CN109799369A - 原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统，包括信号输入输出仪，电流/压源输出仪，AFM控制器，电子盒,MAC/ACC控制器，光电信号检测器，导电微悬臂探针，样品台，激光信号，样品，电流/压源输出仪连接在信号输入输出仪的电流信号的IN/OUT的BNC端口上，电流/压源输出仪连接电脑主机，信号输入输出仪连接AFM控制器与MAC/ACC控制器以及连接原子力显微镜基座电信号端与AFM控制器，电子盒连接MAC/ACC控制器与原子力显微镜基座电信号端，导电微悬臂探针与电子盒连接，导电微悬臂探针的外侧设有光电信号检测器，光电信号检测器与电子盒连接。本发明实时探测电信号下某微区域的表面电势和电学特性，得出形貌特征。
Description
技术领域
本发明涉及表面形貌，表面局部电势和表面电性能的测量技术，具体的说，公开了一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统，以及该系统的测量方法。
背景技术
开尔文模式(Kelvin Force Microscopy,KFM)是基于原子力显微镜(Atomicforce microscopy,AFM)的轻敲模式(AC Mode or Trapping Mode),利用原子力显微镜的导电探针，实现了样品表面局部电势的表征。开尔文模式检测信号为针尖-样品间的静电力，作为微观尺度下探测样品表面的功函数的高分辨检测技术，其检测机理包括力调制和频率调制，通过调节探针与样品间的电压差值来对两者的静电力进行补偿。
传统的原子力显微镜存在一个缺陷,对于样品的电学性能不敏感。电流敏感扫描模式(Current Sensing Atomic Force Microscope-CSAFM)应运而生,它既能够获得样品的表面形貌,又能获得样品表面层的电性能图像。在接触模式下,在样品和导电针尖之间施加电压偏置,产生用于构建电导率图像的电流。与类似,电流与电压的关系曲线可以在每个测量点进行测量。电流敏感扫描模式在受控环境下的测量以及具有温度控制的测量相兼容。
在现有的技术里可以实现表面形貌，表面局部电势和表面电性能图像的表征，但是不能实现这些信息的同时同位表征，也就是说不能通过一次扫描获得样品的表面形貌，表面局部电势和表面电性能图像。因此，提供一种简便有效的方法解决同步表征与测量，对原子力显微镜测量是一个亟待解决和研究的问题。
发明内容
电学性能和表面电势对于理解微电子器件的功能，导体、半导体材料的电学性能是非常重要的，并且许多测量具有时效性。另外，半导体器件的理想表面是不存在的，当一块半导体有晶体缺陷或吸附原子时，表面理想的周期性晶格发生中断，从而导致禁带中出现电子态(能级)，出现表面态。因此，同时同位探测材料表面的电学性能和表面电势，以及形貌特征时非常有意义的。鉴于传统的原子力显微镜无法实现样品的电学性能和表面电势，以及形貌特征的同时同位表征，本发明正是基于现有技术存在的不足，适应现实需要，提供了一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统，以及该系统的测量方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统，包括信号输入输出仪，电流/压源输出仪，AFM控制器，电子盒,MAC/ACC控制器，光电信号检测器，导电微悬臂探针，用于放置样品的样品台，激光信号，样品，所述电流/压源输出仪连接在信号输入输出仪的电流信号的IN/OUT的BNC端口上，电流/压源输出仪同时连接电脑主机，信号输入输出仪连接AFM控制器与MAC/ACC控制器以及连接原子力显微镜基座电信号端与AFM控制器，电子盒连接MAC/ACC控制器与原子力显微镜基座电信号端，所述导电微悬臂探针与电子盒连接且设置于样品台的上方，所述导电微悬臂探针的外侧设有光电信号检测器，所述光电信号检测器与电子盒连接。
所述探针为导电微悬臂探针。
