ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
7-giu-2022
2020/2021
Scopo della tesi è costruire un modello numerico delle traiettorie degli elettroni secondari (SE) in una camera di Microscopio Elettronico a Scansione (SEM), emessi dal campione in esame sotto l'effetto di un fascio di elettroni primari (PE) e accelerati dal campo elettrico impostato dal rivelatore polarizzato ad alta tensione. In particolare, la modellazione viene eseguita considerando gli SE emessi da punti specifici sulla superficie del campione e assegnando una distribuzione angolare delle direzioni di emissione e delle energie cinetiche iniziali. Si considera quindi l'influenza sulle traiettorie degli elettroni e sulla efficienza di raccolta al rivelatore dovuta alla presenza di una distribuzione spaziale di tensione aggiuntiva sulla superficie del campione, quale ad esempio quella indotta dagli effetti di fototensione superficiale (SPV). Il SEM viene utilizzato in modalità Field Imaging (con la lente obiettivo disattivata) e rivelando i SE tramite un rivelatore posto nella colonna del SEM (In-beam). In questo modo i SE non sono soggetti ad alcun campo magnetico nel viaggiare dal campione al rivelatore, ma solo al campo elettrostatico del rivelatore. Un potenziale elettrico aggiuntivo presente sulla superficie del campione influisce sulle traiettorie SE e sull'efficienza di rilevamento. I parametri di configurazione e funzionamento includono il potenziale applicato al rivelatore, la tensione generata sulla superficie del campione. Le traiettorie e l'efficienza di raccolta degli SE sono state calcolate utilizzando il software di simulazione multifisica COMSOL. La tesi illustra i vari passaggi di costruzione del modello numerico, come la definizione della fisica, la mesh di adeguate geometrie 2D e 3D, e la soluzione del modello vero e proprio. Nella simulazione vengono utilizzati moduli di rappresentazione del campo elettrostatico e di tracciamento delle particelle cariche. I risultati della simulazione forniscono una panoramica di come la distribuzione della tensione sulla superficie del campione, incluso il possibile SPV, influisce sulla distribuzione del campo elettrostatico all'interno della camera a vuoto di SEM, sulle traiettorie SE e sull'efficienza di raccolta al rivelatore. Ulteriori passaggi possono includere il confronto di simulazioni numeriche con modelli di contrasto SE sperimentali generati dalla presenza di una distribuzione di tensione al campione e la simulazione numerica di immagini di contrasto SEM 2D da confrontare con quelle sperimentali. Questo lavoro è un primo passo nella definizione della modellazione numerica dell'imaging mediante SEM della distribuzione locale della tensione superficiale in un campione in esame.
The thesis aims to build up a numerical model of the trajectories of Secondary Electrons (SE) in a Scanning Electron Microscope (SEM) chamber as they are emitted from the sample under the effect of an impinging Primary Electron (PE) beam and accelerated by the electric field set by the high-voltage biased detector. Specifically, modeling is performed by considering SE emitted from specific points at the sample surface and using a distribution of initial emission directions and kinetic energies. The influence on electron trajectories is due to an additional voltage distribution at the sample surface, like that induced by Surface Photovoltages effects (SPV), on the trajectories and the collection efficiency at the detector. The SEM is operated in Field imaging mode (with the objective lens turned off), and the In-beam SE Detector provides detection. In this way, SE is not subject to any magnetic field in traveling from the sample to the detector but only to the electrostatic field of the detector. If the additional electric potential is present at the specimen surface, this affects the SE trajectories and the detection efficiency. Setup and operating parameters included applied potential at the detector, voltage generated on the sample surface was studied, and secondary electron trajectories and collection efficiency were computed using COMSOL Multiphysics simulation software. Various steps, such as defining physics, meshing 2D and 3D geometries, study, and solver selection, are shown. Electrostatic and Charge particle tracing modules are used in the simulation. The subsequent analysis is primarily concerned with how the distribution of voltage generated on the sample surface influences the Secondary electrons trajectories and the collection efficiency at the detector. Results from the simulation give an insight into how voltage distribution on the sample surface, including possible SPV, affects the electrostatic field distribution inside the vacuum chamber of SEM, the SE trajectories, and the collection efficiency at the in-beam SE Detector. Further steps may include the comparison of numerical simulations with experimental SE contrast patterns generated by the presence of a voltage distribution at the sample and the numerical simulation of 2D SEM contrast images to be compared to experimental ones. This work is a first step in defining numerical modeling of the imaging by SEM of the local distribution of surface voltage through voltage-image contrast patterns.