現(xiàn)代光學(xué)導(dǎo)論第四次課件

設(shè)計(jì)一款TEM-分辨率0.25nm，加速電壓200Kv物鏡電子槍照明系統(tǒng)成像系統(tǒng)類別鎢燈絲LaB6場(chǎng)發(fā)射槍逸出功（eV）4.52.44.5工作溫度(K)27001700300電流密度（A/m2）5x1041061010交叉斑直徑（μm）5010<0.01能量散度(eV)31.50.3發(fā)射電流穩(wěn)定度(%/小時(shí))<1<15真空度（Pa）10-210-410-8壽命(小時(shí))100500>1000各種電子槍的性能對(duì)比(100kV)源的優(yōu)化源的發(fā)射原理：熱電子發(fā)射，場(chǎng)致發(fā)射以及離子發(fā)射等發(fā)射尖的具體結(jié)構(gòu)尺寸，柵極或者吸極的結(jié)構(gòu)和電位，陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)和電位源的參數(shù)：束能、交叉斑直徑、束流、亮度、束流密度優(yōu)化量：最優(yōu)柵極偏壓、柵極內(nèi)徑、陽(yáng)極與柵極的距離3.1照明系統(tǒng)理論分析電子顯微鏡光路原理圖電子槍交叉點(diǎn)試樣平面雜散電子單聚光鏡雙聚光鏡（合適激勵(lì)）雙聚光鏡（高激勵(lì)）通過(guò)調(diào)整聚光鏡的激勵(lì)，能夠達(dá)到所需照明要求50微米束斑C1C25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模式后方磁場(chǎng)C2光闌物鏡前方磁場(chǎng)試樣C1早期電鏡照明光路

