扫描显微镜 Scanwave 扫描微波近场阻抗显微镜

sMIM是由美国PrimeNano公司联合美国顶尖高校（斯坦福大学）发展起来的一款基于AFM的电学测量设备。在测量样品表面形貌的同时得到样品的电学性质，如导电率，介电常数，载流子浓度，载流子类型等。sMIM基于微波频率的阻抗测量，具有良好空间分辨率和电学分辨率，无需样片制备等优点，适用于各类材料包括导体、半导体、绝缘体/电介质、掩埋式结构等材料，在半导体，相变材料，纳米科学，铁电材料等科研领域有着非常重要的应用（如下图所示）。利用sMIM技术取得的科研成果已经发表在著名的国际期刊，例如Science, Nature, Physics Review Letters, Nano Letters 等 (http://www.primenanoinc.com/?page_id=12)

sMIM 应用原理

传送微波信号到针尖，微波在针尖部位行成近场电磁场与样品表面和近表面相互作用，相互作用后，反馈微波信号，针尖移动，反馈微波的振幅、相位随着针尖的电信号变化而变化，软件进行信号校准、分析，进行电容、电阻率和形貌同步成像。

6种信号反馈通路

半导体领域-半导体器件

sMIM技术可以用来测量半导体器件的电学性质，包括载流子浓度分布，载流子类型，金属结构，介质层（绝缘体）结构等。利用sMIM对材料局域进行纳米尺度下的C-V曲线测量。可以应用在器件表征，失效分析等。以下我们给出几个典型的例子。

绝缘栅较为晶体管

以上左图中为绝缘栅双较为晶体管的SEM照片和利用其他技术测量得到的图形；右图中为利用sMIM技术得到的图像。比较结果我们可以看出，sMIM技术显示了器件的更多细节，并且图像更加清晰。sMIM中不仅显示了载流子的类型和浓度分布，并且显示了金属结构，多晶硅结构和氧化层结构以及氧化层中的缺陷。

CMOS感光器件

图中为扫描全局快门CMOS感光器件表面的图像，扫描区域大小为5 µm x 5 µm。图中数字所对应的区域1是用于存储的n型的扩散区域； 2是光阴较为n型扩散区域；3是浅沟道隔离绝缘区域；4是金属接触区域；5是阴较为周围的p型衬底。sMIM-C图像清晰地显示了各种材料。

利用sMIM-C信号，我们可以进行纳米尺度下特定位置的C-V曲线测量。 特定位置的C-V曲线测量可以对半导体器件进行失效分析。如右下图是对于不同点的测量得到的 C-V曲线。C-V曲线#1和C-V曲线#2显示被测区域是n型半导体，与器件结构1用于存储的n型的扩散区域和2光阴较为n型扩散区域相吻合。 C-V曲线#5显示被测区域是p型半体与器件结构5阴较为周围的p型衬底相吻合。C-V曲线#3是平的，说明被测区域是非半导体材料，与器件结构3浅沟道隔离绝缘区域吻合。

铁电材料和磁性材料

sMIM可以用来测量铁电材料和磁性材料畴和畴壁的电学性能。         

LiTaO3     

上图是对于LiTaO3铁电材料的扫描结果。sMIM技术可以在一次扫描过程中同时得到材料的表面形貌，PFM图像和导电性分布的sMIM图像。PFM图像清晰的给出了铁电材料中不同的畴分布。从sMIM图像中可以看到畴壁是导电的。                                              

石墨烯

上图中是利用sMIM技术测量得到的石墨烯的导电性质。sMIM图像清晰的显示了石墨烯上超晶格结构的摩尔纹。其摩尔纹结构的尺寸为14nm。

透过表面测量 sMIM中的微波信号可以穿透介质层，从而测量表面一下的材料的电学性能

sMIM可以穿透介质层，扫描表面以下的材料的性质。上图利用sMIM测量银在溶液中电化学生长的过程 。

（Seeing through Walls at the Nanoscale: Microwave Microscopy of Enclosed Objects and Processes in Liquids. ACS Nano 10, 3562–3570 (2016).）