CN1746655A

CN1746655A - 用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法

Info

Publication number: CN1746655A
Application number: CN 200510021649
Authority: CN
Inventors: 曾慧中; 王志红; 李言荣; 沈健
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2005-09-12
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-12
Also published as: CN100427921C

Abstract

用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法，属于电子仪器测试技术领域，包括薄膜断面的制备、电路连接、光学粗定位、线扫描、电极电流峰值检测或电极电势峰值检测等步骤。其实质是利用构成薄膜断面的两种材料(薄膜和电极)的不同电学特性(如电导率)来实现针尖相对于薄膜断面的精确定位。利用本发明所述的用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法可以实现普通商用扫描力显微镜对薄膜断面的快速精确定位。该方法只需对普通商用扫描力显微镜稍作改进，无须增加更多地额外成本，且该方法操作上非常简单，对薄膜断面的制备也没有特殊要求，既适用于自然断面，也适用于水平抛光和倾斜抛光的薄膜断面。

Description

用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法

技术领域

用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法，属于电子仪器测试技术领域，它特别涉及一种适用于扫描力显微镜观察电子薄膜样品断面的方法。

背景技术

扫描力显微镜是一种利用尖锐的微型探针在样品表面上方扫描来检测样品表面的一些性质，如形貌特征和表面电势等等。如图1所示，当针尖在样品表面扫描时，针尖与样品的相互作用力使得微悬臂发生形变。反馈***根据检测器检测到的形变结果不断调整针尖和样品间的距离，从而保持针尖和样品的作用力恒定。对于表面形貌检测，实际上就是保持针尖和样品间的作用力恒定的情况下，针尖随样品表面上下移动的距离(z)，加上样品被扫描的位置(x、y)，就可以得到样品表面形貌的三维图像。

对于薄膜材料的研究，扫描力显微镜主要应用在薄膜表面的研究中。一般情况下，扫描力显微镜用于薄膜表面研究时，对针尖相对于薄膜表面的定位没有严格的要求，只需要将针尖粗略的定位到薄膜表面需要分析的区域就行。普通的光学显微镜就可以满足这一要求(图2为利用光学显微镜进行定位的示意图)。需要指出的是，由于光学显微镜是从针尖上方成像，针尖的位置只能粗略的估计，所以，定位的精度很低，普通商用扫描力显微镜的精度约为0.05mm。

随着技术的不断发展，越来越需要了解和研究薄膜断面的情况，以获得薄膜体内的信息，特别是薄膜界面处的属性，如“电极一薄膜”界面如何影响薄膜材料的特性。要利用扫描力显微镜研究薄膜断面，就需要将扫描力显微镜的针尖定位到薄膜断面的位置，然而这个过程是相当困难的。因为电子薄膜的厚度很薄，连同上下电极的总厚度一般只有几百纳米。要利用普通光学显微镜实现准确的定位是不可能的。而且，断面的形貌特征经抛磨后很难辨认，这就限制了扫描力显微镜在大范围内通过形貌特征来识别薄膜断面的位置。虽然，可以利用扫描力显微镜、电子显微镜以及微位移装置(nano-manipulator)三者相结合的装置实现亚微米级定位。但是，整个设备的结构及其复杂，成本也相当高，不适用于普通研究机构。

目前，将扫描力显微镜直接用于薄膜断面观察的方法是将断面进行倾斜抛光(如图3所示)，得到一个放大的薄膜断面，“电极-薄膜-电极”断面的宽度可以达到数微米，同时通过形貌上的棱角特征(薄膜表面和倾斜抛光面相交的地方)，比较容易的实现断面定位。但是，这种方法得到的薄膜断面样品的两个上下电极不对称，电极间若施加外电场，作用于介质薄膜的电场与介质薄膜在实际工作状态中的电场是完全不同的。这就限制了倾斜抛光薄膜断面定位方法的应用，该方法虽然可以用来研究薄膜材料的静态特性，但不能用来研究薄膜材料随外场变化的动态特性，即外场作用下，薄膜断面如何影响薄膜的宏观特性。

基于上述考虑，需要提出了一套简单、低成本的，适用于普通商用扫描力显微镜的薄膜断面定位方法，以便于研究薄膜材料内界面的结构和特性，特别是动态特性。

发明内容

本发明提出一种利用检测电极电流或者电极电势的方法来实现扫描力显微镜探针在薄膜断面的准确定位。这种方法可以实现普通商用扫描力显微镜对薄膜断面的快速精确定位。而且该方法简单可行、成本低廉，对断面的制备也没有特殊要求，即适用于自然断面，也适用于水平抛光和倾斜抛光的薄膜断面。

