【摘要】：二次電子發(fā)射現(xiàn)象目前是掃描電鏡(SEM)、俄歇電子能譜儀(AES)等表面微分析領域的重要研究課題,也是制約電子加速器、高功率微波源和空間微波器件性能的一個重要因素。本文基于中國空間技術研究院西安分院搭建的多功能超高真空二次電子發(fā)射特性的研究平臺,在已有測試方法的基礎上,提出新的二次電子發(fā)射系數(shù)的測量方法并完成對低能區(qū)的數(shù)據(jù)采集。通過對10余種不同類別的金屬退火前后SEY的對比測量,進行了二次電子發(fā)射特性受溫度影響的共性研究,并建立了相應的金屬SEY數(shù)據(jù)庫。此外,針對表面形貌改變對SEY的抑制問題,分別從鍍膜和陷阱結(jié)構(gòu)的角度,設計進行實驗研究。本文的主要內(nèi)容和研究結(jié)論如下:1.基于實驗室平臺,改善已有測量方法,并實現(xiàn)0-50e V低能區(qū)的SEY測量。提出了采用固定電子槍陰極電壓,調(diào)節(jié)樣品偏置電壓從而實現(xiàn)低能量電子的精準控制,同時使用兩個電流表分別連接收集級和樣品臺,測量獲得二次電子電流和入射電流與二次電子電流之差,實現(xiàn)低能量范圍二次電子發(fā)射系數(shù)的快速、準確測量。新方法在測量時保證了入射電流的完全收集,并且規(guī)避了原有方法需要兩次測量所帶來的實驗誤差;解決了測試平臺電子槍最小可調(diào)幅度局限性的問題,在國內(nèi)首次完成了金銀銅鋁低能區(qū)(0-50e V)SEY的完整測量,實驗結(jié)果與R.Cimino等人在其所發(fā)表的一篇研究低能量SEY的文章中所指出的結(jié)論一致。并使用包含低能區(qū)的完整的SEY曲線進行微波部件微放電閾值的仿真,大大提高了其仿真精度。2.金屬材料二次電子發(fā)射特性受溫度改變的共性研究。將待測目標金屬分為三類:微波常用金屬(金銀銅鋁)、磁性金屬材料(鐵鎳鈷)、稀有金屬(鉑鈀鈦)。這里材料均選擇的是純度99.9999%,厚度0.1cm的金屬樣片。測量過程中經(jīng)SEM觀察后,選取入射能量區(qū)間為40-1200e V,使用偏壓電流法進行測量。隨后考慮表面吸附的問題,為準確判斷溫度加熱對金屬表面SEY的影響情況,保證所有金屬加熱條件一致:250攝氏度左右加熱10min,待溫度下降至室溫后進行對應材料的SEY測量。整個實驗完成了對多種金屬的SEY數(shù)據(jù)收集,并且對比退火前后,SEY呈下降趨勢,整體曲線區(qū)域向下平移。3.研究高頻段微波部件趨膚深度下,規(guī)則陷阱結(jié)構(gòu)對樣品表面SEY的影響規(guī)律。設計試驗,為排除初始表面平整度對SEY特性的影響,選用平整度極高的重摻雜p型硅為研究對象(硅粗糙度0.1-0.15nm,遠低于普通金屬幾十納米的粗糙度),采用紫外曝光結(jié)合反應離子刻蝕技術,設計圓形的微納陷阱結(jié)構(gòu),系統(tǒng)地研究規(guī)則陷阱結(jié)構(gòu)對表面SEY特性影響規(guī)律。對比實驗結(jié)果我們發(fā)現(xiàn),與以往所認為陷阱結(jié)構(gòu)對SEY有明顯的抑制效果不符,在高頻微波器件趨膚深度尺度下,規(guī)則陷阱結(jié)構(gòu)并未對樣品表面的SEY有抑制作用,且隨著表面陷阱結(jié)構(gòu)橫向尺寸的增加,其SEY呈上升趨勢;再此基礎上補充實驗,減小陷阱橫向尺寸,提高深寬比后,SEY有明顯的降低。綜上,那么在研究規(guī)則陷阱結(jié)構(gòu)對樣品表面SEY的抑制問題上:減小陷阱結(jié)構(gòu)的橫向尺寸,縮小陷阱直徑,增大陷阱深寬比則具有重要意義。4.在銀表面鍍層Ti N進行實驗,定性定量的研究鍍層Ti N結(jié)構(gòu)對SEY的抑制作用�？紤]實際應用中鍍層厚度的增加對整個系統(tǒng)的兼容性,為得到表面更為均勻可靠的鍍層結(jié)構(gòu),采用原子層沉積的方法,分別制備1nm、2nm、5nm、10nm作為特征厚度進行測試對比。結(jié)果表明:對比常用微波部件金屬表面鍍銀的SEY曲線,鍍層Ti N后SEY明顯降低,均勻性十分優(yōu)越;且隨著鍍層厚度的增進,SEY持續(xù)降低并穩(wěn)定在1.55左右�？紤]電性能影響,穿過1nm-10nm薄膜,衰減0.03%,可認為nm鍍層的Ti N薄膜對電性能基本無影響。
【圖文】：

