Презентация на тему: Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,

Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,
1/42
Средняя оценка: 4.6/5 (всего оценок: 45)
Код скопирован в буфер обмена
Скачать (611 Кб)
1

Первый слайд презентации

Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy, SSRM) является весьма продуктивным методом атомно-силовой микроскопии, используемым при различных исследованиях, например при обнаружении дефектов в проводящих и слабопроводящих пленках, для определения профилей распределения примесей в полупроводниковых интегралных микросхемах и т. п. Отображение сопротивления растекания

Изображение слайда
2

Слайд 2

Суть метода заключается в следующем: сканирование проводится проводящим зондом АС-микроскопа в контактном режиме, при этом сила прижима зонда к поверхности (изгиб кантилевера) поддерживается постоянной. К зонду прикладывается напряжение смещения, и регистрируется результирующий ток через образец в зависимости от положения зонда одновременно с получением данных о рельефе.

Изображение слайда
3

Слайд 3

На рис. схематически показан зондовый датчик для проведения измерений в режиме отображения сопротивления растекания, где 1 – омический контакт; 2 – зонд; 3 – оптоволокно; 4 – отражающее покрытие; 5   – кантилевер; 6 – кремниевый чип; 7 – проводящее покрытие; 8 – амперметр; 9 – поверхность образца. Рис. 1.1

Изображение слайда
4

Слайд 4

В предположении постоянного контактного сопротивления зонд – поверхность при заданном смещении значение измеряемого тока пропорционально локальному сопротивлению исследуемого образца.

Изображение слайда
5

Слайд 5

Определение удельного сопротивления по данным SSRM В упрощенном виде сопротивление растекания может быть описано простой моделью, представляющей собой плоский круглый омический контакт на поверхности материала и второго полусферического омического контакта (рис.).

Изображение слайда
6

Слайд 6

где а – радиус круглого контакта (зонда); r – расстояние от центра контакта – зонда до полусферического контакта; ρ – удельное сопротивление области между контактами.

Изображение слайда
7

Слайд 7

Для однородного полубесконечного легированного образца с сопротивлением ρ при проведении измерений зондом с радиусом закругления a (предполагается, что зонд не проникает в образец) сопротивление растекания R хорошо аппроксимируется выражением : (1)

Изображение слайда
8

Слайд 8

Электрофизические свойства реальных контактов зонд – полупроводник будут зависеть от многих факторов, таких, как реальная форма зонда, плотность поверхностных состояний, сила прижима зонда к поверхности образца. Как правило, для определения барьерного сопротивления пользуются калибровочными кривыми. Учет неоднородного распределения примеси в материале представляет собой более сложную задачу, для этого, например, в формулу (1) вводят корреляционный фактор CF: где Rbr – барьерное сопротивление контакта зонд – полупроводник. Корреляционный фактор учитывает изменение удельного сопротивления в трехмерном пространстве. Для однородного полубесконечного образца корреляционный фактор CF = 1.

Изображение слайда
9

Слайд 9

При исследовании реальных образцов вблизи края необходимо учитывать влияние краевых эффектов. Теоретически было проанализировано влияние границ с различными свойствами (изолирующая, проводящая, рис. ). В случае однородного полубесконечного образца и контакта сферической формы распределение тока будет соответствовать рис.. Рис. Распределение тока (сплошная линия) и эквипотенциали (штриховая линия) в твердом теле под наноконтактом (в разрезе) для трех ситуаций: а – вблизи непроводящей границы; б – в случае полубесконечного однородного тела; в – вблизи идеально проводящей границы

Изображение слайда
10

Слайд 10

При замене изолирующей границы на идеально проводящую корреляционный фактор CF становится меньше единицы и уменьшается до нуля при установке зонда на проводящую границу. Для адекватного пересчета профиля сопротивления растекания в профиль удельного сопротивления необходимо проводить деконволюцию. Если у образца границы, перпендикулярные плоскости рассматриваемого разреза, изолированы, фактор CF увеличивается при смещении зонда к границе и достигает двух, когда зонд установлен на изолирующую границу.

