2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫(kù)——電子束在微納加工中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的字母填入括號(hào)內(nèi)）1.在電子束曝光技術(shù)中，減小電子束曝光分辨率的主要物理因素是？(A)電子束的德布羅意波長(zhǎng)(B)電子束的電流密度(C)抗蝕劑的感光物質(zhì)濃度(D)電子在材料中的散射角2.當(dāng)高能電子束轟擊固體材料時(shí)，背散射電子主要來(lái)源于？(A)入射電子與樣品原子核發(fā)生彈性碰撞(B)入射電子與樣品原子核發(fā)生非彈性碰撞損失能量后反彈(C)樣品原子核外電子被入射電子激發(fā)后逸出(D)入射電子在材料中能量損失形成的二次電子3.掃描電子顯微鏡（SEM）獲取高分辨率圖像主要依賴于？(A)利用可見(jiàn)光照射樣品表面(B)利用低能電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生的二次電子信號(hào)(C)利用高能電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的背散射電子信號(hào)(D)利用X射線探測(cè)樣品成分4.在電子束刻蝕過(guò)程中，為了獲得高縱橫比的結(jié)構(gòu)，通常需要？(A)使用低能電子束以減少側(cè)向?yàn)R射(B)使用高能電子束以增加材料表面反應(yīng)活性(C)優(yōu)化樣品與電子束的相對(duì)角度以控制刻蝕方向性(D)選擇具有高原子序數(shù)的刻蝕材料5.電子的德布羅意波長(zhǎng)λ與其動(dòng)能E（采用非相對(duì)論計(jì)算）的關(guān)系是？(A)λ∝E(B)λ∝1/E(C)λ∝√E(D)λ∝1/√E6.下列哪一項(xiàng)不是電子束曝光技術(shù)相比于傳統(tǒng)光刻技術(shù)的優(yōu)勢(shì)？(A)可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率(B)對(duì)樣品的材質(zhì)限制較少(C)曝光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單(D)可以直接寫入復(fù)雜圖形二、填空題（請(qǐng)將答案填入橫線處）1.在電子顯微鏡中，球差是限制成像分辨率的主要像差之一，它主要取決于電子束的__________和物鏡的__________。2.電子與物質(zhì)發(fā)生非彈性散射時(shí)，會(huì)損失能量并可能激發(fā)原子，產(chǎn)生的具有特定能量的光子稱為__________，利用它可以進(jìn)行元素分析。3.電子束刻蝕中產(chǎn)生的二次電子主要來(lái)自于材料原子核外電子在入射電子轟擊下的__________過(guò)程。4.提高掃描電子顯微鏡的分辨率，除了減小電子束直徑外，還可以通過(guò)使用__________（填入物鏡類型）或采用__________（填入技術(shù)名稱）等方式實(shí)現(xiàn)。5.電子束曝光時(shí)，圖形的襯度主要由抗蝕劑在曝光后溶解度發(fā)生的變化以及二次電子產(chǎn)額的__________差異決定。6.對(duì)于一定能量的電子束，其穿透材料的深度（射程）主要取決于材料的__________和電子束的能量。三、簡(jiǎn)答題1.簡(jiǎn)述電子在通過(guò)物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生哪些主要的初級(jí)和次級(jí)過(guò)程，并說(shuō)明每種過(guò)程對(duì)電子束微納加工或表征技術(shù)的意義。2.比較電子束曝光（EBE）和聚焦離子束（FIB）在微納加工方面的主要區(qū)別和各自的優(yōu)缺點(diǎn)。3.簡(jiǎn)述掃描電子顯微鏡（SEM）的工作原理，并列舉至少三種SEM在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用實(shí)例。四、計(jì)算題1.一束能量為50keV的電子束垂直入射到厚度為200nm的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）抗蝕劑膜上。假設(shè)PMMA對(duì)50keV電子的射程約為60nm（即平均穿透深度），且電子束直徑為0.1μm。