现代光学导论第四次.ppt
设计一款TEM-分辨率0.25nm，加速电压200Kv,物镜电子枪照明系统成像系统,各种电子枪的性能对比(100kV),源的优化,源的发射原理：热电子发射，场致发射以及离子发射等发射尖的具体结构尺寸，栅极或者吸极的结构和电位，阳极的结构和电位源的参数：束能、交叉斑直径、束流、亮度、束流密度优化量：最优栅极偏压、栅极内径、阳极与栅极的距离,3.1 照明系统理论分析,电子显微镜光路原理图,单聚光镜,双聚光镜（合适激励）,双聚光镜（高激励）,通过调整聚光镜的激励，能够达到所需照明要求,50微米束斑,C1,C2,5微米束斑 初象,50微米束斑,10微米束斑,2微米束斑,亮,很亮,暗,1.5微米束斑,TEM模式,EDS模式,NBD模式,早期电镜照明光路,现代电镜照明光路,3.1 照明系统理论分析,透镜系统的设计,M为系统的放大倍数，do为源直径，（，是物方束半角）为系统球差弥散圆的直径，（）为系统色差弥散圆的直径物镜的设计（直接决定了分辨率）低球差系数和色差系数聚光镜的设计（满足照明束斑直径的要求）透镜系统的设计,单个透镜极靴仿真,第一聚光镜极靴仿真,第一聚光镜轴上磁场分布仿真,第二聚光镜极靴仿真,第二聚光镜轴上磁场分布仿真,磁通量密度(T),磁通量密度(T),Z轴(mm),Z轴(mm),3.2 照明系统软件仿真,单个透镜磁路仿真,第一聚光镜磁路仿真,第一聚光镜轴上磁场分布仿真,第二聚光镜磁路仿真,第二聚光镜轴上磁场分布仿真,磁通量密度(T),Z轴(mm),磁通量密度(T),Z轴(mm),线圈,磁路,极靴,线圈,磁路,极靴,3.2 照明系统软件仿真,第一聚光镜仿真,第一聚光镜光路仿真,第一聚光镜轴上磁场仿真,第一聚光镜电子束轨迹仿真,磁通量密度(T),Z轴(mm),Z轴(mm),R轴(mm),Z轴(mm),3.2 照明系统软件仿真,第二聚光镜仿真,第二聚光镜光路仿真,第二聚光镜轴上磁场仿真,第二聚光镜电子束轨迹仿真,磁通量密度(T),Z轴(mm),R轴(mm),Z轴(mm),3.2 照明系统软件仿真,一体化仿真,物镜磁路仿真,物镜前场轴上磁场仿真,TEM模式光路仿真,TEM模式电子束轨迹仿真,磁通量密度(T),Z轴(mm),线圈,磁路,极靴,R轴(mm),Z轴(mm),Z轴(mm),3.2 照明系统软件仿真,实际轨迹图,X轴(mm),Z轴(mm),Z轴(mm),Y轴(mm),R轴(mm),各透镜相对位置（单位 mm）,仿真结果数据列表,3.2 照明系统软件仿真,探索式仿真,小聚光镜镜磁路仿真,小聚光镜轴上磁场仿真,TEM模式光路仿真,TEM模式电子束轨迹仿真,磁通量密度(T),Z轴(mm),线圈,磁路,极靴,磁通量密度(T),Z轴(mm),3.2 照明系统软件仿真,探索式仿真,EDS模式光路仿真,NBD模式光路仿真,Z轴(mm),Z轴(mm),3.2 照明系统软件仿真,机械合轴,电子合轴,3.3 照明系统合轴调节,对中调节,高度调节,灯丝座结构示意图,高度调节步骤示意图,实际电子枪,栅极,灯丝座,3.3 照明系统合轴调节,调节电子束,聚光镜光阑合轴,聚光镜消象散,调节灯丝像,3.3 照明系统合轴调节,灯丝高度过低时灯丝像,合轴后的灯丝像,栅格样品像,栅格样品像,3.3 照明系统合轴调节,3.4 实验验证,实验平台,高放大倍率光斑,低放大倍率光斑,放大倍数,光斑大小,实际激励电流值,标定,记录,实验方法,3.4 实验验证,3.2成像系统仿真与调试,成像系统仿真思路：,3.2.3 物镜光学特性仿真：,3.1.3 物镜光学特性仿真：,3.1成像系统仿真与调试,3.1成像系统仿真与调试,3.1.4 投影镜光学特性仿真：,3.2.5 