Диссертация (1091051), страница 14
Текст из файла (страница 14)
В главе 3 рассмотрена возможностьприменения методик сканирующей зондовой микроскопии для исследованияэлектрофизических параметров МДП-структур.3.1 Сканирующая зондовая микроскопия: классификация методики возможности их практического применения3.1.1 Концептуальные особенности СЗМСканирующая зондовая микроскопия объединяет в себе широкий спектрметодовисследованиярельефаиприповерхностныхлокальныхсвойствразличных материалов. Использование СЗМ позволяет получать уникальныерезультаты в различных областях физики, химии, биологии.Основной чертой всех сканирующих зондовых (СЗ) микроскопов являетсяналичие микроскопического зонда, который взаимодействует с исследуемойповерхностью и в процессе сканирования перемещается по некоторому участкуповерхности заданного размера.Сканированиепроизводитсяприпомощипьезокерамическогоманипулятора.
Зонд движется последовательно (растром), вдоль поверхности(изменяются координатысканирования делится наиглы в плоскоститочек.и ). Для перевода в цифровой вид данный участокстрок, а строки наточек, таким образом, положениеописывается двумя координатамиРезультатомработыСЗиз множества,микроскопаявляетсясоответствия между каждой парой координат из множестваполучениеи некоторымчисловым значением (или рядом значений), характеризующим анализируемыйпараметр поверхности (или ряд параметров) [136].96Принцип работы СЗ микроскопа можно разделить на два основных типа поспособу движения иглы над поверхностью образца:1. Зонд движется над поверхностью с постоянной высотой .
Такой способназывается – метод постоянной высоты. Результатом проведения измерений поданному способу является функция двух переменных, описывающаяинтенсивность рабочего взаимодействия.2. В процессе сканирования система обратной связи фиксирует заданноезначение величины рабочего взаимодействиявертикальной координатыпри помощи изменениязонда. Данный способ сканирования называют –способом постоянного взаимодействия.
В результате таких исследованийполучаем функцию, сопоставимую с топографией исследуемойповерхности. Кроме информации о топографии поверхности можно провести вкаждой точке измерение параметра, содержащего информацию о различныхфизических приповерхностных свойствах образца.Для получения более широкого представления о возможностях СЗМпроведенаклассификацияметодовСЗМиисследованыпримерыихпрактического применения.3.1.2 Классификация методик СЗМВ настоящее время в мире широко применяется большое количестворазличных методов СЗМ [137]. На рисунке 3.1 приведена их классификация. Воснове классификации лежит анализ физических видов взаимодействия зонда собразцом и типы используемых зондовых датчиков.97Сканирующая ЗондоваяМикроскопияСканирующая БлижнепольнаяОптическая Микроскопия(СБОМ)Атомно СиловаяМикроскопия (АСМ)КонтактныеМетодики АСМСканирующая ТунельнаяМикроскопия (СТМ)Колебательныеметодики АСМСканирующаяТермоМикроскопияКонтактнаяСканирующаяЕмкостнаяМикроскопияМетод ЗондаКельвинаМетод МодуляцииСилыМагнитноСиловаяМикроскопия (МСМ)ЭлектростатическаяСиловаяМикроскопияМетод ЛатеральныхСилМетод ИзмеренияСопротивлениярастеканияСканирующаяемкостнаямикроскопияРисунок 3.1 – Классификация методов СЗМКлассификация методов СЗМ показывает, что они могут быть примененыкак для измерения рельефа образца, так и для исследования его различныхфизических приповерхностных свойств.
Для оценки возможности примененияСЗМ в локализации и анализе отказов ЭНП, более подробно рассмотрены методыСЗМ, позволяющие исследовать различные электрофизические параметрыполупроводниковых структур.3.1.3 Возможности методов СЗМ в исследовании полупроводниковыхструктурОсновываясь на классификации методов СЗМ, рассмотрены их основныепринципы работы и области практического применения.Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)В СТМ в качестве зонда используется тонкая металлическая проволока.Зонд сканирует образец вдоль поверхности на расстоянии приблизительно 1 нм.Напряжение смещения в несколько мВ, приложенное между зондом и образцомприводит к туннелированию тока порядка нескольких нА.
Туннельный ток98экспоненциально зависит от расстояния зонд-образец [138]. Для оценкиплотности тока используют выражение:√При этом величина(3.1)считается не зависящей от изменения расстояниязонд-образец.СТМ функционирует следующим образом. Зонд СТМ подводится кповерхности образца до появления туннельного тока. В процессе сканированиязонд перемещается по осям, поддерживая ток постоянным за счетперемещения зонда по нормали к поверхности. В процессе сканированиярасстояние зонд-образецсохранения расстоянияостается постоянным. Перемещение зонда по осидлянепосредственно отражает рельеф поверхности образца.Во время работы СТМ расстояниенм, таким образом,вероятность нахождения молекул воздуха (при нормальных атмосферныхусловиях) чрезвычайно мала.
