扫描电子显微成像及弹性电子峰谱分析的Monte Carlo模拟研究

论文摘要

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述是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:利用Mott的弹性散射截面处理电子的弹性散射过程和利用full-Penn的介电函数方方法法处理电子的非弹性散射过程。在模模拟拟计算的具体实实施施中,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。并恰当当地地引入了两种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用于于各种复杂样品体系的SEM图像等等的的模模拟拟研究。（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图像间的对应关系,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镜进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、粗糙度和和荷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用于于定量地研究二次电子产生和发射等信息。（第4章）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MonteCarlo模模拟拟方方法法扩展到到对对SAM图像的模模拟拟,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方法法。（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,并利用原子的Maxwell-Bolztmann热振动能量分布和修正了各向异性分布的振动动量,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、峰宽和强度度等等方面完美地符合。计算结果显示,多多弹弹性散射过程是准弹性散射信号中中主主要的散射射事事件,考虑到到多多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峰峰谱的的定定量表面分析,如探测元素分布、深度剖析以及膜厚测量。（第6章）

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 扫描电子显微及能谱分析研究
• 1.1.1 扫描电子显微镜的原理和应应用用
• 1.1.2 电子与固体相互作用
• 1.1.3 数值计算模模拟拟方方法法及并行计算
• 1.2 Monte Carlo模模拟拟在表面分析中的应应用用
• 1.2.1 扫描电镜成像的模模拟拟研究
• 1.2.2 准弹性电子散射及能谱分析
• 1.2.3 SEM中的荷电效应
• 第2章 电子散射理论及Monte Carlo模型
• 2.1 电子与固体的相互作用理论
• 2.1.1 电子在固体中输运的一般表述
• 2.1.2 电子弹性散射截面
• 2.1.3 电子非弹性散射截面
• 2.2 Monte Carlo模型的建立
• 2.2.1 抽样方方法法和模模拟拟步骤
• 2.2.2 程序并行化
• 2.3 3D结构构构构建算法
• 2.3.1 实体结构几何法
• 2.3.2 有限元三角形网格法
• 2.3.3 空间分割和直线步进
• 2.4 粗糙糙表表面结构的构建
• 2.5 相关修正算法
• 2.5.1 电子散射步长的修正
• 2.5.2 电子能量、方向和透射几率的修正
• 第3章 CD-SEM中纳米级线宽测量算法的Monte Carlo模模拟拟研究
• 3.1 模型的建立及表面粗糙度度的的模模拟拟
• 3.1.1 几何结构模型
• 3.1.2 模型精确性验证
• 3.2 各种结构参数对纳米线宽确定定的的影响
• 3.3 小结
• 第4章 SEM中荷电效应的流体动力学模模拟拟及SE深度分 布的模模拟拟研究
• 4.1 荷电效应的流体动力学模模拟拟
• 4.1.1 理论模型的建立
• 4.1.2 数值算法处理
• 4.1.3 基本本参参数的确定
• 4.2 SE深度分布的模模拟拟
• 4.2.1 激发深度分布函数和发射射深深度分布函数
• 4.2.2 结果果和和分析
• 4.3 小结
• 第5章 扫描俄歇显微分析的Monte Carlo模模拟拟研究
• 5.1 扫描俄歇成像的模模拟拟
• 5.1.1 内壳层电离截面
• 5.1.2 俄歇电子激发和发射
• 5.2 结果与讨论
• 5.3 小结
• 第6章 ERBS和HEREELS的Monte Carlo定量模模拟拟研究
• 6.1 电子子准准弹性散射理论及模模拟拟拟模模型
• 6.1.1 反弹能
• 6.1.2 模模拟拟的程序处理
• 6.2 ERBS和HREELS谱的结果分析
• 6.2.1 C/Ge双层膜体系的ERBS谱的的定定量分析
• 6.2.2 ERBS和HEREELS谱的的定定量分析
• 6.2.3 准弹性峰信号的有效深度分布函数
• 6.3 小结
• 第7章 总结和展望
• 参考文献
• 附录
• A.1 （粗糙糙表表面）梯形和圆弧角构造体的构建方方法法
• A.1.1 粗糙糙表表面梯形构造体的构建
• A.1.2 圆弧角构造体的构建
• A.2 ERBS的能量分辨率估计
• A.3 ERBS能谱中探测构型的模型控制
• A.4 FISHPACK程序源码包使用中参参变变量的设置
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得得的的研究成果