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SKP模块中的高度追踪技术
  • 发布时间 : 2018-05-07 17:38:34
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1. 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最大化,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:

(1) 非触式微区形貌测试系统(OSP)

(2) 间歇接触扫描电化学显微镜(ic-SECM)

(3) 电容式高度测试技术(CHM,SKP)

(4) 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。

2. CHM和CTM形貌测量的原理

这两种技术的原理都是测量探针尖端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;εrε0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)

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。

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最初的距离。

两种方法的优缺点列于表1中。

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。

3. CHM解除形貌的影响

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。

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

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最远。

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。

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。

4. CTM解除形貌的影响

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,从边缘到中心约700µm,其形貌差异使得标准SKP测试不可能实现。

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。)

4 轻微腐蚀的金属模型的CTM实验结果

5是尝试用标准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,探针在扫描中心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。

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,唯一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。

6 同样区域内用CTM数据导入SKP高度追踪扫描结果

5. 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最大信噪比。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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