CN1244817C - 带悬臂与屏蔽的静电力显微镜以及确定静电力、膜厚度的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量被测样品(40)的静电力的静电力显微镜，包括：检测器(10)，其悬臂(12)在一端有一尖头形状(14)，且定位成在尖头上由被测样品上的静电电荷感应出静电力；光学系统(20)，用于将头头上感应的静电力造成的悬臂弯曲转换成电信号，且含有尖头上感应的静电力的频率分量；向检测器加偏压的源(92)；检测器电路(30)，用于检测检测器尖头感应的静电力的频率分量，中测量被测样品上的静电力；以及在操作上与悬臂相关联的静电屏蔽。

Description

带悬臂与屏蔽的静电力显微镜以及 确定静电力、膜厚度的方法

相关申请的交叉参照

在此提出的申请要求对1998年11月6日提出的临时申请No.6/107,400具有优先权，所述申请题为“用于静电力显微镜的带悬臂与屏蔽的静电力检测器”，将其引用在此作参照。

发明背景

电子照相技术总是希望硬拷贝具有更高的空间分辨率和优质的全色图像，而感光器则是获取优质硬拷贝的关键装置。虽然一方面要求精密测量感光器鼓的电荷分布。虽然一方面要求精密测量感光器鼓的电荷分布，但是另一方面，目前商品化设备的空间分辨率仍然很低。在电子照相和半导体研究方面，都要求以极高的空间分辨率作电荷分布测量，希望测量系统能利用静电力使空间分辨率小于10μm直径。激光打印机早已具有600dpi或更高的空间分辨率，这表明每个像素的直径接近21μm。有关扫描静电力显微镜的研究工作一直在进行着，然而，这些研究工作的理论方面只涉及到分析平行板模型，并未深入讨论检测器指针对电荷分布测量结果的影响。

悬臂形传感器通常应用于原子力显微镜、静电力显微镜和类似的临界尺寸测量仪器，这类场合中的悬臂总是包括一根指针或尖头检测器部件和一个臂部件。若在指针件上出现静电力，就会在臂件上出现同一静电场引起的另一静电力，由此产生测量误差。因此，渴望对该臂件作屏蔽以防静电力出现在臂件上，从而提高测量精度。

发明内容

本发明提出的静电力显微镜用于测量被测样品的静电力，包括：检测器，它有一条悬臂，其一端为尖头形，并设置成在尖头感应出被测样品上的静电荷引起的静电力；光学系统，将尖头上感应的静电力造成的悬臂弯曲转换成电信号，且含有检测器尖头感应的静电力的频率分量；把偏压加到检测器的装置；检测检测器尖头感应的静电力频率分量，从而测量出被测样品上静电力的装置；以及在操作上与悬臂相关联的静电屏蔽。屏蔽位于悬臂与被测样品之间，尤其与悬臂紧密相隔。悬臂与屏蔽保持同电位，使静电力线终止于屏蔽。

附图简介

图1是本发明的静电力显微镜的示意图；

图2是平行平面模型的示意图；

图3示出FEM计算的网格；

图4-6是表示本发明诸方面的油线图；

图7是列出比较数据的表，示出本发明检测器中悬臂的灵敏度；

图8表示有限元计算的网络；

图9是表示本发明另一方面的曲线图；

图10A-10C示出本发明不同形状的检测器；

图11是一透视图，表示本发明的静电力显微镜的系统头部；和

图12示出本发明的屏蔽。

示例实施例的详细描述

适用本发明的一种代表性静电显微镜结构示于图1。该系统包括：带悬臂10且包括臂12与指针或尖头14的精密检测器；包括激光器22和光检测器24的光学系统20；检测电路30；被测样品40，操作时与压电驱动器等执行器44相关联，而后者又与执行器44的扫描器48在操作上关联；接至检测电路30输出端的处理器50；可控直流电压源60；反馈电路70，其输入端接至检测电路30的输出端。输出端以控制关系接至直流源60；和交流源80。被测样品40接在直流源60与电气接地或参照点之间。直流源60与交流源80组合起来接至检测器臂12和检测电路30。