請(qǐng)計(jì)算：(1)該電子束的德布羅意波長(zhǎng)是多少？(2)如果曝光劑量為5×10?μC/cm2，估算每個(gè)0.1μm2面積內(nèi)理論上最多能產(chǎn)生多少個(gè)二次電子？（假設(shè)二次電子產(chǎn)額為1個(gè)/入射電子）(3)簡(jiǎn)述該能量和劑量的電子束對(duì)PMMA抗蝕劑可能產(chǎn)生的化學(xué)變化，并說(shuō)明這如何影響后續(xù)的顯影過(guò)程。2.假設(shè)在一次電子束刻蝕實(shí)驗(yàn)中，使用100keV的電子束在硅（Si）材料上工作。已知硅在此能量下的背散射電子產(chǎn)額為0.1個(gè)/入射電子，二次電子產(chǎn)額為0.5個(gè)/入射電子。如果刻蝕速率（單位面積去除的材料厚度）為0.05nm/s，電子束電流密度為10mA/cm2。請(qǐng)估算：(1)每秒鐘有多少電子轟擊單位面積（1cm2）的硅材料？(2)每秒鐘從該單位面積硅材料表面產(chǎn)生的二次電子和背散射電子各有多少個(gè)？(3)簡(jiǎn)述高能電子轟擊硅表面可能引發(fā)的主要物理機(jī)制（至少兩種），并說(shuō)明這些機(jī)制如何導(dǎo)致材料去除。五、論述題1.論述電子束的波動(dòng)性在電子束曝光和掃描電子顯微鏡成像中的作用及其對(duì)分辨率的限制。為了克服這些限制，現(xiàn)代電子束技術(shù)采用了哪些重要的改進(jìn)措施？2.結(jié)合電子與物質(zhì)相互作用的物理原理，論述影響電子束刻蝕深度、寬度和側(cè)蝕的主要因素有哪些，并說(shuō)明如何通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)控制刻蝕形貌。---試卷答案一、選擇題1.(D)2.(A)3.(B)4.(B)5.(D)6.(C)二、填空題1.能量，孔徑2.特征X射線3.逸出4.超凝聚透鏡，電子束聚焦技術(shù)（或場(chǎng)發(fā)射、浸沒(méi)式技術(shù)等合理答案）5.差異6.原子序數(shù)（或Z）三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：首先列出主要的初級(jí)過(guò)程：透射（穿過(guò)材料）、彈性散射（改變方向不損失太多能量，影響聚焦）、非彈性散射（損失能量，可能激發(fā)原子或產(chǎn)生次級(jí)粒子）。然后列出主要的次級(jí)過(guò)程：二次電子（SE，核外電子被轟擊逸出）、背散射電子（BSE，原子核反彈）、特征X射線（從被激發(fā)的原子內(nèi)層電子躍遷填充時(shí)產(chǎn)生）、俄歇電子（原子內(nèi)層空穴被外層電子填充，能量以電子形式釋放）。最后，結(jié)合應(yīng)用說(shuō)明：透射用于成像（如TEM）；散射影響成像襯度和像差；二次電子是SEM成像的主要信號(hào)源，靈敏度高，分辨率好；背散射電子與原子序數(shù)相關(guān)，用于成分分析和SEM成像提供襯度；特征X射線用于EDX成分分析；俄歇電子用于AES表面成分和化學(xué)態(tài)分析。2.解析思路：比較兩者的物理基礎(chǔ)：EBE利用電子波與抗蝕劑的相互作用；FIB利用高能離子（通常為Ga+）與材料的原子核發(fā)生強(qiáng)相互作用。加工方式：EBE通過(guò)改變抗蝕劑溶解性形成圖形，再進(jìn)行顯影；FIB直接通過(guò)離子濺射去除材料。加工對(duì)象：EBE主要用于有機(jī)抗蝕劑，對(duì)敏感材料友好；FIB可以直接刻蝕多種材料，包括硅、氧化物、金屬，但離子損傷較大。分辨率：EBE可達(dá)納米級(jí)甚至更高；FIB的束流直徑可以更小，加工精度非常高。速度：FIB刻蝕速度通常更快。應(yīng)用：EBE主要用于圖案化和光刻；FIB廣泛用于樣品制備、微加工、連接、劃線等。優(yōu)缺點(diǎn)：EBE優(yōu)點(diǎn)是損傷小、對(duì)材料兼容性好；缺點(diǎn)是速度慢、成本高、需要顯影環(huán)節(jié)。FIB優(yōu)點(diǎn)是加工直接、速度快、精度高；缺點(diǎn)是離子損傷較大、可能引入雜質(zhì)、設(shè)備昂貴。3.解析思路：首述工作原理：利用高能電子束（通常>10keV）掃描樣品表面，電子與樣品相互作用產(chǎn)生特定信號(hào)（主要是二次電子或背散射電子），探測(cè)器收集這些信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和處理后在屏幕上形成樣品表面的像。