用于确定样品表面处的压力的方法与流程

本发明涉及一种用于确定样品表面处的压力的方法。更具体地，本发明涉及一种用于确定样品的面对如下孔处的压力的方法，该孔位于将样品区域与被抽真空的低压腔室分隔开的壁中。

背景技术：

在现有技术的用于环境压力光电子发射能谱分析(apxps)和环境压力光子发射能谱分析(appes)的系统中，在样品处提供有高压的同时对样品进行辐射，以提供例如来自俄歇过程的光电子或电子。光电子被收集在抽真空程度不同的静电透镜系统中。该静电透镜系统使电子聚焦到测量区域的入口。为了在静电透镜系统中实现高真空，通向静电透镜系统的孔必须小。

在现有技术中，appes以三种方式执行：1)将样品放入腔室内，并将整个腔室升高至毫巴范围内的环境压力，这称为回填法；2)是回填法的一种变型，其中更换腔室使不同的实验组使用不同的腔室，因此该方法称为可更换腔室法；以及3)原位气室(insitugascell)将样品包裹在分析仪的前孔中。所有这些树式布局能在流动模式下操作，在流动模式下，气体在进入的同时经由出口被抽出，或者气体仅通过分析仪的前锥部和抽吸装置被抽出。

j.knudsen等人的“用于环境压力x射线光电子能谱的多功能仪器：隆德室法(aversatileinstrumentforambientpressurex-rayphotoelectronspectroscopy:thelundcellapproach)”(发表于表面科学，646(2016)160-169)中描述了气室方法的一种变型。该文中knudsen等描述了一种替代的环境压力室，在该环境压力室中，气流被引导至样品处。气体出口设置成围绕用于将电子收集到检测器的孔。

在执行appes时，必须将样品布置成靠近孔。其原因在于，在高压的情况下，电子的平均自由程短。例如，在1bar的压力下，用于一氧化碳中xps的样品表面与孔之间的理想距离为30μm，这是因为在1bar的压力下，一氧化碳中10kev电子的平均自由程约为30μm。因此，30μm的距离将使光电子的合理部分能够进入到孔中。由于样品和孔之间的这种距离，很难测量或预测样品表面处的压力。当样品处的压力由指向样品表面的气流提供时，尤其如此。

压力估计的一般现有技术源自ogletree等人发表于“科学仪器评论(2002)73,3872”的文献，其中样品腔室和静电透镜腔室之间通过孔的压力分布使用简单的分析函数来估算。在h.bluhm发表于“电子能谱及其相关现象期刊,177(2010),71-84”的文献以及j.kahk等人发表于“电子能谱及其相关现象期刊,205(2015)57-65”的文献中也讨论了这种压力分布。在所述文献中，在样品表面与孔之间的距离为1个孔直径的情况下，估计样品表面处的压力是样品腔室中测得的压力的95％，而在样品表面与孔之间的距离为孔直径的2倍的情况下，估计样品表面处的压力是样品腔室中测得的压力的98％。kahk等人计算出了样品表面的压力随压力而变化。对于1个直径的距离来说，压力越高压力读数越准确，但是对于低压来说，2个直径的距离将更准确。knudsen等人基于距样品表面一段距离的压力元件中的压力测量值和理论计算来估算样品处的压力。根据knudsen等人的结论，相较于测量位置，样品处的压力偏差小于4倍，他们认为这是可以接受的。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供一种用于确定样品表面处的压力的方法，该样品表面面对通向一体积的孔布置，该体积中的压力低于样品表面处的压力，该方法是根据现有技术的方法的替代方案。

本发明的另一个目的在于提供一种用于确定样品表面处的压力的方法，该样品表面面对通向一体积的孔，该体积中的压力低于样品表面处的压力，并且其中，样品表面处的压力由被朝向该样品表面引导的气流提供。

本发明的另一个目的在于提供一种用于监测样品表面处的压力的方法，该样品表面面对通向一体积的孔，该体积中的压力低于样品表面处的压力，并且其中，样品表面处的压力由被朝向该样品表面引导的气流提供。

本发明的又一目的在于提供一种当样品表面处的压力高于周围环境(例如样品所处的腔室)的压力时测量样品表面处的压力的方法。

通过根据独立权利要求的方法实现这些目的中的至少一个。

通过从属权利要求的特征实现进一步的优点。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于监测放置在样品区域中的样品的样品表面处的样品压力的方法，该样品表面面对位于壁中的孔，该壁将样品区域与被抽真空的低压腔室分隔开。该方法的特征是该方法包括以下步骤：

