CN114895106B - 基于近场扫描微波显微镜的电阻率测量方法 - Google Patents

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Abstract

基于近场扫描微波显微镜的电阻率测量方法，涉及材料测量技术。本发明包括下述步骤：1)采用近场扫描微波显微镜在给定距离下测量预定数量的、电阻率已知的各样品的品质因数和谐振频率，形成品质因数比值/电阻率关系曲线，以及谐振频率比值/电阻率曲线；2)测量目标物的品质因素和谐振频率，计算出目标物品质因数比值和目标物谐振频率比值，3)将前述目标物谐振频率比值与谐振频率比值/电阻率曲线进行比对，并将前述目标物品质因数比值与品质因数比值/电阻率曲线进行比对，得到目标物的电阻率的数值。本发明可准确测量目标物的电阻率。

Description

基于近场扫描微波显微镜的电阻率测量方法
技术领域
本发明涉及材料测试技术。
背景技术
近场扫描微波显微镜(Near-Field Scanning Microwave Microscopy，NSMM)是一种将微波测量技术与扫描探针技术结合起来的测试技术，通过控制探针与样品间的距离，使样品处于处于微波探针的近场范围内，利用探针针尖处的微波场与样品之间发生相互作用，进一步影响系统的微波参数，因此通过采集得到的谐振频率和品质因数等信息便可反演出样品的电磁信息。
目前，测量样品电阻率的主要方法是采取四探针法，由于这种方法在测量时探针必须接触到样品，对于一些薄膜样品，该方法不可避免地会对样品造成一定程度的损伤。同时，采取这种方法是对样品各个区域相应的积分，因此难以获得材料在纳米尺度的微观特性，而且对样品的形状有一定的要求。
近场扫描微波显微镜利用扫描探针针尖处的微波场与样品相互作用，可以在不接触样品的情况下获得微波参数，同时，由于采用的是尺寸较小的探针，可以将探针的微波场集中在一个很小的范围内，实现对样品的局部测量，并且大大减小了对样品形状的要求。
目前，近场扫描微波显微镜的主要实现方法是通过同轴谐振腔内导体延伸出的探针进行测量，同轴谐振腔可以带来高的品质因数，将其与探针结合可以大大提高测试时的空间分辨率和灵敏度，其示意图如图1所示。在测量时，当针尖与样品的距离H在近场范围内(D<H<<λ，D为针尖特征尺寸，λ为波长)时，探针针尖处激发的电场会与样品相互作用，从而对微波谐振腔产生微扰作用。这种微扰作用不仅受到材料特性(介电常数、电阻率、磁导率等，对于导电样品主要考虑电阻率)的影响，同时也受到针尖和样品间距离的影响，因此排除针尖与样品的距离对测试的影响是测量过程的一个难点。为了精确控制针尖与样品间的距离，常用的方法是软接触接触和音叉测距法等，但这些方法都有特殊的应用条件或者需要添加额外的结构来辅助测试，因此局限性较大。在利用近场扫描微波显微镜测试导电样品时，不仅需要考虑样品电阻率对微波参数的影响，也需要考虑针尖和样品间距离对测试结果的影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对近场扫描微波显微镜测试导电样品时，针尖样品间距离难以精确控制从而对实验结果造成影响，提出了一种基于近场扫描微波显微镜的电阻率测试方法，有效解决了针尖样品间距离对测量结果的影响。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，基于近场扫描微波显微镜的电阻率测试方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)采用近场扫描微波显微镜在给定距离下测量预定数量的、电阻率已知的各样品的品质因数和谐振频率，指定一个样品为基准样品，计算基准样品以外的各样品相对于基准样品的品质因数比值和谐振频率比值，拟合为曲线，形成品质因数比值/电阻率关系曲线，以及谐振频率比值/电阻率曲线；
2)采用近场扫描微波显微镜测量目标物的品质因素和谐振频率，计算出目标物品质因数比值和目标物谐振频率比值，所述目标物品质因数比值为目标物相对于基准样品的品质因素比值，所述目标物谐振频率比值为目标物相对于基准样品的谐振频率比值；
3)将前述目标物谐振频率比值与谐振频率比值/电阻率曲线进行比对，确定目标物的电阻率的正负；前述目标物品质因数比值与品质因数比值/电阻率曲线进行比对，确定目标物的电阻率的绝对值；进而得到目标物的电阻率的数值。
进一步的，所述给定距离的范围为1～40微米。
本发明以符号“～”表示的数值范围包含范围两端的端点值。
本发明通过不同样品间ΔQ值对距离的不敏感性，有效减少了针尖样品距离对电阻率测量的影响，可准确测量目标物的电阻率。
附图说明
图1为近场微波显微镜的系统结构示意图；其中，1为z轴位移台支撑架，2为xy轴位移台，3为z轴位移台，4为谐振腔，5为探针，6为待测样品，7为矢量网络分析仪，8为计算机；为清楚展示结构，对谐振腔部分即探针进行了放大；
图2为ρ1，ρ2，ρ3，ρ4号样品的谐振频率和系统Q值随针尖-样品距离变化关系图。其中图2(a)为谐振频率fr随距离变化关系图，图2(b)为品质因数Q随距离变化关系图。
图3为ρ1样品与ρ2，ρ3，ρ4样品品质因数Q作差随距离变化曲线图。
图4为不同高度下的各样品的品质因数比值随电阻率变化关系图。
图5为不同高度下的各样品的谐振频率比值随电阻率变化关系图。
图中H表示针尖-样品距离。
具体实施方式
本发明包括下述步骤：
步骤1、选择多个电阻率已知的样品，按照电阻率由小到大的顺序将样品依次编号为1，2，3，...，对应的电阻率依次为ρ1，ρ2，ρ3，...。
步骤2、将第1个样品放置于探针下方，调整步进电机使得探针样品间距离在光学显微镜下已十分接近但不接触，并标记此位置为零点，抬升步进电机一定距离n，设置步进电机的步长为a，步数为b(a*b＝n)，步进电机控制探针以步长a向样品方向移动，步进电机控制探针以步长a向样品方向移动并同步扫描对应距离下的谐振频率fr与品质因数Q。a、b、n皆为预设数值。
步骤3、控制探针离开样品，使步进电机回到距离零点处n的高度。
步骤4、依次对样品通过步骤2和步骤3进行测量，得到其不同高度下的谐振频率fr与品质因数Q。
步骤5、将第一个样品的品质因数Q分别与其他样品的品质因数Q作差值得到ΔQ，由ΔQ的分布可见不同样品间ΔQ值对距离的不敏感性，即ΔQ值与距离无关。
步骤6、将第一个样品作为基准样品，其品质因数Q编号为Q0，其他样品电阻率由小到大分别为Q1，Q2，Q3...，将其他样品的品质因数Q除以Q0，提取不同高度下的Qx/Q0，作出Qx/Q0与电阻率关系曲线。
步骤7、将样品的谐振频率按电阻率由小到大的顺序编号为f0，f1，f2，f3...，并同步骤6作相同处理。
步骤8、由于Qx/Q0具有双边特性但区分度高，谐振频率fr具有单调特性但不能有效区分参数相近的样品，将未知样品品质因数Q除以Q0，得到Q/Q0，将未知样品的Q/Q0和谐振频率与步骤6拟合曲线和步骤7曲线对比并计算，即可得到样品电阻率。
实施例：
本实施例包括以下步骤：
步骤1、选择同为P型掺杂，<100>晶向，厚度为500μm，尺寸为4英寸的硅晶圆样品，其电阻率分别为0.001Ω.cm，0.01Ω.cm，0.1Ω.cm，1Ω.cm，40Ω.cm，2000Ω.cm，10000Ω.cm，按电阻率从小到大顺序标号为ρ1，ρ2，ρ3，ρ4，ρ5，ρ6，ρ7。
步骤2、将第1个样品放置于探针下方，调整步进电机使得探针样品间距离在光学显微镜下已十分接近但不接触，并标记此位置为零点，抬升步进电机40μm，设置步进电机的步长为0.5μm，步数为80，步进电机控制探针以0.1μm向样品方向移动并同步扫描对应距离下的谐振频率fr与品质因数Q。
步骤3、控制探针离开样品，使步进电机回到距离零点处40μm的高度。
步骤4、重复步骤2和步骤3，对样品ρ1，ρ2，ρ3，ρ4进行测量，得到各样品的谐振频率fr与品质因数Q随距离变化关系，如图2所示。图2(a)为谐振频率fr随距离变化关系图，图中ρ1、ρ2、ρ3曲线重合度较高。图2(b)为品质因数Q随距离变化关系图。
步骤5、将样品ρ1的品质因数Q分别与ρ2，ρ3，ρ4样品的品质因数Q作差值得到ΔQ，由图3可知ΔQ值对距离的不敏感性。
步骤6、将样品的品质因数Q按从小到大顺序编号为Q0，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，用上述品质因数分别除以Q0，得到Qx/Q0，提取出5μm，15μm，25μm，35μm处的数据，作出Qx/Q0与电阻率关系曲线，如图4所示。
步骤7、将样品的谐振频率按电阻率由小到大的顺序编号为f0，f1，f2，f3，f4，f5，f6，并同步骤6作相同处理，如图5所示。
步骤8、由于Qx/Q0具有双边特性，但谐振频率fr具有单调特性，可根据谐振频率与电阻率关系辅助判断，将未知样品的品质因数Q与谐振频率fr上述处理，并与步骤6和步骤7得到的关系曲线对比，即可得到样品电阻率。

