光谱扫描电子显微镜的设计中的事态发展.docx

河北建筑工程学院毕业设计（论文）外文资料翻译 系别： 机械工程系 专业： 机械电子工程 班级： 机电（本）091 姓名： 单 雪 松 学号： 2009322117 外文出处：Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 556 (2006) 437444 附 件：1、外文原文；2、外文资料翻译译文。指导教师评语：签字： 年 月 日光谱扫描电子显微镜的设计中的事态发展摘要本文开发了光谱扫描电子显微镜 （SEM），它能结合采集分散电子的高图像分辨率的完整的电子能谱。这个提议是基于使用分散的有磁性的扇形平板都偏向主要光波，同时提供这些分散电子的能量分布。设计的模拟是通过数字直接光线跟踪进行的。他们预测到的光谱扫描电镜能获取整个能量谱的分散电子的同时，由单一的多道检测捕获。他们还预测可以在探测器平面实现一阶聚焦，并分散电子的集合，可作较高的运输，效率接近 100%。r 2005 Elsevier 公司保留所有的权利。关键字： 扫描电镜 ；电子能谱 ；扇形磁偏转器 ；直接光线跟踪 ；多路探测器 ；较高的运输效率 ；整个能量谱导言在过去，各种类型的电子能谱仪已用于内部的电子显微镜 （SEMs） 1，2，但是它们之中的一小部分计划去捕获全部的光谱，从低能量的次级电子进入到灵活的反向散射的电子。虽然想要操作并行 （多声道），但是他们通常只在有限的能源范围内运作。一个最近的例子是由 Kienle 报告多通道二次电子分析仪和层功能，设计更适合传统的显微镜。所有这类能谱仪的一个共同困难是电子显微镜通常不把他们纳入设计范围，这就是他们难以实现的重要制约因素。常规的扫描电镜，例如分光计，必须安装小空间试样与物镜极片 (高通常小于 20 毫米)。在低电压扫描电镜下，分散的电子需要从光学的轴偏转，而不干扰或扭曲主光波。这些类型的限制条件通常限定可以被检测到的电子的传输效率和能量变化范围。本文提出了扫描电子显微镜的重新设计，使其更符合并行电子能量谱采集。重新设计的扫描电镜原则上是可以捕获所有分散电子的能量谱并具有较高的传播效率。在本文介绍的模拟结果预测中可以在探测器平面实现一阶对焦，扫描电镜也能获得低电压（小于1kV）下的分辨率图像。这个工作报告自然地遵从本文作者预先做出的光谱扫描电镜提案5。在此文件中，设计是进一步的模拟和发展。图 1 所示的改进的光谱扫描电镜设计的图示。一个扫描电镜列，不会显示，指示和重点主光波成圆扇形磁偏转器的中心。扫描电镜列了平时枪、聚光透镜、消象散器、光圈和扫描线圈组件，并使用辅助镜头成扇形磁单元集中的主光波。磁性的扇形单元与主光波偏角90。然后主光波进入转让镜头，设置为具有较长的焦距，使主光波进入孔内近乎平行的物镜。物镜是磁浸没式的组合减速场，在这个场中试样有偏差（通常约 5 kV) 并且被放入一个强磁场 ( 0.31 T) 中。样本中随后而来飞分散的电子又聚焦回转移透镜的扇形单元，并且偏离电子显微镜。大角度反向散射的电子是由放置在转移透镜的上磁极片下方的探测器收集的。通过转移透镜和扇形单元传输出的散乱的电子经过磁性的导向装置被更远的偏离，导向并集中它们于一个多通道的探测器。光谱可能直接收集（光电探测器/CCD 摄像机）图像的形式，或者为了实现更高的能量分辨率，电子可以 redeflected 到带通光谱仪的数组。2、圆形的磁性扇形单元在本文作者以前做的光谱显微镜提案中，提出了一个方形的磁性扇形单元，根据报告的低能量电子显微镜 （LEEM） 由 Tromp 等人研究成功。然而，目前的工作表明在光谱扫描电镜设计的背景下，一个圆形的磁性扇形单元更适合。与方形的磁性扇形单元不同的是，一个圆形的部门单位并不局限于90主光波的偏角。此外，次级电子像它们进入扇形单元一样将正常地传输到扇形平板，类似于反向散射电子，即使它们接受相对较大的偏角。圆形的扇形单元将因此提供类似聚焦属性为次级电子和反向散射电子，使它们更容易在宽能量范围内被收集并进行单一的多道检测。图 2 显示了计划的扇形平板的布局。根据报告由科勒里克等人设计，其中扇形单元被分成内、 外板，使其操作与圆形透镜类似。内板、 外板和屏蔽罩，均采用软铁材料。内板和外板有自己各自的励磁线圈，由光在图 2 中的灰色区域表示。通过运行在其他地方详细信息 8 报道 库尔希德，所写的有限元程序解决了扇形单元的磁场分布。