Изображение слайда
11

Слайд 11

Факторы, влияющие на измерения в режиме SSRM Можно выделить следующие факторы, существенно влияющие на результаты исследований помимо свойств исследуемого образца: − параметры зондового датчика (материал покрытия острия (работа выхода электронов из материала, жесткость, износостойкость, сплошность покрытия), радиус закругления зонда); − параметры режима сканирования (сила прижима зонда к поверхности образца, степень постоянства поддерживаемого давления, скорость сканирования); − атмосфера рабочего объема микроскопа (если измерения на воздухе – влажность, степень гидрофобности поверхности).

Изображение слайда
12

Слайд 12

При увеличении силы прижима зонда к поверхности образца увеличивается сигнал по току, а также отношение сигнал/шум. Это связано, очевидно, с тем, что при большей силе прижима зонда к образцу более стабилен контакт зонд – поверхность. Кроме того, если жесткость острия зонда выше, чем у исследуемой поверхности, зонд продавливает поверхность, увеличивая таким образом площадь контакта с острием (рис. ). Рис. Контакт зонд − образец в случае продавливания поверхности

Изображение слайда
13

Слайд 13

Из-за малого радиуса зонда давление, оказываемое им на поверхность образца, очень высоко, что приводит не только к более глубокому проникновению зонда в образец, но может способствовать фазовому переходу в полупроводниковых материалах в зависимости от силы прижима, типа и уровня легирования полупроводника. Например, при достижении максимального давления (в том случае, когда глубина проникновения зонда составляет ≈ 0,48а) при анализе кремния происходит переход в фазу с высокой проводимостью. Таким образом, формируется омический контакт к полупроводнику.

Изображение слайда
14

Слайд 14

При гидростатическом сжатии трансформация структуры происходит при давлениях ≈ 11,3...12,5 ГПа, но эти значения снижаются до 8 ГПа в присутствии напряжений сдвига. При снятии напряжения возможно возникновение фазы Si(III) с объемно-центрированной кубической структурой. Важно, что в отличие от фазы Si(I) фаза Si(II) обладает металлическим типом проводимости (ρ ~ 10−4 Ом·см). При характерных условиях измерения сопротивления растекания зонд, как правило, давит на образец массой порядка 5 г. Учитывая малый радиус зондов АС-микроскопов, давление на поверхность образца может достигать 16 ГПа. На рис., приведены результаты моделирования методом конечных элементов распределения напряжений в Si при давлении зонда сферической формы с радиусом закругления 10 мкм (!) и глубине проникновения в образец 100 нм.

Изображение слайда
15

Слайд 15

Рис. 2.5. Распределение напряжений в Si при давлении зондом (а);

Изображение слайда
16

Слайд 16

Интересный прием для получения омического контакта: изменяя давление зонда на поверхность можно изменить интерфейс с типа металл – полупроводник (зонд АС-микроскопа – поверхность полупроводника) на омический. Кроме того, при меньших значениях давления (~ 1 ГПа) в Si(I) возможно заметное сужение ширины запрещенной зоны. Для дальнейшей обработки данных таких измерений была использована модель Кинана (Keenan), в которой область контакта рассматривается с учетом возникающих деформаций в соответствии с электрической схемой, приведенной на рис. 2.5, б (данные для материала p-типа электропроводности). Нелегированный кремний и n+ -Si были более жесткими по сравнению с p+ -Si.

Изображение слайда
17

Слайд 17

Рис. Распределение напряжений в Si при давлении зондом (а); области эластичного (заполненные кружки) и пластического (прозрачные кружки) сопротивления материала p-типа, полученные по модели Кинана (б)

Изображение слайда
18

Слайд 18

Исследовалось влияние состава атмосферы на результаты измерений SSRM. На примере органических фоточувствительных тонких пленок для полимерных солнечных элементов MDMO-PPV/PCBM на стеклянных подложках с подслоем ITO (indium-tin oxide – проводящий слой оксида индия – оксида олова) было показано, что при проведении измерений на воздухе сигнал по току был очень мал (на уровне шумов), рис., а, б. При измерении в инертной атмосфере (N 2, причем концентрация кислорода и воды в атмосфере была менее 1 ppm) для типичного образца при тех же условиях эксперимента сигнал по току составлял десятки наноампер (рис., в, г). Интересно отметить, что изменение состава атмосферы рабочего объема АС-микроскопа заметно не повлияло на качество топографии.

