电子显微镜中的电子轨迹分析

这次，我们将使用 PIC-PLASMA 3D（等离子体解析软件）或 PIC-ELECTRON 3D（电子轨迹解析软件），对 SEM（扫描电子显微镜）内部的电子轨迹进行解析。 SEM（扫描电子显微镜）是一种利用细束电子束扫描样品表面，从而观察微细形状和结构的设备。对于光学显微镜难以观察的微小区域，也可以通过电子束实现高分辨率观察。

SEM内部的电子轨迹

图1：SEM中的电子轨迹概念图

什么是SEM？在SEM中，从电子源发射出的电子会被加速，并通过电磁透镜和光阑整理成细电子束后照射到样品上。通过检测样品表面产生的二次电子和背散射电子，可以观察表面形貌和成分差异。

- - 电子发射 从电子源（阴极）发射电子。
  - 电子加速 通过阳极电压赋予电子动能。
  - 电子束聚焦 通过电磁透镜或静电透镜将电子束聚焦得更细。
  - 照射样品 将聚焦后的电子束照射到样品表面。
  - 信号检测 检测二次电子和背散射电子以形成图像。

电子能量电子获得的动能对于加速电压

[V]，大致可表示如下。

E = eV ・e：电子电荷・V：电压

在SEM中，该加速电压和透镜条件会显著影响电子束直径、到达能力以及入射到样品上的条件。此次我们将使用 PIC-ELECTRON 3D，对SEM内部电子的引出、加速与聚焦过程进行可视化。

SEM解析

下面让我们使用 PIC-ELECTRON 3D 来解析 SEM 内部的电子轨迹。解析模型如下所示。解析模型

图2：SEM解析模型

如上所示，我们创建了一个SEM内部的简化解析模型，并模拟从电子束生成到到达样品的过程。SEM中各部件的作用如下所示。

- - - Electron Source 发射电子的部分，是决定SEM束流质量的重要因素。
    - Wehnelt Electrode 用于调节电子引出量和初始聚焦状态的电极，有助于形成电子束。
    - Anode 用于加速电子并将其送往下游的电极，是提供加速电压的核心部分。
    - Electromagnetic Lens 用于将电子束进一步聚焦变细的透镜，对焦点位置和束径有很大影响。
    - Aperture 用于限制通过电子范围并抑制不必要扩散的部件。
    - Sample 电子束照射的观察对象，在这里会产生二次电子和背散射电子。
    - Vacuum Chamber 保持真空的空间，以防止电子与空气分子发生碰撞。
    - Insulator 对各电极和结构件进行电绝缘并保持其位置关系的部件。

解析条件解析条件如下所示。

解析软件	PIC-ELECTRON 3D
解析类型	电子轨迹解析
解析对象	sem.obj
电压	Cathode：-3000[V]　Anode：0[V]　Sample：0[V]
相对介电常数（介质）	Insulator：9.5
磁场条件	Electromagnetic Lens：根据解析条件设置
每1ns生成的电子数	10000个
生成电子的初速度	1.0×10³ [m/s]
时间步长	1.0×10^-11 [s]
总仿真时间	2.0×10^-8 [s]

这些初始条件可以在软件（PIC-ELECTRON 3D）中直接设置。

下图显示了此次在 PIC-ELECTRON 3D 中设置SEM解析条件的输入界面。

图3：PIC-ELECTRON 3D中的SEM解析条件设置

解析结果

图4：SEM内部的电子轨迹解析

以上资料是使用 PIC-ELECTRON 3D 实际计算得到的SEM内部电子轨迹解析结果示例。在图4中，可以看到从电子源发射出的电子在加速电压和透镜作用下逐渐被聚焦，并朝样品方向传输。在SEM中，电子束的发散与会聚状态会影响观察分辨率，因此，这类电子轨迹解析对于设备设计和条件优化非常有帮助。此次使用的CAD模型是为了说明而制作的简化模型，因此透镜条件和部件形状也做了简化处理。此外，PIC-ELECTRON 3D 除了上述计算结果外，还可以输出多种数据。

电子密度
电流密度矢量
电场矢量
磁场矢量
速度矢量
到达能量分布