Режим атомно-силовой микроскоп проводимости

Зондирование локальной электронной структуры поверхности образца

Несмотря на то, что измерения объемных свойств обеспечивают получение достаточно точной информации, необходимой для обработки материалов, современное развитие технологий выдвигает более жесткие требования к материалам и одного измерения объемных свойств становится недостаточно. Это, прежде всего, касается полупроводниковых приборов, солнечных элементов, приводов жестких дисков, размеры которых уменьшаются год от года. В этих случаях локальное измерение свойств может помочь в повышении точности измерения объемных свойств. АСМ играет важную роль в измерении свойств локальных поверхностей. С помощью АСМ проводимости можно одновременно измерять топографию и проводимость на поверхности образца с помощью зонда АСМ, которым является электрический датчик нанометрического диапазона.

Рисунок 1. Схема проводящего АСМ серии XE

Работа АСМ проводимости подобна сканирующей туннельной микроскопии (STM), в которой подводится напряжение смещения между зондом и образцом и измеряется туннельный ток между ними. Основным отличием двух режимов (АСМ проводимости и STM) является тип используемого зонда. В STM для этих целей применяется заостренный металлический провод/наконечник, а в АСМ проводимости – проводящий кантилевер. В АСМ проводимости для получения изображения проводящий кантилевер сканирует поверхность образца, непосредственно контактируя с ним, при этом получается топографическая карта поверхности. Одновременно с этим измеряется электрический ток между кантилевером и образцом (рисунок 1). Если топография поверхности получается после обработки сигнала отклонения кантилевера, то электрическая проводимость измеряется с помощью усилителя тока (рисунок 2). Так как электрический ток, проходящий через кантилевер, очень мал и может быть равен пикоамперу, усилитель тока выбирается с учетом необходимости в подавлении электрического шума в диапазоне фемтоампера.

Рисунок 2. Топография поверхности схемы памяти DRAM (слева) и изображение АСМ проводимости (справа) получаются одновременно. Контраст изображения АСМ проводимости указывает на различие электрических свойств заряженных точек (размер скана: 3 мкм × 3 мкм)

Для достижения низкого уровня электрического шума применяется АСМ проводимости, в котором Park Systems применяет усилители тока. В нем применяются три режима, которые получили свое название  по токовому усилителю. Это: «внутренний АСМ проводимости», «переменный улучшенный АСМ (VECA) проводимости» и «малошумный АСМ (ULCA) проводимости». Внутренний АСМ проводимости использует встроенный усилитель и измеряет образцы током до 10мкA при уровне шума в 1пA. VECA с переменной настройкой коэффициента усиления, используется в широком диапазоне проводимости до 10мкA и с уровнем шума 0,3пA[1]  (рисунок 3). ULCA, благодаря своей сверхмалошумной конструкции, обеспечивает шум менее 0,1пA и эффективен для сканирования диэлектриков.

Рисунок 3. Данные сканирования интегральной схемы получены с помощью VECA. Широкий динамический диапазон VECA позволяет сканировать зоны с высокой проводимостью и диэлектрические зоны. Изображение справа представляет собой увеличенный масштаб средней части левого скана.

Для детальных исследований свойств образца АСМ проводимости можно использовать для измерения соотношения «I-V» поверхности образца. Поскольку контактный размер зонда кантилевера АСМ может не превышать нескольких нанометров, локальная вариация электрический свойств, которую нельзя увидеть на макроскопическом уровне, становится заметной на кривой «I-V» (рисунок 4).

Рисунок 4. Данные по силициду никеля на нитрид кремниевой подложке, полученные АСМ проводимости (слева). Две кривые «I-V» (справа) измеряются в маркированных положениях, которые отмечены на изображении АСМ проводимости слева.

Характеристики

^[1] Уровень шума VECA при усилении 109 В/A. Уровень шума меняется в зависимости от усиления.
^[2] Максимальный ток VECA при усилении 103 В/A. Максимальный ток снижается в зависимости от усиления.

Микроскопы, работающие в режиме атомно-силовой микроскопии проводимости: