基于FIB-SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于FIB‑SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置及方法，包括FIB‑SEM双束系统，FIB‑SEM双束系统由聚焦离子束和扫描电子显微镜组成，FIB‑SEM双束系统的实验腔体中设置有微纳尺度电极系统，微纳尺度电极系统包括测试电极，纳米操纵仪和五轴样品台，纳米操纵仪和五轴样品台通过限流电阻分别连接至电压电流测试电路中的高压电压源和微弱电流测量单元，脉冲电流传感器穿过测试回路并与示波器连接，示波器和电压电流测试电路与计算机相连进行测试数据的记录。本发明专利技术能够实现微纳尺度金属电极的原位加工，从20nm到1μm的真空间隙的实时调控及相应的高电压测试和微弱电流测量的功能，对于研究纳尺度真空间隙的放电击穿本征规律具有重要意义。

Experimental device and method for breakdown characteristics of nano-vacuum gap based on FIB-SEM dual-beam system

The invention discloses an experimental device and method for breakdown characteristics of nano-vacuum gap based on FIB_SEM dual-beam system, including FIB_SEM dual-beam system, FIB_SEM dual-beam system consisting of a focused ion beam and a scanning electron microscope. The experimental cavity of the FIB_SEM dual-beam system is equipped with a micro-nano scale electrode system, and the micro-nano-scale electrode system includes a test electrode, a nano manipulator and a five-axis. Sample stage, nano-manipulator and five-axis sample stage are connected to high voltage voltage source and weak current measurement unit in voltage and current test circuit respectively by current limiting resistance. Pulse current sensor is connected to oscilloscope through test circuit, and oscilloscope and voltage and current test circuit are connected to computer to record test data. The invention can realize in-situ fabrication of micro-nanoscale metal electrodes, real-time control of the vacuum gap from 20 nm to 1 micron, corresponding functions of high voltage measurement and weak current measurement, and has important significance for studying the intrinsic law of discharge breakdown of nanoscale vacuum gap.

【技术实现步骤摘要】
基于FIB-SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置及方法
本专利技术涉及用于研究纳米尺度的真空间隙电学特性和击穿机制的实验研究系统，具体涉及基于FIB(聚焦离子束)-SEM(扫描电子显微镜)双束系统的纳尺度真空间隙击穿的电学特性测试装置及方法。
技术介绍
纳米尺度真空电气击穿与绝缘特性研究是高电压与绝缘
的前沿课题。近年来，伴随着微纳加工技术的进一步发展，微纳尺度电气部件和电子器件不断出现并在军事和民用领域得到了广泛的应用。然而，这一类的微纳器件(如NEMS，场发射显示器FED)往往需要面临极高场强的工作环境，其绝缘可靠性问题受到越来越多的关注。例如，处于空间辐照环境中的航天器，需要运行在具有各种能量和成分的带电粒子、中性粒子、微流星、空间碎片、各种波段的电磁辐射等极端恶劣的空间环境，航天器受到高能粒子辐照，内部将充满一定能量的电子和质子，由于粒子的随机热运动，在表面会产生带电粒子的聚集。如果电位差达到足够大时，设备表面将会发生放电现象。放电现象会导致物理性损坏，包括微电子器件、敏感器件等，进而干扰航天器的正常工作。美国宇航公司空间科学应用实验室Fennell等在对298起航天器在轨故障原因统计中发现带电引起的航天器在轨故障超过总故障的50％，成为空间环境研究的主要问题。因此，随着电气部件和电子器件的特征尺寸从微米降低到纳米甚至分子原子尺度，其在复杂电磁环境中的运行可靠性受到了越来越多的重视和关注，尤其是在真空环境中的电气击穿与绝缘特性，逐渐成为了国内外相关领域的研究热点。在传统的高电压与绝缘
