科研方向

电子与固体相互作用的Monte Carlo计算模拟
1、扫描Auger显微分析
SAM广泛用于表征固体表面结构及表面成份分析，其高的空间分辨率，尤其是元素含量分辨，是其它表面分析技术所不可比拟的。但是，由于电子与固体相互作用的复杂性，从Auger电子图像上得到的信息仍比较有限。利用Monte Carlo模拟，可以非常有效地帮助我们理解Auger电子衬度像的成像机理以及指导我们利用SAM进行固体表面成分的定量分析。另外，随着STEM的快速发展及广泛利用，使得SAM的空间分辨率已达到nm量级。利用MC模拟可以进一步分析nm分辨率的Auger电子衬度像的各种新的效应，并揭示新的成像机理。
在复杂构造体模型的基础上，建立起适用于单元素、合金以及化合物等不同形貌不同材料的纳米体系的衬度图像，揭示出SAM图像各种成像机理以及遮蔽、假象等 效应的物理机制。通过与实验的直接对应，有利于更加丰富地分析实际SAM图像信息。
2、基于CDSEM的纳米线宽测量方法的MC模拟研究
半导体大规模集成电路技术的发展使得刻蚀线宽已经降到30nm以下，但其进一步发展亟待纳米级精确测量技术的支持。因而，纳米尺度的精确测量已成为半导体行业未来发展的关键和极具挑战性的工作。在纳米尺度测量的主要三种技术（AFM/TEM/SEM）中，SEM有着较高的分辨率与吞吐效率、普适性好等优点，可以实施对样品的实施监控和图象分析；并且利用SEM可以实施对线宽的正面（Top－Down），截面甚至是三维成像分析。而Top－Down方式下的SEM测量可以实施对样品的无损伤、高分辨、快速测量，在半导体行业中已经发展成一种专门的测长扫描电镜（临界尺度扫描电镜CDSEM）技术，它被认为是实时监控与测定纳米级线宽的最为高效和准确的方法。
通常，利用CDSEM获得二次电子图像，相应的线宽确定算法是精确测量的关键。对于较大体系（>100nm）线宽的确定，常用几种经验的线宽确定算法。然而，随着体系线宽尺度逐渐降到几十nm范围，这几种常用公式都已变得不再适用，其根本原因归结于SEM中二次电子信号发射的本身物理效应：即使对于绝对理想的光滑台阶边沿，二次电子信号的线扫描图也会呈一个有相当展宽的包络线型，这即是二次电子信号发射的边沿效应（edge effect），展宽尺度约为10nm量级，这种展宽对于通常的大尺度结构的SEM测量误差来说影响较小，但对几十nm的结构来说是最为重要的误差来源，因为这时人们很难从图像中确定线边沿位置，而应用中所需的测量精度要求在1nm以下。因而，目前只能对线距的测量才有较高的准确性（可以测量周期性重复边界以抵消误差），而对于无周期性的绝对线宽测量仍然是急待学术上解决的问题。
由于二次电子信号产生涉及电子束与固体的相互作用基本物理过程，因此解决这个问题必须要从理论上进行全面研究。该问题的复杂性在于：实际的扫描电镜成像中，影响衬度的因素非常多。其中一些是普适性的，它与入射电子散射、二次电子激发以及发射过程的基本物理有关，如纳米结构样品几何参数、表面带电性质、可控电子束参数等，另外一些还与具体仪器有关，如探测器几何配置和样品外电场分布等。为了了解各种因素对CDSEM图像进而对线宽测量的影响，人们已付诸了大量精力。实验上对标准样品和AFM等其它手段进行了对比研究，而理论上则用蒙特卡洛（Monte Carlo）方法对SEM进行了初步模拟研究，试图找出一种精确的线宽确定方法。然而，由于国际上其它小组的理论研究中采用的Monte Carlo计算模型有相当的局限性，目前还未有能得到普遍接受的结果。由此可见，CDSEM中半导体线宽的确定问题（以及更一般的SEM中纳米结构测量问题）是当前纳米测量技术中的国际前沿研究热点。