然后列舉應(yīng)用：SEM可用于觀察各種材料（導(dǎo)體、絕緣體、生物樣品）的表面形貌和微結(jié)構(gòu)；在微電子領(lǐng)域用于芯片和器件的失效分析、結(jié)構(gòu)檢查；在材料科學(xué)中用于晶體結(jié)構(gòu)觀察、顆粒分析；在地質(zhì)學(xué)中用于礦物鑒定；在生物學(xué)中用于細(xì)胞和組織的形態(tài)學(xué)研究。四、計(jì)算題1.(1)解析思路：使用德布羅意公式λ=h/p=h/√(2meE)，其中h是普朗克常數(shù)，m是電子靜止質(zhì)量，e是電子電荷，E是電子動(dòng)能。注意單位轉(zhuǎn)換：50keV=50×103eV=50×103×1.6×10?12J。計(jì)算結(jié)果λ≈0.0024nm。(2)解析思路：先計(jì)算單位面積內(nèi)的曝光電子數(shù)：N=曝光劑量/單位面積/單位電子能量。單位面積S=(0.1μm)2=10?12m2。單位電子能量E?=50keV=50×103eV=50×103×1.6×10?12J。N=(5×10?μC/cm2)×(10?2cm2/m2)/(10?12m2)/(50×103×1.6×10?12J/e)≈6.25×101?個(gè)。然后乘以二次電子產(chǎn)額：二次電子數(shù)≈6.25×101?×1≈6.25×101?個(gè)。注意單位轉(zhuǎn)換和有效數(shù)字。(3)解析思路：50keV電子有足夠的能量激發(fā)PMMA分子，可能打斷化學(xué)鍵，形成自由基。這些自由基不穩(wěn)定，在后續(xù)顯影液中更容易與溶劑反應(yīng)而溶解。未被曝光的區(qū)域則保持相對(duì)穩(wěn)定，不溶于顯影液。因此，曝光區(qū)域在顯影后會(huì)被去除，形成與電子束圖形對(duì)應(yīng)的凹版或凸版結(jié)構(gòu)。2.(1)解析思路：使用電流密度定義J=I/A，其中I是電流，A是面積。A=1cm2=10??m2。I=J×A=10mA/cm2×10??m2=10??A=10??C/s。每秒鐘轟擊單位面積的電子數(shù)N=I/e，其中e是電子電荷1.6×10?1?C。N=10??C/s/1.6×10?1?C/電子≈6.25×1012個(gè)/秒。(2)解析思路：背散射電子數(shù)=轟擊電子數(shù)×背散射電子產(chǎn)額=6.25×1012個(gè)/秒×0.1=6.25×1011個(gè)/秒。二次電子數(shù)=轟擊電子數(shù)×二次電子產(chǎn)額=6.25×1012個(gè)/秒×0.5=3.125×1012個(gè)/秒。(3)解析思路：主要物理機(jī)制包括：物理濺射（入射離子與靶材原子核發(fā)生庫(kù)侖作用被反彈出去）；化學(xué)反應(yīng)濺射（離子轟擊引發(fā)靶材表面的化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)被去除）；核反應(yīng)（高能離子與靶材原子核發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生新原子核或粒子被濺射出去）。這些機(jī)制共同導(dǎo)致了材料的去除。五、論述題1.解析思路：首先說(shuō)明波動(dòng)性體現(xiàn)：電子具有波動(dòng)性，其衍射效應(yīng)是限制分辨率的基本物理因素，根據(jù)衍射極限公式Δx≈λ/(2NA)，波長(zhǎng)遠(yuǎn)短、物鏡數(shù)值孔徑大則分辨率高。在成像中，波前彎曲導(dǎo)致像點(diǎn)擴(kuò)展。在曝光中，波前疊加決定抗蝕劑感光部位的分布。限制：衍射極限是理論上的分辨率上限。改進(jìn)措施：使用超凝聚透鏡（利用量子效應(yīng)實(shí)現(xiàn)更小的有效孔徑）或場(chǎng)發(fā)射電子源（獲得更細(xì)的電子束）來(lái)減小束斑尺寸；采用浸沒(méi)式技術(shù)（將樣品浸在液體中，減小折射率差，改善球差和像差）；電子能量調(diào)節(jié)技術(shù)（如能量色散補(bǔ)償）以優(yōu)化信號(hào)質(zhì)量；使用雙束技術(shù)（同時(shí)使用曝光束和補(bǔ)償束）來(lái)改善圖形保真度。2.解析思路：影響因素：電子束能量（影響射程和與材料的相互作用深度/方式）；