现代光学导论第三次.ppt

观察微观世界的重要工具,最早的巨型电子显微镜,高电压下 电子流 波长很短,（10 0000 ）,内容回顾,国内外发展状况,Contents,常规TEM（120kV）,Contents,扫描电子显微镜,照明系统,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,成像系统,200kV场发射透射电子显微镜,技术参数： 1.点分辨率：0.19nm 2.线分辨率：0.14nm 3.加速电压：80, 100, 120, 160, 200kV 4.倾斜角：25 5.STEM分辨率：0.20nm,高速分析热场发射扫描电子显微镜,技术参数： 1.分辨率：1.2nm(30kV)/3.0nm(1kV) 2.加速电压：0.2KV-30kV 3.放大倍数：10-100万倍 4.大束流高分辨5nA，WD10mm; 15kV时分辨率3.0nm 5.束流强度：1pA到200nA(15KV),最大直写片子尺寸Max. wafer size: 12 inch (300mm) 最小电子束斑 Min. Beam spot diameter: 4nm 位置及套刻精度 Position, over layer accuracy: 20nm,JBX 9300 电子束直写系统,Electron beam lithograph: JBX-9300 E beam writer,主机,台面,片夹,FIB-SEM双束设备,像差：任何偏离理想成像的现象,球面像差、彗形像差：大孔径成像。,像散、像场弯曲、畸变：大视场成像。,球差、彗差、像散：破坏光束同心性,像场弯曲：使像平面弯曲,像散：破坏物像相似性,单色像差影响：,1 球面像差（球差）(光学）：,轴上物点发出的光束经球面折射后不再交于一点。,Q,Q,L L l,2 彗形像差（彗差）,傍轴物点发出的宽光束经球面系统在像平面上形成彗星状的像斑。,经过光瞳面上各个圆周的光线在像平面上仍将落在一系列圆周上，不过这些圆周不再是同心圆，半径愈大的圆，其中心离理想像点愈远，形成如彗星状光斑。,彗差（电子光学）,电子经透镜平面上的不 同环带区域成像位置不 同,沿轴向彗形状分布， 在高斯像面是半径( ) 不同的垂直弥散圆斑。 没有磁场时，弥散图形 沿着子午方向延伸 ；有 磁场时，存在各向异性 彗差，弥散图形与子午 方向成一定角度。,3 像散和像场弯曲,物点远离光轴，光束大倾角入射引起,子午焦线和弧矢焦线之间，光束存在一个圆截面，称为最小模糊圆，是放置接收器的最佳位置。,像场弯曲,场曲（电子光学）,从物平面发出的电子离轴距离不同，透镜对其会聚作用产生差异，离轴距离越大，非旁轴像点愈靠近物方，这就形成了凹向物方的弯曲像面 。,4 畸变,不破坏光束同心性，因此不影响像的清晰度，但使物像各部分比例失调。,畸变与孔径光阑位置有关,畸变（电子光学）,物离轴很远 ，透镜的放大率不均匀 ，畸变不 会引起像的不清晰，只造成图像的失真。,5 色像差,色差消除： 使用不同材料做成的凹凸透镜胶合起来可以对选定的两种波长消除色差。,透镜的机械像差,（1）电极电位扰动为：,引入变量,微分方程：,边界条件：,扰动电极上,其他电极上,非对中和倾斜将会引起束的偏移和彗差，椭圆变形将会引起像散。 提高加工和装配的精度减小机械变形引起的像差，还应采用非对称场进行校正 。,空间电荷像差,离子之间的库仑力 作用 简单模型下单位时间单位体积中全部离子能量分布的扩展为：,为离子密度，,为初始速度，,为离子的电荷，,为离子质量，,为热力学系数，,初始振动周期，,为离子间,为碰撞后散射偏转角等于,的瞄准距离。,的平均距离，,离子间的库仑力主要集中在源发射区域附近和聚焦系统中，一般采用 蒙那卡罗方法模拟仿真，库仑作用引起的像差主要包括四种：球差、轨迹 偏移、散焦以及色差，其中色差方面的像差跟热初速有关，与源的参数关系 最为密切，不能消除。,谢尔赤原理,“在静的旋转对称、无 空间电荷的透镜成像 系统中，球差系数恒大 于零”。球差是轴上唯一 不等于零的几何像差， 对束的质量影响很大； “在静的旋转对称、无 空间电荷的透镜成像系 统中，色差系数恒大于 零”。 球差系数和色差系数作 为透镜优化的目标。,实用电磁场的求解方法,解析法、数值计算法和试验测量法 解析法电（磁）极形状较简单，定性分析特定场的性质，其它方法误差计算的理论依据。 数值计算法精度高，成为目前最常用的方法，新的学科“计算电磁学”。 实验测量法方便可靠、实用性，上个世纪中叶计算场分布的主要手段，缺点精度低。,电子光学系统的参数求解,场分布有限元素法和电荷密度法 轨迹的求解龙格-库塔法 光学参量的求解 公式法、实际轨迹法和自动微分法 自动微分算法中，向量同时包含函数值和各阶导数值，在求函数值的同时可自动求出任意阶导数；它能将函数求导运算转换为微分向量的代数运算，而没有算法误差。