，电介质放电规律和击穿机制等电学特性的实验研究通常基于宏观尺度的电极系统和机械位移机构，其电极间隙的调节和电极表面状况的控制也比较容易实现。然而，由于研究对象物理尺寸的不同，纳米尺度真空击穿特性的实验研究与宏观尺度下传统的放电击穿的实验研究存在相当大的差异，主要体现在：(1)电极间隙尺寸的减小导致对于电极表面状况及加工技术要求的进一步提高。经过抛光处理的电极表面，其粗糙度一般可达几个微米，这对于微米及其以上尺度间隙的测量可以合理忽略，然而却会明显地影响到纳米尺度间隙测量的准确性。另一方面，为确保纳尺度真空间隙下电极表面的光滑度，必然要求电极的直径也在微纳米尺度，这就增加了电极系统加工的难度。(2)纳米尺度间隙的实时观察和调节。对于微米及其以上尺度，可以借助光学显微镜和机械位移平台实现实时观察和精确调整；而对于纳米尺度，光学显微镜已不能满足分辨率要求，只能在电子显微镜下进行。(3)击穿过程电学信号参量的测量。直流击穿过程中，预击穿电流的量级一般在皮安和纳安水平，而击穿电流的量级一般在毫安水平以上，因此，需要分别建立微弱电流和脉冲电流测量电路，实现电信号参量的精确测量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对纳米尺度真空间隙的电学特性和击穿机制研究，提供一种基于FIB-SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置及方法，以克服上述在宏观尺度真空击穿研究中存在的技术缺陷，本专利技术能够实现包括微纳尺度金属电极系统的原位加工，纳米尺度真空间隙的控制，高压信号的馈入，电学参量的测量以及电极形貌的原位分析，为深入研究纳尺度真空击穿规律和绝缘特性提供强有力的技术支持。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：基于聚焦离子束(FIB)-扫描电子显微镜(SEM)双束系统的纳尺度真空间隙击穿的电学特性测试装置，包括FIB-SEM双束系统，FIB-SEM双束系统由聚焦离子束(FIB)和扫描电子显微镜(SEM)组成，FIB-SEM双束系统实验腔体中放置微纳尺度电极系统，微纳尺度电极系统包括测试电极以及与之相连的五轴样品台和纳米操纵仪，微纳尺度电极系统通过限流电阻与电压电流测试电路连接，电压电流测试电路包括高压电压源与微弱电流测量单元，脉冲电流传感器穿过测试回路并与示波器连接，示波器和电压电流测试电路与计算机相连进行测试数据的记录。进一步地，FIB-SEM双束系统为FEI公司的HeliosNanolab600i型号，其扫描电子显微镜的最小空间分辨率为0.9nm；其聚焦离子束的最小空间分辨率为2nm。进一步地，纳米操纵仪为KleindiekNanotechnik公司的MM3A-EM型号，其位移精度为5nm，最大耐受电压为100V。纳米操纵仪通过聚四氟乙烯的绝缘转接单元与测试电极相连，保证电极与操纵仪的电气绝缘，可将最大耐受电压提升至±1000V。进一步地，所述的电压电流测试电路由Keithley6517B静电计组成。进一步地，电压电流测试电路的高压电压源的直流电压输出范围为-1000V～+1000V，其微弱电流测量单元的电流测量范围为1pA-20mA。进一步地，脉冲电流传感器为Pearson6585型罗哥夫斯基线圈组成，其与示波器配合实现击穿电流的波形测量。进一步地，脉冲电流传感器的最大频率响应为200MHz，电流测量敏感度为0.5V/A(特征阻抗50欧姆)进一步地，测试电极为金属钨电极，其最小的针尖曲率半径为15nm，总长度为5mm。基于FIB-SEM双束系统的纳尺度真空间隙击穿的电学特性测试方法，采用上述的电学特性测试装置，包括以下步骤：步骤一：在扫描电子显微镜的原位观察下调节纳米操纵仪和五轴样品台的相对位置，调节两个测试电极之间的间隙；步骤二：通过电压电流测试电路对测试电极按照1V/s的速度进行逐级升压，同时利用电压电流测试电路测量和记录回路中的电流，得到其电流-电压变化曲线；步骤三：继续进行逐级升压直至真空间隙发生击穿，此时测试电极两端电压迅速降低，回路电流迅速上升，利用脉冲电流传感器测量并记录击穿时刻的电流，并记录此时测试电极两端的施加电压为该真空间隙的击穿电压；步骤四：重复步骤一至步骤三，继续调节两个测试电极间隙的长度，然后测量得到不同真空间隙条件下的电流-电压变化曲线以及击穿电流和击穿电压。