Динамическая контактная электростатическая силовая микроскопия (DC-EFM)

Изображение высокого разрешения и чувствительности электростатической силы

Уникальные возможности усовершенствованных EFM только в серии АСМ XE

Для EFM в качестве поверхностных свойств образца выступают электрические свойства и сила взаимодействия, которая представляет собой электростатическую силу, действующую между зондом и образцом под напряжением. Но, помимо электростатической силы между зондом и поверхностью образца также действуют силы Ван Дер Вальса. Величина сил Ван Дер Вальса изменяется в зависимости от дистанции «зонд-образец» и поэтому используется для получения топографии поверхности.

Следовательно, полученный сигнал является двухпроводным и включает в себя данные о топографии поверхности (называется «топографическим сигналом») и данные об электрических свойствах поверхности (называется «сигналом EFM или контрастом»), которые генерируются силами Ван Дер Вальса и электростатическими силами соответственно. Ключом для получения контрастного изображения EFM является выделение сигнала EFM из суммарного сигнала. Поэтому режимы EFM классифицируются в соответствии с методами, которые используются для выделения сигнала EFM из общего сигнала.

Усовершенствованный электросиловой микроскоп (EFM)

Три дополнительных режима электросиловой микроскопии реализованы в усовершенствованном микроскопе EFM серии XE. Это DC-EFM (на режим DC-EFM получен патент Park Systems, США 6185991), метод пьезоэлектрической силовой микроскопии (PFM, аналогично DC-EFM) и сканирующий метод зонда Кельвина (SKPM), также известный как микроскопия распределения поверхностного потенциала.

В усовершенствованном микроскопе EFM серии XE, схема которого представлена на рисунке 1, внешний синхронный усилитель подключается к АСМ-ХЕ, чтобы: во-первых, выделить и использовать сигнал переменного тока частотой ω в дополнение к сигналу постоянного тока, который используется контроллером XE для подачи его на зонд. Во-вторых, выделить частоту сигнала ω в выходном сигнале. Эта уникальная возможность серии XE в усовершенствованном варианте микроскопа EFM – основное преимущество по сравнению со стандартными системами микроскопов EFM.

Рис 1. Схема усовершенствованного EFM серии XE

В усовершенствованном EFM напряжение между зондом и образцом можно выразить следующими уравнениями:

V_DC представляет собой потенциал сдвига DC и VS – это поверхностный потенциал образца, V_AC и ω – соответственно амплитуда и частота сигнала напряжения AC. Электростатическая сила на кантилевере может быть выражена уравнением (2), в котором используется модель конденсатора с двумя параллельными пластинами для описания электростатического взаимодействия между кантилевером и образцом.

Здесь F – это электростатическая сила на зонде, q – это заряд, E – электрическое поле, V – разница электрических потенциалов, C – емкость, d – дистанция «зонд-образец». Следует обратить внимание, что напряжения AC и DC между зондом и образцом образуют три математических выражения силы. Они называются выражением постоянного тока DC (а), выражением частоты ω (b) и выражением двойной частоты 2ω (с) соответственно. Сигнал отклонения кантилевера, который обусловлен действием силы между зондом и образцом, можно проанализировать с точки зрения отдельных компонентов или выражений: DC, AC с частотой ω, АС с частотой 2ω.

Сигнал отклонения кантилевера DC можно получить непосредственно из сигнальных каналов с помощью программного обеспечения XEP Data Acquisition. Переменный сигнал АС отклонения кантилевера можно получить с помощью синхронного усилителя, который способен идентифицировать часть сигнала с частотой, часть сигнала с частотой 2ω. Все три сигнала используются для обработки информации об электрических свойствах образца. Например, емкость фигурирует в уравнении как отношение емкости к дистанции «зонд-образец», C/d. Если дистанцию «зонд-образец» поддерживать постоянной с помощью контура обратной связи z, С/d будет пропорциональна емкости. Сигнал, который представляет собой коэффициент в выражении (b) уравнения (2), объединяет в себе данные C/d и поверхностного потенциала, V_S. В предположении того, что V_DC и V_AC величины известные, невозможно выделить емкость или поверхностный потенциал при измерении сигнала ω. Но сигнал 2ω, который представляет собой коэффициент в выражении (с), включает в себя только данные по емкости. Его можно использовать для нормализации сигнала ω, выделив составляющую поверхностного потенциала.

Изображения можно создавать из любого выше упомянутого сигнала. Анализ изображения представляет собой отдельное рассмотрение компонентов сигнала при его получении.

(a)                                       (b)

Рисунок 2. (a) Топография и (b) EFM фазовое изображение PZT пленки

Почему стоит выбрать усовершенствованный микроскоп EFM серии XE?

Стандартный микроскоп EFM производит детектирование поверхности в два прохода зонда (один проход выполняется практически в «холостую»), поэтому обладает ограниченным пространственным разрешением при определении распределения поверхностного потенциала. Усовершенствованный микроскоп EFM серии XE позволяет сканировать поверхность по однопроходной методике, при этом воспроизводится топография и распределение поверхностного потенциала без потери разрешения. Кроме того, это позволяет реализовать режим измерения сигналом высокой частоты.

• Распределение поверхностного заряда и потенциала
• Анализ неисправностей в контактах микроэлектронных цепей
• Механическое измерение твердости (DC-EFM)
• Измерение плотности заряда для областей самопроизвольной поляризации
• Падение напряжения на микрорезисторах
• Функционирование полупроводникового устройства

DC-EFM

Рисунок 3. Схема динамического контактного EFM (DC-EFM) серии XE. Уникальные возможности EFM запатентованы и реализованы только компанией Park Systems

Режим DC-EFM (динамический контактный EFM) – это усовершенствованный EFM, работающий в контактном режиме. Он обеспечивает более высокое трехмерное разрешение и является более чувствительным устройством (см. рисунок 3). На рисунке 4 выполнено сравнение топографии и изображения поверхностного заряда одиночного кристалла ТGS, полученного с помощью режима DC-EFM (верхний) и стандартного режима EFM (нижний) соответственно. На изображении стандартного EFM прослеживается соответствие топографического рисунка и распределения заряженных областей, а на изображении, полученном DC-EFM, появляется разница между топографией и распределением (контрастом) электрического заряда на поверхности образца. Ключевыми преимуществами DC-EFM являются следующие:

• Не требуется специальная подготовка образца
• Высокое разрешение и неинвазивное зондирование
• Одновременное получение сканов топографии и распределения зарядов (рисунок 2)
• Изображение динамики доменов в режиме реального времени
• Нанометрическое управление и визуализация доменов (рисунок 5)
• Подробная информация о характеристиках локальных зон, а не общая информация

Рисунок 4. (a) Топография и (b) изображение поверхностного заряда на одном кристалле TGS получены DC-EFM, (c) топография и изображение поверхностного заряда (d) стандартного EFM

Рисунок 5. (a) Переключение домена в ферроэлектрических материалах. Создание малых доменов TGS положительным напряжением (b) 10В и отрицательным напряжением (c) 10 В

Микроскопы, работающие в режиме динамической контактной электростатической силовой микроскопии (DC-EFM):