ЗОНД ДЛЯ СКАНИРУЮЩЕЙ ЕМКОСТНОЙ МИКРОСКОПИИ Российский патент 2006 года по МПК G12B21/02 

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к системам измерения емкости между зондом и образцом из металла или полупроводника, покрытого тонким слоем диэлектрика (10-200 Å). Наиболее перспективная область применения предлагаемого зонда - измерения в контактном режиме вольт-фарадных характеристик полупроводниковых образцов.

Для сканирующей емкостной микроскопии применяют проводящие зонды, обычно предназначенные для туннельной микроскопии или для каких-либо других электрических измерений, например, потенциала Кельвина над поверхностью проводящего образца. Изготавливаются такие зонды методами микромеханики, например [1], и состоят (см. рис.1 в приложении) из консоли 1 толщиной обычно 1-10 микрометров, шириной 10-50 микрометров и длиной 100-1000 микрометров из кремния, нитрид кремния или кварца; иглы 2 из кремния или нитрида кремния, укрепленной на одном конце консоли, и кремниевого чипа 3, основного массивного элемента зонда, который имеет характерные размеры 1-2 мм на 2-4 мм и толщиной 0.3-1.0 мм. На одну или на обе главные поверхности зонда методами вакуумного напыления наносят слой металла 4, обычно толщиной более 300 Å. Со стороны чипа, обращенной к образцу, металлический слой (Au, Pt, Cr, W, Мо, Ti, W₂C и др.) обеспечивает надежную гальваническую связь иглы 2 с площадкой на чипе 3, к которой с помощью пружины 5 присоединен вход первого каскада 6 электронной схемы измерения емкости. С тыльной стороны чипа металлизация (Al, Au) служит для обеспечения хорошей отражающей способности лазерного луча, с помощью которого контролируется контакт иглы 2 с поверхностью тонкого слоя диэлектрика 8 на образце 7. Подробнее состав сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) и его работу см. в [1]. Данная конструкция зонда для СЗМ взята в качестве прототипа.

Один из распространенных вариантов сканирующей емкостной микроскопии (СЕМ), в котором используют зонд, взятый в качестве прототипа, реализуют следующим способом. Например, при характеризации параметров допирования полупроводникового образца 7 к его поверхности прикасаются иглой 2 зонда (см., например, рис.1 в приложении). При измерениях зонд с помощью чипа 3 укрепляют в специальном держателе 9 сканирующего зондового микроскопа. Для обеспечения разрешения конец иглы должен иметь нанометровые размеры. На образец 7 относительно земли подводится сумма двух напряжений 10. Первое - переменное (обычно синусоидальное) зондирующее напряжение 11 величиной в несколько сот милливольт U_˜. Второе - некое постоянное или медленно меняющееся напряжение 12 в диапазоне от -15 до +15 Вольт U_пост, которое позволяет менять емкость под иглой 2, поскольку эта емкость является вольтзависимой величиной. Практически обычно производят не прямые измерения емкости под иглой 2, а измеряют производную емкости С по напряжению V, т.е. dC/dV. Возможны два режима измерения. В первом, когда измеряют всю вольт-фарадную характеристику в одной точке растра, медленно меняющееся напряжение в секунды проходит весь диапазон от -15 до +15 Вольт. Если диэлектрик 8 не выдерживает столь высоких напряжений, то диапазон напряжений сужают до приемлемой величины, когда электрический пробой отсутствует. Во втором режиме игла 2 скользит обычно по прямоугольному растру в течение нескольких минут при некотором постоянном напряжении U_пост. В каждой точке растра измеряется величина отклика на переменном напряжении, которая пропорцианальна величине емкости под иглой 2.

Наиболее важным свойством зондов, используемых в такого рода измерениях, является относительно большая величина распределенной емкости между образцом 7 и чипом 3 С_{образец-чип.} Эта емкость входит в общую величину емкости образец-зонд С_{образец-зонд} (см. рис.1 в приложении).

