本文關鍵詞：掃描電鏡成像及荷電效應的Monte Carlo模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：掃描電子顯微鏡(SEM)成像技術是探索微米、納米材料微觀結構時使用最廣泛的一種方法。然而,由于電子-固體相互作用中成像信號產(chǎn)生機制所限,實驗圖像并不能夠完全準確地揭示材料的結構和形貌信息。因此,利用掃描電鏡進行準確的尺度測量還需要借助理論模擬,將模擬計算的圖像襯度與實驗圖像的襯度進行對比分析。這種方法不僅有利于加深對掃描電鏡成像機制的理解,而且可以建立實驗參數(shù)與樣品材料表征信息的平臺,以進一步構建掃描電鏡尺度計量的數(shù)據(jù)庫。本文第一章首先介紹了掃描電鏡基本原理,概述了電子與固體相互作用理論、掃描電鏡用于樣品三維重構、荷電效應的研究背景。其次,概述了蒙特卡洛方法在掃描電子顯微成像模擬中的應用。電子在固體中輸運過程的正確描述是掃描電鏡成像模擬的基礎。電子的輸運過程可以描述為一系列彈性和非彈性的散射事件。第二章介紹了用Mott截面來描述電子彈性散射事件以及full Penn的介電函數(shù)模型來處理非彈性散射事件和級聯(lián)電子的產(chǎn)生。基于這樣一種精準的蒙特卡洛模擬物理模型,本論文主要進行了以下的研究工作：1、通過我們自主開發(fā)的掃描電鏡成像模擬程序,模擬了復雜形貌的Au納米顆粒樣品在C襯底上的SEM圖像。第三章詳細介紹了建立納米顆粒3D構件的有限元三角形網(wǎng)格法,以及為了加速計算采用的空間分割法和射線追蹤技術。指出了準確測量該樣品形貌尺寸的最佳方法。2、第四章中我們研究了電子束聚焦束斑和聚焦條件對線寬測量的影響。我們建立了兼有簡易和可快速計算的電子束聚焦模型,它可以方便地應用于電子軌跡的蒙特卡洛中。通過模擬結果給出了精確測量線寬的聚焦條件,同時指明了傳統(tǒng)的高斯線型并不足以準確地描述電子探測束斑,應該采用“有效電子束形狀”來分析。3、第五章中采用蒙特卡洛模擬研究了有效電子束形狀(EEBS)對SEM成像的影響。研究發(fā)現(xiàn),EEBS強烈地依賴于電子束著落點處局域的樣品形貌以及聚焦條件,因此它獨立于入射點位置的傳統(tǒng)高斯線型很不一樣。對于圖像卷積來說,EEBS要比高斯線型更適用。第6-7章是關于荷電效應的研究,它是本論文的主要研究目標。我們建立了電荷沉積和動力學輸運模型。4、第六章中我們研究了等離子體刻蝕過程中掩膜表面的荷電效應。利用粒子模擬方法解釋了實驗中發(fā)現(xiàn)的圓形掩膜洞口在等離子體刻蝕過程中轉變成六邊形的機制。5、電子束輻照絕緣材料引起的電荷積累對SEM成像有重要的影響。第七章中我們發(fā)展了一種自洽的蒙特卡洛模擬以研究荷電效應的基本機制。該模擬方法基于有效的電荷沉積和動力學模型,同時也包含級聯(lián)二次電子產(chǎn)生過程。我們對Si02塊材計算了電子產(chǎn)額和表面電勢隨輻照時間的變化,電荷沉積分布等情況也以多種形式進行了研究。更加重要的是,我們在粗糙面線寬的掃描電鏡成像模擬中考慮了荷電效應。6、第八章中我們模擬了Au納米棒的掃描電鏡圖像,對Au納米棒進行成像模擬研究有助于建立納米棒長徑比測量方法。我們構建了有機分子包裹層的Au納米棒結構模型,但模擬得到的掃描電鏡圖像襯度與實驗圖像尚不能完全,其原因有待進一步研究。第九章對本論文的研究內(nèi)容作詳細總結。
【關鍵詞】：Monte Carlo 任意形狀樣品SEM模擬 二次電子 荷電效應
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN16
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-32
• 1.1 掃描電子顯微分析12-22
• 1.1.1 SEM簡介12-14