Изображение слайда
19

Слайд 19

Рис. 2.6. Топография (а, в) и распределение тока (б, г) при подаче + 10 В на зонд на воздухе и в инертной среде (N 2 ) соответственно

Изображение слайда
20

Слайд 20

При влажности атмосферы 40…50 % поверхности образца (например, Si) и зонда, как правило, покрыты несколькими монослоями воды. В неконтактном режиме между зондом и поверхностью образца возможно образование водных мостиков при приложении напряжения к зонду. Размеры мостиков будут зависеть и от радиуса закругления зонда. В было показано, что характерные размеры (диаметр) водных мостиков составляют 5…30 нм. Водные мостики будут источниками оксианионов (OH −, O −), что приведет к окислению поверхности под зондом. Такой эффект известен как анодное окисление и используется в нанолитографии, но при проведении исследований в режиме электростатических, электрических измерений может привести к нежелательному (или неконтролируемому) окислению поверхности.

Изображение слайда
21

Слайд 21

Электромеханическая модель SSRM Метод сканирующей микроскопии сопротивления растекания может быть рассмотрен с помощью довольно простой эквивалентной электрической схемы. Общее сопротивление цепи будет определяться вкладами следующих последовательно включенных сопротивлений (рис. ): - сопротивлением проводящего покрытия зонда (сопротивление зонда) Rprobe; - контактным сопротивлением Rc между зондом и полупроводником; - сопротивлением механического контакта между зондом и полупроводником Rm, зависящего от силы прижима зонда к образцу; - сопротивлением растекания Rsr; - контактным сопротивлением общего электрода Rbc.

Изображение слайда
22

Слайд 22

Рис.. Простая эквивалентная электрическая схема метода SSRM В случае непроникающего контакта для зондов с проводящим покрытием и общим электродом с большой площадью сопротивлениями Rprobe и Rbc можно пренебречь. Тогда общее сопротивление будет определяться следующим выражением: Контактное сопротивление обладает диодоподобным характером и является нелинейной функцией потенциального барьера φ B между зондом и полупроводником, а также функцией от внешнего приложенного напряжения, что зависит от механизма проводимости барьера (термоэлектронная эмиссия, туннелирование).

Изображение слайда
23

Слайд 23

Сопротивление механического контакта Rm может быть определено как составляющая контакта Шотки, не зависящая от внешнего напряжения. Контактное сопротивление в общем виде может быть записано как где ρ m – удельное сопротивление контакта, являющееся функцией давления; А – макроскопическая площадь контакта. В методе SSRM зонд и образец электрически соединяются путем прижима зонда к исследуемой поверхности. Шероховатость поверхности уменьшает эффективную площадь контакта, что приводит к увеличению Rm. Тогда, в случае пренебрежимо малых значений давления зонда на изучаемую поверхность:

Изображение слайда
24

Слайд 24

Перечисленные выше факторы, особенно влияние силы прижима зонда, вызывающее фазовый переход с образованием высокопроводящей области, приводят к трансформации характера интерфейса зонд – образец с типа контакта Шотки в псевдоомический. Такая трансформация сопровождается двумя локальными изменениями свойств полупроводника: уменьшением ширины запрещенной зоны полупроводника и уменьшением поверхностных уровней на интерфейсе. Оба эффекта способствуют понижению потенциального барьера на интерфейсе, при этом ρ с становится зависимым от силы прижима зонда к поверхности. Поэтому ρc(V,φB) имеет намного меньшее значение при более высоких давлениях. Более того, увеличение силы прижима зонда к поверхности приводит к росту эффективной площади контакта, что увеличивает значения Rm, Rsr и позволяет измерять сопротивление растекания Rsr. Таким образом, при измерении сопротивления растекания возникает множество эффектов, когда зонд обладает очень малым радиусом и прижимается к поверхности. Так как вклад в сопротивление растекания вносят довольно большое число различных факторов и отклик, как правило, становится нелинейным, для проведения измерений необходима аккуратная калибровка.

