Способ измерения контактного сопротивления
Владельцы патента RU 2334238:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет) (МФТИ) (RU)
Изобретение относится к способам измерения электрических величин. Данный способ заключается в том, что через проводящий зонд атомно-силового микроскопа, который прижат с постоянной силой к поверхности исследуемого образца, пропускают электрический ток. Среднюю величину электрического тока поддерживают постоянной, посредством изменения постоянной составляющей напряжения, приложенного между зондом и образцом. Также между зондом и образцом прикладывают переменное напряжение, а измеряют постоянную составляющую напряжения, требуемую для удержания заданного значения среднего тока и амплитуду переменной составляющей тока, протекающего через зонд. Полное контактное сопротивление вычисляют как отношение постоянной составляющей напряжения к среднему значению тока, а дифференциальное контактное сопротивление вычисляют как отношение амплитуды переменной составляющей напряжения к амплитуде переменной составляющей тока. Настоящее изобретение обеспечивает способ одновременного измерения полного контактного сопротивления и дифференциального контактного сопротивления при заданном значении тока, протекающего через зонд, при помощи атомно-силового микроскопа без изменения исходного состояния зонда и поверхности. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к способам измерения электрических величин и может быть использовано для одновременного измерения полного и дифференциального сопротивления контакта зонда и поверхности исследуемого образца (далее по тексту полное и дифференциальное контактное сопротивление) при помощи атомно-силового микроскопа без изменения исходного состояния (модификации, разрушения) зонда атомно-силового микроскопа и поверхности исследуемого образца.
Известен способ измерения полного контактного сопротивления, который заключается в измерении тока, протекающего через проводящий зонд, при приложении постоянного напряжения между зондом и образцом [Santis D., Dessauer R., Gorley E., Schumann P., Poponiak M., Schneider C. Spreading resistance method and apparatus for determining the resistivity of a material. Патент CA 911528, 03.10.1972]. При реализации этого способа силу взаимодействия между зондом и поверхностью исследуемого образца поддерживают постоянной, а между зондом и образцом прикладывают постоянное напряжение. Зонд перемещается по поверхности образца, при этом последовательно в различных точках поверхности измеряют величину тока, протекающего через зонд, и строят карту распределения тока по поверхности, величина которого обратно пропорциональна полному контактному сопротивлению. При реализации данного способа в атомно-силовом микроскопе возможна модификация исследуемой поверхности либо зонда (далее по тексту модификация) вследствие прохождения через зонд токов большой плотности ввиду малой площади контакта зонда атомно-силового микроскопа и поверхности (˜10-16 м2). Модификации можно избежать, прикладывая между зондом и исследуемым образцом низкое напряжение, обеспечивающее малую, недостаточную для модификации плотность тока. Однако уменьшение величины напряжения, прикладываемого между зондом и образцом, может снизить информативность получаемого сигнала тока. Более того, при исследовании образцов с неоднородными электрическими свойствами поверхности, приложенное между зондом и образцом напряжение, достаточно низкое, чтобы избежать модификации на участке исследуемой поверхности с низкой проводимостью, может вызвать модификацию на участке с высокой проводимостью. Также при исследовании образцов с сильно неоднородными электрическими свойствами поверхности, получаемая при использовании этого способа карта распределения тока может иметь искажения, связанные с резким изменением значения тока на большую величину при переходе зонда между областями с сильно отличающимися значениями контактного сопротивления.
Наиболее близким по своей технической сущности способом, принятым за прототип, является способ измерения контактного сопротивления, заключающийся в том, что силу взаимодействия между проводящим зондом и поверхностью исследуемого образца поддерживают постоянной, и измеряют зависимости тока, протекающего через зонд от прикладываемого между зондом и образцом напряжения [Lee Jon С, Chuang Jung-Hsiang. Method using conductive atomic force microscopy to measure contact leakage current. Патент US 005127926, 16.06.2006]. Данный способ по измеряемым зависимостям позволяет вычислить не только полное контактное сопротивление, но и дифференциальное контактное сопротивление. Недостатком данного способа является возможность модификации при протекании токов большой плотности через контакт зонд-поверхность.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа одновременного измерения полного контактного сопротивления и дифференциального контактного сопротивления при заданном значении тока, протекающего через зонд, при помощи атомно-силового микроскопа без изменения исходного состояния зонда и поверхности.