С_{образец-зонд}=С_{образец-игла}+С_{образец-консоль}+С_{образец-чип}

Обычно обсуждаемые здесь электрические емкости составляют следующие величины. Емкость под иглой 2 С_{образец-игла} примерно равна ˜10-30 аФ (аттофарад; 1 аФ=10^-18 Ф). Емкость между образцом 7 и консолью 1 С_{образец-консоль} лежит в диапазоне 100-500 аФ. Емкость С_{образец-чип} обычно около 0.5 пФ (1 пФ=10^-12 Ф). Помимо перечисленных емкостей важную роль при измерениях играет также емкость между заземленными металлическими частями СЗМ и зондом с подсоединенным к нему входом 6 первого каскада электронной схемы измерения емкости С_{земля-зонд}, которая обычно имеет величину несколько пикофарад. В результате при измерениях малую величину С_{образец-игла}, которую желательно измерять с точностью до долей аФ, необходимо определять на уровне пикофарад, т.е. величин примерно в миллион раз больших. Экспериментально это трудноосуществимо даже с использованием приемов синхронного детектирования. Для решения подобной проблемы фирма изготовитель сканирующих зондовых микроскопов Digital Instruments [2-4] включает исследуемую емкость С_{образец-зонд}, в которую входит исследуемая величина С_{образец-игла}, в параллельный резонансный контур. Образованный таким образом контур индуктивно возбуждается сигналом с высокостабильного высокочастотного генератора 915 мГц. Отклик системы также снимается с помощью индуктивной связи. Если резонансная частота контура, включающего емкость С_{образец-зонд} близка к частоте сигнала генератора, то даже при небольшом изменении С_{образец-зонд} выходной сигнал (отклик) изменяется на существенную величину. Для первоначальной настройки резонансной частоты контура в него также включается некоторая переменная емкость, которая изменяет величину распределенной емкости в системе «образец-зонд». Однако при сканировании из-за рельефа поверхности образца 7 распределенная емкость неконтролируемым образом изменяется на величину в несколько десятков аФ. Это объясняется тем, что распределенная емкость образец-зонд меняется от взаимного пространственного расположения образца и зонда, которая всегда присутствует при сканировании зонда по образцу. В результате проявления этого фактора резонансная частота контура изменяется значительно сильнее, чем из-за изменения искомой величины С_{образец-игла}, что искажает результаты или делает их просто недостоверными.

Другой вариант решения емкостных измерений при сканировании предлагается в патенте [5]. Согласно ему формируют мостовую схему, в которой емкость образец-зонд включена в одно плечо моста, а в сопряженное плечо включена компенсирующая (обнуляющая) емкость. На малом расстоянии иглы 2 от образца 7, когда теряется контакт между образцом и иглой, мост балансируется, т.е., приводится в такое состояние, чтобы сигнал в диагонале моста был минимальный. При дальнейшем касании поверхности образца 7 иглой 2 зонда баланс моста нарушается лишь на незначительную величину в 10-100 аФ. С такими величинами легко оперировать даже при высоких значениях коэффициента усиления измерительной системы без перегрузки ее оконечных каскадов. Недостатком зонда и описанных выше методов измерения емкости С_{образец-игла}, использующих этот зонд, является высокая чувствительность результатов измерений емкости к угловой ориентации и расположению чипа по высоте относительно поверхности образца. По данным авторов [5] типичное изменение измеряемой емкости от высоты чипа над поверхностью образца составляет величину 2-4 аФ/нм. Поскольку такие изменения позиции чипа относительно зонда всегда присутствуют в процессе сканирования иглы по растру из-за шероховатости поверхности образца, то с неизбежностью вносятся и искажения (ошибки) в результаты измерений. Таким образом, для зонда, взятого в качестве прототипа, при всех рассмотренных способах его использования в сканирующей емкостной микроскопии характерно наличие значительной распределенной емкости образец-зонд. А это, в свою очередь, приводит к неприемлемому влиянию геометрического положения (позиции) зонда (см. выше) относительно образца на результаты измерения величины С_{образец-игла}.