• 1.1.2 電子與固體相互作用14-17
• 1.1.3 SEM用于樣品三維數(shù)據(jù)重構17-19
• 1.1.4 SEM中的荷電效應19-22
• 1.2 Monte Carlo方法在掃描電鏡成像模擬中的應用22-32
• 1.2.1 SEM中二次電子產(chǎn)額的Monte Carlo模擬研究22-26
• 1.2.2 Monte Carlo方法應用于SEM的模擬26-30
• 1.2.3 CD-SEM線寬測量的Monte Carlo模擬研究30-32
• 第2章 電子散射模型及Monte Carlo模擬模型32-44
• 2.1 電子與固體相互作用理論32-37
• 2.1.1 電子彈性散射截面33-35
• 2.1.2 電子非彈性散射截面35-37
• 2.2 Monte Carlo模擬電子散射方法及步驟37-39
• 2.3 掃描電鏡成像模擬程序的并行化39-44
• 2.3.1 電鏡成像MPI并行程序簡介39-41
• 2.3.2 模擬程序的并行優(yōu)化以及加速比和并行效率的測試41-44
• 第3章 復雜形貌樣品的掃描電子顯微鏡成像的Monte Carlo模擬44-58
• 3.1 背景介紹44-45
• 3.2 模型和算法45-49
• 3.2.1 三維模型的構建45-47
• 3.2.2 空間分割法和射線步進法47-49
• 3.3 任意形貌Au納米顆粒的SEM模擬結果與討論49-51
• 3.4 Monte Carlo方法研究線邊沿粗糙度的影響51-55
• 3.4.1 三維模型的構建54
• 3.4.2 粗糙納米級光柵格掃描電鏡成像的模擬54-55
• 3.5 小結55-58
• 第4章 線寬的掃描電鏡成像模擬58-70
• 4.1 背景介紹58-59
• 4.2 電子束聚焦模型的建立59-60
• 4.3 電子束聚焦參數(shù)對線寬測量的影響60-61
• 4.4 結果和討論61-67
• 4.5 小結67-70
• 第5章 掃描電鏡成像中有效電子束形狀的Monte Carlo模擬研究70-80
• 5.1 背景介紹70
• 5.2 結果和討論70-76
• 5.2.1 任意形貌的Au顆粒的EEBS研究70-76
• 5.2.2 外加提取電場效應76
• 5.3 小結76-80
• 第6章 等離子刻蝕中圓洞掩膜圖案的荷電效應研究80-92
• 6.1 背景介紹80-81
• 6.2 等離子體刻蝕中掩膜表面荷電效應的發(fā)現(xiàn)81
• 6.3 理論和模擬模型的建立81-82
• 6.4 結果和討論82-88
• 6.4.1 電場分布的模擬82-85
• 6.4.2 正離子落在掩膜表面的分布模擬85-88
• 6.5 小結88-92
• 第7章 考慮荷電效應的SEM模擬的Monte Carlo研究92-114
• 7.1 背景介紹92-93
• 7.2 模型和算法93-97
• 7.3 SiO_2限大體系的荷電模擬結果與SEM成像模擬97-110
• 7.4 小結110-114
• 第8章 碳襯底上金納米棒的三維構造及其成像模擬114-122
• 8.1 背景介紹114-115
• 8.2 雙層膠囊型納米棒的三維模型建立115-116
• 8.3 結果和討論116-119
• 8.4 小結119-122
• 第9章 總結與展望122-124
• 參考文獻124-132
• 致謝132-136
• 在讀期間發(fā)表的學術論文與取得的研究成果136-138

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1 盧慧粉;宋慶軍;曹艷芬;孫秋香;;掃描電鏡中荷電效應的分析[J];理化檢驗(物理分冊);2014年01期

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本文編號：254673