Monte Carlo模拟波型结构的二次电子发射

摘要

二次电子信号的出射在科学技术领域都有着重要的价值，它作为扫描电子显微镜最常用的成像模式，能够反映电子束轰击范围内原位的材料以及形貌信息。二次电子极易受到实验条件以及材料变化的影响，由此可以利用其得到多种实验可观测的衬度，这使得二次电子在更多的领域得到应用，例如二次电子产额用于薄膜材料层厚的估计，环境扫描电子显微镜用于生物样品的观测等。二次电子的发展期待着可以成为更多领域的表征工具，实现这一目标依赖于二次电子产生模型更细致精确的描述。基于上述研究背景，关注二次电子实验测量的发展，本论文工作包括下几个部分:
　　首先介绍了扫描电子显微镜的发展，二次电子成像的实验观测，概述了二次电子产生过程的理论描述以及数值模拟方法。（第1章）
　　电子在固体中的传输和散射过程形成了各种电子显微镜和光谱分析技术的物理基础。因此，正确描述电子散射过程和模拟电子-固体相互作用的相应横截面是至关重要的。通过仔细分析，已经合理地描述了两种类型的电子散射过程:电子弹性散射通过使用莫特横截面来处理，并且电子非弹性散射被认为具有完全的宾夕法尼亚介电函数。在模拟的意义上，合理的随机抽样和模拟程序是必要的。我们合理地处理了所涉及的物理过程，即电子弹性和非弹性散射事件，步长取样和校正，级联二次电子产生和边界校正。（第2章）
　　我们还将有限元三角形网格建模引入到平滑变化的曲面结构中，并用空间细分法计算散射步长。通过使用免费的GNU（通用公共许可证）网格软件Gmsh，可以构造中等波浪型结构，而结构单元可以包含不同的材料（真空，元素合金和化合物）。Gmsh使用边界表示来描述几何结构，并且通过连续定义点，线表面和体积来创建自下而上的几何结构。通过对不同物理量（例如步长，能量，传输方向和传输概率）的适当校正，并利用高效MPI并行算法，将该模拟模型实际应用于许多复杂样品的SEM图像模拟。（第3章）
　　用于研究电子与固体相互作用的Monte Carlo(MC)模拟技术已成功应用于获得关键尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)中的线扫描轮廓。然而，以前的研究主要关注具有尖锐边缘的简单几何形状的样本。在这项工作中，我们将模拟扩展到平滑曲线波形结构的研究。在这项工作中，已经通过考虑不同的实验因素来计算波型结构的CD-SEM线扫描分布，例如，主束能量，几何参数和材料属性。结果表明，随着结构高度的降低，双侧峰值可以收缩并合成一个单峰。这一特性将对平滑线结构的表征构成挑战。（第4章）。

目录

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摘要

Abstract

Table of Content

Chapter 1 Introduction

1．1．1 Basic Principle

1．1．2 Experimental Observation of Secondary Electron Generation

1．2 Simulation of Secondary Electron Emission

1．2．2 Secondary Electrons (SE)

1．2．3 Backscattered Electrons (BSE)

1．2．4 Auger Electrons (AE)

1．2．5 Elastic Peak Electrons (PE)

Chapter 2 Monte Carlo Simulation of Secondary Electrons

2．1．1 Elastic Scattering of Electrons

2．1．2 Inelastic Scattering of Electrons

2．1．3 Secondary Electron Cascade Process

2．2 Stepwise Method of Monte Carlo Simulation

2．2．1 Sampling Methods and Simulation Steps

Chapter 3 Geometric Representation

3．1 Finite TrianguIar Mesh

3．2 Space Subdivision Method

3．3 Construction of Structure in Gmsh

3．3．1 Geometry Module

3．3．2 Mesh Modules

3．3．3 Solver Module

3．3．4 Post Processing Module

3．4 Geometrical Representation of Wave-type Structure

3．5 Correlation Correction Algorithm

3．4．1 Boundary Correction

Chapter 4 Secondary Electron Emission from Wave-Type Structure

4．1 Numerical calculation of simulation method and parallel computing

4．2 Simulation of SEM Images

4．3 Determining Nano-Meter Line-Width in CD-SEM

4．4 SE Line Profile from Wave-Type Structure

Chapter 5 Summary and Prospects

References

Acknowledgement

Publications