專利名稱：一種測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于表面物理技術領域，具體地說，本發(fā)明涉及一種測量掃描探針顯 微鏡(Scanning Probe Microscope,縮寫為SPM)導電針尖特征電容C的新方法。
背景技術：
通過作用于導電針尖或樣品的偏壓可以測量針尖與樣品之間的長程靜電相 互作用力，可以用來探測樣品的表面電荷，表面電勢，鐵電材料的靜態(tài)、動態(tài)性 能，單根納米管的電輸運特性等等。金屬樣品的表面電荷或電介質偶極子極化分 布不僅僅與表面電勢有關，而且與針尖和樣品之間的電容有關。 一般的導電掃描 探針顯微鏡 (Conductive Scanning Probe Microscope,縮寫為CSPM)針尖是一 個不規(guī)則的金字塔型針尖，針尖和樣品之間的電容與針尖的形狀及針尖-樣品間 距有很大關系，對于一個特定的針尖，其特征電容就與針尖-樣品間距相關。導 電針尖的特征電容對于樣品的表面電荷分布、偶極子分布等的測量至關重要，所 以尋找一種簡單的方法測量針尖的特征電容對于電子學參量的定量、半定量化測 量具有非常重要的意義。到目前為止已經有一些報道是利用CSPM針尖與樣品 之間的電容C關系來研究樣品的性能，但是對于CSPM針尖特征電容的測定方 法的研究卻極少，而且都是在忽略樣品表面電荷對針尖作用力的基礎上，測定電 容二階導數C"與針尖-樣品間距的關系，然后積分兩次得到C與A之間的關系 (可參考Todd D. Krauss, Stephen O'Brien et al, J. Phys. Chem. B 2001,105, 1725, 及Todd D. Krauss, Louis E. Brus, Physical Review Letters 1999， 83,23, 4840)。這種 測量方法雖然比較簡單，但是需要積分兩次，引入了一個不確定的一次項，這樣 的不確定項使得針尖特征電容，即特定針尖的電容隨針尖樣品間距的關系中存在 多個不可知的系數以及常數項，造成測量結果的不確定性增加。發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種不需要進行兩次積分的測 量SPM導電針尖特征電容C的新方法。為實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電 容的方法，包括如下步驟上述技術方案中，所述步驟l)中，包括如下子步驟-11) 用掃描探針顯微鏡對樣品進行掃描，在主掃描過程中，反饋系統(tǒng)開啟， 每一條掃描線進行一次往復掃描，探測樣品表面形貌；12) 然后將針尖抬高一定的高度/z，將反饋系統(tǒng)關閉，對針尖施加臺階偏壓， 同時對樣品施加直流偏壓，沿主掃描軌跡重復做一次往復掃描；測量掃描過程中 驅動針尖振蕩的激勵交變信號和針尖實際振蕩信號之間的相位角差值A所述步驟2)中，首先繪出所述相位角差值-隨針尖-樣品電壓(^R)變化的 坐標圖，然后對該圖做線性擬合得到斜率A ;計算所述斜率A與施加在樣品上 的直流偏壓R的比值A/F,;所述步驟3)中，包括如下子步驟31) 將針尖抬高到另一高度，重復所述步驟12)、步驟2)，得出在該高度下32) 不斷重復步驟4)，得出一系列不同高度下的比值VF,;繪出A/R隨針尖 抬高高度A變化的坐標曲線；對所述曲線以公式W^ =^7二^。0 + //())。做擬 合，得出C'與/z的關系式；其中C'是針尖與樣品之間的電容對針尖抬高高度/2 的導數，//。為針尖電荷中心到針尖尖端的距離，A和Ao均為常數，"為針尖曲率半徑相關的指數因子；33) 對C'與A的關系式進行積分，得出C與力的關系式；其中C為針尖與樣 品之間的電容。上述技術方案中，所述步驟31)中，將針尖抬高到另一高度前，重新對樣 品進行一次主掃描，探測出樣品表面形貌。