CN102279288B - 采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置，包括导电原子力探针、电源、探针控制器、第一电流计、第二电流计、样品台以及样品；样品置于样品台上，样品内部包括一界面；电源、导电原子力探针和样品相互串联组成了第一电学回路，第一电流计测量此第一电学回路中的电流；样品下表面和样品上表面通过外接导线组成第二电学回路，第二电流计用于测量此第二电学回路中的电流，探针控制器与导电原子力探针以及样品连接，用于捕捉导电原子力探针与样品之间的力学信号。

Description

采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法
技术领域
本发明涉及半导体材料测试技术领域，尤其涉及一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法。
背景技术
随着半导体工业和纳米技术的发展，构成器件的结构尺寸越来越小，而构成器件的各种材料间的异质界面的电学性质越发成为影响器件性能的关键。这对测试分析方法和装置也提出了更高的要求。自1982年扫描隧道显微镜发明以来，它及相应的扫描隧道谱技术逐渐成为纳米尺度上研究样品局域电学性质的有效手段，近年来得到迅速发展。而在此基础上发展起来的弹道电子发射显微术(Ballistic Electron Emission Microscopy，BEEM)逐渐成为研究近表面的异质界面的有效手段。
附图1所示是采用扫描隧道显微镜测量样品界面势垒装置的基本结构，包括探针10、电源13、第一电流计11、第二电流计12以及样品19，样品19进一步包括衬底191和表面的薄膜层192。电源13探针10和样品19相互串联组成了第一电学回路，第一电流计11用于测量此回路中的电流；衬底191接地，并和表面的薄膜层192组成第二电学回路，第二电流计12用于测量此回路中的电流，该电流来自于探针13发射的弹道输运到衬底191和薄膜层192中的热电子。
具体地说，与电源13连接的探针10在针尖和样品19间的偏压VTip的作用下，热电子从探针10的金属针尖注入到样品表面形成隧道电流ITip。这些热电子在样品19的薄膜层192的最表面一层中，大部分通过碰撞和散射，沿着薄膜层192平面传播并被收集，形成主要的微区电流，第一电流计11用于测量此电流，通常是纳安培量程的。此外还有一小部分电子，在薄膜层192中没有经过任何碰撞散射而弹道输运到薄膜层192和衬底191的界面，如果具有足够高的能量，就有可能越过界面势垒进入衬底191，被连接在衬底191上的另一个电极接收，这部分电流就称为弹道发射电流IBEEM，第二电流计12用于测量此电流，通常是皮安培量程的。而反之，如果这部分电子的能量低而不足以克服界面势垒时，在衬底就无法形成弹道电流。根据实验结果对界面势垒
Figure BDA0000072946830000021
更加精确的估算可从下面公式中拟合出：
Figure BDA0000072946830000022
因此，在BEEM中，通过针尖样品间偏压与弹道电流关系的测量，可在扫描样品形貌像的同时，获得隐埋在表面以下的界面的势垒高度等性质。
然而，上述弹道电子发射显微方法的局限性在于既使用针尖样品间的隧道电流作为针尖样品间距离调控的手段，同时又使用这个电流作为分析表面和界面电学性质的手段。这使得：第一，它只能适用用于表面处处都导电的样品，而当样品表面具有纳米结构，在同一偏压下部分区域导电性好、部分区域导电性差的样品，它无法在样品表面稳定地成形貌像和探测分析局域电学性质。第二，它在采集针尖样品间电流-电压特性的时候，必然要切断通过探测针尖样品间隧道电流来控制针尖样品间距离恒定的反馈回路，从而对整个测量装置的机械稳定性提出了极高的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法，能够克服现有技术中的上述诸多缺陷。
为了解决上述问题，本发明提供了一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置，包括导电原子力探针、电源、探针控制器、第一电流计、第二电流计、样品台以及样品；样品置于样品台上，样品内部包括一界面；电源、导电原子力探针和样品相互串联组成了第一电学回路，第一电流计测量此第一电学回路中的电流；样品下表面和样品上表面通过外接导线组成第二电学回路，第二电流计用于测量此第二电学回路中的电流，探针控制器与导电原子力探针以及样品连接，用于捕捉导电原子力探针与样品之间的力学信号。
作为可选的技术方案，样品进一步包括衬底和薄膜层，所述样品中的界面为衬底和薄膜层的界面。
一种采用上述装置测量原子力显微镜测量样品界面势垒的方法，包括如下步骤：将样品固定于原子力显微镜的样品台上；从样品表面的薄膜层和衬底分别引出导电引线，这两个引线分别连接到第一电流计和第二电流计；采用探针控制器控制导电原子力显微镜的导电原子力探针以接触模式工作；在导电原子力探针的针尖和样品间加直流电压，第一电流计和第二电流计分别记录样品上表面和下表面电流信号；改变直流电压的大小和方向，记录针尖附近局域的电流-电压谱线，以其中弹道发射电流IBEEM与直流电压的关系拟合出该点的界面势垒；通过在表面移动探针针尖，逐点进行上述测量，来表征界面势垒在在空间上的分布。
作为可选的技术方案，通过探测针尖与样品间力的相互作用维持针尖与样品间的距离不变。
作为可选的技术方案，通过模数转换卡将电流信号转化为电压信号。