Следовательно, можно сделать вывод, чтотуннельный ток протекает в вакууме. Это дает СТМ преимущества перед другимиметодами анализа поверхности, такими как растровая электронная микроскопия.Принцип работы СТМ позволяет проводить измерения не только рельефаисследуемой поверхности, но и различных ее электрофизических свойств.При исследовании неоднородных образцов, туннельный ток являетсяфункцией, зависящей от значения локальной работы выхода электронов визмеряемой точки поверхности.
Таким образом, используя это свойство можнолокализовать нежелательные примеси в структуре полупроводника.СТМпозволяетполучатьвольт-амперныехарактеристики(ВАХ)туннельного контакта в различных областях поверхности. Это дает возможностьоценки локальной проводимости образца и позволяет изучать особенностилокальной плотности состояний в энергетическом спектре электронов.Магнитно-силовая микроскопия (МСМ)МСМ позволяет визуализировать взаимодействие магнитных доменов наповерхности образца с зондом. Зонд покрыт тонкой пленкой ферромагнетика с99удельной намагниченностью ⃗⃗. Зонд МСМ в виде одиночного магнитногодиполя, характеризующегося магнитным моментом ⃗⃗ , взаимодействует с полемобразца ⃗[139]. Потенциальная энергия такой системы равна:⃗⃗ ⃗ ,(3.2)В поле ⃗ на диполь действует сила:равный ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ и момент сил,⃗⃗ ⃗ .В однородном магнитном поле сила, следовательно, на дипольдействует только момент сил, который разворачивает магнитный момент ⃗⃗ вдольполя.
В неоднородном поле диполь втягивается в область с большейнапряженностью ⃗ .Магнитный момент зонда представляет собой суперпозицию диполей вида:⃗⃗где⃗⃗,(3.3)– удельная намагниченность магнитного покрытия,–элементарный объем.Таким образом, полная энергия магнитного взаимодействия зонда и образцаравна:∫ ⃗⃗⃗,(3.4)Интегрирование проводится по магнитному слою зонда. Следовательно,сила взаимодействия зонда с полем образца равна:∫ ⃗ ( ⃗⃗ ⃗ ),(3.5)Соответственно, - компонента силы равна:∫ (),(3.6)В общем случае способ получения МСМ изображения выглядит следующимобразом. В процессе сканирования зонд перемещается над образцом на высоте(Рисунок 3.2). Величина изгиба зондового датчика, фиксируемаясистемойконтроля,представляетвзаимодействия зонда с образцом.собойраспределениемагнитного100Рисунок 3.2 – Принцип проведения измерений методом МСММетодика позволяет проводить исследования в области изучения свойствмагнитныхматериалов.Вчастностиизучатьхарактеристикиячеекмагниторезистивной памяти.Электростатическая силовая микроскопия (ЭСМ)ЭСМпозволяетпроводитьизмеренияраспределениязарядаиэлектрического поля на поверхности исследуемого образца (Рисунок 3.3).Изображение, полученное в процессе сканирования можно представить какпространственное распределениедействияэлектрическогополяназондСЗМ [140].Рисунок 3.3 – Принцип проведения измерений методом электростатическойсиловой микроскопии101Для снижения степени влияния рельефа поверхности на результатприменяется двухпроходная методика.
Во время первого прохода оцениваетсярельеф поверхности. На втором проходе зонд поднимается на некотороерасстояниенадповерхностьюобразца.Сканированиепроисходитвполуконтактном режиме. Зонд раскачивается на резонансной частоте, при этоммежду зондом и образцом подается постоянное напряжение смещения.Производится повторное сканирование образца. При проведении сканирования,таким способом, влияние рельефа можно исключить. Вследствие малых размеровзонда, его можно представить в виде точечного электрического заряда.
Такимобразом, сила, действующая на кантилевер во время второго прохода, имеет вид:⃗,где–эффективный(3.7)электрическийзарядкантилевера,⃗ – напряженность поля образца в точке нахождения заряда.На втором проходе зонд колеблется на частоте своего механическогорезонанса. СЗМ регистрирует градиент силы, действующей на кантилевер,который выражается как:⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗,(3.8)где ⃗ – единичный вектор, направленный по нормали к плоскостикантилевера. Если балка кантилевера параллельна поверхности образца то:⃗(3.9)Таким образом, ЭСМ позволяет получить данные о распределении заряда наповерхности полупроводника. Локализовать наличие заряда на образце.Метод зонда Кельвина (МЗК)МЗК позволяет исследовать распределение поверхностного потенциала пообразцу. Метод Кельвина является двухпроходной колебательной методикойСЗМ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
