射电子能量增大后，电子的穿透深度也变大，在入射电子能量大于300eV时，3个样品的SEY值不一致，此时，4nm厚度样品的SEY值小于10nm和12.5nm厚度的样品，而10nm和12.5nm厚度的样品的SEY值比较接近，可能和此时的入射电子穿透深度范围在4nm和10nm之间有关。

图12 不同厚度Al2O3薄膜材料的SEY值Fig.12 SEY of alumina with different thicknesses

在入射电子能量为125eV时，测试了厚度为16nm的Al2O3薄膜材料的二次电子出射能谱，图13(a)为二次电子能谱图，大部分出射电子能量小于20eV，图13(b)为对应的积分能谱，发现入射电子能量超过130eV时，SEY值迅速减小为零，根据理论预期，应该在入射电子能量为125eV处SEY值下降至零，导致这一微小偏差的原因可能和给外层栅网施加偏压的电压源的稳定性以及两层栅网的加工精度有关。

图13 Al2O3薄膜材料的二次电子能谱测试Fig.13 Secondary electron spectrum test of alumina

5 结论

为了精确测量金属、半导体和厚度较薄的绝缘材料的SEY值和二次电子能谱，本文研制了一台测量装置。该装置采用球形结构，具有以下3个优点：1)球形结构可以充分收集二次电子，有利于提高测试结果的精度；2)在较大入射电子角度下测试样品的SEY值时，球形结构可以充分收集二次电子；3)测量二次电子出射能谱时，样品位于球心位置处，可以提高测试精度。

本文针对绝缘样品表面容易出现电荷积累的问题，提出了一种新的电荷中和方案，既达到了完全中和绝缘样品表面正电荷的目的，又避免了中和剂量难以控制的问题。

利用该装置测量了Cu材料和Al2O3薄膜材料在不同入射电子能量和角度下的SEY值和二次电子能谱。结果表明，在不同入射电子能量下，测试两种材料SEY值的标准偏差分别小于0.055和0.126。测量Cu样品的SEY值与理论模型一致，拟合结果的R2为0.998 64。Cu材料的二次电子的出射能量主要集中在10eV以下，Al2O3薄膜材料的二次电子出射能量主要集中在20eV以下，出射的二次电子最大能量和入射电子能量一致，符合相关理论预期。

本文未考虑地磁场对低能电子的影响、一次入射电子束功率密度对SEY值的影响以及一次入射电子进入绝缘样品内部深处造成内部带电的复杂情况等，这些问题有待于进一步深入研究。

致谢

感谢国家自然科学基金项目(项目批准号：11975017，11535014，11675278)和核探测与核电子学国家重点实验室项目(项目批准号：SKLPDE-ZZ-202215)的资助。感谢大连齐维科技发展有限公司在设备加工等方面给予的支持。感谢赵天池教授和王佩良研究员在设备研制、调试过程中给予的指导和帮助。感谢崔万照、吴胜利、翁明、曹猛、刘瑜东等老师在设备研制过程中给予的帮助。