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- 【导读】简介SKP技术的信号强度和提取敏感数据的能力依赖于很多因素。主要的影响因素是样品和探针的功函数差、探针尖端尺寸、探针振幅、探针与样品表面的距离。用户可以假设M470(或M370)的...
简介
SKP技术的信号强度和提取敏感数据的能力依赖于很多因素。主要的影响因素是样品和探针的功函数差、探针尺寸、探针振幅、探针与样品表面的距离。用户可以假设M470(或M370)的环境噪声和周围环境一直保持不变,这样,信号强度主要取决于上面提到的几个参数。
任何测试都需要好的信噪比,即使是基于统计技术。在某些点,当噪声超过信号,测量就变得不确定。为了避免这种情况,SKP470(或SKP370)用户希望在所有实验中信号强度Zda化,就需要考虑上面参数的影响。
增强信噪比的一个方法是确保探针与样品的距离很小,并在整个测量区域中保持恒定的距离。这就有必要获取整个扫描区域的形貌信息,当探针扫描样品时,命令探针按照样品的形貌移动。有许多不同的技术都能提供样品的形貌信息:
非触式微区形貌测试系统(OSP)间歇接触扫描电化学显微镜(ic-SECM)电容式高度测试技术(CHM,SKP)电容式跟踪测试技术(CTM,SKP)本文主要介绍了M470(或M370)SKP技术中的CHM和CTM技术。
CHM和CTM形貌测量的原理这两种技术的原理都是测量探针与样品之间产生的电容。在探针与样品之间施加一个电压,优于样品和探针之间产生电容,一些电荷被储存,关系式:
Q = CV (1)
式中,Q是电荷,C是电容,V是施加的电位。
电容C取决于系统的物理参数:
C=εr ε0 (A/d) (2)
式中,A为平行电容板的面积(探针面积);d是电容板间的距离;εr和ε0是相对介电常数和真空介电常数。
如果探针按正弦波振动,距离d也按照正弦波振动,系统电容也随之变化。
C(t) =εr ε0 (A/d(t)) (3)
式中,t为时间。
所以,存储的电荷也随电容的改变而改变:
Q(t)=C(t)V (4)
系统电荷改变,一定有电流,就是通过测量这个电流来确定探针与样品的距离d。计算校准常数k,用于计算探针到样品的距离:
I(t)=kd(t) (5)
在CHM技术中,连续扫描或者单步扫描实验中的每个点上,探针保持固定的z轴位置。用校准提取探针与样品的距离。
在CTM技术中,实验开始时,距离d就被设置为一个期望的探针到样品的距离。当探针到下一个位置,如果测量的探针到样品的距离与期望值不同,探针高度就重新设定,直到达到理想值。测量探针高度位置的移动(用100nm光学编码器),保存为形貌。实际上,在整个扫描过程中探针与样品一直保持Z初的距离。
两种方法的优缺点列于表1中。
表1 CHM和CTM技术的优缺点CHM
CTM
优点
快;可以单步扫描,也可以连续扫描。
精确;整个区域扫描都是真实有效的;较大的测量范围缺点
小距离准确,测量小范围可用。
慢,只能用单步扫描;如果电位设置不准确,探针可能碰到样品。
用CHM解除形貌的影响图1和2分别为CHM和SKP面扫描结果,扫描24小时腐蚀实验后的镀锌钢样品的表面磨痕处。磨痕和腐蚀都使样品变形,任何SKP测试都需要解除形貌影响来获得表面信息。
图1 24小时腐蚀实验后的镀锌钢样品的表面磨痕处的CHM形貌图1中CHM实验结果为探针到样品的距离,表明样品左边有一个约100µm深的圆形磨痕。磨痕的峰值在138µm处,此处探针到样品的距离Z远。
图2中SKP实验结果是通过高度追踪解除图1中形貌的影响而提取的SKP数据。探针到样品的距离保持40µm左右。用户可以在没有形貌干扰的情况下提取表面相对功函数测量信息。
图2 24小时腐蚀实验后的镀锌钢样品的表面磨痕处的SKP面扫描结果(解除图1形貌干扰)如果表面形貌的差异超过CHM实际测量能力,那么可以选择CTM技术在非常大的范围内获得同样的精确度,虽然速率稍慢。
用CTM解除形貌的影响图3是一个轻微腐蚀的金属模型,其形貌远远超出CHM技术的测量能力。采用CTM技术在36mm2区域内每100µm记录精确的形貌。图4是CTM扫描结果,从边缘到ZX约700µm,其形貌差异使得标准SKP测试不可能实现。
图3 开尔文探针非常接近(~200µm)弯曲金属模型。(实际CTM和SKP数据是在探针距离样品约40µm的位置测量的。) 图4 轻微腐蚀的金属模型的CTM实验结果图5是尝SY标准SKP扫描图4中的区域,没有解除形貌的影响。很明显,样品的结构影响测量:当探针远离样品时,储存在探针-空气-样品界面的电荷是可以忽略的,导致放大的只是环境噪声。实际上,探针在扫描ZX区域是足够靠近样品的,这部分信息应该可以代表样品表面特征。而在探针远离样品的区域测得的结果掩盖了好的数据。
图5 弯曲金属模型表面不解除形貌干扰的SKP结果为了对比,图6是图5相同区域解除形貌干扰后的SKP测量结果,唯yi的差别是探针靠近样品(平均约40µm),CTM数据用于在整个36mm2范围内确保探针保持这个距离。可以看出,这个方法成功消除了弯曲对SKP测试的影响。
图6 同样区域内用CTM数据导入SKP高度追踪扫描结果结论M470(或M370)软件中用高度追踪设备可以获得表面功函数的更精确的测定。通过解除形貌的影响而在扫描区域内获得Zda信噪比。执行高度追踪的能力完全依赖于测量和使用高度数据的能力。
如上所示,可以用CHM和CTM技术获得这些数据。CHM更快,但是只能用于形貌变化在100µm范围内的情况。对于形貌变化更大的情况,可以用较慢的CTM技术。
值得注意的是,也可以通过其他技术获得形貌数据,比如非触式微区形貌测试系统(OSP)或者扫描电化学显微镜(SECM)的恒流技术。一旦获得形貌,就可以用来解除任何其他扫描探针实验中形貌的影响。比如:SECM、SKP、SVP(SVET)、SDS。
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- 2004-07-31 09:01:48
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