一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统的测量方法，包括如下步骤：
步骤1.在AFM控制软件里选择KFM开尔文模式，将探针缓慢接近样品，探针位置感应器使探针在合适位置致停，根据实验需要选择针尖放电或者样品导电；在开尔文模式扫描下，外接设备电信号在探针扫描头位置处测量不同电流走向的数据；
步骤2.AFM的开尔文模式正常运行，通过KFM得到探针扫描处的表面电势，以精确数值的形式表达出来；在开尔文模式扫描下，激光信号发射至探针针尖上表面后反射至光电信号检测器，光电信号检测器通过划分四个象限区分收集信号发送至反馈系统，最后控制系统处理信号信息得到样品表面形貌特征；在开尔文力显微镜中利用该技术测试表面电势时，探针与样品表面接触，针尖电势与针尖－样品之间的接触电势差相等时，针尖与样品之间的作用力等于零，此时检测到的针尖电势为针尖与样品的实际接触电势，消除针尖电势即可得到样品的表面电势；
步骤3.电流/压源输出仪通过信号输入输出仪1的电流信号通道向导电探针/样品表面输入不同波形的外加电压，同时信号通过信号输入输出仪回收在电脑主机端处理；
步骤4.利用软件处理将电流信号转换为电压信号，得到样品的伏安特性曲线和不同波形不同频率的外加电压下样品电学特性的变化。
在所述步骤2中，探针扫描处的表面电势的具体获得过程如下：
首先在平行板电容器假设下导出探针与样品间的电场力
然后将探针和样品间实际的电势差代入，包含待测的接触电势差、补偿电势Vdc和引起探针振动的电势Vac
将上式展开，根据作用力与频率的关系分为三类作用力，
当补偿电势Vdc调节至恰好与待测接触电势差相等时，该力为0。
根据力与振幅的关系
可知此时一倍频的振幅为0，将令一倍频振幅为0的那个补偿电势就是要测的表面电势。
在所述步骤4中，得到样品的伏安特性曲线和不同波形不同频率的外加电压下样品电学特性的变化的具体步骤为：在开尔文模式扫描下，通过样品的横向/纵向交流电，被信号输入输出仪采集截取，电流/压源输出仪利用信号输入输出仪回收被采集的流经样品的横向/纵向电流信号，并将信号输送至电脑主机，最后通过软件表达，即可得到样品的伏安特性曲线，以及在不同波形外加电压下，样品电学特性的变化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：突破原有的技术限制，实现表面形貌，表面局部电势和样品微区伏安特性曲线的同时同位表征，且微区的范围甚至可达到几百纳米。这一发明对于表征微电子器件的特征、深入研究半导体中载流子的微观运动机制、微生物活性以及许多机-电和生物现象是非常重要的,并且许多测量具有时效性和机-电耦合特性。
由于有电信号输入，微区的表面电势是一个实时动态的变化值，故可以实时探测在不同电信号下某微区域的表面电势和电学特性，并同时得出形貌特征。本发明将对半导体电学特征的研究提供测试技术的支持。
附图说明
图1为本发明一种原子力显微镜外接设备实现多参数原位测量的仪器连接结构示意图；
图2为图1的测量原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-2，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统，包括信号输入输出仪1，电流/压源输出仪2，AFM控制器3，电子盒,MAC/ACC控制器，光电信号检测器，导电微悬臂探针，用于放置样品的样品台，激光信号，样品，所述电流/压源输出仪连接在信号输入输出仪的电流信号的IN/OUT的BNC端口上，电流/压源输出仪同时连接电脑主机，信号输入输出仪连接AFM控制器与MAC/ACC控制器以及连接原子力显微镜基座电信号端与AFM控制器，电子盒连接MAC/ACC控制器(5与原子力显微镜基座电信号端，所述导电微悬臂探针与电子电子盒连接且设置于样品台的上方，所述导电微悬臂探针的外侧设有光电信号检测器，所述光电信号检测器与电子盒连接。
本发明一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统的测量方法，包括如下步骤：