Целью настоящего изобретения является уменьшение в несколько раз влияния позиции чипа зонда относительно образца на результаты измерения величины С_{образец-игла}.

Указанная цель достигается тем, что в известном зонде для сканирующей емкостной микроскопии, состоящем из консоли с укрепленной на одном ее конце иглой, закрепленной на чипе другой стороной, и имеющем проводящий слой, на поверхности зонда со стороны иглы устанавливают проводящий экран, отделенный от проводящего слоя первой диэлектрической прослойкой. При этом проводящий экран и первая диэлектрическая прослойка могут быть установлены как на всей поверхности чипа, так и на поверхности консоли, за исключением площади, занимаемой иглой. Диэлектрическая прослойка может быть изготовлена из кварца или из липкой с двух сторон ленты, а проводящий экран из напыленного хрома или алюминиевой фольги. В случаях, когда необходимо регистрировать особенно малые изменения емкости под иглой зонда, на консоли и на чипе формируют балансирующий электрод, расположенный на стороне зонда, на котором отсутствует игла, и отделеный от консоли и от чипа вторым диэлектрическим слоем.

На фиг.1 изображена конструкция зонда для сканирующей емкостной микроскопии согласно предложенному изобретению.

На фиг.2 изображена конструкция зонда для сканирующей емкостной микроскопии, в котором диэлектрическая прослойка и проводящий экран установлены как на поверхности чипа, так и на всей поверхности консоли, за исключением площади, занимаемой иглой.

На фиг.3 изображена конструкция зонда для сканирующей емкостной микроскопии согласно предложенному изобретению, которая позволяет балансировать входные цепи операционного усилителя первого каскада измерительной схемы как относительно земли микроскопа, так и относительно образца.

На фиг.4 показан пример закрепления зонда для сканирующей емкостной микроскопии, выполненного согласно предлагаемому изобретению, и его подсоединения к входу измерительной схемы.

На фиг.5 изображена принципиальная электрическая схема предусилителя (первых двух каскадов) измерения емкости С_{образец-игла} с использованием зонда для сканирующей емкостной микроскопии согласно предложенному изобретению.

Зонд для сканирующей емкостной микроскопии (фиг.1) содержит следующие основные элементы: консоль 1, иглу 2, чип 3, слой металлизации 4, первую диэлектрическую прослойку 5 и проводящий экран 6. Элементы 1-4, как упоминалось выше, изготавливают методами микромеханики (см. подробнее, например, [1]). Элементы 5 и 6 также могут быть выполнены с помощью технологии микроэлектроники. Диэлектрическая прослойка 5 может быть выполнена как из неорганического (например, SiO₂, Si₃N₄), так и из органического материала (например, поливинилиденфторида, полиимида, лавсана, фоторезиста и т.д.). Основные требования к материалу диэлектрической прослойки состоят в следующем. Желательно, чтобы диэлектрическая постоянная материала была не более пяти. Это требование вытекает из необходимости разумной минимизации емкости между чипом 3 и землей прибора. Практически, эта емкость не должна превышать 5-10 пФ. В противном случае, трудно осуществлять емкостной баланс входов операционного усилителя первого каскада измерительной схемы относительно земли (элементы С₂ и D₁ на фиг.5, подробнее см. ниже). Из геометрических соображений толщина диэлектрической прослойки 5 не должна превышать 20-80 микромертров. Это обусловленно тем, что общая толщина диэлектрической прослойки 5 совместно с проводящим экраном 6 не должна мешать надежному контакту иглы 2 во время ее сканирования по образцу. Кроме того, материал диэлектрической прослойки 5 должен быть механически прочным, термостабильным и обеспечивать достаточную адгезию к примыкающим элементам 4 и 6. Проводящий экран может быть выполнен из Al, Au, Cr, Fe, Ni или какого-либо другого металла толщиной 0.1-5 микрон, обеспечивающего низкоомный контакт с заземляющей шиной (элемент 12 на фиг.4, подробнее см. ниже).

Для лучшего понимания данного изобретения приводятся следующие примеры реализации зонда для сканирующей емкостной микроскопии.

Пример 1. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии, изображенный на фиг.1, выполняется полностью методами микромеханики. Изолирующая диэлектрическая прослойка 5 выполнена из напыленного кварца толщиной 10-20 микрометров, а проводящий экран 6 из хрома, нанесенного методом вакуумного напыления толщиной 0.2-0.5 микрометров.

Пример 2. При необходимости в случаях, когда отсутствуют под рукой специальные готовые зонды, изготовленные полностью методами микромеханики, легко можно изготовить подобные зонды из стандартных (широко выпускаемых) проводящих зондов для сканирующей туннельной микроскопии. Для этого на всю поверхность чипа 3 по его размеру со стороны иглы наклеивают двустороннюю липкую ленту (скотч) толщиной 50 микрометров. Эта липкая лента выполняет роль диэлектрической прослойки 5. Затем на липкую ленту по тому же размеру чипа наклеивают алюминиевую фольгу толщиной 5-10 микрометров, которая выполняет роль проводящего экрана 6.

Пример 3. В случаях, когда существует необходимость регистрировать особенно малые изменения емкости под иглой зонда, целесообразно использовать зонды, изготовленные методами микромеханики, в которых экранируется не только емкость образец-чип, но и емкость образец-консоль. В этом случае на всю поверхность консоли 1 (фиг.2) (за исключением области, занимаемой иглой) со стороны иглы 2 наносится такой же по толщине слой диэлектрика 7 и проводящего экрана 8, как и на поверхности чипа 3.

Пример 4. В особых случаях, когда существует необходимость регистрировать особенно малые изменения емкости под иглой зонда, целесообразно использовать зонды, изготовленные методами микромеханики, в которых экранируется не только емкость образец-чип и емкость образец-консоль, но осуществляется и балансировка распределенных емкостей между образцом и входами первого каскада измерительной схемы сканирующего емкостного микроскопа (подробнее см. ниже). При этом (см. фиг.3) на консоли 1 расположен не только проводящий слой 4, соединяющий гальванически иглу 2 с чипом 3, но и балансирующий электрод 9, расположенный на стороне зонда, на которой отсутствует игла 2, и отделенный от консоли 1 и от чипа 3 второй диэлектрической прослойкой 10. Балансирующий электрод 9 следует подсоединять к неинвертирующему входу усилителя первого каскада измерительной схемы (см. ниже). Балансирующий электрод может быть выполнен из тех же металлов, что и проводящий экран. Второй диэлектрический слой может быть выполнен из кварца, нитрида кремния, фоторезиста или другого диэлектрического материала с диэлектрической восприимчивостью менее пяти.

Для использования зонда в измерительной системе его устанавливают в держатель 11 (фиг.4) и поджимают пружиной 12. Игла 2 при этом будет расположена с возможностью взаимодействия с образцом 13, установленным на предметном столике 14. Держатель 11 и столик 14 входят в состав условно изображенного на фиг.4 СЕМ 15 (подробнее см. в [1]). Гальванический контакт чипа с инвертирующим входом усилителя первого каскада измерительной схемы осуществляется с помощью плоской металлической клеммы 16 (Au, Cu, Cr, Ni), напыленной на поверхность держателя 11 зонда, например так, как это показано на фиг.4. Пружина 12, контактирущая с проводящим экраном 6 зонда, заземляется на корпус измерительной головки СЕМ. Если используют зонды, описанные в примерах 1-3, то для более полной симметризации входов операционного усилителя первого каскада измерительной схемы относительно образца целесообразно применить дополнительный балансирующий электрод 17, выполненный из проволоки диаметром 0.15-0.2 мм, выгнутой в виде петли диаметром 2.5 мм, как показано на фиг.4. Этот балансирующий электрод 17 устанавливают примерно на расстоянии 1.0-1.5 мм по центру над иглой зонда. Таким образом удается сбалансировать емкость образец-консоль относительно входов первого усилительного каскада измерительной схемы. Однако в большинстве случаев система позволяет успешно проводить измерения емкости и без установки дополнительного балансирующего электрода 17.

