Электростатическая силовая микроскопия (EFM)

Высокое разрешение и чувствительность при электростатическом сканировании

Уникальные возможности усовершенствованного EFM серии XE

Рисунок 1. EFM отображает локально заряженные домены на поверхности образца

Электростатическая силовая микроскопия (EFM) серии XE отображает электрические свойства поверхности образца путем измерения электростатической силы между поверхностью и кантилевером АСМ под напряжением. В EFM прикладывается разность потенциалов между зондом и образцом при движении кантилевера над образцом, без соприкосновения с последним. Кантилевер отклоняется под действием электростатических сил заряженных зон поверхности образца, как показано на рисунке 1.

Изображение EFM содержит информацию об электрических свойствах, в том числе поверхностном потенциале и распределении заряда на поверхности образца. EFM отображает локальные электрически заряженные домены на поверхности образца также, как МFM сканирует магнитные домены на поверхности образца. Величина отклонения кантилевера, пропорциональная плотности заряда, измеряется с помощью стандартной консольно-колебательной системы. Поэтому EFM используется для исследования пространственного распределения зарядов на поверхности. Например, EFM способна отображать электростатические поля электронной цепи при включении и выключения питания. Этот метод получил название «зондирование напряжения» и является важнейшим инструментом для проверки микропроцессорных плат в микронном диапазоне.

Четыре разных режима EFM предлагаются в рамках методики изучения поверхностного потенциала АСМ серии XE. Среди них следует отметить: стандартный EFM, усовершенствованный EFM(расшир.), разработанный Park Systems динамический контактный EFM (DC-EFM) и сканирующий зонд методом Кельвина (SKPM). Усовершенствованный EFM серии XE дополнительно предлагает EFM(расшир.), DC-EFM и SKPM.

Принцип EFM

Рисунок 2. Схема измерения поверхностных свойств усовершенствованным XE.

Почти все поверхностные свойства, измеренные АСМ, описаны на рисунке 2. Измерения EFM выполняются по аналогичной процедуре. Для EFM поверхностными свойствами образца являются электрические свойства и сила взаимодействия – электростатическая сила между зондом и образцом под напряжением. Но помимо электростатической силы между зондом и образцом всегда присутствуют силы Ван Дер Вальса. Величина этих сил меняется в зависимости от дистанции между зондом и образцом, поэтому они используются для получения поверхностной топографии образца.

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.

Стандартный EFM

Рисунок 3. Схема (a) метода распределения силы электростатического взаимодействия и (b)

Работа стандартного EFM серии XE основана на двух принципах. Первый принцип – силы Ван Дер Вальса и электростатические силы имеют разные доминантные зоны действия. Силы Ван Дер Вальса пропорциональны дистанции 1/r6, а электростатические силы пропорциональны 1/r2. Поэтому если зонд приближается к образцу, силы Ван Дер Вальса будут доминировать, то есть усиливаться. При отводе зонда от поверхности образца указанные силы быстро ослабевают и увеличиваются электростатические силы. Другой принцип состоит в том, что топографическая линия – это траектория движения зонда на одинаковом расстоянии от поверхности образца, которая как раз и соответствует постоянной величине силы Ван Дер Вальса.

В методике распределения силы электростатического взаимодействия первое сканирование выполняется в области, в которой доминируют силы Сила Ван Дер Вальса – получается топографическое изображение. Затем зонд перемещается в зону, в которой доминирует электростатическая сила: сканируется EFM изображение, как показано на рисунке 3 (a).

В двухпроходной методике при первом проходе зонд сканирует поверхность как в неконтактном режиме (NC-AFM) для получения топографии образца (здесь доминируют силы Ван Дер Вальса). Во втором проходе дистанция «зонд-образец» увеличивается и смещенный зонд сканирует поверхность в зоне, в которой доминируют электростатические силы. Зонд выполняет сканирование при отключенном контуре обратной связи под напряжением, по «топографической траектории», которая была реализована при первом сканировании, как показано на рисунке 3(b). В этом случае дистанция «зонд-образец» поддерживается постоянной.

Топографическая траектория обеспечивает постоянную дистанцию между зондом и образцом, которая соответствует линии действия постоянной силы Ван Дер Вальса. Таким образом, на результирующий сигнал оказывает влияние только изменение электростатической силы. Поэтому на втором скане можно наблюдать EFM изображение без топографического 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.

Рисунок 4. Схема усовершенствованного EFM серии XE. Уникальные характеристики EFM запатентованы и предлагаются только компанией Park Systems

В усовершенствованном микроскопе EFM серии XE, схема которого представлена на рисунке 4, 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.

В усовершенствованном АСМ 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 каналов сигналов 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 ω, 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 ω,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.

EFM (расширенный)

Режим EFM (расшир.) представляет собой усовершенствованный EFM, который работает в неконтактом режиме. В EFM (расшир.) зонд сканирует поверхность образца и одновременно вибрирует с частотой f для получения неконтактного топографического изображения АСМ. В тоже время прикладывает переменное напряжение частотой ωк зонду через синхронный усилитель и постоянное напряжение от системы управления. В результате этого возникает сила между зондом и заряженной поверхностью. Благодаря применению внешнего синхронного усилителя сигнал, который связан с движением зонда под действием силы, можно выделить и проанализировать по постоянному току, частоте ω, удвоенной частоте 2ω, Сигнал частоты ω содержит информацию о поверхностном заряде, сигнал 2ω – о градиенте поверхностной емкости между зондом и образцом (dC/dz). Частота ω должна быть меньше, чем частота вибраций кантилевера f, чтобы оба сигнала не создавали помех друг другу.

Ключевыми преимуществами EFM (расшир.) являются следующие:

• Неинвазивный неконтактный АСМ
• Малая электрическая нагрузка за счет небольшой емкости
• Высокое пространственное разрешение
• Режим работы в окружающей среде
• Высокий диапазон напряжений (50 мВ – 1 мВ)
• Высокая частота измерения (DC ~ 100 ГГц)

(a)                                 (b)

Рисунок 5. (a) Топография и (b) фазное изображение EFM PZT пленки усовершенствованным ЕFM (расшир.)

Микроскопы, работающие в режиме электростатической силовой микроскопии: