專利名稱:采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料測試技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置以及方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工業(yè)和納米技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成器件的結(jié)構(gòu)尺寸越來越小，而構(gòu)成器件的各種材料間的異質(zhì)界面的電學(xué)性質(zhì)越發(fā)成為影響器件性能的關(guān)鍵。這對測試分析方法和裝置也提出了更高的要求。自1982年掃描隧道顯微鏡發(fā)明以來，它及相應(yīng)的掃描隧道譜技術(shù)逐漸成為納米尺度上研究樣品局域電學(xué)性質(zhì)的有效手段，近年來得到迅速發(fā)展。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的彈道電子發(fā)射顯微術(shù)(Ballistic Electron Emission Microscopy,BEEM)逐漸成為研究近表面的異質(zhì)界面的有效手段。
附圖I所示是采用掃描隧道顯微鏡測量樣品界面勢壘裝置的基本結(jié)構(gòu)，包括探針
10、電源13、第一電流計(jì)11、第二電流計(jì)12以及樣品19，樣品19進(jìn)一步包括襯底191和表面的薄膜層192。電源13探針10和樣品19相互串聯(lián)組成了第一電學(xué)回路，第一電流計(jì)11用于測量此回路中的電流；襯底191接地，并和表面的薄膜層192組成第二電學(xué)回路，第二電流計(jì)12用于測量此回路中的電流，該電流來自于探針13發(fā)射的彈道輸運(yùn)到襯底191和薄膜層192中的熱電子。
具體地說，與電源13連接的探針10在針尖和樣品19間的偏壓VTip的作用下，熱電子從探針10的金屬針尖注入到樣品表面形成隧道電流ITip。這些熱電子在樣品19的薄膜層192的最表面一層中，大部分通過碰撞和散射，沿著薄膜層192平面?zhèn)鞑ゲ⒈皇占?，形成主要的微區(qū)電流，第一電流計(jì)11用于測量此電流，通常是納安培量程的。此外還有一小部分電子，在薄膜層192中沒有經(jīng)過任何碰撞散射而彈道輸運(yùn)到薄膜層192和襯底191的界面，如果具有足夠高的能量，就有可能越過界面勢壘進(jìn)入襯底191，被連接在襯底191上的另一個(gè)電極接收，這部分電流就稱為彈道發(fā)射電流IBEEM，第二電流計(jì)12用于測量此電流，通常是皮安培量程的。而反之，如果這部分電子的能量低而不足以克服界面勢壘時(shí)，在襯底就無法形成彈道電流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對界面勢壘％更加精確的估算可從下面公式中擬合出
^ BEEM r^c (e^tip ~^b)
因此，在BEEM中，通過針尖樣品間偏壓與彈道電流關(guān)系的測量，可在掃描樣品形貌像的同時(shí)，獲得隱埋在表面以下的界面的勢壘高度等性質(zhì)。
然而，上述彈道電子發(fā)射顯微方法的局限性在于既使用針尖樣品間的隧道電流作為針尖樣品間距離調(diào)控的手段，同時(shí)又使用這個(gè)電流作為分析表面和界面電學(xué)性質(zhì)的手段。這使得第一，它只能適用用于表面處處都導(dǎo)電的樣品，而當(dāng)樣品表面具有納米結(jié)構(gòu)，在同一偏壓下部分區(qū)域?qū)щ娦院?、部分區(qū)域?qū)щ娦圆畹臉悠罚鼰o法在樣品表面穩(wěn)定地成形貌像和探測分析局域電學(xué)性質(zhì)。第二，它在采集針尖樣品間電流-電壓特性的時(shí)候，必然要切斷通過探測針尖樣品間隧道電流來控制針尖樣品間距離恒定的反饋回路，從而對整個(gè)測量裝置的機(jī)械穩(wěn)定性提出了極高的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種采 用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置以及方法，能夠克服現(xiàn)有技術(shù)中的上述諸多缺陷。
為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置，包括導(dǎo)電原子力探針、電源、探針控制器、第一電流計(jì)、第二電流計(jì)、樣品臺以及樣品；樣品置于樣品臺上，樣品內(nèi)部包括一界面；電源、導(dǎo)電原子力探針和樣品相互串聯(lián)組成了第一電學(xué)回路，第一電流計(jì)測量此第一電學(xué)回路中的電流；樣品下表面和樣品上表面通過外接導(dǎo)線組成第二電學(xué)回路，第二電流計(jì)用于測量此第二電學(xué)回路中的電流，探針控制器與導(dǎo)電原子力探針以及樣品連接，用于捕捉導(dǎo)電原子力探針與樣品之間的力學(xué)信號。
作為可選的技術(shù)方案，樣品進(jìn)一步包括襯底和薄膜層，所述樣品中的界面為襯底和薄膜層的界面。
一種采用上述裝置測量原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的方法，包括如下步驟將樣品固定于原子力顯微鏡的樣品臺上；從樣品表面的薄膜層和襯底分別引出導(dǎo)電引線，這兩個(gè)引線分別連接到第一電流計(jì)和第二電流計(jì)；采用探針控制器控制導(dǎo)電原子力顯微鏡的導(dǎo)電原子力探針以接觸模式工作；在導(dǎo)電原子力探針的針尖和樣品間加直流電壓，第一電流計(jì)和第二電流計(jì)分別記錄樣品上表面和下表面電流信號；改變直流電壓的大小和方向，記錄針尖附近局域的電流-電壓譜線，以其中彈道發(fā)射電流1_ 與直流電壓的關(guān)系擬合出該點(diǎn)的界面勢壘；通過在表面移動(dòng)探針針尖，逐點(diǎn)進(jìn)行上述測量，來表征界面勢壘在在空間上的分布。
作為可選的技術(shù)方案，通過探測針尖與樣品間力的相互作用維持針尖與樣品間的距離不變。
作為可選的技術(shù)方案，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換卡將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用了原子力顯微鏡代替現(xiàn)有技術(shù)中的掃描隧道電子顯微鏡作為探針，原子力顯微鏡以針尖和樣品間的力學(xué)相互作用為控制針尖樣品間距離的反饋信號。而使用金屬探針的原子力顯微鏡，在針尖樣品間加以一定的電壓，就可以分別探測樣品表面薄膜層和襯底上收集到的電流，也能如上述彈道電子發(fā)射顯微術(shù)一樣實(shí)現(xiàn)對樣品界面勢壘的分析。它控制針尖樣品間距離和探測分析局域電學(xué)性質(zhì)使用不同的物理信號，既能在不切斷針尖樣品間距離反饋控制的情況下采集局域電學(xué)信息，同時(shí)又能在部分區(qū)域?qū)щ姷臉悠繁砻娣€(wěn)定工作，從而突破以掃描隧道顯微鏡技術(shù)為基礎(chǔ)的界面勢魚分析方法的局限。


附圖I所示是現(xiàn)有技術(shù)采用掃描隧道顯微鏡測量樣品界面勢壘裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2所示是本發(fā)明采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖3所示是本發(fā)明采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘方法的實(shí)施步驟示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的采 用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置以及方法的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明。
附圖2所示是采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘裝置的基本結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)電原子力探針20、電源13、探針控制器21、第一電流計(jì)11、第二電流計(jì)12、樣品臺14以及樣品19，樣品19進(jìn)一步包括襯底191和表面的薄膜層192。
電源13、導(dǎo)電原子力探針20和樣品19相互串聯(lián)組成了第一電學(xué)回路，第一電流計(jì)11用于測量此回路中的電流；襯底191接地，并和表面的薄膜層192組成第二電學(xué)回路，第二電流計(jì)12用于測量此回路中的電流，該電流來自于導(dǎo)電原子力探針20發(fā)射的彈道輸運(yùn)到襯底191和薄膜層192中的熱電子。探針控制器21與導(dǎo)電原子力探針20以及樣品19連接，用于捕捉導(dǎo)電原子力探針20與樣品19的力學(xué)信號，以控制導(dǎo)電原子力探針20與樣品19的間距。
附圖3所示是采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘方法的實(shí)施步驟示意圖。
步驟S20，將樣品19固定于原子力顯微鏡的樣品臺14。
步驟S21，在樣品19表面的薄膜層192和襯底191分別引出導(dǎo)電引線，這兩個(gè)引線各連接到第一電流計(jì)11和第二電流計(jì)12。
步驟S22，采用探針控制器21控制導(dǎo)電原子力顯微鏡的導(dǎo)電原子力探針20以接觸模式工作，通過探測針尖與樣品19間力的相互作用維持針尖與樣品19間的距離不變。