Основная идея конструкции и использования зонда для сканирующей емкостной микроскопии, предлагаемого в настоящем изобретении, состоит в том, что такой зонд позволяет в высокой степени симметризовать различные распределенные и сосредоточенные емкости на входы операционного усилителя первого каскада измерительной схемы (возможный вариант изображен на фиг.5) как относительно земли микроскопа, так и относительно образца. Установка проводящего экрана на чипе практически устраняет (т.е., уменьшает ее в несколько тысяч раз) емкость образец-чип С_{образец-чип} (подробнее см. выше) и увеличивает на несколько пФ емкость земля-зонд С_{земля-зонд}. Однако такое увеличение емкости, дополнительно подсоединенной к инвертирующему входу операционного усилителя, изображеного на фиг.5, возможно легко балансировать варикапом D₁ и включенной последовательно ему емкости С₂, подсоединенными к неинвертирующему входу операционного усилителя. При этом каскады синхродетекторов 1 или 2 и оконечных усилителей не перегружаются (т.е. не входят в режим насыщения). Измерительная система, блок-схема которой изображена на фиг.5, включает кварцевый генератор синусоидального напряжения (частота 10 мГц), регулируемый фазовращатель и фазовращатель, обеспечивающий сдвиг на 90°. Кроме того, схема включает две микросхемы умножителей, работающих в режиме синхродетекторов. Опорные сигналы на них сдвинуты между собой на фазовый угол 90°. Поэтому на выходе одного из синхродетекторов вырабатывается сигнал, пропорцианальный величине емкости под иглой (реактивной компоненте импеданса), а на выходе второго синхродетектора возникает сигнал, пропорциональный величине активной компоненты импеданса в контакте образец-игла. Зондирующий сигнал на образец формируется путем суммирования переменного сигнала (частотой 10 мГц и амплитудой 300 мВ) и сигнала прямоугольных импульсов, имеющих постоянную составляющую. Последний сигнал формируется управляющим компьютером и может регулироваться как по величине ступеньки импульсов, так и по постоянной составляющей. Удобно использовать сигнал от компьютера с частотой прямоугольных импульсов 1 кГц. В этом случае при сканировании иглы по растру образца в каждой его точке игла стоит одну миллисекунду: по половине миллисекунды на верхнем и нижнем плато меандра зондирующего сигнала. В конце каждой половины миллисекунды на выходе синхродетектора (синхронный детектор 1 на схеме фиг.5) производится измерение. Разница напряжений, фиксируемых в каждой точке растра, пропорцианальна емкости под иглой в этом месте. Частота прямоугольных импульсов выбирается из следующих соображений. Общее время сканирования по растру не должно длиться более десяти минут. С другой стороны, каждое измерение в точке должно быть достаточно продолжительным, чтобы синхронное детектирование было эффективным и усреднение сигнала на выходе детектора осуществлялось на протяжении 1000-5000 колебаний высокой частоты. В другом варианте, при измерении вольтфарадной характеристики игла стоит в одной точке растра. Сигнал от компьютера изменяет постоянную составляющую ступеньками в 0.1 Вольт в диапазоне, например, от -10 до +10 Вольт за 2.0 сек и на каждой ступеньке производится оценка электрической емкости как и в первом варианте измерений.

Применение проводящего экрана на поверхности чипа многократно уменьшает емкость образец-чип. Одновременная установка проводящего экрана на поверхности чипа и на поверхности консоли в еще большей степени уменьшает паразитные емкости. Это позволяет в высокой степени симметризовать различные распределенные и сосредоточенные емкости на входы измерительной системы. В результате удается увеличить общую чувствительность измерительной схемы без перегрузки ее оконечных каскадов. Помимо основной функции многократного уменьшения емкости образец-чип (в этом заключается основной эффект применения конструкции зонда для сканирующей емкостной микроскопии по изобретению) проводящий экран выполняет роль эффективного экрана от внешних электромагнитных наводок на вход измерительной схемы. Применение зонда, который как на консоли, так и на чипе со стороны, противоположной игле, имеет балансирующий электрод, упрощает балансировку распределенных емкостей между образцом и входами первого каскада измерительной схемы СЕМ. В результате всех перечисленных эффектов удается уменьшить в несколько раз влияние позиции чипа зонда относительно образца на результаты измерения величины емкости образец-игла.