Claims (3)

1.基于近场扫描微波显微镜的电阻率测量方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)采用近场扫描微波显微镜在给定距离下测量预定数量的、电阻率已知的各样品的品质因数和谐振频率，指定一个样品为基准样品，计算基准样品以外的各样品相对于基准样品的品质因数比值和谐振频率比值，拟合为曲线，形成品质因数比值/电阻率关系曲线，以及谐振频率比值/电阻率曲线；
2)采用近场扫描微波显微镜测量目标物的品质因数 和谐振频率，计算出目标物品质因数比值和目标物谐振频率比值，所述目标物品质因数比值为目标物相对于基准样品的品质因数 比值，所述目标物谐振频率比值为目标物相对于基准样品的谐振频率比值；
3)将前述目标物谐振频率比值与谐振频率比值/电阻率曲线进行比对，并将前述目标物品质因数比值与品质因数比值/电阻率曲线进行比对，得到目标物的电阻率的数值。
2.如权利要求1所述的基于近场扫描微波显微镜的电阻率测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，目标物品质因数比值与品质因数比值/电阻率曲线进行比对以确定目标物的电阻率的绝对值，目标物谐振频率比值与谐振频率比值/电阻率曲线进行比对以确定目标物的电阻率的正负。
3.如权利要求1所述的基于近场扫描微波显微镜的电阻率测量方法，其特征在于，所述给定距离的范围为1～40微米。
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