步骤a)在样品区域内提供具有多个不同的样品参考压力的气体，

步骤b)对于每个样品参考压力，测量低压腔室内产生的腔室参考压力，以确定样品参考压力与腔室参考压力之间的关系，

步骤c)将样品布置成使样品表面在距孔一段距离处面对孔，

步骤d)在样品表面处提供具有样品表面压力的气体，

步骤e)测量低压腔室内的腔室压力，

步骤f)使用测得的腔室压力以及所确定的样品参考压力与腔室参考压力之间的关系来确定样品表面压力，

其中，低压腔室中的压力低于每个样品表面参考压力。

校准过程取决于所使用的气体的类型。因此，可以针对每一种气体分别执行此过程。

样品可以被布置在真空腔室中。在这种情况下，可以通过在真空腔室中设置不同的静压力来提供样品表面参考压力。

样品参考压力是已知的压力，该压力至少在样品区域中作为静态压力来施加。通过向样品表面提供气体来设置样品表面压力。如果样品表面布置成靠近孔，则孔会影响样品表面处的压力。然而，发明人已经认识到低压腔室内的压力受到靠近孔的压力的影响。因此，对于低压腔室内的特定压力而言，当样品靠近孔布置时以及当不存在样品时，低压腔室在孔处的外部压力均是相同的。

孔的位于端表面的平面中的最大尺寸可以小于1mm。孔的位于端表面的平面中的最大尺寸优选小于300μm，并且可以小于100μm。对于圆形孔，最大尺寸等于孔的直径。必须采用小孔以能够在孔与样品之间具有小的距离，这对于高样品压力下的光子光谱仪而言是所期望的。上文已经讨论了孔的直径和这样的距离之间的关系，该距离是孔与样品表面之间的距离。因此，孔与样品表面之间的距离不应小于孔的直径。因此，对于样品表面与孔之间的距离非常小的情况，孔的直径必须非常小。

样品与孔之间的距离优选地应保持为不大于孔的直径的3倍，以使该方法尽可能好地起作用。

低压腔室可以是用于聚焦电子的静电透镜。

为使该方法恰当地起作用，当施加样品表面压力时，压力应在从样品与孔之间的体积向外的方向上减小。在假定气体可以逸出到环境压力中的情况下，对于高于1bar的样品表面压力，可以将样品置于所述环境压力中。但是，对于较低的样品表面压力，应将样品和壁布置在被抽真空的腔室中，以提供从孔与样品表面之间的体积向外的压力梯度。

在步骤b)和步骤e)中，在低压腔室中保持小于1mbar的压力，优选小于10^-2bar的压力，最优选小于10^-3的压力。后者的压力适用于静电透镜。

在步骤a)中，不同样品参考压力中的每一个都可以高于10mbar。重要的是，样品参考压力比低压腔室中的腔室压力高得多。

该方法可以在步骤a)之前包括另一步骤，该步骤为：设置包围样品区域和端壁的测试容器，以使低压腔室的内部通过孔与测试容器的内部流体连通，其中样品区域中的样品参考压力通过在测试容器中提供样品参考压力来实现。通过这样的测试容器，与必须填充整个真空腔室的情况相比，可以更容易地提供不同的样品参考压力。同样，使用测试容器可以使用高于1bar的压力。由于普通真空腔室的结构的原因，无法在普通真空腔室中施加高于1bar的压力。这是由于真空腔室设计成仅用于维持内部的低压的事实。在真空腔室中施加过大的压力可能导致例如真空腔室中的窗口破裂。

该方法可以包括以下步骤：在端表面中设置至少一个气体出口，该气体出口被设置成将来自气体供应设备的气体引导到端表面与样品表面之间的体积中，并且其中，样品表面压力通过从所述气体供应设备向所述至少一个气体出口供应气体来提供。利用这种气体出口，还可以提供样品参考压力。本发明主要是应用于具有这种气体出口的情况，因为这种提供样品表面压力的方法产生局部高压区域。在这种情况下，无法使用现有技术中所使用的任何方案来进行估算，而本方法根据的是在远程位置处进行的压力测量。

该方法可以包括以下步骤：以预定的时间间隔测量低压腔室内的压力；以及以闭环来控制气体供应设备，使得低压腔室内的压力保持恒定，从而保持样品表面处的样品表面压力恒定。这是控制样品表面压力的有效方法。

样品表面和孔3之间的距离保持小于1mm，优选小于300μm。这些距离适用于appes。

根据本发明的第二方面，提供了一种计算机程序，该计算机程序用于监测放置在样品区域中的样品的样品表面处的样品表面压力。样品表面面对位于壁中的孔，该壁将样品区域与被抽真空的低压腔室间隔开。样品表面压力可以由气体供应设备提供，并且低压腔室内的压力可以通过第一压力测量器件来测量。所述计算机程序包括这样的指令，当这些指令由至少一个处理器执行时使至少一个处理器进行以下步骤：

