Компания Agilent Technologies разработала новый измерительный метод – сканирующую микроволновую микроскопию (СММ), которая уже удостоена ряда престижных наград. СММ объединяет широкие возможности измерений электрических величин микроволновым векторным анализатором цепей (ВАЦ) с наноразмерным пространственным разрешением атомно-силового микроскопа (АСМ). Этот метод может эффективно применяться при проведении разнообразных исследовательских работ.
Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, измерение

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по нанотехнологиям
Под редакцией Ю-Винг Май, Жонг-Жен Ю
Другие серии книг:
Мир материалов и технологий
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #3/2014
Ш.Ву
Сканирующая микроволновая микроскопия: уникальный метод измерений в нанодиапазоне
Просмотры: 5185
Компания Agilent Technologies разработала новый измерительный метод – сканирующую микроволновую микроскопию (СММ), которая уже удостоена ряда престижных наград. СММ объединяет широкие возможности измерений электрических величин микроволновым векторным анализатором цепей (ВАЦ) с наноразмерным пространственным разрешением атомно-силового микроскопа (АСМ). Этот метод может эффективно применяться при проведении разнообразных исследовательских работ.
Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, измерение
Помимо возможности комплексного измерения сопротивления (активного и реактивного), СММ – единственный метод атомно-силовой микроскопии, который обеспечивает количественные измерения электрической емкости и концентрации легирующих примесей. Стандартные образцы для точной количественной оценки свойств материалов и устройств разработаны специалистами Agilent в сотрудничестве с американским Национальным институтом стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology – NIST).

Установка СММ

Сканирующий микроволновый микроскоп состоит из АСМ, сопряженного с ВАЦ производства Agilent [1]. СВЧ-сигнал от анализатора цепей проходит через резонансный контур и поступает на проводящий зонд АСМ, который контактирует с исследуемым образцом. Зонд также служит приемником отраженного от точки контакта СВЧ-сигнала. Измеренные анализатором цепей значения комплексного коэффициента отражения S11 и полные сопротивления образца в каждой точке сканирования могут сопоставляться с топограммой поверхности.

Для формирования согласованного резонансного контура, параллельно нагрузке 50 Ом установлен полуволновой трансформатор импеданса. Этот контур не только улучшает опознавание пиков сигнала, но и значительно расширяет динамический диапазон и чувствительность измерения полных сопротивлений. При модуляции наложением низкочастотного сигнала изменение емкости в результате истощения носителей заряда в полупроводниковом образце или характеристика dC/dV также могут быть определены в полуконтактном режиме работы АСМ, контроллер которого включает цифровые синхронные усилители.

Программное обеспечение контролирует все каналы сбора данных, включая информацию о топографии от контроллера АСМ, амплитуду и фазу коэффициента отражения от анализатора цепей, а также компоненты dC/dV от контроллера полуконтактного режима АСМ. В отличие от приборов некоторых других производителей, в АСМ Agilent применяется не 16-битное, а 32-битное кодирование данных. Это обеспечивает лучшие динамический диапазон и разрешение при исключительно высокой точности измерений. Использование соответствующих стандартных образцов дает возможность количественно измерять значения емкости и плотности легирующих примесей [1].

Использование СММ

Измерения по методу СММ выполняются на фиксированной частоте. Эта частота задается пользователем в диапазоне 2–20 ГГц при максимальном отношении сигнал/шум и лучшей чувствительности измерений. Возможности СММ расширяет модуль измерения профиля распределения легирующей примеси (МИПЛП), который служит для определения калиброванного абсолютного значения концентрации легирующих примесей, что важно для физических исследований в области перспективных устройств.

Для измерения профиля распределения легирующей примеси СВЧ-сигнал от ВАЦ делится в МИПЛП на две составляющие: первая усиливается и используется в качестве локального генератора (ЛГ) сигнала для смесителя dC/dV; вторая усиливается и передается по главному каналу на острие зонда АСМ, куда также поступает низкочастотный (радиочастотный – РЧ) сигнал от внешнего источника, например, генератора функций.

В связи с изменением емкости образца при воздействии РЧ-сигнала СВЧ-сигнал отражается и модулируется с частотой РЧ. Отраженный модулированный СВЧ-сигнал также делится на две составляющие. Первая усиливается и направляется на внутренний смеситель МИПЛП, где смешивается с сигналом ЛГ и демодулируется. Этот демодулированный сигнал затем преобразуется синхронным усилителем в сигнал амплитуды и фазы dC/dV, который содержит информацию о легирующих примесях и их концентрации в исследуемом образце. Вторая составляющая отраженного СВЧ-сигнала, усиленная и направленная приемному устройству ВАЦ, используется для оценки емкости образца. Таким образом, СММ позволяет одновременно измерять емкость и параметр dC/dV.

СММ-отображение легированной структуры полупроводниковых устройств

В полупроводниковых приборах носители заряда в легированной области вблизи контактного электрода могут накапливаться или истощаться, в зависимости от смещения по постоянному току [2, 3]. При приложении переменного напряжения VAC, близкого фиксированному рабочему потенциалу VDC, в ответ на модуляцию VAC наблюдается изменение емкости dC [4]. Значение VDC обычно выбирают в точке, где кривая C-V имеет наибольший наклон, что близко напряжению, соответствующему плоским энергетическим зонам, – тогда обеспечивается максимальная чувствительность. При этих условиях высокое значение dC/dV соответствует низкой концентрации носителей, а низкое dC/dV – высокой концентрации носителей. Очевидно, что для кремния как p-типа, так и n-типа при одинаковой концентрации носителей заряда значения dC/dV одинаковы по величине, но различны по знаку (позитивные для p-типа и негативные для n-типа). Таким образом, индекс модуляции отраженного СВЧ-сигнала (то есть величина и фаза модулированного сигнала, измеренного по методу СММ) может быть использован для характеристики структуры и типа легирующих примесей в полупроводниковых элементах.