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术首先能够实现纳尺度电极间隙的实时观察和调节：借助纳米操纵仪及五轴样品台与测试电极相连接，通过在扫描电子显微镜的原位观察下调节纳米操纵仪和五轴样品台的相对位置，可以实现精确可靠的测试电极间距的控制，其误差范围在3.0nm左右，其次本专利技术能够实现纳尺度放电击穿过程中电学参量的测试技术：该装置可准确获得纳尺度真空间隙的预击穿和击穿时电流和电压，且在真空间隙的击穿过程中，由于放电时间一般在纳秒量级，使得放电过程很难被观测到，该装置可测量击穿瞬时过程的电压与电流波形，最后本专利技术首次提出了基于超高分辨显微成像技术、压电纳米位移技术、微弱电流测量等技术的纳尺度真空间隙击穿原位实验系统。本专利技术能够实现从20nm到1μm的真空间隙的形成及相应的高电压测试和微弱电流测量的功能，为深入研究纳尺度真空击穿规律和绝缘特性提供强有力的技术支持。本专利技术方法采用上述装置，基于超高分辨显微成像技术，多自由度纳米尺度位移技术和微纳尺度电极制备技术，实现了纳尺度真空间隙的电学特性研究，对于研究纳尺度真空间隙的放电本征规律和物理机制具有重要的技术参考。附图说明图1为本专利技术中纳尺度真空间隙电学特性测试装置示意图；图2为纳米操纵仪及绝缘转接单元示意图；图3为纳米尺度针电极的制备过程SEM图，其中(a)为经双喷电解后的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于FIB‑SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置，其特征在于，包括FIB‑SEM双束系统(1)，所述FIB‑SEM双束系统(1)包括FIB‑SEM双束系统实验腔，FIB‑SEM双束系统实验腔上部连接有扫描电子显微镜(3)，内部设置有聚焦离子束(2)，FIB‑SEM双束系统实验腔中还放置有微纳尺度电极系统(4)，微纳尺度电极系统(4)包括两个相对设置的测试电极(5)，其中一个测试电极(5)连接至设置在FIB‑SEM双束系统实验腔中的五轴样品台(6)，另一个测试电极(5)连接至设置在FIB‑SEM双束系统实验腔壁面上的纳米操纵仪(7)，所述扫描电子显微镜(3)和聚焦离子束(2)对准两个测试电极(5)之间的间隙，连接在纳米操纵仪(7)上的测试电极(5)通过限流电阻(8)连接至电压电流测试电路(9)，连接在五轴样品台(6)上的测试电极(5)通过脉冲电流传感器(12)连接至电压电流测试电路(9)，且脉冲电流传感器(12)上连接有示波器(13)，示波器(13)和电压电流测试电路(9)均连接至用于记录测试数据的计算机(14)。

【技术特征摘要】
1.基于FIB-SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置，其特征在于，包括FIB-SEM双束系统(1)，所述FIB-SEM双束系统(1)包括FIB-SEM双束系统实验腔，FIB-SEM双束系统实验腔上部连接有扫描电子显微镜(3)，内部设置有聚焦离子束(2)，FIB-SEM双束系统实验腔中还放置有微纳尺度电极系统(4)，微纳尺度电极系统(4)包括两个相对设置的测试电极(5)，其中一个测试电极(5)连接至设置在FIB-SEM双束系统实验腔中的五轴样品台(6)，另一个测试电极(5)连接至设置在FIB-SEM双束系统实验腔壁面上的纳米操纵仪(7)，所述扫描电子显微镜(3)和聚焦离子束(2)对准两个测试电极(5)之间的间隙，连接在纳米操纵仪(7)上的测试电极(5)通过限流电阻(8)连接至电压电流测试电路(9)，连接在五轴样品台(6)上的测试电极(5)通过脉冲电流传感器(12)连接至电压电流测试电路(9)，且脉冲电流传感器(12)上连接有示波器(13)，示波器(13)和电压电流测试电路(9)均连接至用于记录测试数据的计算机(14)。2.根据权利要求1所述的基于FIB-SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置，其特征在于，所述电压电流测试电路(9)包括高压电压源(10)和微弱电流测量单元(11)，高压电压源(10)的正极连接至限流电阻(8)，负极连接至微弱电流测量单元(11)的一端，微弱电流测量单元(11)的另一端连接至脉冲电流传感器(12)。3.根据权利要求2所述的基于FIB-SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置，其特征在于，高压电压源(10)的直流电压输出范围为-1000V～+1000V；微弱电流测量单元(11)的电流测量范围为1pA-20mA。4.根据权利要求1所述的基于FIB-SEM双束系统的纳米真空间隙击穿特性实验装置，其特征在于，FIB-SEM双束系统(1)为FEI公司的HeliosNanolab600i型号，且扫描电子显微镜(3)的最小空间分辨率为0.9nm；聚焦离子束(2)的最小空间分辨率为2nm。5.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟国栋，成永红，董承业，应琪，王科镜，张笃佼，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61