被测表面40上的电荷在检测器尖头14上感应出静电力，使悬臂弯曲，而悬臂的两端之一固定于换能器90的实体上，弯曲量以光-杆法转换成电信号。包括直流与交流的外部偏压经导体92加给检测器以区分电荷的极性，偏压Vt由公式(1)给出。接着，检测器接收含ω与2×ω频率分量的振动力。若认为检测器尖头与金属基板之间的关系是图2所示的平行平面模型，则下面的公式(2)和(3)就给出了探针尖头上出现的静电力的ω与2×ω信息。

V_c＝V_ACSinωt+V_DC                                (1)

$F_{\mathrm{\ω}}=\frac{V_{\mathrm{DC}}-{\mathrm{\ρd}}_o/\mathrm{\ϵ}}{[{d-(1-{\mathrm{\ϵ}}_0/\mathrm{\ϵ})d_0]}^2}{\mathrm{\ϵ}}_{0}S{V}_{\mathrm{AC}}\mathrm{Sin\ωt}---\left(2\right)$

$F_{2\mathrm{\ω}}=\frac{1}{4{[d-(1-{\mathrm{\ϵ}}_0/\mathrm{\ϵ})d_0]}^2}{\mathrm{\ϵ}}_{0}S{V_{\mathrm{AC}}}^2\mathrm{Cos\ωt}---\left(3\right)$

与上述公式中，Vt是外加偏压，ρ是电荷分布密度，ε为被测样品的介电常数，d_o为介质膜的厚度，d是检测器尖头与金属基板的距离，s是板的面积。若已知ε与do，则通过检测F_ω(静电力的ω分量)或测量V_DC(作为反馈供给检测器，令F_ω为零)，就可得到ρ。若d_o是零，表明被测表面是一固体金属。F_2ω给出被测表面的粗糙度信息，控制d使F_2ω不变，由于必须测量介质膜100上的电荷分布，条件d_o＝0无法实现，所以必须直接测量F_2ω。

为了测得在检测器与被测表面电荷之间感应的静电力，首先要计算在被测表面与检测器之间的空间内因被测表面上的电荷而出现的静电电压分布。为测得电压分布，可求解泊扰方程：

²V＝-ρ/ε_o                   (4)

式中V是准备通过这种计算得到的电压，ρ是电荷分布密度，εo为真空介质电常数。该静电电压可运用计算机增强的数字数据来目测。计算机增强可以应用有限元法，一种由Nihom Soken(日本研究所有限公司)设计的UNIX工作站软件。

其次，利用上述的电压分布来确定检测器与被测表面周围的静电场分布。再次，根据以上两步得到的数据，计算在检测器与被测表面电荷之间感应的静电力。

已计算了三个不同形状的检测器的静电力。在第一检测器中，尖头110具有图10A所示的柱形，尖头直径为20μm，长为50μm；在另一检测器中，尖头112具有图10B所示的锥形，悬臂的直径为20μm，尖头半球113的直径为5μm；还有一个检测器的尖头114具有图10C所示的完全的或垂直的锥形，悬臂直径为20μm，高10μm。柱形检测器FEM计算的网格结构120示于图3。对靠近检测器尖头的区域作精细的计算，在相对远离检测器的区域中作较粗糙的计算。计算条件如下：

1)被测表面包括一块金属基板一层介质膜，介质膜厚15μm～5μm，相对介电常数为3。

2)检测器位于被测表面上方，检测器尖头与金属基板的距离为30μm。

3)1fc(1×10-15c)的电荷位于被测表面上的检测器下方。

对三种不同形状的检测器都计算了静电力。计算时，介质膜厚度由15μm变为25μm。这些计算结果提供了检测器的形状差异如何影响电荷检测的信息。

图4～6中计算的值表明检测器对被测表面产生的静电力的垂直分量。可以确认，尖头有致宽区域且与被测表面平行的检测器，能产生更大的静电力。结果表明，若要求更高的空间分辨率，就得牺牲灵敏度，反之亦然。于是，总得按照要求的空间分辨率来研究检测器的形状。可以确认，检测器尖头见到被测表面的区域越宽广，则检测出的静电力越大。

对于常规的平行板模型，通过第一次用检测器上的静电力获得-电容来获取被测表面上的电荷量，然后对上述数字公式(2)把该电容当作常数而获取该电荷量。具体做法是，对于柱形检测器，在d_o＝20(μm)时，先获得作为平行板模型的等效面积，然后用图4的虚线绘出与d_o变化有关的平行板模型的静电力变化。该平行板模型的实际面积是282(μm)²。具体而言，参照图4，曲线130表示图10A的柱形检测器110，曲线132表示图10B的半球尖头型锥体112，曲线134表示图10C的锥型114，曲线136表示平行板模型。发现在三种不同的模型中，即使是形状板其接近于平行板模型的柱形模型检测器，其结果也不同于平行板模型的结果。