Как отмечалось ранее, метод СММ позволяет одновременно оценивать и электрическую емкость, и параметр dC/dV. На рис.1 представлены результаты измерения емкости (амплитуда ВАЦ) и dC/dV
интегральной схемы (ИС) [4]. Рис.1a показывает очевидные различия тонких легированных слоев в активных областях элемента. Резкий контраст в изображении фаз dC/dV на рис.1b подтверждает наличие в структуре полупроводника сильно легированных слоев. Профиль, представленный на рис.1с, соответствует вертикальной зеленой линии на рис.1b. Согласно результатам измерений, различные зоны ИС имеют фазовый сдвиг 180°, что подтверждает доминирование в них разных по знаку носителей заряда и соответствует расположению под активными компонентами слоев p-типа (ПС) и n-типа (НС). Наложение схемы на изображение, полученное с помощью ВАЦ (рис.1d), показывает области ПС и НС, которые незначительно отличаются по емкости.

СММ-отображение сильнолегированных маркерных слоев GaN на сапфире

СММ может использоваться для контроля качества пленок GaN (нитрид галлия, полупроводник группы III-V с широкой запрещенной зоной) и происхождения непреднамеренно легированных областей в составе пленок, выращенных на сапфире.

На рис.2 представлены полученные с помощью СММ топограмма, карты емкостей и плотностей легирующих примесей в поперечном сечении пленки, а также профиль плотностей легирующих примесей в сечении, выполненном по зеленой линии [5]. Сапфировая подложка расположена в левой части изображений, поверхность пластины – справа, но за пределами показанной области сканирования.

Топограмма демонстрирует переход от подложки к слоям GaN, несколько "ступенек" в толще GaN и неопределенные примеси в правой части изображения. На карте емкостей видны контрастные области на границе подложка-пленка и регулярная структура из светлых и темных полос ближе к поверхности пластины.

На карте плотностей легирующих примесей области, не содержащие легирующих примесей и содержащие их в очень высоких концентрациях, отображены темными, так как от них поступает слабый отраженный сигнал. Темные области включают сапфировую подложку, сильнолегированные слои и нелегированные слои GaN. Яркие области, характеризующиеся низкой плотностью носителей заряда (ниже, чем у сильнолегированных слоев и выше, чем у нелегированных слоев и подложки), формируют ближе к поверхности пластины регулярную структуру из параллельных полос. Если между нелегированными слоями выращен сильнолегированный слой, все три выглядят темными, так как характеризуются низким сигналом dC/dV. В результате диффузии носителей заряда из легированных в нелегированные слои на границах между ними плотность носителей низка, что обуславливает высокое значение сигнала dC/dV. Поэтому наличие на изображении регулярной структуры из прямых ярких линий свидетельствует, что рост слоев был равномерным.

Между подложкой и гладкими слоями расположена область, которая была непреднамеренно легирована в процессе роста. В этой области можно отметить три извилистых темных сильнолегированных маркерных слоя, которые отмечают положение поверхности роста в период внесения легирующих примесей. Форма слоев области непреднамеренного легирования свидетельствует о высокой шероховатости поверхности во время их выращивания [6]. Полученные с помощью СММ карты плотностей легирующих примесей (не показаны на рисунках) подтверждают предположение, что наклонные поверхности имеют решающее значение для роста области непреднамеренно легированного материала [5].

Дополнительные возможности СММ

СММ может использоваться для проведения измерений на металлах, полупроводниках, диэлектриках, сегнетоэлектриках, изоляторах, а также биологических материалах для оценки свойств, связанных с небольшими изменениями электромагнитных взаимодействий различных компонентов образца под действием СВЧ-сигнала как в статическом, так и динамическом режимах. Разрешение метода ограничено геометрическими размерами острия зонда.

В частности, СММ может применяться для изучения диэлектрических свойств органических тонких пленок, в том числе самоорганизующихся монослоев органических молекул. При качественной калибровке СММ позволяет обнаруживать различия емкости, измеряемые в аттофарадах [7]. Зная толщину пленки и значения относительных диэлектрических постоянных, можно на основе разработанных моделей определить эффективную область контакта кончика зонда и образца, и в дальнейшем использовать этот параметр для оценки диэлектрических постоянных и толщин других пленок. Еще одно важное направление использования СММ – изучение новых материалов, в частности, графена.

Таким образом, сочетание универсальности и точности измерений делает СММ исключительно перспективным методом в самых разных областях исследований.

Литература

1.Han W. Introduction to Scanning Microwave Microscopy Mode. – Application Note 5989-8881EN. 2009, Agilent Technologies, Inc.
2.Kopanski J.J. Scanning Probe Microscopy: Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale. – In: S. Kalinin and A. Gruverman, Eds., Springer New York; vol.1, 2007.
3.N. Duhayon. Katholieke Universiteit. – 2006.
4.Wu S. et al. SMM Imaging of Dopant Structures of Semiconductor Devices. – Application Note 5991-0562EN, 2012, Agilent Technologies, Inc.
5.Fenner M. et al. Investigating Highly Doped Marker Layers in GaN on Sapphire Using Scanning Microwave Microscopy. – Application Note 5990-9693EN, 2012, Agilent Technologies, Inc.
6.Oliver R.A. Application of Highly Silicon-Doped Marker Layers in the Investigation of Unintentional Doping in GaN on Sapphire. – Ultramicroscopy 111, 2010.
7.Wu S., Yu J.J. Attofarad Capacitance Measurement with Scanning Microwave Microscopy. – Application Note 5990-5702EN, 2010, Agilent Technologies, Inc.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art