CN101275895B - 一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统 - Google Patents

一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统，包括主要由半导体芯片和芯片载台组成的样品台前端头、中空的样品杆、以及设置在样品杆末端的绝缘穿通。其中，半导体芯片上的电极由经过中空样品杆的导线电连接到所述绝缘穿通的外连接导线上，并进一步连接到外接分析测试仪器上，从而可以对纳电子器件的性质进行研究。精确的尺寸设计保证TEM电子束能依次正常通过半导体芯片的狭缝和芯片载台的通孔，并聚焦在芯片狭缝上表面的纳电子器件上，从而可以直接对纳电子器件的微观结构进行表征。这样在TEM中实现了对纳电子器件的性质和微观结构的原位研究。

Description

一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统
技术领域
本发明属于透射电子显微镜配件及纳米测量领域，具体来说，涉及一种透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统。
技术背景
随着基于传统工艺的微电子器件集成度逐渐提高，器件尺寸需要越来越小，目前主流技术已经小于0.1微米，这已经接近经典物理规律所能满足的极限。按照摩尔定律，每18个月器件集成度要提高一倍，而尺寸则要缩小一半，按照目前的速度，在未来10到15年以内，传统的微电子器件将达到其理论上的极限尺寸而无法再继续提高集成度。
纳米材料由于其特征尺寸在纳米量级，是微米的1/1000，因此构造基于纳米材料的纳电子器件非常有望解决传统微电子器件的尺寸极限问题。这方面的工作整个国际上已经广泛地逐渐开展起来，但是目前为止进展还不是很大，主要是因为一些核心的基本物理问题还有待解决。纳米材料由于尺寸很小，其微观结构对其性质有着决定性的影响，因而，基于纳米材料的纳电子器件的性质也高度依赖于其微观结构，这与传统的微电子器件的性质依赖于掺杂类型和浓度完全不同。
商用透射电子显微镜是强有力的纳米材料微观结构分析工具，然而由于其样品台只能装载样品进行结构观察，无法用于研究纳电子器件的性质。如果能够开发一种在TEM中研究纳电子器件性质的系统，以用来研究纳电子器件微观结构和性质的直接联系，这不论是在基础科学研究方面和还是再应用技术方面都具有重要意义。然而就现有技术而言，还无法实现这一目的。
发明内容
本发明的目的在于解决目前透射电子显微镜技术无法测量纳电子器件性质的技术难题，从而实现原位地研究纳电子器件微观结构和性质。
为达到上述目的，发明了一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统，包括主要由半导体芯片和芯片载台组成的样品台前端头、中空的样品杆、以及设置在样品杆末端的绝缘穿通；其中，半导体芯片上的电极由经过中空样品杆的导线电连接到所述绝缘穿通的外连接导线上。
进一步地，所述芯片载台具有设置于样品测试区域的槽和槽内供电子束通过的通孔；所述芯片含有1个或多个狭缝。芯片设置在芯片载台的槽内，芯片厚度与芯片载台的槽深度和TEM电子束聚焦中心位置相匹配，使TEM电子束可以正常通过芯片狭缝和芯片载台通孔并聚焦在横跨芯片狭缝的纳电子器件上。
进一步地，所述芯片载台的边缘和中部带有供连接芯片电极用的导线通过的边缘槽和中间槽。
进一步地，所述芯片材料为半导体材料，优选为硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌，更优选为重掺杂硅。芯片可以作为纳电子器件的底栅极。
进一步地，所述芯片的上表面和狭缝表面含有介电层，该介电层材料可以是二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化铪。
进一步地，所述芯片的狭缝两侧设置有微电极，用于与横跨狭缝的纳米材料进行电接触，微电极可以在纳米材料上方也可以在纳米材料的下方，微电极材料可以是Rh，Pd，Rh/Au，Pd/Au，Ti/Au，W/Pt，Cr/Pt，Ni/Pt，微电极数目为多个。微电极可以作为纳电子器件的源极、漏极(或0顶栅极)。
进一步地，所述样品台的样品杆为中空结构，供导线通过。
进一步地，所述绝缘穿通为真空密封结构，并带有多路可与外部连通且相互绝缘的外连接导线。
进一步地，所述导线一端与纳电子器件的电极连接，另一端与所述绝缘穿通的外连接导线相连接。