Источники информации

1. Миронов В. Основы сканирующей зондовой микроскопии, М.: Техносфера, 2004, с.86-92.

2. Инструкция по эксплуатации сканирующего зондового микроскопа фирмы "Digital Instrument", Support Note №224. Rev. D, 1999, 112 Robin Hill Rd., Santa Barbara, CA 93117.

3. Rosenthal P.A., Taur Y., Yu E.T., Direct measurement and characterization of n+ superhalo implants in a 120 nm gate-length Si metal-oxide-semiconductor field-effect transistor using cross-sectional scanning capacitance microscopy, Applied Physics Letters, v.81, n21, nov.2002, 3993-3995.

4. Born A., Wiesendanger R., Scanning capacitance microscope as a tool for the characterization of integrated circuits, Appl. Phys. A 66, S421-S426, 1998.

5. Патент США №2004/0008042 А1, G 01 R 27/26, 2004.

Приложение

На рис.1 изображен известный зонд для сканирующей емкостной микроскопии и пример закрепления этого зонда с помощью чипа и пружины держателя зонда в держателе микроскопа. Зонд содержит элементы: консоль 1, иглу 2, чип 3, слой металлизации 4, пружину 5, усилитель первого каскада схемы измерения емкости 6, образец 7, тонкий диэлектрический слой 8, держатель зонда 9, источник зондирующего напряжения (сумматор) 10, генератор переменного напряжения 11 и источнок постоянного напряжения 12.

Изобретение относится к сканирующей зондовой микроскопии, а более конкретно к системам измерения емкости между зондом и образцом из металла или полупроводника, покрытого тонким слоем диэлектрика. Зонд состоит из консоли с укрепленной на одном ее конце иглой, закрепленной на чипе другой стороной. Зонд имеет проводящий слой на поверхности зонда со стороны иглы. Устанавливают проводящий экран, отделенный от проводящего слоя диэлектрической прослойкой. При этом проводящий экран и первая диэлектрическая прослойка могут быть установлены как на всей поверхности чипа, так и на поверхности консоли, за исключением площади, занимаемой иглой. Технический результат - увеличение общей чувствительности измерительной схемы без перегрузки ее оконечных каскадов и уменьшение в несколько раз влияния позиции чипа зонда относительно образца на измерения величины емкости образец-игла. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии, состоящий из консоли с укрепленной на одном ее конце иглой, закрепленной на чипе другой стороной, и имеющий проводящий слой, расположенный, по крайней мере, на поверхности зонда со стороны иглы, отличающийся тем, что на поверхности зонда со стороны иглы установлен проводящий экран, отделенный от проводящего слоя первой диэлектрической прослойкой.2. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии по п.1, отличающийся тем, что проводящий экран и первая диэлектрическая прослойка установлены на всей поверхности чипа.3. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии по п.2, отличающийся тем, что первая диэлектрическая прослойка выполнена из кварца, а проводящий экран выполнен из хрома.4. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии по п.2, отличающийся тем, что первая диэлектрическая прослойка выполнена из липкой с двух сторон ленты (двустороннего скотча) из органического материала, а проводящий экран выполнен из алюминиевой фольги.5. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии по п.1, отличающийся тем, что первая диэлектрическая прослойка и проводящий экран установлены на поверхности чипа и на поверхности консоли, за исключением площади, занимаемой иглой.6. Зонд для сканирующей емкостной микроскопии по п.5, отличающийся тем, что на консоли и на чипе со стороны зонда, на котором отсутствует игла, расположен балансирующий электрод, отделенный второй диэлектрической прослойкой.