Исследование улучшенного обнаружения поверхностного потенциала с помощью FM-KPFM

НОЯ142019

Кельвин-зондовая силовая микроскопия (KPFM) – это метод, используемый для измерения работы выхода и локального распределения электрического потенциала различных материалов на уровне наномасштабов. Наиболее частое использование данного метода приходится на изучение электрических свойств полупроводниковых наноструктур и поверхностей. Основная задача – это профилирование электрического потенциала компонентов, представляющих собой положительно и отрицательно заряженные области. В некоторых случаях такие измерения могут быть выполнены с нанометровым горизонтальным разрешением. Внедрение такого метода для раскрытия изменений распределения заряда, происходящих на наноуровне, может помочь лучше понять и улучшить производительность КМОП-полупроводниковых приборов [1, 2]. Также KPFM играет важную роль в получении характеристик и определении количественной физической информации, такой как общее распределение заряда и положение заряда в полимерных материалах [3, 4].

Существуют также и другие инструментарии для измерения работы выхода и поверхностного потенциала, такие как измерение тока, индуцированного электронным пучком (EBIC), растровая электронная микроскопия (SEM) и фотоэлектронная спектроскопия (PES). Однако некоторые из этих методов применимы только для неорганических типов полупроводников, другие являются разрушающими и работают только при высоком вакууме, а третьи не обеспечивают необходимого пространственного разрешения. По сравнению с другими методами, KPFM представляет собой неразрушающий метод и работает в условиях нормальной окружающей среды, однозначно являясь одним из самых простых в использовании нанометрологических инструментов для анализа электрических отказов, доступных на мировом рынке на сегодняшний день [5].

Стандартная KPFM технология (также известная как  Кельвин-зондовая силовая микроскопия с модуляцией по амплитуде (AM-KPFM)) уже внесла значительный вклад в поддержание надежности устройств и анализ передовых материалов по сравнению с другими измерительными методами. Однако имеется возможность улучшения обнаружительной способности AM-KPFM за счет оптимизации отношения сигнал/шум, что позволяет проводить анализ более слабых поверхностных потенциалов и отображать их с более высокой точностью и разрешением. С этой целью компания Park Systems недавно разработала методику частотной модуляции для Кельвин-зондовой силовой микроскопии (FM-KPFM) с использованием атомно-силовых микроскопов. Данный метод улучшает анализ электрических характеристик, позволяя проводить измерения с более высокой чувствительностью по сравнению с AM-KPFM.

В данной статье описано измерение полимерного материала для сравнения производительности AM-KPFM и FM-KPFM методов. Результаты, полученные в ходе эксперимента, показали, что FM-KPFM является гораздо более чувствительной, чем AM-KPFM, как при измерении работы выхода, так и при анализе распределения поверхностного потенциала различных материалов.

Эксперимент

В данном эксперименте исследовался полимерный структурированный массив, нанесенный на кремниевую подложку, с помощью атомно-силового микроскопа модели NX10 компании Park Systems. Было произведено два отдельных сканирования для измерений методами AM-KPFM и FM-KPFM. Параметры сканирования и рабочий кантилевер были идентичными при обоих измерениях. Использовался проводящий кантилевер модели NSC36Cr-Au компании Mikromasch (номинальный коэффициент жесткости k = 1 Н/м; резонансная частота f = 90 кГц).

В режиме KPFM имеют место два типа сил взаимодействия между образцом и кантилевером, с приложенным к нему напряжением смещения переменным током: электростатическая сила и сила межатомного взаимодействия (силы Ван-дер-Ваальса). Силы Ван-дер-Ваальса используются для получения топографии поверхности образца, тогда как электростатическая сила между кантилевером и образцом позволяет исследовать электрические свойства. В сигнале, получаемом при отклонении кантилевера во время сканирования, содержатся сигналы об обеих силах – метод, который позволяет полностью разделить эти сигналы, является ключевым для успешной визуализации. В АСМ NX10 синхронные усилители, встроенные в модуль управляющей электроники, используются как раз для разделения подобных сигналов – это позволяет одновременно получать данные о топографии и электрических свойствах. Обычно используется два синхронных усилителя – lock-in 1 и lock-in 2. Lock-in 1 усилитель собирает данные о топографии путем анализа движения кантилевера, вызванного силами Ван-дер-Ваальса, тогда как lock-in 2 усилитель собирает электрическую информацию путем анализа частоты колебаний приложенного напряжения смещения переменным током, которое, в свою очередь, генерирует электростатическое взаимодействие с образцом. Частота прикладываемого напряжения смещения выбирается достаточно малой (5 – 20 кГц) по сравнению с частотой колебаний кантилевера (70 – 330 кГц), поэтому два регистрируемых сигнала не влияют друг на друга. В FM-KPFM установке [6] фазовый сигнал усилителя lock-in 1 переносится на усилитель lock-in 2, чтобы служить источником для работы EFM, путем подключения BNC кабеля между выходом Aux 2 out и входом Aux 1 in (см. рис. 1). Кроме того, к кантилеверу дополнительно было приложено напряжение смещения постоянным током и контролировалось для создания механизма обратной связи, необходимого для обнуления электрических колебаний между кантилевером и образцом, вызываемых приложением переменного тока. Величина данного смещающего напряжения постоянного тока и считалась мерой поверхностного потенциала.

