掃描電子顯微學(xué)中二次電子產(chǎn)生的Monte Carlo模擬.pdf

1、二次電子是掃描電子顯微鏡中最為基礎(chǔ)和常用的信號(hào)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的二次電子信號(hào)的產(chǎn)生也是最為復(fù)雜的。由理論計(jì)算來(lái)得到二次電子的產(chǎn)額以及能譜，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析有助于加深對(duì)二次電子產(chǎn)生的理解，進(jìn)而對(duì)實(shí)驗(yàn)中如何更有效的得到和利用二次電子有著重要的意義。本文首先簡(jiǎn)單介紹掃描電子顯微鏡的原理及目前的發(fā)展情況，概述了電子與固體相互作用研究的發(fā)展，以及實(shí)驗(yàn)中二次電子相關(guān)的現(xiàn)象及其原理。(第1章)
　　 二次電子產(chǎn)生的與電子在固體中復(fù)雜的

2、輸運(yùn)過(guò)程緊密相關(guān)。理論上，很難通過(guò)解析公式得到二次電子的產(chǎn)額以及能譜，因此我們使用Monte Carlo模擬來(lái)得到所需要的結(jié)果。電子在固體中的輸運(yùn)過(guò)程一般可以簡(jiǎn)化為電子與固體之間一系列的彈性或者非彈性碰撞以及在連續(xù)兩次碰撞之間電子自由飛行的過(guò)程。這兩種不同的碰撞可以通過(guò)相應(yīng)的理論來(lái)進(jìn)行描述。彈性碰撞已經(jīng)有了較為透徹的研究，人們發(fā)現(xiàn)Mott彈性散射截面可以較為準(zhǔn)確的描述電子在固體中的彈性散射。而對(duì)于非彈性散射，Penn提出的基于外推光學(xué)實(shí)

3、驗(yàn)數(shù)據(jù)的介電函數(shù)模型相對(duì)來(lái)說(shuō)更加合理。先前的研究中由于計(jì)算條件的限制，對(duì)Penn的模型一般采用了一種被稱為單極近似的手段來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算。而最新的研究進(jìn)展表明，放棄單極近似，采用我們稱之為full Penn方法的完整的模型能夠更加準(zhǔn)確的描述電子的非彈性散射過(guò)程，尤其對(duì)于近自由電子金屬。文中將詳細(xì)介紹full Penn方法，并給出由此得到的非彈性平均自由程以及阻止本領(lǐng)。在此基礎(chǔ)上，將簡(jiǎn)要介紹下Monte Carlo模擬的具體過(guò)程以及并行計(jì)算的相

4、關(guān)處理。(第2章)
　　 我們首先研究了二次電子的產(chǎn)額和能譜。二次電子的產(chǎn)額是反映材料性質(zhì)的重要參數(shù)。實(shí)驗(yàn)上對(duì)不同材料不同入射能量下的二次電子產(chǎn)額有著廣泛的研究。模擬得到的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有著很好的符合，同時(shí)二次電子的能譜也與實(shí)驗(yàn)有著較好的符合，這說(shuō)明現(xiàn)在的模型是合理的。在此基礎(chǔ)上，我們研究了二次電子的空間分布。二次電子所攜帶信息的空間分辨率可以從二次電子的空間分布得到，而這是實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量的。(第3章)
　　 在驗(yàn)證了理論

5、模擬的有效性的基礎(chǔ)上，研究了如下與二次電子的相關(guān)的幾種現(xiàn)象：
　　 1、形貌襯度：這是掃描電子顯微圖像的基本襯度。與該襯度相關(guān)的一個(gè)基本問(wèn)題足掃描電鏡分辨率的測(cè)量。目前掃描電鏡顯微鏡的分辨率測(cè)量有著多種方法，但最為準(zhǔn)確的方法難以確定。為了檢測(cè)這些方法，需要各種情況下的實(shí)驗(yàn)圖像，但這是非常困難的。一個(gè)替代的方法就是利用Monte Carlo模擬得到的圖像。我們引入了理論產(chǎn)生的復(fù)雜表而構(gòu)型，模擬實(shí)驗(yàn)的掃描過(guò)程得到了需要的圖像。模擬得

6、到的圖像還可以給出不考慮實(shí)驗(yàn)參數(shù)影響時(shí)理想的分辨率極限。同時(shí)通過(guò)圖像看到的樣品尺寸與真實(shí)尺寸之間的差異也可以通過(guò)比較模擬得到的圖像與模擬中采用的樣品構(gòu)型得到。(第4章)
　　 2、半導(dǎo)體摻雜襯度：由于半導(dǎo)體各個(gè)區(qū)域的摻雜濃度不同，將導(dǎo)致二次電子產(chǎn)額的變化并形成襯度，并且襯度與摻雜濃度有著很好的線性關(guān)系。這個(gè)現(xiàn)象對(duì)半導(dǎo)體器件的評(píng)估有著極高的應(yīng)用價(jià)值。我們認(rèn)為這種襯度主要米源于表面態(tài)所導(dǎo)致的功函數(shù)變化。模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)有著很好的一致

7、性。(第5章)
　　 3、自旋極化：一束無(wú)自旋極化的電子在Fe、Ni之類的物質(zhì)中所產(chǎn)生的二次電子有著顯著的自旋極化率(超過(guò)材料本身的磁化)。通常認(rèn)為這種現(xiàn)象主要是由于自旋相關(guān)的非彈性平均自由程非對(duì)稱性所導(dǎo)致。模擬的結(jié)果表明，Stoner激發(fā)，即自旋反轉(zhuǎn)的非彈性散射過(guò)程，有著重要的影響。(第6章)
　　 為了能夠直觀的了解等離子體激元激發(fā)與二次電子產(chǎn)生之間的關(guān)系，可以通過(guò)雙電子符合實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量由一個(gè)電子入射所導(dǎo)致的兩個(gè)反射電