步骤1.在AFM控制软件里选择KFM开尔文模式，将探针7缓慢接近样品11，探针位置感应器将使探针7在合适位置致停，根据实验需要可选择针尖放电或者样品导电，本实施例选择针尖放电。
在开尔文模式扫描下，外接设备电信号在探针7扫描头位置处可以测量不同电流走向的数据；根据需要选择外加电信号的位置，可以选择通过样品11的横向或纵向交流电，也可以选择通过探针7的针尖放电，此时为施加在样品11上的纵向交流电；
步骤2.AFM的开尔文模式正常运行，通过KFM得到探针7扫描处的表面电势，以精确数值的形式表达出来；
在开尔文模式扫描下，激光信号10发射至探针7针尖上表面后反射至光电信号检测器6，光电信号检测器6通过划分四个象限区分收集信号发送至反馈系统，最后控制系统处理信号信息得到样品11表面形貌特征。
在测量表面形貌特征时，导电探针7针尖与样品11表面发生接触，针尖从样品11表面抬起一个固定高度，在克服掉表面形貌的影响后探针7和样品11表面电荷之间的静电力就会显示出来。优选的，探针7为导电微悬臂探针，探针7的微悬臂梁由于电场力影响产生挠度或振动相位的微小变化，通过对挠度或相位处理信号的采集和处理从而实现表面电势的测量。
在开尔文力显微镜中利用该技术测试表面电势时，探针7与样品11表面接触，针尖电势与针尖－样品之间的接触电势差相等时，针尖与样品11之间的作用力等于零，此时检测到的针尖电势为针尖与样品11的实际接触电势，消除针尖电势即可得到样品11的表面电势。
其具体过程如下:首先在平行板电容器假设下导出探针7与样品11间的电场力
然后将探针7和样品11间实际的电势差代入，包含待测的接触电势差、补偿电势Vdc和引起探针振动的电势Vac
将上式展开，根据作用力与频率的关系分为三类作用力，
从一倍频作用力的表达式可以看出，当补偿电势Vdc调节至恰好与待测接触电势差相等时，该力为0.
根据力与振幅的关系
可知此时一倍频的振幅为0，所以将令一倍频振幅为0的那个补偿电势就是要测的表面电势。
扫描过程使用的是导电微悬臂探针，在针尖或样品11上施加一定偏压，利用AFM的表面成像功能，对样品11表面形貌进行扫描.通过针尖施加直流电场和交流电场，改变直流电场大小直至交流电场所造成的探针7同频率的振幅变化为零，这时的直流电场就是针尖和样品11表面电势差.在表面电势扫描时，按照前面的扫描轮廓抬举一定高度再扫一遍，表面电势的变化就是针尖上增加的直流电场和交流电场的变化。
步骤3、电流(压)源输出仪2通过信号输入输出仪1的电流信号通道向导电探针7/样品11表面输入不同波形的外加电压，同时信号通过信号输入输出仪1回收在电脑主机端9处理。
步骤4、利用软件处理可将电流信号可以转换为电压信号，此时可以得到样品11的伏安特性曲线和不同波形不同频率的外加电压下样品电学特性的变化。
在开尔文模式扫描下，通过样品11的横向/纵向交流电，被信号输入输出仪1采集截取，电流(压)源输出仪2利用信号输入输出仪1回收被采集的流经样品的横向/纵向电流信号，并将信号输送至电脑主机9，最后通过软件表达，即可得到样品的伏安特性曲线，以及在不同波形外加电压下，样品电学特性的变化。
外接设备工作的同时，原子力显微镜开尔文模式正常运行，实时反映某定点的表面电势大小，与样品11电学性能同时同位表达。在扫描表面形貌图的同时也可以得到样品11微区域的表面电势分布图。
其中，步骤2,3,4同时进行，实时反映某微区域的表面电势和伏安特性，并在扫描的过程中呈现出样品11表面的形貌特征。
当进行样品11表面某定点电学性能和表面电势同位分析测量时，反馈控制系统施加的直流电压，及由高分辨率震荡器为控制针尖震荡所施加的交流电压，还有通过电流(压)源输入输出仪2施加的任意外加电压同时施加给导电悬臂探针7使其导电微悬臂探针7的针尖放电。这时，流经样品11的电流属于纵向交流电。调节各项参数使开尔文模式正常运行时，开尔文模式的显示系统会实时反映此点的表面电势相对数值的大小和变化，而通过信号输入输出仪2收集处理的信号可以实时反映电流信号的变化以及伏安特性的变化。