JP2005528619A - 走査型容量顕微鏡検査法のための直接的な低周波静電容量測定 - Google Patents
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Abstract
Description
lafm=jωVo(Cts+Cstray)+Vo/Rfilm
および
lbc=−jωGVoCcc
ここで、Gはバッキング回路の利得である。これは、バッキング電流の位相が、試料に適用された信号に関して180°位相がずれるように調整されることを前提とする。GがG=Cstray/Cccであるように調整された場合、電流増幅器への入力における正味電流は次式によって与えられる。
lnet=jωVoCts+Vo/Rfilm≡Jlim+lreal
大きい漂遊容量を通る変位電流は、電流増幅器が過負荷になることなく高利得で動作され得るように、バッキング回路によってほとんど打ち消され得る。Inetの同相部分(Ireal)および位相外れ部分(Iim)は、先端が走査された時にデュアルチャネルロックイン増幅器により独立して測定され得る。
(1)プローブアセンブリが表面に向けてほぼ一定の速度で移動される際の静電容量Craw対プローブ高さzを測定する[例えば、図9(b)に示すように]。それをもとに、先端が試料との接触を外れた時(すなわち、先端が試料と急激に接触する前)の曲線の傾きを求める。この量をdC/dz|out of contactと呼ぶ。
(2)その後、試料のかなり大きい(例えば数μm)領域を先端を接触させて走査しトポグラフィーデータ[すなわちz(x,y)]および静電容量データ[Craw(x,y)]を同時に測定する。
(3)トポグラフィーデータに対するあらゆる平均傾きを除去するために適格な方式で(例えば、AFMイメージング用の従来のAFM分析ソフトウェアによって行われるように)トポグラフィーデータを平坦化する。これはz(x,y)を付与する。しかし、1つの走査線だけが与えられた場合(例えば、xまたはy方向での走査のみ)、関数はz(x)またはz(y)であろう。
(4)δCcorr(x,y)=−z(x,y)(dC/dz|out of contact)を用いて平均先端の変化に起因するロングレンジの寄生容量の変化δCcorr(x,y)を計算する。
(5)補正データを与えるためにCraw(x,y)からδCcorr(x,y)を減算する。
(6)この補正データをその平均傾きを除去する(例えば、トポグラフィーデータについて工程(3)で行われたように)ことによって平坦化する。これは、走査の間のプローブアセンブリの傾斜によって生じたロングレンジの漂遊容量のあらゆる変化を実質的に除去する。それはまた、トポグラフィーデータが工程(3)で十分に平坦化されなかった場合に導入され得る(人工的な)平均傾きもほとんど除去する。生の静電容量はδCcorr(x,y)が減算される前後どちらでも平坦化され得ることを理解しなければならない。この工程は、いずれかの(例えば任意の)参照値に対するショートレンジの(nmスケール)静電容量の実際の横方向変動をもたらす。
δz=5aF/(0.1(dC/dz)0)
約2〜4aF/nmの間の典型的な(dC/dz)0値により、12〜25nm未満のトポグラフィー変動は、この実施形態における5aFノイズレベルより小さい説明のつかない静電容量変動を生じるであろう。それゆえ、12〜24nm未満の粗さを備える試料表面で、例示的システムの0.35aF/√Hzノイズレベルまでの先端−試料間静電容量変動は、寄生容量を明らかにした後に測定され得る。
(1)力較正曲線の間におけるカンチレバーのたわみおよび(いずれかの参照レベルに対する)プローブ−試料間静電容量の変化を(すなわちプローブアセンブリ高さzの関数として)測定する。
(2)非接触データを滑らかに変化する関数に適合させる。上記の例では二次適合が使用されたが、線形適合もまた使用できたであろう。
(3)この滑らかな関数を静電容量データから減じて「残留容量」をzの関数として得る。
(4)カンチレバーのたわみがゼロであるz位置で残留容量を評価する。これは「nmスケール」静電容量Ctsの大きさである。
Claims (22)
- 静電容量を測定するためのシステムであって、
AC電圧を供給するよう構成された電源と、
前記電源と電気的に連通し、誘電層および基板層を含む試料と、
前記試料の前記誘電層にほぼ隣接したプローブと、
前記電源と電気的に連通している移相器と、
前記移相器の出力を受けるよう構成された結合コンデンサと、
前記プローブおよび前記結合コンデンサから正味電流を受けるよう構成された電流増幅器と、
前記正味電流の変位分および散逸分を決定するよう構成されたロックイン増幅器と、