圖 1.1 美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室二次電子發(fā)射平臺的立大學開發(fā)研制的二次電子發(fā)射測量儀器，對研究航天的推動作用。整套設備共有 3 個真空腔，分別為 FATMttle boy 真空腔和電子存儲真空腔[8]。FATMAN 是初代多表面分析和樣品特性檢測的能力。與此同時，該腔體可以境，諸如電子流、離子流和光子流照射，范圍在 100K~1在 10-10-10-3Torr 的真空環(huán)境，以及穩(wěn)定的中性氣體環(huán)境旋轉(zhuǎn)樣品臺，可同時放置 11 個樣品單元，，支持快速換取樣電子源采用兩把電子槍實現(xiàn)，一把低能（50eV-5KeVKeV），保證其在可測能量范圍較大的情況下依舊保持良束流強度為 0.1nA-10uA，束斑直徑 50um-2mm，脈沖連附一把定制的低能（<1eV）電子槍，用于測量絕緣體時部及活性氣體，裝置配備 3 個離子槍，發(fā)射能量范圍為有光柵和脈沖撓曲的功能。整個裝置的探測器種類繁多析儀、標準的法拉第杯探測器、靜電半球分析儀以及筒鏡

分析法拉第杯探測器對持續(xù)轉(zhuǎn)動的樣品進行二次電子發(fā)可測入射電子發(fā)射角度范圍為-16°到 76°，可變角度最小間.3KeV 到 3KeV，最小可變能量間隔為 0.2eV。除此之外，二次電子發(fā)射系數(shù)隨表面潔凈情況和樣品電勢的函數(shù)動制的高真空腔體用于電荷存儲法對介質(zhì)的導電性能進行最新的第二代設計腔體，樣品臺可承載數(shù)量升級為 32 個環(huán)境可穩(wěn)定維持幾個月。電效應造成的氧化鋁射頻窗被擊穿對加速器高功率射頻能加速器研究機構(gòu)利用一個改裝了的單脈沖掃描式電子次電子發(fā)射系數(shù)和表面放電。設備樣品臺可調(diào)，以便底部 750°C，測試時可保持真空度大約在 10-4Pa 量級，詳細的.2。電子源采用配備的電子槍發(fā)射的單脈沖初級電子束，時間 1ms，并通過一個石墨材質(zhì)的法拉第杯捕獲測量初級蓋有一層類金剛石碳膜的偏壓熱反射器用于測量二次電得出材料的二次電子發(fā)射系數(shù)[10][11]。
【學位授予單位】：中國航天科技集團公司第五研究院西安分院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V443

【參考文獻】

相關期刊論文 前3條

1 葉鳴;賀永寧;王瑞;胡天存;張娜;楊晶;崔萬照;張忠兵;;基于微陷阱結(jié)構(gòu)的金屬二次電子發(fā)射系數(shù)抑制研究[J];物理學報;2014年14期

2 張娜;陳仙;康永鋒;;納米級ta-C薄膜對二次電子發(fā)射抑制的研究[J];現(xiàn)代電子技術;2013年01期

3 丁明清;黃明光;馮進軍;白國棟;李興輝;趙青平;劉明輝;高玉娟;陳其略;;離子束表面處理抑制空間行波管多級降壓收集級二次電子發(fā)射的研究[J];真空科學與技術學報;2009年03期

本文編號：2601990