当检测器与被测表面的距离(d-d_o)减小时，平行板模型与新计算值之间的误差就增大，当距离达到d_o＝25(μm)时，预计误差为50％。这一结果表明，每当介质材料(被测表面)的膜厚度变化时，实际检测器上平行平面区的等效面积就发生变化。

为了用2×ω分量作膜厚测量，必须在该平行模型中若干不同的点按厚差异获取等效面积，或者分析直接出现在检测器上的实际静电力。将该误差与d_o＝20(μm)的膜厚变化一起作参照。如图5所示。具体而言，曲线140表示图10A的柱型检测器110，曲线142表示图10B的半球尖头锥型112，曲线144表示图10C的锥型114。可以看出，膜厚为20±5(μm)时，误差为-50％～250％，尤其在检测器更接近被测表面时，误差就增大。因此，结果示明，若被测表面不完全平整，无法以平行板模型获得准确的电荷量。为使误差减成小于10％，必须使膜厚测量的分辨率为0.1～0.5(μm)。

如果介电常数不是无限大，而且被测表面的底部很平整，可用下述方法测量膜厚度。首先，让检测器尖头接触被测表面的底部，校正参照点。接着运用图1所示压电元件44与扫描器48的组合将检测器的位置上移，使该位置设置在高点。通过测量压电元件的电压变化，测量检测器的漂移量。然后，预先以检测器尖头与被测表面之间固定的距离，对介质膜各种膜厚计算每个F_2ω分量，从而将计算结果用作膜厚测量的参数。因此，根据测量数据与计算结果可得到膜厚度。

对检测器的静电力(F_2ω分量)与膜原变化一起计算。对检测器加10伏交流偏压，结果如图6所示。具体而言，曲线150表示图10A的柱型检测器110，曲线152表示图10B的半球尖头锥型112，曲线154表示图10C的锥型114。预计最小的静电力出自小锥形检测器模型，可以检测出膜厚变化0.5μm造成的约12(PN)的静电力差值，膜厚变化引起的可检出的静电力大于力检测中常规原子力显微镜(AFM)的分辨率。根据计算，确信能用轻微的杠杆作用以0.5(μm)的分辨率测量d_o。

根据上述计算结果，将制作的若干检测器附接于每条悬臂，悬臂尖头的直径为几到10(μm)。检测器选用的材料是镍箔，弹性常量范围为几到10mN/m。所制作的检测器与悬臂的物理尺寸和弹性常量，以及商品化带悬臂的原子力显微镜(AFM)检测器的特性，均列于图7的表中。如上所述，将制作的悬臂的弹性常量选择成几乎与常规AFM悬臂的弹性常量相同。得到的检测器的尖头直径能小于5(μm)。应能以10(μm)的空间分辨率实现小于1(fc)c的静电电荷测量分辨率，它能对检测器尖头产生几(pV)的静电力。其次，按图4的计算方法计算检测器上出现的静电力，计算模型与结果分别示于图8和9。具体而言，FEM计算的网格结构160示于图8，而图9中的曲线162与164分别表示F_ω与F_2ω分量。但要指出，仅用计算模型的对称特性对实际三维模型的四分之一部分作了计算，因为计算机系统的存储器容量有限，检测器指针较长，因而必须对FEM计算大量的元与节点。

根据这些计算发现，对于20(μm)的膜，每一(μm)的检测误差为19.5％/μm，为了将该误差减到小于10％/μm，必须以小于0.5(μm)的分辨率作膜厚测量。若对检测器施加VAS＝15伏，由于交流电场的缘故，F_2ω以比率1pN/μm而变化，所以能以0.5(μm)分辨率作膜厚测量。在上述偏置条件下进行测量，检测器尖头的场强为5.8×10⁶(V/m)，与开始发生电晕放电约10⁹(V/m)场强相比，该场强已足够低了，因而不会产生电晕。因此，应用本发明的检测器，可对被测样品测量膜厚度和电荷量。此外，膜厚变化引起的成熟错误的电荷量读数可以减至小于10％。