所謂接觸模式就是針尖不振動(dòng)，當(dāng)針尖接觸樣品表面時(shí)，針尖樣品間力的作用會(huì)使得原子力顯微鏡(AFM)探針的懸臂彎曲。通過探測懸臂彎曲的程度探知針尖樣品間力的作用，通過反饋回路維持這個(gè)力的恒定，從而保持針尖樣品間距的恒定。而對于現(xiàn)有技術(shù)中采用隧道掃描電子顯微鏡(STM)的情況，針尖靠近樣品足夠近時(shí)，在針尖樣品間偏壓的作用下會(huì)有電流產(chǎn)生，這個(gè)電流和針尖樣品間距離相關(guān)，通過維持這個(gè)電流的恒定來維持針尖樣品間距離的恒定。因此，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)之間區(qū)別在于STM必須在處處導(dǎo)電的樣品表面才能穩(wěn)定的掃描成形貌像，在不導(dǎo)電的區(qū)域就不能維持針尖樣品間距離由于借助力學(xué)反饋，不管樣品表面是不是處處導(dǎo)電，都能穩(wěn)定的掃描形貌像。此外，在STM中，正是由于電流既作為電學(xué)探測信號，又作為維持針尖樣品間距離的反饋信號，在采集電流譜時(shí)必然暫時(shí)切斷反饋回路，而在掃描形貌的時(shí)候則不能采集電流譜。
步驟S23，在導(dǎo)電原子力探針20的針尖和樣品間加直流電壓，兩個(gè)電流計(jì)——第一電流計(jì)11和第二電流計(jì)12分別將薄膜層和襯底收集到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換卡(未圖示)由控制電腦采集并記錄。當(dāng)導(dǎo)電原子力探針20的針尖與樣品19間偏壓增大到一個(gè)閾值電壓使得表征襯底19的第二電流計(jì)12中出現(xiàn)明顯的電流時(shí)，這個(gè)閾值電壓就與針尖下方薄膜與襯底間的局域界面勢壘相當(dāng)。
步驟S24，通過在表面移動(dòng)探針針尖，逐點(diǎn)進(jìn)行上述步驟S23的測量，將各點(diǎn)測得的界面勢壘形成二維圖像，用以表征界面勢壘在在空間上的分布。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍?！?br>權(quán)利要求
1.一種采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置，其特征在于，包括導(dǎo)電原子力探針、電源、探針控制器、第一電流計(jì)、第二電流計(jì)、樣品臺以及樣品；樣品置于樣品臺上，樣品內(nèi)部包括一界面；電源、導(dǎo)電原子力探針和樣品相互串聯(lián)組成了第一電學(xué)回路，第一電流計(jì)測量此第一電學(xué)回路中的電流；樣品下表面和樣品上表面通過外接導(dǎo)線組成第二電學(xué)回路，第二電流計(jì)用于測量此第二電學(xué)回路中的電流，探針控制器與導(dǎo)電原子力探針以及樣品連接，用于捕捉導(dǎo)電原子力探針與樣品之間的力學(xué)信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置，其特征在于，樣品進(jìn)一步包括襯底和薄膜層，所述樣品中的界面為襯底和薄膜層的界面。
3.一種采用權(quán)利要求
I所述裝置測 量原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的方法，其特征在于，包括如下步驟將樣品固定于原子力顯微鏡的樣品臺上；從樣品表面的薄膜層和襯底分別引出導(dǎo)電引線，從薄膜層引出的導(dǎo)電引線連接到第一電流計(jì)，從襯底引出的導(dǎo)電引線連接到第二電流計(jì)；采用探針控制器控制導(dǎo)電原子力顯微鏡的導(dǎo)電原子力探針以接觸模式工作；在導(dǎo)電原子力探針的針尖和樣品間加直流電壓，第一電流計(jì)和第二電流計(jì)分別記錄樣品上表面和下表面電流信號；在表面移動(dòng)探針針尖，逐點(diǎn)測量第一電流計(jì)和第二電流計(jì)采集到的電流，并通過改變直流電壓的大小和方向，記錄電流-電壓譜線，表征界面勢壘在在空間上的分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的方法，其特征在于，通過探針的針尖與樣品間力的相互作用維持針尖與樣品間的距離不變。
專利摘要
本發(fā)明提供了一種采用原子力顯微鏡測量樣品界面勢壘的裝置，包括導(dǎo)電原子力探針、電源、探針控制器、第一電流計(jì)、第二電流計(jì)、樣品臺以及樣品；樣品置于樣品臺上，樣品內(nèi)部包括一界面；電源、導(dǎo)電原子力探針和樣品相互串聯(lián)組成了第一電學(xué)回路，第一電流計(jì)測量此第一電學(xué)回路中的電流；樣品下表面和樣品上表面通過外接導(dǎo)線組成第二電學(xué)回路，第二電流計(jì)用于測量此第二電學(xué)回路中的電流，探針控制器與導(dǎo)電原子力探針以及樣品連接，用于捕捉導(dǎo)電原子力探針與樣品之間的力學(xué)信號。
文檔編號G01Q60/24GKCN102279288SQ201110182014
公開日2013年3月13日 申請日期2011年6月30日
發(fā)明者徐耿釗, 劉爭暉, 鐘海艦, 樊英民, 徐科 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan專利引用 (3), 非專利引用 (2),