上述技術方案中，所述步驟12)中，所述相位角差值^通過掃描探針顯微 鏡系統(tǒng)自帶的鎖相裝置測出。上述技術方案中，所述步驟12)中，測量所述相位角差值0時，首先將激勵信號的相位角歸于零度，然后直接測量針尖實際振蕩信號的相位角得出所述相 位角差值^。上述技術方案中，所述步驟12)中，樣品上的直流偏壓通過SPM的偏壓通道或用外引線的方法施加。上述技術方案中，所述步驟12)中，對針尖施加的臺階偏壓遠小于對樣品表面施加電壓。本發(fā)明具有下述技術效果本發(fā)明為實現CSPM特征電容的測量，建立了簡單明晰的方程式，來描述導 電針尖受到的靜電相互作用力以及振動相位的變化與針尖偏壓、樣品偏壓之間的 關系；并在此關系式的基礎上，明確樣品表面帶有凈電荷或者對樣品施加偏壓時， 針尖受力的關系式。本發(fā)明基于該關系式的測量方法避免了對(T進行兩次積分 的計算過程，使得測量過程更加簡便，并且測量所得針尖電容與間距的關系更加 明確。對于樣品的表面電荷分布、偶極子分布等的測量以及和電容相關的電子學 參量的定量、半定量化測量具有非常重要的意義。該發(fā)明可以用于半導體工業(yè)中 器件的表面電荷，表面電勢，微區(qū)導電性等的測試，還可以用于器件的失效分析、 探測CMOS器件中氧化物薄膜中的局域積累電荷、定量分析器件中結界面的靜電勢分布等。


圖1是主掃描和抬高模式的抬高掃描過程示意圖；圖2是抬高模式下相位0隨針尖偏壓K,變化的三維圖；圖3是抬高模式下的相位-隨針尖偏壓K變化的截面圖；圖4是抬高模式下相位0隨針尖一樣品電壓(R-F,)變化關系曲線；圖5是A/R與針尖一樣品距離/Z之間的關系曲線；圖6是不同抬高距離下，相位0與針尖一樣品電壓(K-K)之間的關系曲線； 圖7是實施例中一次具體測量過程中VF,與針尖一樣品距離/z之間的關系曲線；圖8是測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的流程圖具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步地描述。 實施例1利用商品化的多模式掃描探針顯微鏡，在掃描過程中每一個掃描周期進行兩 次往復掃描。兩次掃描中， 一次是主掃描，在主掃描過程中，反饋系統(tǒng)開啟，探 測樣品表面形貌。另一次是抬高模式掃描，該掃描是在主掃描完成后，將針尖抬 高一定的高度A，將反饋系統(tǒng)關閉，沿主掃描軌跡重復做一次掃描。在進行抬高模式掃描時，對針尖施加臺階偏壓，同時通過SPM的偏壓通道或外引線的方法 對樣品施加直流偏壓，從而探測針尖與樣品之間的遠程靜電力。在抬高模式下， 利用商品化多模式SPM的多通道信號輸入輸出，測量鎖相裝置中輸出的相位^ 隨針尖-樣品電壓(R -K)的變化，其中的相位^是驅動針尖振蕩的激勵交變信號 和測量的針尖實際振蕩信號之間的相位角的差值，在實際測量中，首先將激勵信 號的相位角置于零度，所以測得的針尖實際振蕩信號的相位角0和相位差值相 等。掃描過程、相位^隨針尖偏壓R (設定電壓與OV電壓交替)的變化的三維 立體圖及截面圖分別如圖1，圖2和圖3所示。另外，由于在針尖偏壓F,設置為O時測得的相位不一定為O，因此在優(yōu)選實 施例中，為使的測量結果更加準確，還需要對所述相位0進行進一步修正，用對 針尖施加一定偏壓K時測得的相位減去針尖偏壓F,為0時的測得的相位，得到 最終的相位0。給樣品施加固定的偏壓，改變針尖的偏壓得到相位0隨針尖一樣品電壓(K,-K) 的變化關系，當R比K小的多時(如K,=20V， |。<5V)，相位^與針尖一樣品 電壓(R-R)表現為線性關系，如圖4所示。通過改變針尖-樣品間距，以測定不同間距A下相位0與針尖一樣品電壓的關 系，對圖4做線性擬合得到斜率b A正比于針尖特征電容的一階導數C'，同時 正比于K,，則以A/K,對抬高距離/d乍圖，可以獲得針尖特征電容的一階導數C'隨距離/ 的變化關系，如圖5所示。