二維靜電掃描微鏡及其制作方法

二維靜電掃描微鏡及其制作方法靜電掃描顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）是一種基于電子束聚焦成像的顯微裝置，能夠以高分辨率觀察樣品表面的微觀形貌。與傳統(tǒng)光學(xué)顯微技術(shù)相比，SEM具備更高的空間分辨率、更好的表面成像能力和更強(qiáng)的穿透力。在微電子、材料學(xué)、生物學(xué)和地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文主要介紹另一種與SEM類似的顯微技術(shù)——二維靜電掃描微鏡（TwoDimensionalScanningElectronMicroscope，2DSEM），并詳細(xì)介紹其制作方法。二維靜電掃描顯微鏡2DSEM是一種基于靜電場(chǎng)聚焦電子束成像的顯微裝置，同樣可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的表面成像。與傳統(tǒng)的掃描電鏡相比，它不需要像SEM那樣配置復(fù)雜的高壓電子源、場(chǎng)發(fā)射電子源等，因此能夠在較為簡(jiǎn)單的條件下制作。2DSEM主要由電子槍、聚焦電極和靜電鏡頭等重要部件組成。首先，電子槍以熱發(fā)射的方式發(fā)射出一束電子束，然后通過聚焦電極進(jìn)行收束，最后被靜電鏡頭聚焦到樣品表面上，基于掃描方案，用激光束點(diǎn)高速掃描樣品表面，同時(shí)接收反射電子，通過計(jì)算機(jī)數(shù)字化處理后生成樣品的高分辨率圖像。在2DSEM中，電子束的聚焦主要依靠靜電場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)。由于電子的質(zhì)量很小，其加速度比較大，因此容易受到電場(chǎng)的影響而偏移偏轉(zhuǎn)。因此，利用微型電極制作的電勢(shì)分布在零勢(shì)區(qū)附近形成一個(gè)幾乎等勢(shì)面的區(qū)域，從而對(duì)電子束產(chǎn)生聚焦作用，這就是靜電鏡頭。靜電鏡頭的幾何結(jié)構(gòu)和電勢(shì)分布可以通過計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)并優(yōu)化納米級(jí)靜電透鏡設(shè)計(jì)，并根據(jù)要求制造精密的靜電透鏡器件。與SEM相比，2DSEM有更小的體積、更簡(jiǎn)單的制作工藝和更低的制造成本。而且由于它的體積比SEM小得多，它可以方便地集成到其他設(shè)備中。2DSEM目前已經(jīng)被應(yīng)用到半導(dǎo)體器件檢測(cè)、光學(xué)膜檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)類診斷等領(lǐng)域。二維靜電掃描顯微鏡制作方法2DSEM的制作過程包括制作電子槍、制作聚焦電極、制作靜電透鏡等幾個(gè)關(guān)鍵步驟。下面分別介紹這幾個(gè)步驟的具體操作方法：制作電子槍電子槍是整個(gè)2DSEM的核心組件之一，它發(fā)射并控制電子束的強(qiáng)度和方向。通過熱發(fā)射法制作GUNN普里托夫電極，這樣制作的電極可以基本滿足需求，質(zhì)量較好，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，其公差小、操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、成本較低。具體方法：將GUNN普里托夫電極放置在石墨墊上，在電極口部分均勻涂上鎢絲。在鎢絲和GUNN普里托夫電極中加入適量的鈉鎢酸和IPA。將吸管一端插入電極底部，另一端連到真空管中，在真空泵的作用下達(dá)到理想的真空度。開始加熱電極，電極溫度達(dá)到一定的值后，發(fā)射電子開始。在可調(diào)電阻和對(duì)角電壓的作用下，控制電子束的強(qiáng)度和方向。制作聚焦電極制作聚焦電極是實(shí)現(xiàn)電子束聚焦的關(guān)鍵之一。它有著特定的形狀和幾何尺寸，并且需要保證表面光滑度。在制作聚焦電極時(shí)可以采用電壓控制玻璃制作聚焦電極。具體方法：利用高純度玻璃進(jìn)行電極模板制備，此時(shí)需要較高的理化性能。在模板表面表面鍍上一層光刻膠，在UV光源下照射膠面。清洗后，在微米級(jí)親和性刻蝕劑中將聚焦電極幾何形狀刻錄在玻璃上，以保證表面光滑度和精度。最后，通過腐蝕和清洗等處理，制成合適的聚焦電極。制作靜電透鏡靜電透鏡是實(shí)現(xiàn)電子束聚焦的主要組成部分之一。制作靜電透鏡的關(guān)鍵在于精準(zhǔn)的幾何形狀和電勢(shì)分布，需要使用微型電極進(jìn)行加工和制作。具體方法：通過計(jì)算機(jī)軟件對(duì)透鏡幾何結(jié)構(gòu)和電勢(shì)分布進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)，并繪制出微型電極的輪廓。利用微納加工技術(shù)，使用光刻、腐蝕、離子束雕刻等制備方法將電極結(jié)構(gòu)刻在硅片上。通過真空蒸鍍等方法在微型電極上涂上一層金屬等導(dǎo)體，以保證透鏡表面的導(dǎo)電性能。最后，在透鏡周圍固定上支撐座，即可用于高效的電子聚焦，完成二維靜電掃描顯微鏡的制造?？偨Y(jié)2DSEM是一種基于靜電場(chǎng)聚焦電子束成像的顯微裝置，不需要復(fù)雜的高壓電子源、場(chǎng)發(fā)射電子源等，因此能夠在相對(duì)簡(jiǎn)單的條件下制作。本文詳