星载微波部件金属表面低能区二次电子发射特性的研究

发布时间：2020-03-26 21:33

【摘要】：二次电子发射现象目前是扫描电镜(SEM)、俄歇电子能谱仪(AES)等表面微分析领域的重要研究课题,也是制约电子加速器、高功率微波源和空间微波器件性能的一个重要因素。本文基于中国空间技术研究院西安分院搭建的多功能超高真空二次电子发射特性的研究平台,在已有测试方法的基础上,提出新的二次电子发射系数的测量方法并完成对低能区的数据采集。通过对10余种不同类别的金属退火前后SEY的对比测量,进行了二次电子发射特性受温度影响的共性研究,并建立了相应的金属SEY数据库。此外,针对表面形貌改变对SEY的抑制问题,分别从镀膜和陷阱结构的角度,设计进行实验研究。本文的主要内容和研究结论如下:1.基于实验室平台,改善已有测量方法,并实现0-50e V低能区的SEY测量。提出了采用固定电子枪阴极电压,调节样品偏置电压从而实现低能量电子的精准控制,同时使用两个电流表分别连接收集级和样品台,测量获得二次电子电流和入射电流与二次电子电流之差,实现低能量范围二次电子发射系数的快速、准确测量。新方法在测量时保证了入射电流的完全收集,并且规避了原有方法需要两次测量所带来的实验误差;解决了测试平台电子枪最小可调幅度局限性的问题,在国内首次完成了金银铜铝低能区(0-50e V)SEY的完整测量,实验结果与R.Cimino等人在其所发表的一篇研究低能量SEY的文章中所指出的结论一致。并使用包含低能区的完整的SEY曲线进行微波部件微放电阈值的仿真,大大提高了其仿真精度。2.金属材料二次电子发射特性受温度改变的共性研究。将待测目标金属分为三类:微波常用金属(金银铜铝)、磁性金属材料(铁镍钴)、稀有金属(铂钯钛)。这里材料均选择的是纯度99.9999%,厚度0.1cm的金属样片。测量过程中经SEM观察后,选取入射能量区间为40-1200e V,使用偏压电流法进行测量。随后考虑表面吸附的问题,为准确判断温度加热对金属表面SEY的影响情况,保证所有金属加热条件一致:250摄氏度左右加热10min,待温度下降至室温后进行对应材料的SEY测量。整个实验完成了对多种金属的SEY数据收集,并且对比退火前后,SEY呈下降趋势,整体曲线区域向下平移。3.研究高频段微波部件趋肤深度下,规则陷阱结构对样品表面SEY的影响规律。设计试验,为排除初始表面平整度对SEY特性的影响,选用平整度极高的重掺杂p型硅为研究对象(硅粗糙度0.1-0.15nm,远低于普通金属几十纳米的粗糙度),采用紫外曝光结合反应离子刻蚀技术,设计圆形的微纳陷阱结构,系统地研究规则陷阱结构对表面SEY特性影响规律。对比实验结果我们发现,与以往所认为陷阱结构对SEY有明显的抑制效果不符,在高频微波器件趋肤深度尺度下,规则陷阱结构并未对样品表面的SEY有抑制作用,且随着表面陷阱结构横向尺寸的增加,其SEY呈上升趋势;再此基础上补充实验,减小陷阱横向尺寸,提高深宽比后,SEY有明显的降低。综上,那么在研究规则陷阱结构对样品表面SEY的抑制问题上:减小陷阱结构的横向尺寸,缩小陷阱直径,增大陷阱深宽比则具有重要意义。4.在银表面镀层Ti N进行实验,定性定量的研究镀层Ti N结构对SEY的抑制作用。考虑实际应用中镀层厚度的增加对整个系统的兼容性,为得到表面更为均匀可靠的镀层结构,采用原子层沉积的方法,分别制备1nm、2nm、5nm、10nm作为特征厚度进行测试对比。结果表明:对比常用微波部件金属表面镀银的SEY曲线,镀层Ti N后SEY明显降低,均匀性十分优越;且随着镀层厚度的增进,SEY持续降低并稳定在1.55左右。考虑电性能影响,穿过1nm-10nm薄膜,衰减0.03%,可认为nm镀层的Ti N薄膜对电性能基本无影响。
【图文】：

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图 1.1 美国普林斯顿大学等离子体物理实验室二次电子发射平台的立大学开发研制的二次电子发射测量仪器，对研究航天的推动作用。整套设备共有 3 个真空腔，分别为 FATMttle boy 真空腔和电子存储真空腔[8]。FATMAN 是初代多表面分析和样品特性检测的能力。与此同时，该腔体可以境，诸如电子流、离子流和光子流照射，范围在 100K~1在 10-10-10-3Torr 的真空环境，以及稳定的中性气体环境旋转样品台，可同时放置 11 个样品单元，，支持快速换取样电子源采用两把电子枪实现，一把低能（50eV-5KeVKeV），保证其在可测能量范围较大的情况下依旧保持良束流强度为 0.1nA-10uA，束斑直径 50um-2mm，脉冲连附一把定制的低能（<1eV）电子枪，用于测量绝缘体时部及活性气体，装置配备 3 个离子枪，发射能量范围为有光栅和脉冲挠曲的功能。整个装置的探测器种类繁多析仪、标准的法拉第杯探测器、静电半球分析仪以及筒镜

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分析法拉第杯探测器对持续转动的样品进行二次电子发可测入射电子发射角度范围为-16°到 76°，可变角度最小间.3KeV 到 3KeV，最小可变能量间隔为 0.2eV。除此之外，二次电子发射系数随表面洁净情况和样品电势的函数动制的高真空腔体用于电荷存储法对介质的导电性能进行最新的第二代设计腔体，样品台可承载数量升级为 32 个环境可稳定维持几个月。电效应造成的氧化铝射频窗被击穿对加速器高功率射频能加速器研究机构利用一个改装了的单脉冲扫描式电子次电子发射系数和表面放电。设备样品台可调，以便底部 750°C，测试时可保持真空度大约在 10-4Pa 量级，详细的.2。电子源采用配备的电子枪发射的单脉冲初级电子束，时间 1ms，并通过一个石墨材质的法拉第杯捕获测量初级盖有一层类金刚石碳膜的偏压热反射器用于测量二次电得出材料的二次电子发射系数[10][11]。
【学位授予单位】：中国航天科技集团公司第五研究院西安分院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V443

【参考文献】