我们的Monte Carlo模型在原来的基础上主要做了三大改进：1）、在以Mott的弹性散射截面处理电子弹性散射过程和以Full-Penn介电函数理论处理电子非弹性散射过程的物理模型；2）、基本构造体组合模型以及利用三角形网格法近似组建任意复杂构造体的3D体系构件模型的建立，并首次建立起粗糙表面构造模型；3）、利用光线追踪算法处理电子散射步长，合理处理电子出射几率、折射过程；并利用空间分割算法以加速计算效率。所用的源程序是利用Fortran语言编写的MPI并行程序，可运行于各种大型并行系统之上。
系统详细地研究了线宽随纳米结构各种参数（宽度、高度、边墙角、顶端圆弧、拖尾、粗糙度等）、入射电子束条件（加速电压、入射角）、探测器条件（几何配置、样品外电场分布）而变化的规律，有助于进一步总结经验线宽分析公式，可以更加精确、高效的确定线宽，对半导体工业大规模集成电路生产中纳米线宽的确定具有极重要的实际应用意义。
3、ERBS及HEELS的定量MC模拟研究
电子与固体相互作用过程主要分为弹性散射过程和非弹性散射过程。通常认为，非弹性散射不仅引起电子能量损失，还会使电子的方向发生小的变化，而弹性散射只改变电子的运动方向，不改变电子的能量。但是，当能量很高的快电子与固体相互作用并发生大角散射时，由于存在较大的动量转移，会使得电子有大约几个eV的能量损失，即称为准弹性散射。这一小的能量损失值，正比于入射点子的能量与散射角度，反比于散射原子核的质量，因此可用作不同元素的标定（尤其对于H元素，AES及XPS等常规探测手段已无能为力）。而且，由于入射电子有足够高的能量（几十keV），所以其有效探测深度很大（大约100nm），可以用于对体系表面薄膜厚度的测定，有着广泛的应用前景。近期，随着电子能量分析器分辨率等的进一步发展，已发展成为卢瑟福背散射谱（ERBS）以及高能电子能量损失谱（HEELS）等较新的探测技术。
然而，由于存在多重散射效应等的影响，利用此技术对材料实行严格的定量表征需要精确理论描述。M.Vos等人提出了一种单散射模型，用于此定量分析，由于他完全忽略了多重散射的较大影响，使得理论值与实验值之间存在较大误差（甚至错误）。为了解决这一问题，我们利用Monte Carlo方法来模拟电子与固体原子间的准弹性散射过程，严格地模拟电子多重散射过程等电子真实散射过程，得到了定量上与实验近乎一致的结果。
4、SEM中荷电效应的流体动力学模拟
在SEM中，电子与绝缘体样品相互作用，级联产生SE等信号，留下大量空穴，从而引起电荷的大量积聚，影响了电子的散射及出射过程，并进一步影响SE产额及SEM衬度等信息。尤其在利用CDSEM进行纳米级线宽标定应用当中，由于会处理很多半导体或绝缘体材料，荷电效应将对线宽测量引入很大误差。Monte Carlo方法被广发用于电子与固体相互作用研究，但不能同时处理电荷的积聚与扩散等动力学过程。为了描述电荷动力学过程，需要在成熟的MC电子输运模拟中恰当合理地引入电荷产生及输运动力学模拟。
大量电荷的积聚，扩散，复合等过程可以近似用流体力学的方法来处理。我们致力于通过求解Poisson方程来得到任意时刻电荷、电势及电场的空间分布，从而处理电子在此电场下的输运过程。最终的到材料表面电势，SE产额等的修正，进一步分析这种因素对CDSEM中衬度图像的影响，有助于半导体行业纳米线宽的精确测定以及SEM中荷电效应机理研究。