本发明通过独特的设计，精密的机械加工和半导体加工技术，完成了一个可以在TEM中原位测量纳电子器件性质的样品台系统。利用该系统可以原位地研究纳电子器件微观结构和性质，并建立两者的直接联系，为纳电子器件将来可能的应用提供基础研究成果。同时，该装置也可以用来原位地、动态地研究在外加电学信号下，纳米材料(包括一维线性材料，二维薄膜材料)、普通材料的压电、铁电、离子型导电等引起的微观结构的变化。
附图说明
图1.为原位测量纳电子器件性质的TEM样品台系统的结构示意图；
其中，1为前端头；2为样品杆；3为绝缘穿通；4为半导体芯片；5为芯片载台；6为微电极；7为导线。
图2.为TEM样品台的前端头结构示意图；
其中，8为狭缝；9为介电层；10为底电极；11为分析测试仪器；12为芯片载台槽；13为通孔；14为边缘槽；15为中间槽；16为弹簧压片；17为螺丝；18为螺孔；19为纳米材料。
图3.为TEM样品台的绝缘穿通的结构示意图；
其中，20为机械真空密封用孔；21为外连接导线。
图4.为原位测量基于单壁碳纳米管的纳电子器件的微观结构和性质的一组典型数据。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，在TEM中原位测量纳电子器件性质的样品台系统主要包含前端头1、中空的样品杆2、以及设置在样品杆末端的绝缘穿通3。其中，前端头1包括半导体芯片4和芯片载台5，半导体芯片上的电极6由经过中空样品杆的导线7电连接到所述绝缘穿通的外连接导线上。前端头1机械连接在样品杆2一端，样品杆2末端用绝缘穿通3通过垫圈机械真空密封。
如图2所示，给出了样品台前端头的结构示意图。前端头主要包括半导体芯片4和芯片载台5。所述芯片材料为可以为硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌，优选为重掺杂硅。通过半导体刻蚀的方法，在芯片上做出一个或者数个1-100μm的狭缝8，并且芯片上表面和狭缝两侧设置有介电层9。
芯片载台带有槽12和通孔13，以及可以让导线通过的边缘槽14和中间槽15。半导体芯片4直接设置在芯片载台的槽12内，并用弹簧压片16和配套螺丝17固定，螺丝固定在芯片载台的螺孔18上。纳电子器件直接做在含有介电层的半导体芯片4上，并横跨狭缝8。纳电子器件主要包括纳米材料19及其与纳米材料接触的微电极6。一个多端的纳电子器件一般包括源极、漏极和栅极。其中与纳米材料接触的狭缝两侧的微电极可以分别作为源极、漏极(或顶栅极)，而重掺杂的芯片本身可以作为底栅极。芯片上纳电子器件的微电极6及芯片底栅极10与导线连接，并依次通过芯片载台的边缘槽14和(或)中间槽15、样品杆2中空部分，电连接到绝缘穿通3的外连接导线上，并最终接到外部的分析测试仪器11上。
精确地设计保证了TEM电子束可以正常通过芯片狭缝8和芯片载台通孔13，并且聚焦在横跨芯片狭缝的纳电子器件19上，于是可以得到纳电子器件的微观结构信息。同时，外部的分析测试仪器11可以同时向纳电子器件加载测试信号，可以测得纳电子器件的性质。对纳电子器件的微观结构研究和性质测量是原位的，这样纳电子器件微观结构和性质之间的联系就可以直接建立起来。
如图3所示，给出了样品杆末端的绝缘穿通3的结构示意图。绝缘穿通3(feedthrough)的边缘带有多个机械真空密封用孔20，配合螺丝和垫圈可以用来真空密封样品杆2。绝缘穿通中间带有多路彼此之间绝缘的外连接导线21，用以连接样品杆中的导线3和外部测试分析系统11。
如图4所示，为原位测量基于单壁碳纳米管的纳电子器件的微观结构和性质的一组典型数据。图a为单壁碳纳米管的高分辨TEM照片，可以分辨出其为单壁纳米管。图b为碳纳米管的电子衍射图，经过对衍射图的标定，单壁碳纳米管的微观结构，也叫做手性指数，可以确定为(26，13)。其衍射图特征点与理论模拟的(26，13)单壁碳纳米管图c吻合。图d、e为基于单壁碳纳米管的纳电子器件的输入输出特性曲线和转移特性曲线，可以看出该单壁碳纳米管为半导体性的，电流开关比为103。上述单壁碳纳米管的场效应晶体管特性与其微观结构很好地吻合，因为根据能带理论分析得出，对于(26，13)的单壁碳纳米管，其应该为半导体性的。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施例进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。

Claims (9)

