聚焦离子束系统虚拟仿真实验报告.docx

聚焦离子束系统虚拟仿真实验报告 姓名 余丹洋 学号 专业班级 应物一班 一、实验目的 了解聚焦离子束系统的基本结构和工作原理； 掌握扫描电镜参数设置和操作流程； 通过观测不同条件下扫描电镜显微图像，加深理解电子束与待测样品的相互作用以 及其产生的信号在测试分析中的作用； 体验模拟方法在聚焦离子束系统实验中的应用。 二、实验原理 聚焦离子束系统虚拟仿真项目的实验原理主要是聚焦离子束系统实验的相关物理过程。利用计算机 3D 仿真技术将聚焦离子束系统的基本结构、工作原理和交互式操作规程等通过 虚拟仿真的手段再现出来，让学生通过仿真实验直观认识扫描电子显微镜和离子束刻蚀沉积 的基本运行原理，又能通过动手操作达到实践训练，从而提高学生的实践和创新能力。 聚焦离子束系统是介于透射电镜和光学显微镜之间的一种微观观测手段，包括扫描电子 显微镜和离子束刻蚀沉积。扫描电子显微镜是由电子光学系统，信号收集处理、图象显示和 记录系统，真空系统三个部分组成。其中电子光学系统包括电子枪、电磁透镜、扫描线圈和 样品室。入射电子束与固体样品的相互作用，可产生多种物理信号，如图1 所示。背反射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子。背反射电子的产生范围在100nm-1mm 深度，如图 2 所示。背反射电子束成像分辨率一般为50-200nm（与电子束斑直径相当）。背反射电子的产额随原子序数的增加而增加，所以，利用背反射电子作为成像信号不仅能分 析性貌特征，也可以用原子序数衬度定性进行成分分析。二次电子来自表面 5-10nm 的区域， 能量为 0-50eV。它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。X 射线一般在试样的 500nm-5mm 深处发出。俄歇电子是由试样表面几个原子层中发出，俄歇电子信号适用于表层化学成分分析。 图 1 电子束和样品表面作用的现象 图 2 电子束在样品中的散射现象 扫描电子显微镜分辨率的高低和检测信号的种类有关，由表 1 可以看出，二次电子和俄 歇电子的分辨率高，而特征x 射线调制成显微图像的分辨率低。影响分辨本领的主要因素： 入射电子束斑的大小，成像信号（二次电子、背散射电子等）。 表 1 各种信号成像分辨率（单位：nm) 信号 信号 二次电子 背散射电子 吸收电子 特征 x 射线 俄歇电子 分辨率 5~10 50~200 100~1000 100~1000 5~10 聚焦离子束系统的场深是指电子束在试样上扫描时，可获得清晰图像的深度范围。场深与放大倍数及孔径光阑有关。当电子束作光栅扫描时，若电子束在样品表面扫描的幅度为As，相应的在荧光屏上阴极射线同步扫描的幅度是Ac，Ac 和 As 的比值就是扫描电子显微镜的放大倍数。 聚焦离子束刻蚀是指当定向高能离子向固体靶撞击时，能量从入射离子转移到固体表面原子上，如果固体表面原子间结合能低于入射离子能量时，固体表面原子就会被移开或从表面上被除掉。通常离子束刻蚀所用的离子来自惰性气体。聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm 以下，最少的达到 10nm 加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的速度进行小于 50nm 的刻蚀，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。聚焦离子束沉积是利用离子束能量分解金属蒸气或气相绝缘材料，在样品局部区域沉积。 三、实验仪器和材料 聚焦离子束系统实验中的主要仪器包括：聚焦离子束系统、Microscope Control v5.2.2 build 2898 软件、Helios NexTGen Vacuum control 软件、手动操作盘和工具箱。 四、实验内容 样品的制备和装载。 样品室抽真空。 电镜扫描参数设置，观测样品、调节并获取扫描图像。 离子束刻蚀和离子束沉积。 五、实验步骤和操作流程 1 开始实验 首先进入实验场景窗体。2 样品制备 3 装载样品 鼠标点击场景中操作软件，打开操作大视图，然后点击“Vent”按钮，向样品腔内充入氮气。 点击场景中的样品腔，打开样品腔。 点击样品，放入样品，此时可以看见样品的平台。(4)点击“确定”按钮，出现螺丝刀，将样品固定好。(5)点击样品腔舱门，关闭样品腔。 (6)样品室抽真空。 样品室抽成真空以后，软件控制界面中样品室观察窗口会显示样品台。 4 观察样品 软件系统开机 打开 Microscope Control 软件控制界面。软件界面主要由 4 个观察窗口（电子束观察窗口，离子束观察窗口，样品导航窗口和样品室观察窗口）和1 个操作栏组成。 低倍下先初步将样品聚焦，调好亮度，对比度。 根据样品性质在菜单栏中选择合适的电流、电压。 用蒙太奇扫描方法找到要观察的部位。 5 调试图像及照相 低倍率下调节电子像的亮度、对比度。 将样品放大至所需倍数，聚焦，调亮度、对比