计量型扫描电镜的溯源与应用研究

发布时间：2017-05-23 15:20

  本文关键词：计量型扫描电镜的溯源与应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在新世纪,半导体产业得到了迅猛发展,芯片等元器件也逐步由之前的微米向纳米阶段进化。这就给计量科学提出了新的要求,纳米计量将在工业发展中起到积极的推动作用。在微纳几何结构的计量检测中,由于有物理衍射极限的存在,使得传统的光学显微镜存在着很大的局限性。因此,扫描电镜在纳米计量中显得尤其重要。为了满足对半导体芯片以及线宽等微纳几何结构的计量要求,中国计量科学研究院开展了计量型扫描电镜的标准装置的研制。该设备利用高速高精度双层纳米位移台结构实现快速、准确测量,消除了电子束带来的畸变；同时,利用干涉仪计量系统实现测量结果的溯源。论文研究该装置的位移控制与干涉测量系统,对该装置进行测量不确定度的评定,利用该装置对微纳几何结构进行测量,得到纳米颗粒的有效直径。本文围绕计量型扫描电子显微镜系统进行了介绍与分析,其中有计量型扫描电镜的基本构造、溯源原理、主要误差来源引起的不确定度分析和在微纳颗粒等方面的应用。主要工作有：首先,介绍了计量型扫描电镜的背景与重要意义,其中有纳米计量技术、光刻技术、测量线宽的主要方法和仪器；分析了计量型扫描电子显微镜的优劣势以及国内外的研究现状。以ZEISS ULTRA 55型扫描电镜为主体进行改造的计量型扫描电子显微镜的系统构造,主体结构设计。概括描述了计量型扫描电镜的可溯源的干涉仪计量系统。介绍了计量型扫描电镜的双层位移台设计：即在大范围移动,选用大范围机械式位移台；在小范围精准定位,选择压电陶瓷纳米级位移台。介绍了激光干涉仪计量系统,这是装置实现溯源的关键。阐述了控制系统的功能模块并展示了扫描电镜对二维栅格的图像。然后,阐述了关于测量不确定度的A类评定与B类评定的主要评定方法；接着,对计量型扫描电镜进行测量不确定的分析与评估。主要是：1)计量系统的误差；2)几何误差；3)电子束斑漂移；4)图像像素的不确定度；5)机械台振动和纳米位移台振动；6)测量重复性。给出计量型扫描电镜的合成测量不确定度。接着,介绍了计量型扫描电镜的应用领域。概述了在计量检测图像分析处理、缺陷检测、立体结构观察、半导体、电子工业等领域的应用。详细分析了扫描电镜在纳米颗粒尺寸测量中的应用。以二氧化硅粒子为例,通过设置合适的扫描电镜各项参数,利用扫描电镜拍摄二氧化硅粒子图像,经过图像处理后,计算出纳米颗粒二氧化硅的有效直径的应用过程,显示了计量型扫描电镜在微纳计量领域的重要作用。最后,总结工作,对未来计量型扫描电镜的改进工作进行展望。
【关键词】：纳米计量 计量型扫描电镜 测量不确定度分析 微纳几何量检测
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN16
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-17
• 第一章 绪论17-26
• 1.1 论文研究背景和意义17-21
• 1.1.1 纳米计量技术17
• 1.1.2 光刻技术17-19
• 1.1.3 线宽测量方法及其主要仪器19-21
• 1.2 计量型扫描电子显微镜的研究现状21-24
• 1.2.1 扫描电镜的优劣势分析21-22
• 1.2.2 计量型扫描电镜的国内外研究现状22-24
• 1.3 本文研究的主要内容24-26
• 第二章 计量型扫描电子显微镜系统结构及其扫描原理26-32
• 2.1 计量型扫描电子显微镜的基本组成26
• 2.2 计量型扫描电子显微镜SEM的主体结构部分26-27
• 2.3 可溯源的干涉仪计量系统27-29
• 2.3.1 激光干涉系统27
• 2.3.2 计量型SEM舱门改造27-29
• 2.4 高精度高速度的纳米位移系统29
• 2.5 测量控制系统29-30
• 2.6 本章小结30-32
• 第三章 计量型扫描电子显微镜控制系统的研究32-41
• 3.1 扫描电镜双层位移台设计32-34
• 3.1.1 大范围机械式位移台32-33
• 3.1.2 纳米压电陶瓷位移工作台33-34
• 3.2 激光干涉仪计量系统34-36
• 3.3 测量与控制系统36-39
• 3.3.1 测量控制系统框架36-37
• 3.3.2 控制系统的功能模块介绍37-39
• 3.4 扫描电镜对二维栅格的扫描图像结果39-40
• 3.5 本章小结40-41
• 第四章 标准微纳几何结构测量不确定度的分析与评估41-56
• 4.1 测量不确定度的A类评定和B类评定41-48
• 4.1.1 测量不确定度的A类评定41-44
• 4.1.2 不确定度的B类评定44-45
• 4.1.3 输入量分布情况的估计45-48
• 4.2 计量型扫描电镜不确定度分析48-55
• 4.2.1 数学模型48-49
• 4.2.2 计量型扫描电镜的各个分量不确定度49-55
• 4.3 本章小结55-56
• 第五章 扫描电镜在颗粒直径测量方面的应用56-64
• 5.1 扫描电镜的应用领域56
• 5.2 基于扫描电镜的二氧化硅颗粒的有效直径测量56-63
• 5.2.1 颗粒检测意义56-57
• 5.2.2 二氧化硅颗粒制备与检测57-58
• 5.2.3 扫描电镜参数选择58-59
• 5.2.4 数据处理与实验结果59-63
• 5.3 本章小结63-64
• 第六章 结论64-65
• 参考文献65-68
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况68

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