本发明的优点在于，采用了原子力显微镜代替现有技术中的扫描隧道电子显微镜作为探针，原子力显微镜以针尖和样品间的力学相互作用为控制针尖样品间距离的反馈信号。而使用金属探针的原子力显微镜，在针尖样品间加以一定的电压，就可以分别探测样品表面薄膜层和衬底上收集到的电流，也能如上述弹道电子发射显微术一样实现对样品界面势垒的分析。它控制针尖样品间距离和探测分析局域电学性质使用不同的物理信号，既能在不切断针尖样品间距离反馈控制的情况下采集局域电学信息，同时又能在部分区域导电的样品表面稳定工作，从而突破以扫描隧道显微镜技术为基础的界面势垒分析方法的局限。
附图说明
附图1所示是现有技术采用扫描隧道显微镜测量样品界面势垒装置的基本结构示意图。
附图2所示是本发明采用原子力显微镜测量样品界面势垒装置的基本结构示意图。
附图3所示是本发明采用原子力显微镜测量样品界面势垒方法的实施步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置以及方法的具体实施方式做详细说明。
附图2所示是采用原子力显微镜测量样品界面势垒装置的基本结构，包括导电原子力探针20、电源13、探针控制器21、第一电流计11、第二电流计12、样品台14以及样品19，样品19进一步包括衬底191和表面的薄膜层192。
电源13、导电原子力探针20和样品19相互串联组成了第一电学回路，第一电流计11用于测量此回路中的电流；衬底191接地，并和表面的薄膜层192组成第二电学回路，第二电流计12用于测量此回路中的电流，该电流来自于导电原子力探针20发射的弹道输运到衬底191和薄膜层192中的热电子。探针控制器21与导电原子力探针20以及样品19连接，用于捕捉导电原子力探针20与样品19的力学信号，以控制导电原子力探针20与样品19的间距。
附图3所示是采用原子力显微镜测量样品界面势垒方法的实施步骤示意图。
步骤S20，将样品19固定于原子力显微镜的样品台14。
步骤S21，在样品19表面的薄膜层192和衬底191分别引出导电引线，这两个引线各连接到第一电流计11和第二电流计12。
步骤S22，采用探针控制器21控制导电原子力显微镜的导电原子力探针20以接触模式工作，通过探测针尖与样品19间力的相互作用维持针尖与样品19间的距离不变。
所谓接触模式就是针尖不振动，当针尖接触样品表面时，针尖样品间力的作用会使得原子力显微镜(AFM)探针的悬臂弯曲。通过探测悬臂弯曲的程度探知针尖样品间力的作用，通过反馈回路维持这个力的恒定，从而保持针尖样品间距的恒定。而对于现有技术中采用隧道扫描电子显微镜(STM)的情况，针尖靠近样品足够近时，在针尖样品间偏压的作用下会有电流产生，这个电流和针尖样品间距离相关，通过维持这个电流的恒定来维持针尖样品间距离的恒定。因此，本发明与现有技术之间区别在于STM必须在处处导电的样品表面才能稳定的扫描成形貌像，在不导电的区域就不能维持针尖样品间距离；而AFM由于借助力学反馈，不管样品表面是不是处处导电，都能稳定的扫描形貌像。此外，在STM中，正是由于电流既作为电学探测信号，又作为维持针尖样品间距离的反馈信号，在采集电流谱时必然暂时切断反馈回路，而在扫描形貌的时候则不能采集电流谱。
步骤S23，在导电原子力探针20的针尖和样品间加直流电压，两个电流计——第一电流计11和第二电流计12分别将薄膜层和衬底收集到的电流信号转换为电压信号并通过模数转换卡(未图示)由控制电脑采集并记录。当导电原子力探针20的针尖与样品19间偏压增大到一个阈值电压使得表征衬底19的第二电流计12中出现明显的电流时，这个阈值电压就与针尖下方薄膜与衬底间的局域界面势垒相当。
步骤S24，通过在表面移动探针针尖，逐点进行上述步骤S23的测量，将各点测得的界面势垒形成二维图像，用以表征界面势垒在在空间上的分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置，其特征在于，包括导电原子力探针、电源、探针控制器、第一电流计、第二电流计、样品台以及样品；样品置于样品台上，样品内部包括一界面；电源、导电原子力探针和样品相互串联组成了第一电学回路，第一电流计测量此第一电学回路中的电流；样品下表面和样品上表面通过外接导线组成第二电学回路，第二电流计用于测量此第二电学回路中的电流，探针控制器与导电原子力探针以及样品连接，用于捕捉导电原子力探针与样品之间的力学信号。
2.根据权利要求1所述的采用原子力显微镜测量样品界面势垒的装置，其特征在于，样品进一步包括衬底和薄膜层，所述样品中的界面为衬底和薄膜层的界面。
3.一种采用权利要求1所述装置测量原子力显微镜测量样品界面势垒的方法，其特征在于，包括如下步骤： 将样品固定于原子力显微镜的样品台上； 从样品表面的薄膜层和衬底分别引出导电引线，从薄膜层引出的导电引线连接到第一电流计，从衬底引出的导电引线连接到第二电流计； 采用探针控制器控制导电原子力显微镜的导电原子力探针以接触模式工作； 在导电原子力探针的针尖和样品间加直流电压，第一电流计和第二电流计分别记录样品上表面和下表面电流信号； 在表面移动探针针尖，逐点测量第一电流计和第二电流计采集到的电流，并通过改变直流电压的大小和方向，记录电流-电压谱线，表征界面势垒在在空间上的分布。
4.根据权利要求3所述的采用原子力显微镜测量样品界面势垒的方法，其特征在于，通过探针的针尖与样品间力的相互作用维持针尖与样品间的距离不变。
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