Преимущества высокого вакуума для электрической атомно-силовой микроскопии на примере NX-Hivac

ИЮЛ202020

Атомно-силовой микроскоп модели NX-Hivac компании Park Systems позволяет инженерам и исследователям по анализу отказов электронных компонентов и устройств повысить чувствительность и разрешение своих измерений с помощью различных видов электрической сканирующей микроскопии, среди которых хорошо зарекомендовавшие себя режимы сканирующей микроскопии с сопротивлением растекания (SSRM) и проводящей атомно-силовой микроскопии (C-AFM) в высоком вакууме. И поскольку сканирование в условиях высокого вакуума обеспечивает большую точность и лучшую воспроизводимость измерений, чем в условиях окружающей среды или при продувке сухим азотом, пользователи могут измерять более широкий диапазон концентрации легирующей примеси и отклик сигнала в применениях для анализа отказов.

Сканирующая микроскопия с сопротивлением растекания в высоком вакууме

Данный режим атомно-силового микроскопа NX-Hivac позволяет проводить двумерное профилирование носителей заряда в устройствах следующего поколения и одновременно получать АСМ изображения с высоким пространственным разрешением. Измерения, проводимые в условиях высокого вакуума, отличаются гораздо более высокой точностью и разрешением по сравнению с измерениями, проводимыми в условиях окружающей среды. Благодаря очень высокой чувствительности и быстроте отклика к токовому сигналу, SSRM режим также обеспечивает высокую воспроизводимость измерений, являясь инструментом высокого уровня для анализа неисправностей полупроводниковых устройств.

В дополнение, интеграция нового рабочего режима под названием PinPoint с SSRM позволяет одновременно получать данные о топографии, электрических и механических свойствах. Кроме того, сканирование методом «подвода-отвода» кантилевера значительно снижает трение и износ зонда по сравнению со стандартной SSRM.

Таким образом, SSRM режим обеспечивает:

• более высокую чувствительность и разрешение в высоком вакууме по сравнению со сканированием на воздухе
• более высокую точность и воспроизводимость измерений
• возможность получения нескольких свойств одновременно (электрические, механические, топография)
• более длительный срок службы кантилевера и уменьшенное повреждение образца при работе в режиме PinPoint
• получение изображения без составляющей трения при работе в режиме PinPoint

Рис. 1. Сравнение SSRM изображений при измерении в вакууме и на открытом воздухе: в вакууме наблюдается более высокое значение тока благодаря лучшему контакту «кантилевер-образец».

Рис. 2. SSRM изображения по измерению топографии и сопротивления электрода литий-ионной батареи.

Проводящая атомно-силовая микроскопия в высоком вакууме

Данный режим атомно-силового микроскопа NX-Hivac позволяет значительно улучшить анализ материалов. C-AFM одновременно измеряет топографию и электрические свойства (проводимость) образцов, используя кантилевер в качестве электрического зонда в нанометровом масштабе. Более конкретно, АСМ контролирует ток, протекающий между проводящим кантилевером и образцом, когда прикладывается напряжение смещения. В то же время АСМ фиксирует отклонение кантилевера при сканировании острия вдоль поверхности образца, что приводит к получению трехмерного топографического изображения. Измерения могут выполняться в контактном режиме, полуконтактном режиме или в режиме PinPoint. Последний работает по методу «подвода-отвода» кантилевера, обеспечивая работу без трения для устранения ее боковой составляющей, вызванной непрерывным контактом острия с образцом во время движения сканера.

Выполнение измерений в режиме C-AFM в условиях высокого вакуума значительно улучшает качество изображения. В частности, измеряемый ток увеличивается на три порядка по сравнению с измерениями, проводимыми в условиях окружающей среды, а также характеризуется высокой однородностью данных. Получаемые карты тока, сделанные в вакууме, также отображают значительно больше деталей, чем аналогичные, полученные на воздухе.

Таким образом, C-AFM режим обеспечивает:

• получение высококачественных данных для топографии и токовых измерений
• однородный и более высокий токовый сигнал при сканировании в высоком вакууме по сравнению со сканированием на воздухе
• получение изображения с высоким разрешением благодаря устранению силы трения при работе в режиме PinPoint
• точное отображение вариаций тока на поверхности благодаря возможности контролировать силу и время контакта при выполнении измерений в режиме PinPoint

Рис. 3. C-AFM анализ многослойного образца MoS₂, показывающий увеличение уровня тока и чувствительности в условиях высокого вакуума. Топографическое (a) и токовое (b) изображения, полученные в воздухе при напряжении смещения 5 В. Топографическое (c) и токовое (d) изображения, полученные в условиях высокого вакуума сразу же после откачки при напряжении смещения 0.5 В. Измерения в воздухе и вакууме производились при одинаковых параметрах: использовался один и тот же кантилевер с коэффициентом жесткости k = 7 Н/м; прижимающая сила касания в точке контакта 10 нН; скорость сканирования 1 Гц; масштабная шкала 500 нм.

Рис. 4. 3D-наложение карты тока на топографию поверхности образца MoS₂, полученные в условиях высокого вакуума.

Подробные характеристики
Высоковакуумного атомно-силового микроскопа Park NX-Hivac