Изображение слайда
25

Слайд 25

Многопроходные электросиловые методы АСМ Электросиловые методы АСМ основаны на электродинамическом взаимо- действии гармонически колеблющегося проводящего зонда с поверхностью образца. Рассмотрим систему, состоящую из зондового датчика, у которого зонд имеет проводящее покрытие, и образца, представляющего собой тонкий слой материала на хорошо проводящей подложке (рис.). Пусть между зондом и образцом подано постоянное напряжение U 0 и переменное напряжение U~ = U1sin ωt. Если тонкий слой на подложке представляет собой полупроводник или диэлектрик, то он может содержать поверхностный заряд, так что на поверхности образца существует распределение потенциала φ(x, y). Напряжение между зондом и поверхностью образца можно представить в виде

Изображение слайда
26

Слайд 26

Рис. Схема измерения в Кельвин-моде и бесконтактной емкостной моде.

Изображение слайда
27

Слайд 27

Колебания кантилевера в данном случае инициируются осцилляциями электрического поля в зазоре кантилевер – образец. Если электрическая емкость системы кантилевер − образец равна С, то электрическая энергия, запасенная в конденсаторе: Тогда электрическая сила взаимодействия зонда и образца F =− grad E. При этом Z-компонента силы, инициированная ∂С/∂Z, – электродинамическая сила, с которой будет притягиваться кантилевер к поверхности:

Изображение слайда
28

Слайд 28

Учитывая, что полное напряжение между образцом и кантилевером U = ( U 0 − φ(x, y) )+U 1 sinωt, где φ(x, y) – значение поверхностного потенциала в точке измерения, для электродинамической силы, действующей между образцом и кантилевером, можно записать: Таким образом, на кантилевер будет действовать электродинамическая сила: -на нулевой гармонике

Изображение слайда
29

Слайд 29

-на первой гармонике возбуждающего сигнала -на второй гармонике возбуждающего сигнала:

Изображение слайда
30

Слайд 30

Сканирующая емкостная микроскопия Сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ) предназначена для исследования распределения поверхностной емкости по образцу. Метод позволяет изучать локальные диэлектрические свойства поверхностных слоев образца (например, распределение легирующей примеси). Для получения информации о свойствах поверхности в данном режиме используют электростатическое взаимодействие между зондом и образцом.

Изображение слайда
31

Слайд 31

Рис. 2.27. Схема измерений при многопроходной методике

Изображение слайда
32

Слайд 32

На 1 проходе сканируемой строки регистрируется рельеф поверхности (рис.). На 2 проходе зондовый датчик отодвигается от поверхности на расстояние dZ. Между зондом и образцом подается напряжение смещения U 0 и переменное напряжение U 1 sin ωt. На втором проходе зонд движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца, при этом измеряется распределение емкости. Поскольку локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний зонда М на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд – образец.

Изображение слайда
33

Слайд 33

Для увеличения колебаний зонда на второй гармонике частота ω выбирается равной половине резонансной частоты зондового датчика. На втором проходе зонд движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца, при этом производится регистрация интересующего аналитического отклика. Значение силы на второй гармонике функции возбуждающего напряжения пропорционально производной ∂С/∂Z. Емкость системы кантилевер – образец С складывается из двух емкостей, включенных последовательно: емкости зазора, зависящей от расстояния кантилевер – образец С Z, и поверхностной емкости C X,Y :

Изображение слайда
34

Слайд 34

В приближении плоского конденсатора С Z ~ Z −1 амплитуда резонансных колебаний кантилевера, инициированная переменным электрическим полем с частотой, равной половине резонансной частоты кантилевера, будет пропорциональна:

Изображение слайда
35

Слайд 35

Приближение плоского конденсатора достаточно точно отражает зависимость емкости от расстояния. В приближении конденсатора в виде полусферы емкость выражается достаточно сложным образом: где r – радиус полусферы; z – кратчайшее расстояние от поверхности полусферы до плоскости.