磁通线的磁场分布平面图如图 2 所示。这些模拟中使用的节点数已接近 200,000，而且偏转器的关键部件中的网格间距是 1 毫米以下。为了解决足够的准确性问题，以确定通过直接光线跟踪的畸变系数场分布，使用了使用标量的潜力方面的 FourierBessel 系列半解析技术，和它相比使用矢量电势分布的有限元法的更直接的方法。这两个字段提供了另一个重要检查的解决方法： 通过两种方法计算的模拟的畸变系数的价值在于井内的每个其他 5%。模拟圆形磁性扇形平板的更多详细信息可以在注释 9 中找到。然后电子聚焦时发生虚拟源的位置和角度的光线退出该扇形单元，在两个平面都是相同的由圆柱体的表面 和 出 ofplane ，如果垂直于该平面表示在哪个偏角平面发生。为了实现电子聚焦，必须不同的内部部门板 (ISP) 和外部门 (OSP) 板激励，而偏转角度仍然是 90。此约束意味着任何给定的 ISP 激励、 OSP 某些相应的值。图 3 显示了焦点位置对ISP 励磁的模拟的依赖性。与更改平面的平面特征在重点位置保持不变。阵列波导光栅聚焦条件是为某些 ISPOSP 励磁比例落实。电子束能量的 6000电子伏特这些模拟中使用。阵列波导光栅的聚焦点 （在图 3 中的两条线的交点），在 ISP 励磁是符号的 7.68倍比 OSP 励磁，和对它相反。虽然这里没有介绍，在退出平面的退出角度也发现在模拟电子聚焦点相等。本文作者先前做的光谱电子显微镜设计，以实现低畸变和运作与阵列波导光栅聚焦条件，假设是该单元的外板励磁应大于内板励磁的三倍左右，具有相同的符号，并传入的主光波应聚焦到中心的扇形单位。这些操作条件由 Tromp LEEM 7 等人报道。然而，从目前的工作中进行的模拟，它发现这些条件不能因为它们对应于上图 3 的左半部的点图 2 所示的部门单位布局电子聚焦条件凡没有任何交集的平面内和平面外的联络点。虽然目前的模拟工作发现扇形单位框中没有相对较低的畸变，是否在以前LEEM报告的电子聚焦条件，在平面虚拟源位置发现有显著的不同为其出的平面位置，不同的部门单位盖直径的 17%左右的距离。因为没有使用由 Tromp et al 的扇形单位的详细信息。在给定的、 直接的不能与他们作为扇形单位。此外，中南工业大学设计其扇形单位是电子衍射平面，作为图像平面，并使用额外的 stigmators。在目前情况下的光谱扫描电镜、扇形单位只需要在图像平面中聚焦。光谱电子显微镜，使用额外的 stigmator 后扇形平板是不可取的，因为它将限制分散电子的集合。从图 2 所示的圆形部门单位工作现状的模拟像差预计将是偏低的，如表 1 所示。说明中表1的值增长了5倍，比在注释 9 认为一个较大的扇形单位。以10的负四次方的相对能量传播和小于 5 mrad，都是相当典型的扫描电子显微镜的物镜入口角度的平面出球差占主导地位的现象。要理解表 1 中所示的扇形单元像差如何转化为在标本平面的畸变，考虑约 20 物镜电子束强度。让试样在半角度，处于 20 30 mrad 的范围 (以尽量减少物镜上轴像差）。然后进入和退出的部门单位的角度将约 1 mrad 或更少。从扇形磁偏转畸变点将由物镜 demagnified。在试样 1 mrad 角度离开部门单位，出的平面球差是只 9:4am，远远小于最小探头大小 （通常在纳米范围内)。9.05Nm 5 mrad 角度离开部门单位，预测出的平面球差现场 demagnified 到 0.4525 标本，仍相对较小探头直径相比牛米。因此，由于向下投射到试样表面的部门单位畸变预计将与主光波纳米光斑尺寸相对较小。3、主光波的分辨率的预测图 4a显示示意图的转让和使用的有限元建模的目标镜头。图 4b 和4c 描述适合集中到标本，有偏移到 56 kV的主光波的后续计算的字段分布 (提供 1 降落电压 kV)。物镜和偏移透镜所需的励磁优势。假设主光波来自5 厘米以上的点（从该中心的扇形单元）偏移透镜被计算分别为 1166.7 和 268.41 AT。对于这些情况，预测的畸变的主光波（肖特基场致发射体） 中的 0.5电子伏特，有限的巴斯的 rootsum 公式通过探针直径和 Kruit 10 是 1.26 nm。据估计组合阻燃领域电动磁场物镜 1000电子伏特聚焦能源在图 4 所示的最终的图像分辨率小于 1nm 11。这通常是比传统的光谱电子显微镜高一个数量级。10 KV主光波和聚焦能量