成像系统一体化仿真：,3.1成像系统仿真与调试,3.1.5 成像系统一体化：,系统倍率的实现：,3.1成像系统仿真与调试,3.1.6 仿真结果：,3.2.6 仿真结果：,三、课题研究内容,3.1成像系统仿真与调试,3.1.7 成像系统调试：,调试方法：,三、课题研究内容,3.1成像系统仿真与调试,3.1.7 成像系统调试：,调试结果：,3.1成像系统仿真与调试,磁透镜及Munro软件简介：,磁透镜成像原理简介：,三、课题研究内容,3.1成像系统仿真与调试,3.1.3 物镜光学特性仿真：,三、课题研究内容,3.1成像系统仿真与调试,3.1.4 投影镜光学特性仿真：,三、课题研究内容,3.1成像系统仿真与调试,3.1.5 成像系统一体化仿真：,三、课题研究内容,3.1成像系统仿真与调试,3.1.7 成像系统调试：,调试结果：,第四节 电子束与物质相互作用,散射截面,电子受原子散射可分为弹性和非弹性散射,电子受到原子核和核外电子云势场的散射，相当于电子和整个原子碰撞。由于原子质量远大于电子质量，电子散射后只改变方向而不损失能量，这种散射称为弹性散射。,电子既改变方向，又改变能量的散射称为非弹性散射,在电子束轰击下，试样产生各种信息的过程大致分为：,信息及其产生过程,1.信息的产生,（1）相互作用（入射电子与试样原子的碰撞）（2）产生次级束或改变原来的性能（3）输运过程，从表面上传输到表面,（4）逸出表面（5）被探测到,1.信息的产生,（3）和（4）比较复杂，一般近似地输运过程作一般自由程处理，而逸出表面简化为逸出功的影响，只要能量足以克服势垒而方向又合适即可飞离表面。,2.信息的种类,1.弹性散射电子 2.背散射电子 3.透射电子 4.吸收电流 5.二次电子 6.俄歇电子 7.各种X射线,弹性散射电子是由弹性散射所产生的，其能量与入射电子相同，在适当的条件下可以产生电子衍射，是电子衍射的基础。,1.弹性散射电子,背散射电子是入射电子经过多次弹性和非弹性散射所形成的，绝大多数背散射电子的能量与入射电子的能量相近。有时将弹性散射电子也包括在背散射电子之中。,2 背散射电子,2 背散射电子,背散射系数是背散射电子数和入射电子数的比值,背散射系数与原子序数的依赖关系,2 背散射电子,开始增长快，而后逐渐放慢,这样，不同元素产生不同的背散射电子,背散射系数与入射电子的初始能量关系不大，10-30keV范围的入射电子的背散射系数是常数。,2 背散射电子,背散射系数和试样倾角有关,超过30度以后，背散射系数增加得很快,形貌图,（1）原子序数越大，散射角越大，散射机会越多，背散射系数越大；,2 背散射电子,背散射电子的实验规律：,（2）原子序数越大，背散射离开表面前在试样中的路程愈短，损失能量越少，因此背散射电子的平均能量越大；,（3）试样倾角越大，入射电子的轨道靠近以至射出表面的机会越多，因此背散射系数大。,3.透射电子,试样很薄（数百nm），入射电子穿透试样而形成透射电流，透射电镜中用来分析试样的组成和缺陷。,4.吸收电流,若设入射电流为ip，背散射，透射，吸收，次级电子流强度分别为ib，ir，ia，is，则,当试样很厚，ir=0，若 is为一恒量，则：,5.二次电子,广义讲，逸出样品表面的电子均为二次电子，真正的二次电子区，经非弹性背散射电子区，弹性散射电子区，EP 为入射电子能量。区电子能量在50eV以下，大部分为获得能量而逸出表面的自由电子，也有一部分是损失了大部分能量的初级电子和输运过程中丧失特征能量的俄歇电子。,5.二次电子,6.俄歇电子,俄歇电子带有元素的特征能量，信号很微弱，在特殊场合，利用它的信号来分析试样的表面组成，俄歇电子分析。