-从第二压力测量器件接收多个不同的样品参考压力值，

-对于每个样品参考压力，从第一压力测量器件接收表示低压腔室中的压力的腔室参考压力值，以确定样品参考压力与腔室参考压力之间的关系，

-在接收到样品已经布置成使样品表面在距孔一段距离处面对孔的信号之后，控制气体供应设备提供样品压力，

-从第一压力测量器件接收腔室压力值，该腔室压力值表示低压腔室内的压力，

-使用腔室压力值以及所确定的样品参考压力与腔室参考压力之间的关系来确定样品表面压力。

上文对于本发明的第一方面的讨论也适用于根据本发明的第二方面的计算机程序。

该计算机程序还可以包括这样的指令，当这些指令由至少一个处理器执行时使至少一个处理器进行以下步骤：

-在接收多个不同的样品参考压力值的步骤之前，控制气体供应设备供应气体，以提供多个不同的样品参考压力。

这使过程的控制更加自动化，因此使该过程因具有最少的手动操作而更适合在工业环境中使用。

该计算机程序还可以包括这样的指令，当这些指令由至少一个处理器执行时使至少一个处理器进行以下步骤：

-接收期望的样品表面压力值，

-以闭环来控制气体供应设备以提供气流，该气流产生等于期望的压力值的样品表面压力。

为了使这样的计算机程序有效地起作用，需要将气流引导至孔与样品之间的体积。

因此，计算机程序可提供自动压力设定和监测。

替代地或附加地，当可以通过定位系统控制样品表面与孔之间的距离时，计算机程序还可以包括这样的指令，当该指令由至少一个处理器执行时使至少一个处理器进行以下步骤：

-接收期望的样品表面压力值，

-以闭环来控制定位系统(ps)，从而获得等于所期望的压力值的样品表面压力。

因此，在气流得到良好地控制的情况下，可以设定具体距离。

根据第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质承载根据本发明的第二方面的用于监测样品的样品表面处的样品表面压力的计算机程序。

在下文中将参考附图描述本发明的优选实施例。附图未按比例绘制。不同附图中的相似特征将由相同的参考数字表示。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例的分析器装置，并且在该分析器装置中可以实施根据本发明的方法。

图2更详细地示出了图1所示的装置中的端壁和孔，其中在端壁处布置有测试腔室。

图3是根据本发明的实施例的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了装置100的部分截面，该装置用于从发射粒子的样品1的样品表面ss收集带电粒子并确定与带电粒子有关的至少一个参数。装置100包括用于将样品1保持在样品区域2中的样品保持器10。该装置还包括低压腔室4，该低压腔室包括位于壁6中的孔3，该壁将样品区域2与低压腔室4分隔开，其中孔3设置成面对放置在样品保持器10中的样品1的样品表面ss，以便将带电粒子从样品表面ss收集到低压腔室4中。加热器18也布置在样品保持器10上并布置成加热样品1。该装置还包括定位系统ps，以用于控制样品保持器10的位置，并因此控制样品表面ss和孔3之间的距离d。装置还包括真空腔室11，该真空腔室包围孔3、样品保持器10和定位系统ps。该装置还包括用于对低压腔室4抽真空的第一抽吸器件12。此外，装置100包括被设置成将气体引导到壁6和样品表面ss之间的体积中的至少一个气体出口5，还包括用于从所述至少一个气体出口5提供气流的气体供应设备20，以提供样品压力。装置100还包括控制单元cu和用于测量低压腔室4内的压力的第一压力测量器件g1。控制单元cu连接到第一压力测量器件g1和定位系统ps。控制单元包括用于输入信号的输入部19，该输入部可以用于控制定位系统ps和/或用于输入其他信息。

低压腔室4是静电透镜系统，该静电透镜系统包括第一端16和第二端37，在第一端处布置有孔3，在第二端处布置有孔8。透镜系统13设置成使从样品表面ss发射并在第一端16处通过孔3进入的带电粒子形成粒子束，并将带电粒子传送到第二端17。装置100还包括测量区域3，以用于确定与从发射粒子的样品1的样品表面ss发射的带电粒子有关的至少一个参数。测量区域3包括允许所述粒子的至少一部分进入测量区域3的入口8。第二端37布置在测量区域3的入口处。电子通过入口8进入测量区域3，并且以接近于垂直于基板7的方向进入半球部25之间的区域的电子通过施加在半球部25之间的静电场而偏转，并且具有由静电场限定的一定范围内的动能的电子将在行进经过半圈后到达检测器装置9。

用于对低压腔室4抽真空的第一抽吸器件12设置成将低压腔室中的压力保持在10^-4mbar至10^-2mbar之间，优选地低于2x10^-3mbar。对于许多应用来说(例如当低压腔室是设置成将电子聚焦到电子束中的静电透镜时)，低压是必需的。用于提供恒定气流的气体供应设备20通常设置成提供10mbar至1bar及更高的样品表面压力。