現(xiàn)代電鏡照明光路

3.1照明系統(tǒng)理論分析透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)M為系統(tǒng)的放大倍數(shù)，do為源直徑，（，是物方束半角）為系統(tǒng)球差彌散圓的直徑，（）為系統(tǒng)色差彌散圓的直徑物鏡的設(shè)計(jì)（直接決定了分辨率）低球差系數(shù)和色差系數(shù)聚光鏡的設(shè)計(jì)（滿足照明束斑直徑的要求）透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)單個(gè)透鏡極靴仿真第一聚光鏡極靴仿真第一聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真第二聚光鏡極靴仿真第二聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真磁通量密度(T)磁通量密度(T)Z軸(mm)Z軸(mm)3.2照明系統(tǒng)軟件仿真單個(gè)透鏡磁路仿真第一聚光鏡磁路仿真第一聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真第二聚光鏡磁路仿真第二聚光鏡軸上磁場(chǎng)分布仿真磁通量密度(T)Z軸(mm)磁通量密度(T)Z軸(mm)線圈磁路極靴線圈磁路極靴3.2照明系統(tǒng)軟件仿真束斑直徑SD（μm）0.752.57.5線圈激勵(lì)（NI）20331090650激勵(lì)電流值（A）0.3660.1960.117第一聚光鏡仿真第一聚光鏡光路仿真第一聚光鏡軸上磁場(chǎng)仿真第一聚光鏡電子束軌跡仿真磁通量密度(T)Z軸(mm)Z軸(mm)R軸(mm)Z軸(mm)3.2照明系統(tǒng)軟件仿真照明束班直徑SD（μm）1.46205.327821.7869線圈激勵(lì)NI（A）118112191370激勵(lì)電流值（A）0.220.230.25第二聚光鏡仿真第二聚光鏡光路仿真第二聚光鏡軸上磁場(chǎng)仿真第二聚光鏡電子束軌跡仿真磁通量密度(T)Z軸(mm)R軸(mm)Z軸(mm)3.2照明系統(tǒng)軟件仿真一體化仿真物鏡磁路仿真物鏡前場(chǎng)軸上磁場(chǎng)仿真TEM模式光路仿真TEM模式電子束軌跡仿真磁通量密度(T)Z軸(mm)線圈磁路極靴R軸(mm)Z軸(mm)Z軸(mm)3.2照明系統(tǒng)軟件仿真實(shí)際軌跡圖X軸(mm)Z軸(mm)Z軸(mm)Y軸(mm)R軸(mm)虛源位置(物平面)第一聚光鏡第二聚光鏡物鏡樣品臺(tái)5287407633633.02照明束班直徑SD（μm）1.5515第一聚光鏡激勵(lì)NI（A）20331094727激勵(lì)電流值（A）0.36630.19710.1310第二聚光鏡激勵(lì)NI（A）118312201312激勵(lì)電流值（A）0.21310.21980.2364像平面（mm）291.2631633301631633320631633系統(tǒng)倍率0.028200.105140.30127各透鏡相對(duì)位置（單位mm）仿真結(jié)果數(shù)據(jù)列表3.2照明系統(tǒng)軟件仿真探索式仿真小聚光鏡鏡磁路仿真小聚光鏡軸上磁場(chǎng)仿真TEM模式光路仿真TEM模式電子束軌跡仿真照明束班直徑SD（nm）543第一聚光鏡激勵(lì)NI（A-t）1011.12871011.60661013.8271激勵(lì)電流值（A）0.1821850.1822710.182672第二聚光鏡激勵(lì)NI（A-t）2214.31052215.41022215.4102激勵(lì)電流值（A-t）0.3989030.3991010.399101小聚光鏡激勵(lì)NI（A-t）1764.33041759.75701755.8848激勵(lì)電流值（A）0.9047850.9024390.900454磁通量密度(T)Z軸(mm)線圈磁路極靴磁通量密度(T)Z軸(mm)3.2照明系統(tǒng)軟件仿真探索式仿真EDS模式光路仿真NBD模式光路仿真Z軸(mm)Z軸(mm)3.2照明系統(tǒng)軟件仿真機(jī)械合軸電子合軸3.3照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié)對(duì)中調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)燈絲座結(jié)構(gòu)示意圖高度調(diào)節(jié)步驟示意圖實(shí)際電子槍柵極燈絲座3.3照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電子束聚光鏡光闌合軸聚光鏡消象散調(diào)節(jié)燈絲像3.3照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié)燈絲高度過(guò)低時(shí)燈絲像合軸后的燈絲像柵格樣品像柵格樣品像3.3照明系統(tǒng)合軸調(diào)節(jié)3.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)高放大倍率光斑低放大倍率光斑放大倍數(shù)光斑大小實(shí)際激勵(lì)電流值標(biāo)定記錄實(shí)驗(yàn)方法3.4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.2成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試TEM模式衍射模式物鏡第一中間鏡第二中間鏡投影鏡3.2.2成像系統(tǒng)仿真思路：3.2.3物鏡光學(xué)特性仿真：電子經(jīng)過(guò)物鏡后的運(yùn)動(dòng)軌跡物鏡網(wǎng)格劃分軸上場(chǎng)分布3.1.3物鏡光學(xué)特性仿真：3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試透鏡激勵(lì)透鏡中心主平面物方焦點(diǎn)焦距大小像平面放大倍率球差系數(shù)理論點(diǎn)分辨率11838.5565A-t633.02mm635.6405mm633.5206mm2.1199mm809.4948mm81.99×2.56mm3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.4投影鏡光學(xué)特性仿真：磁透鏡有限元網(wǎng)格劃分透鏡材料的磁性特性軟件仿真調(diào)整激勵(lì)大小投影鏡的最大激勵(lì)熒光屏位置投影鏡的光學(xué)特性參數(shù)電子經(jīng)過(guò)投影鏡后的運(yùn)動(dòng)軌跡投影鏡網(wǎng)格劃分軸上場(chǎng)分布3.2.5成像系統(tǒng)一體化仿真：3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試磁透鏡有限元網(wǎng)格劃分透鏡材料的磁性特性軟件仿真調(diào)整激勵(lì)大小中間鏡的最大激勵(lì)投影鏡物平面物鏡像平面在飽和激勵(lì)范圍內(nèi)調(diào)節(jié)系統(tǒng)倍率調(diào)節(jié)3.1.5成像系統(tǒng)一體化：系統(tǒng)倍率的實(shí)現(xiàn)：3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.6仿真結(jié)果：3.2.6仿真結(jié)果：三、課題研究?jī)?nèi)容3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.7成像系統(tǒng)調(diào)試：照明系統(tǒng)與物鏡合軸成像系統(tǒng)合軸物鏡調(diào)焦和消像散各成像模式下工作參數(shù)標(biāo)定電壓中心相機(jī)長(zhǎng)度菲涅爾衍射環(huán)調(diào)試方法：三、課題研究?jī)?nèi)容3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.7成像系統(tǒng)調(diào)試：調(diào)試結(jié)果：3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.1磁透鏡及Munro軟件簡(jiǎn)介：磁透鏡成像原理簡(jiǎn)介：三、課題研究?jī)?nèi)容3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.3物鏡光學(xué)特性仿真：電子經(jīng)過(guò)物鏡后的運(yùn)動(dòng)軌跡物鏡網(wǎng)格劃分軸上場(chǎng)分布三、課題研究?jī)?nèi)容3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.4投影鏡光學(xué)特性仿真：磁透鏡有限元網(wǎng)格劃分透鏡材料的磁性特性軟件仿真調(diào)整激勵(lì)大小投影鏡的最大激勵(lì)熒光屏位置投影鏡的光學(xué)特性參數(shù)電子經(jīng)過(guò)投影鏡后的運(yùn)動(dòng)軌跡投影鏡網(wǎng)格劃分軸上場(chǎng)分布三、課題研究?jī)?nèi)容3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.5成像系統(tǒng)一體化仿真：三、課題研究?jī)?nèi)容3.1成像系統(tǒng)仿真與調(diào)試3.1.7成像系統(tǒng)調(diào)試：調(diào)試結(jié)果：第四節(jié)電子束與物質(zhì)相互作用散射截面電子受原子散射可分為彈性和非彈性散射電子受到原子核和核外電子云勢(shì)場(chǎng)的散射，相當(dāng)于電子和整個(gè)原子碰撞。由于原子質(zhì)量遠(yuǎn)大于電子質(zhì)量，電子散射后只改變方向而不損失能量，這種散射稱為彈性散射。電子既改變方向，又改變能量的散射稱為非彈性散射在電子束轟擊下，試樣產(chǎn)生各種信息的過(guò)程大致分為：信息及其產(chǎn)生過(guò)程1.信息的產(chǎn)生（1）相互作用（入射電子與試樣原子的碰撞）（2）產(chǎn)生次級(jí)束或改變?cè)瓉?lái)的性能（3）輸運(yùn)過(guò)程，從表面上傳輸?shù)奖砻妫?）逸出表面（5）被探測(cè)到1.信息的產(chǎn)生（3）和（4）比較復(fù)雜，一般近似地輸運(yùn)過(guò)程作一般自由程處理，而逸出表面簡(jiǎn)化為逸出功的影響，只要能量足以克服勢(shì)壘而方向又合適即可飛離表面。