用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法，其特征是，包括如下具体步骤(如图4所示)：

1.薄膜断面的制备：将薄膜样品进行抛光或自然断裂得到薄膜断面；

2.电路连接：在针尖和薄膜样品的电极间连接nA级电流表和直流电源，如图5所示；

3.光学粗定位：利用普通光学显微镜将针尖移动到靠近薄膜断面的位置，这一步骤在绝大多数商业级扫描力显微镜上都可以实现，针尖与薄膜断面的位置误差一半在100～50um左右。

4.线扫描：针尖沿薄膜断面垂直方向进行线扫描，扫描长度大于光学定位的偏差，如50um。同时，将电流表的检测数据传到成像通道。

5.峰值检测：当针尖移动到电极位置时，由于金属电极的电导率远大于硅基片和介质薄膜的电导率，电流通道中能够检测到一个明显峰值电流。第一个峰值电流出现时，针尖对应于下电极的位置；当第二个峰值电流出现时，针尖对应于上电极的位置。

6.再次确认：为了排除噪声的影响，需要对找到的薄膜断面进行确认。这时可以把直流电源的正负极对调，再重复步骤4和步骤5，如果这时得到的峰值的位置与原来峰值一致，而方向相反则说明电极的位置完全正确。

7.如果电流检测方法不够稳定的情况(如断面过于粗糙)，无法确定薄膜断面位置，则转到步骤8。

8.电路连接，按图6所示，在上下电极间施加一适当的偏压，使得两个电极的电位不相等。

9.利用电极电势检测法进行薄膜断面定位，与步骤4至步骤6相似，针尖沿薄膜断面垂直方向进行线扫描，扫描长度大于光学定位的偏差。针尖在样品上非接触扫描的同时，检测表面电势，当测得的电势出现对应的起伏时(如图6所示)，便可以确定电极的位置，薄膜断面的位置也就得到确定。同样的，也可以将偏压的极性对调，根据是否得到相反的电势峰值以确定电极位置的可靠性。采用电势检测的方法可以作为电流检测方法的一个有效补充。

本发明的实质是利用构成薄膜断面的两种材料(薄膜和电极)的不同电学特性(如电导率)来实现针尖相对于薄膜断面的精确定位。所以这种方法适用于由两种或两种以上的、具有不同电学特性的材料构成的薄膜断面的精确定位。

利用本发明所述的用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法可以实现普通商用扫描力显微镜对薄膜断面的快速精确定位。该方法只需对普通商用扫描力显微镜稍作改进，无须增加更多地额外成本，且该方法操作上非常简单，对薄膜断面的制备也没有特殊要求，即适用于自然断面，也适用于水平抛光和倾斜抛光的薄膜断面。

附图说明

图1扫描力显微镜原理示意图。

图2利用光学显微镜进行定位的示意图，其中“+”表示针尖的大概位置。

图3倾斜抛光薄膜断面样品示意图。

图4本发明所述的定位方法的流程图。

图5检测电流的断面定位方法示意图。

图6检测电势的断面定位方法示意图。

Claims

1、用于扫描探针显微镜的薄膜断面定位方法，其特征是，包括如下具体步骤：

1)、薄膜断面的制备：将薄膜样品进行抛光或自然断裂得到薄膜断面；

2)、电路连接：在针尖和薄膜样品的电极间连接nA级电流表和直流电源；

3)、光学粗定位：利用普通光学显微镜将针尖移动到靠近薄膜断面的位置，针尖与薄膜断面的位置误差一半在100～50um左右；

4)、线扫描：针尖沿薄膜断面垂直方向进行线扫描，扫描长度大于光学定位的偏差，如50um，同时，将电流表的检测数据传到成像通道；

5)、峰值检测：第一个峰值电流出现时，针尖对应于下电极的位置；当第二个峰值电流出现时，针尖对应于上电极的位置；

6)、再次确认：把直流电源的正负极对调，再重复步骤4)和步骤5)，若得到峰值电流的位置与原来峰值电流的位置一致，而方向相反则说明所找到的电极位置完全正确；

7)、如果电流检测方法所得结果不够稳定，无法确定薄膜断面位置，则转到步骤8)；

8)、电路连接，在上下电极间施加一适当的偏压，使得两个电极的电位不相等；

9)、利用电极电势检测法进行薄膜断面定位，与步骤4至步骤6相似，针尖沿薄膜断面垂直方向进行线扫描，扫描长度大于光学定位的偏差；针尖在样品上非接触扫描的同时，检测表面电势，当测得的电势出现对应的起伏时，便可以确定电极的位置，薄膜断面的位置也就得到确定；同样的，也可以将偏压的极性对调，根据是否得到相反的电势峰值以确定电极位置的可靠性。