真空腔室11由单独的第二抽吸器件22抽真空。真空腔室11中的背景压力通常保持在10^-2mbar至1mbar。因此，样品表面压力是在样品表面ss和孔3之间的体积中的局部压力。第二压力测量器件g2设置成测量真空腔室11中的压力。第二压力测量器件连接至控制单元cu。第一抽吸器件12和第二抽吸器件22可以由控制单元cu控制。

图2更详细地示出了样品和用于实现根据本发明的实施例的方法的测试容器21。在图5中，围绕孔3对称地布置有四个气体出口5，在图2的截面中仅示出了其中的两个。纵向轴线l被示出为基本上垂直于壁6的端表面s地延伸穿过孔3。测试容器21布置成覆盖端壁6、气体出口5和孔3。气体管线23连接到测试容器21并可用于向测试容器提供气体。替代地，可以通过气体出口5向测试容器提供气体。

图3示出了根据本发明的实施例的方法的流程图。在第一步骤101中，在样品区域2中提供多个不同的样品参考压力。这也可以通过在真空腔室中提供样品参考压力来实现。真空腔室11中的压力可以通过经由气体出口5从气体供应设备20供应气体来实现。由于真空腔室的体积，这可能花费一些时间。一种替代方法是将测试容器21布置在端壁6处并使得该测试容器21仅覆盖气体出口5和孔3。由于测试容器的尺寸小，因此这样的测试容器21能比真空腔室11快得多地被填充至期望压力。当然，样品参考压力也可以由连接到测试容器21的气体管线23(图2)提供。在真空腔室11被用于提供样品参考压力的情况下，在提供样品参考压力期间，第二抽吸器件22理所当然地被切断。第二压力测量器件g2用于测量真空腔室11或测试容器21中的压力。在第二步骤102中，对于每个样品参考压力，测量低压腔室4内产生的腔室参考压力，以确定样品参考压力和腔室参考压力之间的关系。在第三步骤103中，将样品1布置成使样品表面ss在距孔3一段距离处面对孔3。孔与样品1之间的距离通常设定为10μm至1mm，但是可以为几毫米或甚至小于100μm。在第四步骤104中，提供样品表面压力。优选通过经由一个或多个气体出口5从气体供应设备20供应的气体来提供样品表面压力。在第五步骤105中，测量低压腔室4内部的腔室压力。最后，在第六步骤106中，使用测得的腔室压力以及所确定的样品参考压力与腔室参考压力之间的关系来确定样品表面压力。

可以在输入部19上输入期望的样品表面压力值。控制单元cu可以设置为用第一压力测量器件12以预定的时间间隔测量低压腔室4内的压力。控制单元cu还可以设置成控制气体供应设备以减少或增加通过气体出口5的气流，以维持与期望的样品表面压力对应的腔室压力。

一种计算机程序可以在cpu上运行以用于监测样品1的样品表面ss处的样品表面压力。该计算机程序包括这样的指令，当这些指令由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器进行以下步骤：

-从第二压力测量器件g2接收多个不同的样品参考压力值，

-对于每个样品参考压力，从第一压力测量器件g1接收表示低压腔室4中的压力的腔室参考压力值，以确定样品参考压力与腔室参考压力之间的关系，

-在接收到样品1已经布置成使样品表面ss在距孔3一段距离处面对孔3的信号之后，控制气体供应设备20以在样品表面ss处提供具有样品表面压力的气体，

-从第一压力测量器件g1接收腔室压力值，该腔室压力值表示低压腔室4内的压力，

-使用腔室压力值以及所确定的样品参考压力与腔室参考压力之间的关系来确定样品表面压力。

该计算机程序还可以包括这样的指令，这些指令在由至少一个处理器执行时使至少一个处理器进行以下步骤：在接收多个不同的样品参考压力值的步骤之前，控制气体供应设备20供应气体，以提供多个不同的样品参考压力，并在输入部19上接收所需的压力值。然后，cpu能以闭环控制气体供应设备20以提供气流，这导致样品表面ss处的样品表面压力等于所需压力值。cpu和控制单元cu还可以控制第一抽吸器件12和第二抽吸器件22。

计算机程序还可以包括这样的指令，当这些指令由至少一个处理器执行时使至少一个处理器cpu进行以下步骤：

-在输入部19上接收所需压力值，

-以闭环来控制定位系统(ps)，使得在样品表面ss处获得等于所需压力值的样品表面压力。

这提供了保持固定距离的可能性。

在不脱离本发明的范围的情况下，能以许多方式修改上述实施例，本发明的范围仅由所附权利要求限制。