2.信息的種類

1.彈性散射電子

2.背散射電子

3.透射電子

4.吸收電流

5.二次電子

6.俄歇電子

7.各種X射線彈性散射電子是由彈性散射所產(chǎn)生的，其能量與入射電子相同，在適當(dāng)?shù)臈l件下可以產(chǎn)生電子衍射，是電子衍射的基礎(chǔ)。

1.彈性散射電子背散射電子是入射電子經(jīng)過(guò)多次彈性和非彈性散射所形成的，絕大多數(shù)背散射電子的能量與入射電子的能量相近。有時(shí)將彈性散射電子也包括在背散射電子之中。2背散射電子2背散射電子背散射系數(shù)是背散射電子數(shù)和入射電子數(shù)的比值背散射系數(shù)與原子序數(shù)的依賴關(guān)系2背散射電子開始增長(zhǎng)快，而后逐漸放慢這樣，不同元素產(chǎn)生不同的背散射電子背散射系數(shù)與入射電子的初始能量關(guān)系不大，10-30keV范圍的入射電子的背散射系數(shù)是常數(shù)。2背散射電子背散射系數(shù)和試樣傾角有關(guān)超過(guò)30度以后，背散射系數(shù)增加得很快形貌圖（1）原子序數(shù)越大，散射角越大，散射機(jī)會(huì)越多，背散射系數(shù)越大；2背散射電子背散射電子的實(shí)驗(yàn)規(guī)律：（2）原子序數(shù)越大，背散射離開表面前在試樣中的路程愈短，損失能量越少，因此背散射電子的平均能量越大；（3）試樣傾角越大，入射電子的軌道靠近以至射出表面的機(jī)會(huì)越多，因此背散射系數(shù)大。3.透射電子試樣很?。〝?shù)百nm），入射電子穿透試樣而形成透射電流，透射電鏡中用來(lái)分析試樣的組成和缺陷。

4.吸收電流若設(shè)入射電流為ip，背散射，透射，吸收，次級(jí)電子流強(qiáng)度分別為ib，ir，ia，is

，則當(dāng)試樣很厚，ir=0

，若is為一恒量，則：5.二次電子廣義講，逸出樣品表面的電子均為二次電子，Ⅰ真正的二次電子區(qū)，Ⅱ經(jīng)非彈性背散射電子區(qū)，Ⅲ彈性散射電子區(qū)，EP

為入射電子能量。Ⅰ區(qū)電子能量在50eV以下，大部分為獲得能量而逸出表面的自由電子，也有一部分是損失了大部分能量的初級(jí)電子和輸運(yùn)過(guò)程中喪失特征能量的俄歇電子。5.二次電子6.俄歇電子俄歇電子帶有元素的特征能量，信號(hào)很微弱，在特殊場(chǎng)合，利用它的信號(hào)來(lái)分析試樣的表面組成，俄歇電子分析。