图11的系统头部示意图还示出了上述的静电力显微镜。检测器170的尖头172位于悬臂174的一端，臂174的另一端固定于主体176，后者在操作上与悬臂角度和测微计头部的控制器178相关联。激光头180发出的光束182由线路184聚集到检测器170上，小镜186将反射光束188引到柱透镜190，后者将光束集中到光检测器192上。被测表面194位于在操作上与x-y台198相关联的压电执行器196上。

利用上述的方法和设备，在相对大的区域如几百cm²内以相对高的空间分辨率与电荷分布的精密测量作扫描。考虑了检测器尖头或指针的形状的影响，并且校正了介质膜厚度变化对被测样品的影响。应用早先描述的有限元方法分析检测器上的静电力，可以估算检测器形状与膜厚度变化造成的影响。如果非要作膜厚度测量，则可测量精密的电荷分布量。误差根据膜厚度计算，通过检测F_2ω来实施膜厚度测量法。

已经设计制作了上述带悬臂的静电力检测器，可在位于导电表面上的介质膜上检测静电电荷。已经确认，本方法通过获取静电力而求出一定膜厚度d_o上的静电电荷量，静电力随膜厚度d_o而变化，因为观察被测表面的检测器尖头的等效面积随d_o而变化。还示出了几个具体的实例。计算了膜厚度变化产生的绝对误差量，证明可以不求出膜上的绝对静电电荷量，无须通过求出介质膜厚度变化来补偿数据。提出的一种膜厚度测量法从施加的交流偏压中检测F_2ω分量，并确认膜厚度d_o变化造成的误差在理论上可减至小于10％。带悬臂的检测器用镍箔制作。计算了检测器上出现的静电力，确认静电电荷测量的灵敏度可优于1fc，空间分辨率为10(μm)。根据这些结果，可同时测量被测样品的静电电荷和膜厚度，因而可望测量被测样品上的绝对静电电荷量。

在上述的静电力检测器中，当静电力出现在或施加于检测器尖头14或指针部分时，同一静电场造成的附加静电力就出现在检测器的臂部分12，这会造成测量误差并降低空间分辨率。根据本发明，检测器的悬臂部分经屏蔽可防止静电力出现在其上，从而提高了测量精度。参照图12，图中示出了原子力或静电力显微镜的检测器200，像图1的检测器10一样，它包括悬臂202和指针或尖头204。指针204有各种形状与大小，在本发明的检测器200中，指针204的长度大于这类已知检测器的长度。图12所示指针204的示例性形状为端部有一半球的柱形。根据本发明，静电屏蔽210在操作上与检测器200的悬臂202相关联。屏蔽210是长条形金属，位于悬臂202与被测样品之间(图12中未示出)，与臂202紧密相间，其长度最好与臂202的长度一样，至少是以屏蔽臂202暴露于被测样品的长度部分。在图12所示结构中，屏蔽210的宽度大于臂202的宽度。然而，屏蔽210可具有任意期望的宽度，通常至少与臂202的宽度一样。

要求悬臂202与屏蔽210保持同电位，于是电力线终止于屏蔽210，当忽略未部署于悬臂202的屏蔽210时，在臂件202上必然产生静电场力。在图12中运用施加于臂202与屏蔽210二者的电位源216表示。当然，也可用其它结构使臂202与屏蔽210保持同电位。

数学分析能证明屏蔽是如何减小静电力作用的。已经证实，与出现在指针204上的力有关的出现在臂件202上的力为42％，而在设置了屏蔽210后，与出现在指针204上的力有关的出现在臂件202上的力变为0.15％，基本上可忽略掉出现在臂件202上的力的作用。

显然，本发明实现了其预定目标。虽然描述了本发明一实施例，但它仅是示例不作限制。

Claims (25)

1.一种静电力显微镜，用于测量被测样品的静电力与膜厚度，其特征在于包括：

a)包括悬臂的检测器，所述悬臂在一端有一尖头形状，并将所述检测器定位成被测样品上的静电电荷在所述尖头上感应出静电力；

b)一种光学系统，用于将所述尖头上感应的静电力造成的悬臂弯曲转换成电信号，且电信号含有检测器尖头感应的静电力的诸频率分量；

c)将组合的交直流偏压加到检测器的装置；

d)检测检测器尖头上感应的静电力的基频和倍频频率分量的装置，所述倍频频率分量对应于所述的静电力的基频频率分量的两倍，因而能同时测量被测样品的静电力与膜厚度；和

e)操作时与所述悬臂相关联的静电屏蔽。

2.如权利要求1所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽位于悬臂与被测样品之间。

3.如权利要求2所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽与所述悬臂紧密贴近。

4.如权利要求1所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽是金属。

5.如权利要求1所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽呈细长条，其长度与宽度足以屏蔽悬臂暴露于被测样品的部分。