Поставленная задача решается путем использования дополнительной системы обратной связи, которая поддерживает среднее значение тока, протекающего через проводящий зонд, постоянным. Задавая достаточно низкое значение среднего тока, которое поддерживается постоянным, возможно избежать модификации. Измеряемое при этом постоянное напряжение пропорционально величине полного контактного сопротивления. Одновременно с этим между зондом и образцом прикладывают переменное напряжение, и измеряют амплитуду переменной составляющей тока, которая пропорциональна величине дифференциального контактного сопротивления. Таким образом, данный способ неразрушающим образом позволяет одновременно измерять полное и дифференциальное контактное сопротивление.
При реализации данного способа проводящий зонд атомно-силового микроскопа прижат с постоянной силой к поверхности исследуемого образца. Программная или аппаратная обратная связь путем изменения напряжения между зондом и образцом поддерживает постоянным среднее значение тока, протекающего через зонд. Одновременно с этим между зондом и образцом прикладывают переменное напряжение (синусоидальной формы, либо в виде прямоугольных импульсов), которое приводит к появлению переменной составляющей в сигнале тока. Частоту переменного напряжения подбирают достаточно высокой, чтобы не влиять на работу цепи обратной связи, поддерживающей постоянное значение среднего тока. При этом измеряют постоянную составляющую напряжения, требуемую для удержания заданного значения среднего тока и амплитуду переменной составляющей тока, протекающего через зонд. Регистрацию амплитуды переменной составляющей тока производят с помощью синхронного детектора в случае, если между зондом и образцом приложено переменное напряжение синусоидальной формы, либо с помощью пик-детектора в случае, если приложено переменное напряжение в виде прямоугольных импульсов. Полное контактное сопротивление вычисляют как отношение постоянной составляющей напряжения к среднему значению тока, а дифференциальное контактное сопротивление вычисляют как отношение амплитуды переменной составляющей напряжения к амплитуде переменной составляющей тока. Задав низкое значение среднего тока можно избежать модификации.
Более того, возможно измерение распределения по поверхности одновременно полного контактного сопротивления и дифференциального контактного сопротивления, используя принцип сканирования, когда зонд перемещается вдоль поверхности исследуемого образца, а измерение постоянной составляющей напряжения и амплитуды переменной составляющей тока производят последовательно в различных точках образца, в результате чего строят карту распределения постоянной составляющей напряжения и амплитуды переменной составляющей тока, либо карту распределения полного и дифференциального контактного сопротивления. В данном случае, задав низкое значение среднего тока, которое будет поддерживаться постоянным, можно легко избежать разрушения поверхности, причем это никак не повлияет на информативность получаемых карт распределения полного и дифференциального контактного сопротивления.
На чертеже изображена схема реализации предлагаемого способа при помощи атомно-силового микроскопа. Зонд поз.1 кантилеверного типа, либо зонд любой другой конструкции, позволяющий работать в атомно-силовом режиме, покрыт проводящим покрытием, либо сделан из полупроводникового материала с высокой концентрацией легирующих примесей, чтобы обеспечить проводимость зонда. Зонд поз.1 прижат к поверхности исследуемого образца поз.2 с постоянной силой. На сумматор поз.3 подают постоянное напряжение при помощи источника постоянного напряжения поз.4 и переменное напряжение при помощи генератора поз.5 с амплитудой от 0.1 до 5 вольт. Напряжение с выхода сумматора поз.3 прикладывают между зондом поз.1 и образцом поз.2. Ток, протекающий через зонд, измеряют при помощи измерителя тока поз.6. Амплитуда переменной составляющей тока регистрируется при помощи синхронного детектора поз.7, на который с генератора поз.5 подают опорный сигнал. При помощи интегратора поз.8 вычисляют среднее значение тока, протекающего через зонд. Цепь обратной связи поз.9, которая может быть как программной, так и аппаратной, поддерживает среднее значение тока постоянным, изменяя величину постоянного напряжения. Величина среднего тока, которая поддерживается постоянной, задается оператором. При этом величина напряжения, которое требуется для удержания заданного среднего значения тока, пропорциональна контактному сопротивлению. Контактное сопротивление вычисляют как отношения постоянного напряжения к величине удерживаемого среднего значения тока. Амплитуда переменной составляющей тока пропорциональна дифференциальному контактному сопротивлению. Дифференциальное контактное сопротивление вычисляют как отношение амплитуды переменной составляющей напряжения, приложенного между зондом и образцом, к амплитуде переменной составляющей тока. При этом частота переменного напряжения, подаваемого с генератора поз.5, должна быть достаточно высокой, чтобы не мешать работе обратной связи, удерживающей постоянное среднее значение тока. Среднее значение тока, удерживаемое постоянным, задается достаточно низким, чтобы избежать модификации исследуемой поверхности или зонда. Перемещая зонд поз.1 над поверхностью исследуемого образца поз.2, и измеряя полное и дифференциальное контактное сопротивление описанным выше способом последовательно в каждой точке образца, строят карту распределения постоянной составляющей напряжения и амплитуды переменной составляющей тока, либо карту распределения полного и дифференциального контактного сопротивления.