所得实验结果为实时变化的反映样品11表面某点的电学性能和表面电势的数值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统，其特征在于：包括信号输入输出仪(1)，电流/压源输出仪(2)，AFM控制器(3)，电子盒(4),MAC/ACC控制器(5)，光电信号检测器(6)，导电微悬臂探针(7)，用于放置样品(11)的样品台(8)，激光信号(10)，样品(11)，所述电流/压源输出仪(2)连接在信号输入输出仪(1)的电流信号的IN/OUT的BNC端口上，电流/压源输出仪(2)同时连接电脑主机(9)，信号输入输出仪(1)连接AFM控制器(3)与MAC/ACC控制器(5)以及连接原子力显微镜基座电信号端与AFM控制器(3)，电子盒(4)连接MAC/ACC控制器(5)与原子力显微镜基座电信号端，所述导电微悬臂探针(7)与电子盒(4)连接且设置于样品台(11)的上方，所述导电微悬臂探针(7)的外侧设有光电信号检测器(6)，所述光电信号检测器(6)与电子盒(4)连接。
2.根据权利要求1所述的原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统，其特征在于：所述探针(7)为导电微悬臂探针。
3.根据权利要求1所述的原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.在AFM控制软件里选择KFM开尔文模式，将探针(7)缓慢接近样品(11)，探针位置感应器使探针(7)在合适位置致停，根据实验需要选择针尖放电或者样品导电；在开尔文模式扫描下，外接设备电信号在探针(7)扫描头位置处测量不同电流走向的数据；
步骤2.AFM的开尔文模式正常运行，通过KFM得到探针(7)扫描处的表面电势，以精确数值的形式表达出来；在开尔文模式扫描下，激光信号(10)发射至探针(7)针尖上表面后反射至光电信号检测器(6)，光电信号检测器(6)通过划分四个象限区分收集信号发送至反馈系统，最后控制系统处理信号信息得到样品(11)表面形貌特征；在开尔文力显微镜中利用该技术测试表面电势时，探针(7)与样品(11)表面接触，针尖电势与针尖－样品之间的接触电势差相等时，针尖与样品(11)之间的作用力等于零，此时检测到的针尖电势为针尖与样品(11)的实际接触电势，消除针尖电势即可得到样品(11)的表面电势；
步骤3.电流/压源输出仪(2)通过信号输入输出仪1的电流信号通道向导电探针(7)/样品(11)表面输入不同波形的外加电压，同时信号通过信号输入输出仪(1)回收在电脑主机端(9)处理；
步骤4.利用软件处理将电流信号转换为电压信号，得到样品(11)的伏安特性曲线和不同波形不同频率的外加电压下样品电学特性的变化。
4.根据权利要求3所述的原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统的测量方法，其特征在于，在所述步骤2中，探针(7)扫描处的表面电势的具体获得过程如下：
首先在平行板电容器假设下导出探针(7)与样品(11)间的电场力
然后将探针(7和样品(11间实际的电势差代入，包含待测的接触电势差、补偿电势Vdc和引起探针振动的电势Vac
将上式展开，根据作用力与频率的关系分为三类作用力，
当补偿电势Vdc调节至恰好与待测接触电势差相等时，该力为0。
根据力与振幅的关系
可知此时一倍频的振幅为0，将令一倍频振幅为0的那个补偿电势就是要测的表面电势。
5.根据权利要求3所述的原子力显微镜外接设备多参数原位测量系统的测量方法，其特征在于，在所述步骤4中，得到样品(11)的伏安特性曲线和不同波形不同频率的外加电压下样品电学特性的变化的具体步骤为：在开尔文模式扫描下，通过样品(11)的横向/纵向交流电，被信号输入输出仪(1)采集截取，电流/压源输出仪(2)利用信号输入输出仪(1)回收被采集的流经样品的横向/纵向电流信号，并将信号输送至电脑主机(9)，最后通过软件表达，即可得到样品的伏安特性曲线，以及在不同波形外加电压下，样品电学特性的变化。
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