から成るシステム。 - 前記電源は、約3kHz乃至約7kHzの周波数を有する正弦波電圧を供給するよう構成されている請求項1記載のシステム。
- 前記電源は、約1MHzの周波数を有する正弦波電圧を供給するよう構成されている請求項1記載のシステム。
- 前記試料はSi上に成長させたSiO2を含む請求項1記載のシステム。
- 前記プローブは原子間力顕微鏡(AFM)の構成部品である請求項1記載のシステム。
- 前記プローブは、
カンチレバーと、
前記試料の前記誘電層にほぼ隣接するように前記カンチレバーから突出する先端と、
前記カンチレバーに固定されたカンチレバーチップと、
を含む請求項1記載のシステム。 - 前記プローブは前記試料を走査するよう構成されている請求項1記載のシステム。
- 前記移相器は、前記AC電圧に対してほぼ180°位相がずれている前記出力を生じるよう構成されている請求項1記載のシステム。
- 前記試料と前記プローブとの間の静電容量が、変位電流が流れるよう構成されている静電容量Cstrayを含み、
バッキング電流が、前記静電容量Cstrayを通る前記変位電流がほとんど無効にされるように前記静電容量Cccを通じて駆動されるよう構成されている請求項1記載のシステム。 - 前記電源と前記移相器との間に挿入された利得増幅器をさらに含む請求項1記載のシステム。
- 前記試料と前記プローブとの間の静電容量が静電容量Cstrayを含み、
前記結合コンデンサは静電容量Cccを有しており、
前記利得増幅器の利得がCstray/Cccにほぼ等しい請求項10記載のシステム。 - 静電容量を測定する方法であって、
誘電層および基板層を含む試料を準備し、
前記試料の前記誘電層にほぼ隣接してプローブを位置決めし、
プローブ−試料電流がプローブ−試料接合点を流れるように前記試料にAC電圧を供給し、
前記AC電圧を移相し、
静電容量Ccc内にバッキング電流を駆動し、
正味電流を生じるために前記プローブ−試料電流および前記バッキング電流を加え、
前記正味電流の変位分を決定し、
前記正味電流の前記変位分から静電容量変化を決定する、
各工程から成る方法。 - 前記プローブ−試料電流は、前記試料と前記プローブとの間の静電容量Cstrayを流れる変位電流を含む請求項12記載の方法。
- 前記プローブ−試料電流および前記バッキング電流を加える工程は、前記静電容量Cstrayを流れる前記変位電流をほぼ無効にする前記バッキング電流をもたらす請求項13記載の方法。
- 前記移相する工程は、前記バッキング電流を前記AC電圧に対してほぼ180°位相をずらす請求項12記載の方法。
- 前記AC電圧が前記試料に供給される間に前記試料を横切って前記プローブを走査する工程をさらに含む請求項12記載の方法。
- 前記バッキング電流の利得を調整する工程をさらに含む請求項12記載の方法。
- 前記試料と前記プローブとの間の静電容量が静電容量Cstrayを含み、
前記バッキング電流の前記利得はCstray/Cccにほぼ等しくなるように調整される請求項17記載の方法。 - 前記正味電流の散逸分を決定する工程と、
前記プローブと前記試料との間の散逸変動を前記正味電流の前記散逸分を用いて決定する工程と、
をさらに含む請求項12記載の方法。 - 静電容量を決定する方法であって、
誘電層および基板層を含む試料を準備し、
前記試料の前記誘電層にほぼ隣接してプローブの先端を位置決めし、
前記試料を横切って前記先端を走査する間に前記試料にAC電圧を供給し、
静電容量データを、前記試料に対するプローブ高さの関数および横方向プローブ位置の関数として決定し、
前記試料に対する前記プローブの横方向位置および高さに起因する静電容量変化を解明する、各工程から成る方法。 - 前記静電容量変化を解明する工程は、
前記先端が前記試料に接近する際に静電容量対プローブ高さ曲線の傾きを決定する工程と、
前記試料のトポグラフィーデータを決定する工程と、
前記トポグラフィーデータを平坦化する工程と、
前記傾きおよび前記トポグラフィーデータを用いて静電容量変化を決定する工程と、
補正データを得るために前記静電容量データから前記静電容量変化を減じる工程と、
前記補正データを平坦化する工程と、
を含む請求項20記載の方法。 - nmスケール先端−試料間静電容量を測定する方法であって、
カンチレバーのたわみおよび参照レベルに対するプローブ−試料間静電容量の変化をプローブアセンブリ高さの関数として測定し、
非接触データを関数に適合させ、
前記プローブアセンブリ高さの関数として残留容量を得るために静電容量データから前記関数を減じ、
前記カンチレバーのたわみがゼロであるz位置で前記残留容量を決定する、
各工程から成る方法。
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