Электросиловая микроскопия

1^○Общие сведения об ЭСМ. В электросиловой микроскопии для получения информации о локальных электрических свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между зондом и образцом. ЭСМ применяется дляопределения локальных поверхностных электрических свойств, исследования электронных свойств нанокристаллов, изучения процессов переноса заряда, выявления дефектов интегральных микросхем и при решении ряда сходных задач. Принципиальная схема ЭСМ представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Схема электросиловой микроскопии

В ЭСМ между зондом и образцом прикладывается постоянное напряжение U₀ и переменное напряжение U_∼=U₁·sin(ωt). Объектом исследования ЭСМ являются тонкие полупроводниковые или диэлектрические пленки, помещенные на проводящую подложку. Неоднородные пленки имеют распределение электрического потенциала φ(x,y). Напряжение между зондом и поверхностью образца можно представить в виде:

, (1)

Система «зонд – образец» имеет электрическую емкость С и энергию E:

, (2)

Электрическая сила взаимодействия зонда и образца равна:

, (3)

Z-компонента силы может быть представлена в виде:

, (4)

Из выражений (2) и (4) видно, что сила взаимодействия может быть разложена на три составляющие:

постоянную составляющую: , (5)

составляющую на частоте ω: , (6)

составляющую на частоте 2ω: , (7)

2^○Двухпроходная методика. Величина зависит от расстояния «зонд-образец», поэтому для исследования диэлектрических свойств образцов применяется двухпроходная методика. На первом проходе пьзосканер создает колебания кантилевера на частоте, близкой к резонансной частоте ω₀, при этом регистрируется АСМ-изображение рельефа в полуконтактном режиме. Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние z₀, между зондом и образцом подается переменное (на частоте ω=ω₀) напряжение, и осуществляется повторное сканирование (см. рис. 2).

Рисунок 2 Двухпроходная методика ЭСМ

На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца. Поскольку в процессе сканирования локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд-образец вследствие изменения диэлектрических свойств образца. ЭСМ-изображение является двумерной функцией , характеризующей диэлектрические свойства образца.

3^○Метод емкостной спектроскопии. Детектирование амплитуды колебаний кантилевера на частоте 2ω позволяет исследовать распределение вдоль поверхности величины от производной емкости по координате z. Этот метод получил название емкостной микроскопии (см. рис.3).

Рисунок 3 АСМ- и ЭСМ-изображения
наночастиц TiO₂ на поверхности поли-p-фениленвинилен

4^○Метод Кельвина. Детектирование сигнала на частоте ω позволяет изучать распределение поверхностного потенциала φ(x,y) (метод Кельвина). Для этого при сканировании образца на втором проходе в каждой точке с помощью перестраиваемого источника постоянного напряжения подбирается величина U₀ таким образом, чтобы амплитуда колебаний кантилевера на частоте ω становилась равной нулю. Это происходит в том случае, если U₀ = φ(x,y) в данной точке поверхности. На рисунке 4 приведены данные ЭСМ-микроскопии.

Рисунок 4 АСМ- и ЭСМ-изображения пятиугольных островков на поверхности
кремния n- и p-типа с 2-нм слоем оксида кремния, полученные методом зонда Кельвина

а) структура поверхности n-Si; b) структура поверхности пятиугольных островков на поверхности p-Si; c) распределение электрического потенциала на поверхности n-Si;

d) распределение электрического потенциала на поверхности p-Si.

Размер изображений: a,b - 3 мкм, c,d - 1,5 мкм