静电力显微镜.pdf

第20卷第3期
电子显微学报
Vol-20, No
2001年6月
Journal of Chinese Electron Mlicroscopy Society
2001-6
文章编号:10006281(2001)030232-06
扫描静电力显微镜及其电荷捕获/释放技术
王志勇,张鸿海,鲍剑斌,郭文明,汪学方
(华中科投大学机械科学与に程学院,武汉430074
摘要:介绍扫描静电力显微测量及用其实现电荷捕获释放的技术现状、发展动向,以及关键技术的
些最新成粜。前名已被广泛应用于测量半导体表面电荷密度分布、表丽电勢以及铁电材料铁电体
结构的研究中;后岩可塑川于研制速度和存贮容量都比现在提高成千上万倍的量子器件。最后,本文
探讨了基于微品振的静电力显微测量的关键技术及其解決方築。
关键词:打描探针显微镜:打描力显微镜:静电力显微镜:电荷存储
中图分类号:T16,TN492文献标识码:A
扫描静电力显微测量技术及其应用
IBM公司瑞士苏黎世实验室的 G Binning等人研制成功的扪描隧道显微镜( Scanning Tunneling
Microscope,STM),使人类第一次实时的观察单个原子在物质表而的排列状念和与表而电子行为
竹关的物理化学性质。?此,建立在0.1?100m尺度:的纳米科技得到了迅速发展。在SIM
某础上发展起来的扫描探针显微鏡( Scanning Probe Microscope,SPM)家族,近年来已发展为成熟
的具有原子级分辨的表而微观形貌测量工具,不仪可用来测量导体,面且可用」绝缘体,为人
类提供了一和认识微观世界有效工具
(1)可使用静电力显微侻( Eleclroslalic Force Microscope,FM)来测暈样品局部电特性,如表而电
势、表而电荷以及铁电材料掺杂结构2。已经应用于微电子元器件、超大规模集成电路、微电子
机械系统以及納米材料的微观电特性的研究。例如,利用高灵敏度的静电力配微镜测了Si,N4
的表面离子的移动以及其空问分布。表面流动电荷的运动是影响半导体元件和C系统性能
不稳定的主要原,?此使用EM对这种电荷成像,尤其在其它方法观察不能确定时为元件的
设计提供了非常有益的信思,而HEFM使用的纳米级探针可获得更高的分辨率
(2)可用于研究电荷的捕捉/释放技术。1997午,科学家首次成功的用单电子移动单电了,利用这
种技术可望获得速度和存贮容量都比现在提高成千上万倍的量子让算机。其中关键技术为单电
荷的操作技术,将电了作为波动处理的納米电了学将使量子元件代替微电了元器件,这种量了器
件具有超高速、超容量、超微型、低功耗的特点。例如,有人利用扫描电容显微镜( Scannin
Capacitance Microscope,SCM)米研究SiO2/Si材料的电荷捕获/释放现象中。与表面电荷测量样
SCM能够实现局部电荷捕捉/释放,在实现超高密度存储技术中有巨大潜能
扫描静电力显微测量技术的发展
1.扫描静电力微测量原理与成像方式
①EYM的工作原理
现有的FFM与SCM都是在基」微悬臂的原子カ配微镜( Atomic Force Microscope,AM)的基
础出上开发的。即在悬臂针尖与样品之间施加可调交流电压信号,二者之间产生静电力,由」样品
收稿日期:2001-01-08:修订H期:2001-03-20
第3期
干志勇等:扫描静电力显微镜及其也荷捕/释放技术
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表而电荷的影响,静电力发生变化,将改变微
悬的振动特性,間定在微悬上的做小反
肘镜收变了光路,川激光干涉测微仪可以获
臂什尖
得这种微小变化。EFM的基本原理如图1所
②静电力显微镜成像方式
扫描路径
静化力显微镜成像方式有两种:电场梯
度成像和表面电势成像。电场梯度成像技术
压
相对简单,测量的是样品电场变化。样品?
以是导体、绝缘体或半导体。但因为表面形
图1EFM的下作原理
貌与电场梯度混合在一起,对」表而形貎特
Fi
Prunciple of EFM
征变化大的样品,很难获得真实的样品表面电场信思。表面电势成像测量的是样品表面的有效
电压,即测量过程中调节针尖电压,使针尖与样品之问的静电力最小(此时,针尖与样品上的电压
相等),通过针尖所加电压获得样品表面电势信息
由于静电作用属于长程作用力,因此利用静也力显微镜研究样品也特性采用 Liftmode模式
测量,以减小表而形貌的影啊。一条扫描线都进行两次扫描:首先,形貌测量是采用轻敲模
式获得;然后针尖捉起一定高度第二次扫描,扫描过程中保持针尖与样品间逝恒定来获得电性
质。这种测量方式虽然将样品形貌特征与电场悌度分离开米,但在纳米级测量中,出于二次定位
产生的误差(非线性误差)会严重影啊测量结粜,从面很难获得真实的图像信息。
因此,利用静电力显微鏡一次扫描同时测量样品表面形貌和样品表而电性质的技术受到了
厂泛的重视。1990年, B D Terri等人利用FFM测量了绝缘体表面的局部电荷,并有效的降低了
表面形貌对测量结粜的影啊?。同时, F Saurenback等人在此基础上利用EM观察了铁电-铁弹
材料Cd(Mo0)的掺杂结构,获得了铁电体的结构图像。1991年, JM R Weaver等人在大气条
件ド测量了半导体器件(运算放大器)局部表面电势,分漭率达到纳米级(50m)8
2.ERM的三种测量模式(图2)
①接触模式下的EEM
在接触模式ド,针尖-样品间的相作用力是两者相接触的原子中也子间存在的库仑排斥力
以及针犬与样品产生的静电力,但由于接触模式下原子カ占主要作用,可以控制针尖与样品问原子
力恒定测量样品表面形貌。同时,在针尖与样品之间施加交流可调电压信号,微悬臂开始受迫振
动,也就是说,探针在接触模式下仍然在小振幅振动。由」这种振动信号可以测量,因此即使在很
≥
寝式
‖接式
轻敲模式
图2EFM三种扫描模式的成像比较。
Fig 2 Three EEM scanning modes of imaging