對圖5中的曲線以公式々/F、 = JC'= j。(力+(其中A和Ao均為常數)做擬合，積分可得C與距離/ 之間的關系式。這使得 針尖特征電容的測量過程更加簡便，并且測量所得針尖電容與間距的關系更加明 確。對于樣品的表面電荷分布、偶極子分布等的測量以及和電容相關的電子學參 量的定量、半定量化測量具有非常重要的意義，可以用于半導體工業(yè)中器件的表 面電荷，表面電勢，微區(qū)導電性等的測試，還可以用于器件的失效分析、探測 CMOS器件中氧化物薄膜中的局域積累電荷、定量分析器件中結界面的靜電勢分 布等。以下，用硅基片上真空蒸鍍100nm厚的金膜作為樣品，更加具體地說明本實 施例中的測量方法。在多模式掃描探針顯微鏡的抬高模式下，對樣品表面施加20v直流偏壓，在 小偏壓范圍內掃描針尖偏壓R，得到一系列高度下測量相位0與針尖一樣品電壓 (F,-F,)之間的關系，如圖6所示。計算不同高度下，相位0與針尖一樣品電壓(F,-R)的直線斜率A;，并將VR 對高度/d乍圖(如圖7所示)，獲得針尖電容C '與距離/z之間的關系式。對圖7中的曲線以公式^/^= ^^=4(6 + //。)"(其中A和Ao均為常數) 做擬合，得到C對A的一階導數與高度/2的關系式C'=-1.5 xl07x(h +2322)" 將C'對/z進行積分，得到針尖特征電容C與間距之間的關系式。C = U5xl06x(h + 2322) " 其中，Ai為常數，針尖電荷中心到針尖尖端的距離Ho為2322mn。為測量SPM導電針尖的特征電容，本發(fā)明中利用了一套關系式，用來描述在 對SPM導電針尖或樣品施加偏壓的作用下，導電針尖受到的作用力和針尖振動 的相位變化與樣品偏壓、針尖偏壓之間的關系。在抬高模式的掃描過程中，針尖受到兩方面的力由針尖與樣品表面之間的電容產生的作用力F^，和對樣品施加的偏壓或樣品帶有的凈電荷在針尖處產生的電場對針尖的作用力f;:針尖所受到的靜電力的總和， C:針尖與樣品之間的電容， C': C對針尖-樣品間距/z的一階導數， 針尖偏壓， 樣品偏壓，樣品帶的凈電荷在針尖處的電場強度。(2)g(X":與針尖幾何形狀有關的函數。 對于固定的針尖，可以認為gC^)是個固定值。由公式(1)和(2)得<formula>formula see original document page 9</formula> (3)由-od得到公式(4): 朋<formula>formula see original document page 9</formula> (4)F': F對針尖一樣品間距A的一階導數， C": C對針尖一樣品間距/2的二階導數。由公式(4)可知，相位^由(K,-F、)的二次項部分和一次項部分組成，在K,較小時，相位0與(K,-^)基本呈線性關系，當^固定時，^與(K,-Pg呈線性關 系。通過改變針尖-樣品間距，以測定不同間距/7下相位0與針尖一樣品電壓的關系，對圖4做線性擬合得到斜率^C'g(、)R，則以fc^產C'g(^)對抬高距離A作圖，并對曲線按照關系式(5)進行擬合，可以得到C'與距離/z的關系，積 分可得C與距離/ 之間的關系式(6):<formula>formula see original document page 9</formula> (5)/Z: Lift模式下抬高的掃描高度，Ho:針尖電荷中心到針尖尖端的距離，A1:比例與積分常數。
權利要求
1. 一種測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法，包括如下步驟1)對樣品施加直流偏壓，測定針尖振動的相位φ隨針尖-樣品電壓的變化關系；2)然后對相位隨針尖-樣品電壓變化的曲線進行線性擬合，得出直線斜率；3)最后，對一系列針尖-樣品間距下，測得的直線斜率與距離作圖，得到C′與距離h之間的關系，4)再積分得到特征電容C與h的關系。