Изображение слайда
36

Слайд 36

Расстояние dZ подбирается таким образом, чтобы между колеблющимся зондом и образцом оставалось достаточное расстояние, исключающее влияние рельефа на результат измерений. Однако расстояние dZ не должно быть очень большим, так как в этом случае уменьшается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение. В некоторых случаях может быть необходим третий проход для исключения влияния не только рельефа, но и поверхностного электрического поля. Многопроходные методики, помимо сканирующей емкостной микроскопии, используются при исследовании поверхностных потенциалов (Кельвин-мода), электрических сил, магнитных полей и т. д. На рис. представлены зависимости от 1/z для значений радиусов кривизны от 0,1 нм (нижняя прямая) до 50 нм (верхняя прямая) с шагом 5 нм, которые показывают высокую точность приближения плоского конденсатора.

Изображение слайда
37

Слайд 37

Рис. 2.28. Зависимость емкости полусферический зонд – плоская поверхность от расстояния для различных радиусов кривизны острия

Изображение слайда
38

Слайд 38

Кельвин-мода Регистрация силы на первой гармонике возбуждающего сигнала дает возможность получить карту распределения поверхностного потенциала φ(x, y). Для этого в процессе сканирования при подаче переменного напряжения на кантилевер на резонансной частоте балки требуется поддерживать измеряемый переменный сигнал, обусловленный возбуждением кантилевера под действием силы (*- ниже), равным нулю изменением постоянного напряжения U 0. В соответствии с (*) F Z (ω) ≡ 0 в случае, если U 0 = φ(x, y) при любых значениях возбуждающего потенциала U 1 и любых значениях производной поверхностной емкости. При работе в Кельвин-моде U 1 выбирается максимальным, а частота переменного электрического поля выбирается равной резонансной частоте кантилевера.

Изображение слайда
39

Слайд 39

В принципе, измерять поверхностный потенциал методом Кельвина можно в произвольном режиме сканирования, но так как ∂С/∂Z значительно возрастает с уменьшением расстояния (приблизительно как Z –2 при Z < R), то оптимальные условия измерения достигаются в случае, если Z < R, где R – радиус кривизны зонда. Такие условия измерений можно обеспечить в двухпроходном режиме сканирования, в котором во время первого прохода зонда измеряется топография, а при втором проходе зонд скользит над поверхностью по уже измеренной траектории. Во время второго прохода на зонд подается переменное напряжение, а изменением значения постоянного напряжения U 0 с помощью цепи обратной связи поддерживается равной нулю амплитуда колебания кантилевера. Полученная таким образом карта изменения напряжения интерпретируется в соответствии с (*) как распределение поверхностного потенциала или работы выхода.

Изображение слайда
40

Слайд 40

Кельвин-мода − исключительно важная мода СЗМ, позволяющая делатьколичественные заключения о свойствах поверхности объекта. Для СЗМ это в некотором смысле абсолютный метод, не требующий дополнительной коррекции на некие другие взаимодействия. Это метод, позволяющий нейтрализовать влияние электродинамических сил как на полуконтактную, так и на бесконтактную топографию. Возможность измерения распределения потенциала позволяет реализовать многопроходные методики измерений, в которых постоянная сила может быть компенсирована в процессе третьего прохода, что позволяет производить корректные измерения топографии химически неоднородных поверхностей как в полуконтактной, так и магнитной модах.

Изображение слайда
41

Слайд 41

Электростатическая силовая микроскопия Электростатическая силовая микроскопия – эффективный метод исследования распределения электрического поля и зарядов по поверхности образца с субмикронным разрешением. Данная методика также является многопроходной. На первом проходе получают профиль рельефа поверхности. Далее зонд отводится на расстояние dZ и с помощью пьезодрайвера приводится в колебательное состояние на резонансной частоте. Между зондом и образцом подается постоянное напряжение смещения U 0, и осуществляется повторное сканирование. Аналитическим сигналом является фаза колебаний зонда Ψ (рис.) на втором проходе. По изменению фазы колебаний зонда определяют пространственное распределение z-составляющей градиента электростатического поля по поверхности образца.

Изображение слайда
42

Последний слайд презентации: Отображение сопротивления растекания (Scanning spreading resistance microscopy,

Рис. 2.29. Схема измерений на двух проходах в электростатической силовой микроскопии

Изображение слайда