Рис. 1. Диаграмма FM-KPFM.

Результаты и выводы

Топографические данные, полученные в ходе эксперимента, показывают, что полимерный структурированный массив с квадратно-образной структурой был успешно нанесен на кремниевую подложку, но никаких данных о поверхностном потенциале полученное изображение не несет. AM-KPFM и FM-KPFM изображения, наоборот, отображают информацию о распределении потенциала по поверхности, но не отображают никаких топографических данных. Форма доменных структур, наблюдаемых на KPFM изображениях, схожа с физической структурой массива на топографическом изображении, которая и представляет собой структурированный массив, состоящий из квадратных областей. Все данные, полученные в ходе эксперимента, были обработаны с помощью программы XEI компании Park Systems, которая позволяет транслировать полученные данные в изображения. На рисунке 2 представлены изображения топографии (слева), FM-KPFM (посередине) и AM-KPFM (справа). Данные о топографии могут быть получены одновременно с данными KPFM. В данном случае изображение топографии было получено одновременно с AM-KPFM изображением. Топографическое изображение показывает четкую и хорошо упорядоченную структурную решетку нанесенного полимера. Здесь квадратные доменные структуры отображены в виде более светлых областей, что говорит об их большей высоте, тогда как плоские области темного цвета отображают зоны с низкой высотой. Измеренное значение перепада между максимумом и минимумом топографической структуры составило порядка 150 нм. С другой стороны, оба KPFM изображения отображают массив с наличием дефекта (отмечен красной стрелкой). Здесь квадратные доменные структуры отображены в виде более темных областей, что говорит об их относительно низком поверхностном потенциале, тогда как плоские области светлого цвета отображают зоны высокого потенциала. Сравнивая AM-KPFM и FM-KPFM изображения, легко можно заметить, что FM-KPFM метод имеет более высокую чувствительность регистрации поверхностного потенциала, чем AM-KPFM метод. В данном эксперименте доменные структуры на FM-KPFM изображении отображены с более четкими границами. Кроме того, данный метод смог зарегистрировать слабый поверхностный потенциал с области дефекта, тогда как AM-KPFM метод вообще не увидел никаких изменений.

Рис. 2. Изображение области 10×10 мкм полимерного структурированного массива. Изображения топографии (слева), FM-KPFM (посередине) и AM-KPFM (справа).

На рис. 3 представлен профиль распределения поверхностного потенциала (снизу) вдоль линии сечения. Линия сечения для FM-KPFM отображена красным цветом, а для AM-KPFM – зеленым цветом. Профиль линии для FM-KPFM изображения четко показывает, что в области дефекта есть слабое уменьшение потенциала (выделено красным), но не такое сильное, как для других доменных структур. Профиль же линии для AM-KPFM изображения вообще не показывает никаких изменений в потенциале для дефектной области. Таким образом, сравнивая эти два метода Кельвин-зондовой силовой микроскопии, можно сделать вывод, что FM-KPFM метод с частотной модуляцией как минимум на один порядок величины чувствительнее стандартного AM-KPFM метода с амплитудной модуляцией.

Рис. 3. FM-KPFM изображение (вверху слева) и AM-KPFM изображение (вверху справа), а также профиль линии распределения потенциала (снизу) вдоль соответствующей линии сечения.

Заключение

Полимерный структурированный массив был успешно исследован с помощью атомно-силового микроскопа NX10 компании Park Systems с использованием FM-KPFM и AM-KPFM методов. Топографическое изображение показало, что поверхность образца представляет собой доменный структурированный массив, состоящий из квадратных областей. На обоих KPFM изображениях была видно область с дефектом: FM-KPFM метод показал, что данная область обладает слабым поверхностным потенциалом, тогда как AM-KPFM метод не был достаточно чувствительным для регистрации такого слабого сигнала в той же области. Анализируя полученные результаты, можно утверждать, что FM-KPFM метод с частотной модуляцией как минимум на один порядок величины чувствительнее стандартного AM-KPFM метода с амплитудной модуляцией и является более пригодным для регистрации перепадов распределения поверхностного потенциала различных полупроводниковых материалов и устройств. Кроме того, повышенная чувствительность данного метода увеличивает шансы регистрации даже незначительных дефектов, отображая их с большей точностью и разрешением.

Подробные характеристики сканирующего атомно-силового микроскопа Park NX10

Ссылки

1. LanFei (2018) FUNDAMENTALS OF KELVIN PROBE FORCE MICROSCOPY AND ITS APPLICATIONS IN THE CHARACTERIZATION OF SOLAR CELLS. Doctoral Dissertation, University of Pittsburgh.
2. J.Pineda, et al., Electrical Characterization of Semiconductor Device Using SCM and KPFM Imaging.
3. J. Gonzalez, et al., Charge distribution from KPFM images, PCCP, Issue 40, 2017.
4. M. Ortuño, et al., Conducting polymers as electron glasses: surface charge domains and slow relaxation, Scientific Reports volume 6, Article number: 21647 (2016).
5. W. Melitz, et al., Kelvin probe force microscopy and its application, Surface Science Reports 66 (2011) 1–27.
6. Charles Kim, et al., How to Measure FM-KPFM, Park Systems.