7.X射線連續(xù)譜：探傷，診斷等特征X射線：微區(qū)成分分析俄歇電子的能量在數(shù)十eV～2000eV之間，平均自由程0.5～2.0nm，約1～3個(gè)單原子層；二次電子的能量在50eV以內(nèi)，逸出過(guò)程中可能損失部分能量而本身不帶特征能量；背散射電子的能量更高，逸出深度更大；X射線截面約為電子的10-4，逸出深度在微米量級(jí)。8信號(hào)逸出深度二、透射電鏡的成像襯度形成襯度的原理（1）散射襯度為了確保透射電鏡的分辨本領(lǐng)，物鏡的孔徑半角必須很小，即小孔徑成像（一般是在物鏡的背焦面上放一個(gè)被稱為物鏡光闌的小孔徑光闌來(lái)達(dá)到這個(gè)目的的）。三透射電鏡樣品制備用于透射電鏡的試樣不僅尺度很小，而且要很薄，使電子束能穿過(guò)。因此樣品制備對(duì)透射電鏡很重要。目前，已發(fā)展了很多種方法，各有其特點(diǎn)和應(yīng)用范圍主要有：1.支持膜法

2.復(fù)型法

3.薄試樣制備

a.化學(xué)腐蝕法；b.電解拋光法；

c.噴射電解拋光法；d.離子轟擊法。電子束光刻技術(shù)

E-BeamLithography電子束曝光概述電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理CABL9000C電子束曝光系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù)電子束曝光的工藝程序電子束曝光的極限分辨率多層刻蝕工藝1.1電子束曝光是什么？電子束曝光（electronbeamlithography）指利用某些高分子聚合物對(duì)電子敏感而形成曝光圖形的，是光刻技術(shù)的延伸。1.電子束曝光概述紫外光普通光刻電子束曝光電子束光刻技術(shù)的精度受到光子在波長(zhǎng)尺度上的散射影響。使用的光波長(zhǎng)越短，光刻能夠達(dá)到的精度越高。紫外光波長(zhǎng):常用200~400nm之間根據(jù)德布羅意的物質(zhì)波理論，電子是一種波長(zhǎng)極短的波（加速電壓為50kV，波長(zhǎng)為0.0053nm）。這樣，電子束曝光的精度可以達(dá)到納米量級(jí)，從而為制作納米結(jié)構(gòu)提供了很有用的工具。1.2電子束曝光有什么用？