,7.X射线,连续谱：探伤，诊断等特征X射线：微区成分分析,俄歇电子的能量在数十eV2000eV之间，平均自由程0.52.0nm，约13个单原子层；二次电子的能量在50eV以内，逸出过程中可能损失部分能量而本身不带特征能量；背散射电子的能量更高，逸出深度更大；X射线截面约为电子的10-4，逸出深度在微米量级。,8 信号逸出深度,二、透射电镜的成像衬度,形成衬度的原理,（1）散射衬度,为了确保透射电镜的分辨本领，物镜的孔径半角必须很小，即小孔径成像（一般是在物镜的背焦面上放一个被称为物镜光阑的小孔径光阑来达到这个目的的）。,三 透射电镜样品制备,用于透射电镜的试样不仅尺度很小，而且要很薄，使电子束能穿过。因此样品制备对透射电镜很重要。,目前，已发展了很多种方法，各有其特点和应用范围,主要有：1.支持膜法 2.复型法 3.薄试样制备 a.化学腐蚀法；b.电解抛光法；c.喷射电解抛光法；d.离子轰击法。,电子束光刻技术 E-Beam Lithography,电子束曝光概述电子束曝光系统的结构与原理CABL9000C电子束曝光系统及关键参数电子束曝光的工艺程序电子束曝光的极限分辨率多层刻蚀工艺,1.1 电子束曝光是什么？电子束曝光（electron beam lithography）指利用某些高分子聚合物对电子敏感而形成曝光图形的，是光刻技术的延伸。,1.电子束曝光概述,紫外光,普通光刻,电子束曝光,电子束,光刻技术的精度受到光子在波长尺度上的散射影响。使用的光波长越短，光刻能够达到的精度越高。紫外光波长:常用200400nm之间根据德布罗意的物质波理论，电子是一种波长极短的波（加速电压为50kV，波长为0.0053nm）。这样，电子束曝光的精度可以达到纳米量级，从而为制作纳米结构提供了很有用的工具。,1.2 电子束曝光有什么用？电子束曝光能够在抗蚀剂上写出纳米级的图形，利用最高级的电子束曝光设备和特殊显影工艺，能够写出10nm以下的精细结构。纳米器件的微结构集成光学器件，如光栅，光子晶体NEMS结构小尺寸光刻掩模板,离子泵,离子泵,限制膜孔,电子探测器,工作台,分子泵,场发射电子枪,电子枪准直系统,电磁透镜,消像散器,偏转器,样品交换室,机械泵,物镜,2.电子束曝光系统的结构与原理,电子枪,场发射电极 ZrO/W电场强度:108N/C,钨丝2700K,六硼化镧1800K,0.5um,电子束曝光的电子能量通常在10100keV,2.1 电子束曝光系统的结构,电子枪准直系统,整个电子光柱由各部分电子光学元件组装起来，装配高度达1m左右。任何微小的加工或装配误差都可能导致电子枪的阴极尖端与最后一级的透镜膜孔不在同一轴线上。因此需要装一个准直系统，必要时对电子枪发出的电子束进行较直。,它与光学聚光透镜的原理相同，能够聚焦电子束的束径，使电子最大限度的到达曝光表面,电磁透镜,消像散器,由于加工误差，电磁透镜的x、y方向的聚焦不一致，造成电子束斑椭圆化。消像散器由多级透镜组成，能从不同方向对电子束进行校正,偏转器用来实现电子束的偏转扫描。,偏转器,物镜,将电子束进一步聚焦缩小，形成最后到达曝光表面的电子束斑。除以上部分外，电子束曝光系统还包括束流检测系统、反射电子检测系统、工作台、真空系统、图形发生器等。,最小束直径：直接影响电子束直写的最小线宽。加速电压：一般10100keV，电压越高，分辨率越高，邻近效应越小，同时可曝光较厚的抗蚀剂层。电子束流：束流大，曝光速度快，但是束斑尺寸大，分辨率低。,3.CABL9000C电子束曝光系统及关键参数,日本CRESTEC 公司生产的CABL9000C,2nm，最小尺寸20nm,30keV,常用：25100pA,扫描场大小：扫描场大，大部分图形可在场内完成，可避免多场拼接；扫描场小，精度高。