6.如权利要求1所述的静电力显微镜，其特征在于包括使悬臂与静电屏蔽保持同电位的装置。

7.一种用于测量被测样品的静电力的静电力显微镜，其特征在于包括：

a)包括悬臂的检测器，所述悬臂在一端有一尖头形状，并将所述检测器定位成被测样品上的静电电荷在尖头上感应出静电力；

b)一种光学系统，用于将尖头上感应的静电力造成的悬臂弯曲转换成电信号，且电信号含有检测器尖头感应的静电力的频率分量；

c)将偏压加到检测器的装置；

d)检测检测器尖头上感应的静电力的频率分量的装置，从而能测量被测样品的静电力；和

e)操作时与所述悬臂相关联的静电屏蔽。

8.如权利要求7所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽位于悬臂与被测样品之间。

9.如权利要求8所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽与所述悬臂紧密贴近。

10.如权利要求7所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽是金属。

11.如权利要求7所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽呈细长条，其长度与宽度足以屏蔽悬臂暴露于被测样品的部分。

12.如权利要求7所述的静电力显微镜，其特征在于包括使悬臂与静电屏蔽保持同电位的装置。

13.一种静电力显微镜，其特征在于利用在所述静电力显微镜的检测器上与测得的由表面上的静电电荷造成的静电力信息，来测量被测样品表面上的静电电荷，所述静电力显微镜包括：将偏压施加到检测器的装置；将静电力造成的悬臂弯曲转换成电信号的光学系统；检测静电力的频率分量的装置；和通过频率分量求得静电力的装置，

其中：

a)检测器悬臂由金属条形成，所述臂面对被测样品的一端有一尖头形状，将尖头形状选择成可提供预定的静电电荷测量分辨率；和

b)操作时与悬臂相关联的静电屏蔽。

14.如权利要求13所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽位于悬臂与被测样品之间。

15.如权利要求13所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽与所述悬臂紧密贴近。

16.如权利要求13所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽是金属。

17.如权利要求13所述的静电力显微镜，其中所述静电屏蔽呈细长条，其长度与宽度足以屏蔽悬臂暴露于被测样品的部分。

18.如权利要求13所述的静电力显微镜，其特征在于包括使悬臂与静电屏蔽保持同电位的装置。

19.一种确定在静电力显微镜的悬臂检测器与被测样品表面上静电电荷之间感应的静电力的方法，其特征在于包括：

a)设置一操作时与悬臂相关联的静电屏蔽；

b)确定检测器与样品表面之间由样品表面上的静电电荷造成的静电电压分布状况；

c)利用步骤b)得到的静电电压分布确定检测器与被测表面周围的静电电场分布；和

d)利用步骤c)得到的静电电场分布和步骤b)得到的静电电压分布，确定在检测器与被测样品上的电荷之间感应的静电力。

20.如权利要求19所述的方法，其特征在于包括将静电屏蔽置于悬臂与被测样品之间。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于包括将静电屏蔽置成与悬臂紧密贴近。

22.如权利要求19所述的方法，其特征在于包括屏蔽悬臂暴露于被测样品的部分。

23.如权利要求19所述的方法，其特征在于包括使悬臂与静电屏蔽保持同电位。

24.一种用权利要求1的静电力显微镜测量被测样品表面上介质膜厚度的方法，其特征在于包括：

a)在静电力显微镜的检测器与被测表面之间作相对移动，使检测器尖头触及介质膜以校正参照点；

b)在检测器与被测表面之间作相对移动，将检测器设置在与被测表面相隔开的位置上；

c)检测检测器的漂移；和

d)确定检测器尖头感应的静电力的频率分量，该分量在检测器尖头与被测表面之间某一固定距离上对应于介质膜厚度的两倍频率，从而能确定膜厚度。

25.如权利要求24所述的方法，其中根据施加的交流偏压检测所述两倍频率分量，以减小膜厚度变化造成的误差。

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