電子束曝光能夠在抗蝕劑上寫出納米級(jí)的圖形，利用最高級(jí)的電子束曝光設(shè)備和特殊顯影工藝，能夠?qū)懗?0nm以下的精細(xì)結(jié)構(gòu)。納米器件的微結(jié)構(gòu)集成光學(xué)器件，如光柵，光子晶體NEMS結(jié)構(gòu)小尺寸光刻掩模板離子泵離子泵限制膜孔電子探測(cè)器工作臺(tái)分子泵場(chǎng)發(fā)射電子槍電子槍準(zhǔn)直系統(tǒng)電磁透鏡消像散器偏轉(zhuǎn)器樣品交換室機(jī)械泵物鏡2.電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理電子槍場(chǎng)發(fā)射電極ZrO/W電場(chǎng)強(qiáng)度:108N/C鎢絲2700K六硼化鑭1800K0.5um電子束曝光的電子能量通常在10~100keV2.1電子束曝光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)電子槍準(zhǔn)直系統(tǒng)整個(gè)電子光柱由各部分電子光學(xué)元件組裝起來(lái)，裝配高度達(dá)1m左右。任何微小的加工或裝配誤差都可能導(dǎo)致電子槍的陰極尖端與最后一級(jí)的透鏡膜孔不在同一軸線上。因此需要裝一個(gè)準(zhǔn)直系統(tǒng)，必要時(shí)對(duì)電子槍發(fā)出的電子束進(jìn)行較直。它與光學(xué)聚光透鏡的原理相同，能夠聚焦電子束的束徑，使電子最大限度的到達(dá)曝光表面電磁透鏡消像散器由于加工誤差，電磁透鏡的x、y方向的聚焦不一致，造成電子束斑橢圓化。消像散器由多級(jí)透鏡組成，能從不同方向?qū)﹄娮邮M(jìn)行校正偏轉(zhuǎn)器用來(lái)實(shí)現(xiàn)電子束的偏轉(zhuǎn)掃描。偏轉(zhuǎn)器物鏡將電子束進(jìn)一步聚焦縮小，形成最后到達(dá)曝光表面的電子束斑。除以上部分外，電子束曝光系統(tǒng)還包括束流檢測(cè)系統(tǒng)、反射電子檢測(cè)系統(tǒng)、工作臺(tái)、真空系統(tǒng)、圖形發(fā)生器等。最小束直徑：直接影響電子束直寫的最小線寬。加速電壓：一般10~100keV，電壓越高，分辨率越高，鄰近效應(yīng)越小，同時(shí)可曝光較厚的抗蝕劑層。電子束流：束流大，曝光速度快，但是束斑尺寸大，分辨率低。3.CABL9000C電子束曝光系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù)日本CRESTEC公司生產(chǎn)的CABL9000C2nm，最小尺寸20nm30keV常用：25~100pA掃描場(chǎng)大?。簰呙鑸?chǎng)大，大部分圖形可在場(chǎng)內(nèi)完成，可避免多場(chǎng)拼接；掃描場(chǎng)小，精度高。拼接精度：圖像較大，需要多個(gè)場(chǎng)拼接。60~600um20~50nm生產(chǎn)公司美國(guó)Vistec日本Crestec型號(hào)VB300CABL9000C最大電子束能量/keV10030掃描速度/MHz501最小曝光圖案/nm<1020掃描場(chǎng)尺寸164um~1.2mm60um~600um價(jià)格/USD6~9Million1Million評(píng)價(jià)商業(yè)用，性能高，價(jià)格高電子束曝光與電鏡兩用，價(jià)格低4.電子束曝光的工藝程序4.1抗蝕劑工藝PMMA優(yōu)點(diǎn)：分辨率高（10nm），對(duì)比度大，利于剝離技術(shù)，價(jià)格低缺點(diǎn)：靈敏度較低，耐刻蝕能力差HSQ：負(fù)膠，極高的分辨率（<10nm），鄰近效應(yīng)小，靈敏度很低ZEP-520優(yōu)點(diǎn)：分辨率高（~20nm），靈敏度較高，耐刻蝕缺點(diǎn)：去膠較難稀釋劑：ZEP-A（苯甲醚）繪制曝光圖案樣品傳入（樣品為導(dǎo)體或半導(dǎo)體）選擇束電流低倍聚焦選定曝光位置在Au顆粒處調(diào)整像散高倍聚焦，調(diào)節(jié)waferZ=0，激光定位參數(shù)設(shè)定（位置、劑量、圖案數(shù)量等）樣品曝光樣品取出顯影（ZEP-N50，1min）曝光圖案觀察4.2電子束曝光工藝電子束入射到抗蝕劑后，與抗蝕劑材料中的原子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生散射。4.3電子束曝光中的鄰近效應(yīng)鄰近效應(yīng)：如果兩個(gè)圖形離得很近，散射的電子能量會(huì)延伸到相鄰的圖形中，使圖案發(fā)生畸變；單個(gè)圖形的邊界也會(huì)由于鄰近效應(yīng)而擴(kuò)展。鄰近效應(yīng)的校正劑量校正：由于電子束散射，同一圖形在同一劑量下曝光的能量分布式不同的，需要人為的改變曝光劑量。將圖形進(jìn)行幾何分割，計(jì)算每一部分能量的分布（每一點(diǎn)能量的分布符合雙高斯函數(shù)），按照不同的區(qū)域分配曝光劑量。缺點(diǎn)：計(jì)算復(fù)雜，需要CAPROX等專業(yè)軟件；計(jì)算假設(shè)每一圖形內(nèi)部劑量一致，誤差存在圖形尺寸校正：通過(guò)改變尺寸來(lái)補(bǔ)償電子散射造成的曝光圖形畸變。鄰近效應(yīng)的校正缺點(diǎn)：校正的動(dòng)態(tài)范圍小1）穩(wěn)定的工作環(huán)境：溫度變化范圍±0.2℃，振動(dòng)2um以下，磁場(chǎng)變化在0.2uT以下。2）高的電子束能量：高能量電子束產(chǎn)生的電子散射小，色差與空間電荷效應(yīng)抵消，且有利于曝光厚的抗蝕劑層。高檔次的電子束曝光機(jī)一般都在100keV。3）低束流：低束流可以減小空間電荷誤差，有利于獲得更小的束斑。束流低會(huì)增加曝光時(shí)間，會(huì)使聚焦標(biāo)記成像亮度降低，使對(duì)焦困難。4）小掃描場(chǎng)：電子束曝光系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)相差與掃描場(chǎng)大小有關(guān)，高分辨率應(yīng)盡量使用小掃描場(chǎng)。5.

電子束曝光的極限分辨率電子束曝光100nm的微細(xì)圖形很容易