扫描电子显微成像及弹性电子峰谱分析的Monte Carlo模拟研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论文扫描电子显微成像及弹性电子峰谱分析的Monte Carlo模拟研究姓名:李永钢申请学位级别:博士专业:凝聚态物理指导教师:丁泽军 20090501 摘要摘要电子显微和电子能谱分析技术的迅速发展和广泛应用,需要理论方面的研究支持。本文首先简单介绍了扫描电子显微镜等相关探测技术的基本原理和发展趋势,概述了相关的电子与固体相互作用的理论、Monte Carlo模拟计算方法在相关领域的应用。其次,概述了扫描电子显微(SEM)和扫描俄歇电子显微(SAM)成像模拟研究现状,以及准弹性电子谱分析和SEM中荷电效应等的实验和理论研究背景,阐明了现在存在的问题和亟待完成的工作。(第1章) 电子在固体中的输运和散射过程是各种电子显微和能谱分析技术的物理基础。因此,对电子散射过程及相应截面的准确描述是电子与固体相互作用过程模拟的关键。通过仔细分析,对电子经历的两种散射过程给予了合理的描述:。在模拟计算的具体实施中,合理的随机抽样方法和模拟步骤是必须的。我们在模拟程序中合理地处理了电子的弹性和非弹性散射、步长抽样及修正、二次电子级联产生、俄歇电子产生和发射, 界面修正等物理过程。并恰当地引入了两种3D构件的构造模型:(1)实体结构几何法与射线追踪算法求散射步长结合的构造模型:(2)有限元三角形网格法近似构造任意复杂3D结构方法并结合空间分割求散射步长的构造模型。利用两种构造模型可以构建出具有适当复杂的3D结构体系,结构单元中可填充真空、单元素、合金和化合物等组分。通过合理修正各种物理量(散射步长、能量、运动方向、透射几率等)和使用高效MPI并行算法,使得此模型可以实用于各种复杂样品体系的SEM图像等的模拟研究。(第2章) 基于以上模型,本学位论文具体开展了以下几个主要方面的研究工作: 1、通过对纳米级线宽的SEM成像模拟,建立起了模型构件与SEM图像问的对应关系,系统地分析了各种样品结构参数以及仪器因素对利用测长扫描电镜进行纳米级线宽测量的影响,阐明了电子束宽、与角度相关的几何结构参数、粗糙度和荷电效应是线宽测量中最主要的影响。此研究将有助于提出相应的测量新算法。(第3章) 2、通过把电荷分布的流体动力学模拟与成熟的Monte Carlo模拟结合起来的方法,建立起了研究SEM中荷电效应的理论框架和模拟模型。另外,通过引入类似俄歇电子能谱定量分析中关于深度分布函数的定义,模拟研究了二次电子的激发深度分布函数和发射深度分布函数随不同实验条件的变化关系, 这些分布函数可以用于定量地研究二次电子产生和发射等信息。(第4章) 摘要 3、通过合理地引入俄歇电子的激发与发射过程,将SEM图像的Monte Carlo模拟方法扩展到对SAM图像的模拟,这里我们使用的是更精确的Casnati的内壳层电离截面。通过对不同体系、不同实验条件的Monte Carlo模拟研究,揭示了俄歇电子图像衬度的形成机理,并分析了各种机制对图像假象效应的影响。这些结果显示,该模拟程序具有通用性,它是研究SAM成像衬度机制的一种有效的方法。(第5章) 4、借助经典的二体碰撞理论处理准弹性散射能量损失,,定量模拟研究了电子准弹性峰谱和高能反射电子能量损失谱,模拟结果与实验测量结果在准弹性峰和能量损失峰的峰位、峰宽和强度等方面完美地符合。计算结果显示,多重弹性散射过程是准弹性散射信号中主要的散射事件,考虑到多重散射效应可以显著地改善强度比的简单线性模型计算和实验结果之间的偏差。这将有利于弹性峰峰谱的定量表面分析,如探测元素分布、深度剖析以及膜厚测量。(第6章) 关键词:MonteCarlo,,扫描电镜成像,二次电子,荷电效应,俄歇电子,准弹性电子散射 II ABSTRA(T ABSTRACT Theoretical investigation isnecessary modate thefastdevelopment and wide application oftheelectron microscopic and electron spectroscopic analysis tech. thesisfirstly introduces thebasic principle and development of scan. ning electronmicroscope(SEM)and therelated analysistechniques, correspond. ing electron—solid inte