所以自动微分法轨迹追踪的同时能得到各阶像差系数，理论上消除了公式法计算光学参量时由高斯轨迹取代实际轨迹引进的偏差。,计算电磁学,仿真方法有限差分法、有限元素法、边界元法和傅立叶展开法 仿真软件ANSYS、ANSOFT、ADINA、ABAQUS、MSC和MEBS,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,内容回顾 极限分辨率和点分辨率,非相干照明样品两点发射的电子波互不干涉 无重原子的薄样品， Scherzer最佳欠焦量条件下“直观像”,物镜球差系数1.38mm，最佳角8.49mrad。像差系数分清物方和像方,艾里斑半径和球差斑半径：,电子波长的计算,当速度u与光速c可比时为:,MEBS程序示例,采用有限元法计算的场分布,单位：mm,物镜的优化设计,磁透镜的一般结构：,极靴参数S/D的选择：,极靴参数S/D的选择：,S/D=1.8时，球差和色差对透镜的影响最小,材料的选择：,物镜加工材料的选择，极靴部分采用1J22铁钴合金，其它磁路部分采用DT4C电工纯铁。,1J22: BS=2.4T DT4C: BS=1.6T,物镜的关键参数：,下极靴第一锥角,下极靴第一锥角的选择：,下极靴第一锥角的选择：,物镜结构：,物镜轴上磁场分布：,物镜极靴和磁路上磁场分布：,物镜光学特性：,48,物镜极靴设计图,结构仿真,受力 仿真,压力3500N,自重,底面支撑,有限元模型及载荷边界条件,变形云图,52,透镜实物,高亮度电子枪的设计实现,电子枪的工作机理 电子枪的基本参数 电子枪的计算仿真与设计,一、电子枪的发射机理,发射体前电子的势能曲线 V(z)， 外加电场 -e I E I z。,肖特基 (Schottky Emission ,SE),肖特基热发射阴极（单晶六硼化镧或者ZrO/W)为小于1m，冷场发射阴极小于100nm，热场发射阴极在100nm到1m之间,电子枪与灯丝,二、电子枪工作参数,束流密度 亮度 发散角 交叉斑直径 寿命,束流密度,单位时间单位面积内的通过的电荷量称为束流密度。,n电子数目； e电子电荷量； v电子的运动速度；,亮度,电子枪发射的每单位立体角的电流密度称为亮度。 亮度的理论值为： 影响亮度的因素： 偏压 灯丝温度 结构,热发射电子枪,灯丝：高熔点，低逸出功 Wu 4.5eV LaB6 3.0eV,场发射电子枪,束斑大小,各种电子枪的性能对比(100kV),电子枪结构,栅极和灯丝组件,高压瓷瓶,栅极帽的不同结构形式,三 、电子枪的计算仿真与设计,目标：加速电压200kV，要求发射束流为80A，束斑直径78nm。,电子源的设计,采用专用软件进行理论计算和优化设计。用有限元方法进行模拟，最大网格和最小网格相差几十万倍（阴极网格是亚微米级，组件宏观尺寸是几十毫米），完成了大量的数据文件程序编写。,a) 场发射电子枪 进行电子光学计算和设计-光路设计,发射阴极网格设计,发射源网格设计,发射源程序粗网格输出,发射源程序细网格输出,a) 场发射电子枪 进行电子光学计算和设计网格设计,电子束轨迹-程序输出,场发射枪电子光学光路-网格设计图,a) 场发射电子枪 进行电子光学计算和设计场计算,a) 场发射电子枪 电子光学计算发射尖端,ZrO/W(100) Schottky发射尖的腐蚀; ZrO/W(100)Schottky组装； 场发射电子源测试。,b）场发射电子源,材料特殊，加工精度、装配精度都非常高，部分精度到微米级,a) 场发射电子枪 设计核心组件场发射枪组件,场发射枪组件装配、调节装置（在显微镜下安装、调节、粘接）,a) 场发射电子枪 设计核心组件枪组件装配、调节装置,枪组件要求耐高温、高压，极间连接件材料硬度极高，刚性强，表面光洁度要求也很高，加工难度大，通过各种实验，确定材料。,a) 场发射电子枪 设计核心组件做实验，确定特殊材料,场发射枪零件的小孔、平面等精度要求很高，加工要求高。,a) 场发射电子枪设计制造,a) 场发射电子枪 设计200kV加速极,场枪工作在200kV下，一般要采用多级陶瓷和金属封接构成加速管。该组件要求耐高压200kV，内部真空达到10-9 Torr，外部7个大气压，所以需要特殊陶瓷。组件的同心度和平面度要求很高，加工、封接工艺都属于特殊工艺。目前我们已经完成了图纸设计，正在国内进行调研。现在已经和多家单位探讨过合作的可能性，以解决零件加工、封接的工艺问题。,场枪工作需要的电源共有6路，由连接件引入，要保证枪组件工作在超高真空（110-9Torr）状态下，同时满足绝缘耐压要求，目前已经完成初步设计。,a) 场发射电子枪 设计场发射枪连接件,场发射枪工作在200kV高压下，里面是超高真空10-9Torr ，外面是高压强7个大气压的绝缘气体SF6，这种设计可保证200kV耐压