Важность одновременного измерения контактного полного сопротивления и контактного дифференциального сопротивления иллюстрируется описанным ниже примером.
В работе [М.Porti, M.Nafria, X.Aymerich, A.Olbrich, and В.Ebersberger, Appl. Phys. Lett. 78, 4181 (2001)] описан способ измерения эффективной толщины тонких диэлектрических слоев. Экспериментально получаемые зависимости тока, протекающего через зонд атомно-силового микроскопа, от приложенного между зондом и образцом напряжения описываются функцией Фаулера-Нордгейма [R.H.Fowler and L.Nordheim, Proc. R. Soc. London, Ser. A 119, 173 (1928)]. Эту функцию можно записать через эффективную толщину оксида в следующем виде:
где I - величина тока, протекающего через зонд, V - постоянное напряжение, прикладываемое между зондом и образцом, teff - эффективная толщина оксида, С - константа. Используя выражение (1) можно вычислить значение эффективной толщины оксида.
Используя данное изобретение, можно определять эффективную толщину оксида, не измеряя зависимость тока от напряжения, тем самым избежав модификации исследуемой поверхности. Действительно, эффективную толщину можно выразить через производную тока по напряжению:
Используя выражение (2) и экспериментальные значения контактного дифференциального сопротивления, тока и напряжения можно вычислить эффективную толщину оксида. Более того, по карте распределения дифференциального сопротивления, карте распределения прикладываемого между зондом и образцом напряжения и удерживаемому значению тока возможно вычислить распределение эффективной толщины оксида по поверхности.
Таким образом, данный способ позволяет без модификации за одно измерение одновременно получать информацию о полном контактном сопротивлении и дифференциальном контактном сопротивлении поверхности при определенном, задаваемом оператором, значении тока.
1. Способ измерения полного и дифференциального контактного сопротивления при помощи атомно-силового микроскопа, заключающийся в том, что через проводящий зонд атомно-силового микроскопа, который прижат с постоянной силой к поверхности исследуемого образца, пропускают электрический ток, отличающийся тем, что среднюю величину электрического тока поддерживают постоянной посредством изменения постоянной составляющей напряжения, приложенного между зондом и образцом, также между зондом и образцом прикладывают переменное напряжение, а измеряют постоянную составляющую напряжения, требуемую для удержания заданного значения среднего тока, и амплитуду переменной составляющей тока, протекающего через зонд, а полное контактное сопротивление вычисляют как отношение постоянной составляющей напряжения к среднему значению тока, и дифференциальное контактное сопротивление вычисляют как отношение амплитуды переменной составляющей напряжения к амплитуде переменной составляющей тока.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что зонд перемещают вдоль поверхности образца, а измерение постоянной составляющей напряжения и амплитуды переменной составляющей тока производят последовательно в различных точках образца.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что прикладывают переменное напряжение синусоидальной формы, а регистрацию амплитуды переменной составляющей тока производят с помощью синхронного детектора.
4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что прикладывают переменное напряжение в виде прямоугольных импульсов, а регистрацию амплитуды переменной составляющей тока производят с помощью пик-детектора.