2、按權利要求1所述的測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法，其 特征在于，所述步驟l)中，包括如下子步驟11) 用掃描探針顯微鏡對樣品進行掃描，在主掃描過程中，反饋系統(tǒng)開啟， 每一條掃描線進行一次往復掃描，探測樣品表面形貌；12) 然后將針尖抬高一定的高度/z，將反饋系統(tǒng)關閉，對針尖施加臺階偏壓， 同時對樣品施加直流偏壓，沿主掃描軌跡重復做一次往復掃描；測量掃描過程中 驅動針尖振蕩的激勵交變信號和針尖實際振蕩信號之間的相位角羞值0;所述步驟2)中，首先繪出所述相位角差值0隨針尖一樣品電壓(r,-R)變化 的坐標圖，然后對該圖做線性擬合得到斜率& ;計算所述斜率/t與施加在樣品 上的直流偏壓K的比值A/R;所述步驟3)中，包括如下子步驟31) 將針尖抬高到另一高度，重復所述步驟12)、步驟2)，得出在該高度下32) 不斷重復步驟4)，得出一系列不同高度下的比值VR;繪出A/R隨針尖 抬高高度A變化的坐標曲線；對所述曲線以公式A:/R =^^'=^(/ + //。)<1做擬 合，得出C'與A的關系式；其中C'是針尖與樣品之間的電容對針尖抬高高度A 的導數，仏為針尖電荷中心到針尖尖端的距離，A和Ao均為常數，"為針尖曲率半徑相關的指數因子；所述步驟4)對C'與/7的關系式進行積分，得出C與A的關系式；其中C針尖與樣品之間的電容。中，C'與A的關系式將特征電容C與A的關系。
3、 按權利要求2所述的測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法， 其特征在于，所述步驟31)中，將針尖抬高到另一高度前，重新對樣品進行一 次主掃描，探測出樣品表面形貌。
4、 按權利要求2所述的測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法， 其特征在于，所述步驟12)中，所述相位角差值0通過掃搖探針顯微鏡系統(tǒng)自 帶的鎖相裝置測出。
5、 按權利要求2所述的測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法， 其特征在于，所述步驟12)中，測量所述相位角差值0時，首先將激勵信號的 相位角置于零度，然后直接測量針尖實際振蕩信號的相位角得出所述相位角差值 0。
6、 按權利要求2所述的測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法，其 特征在于，所述步驟12)中，樣品上的直流偏壓通過SPM的偏壓通道或用外引 線的方法施加。
7、 按權利要求2所述的測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法，其 特征在于，所述步驟12)中，對針尖施加的臺階偏壓遠小于施加到樣品的直流 偏壓。全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量掃描探針顯微鏡導電針尖的特征電容的方法，包括如下步驟1)對樣品施加直流偏壓，測定針尖振動的相位φ隨針尖偏壓的變化關系；2)然后對相位隨針尖-樣品電壓變化的曲線進行線性擬合，得出直線斜率；3)最后，對一系列針尖-樣品間距下，測得的直線斜率與距離作圖，得到C′與距離h之間的關系；4)再積分得到特征電容C與h的關系。本發(fā)明的測量方法避免了對C″進行兩次積分的計算過程，使得測量過程更加簡便，并且測量所得針尖電容與間距的關系更加明確。對于樣品的表面電荷分布、偶極子分布等的測量以及和電容相關的電子學參量的定量、半定量化測量具有非常重要的意義。
文檔編號G01R27/26GK101281219SQ200710065240
公開日2008年10月8日 申請日期2007年4月6日 優(yōu)先權日2007年4月6日
發(fā)明者昊 嚴, 戚桂村, 楊延蓮, 琛 王 申請人:國家納米科學中心