二次电子信号的出射在科学技术领域都有着重要的价值,作为扫描电子显微镜最常用的成像模式,能够反应电子束轰击范围内原位的材料以及形貌信息。二次电子极易受到实验条件以及材料变化的影响,由此可以利用其得到多种实验可观测的衬度,这使得二次电子在更多的领域得到应用,例如二次电子产额用于薄膜材料层厚的估计,环境扫描电子显微镜用于生物样品的观测等。二次电子的发展期待着可以成为更多领域的表征工具,实现这一目标依赖于二次电子实验观测与理论模拟的紧密结合。基于上述研究背景,本论文关注二次电子实验测量的发展,在二次电子模拟计算方面开展了以下几项工作:首先介绍了扫描电子显微镜的发展,及二次电子成像的实验观测,概述了二次电子产生过程的理论描述以及数值模拟方法。(第1章)本文的工作是基于电子-固体相互作用的理论以及所构建的Monte Carlo模型,并结合二次电子级联处理方法来得到研究结果。电子从样品表面入射,与材料内原子及电子发生一系列的弹性或非弹性散射,输运过程中弹性散射使用更加准确的相对论Mott微分散射截面描述;基于介电函数理论描述电子在材料内的非弹性散射事件,采用full Penn算法从实验测量光学能量损失函数扩展到动量依赖的能量损失函数,并计算得到非弹性散射截面和非弹性散射平均自由程,进而计算得到二次电子信号的产额、成像衬度等。(第2章)出射信号的表面灵敏性是表面分析技术中的一个重要问题。二次电子由于出射过程中级联现象的存在,使得平均逸出深度的定义更加复杂,传统的逸出深度的计算是由非弹性散射平均自由程或最大逃脱深度粗略的估计得到,这个定义掩盖了二次电子激发和发射两个不同的过程。本文的研究中,我们引入激发深度分布函数,发射深度分布函数,和深度分布函数来定义二次电子的逸出深度。计算了 C、Al、Si、Cu、Pt、Ag和Au几种基本元素固体材料的平均逸出深。不同实验条件的计算和精确的平均逸出深度的定义弥补了其在实验测量上的困难。二次电子逸出在浅表面的次纳米区域,因此它们的逃逸深度比预期的更加局域。(第3章)关键尺寸测量一直是纳米级精确测量领域最具挑战的问题之一,关键尺寸控制的价值是随着尺寸的减半而翻倍增加。CD-SEM是工业上广泛使用的关键尺寸测量工具。然而受二次电子信号边缘效应的限制,边缘探测算法显著影响关键尺寸测量的稳定性以及精度。依据模型数据库(MBL)的二次电子信号数据分析方法遵循测量的物理原理,使用收集到的所有信息,已经被证明优于任意阈值以及其它经验的方法。MBL方法相对于传统的阈值方法来说实现比较复杂。这一章中我们细致研究了 MBL方法用于关键尺寸测量,给出了完整的数据库模拟过程。构建了 Au元素样品的数据库,并基于该数据库,使用实验条件与之匹配的测量CD-SEM二次电子像进行关键尺寸的测量。通过MBL方法测量得到的关键尺寸不只是线宽的单一值,而是扩展到3D形貌的探测。这项研究工作的主要目标是MBL方法用于关键尺寸测量的标准化。本项研究考虑了 MBL方法用于关键尺寸测量标准化过程的诸多细节问题,最终形成了标准草案,并提交国际标准化组织微束分析技术委员会(ISO/TC202),2016年6月2日“Method for Evaluating Critical Dimensions by CD-SEM” 通过投票立项为国际标准(ISO/AWI 21466 (ISO/TC202/SC4)),预计 2019 年 6 月 2 日发布。(第 4 章)二次电子信号产生过程涉及电子在材料内部的输运、激发以及散射过程,二次电子出射强度依赖于目标材料更大的深度。如果激发电子在穿越材料内部的过程中有另外一种物质,那么即使在化学成分均匀的表面上,二次电子强度也会发生变化。基于二次电子出射与样品层结构之间的关系的实验观测结果,我们研究了均匀表面但是具有深度上不均匀性样品的二次电子出射问题。我们构建了更为复杂的多层结构样品,层元素为Ni-C交替,Si衬底,并改变层结构以及顶层厚度,逐次计算样品表面出射二次电子产额。二次电子产额受层结构以及顶层厚度的影响,理论模拟与实验观测结果比较,整体变化趋势符合的较好。我们从二次电子信号产生过程解释了厚度衬度的原因。(第5章)二次电子模拟工作值得关注的另一个问题是环境状态的下二次电子像模拟及衬度机制的解释。环境扫描电子显微镜(ESEM)区别于传统的SEM,可以观察样品的“原生”表面。对于生物样品、含水样品等不需要脱水和导电处理,可在自然的状态下直接观察二次电子像。二次电子及易受到实验条件及材料变化的影响,由此可以利用其得到多种实验可观测的衬度。不同环境下定量的ESEM图像衬度模拟有助于实验二次电子像衬度的解析。参照ESEM环境样品室,构建了石墨烯窗口、液态水介质、Au元素样品的结构,并模拟其二次电子出射。计算复杂环境下出射二次电子产额对入射电子能量的依赖,以及液态水介质层的厚度、Au样品的厚度对出射产额的影响。(第6章)