拼接精度：图像较大，需要多个场拼接。,60600um,2050nm,4.电子束曝光的工艺程序,4.1抗蚀剂工艺,PMMA优点：分辨率高（10nm），对比度大，利于剥离技术，价格低 缺点：灵敏度较低，耐刻蚀能力差HSQ：负胶，极高的分辨率（10nm），邻近效应小，灵敏度很低ZEP-520优点：分辨率高（20nm），灵敏度较高，耐刻蚀 缺点：去胶较难,稀释剂：ZEP-A（苯甲醚）,绘制曝光图案样品传入（样品为导体或半导体）选择束电流低倍聚焦选定曝光位置在Au颗粒处调整像散高倍聚焦，调节wafer Z=0，激光定位参数设定（位置、剂量、图案数量等）样品曝光样品取出显影（ZEP-N50，1min）曝光图案观察,4.2电子束曝光工艺,电子束入射到抗蚀剂后，与抗蚀剂材料中的原子发生碰撞，产生散射。,4.3电子束曝光中的邻近效应,邻近效应：如果两个图形离得很近，散射的电子能量会延伸到相邻的图形中，使图案发生畸变；单个图形的边界也会由于邻近效应而扩展。,邻近效应的校正,剂量校正：由于电子束散射，同一图形在同一剂量下曝光的能量分布式不同的，需要人为的改变曝光剂量。将图形进行几何分割，计算每一部分能量的分布（每一点能量的分布符合双高斯函数），按照不同的区域分配曝光剂量。缺点：计算复杂，需要CAPROX等专业软件；计算假设每一图形内部剂量一致，误差存在,图形尺寸校正：通过改变尺寸来补偿电子散射造成的曝光图形畸变。,邻近效应的校正,缺点：校正的动态范围小,1）稳定的工作环境：温度变化范围0.2，振动2um以下，磁场变化在0.2uT以下。2）高的电子束能量：高能量电子束产生的电子散射小，色差与空间电荷效应抵消，且有利于曝光厚的抗蚀剂层。高档次的电子束曝光机一般都在100keV。3）低束流：低束流可以减小空间电荷误差，有利于获得更小的束斑。束流低会增加曝光时间，会使聚焦标记成像亮度降低，使对焦困难。4）小扫描场：电子束曝光系统的偏转相差与扫描场大小有关，高分辨率应尽量使用小扫描场。,5.电子束曝光的极限分辨率,电子束曝光100nm的微细图形很容易制出，但是小于50nm的图形却不是轻易能够实现的。电子束的极限分辨率与多个因素有关：,5）低灵敏度抗蚀剂：20nm以下的电子束曝光全部使用低灵敏度的抗蚀剂，例如PMMA等。6）薄抗蚀剂层：减小抗蚀剂层可减小散射，降低临近效应。7）低密度图形：可以比较容易实现20nm的单一线条图形，却无法或很难实现20nm等间距的线条图形。8）低密度、高导电性衬底材料：高密度的衬底材料产生的散射电子多，临近效应强；衬底导电性不好会产生电荷积累效应，影响曝光图形的精度。,电子束散射示意图,200nm,41nm台阶,77nm多边形,6.多层抗蚀剂工艺,透射电镜应用,透射电镜应用,a single Pt particle sitting on the Au film,Pt particles on the amorphous graphite films,透射电镜应用,透射电镜应用,第二章 电子显微镜,第九节 透射电镜应用,Precision TEM cross-section was prepared by FIB milling through the defect site detected by light emission microscopy.a)Emission micrograph showing the location of the defect.b)TEM micrograph showing epi stacking fault in the light emitting area,三.电源系统（高压）,高压滤波柱,倍压升压电路,三.电源系统（高压）,高压电源电子线路,