1.一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统，包括主要由半导体芯片和芯片载台组成的样品台前端头、中空的样品杆、以及设置在样品杆末端的绝缘穿通，所述芯片载台具有设置于样品测试区域的槽和槽内供电子束通过的通孔；所述芯片含有1个或多个狭缝；芯片设置在芯片载台的槽内，芯片厚度与芯片载台的槽深度和TEM电子束聚焦中心位置相匹配，使TEM电子束可以正常通过芯片狭缝和芯片载台通孔并聚焦在横跨芯片狭缝的纳电子器件上，其中，半导体芯片上的电极由经过中空样品杆的导线电连接到所述绝缘穿通的外连接导线上。
2.如权利要求1所述的样品台系统，其特征在于，所述芯片载台的边缘和中部带有供连接芯片电极用的导线通过的边缘槽和中间槽。
3.如权利要求1-2任一项所述的样品台系统，其特征在于，所述芯片材料为半导体材料，该半导体材料为硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化铟或氧化锌。
4.如权利要求1所述的样品台系统，其特征在于，所述芯片的上表面和狭缝表面含有介电层，所述介电层的材料为二氧化硅、碳化硅、氮化硅或氧化铪。
5.如权利要求1-2任一项所述的样品台系统，其特征在于，所述芯片的狭缝两侧设置有微电极，用于与横跨狭缝的纳米材料进行电接触，微电极设置在纳米材料上方或者设置在纳米材料的下方，微电极材料为Rh，Pd，Rh/Au，Pd/Au，Ti/Au，W/Pt，Cr/Pt或Ni/Pt。
6.如权利要求1-2任一项所述的样品台系统，其特征在于，所述样品台的样品杆为中空的样品杆，供导线通过。
7.如权利要求1-2任一项所述的样品台系统，其特征在于，所述绝缘穿通为真空密封结构，并带有多路可与外部连通且相互绝缘的外连接导线。
8.如权利要求1-2任一项所述的样品台系统，其特征在于，所述导线一端与纳电子器件的电极连接，另一端与所述绝缘穿通的外连接导线连接。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的样品台系统的用途，用于原位研究纳电子器件微观结构和性质的关系，或者用于原位地、动态地研究在外加电信号下，纳米材料、普通材料的压电、铁电、离子型导电引起的微观结构的变化。
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Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102680399A (zh) * 2010-08-04 2012-09-19 华中科技大学 一种用于半导体气相光电性能高通量测试的芯片及装置
CN102262996B (zh) 2011-05-31 2013-06-12 北京工业大学 透射电镜用双轴倾转的原位力、电性能综合测试样品杆
CN102353580B (zh) * 2011-06-22 2013-07-10 北京工业大学 用于透射电镜的原位力、电性能单轴拉伸样品杆
JP5846931B2 (ja) * 2012-01-25 2016-01-20 株式会社日立ハイテクノロジーズ 電子顕微鏡用試料ホルダ
CN103632912A (zh) * 2012-08-21 2014-03-12 B-纳诺有限公司 电子显微镜成像系统及方法
CN104007149B (zh) * 2013-02-27 2016-03-16 中国科学院金属研究所 一种研究材料腐蚀电化学行为的装置及其原位tem方法
CN103558232B (zh) * 2013-10-16 2015-10-28 中国科学院物理研究所 一种在透射电镜中原位变温测量光谱的装置
CN103645138B (zh) * 2013-11-29 2016-09-07 上海华力微电子有限公司 透射电子显微镜样品的固定装置
CN103730313B (zh) * 2014-01-03 2015-10-14 东南大学 原位样品杆中基片供电电源、光-电双功能基片及其制法
CN105319397B (zh) * 2015-10-16 2018-11-16 武汉新芯集成电路制造有限公司 一种纳米探针台上的样品传输的装置及方法
CN105301027B (zh) * 2015-11-22 2017-11-14 北京工业大学 一种透射/扫描电镜力、热耦合场加载的原位实验平台
CN108414955A (zh) * 2018-03-15 2018-08-17 中国科学技术大学 一种测磁样品杆、测磁系统及测磁方法
CN108550512A (zh) * 2018-04-16 2018-09-18 华东师范大学 一种用于透射电子显微镜样品杆多电极的制备方法
CN110823929A (zh) * 2019-11-28 2020-02-21 中国科学院上海应用物理研究所 一种用于软x射线透射成像的样品转接台

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5225683A (en) * 1990-11-30 1993-07-06 Jeol Ltd. Detachable specimen holder for transmission electron microscope
CN1587977A (zh) * 2004-08-02 2005-03-02 中国科学院物理研究所 原位微区结构分析与性质测试联合系统

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5225683A (en) * 1990-11-30 1993-07-06 Jeol Ltd. Detachable specimen holder for transmission electron microscope
CN1587977A (zh) * 2004-08-02 2005-03-02 中国科学院物理研究所 原位微区结构分析与性质测试联合系统

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP特开2006-156263A 2006.06.15

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