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SKP模塊中的高度追蹤技術
  • 發布時間 : 2020-05-27 09:42:34
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1. 簡介

SKP技術的信號強度和提取敏感數據的能力依賴于很多因素。主要的影響因素是樣品和探針的功函數差、探針尖端尺寸、探針振幅、探針與樣品表面的距離。用戶可以假設電化學工作站M470(或M370)的環境噪聲和周圍環境一直保持不變,這樣,信號強度主要取決于上面提到的幾個參數。

任何測試都需要好的信噪比,即使是基于統計技術。在某些點,當噪聲超過信號,測量就變得不確定。為了避免這種情況,SKP470(或SKP370)用戶希望在所有實驗中信號強度最大化,就需要考慮上面參數的影響。

增強信噪比的一個方法是確保探針與樣品的距離很小,并在整個測量區域中保持恒定的距離。這就有必要獲取整個掃描區域的形貌信息,當探針掃描樣品時,命令探針按照樣品的形貌移動。有許多不同的技術都能提供樣品的形貌信息:

(1) 非觸式微區形貌測試系統(OSP

(2) 間歇接觸掃描電化學顯微鏡(ic-SECM

(3) 電容式高度測試技術(CHMSKP

(4) 電容式跟蹤測試技術(CTMSKP

本文主要介紹了M470(或M370SKP技術中的CHMCTM技術。

2. CHM和CTM形貌測量的原理

這兩種技術的原理都是測量探針尖端與樣品之間產生的電容。在探針與樣品之間施加一個電壓,優于樣品和探針之間產生電容,一些電荷被儲存,關系式:

Q = CV                                                         (1)

式中,Q是電荷,C是電容,V是施加的電位。

電容C取決于系統的物理參數:

C = εr ε0 ( A / d )                                                  (2)

A為平行電容板的面積(探針面積);d是電容板的距離;εrε0是相對介電常數和真空介電常數。

如果探針按正弦波振動,距離d也按照正弦波振動,系統電容也隨之變化。

C(t) = εr ε0 ( A / d(t) )                                              (3)

式中,t為時間。

所以,存儲的電荷也隨電容的改變而改變:

Q(t) = C(t)V                                                     (4)

系統電荷改變,一定有電流,就是通過測量這個電流來確定探針與樣品的距離d。計算校準常數k,用于計算探針到樣品的距離:

I(t) = kd(t)                                                      (5)

CHM技術中,連續掃描或者單步掃描實驗中的每個點上,探針保持固定的z軸位置。用校準提取探針與樣品的距離。

CTM技術中,實驗開始時,距離d就被設置為一個期望的探針到樣品的距離。當探針到下一個位置,如果測量的探針到樣品的距離與期望值不同,探針高度就重新設定,直到達到理想值。測量探針高度位置的移動(用100nm光學編碼器),保存為形貌。實際上,在整個掃描過程中探針與樣品一直保持最初的距離。

兩種方法的優缺點列于表1中。

1 CHMCTM技術的優缺點

 

CHM

CTM

優點

快;可以單步掃描,也可以連續掃描

精確;整個區域掃描都是真實有效的;較大的測量范圍

缺點

小距離準確,測量小范圍可用。

慢,只能單步掃描;如果電位設置不準確,針可能碰到樣品。

1. CHM解除形貌的影響

12分別為CHMSKP面掃描結果,掃描24小時腐蝕實驗后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處。磨痕和腐蝕都使樣品變形,任何SKP測試都需要解除形貌影響來獲得表面信息。

1 24小時腐蝕實驗后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處的CHM形貌

1CHM實驗結果為探針到樣品的距離,表明樣品左邊有一個約100μm深的圓形磨痕。磨痕的峰值在138μm處,此處探針到樣品的距離最遠。

2SKP實驗結果是通過高度追蹤解除圖1中形貌的影響而提取的SKP數據。探針到樣品的距離保持40μm左右。用戶可以在沒有形貌干擾的情況下提取表面相對功函數測量信息。


2 24小時腐蝕實驗后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處的SKP面掃描結果

(解除圖1形貌干擾)

如果表面形貌的差異超過CHM實際測量能力,那么可以選擇CTM技術在非常大的范圍內獲得同樣的精確度,雖然速率稍慢。

1. CTM解除形貌的影響

3是一個輕微腐蝕的金屬模型,其形貌遠遠超出CHM技術的測量能力。采用CTM技術在36mm2區域內每100μm記錄精確的形貌。圖4CTM掃描結果,從邊緣到中心約700μm,其形貌差異使得標準SKP測試不可能實現。


開爾文探針非常接近(~200μm)彎曲金屬模型。

(實際CTMSKP數據是在探針距離樣品約40μm的位置測量的。)


輕微腐蝕的金屬模型的CTM實驗結果

5是嘗試用標準SKP掃描圖4中的區域,沒有解除形貌的影響。很明顯,樣品的結構影響測量:當探針遠離樣品時,儲存在探針-空氣-樣品界面的電荷是可以忽略的,導致放大的只是環境噪聲。實際上,探針在掃描中心區域是足夠靠近樣品的,這部分信息應該可以代表樣品表面特征。而在探針遠離樣品的區域測得的結果掩蓋了好的數據。


彎曲金屬模型表面不解除形貌干擾的SKP結果

為了對比,圖6是圖5相同區域解除形貌干擾后的SKP測量結果,唯一的差別是探針靠近樣品(平均約40μm),CTM數據用于在整個36mm2范圍內確保探針保持這個距離。可以看出,這個方法成功消除了彎曲對SKP測試的影響。



同樣區域內用CTM數據導入SKP高度追蹤掃描結果

1. 結論

M470(或M370)軟件中用高度追蹤設備可以獲得表面功函數的更精確的測定。通過解除形貌的影響而在掃描區域內獲得最大信噪比。執行高度追蹤的能力完全依賴于測量和使用高度數據的能力。

如上所示,可以用CHMCTM技術獲得這些數據。CHM更快,但是只能用于形貌變化在100μm范圍內的情況。對于形貌變化更大的情況,可以用較慢的CTM技術。

值得注意的是,也可以通過其他技術獲得形貌數據,比如非觸式微區形貌測試系統(OSP)或者掃描電化學顯微鏡(SECM)的恒流技術。一旦獲得形貌,就可以用來解除任何其他掃描探針實驗中形貌的影響。比如:SECMSKPSVPSVET)、SDS


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