Skanningskapacitansmikroskopi

Skanningskapacitansmikroskopi ( SCM ) är en mängd olika avsökningssondsmikroskopi där en smal sondelektrod placeras i kontakt med eller i närheten av ett provs yta och skannas. SCM karakteriserar provets yta med hjälp av information erhållen från förändringen i elektrostatisk kapacitans mellan ytan och sonden.

Historia

Namnet Scanning Capacitance Microscopy användes först för att beskriva ett kvalitetskontrollverktyg för RCA/CED ( Capacitance Electronic Disc ), en videodiskteknik som var en föregångare till DVD:n. Den har sedan dess anpassats för användning i kombination med skannade sondmikroskop för mätning av andra system och material med halvledardopningsprofilering som den vanligaste.

SCM applicerad på halvledare använder en ultraskarp ledande sond (ofta Pt/Ir eller Co/Cr tunnfilmsmetallbeläggning applicerad på en etsad kiselsond) för att bilda en metallisolator-halvledare (MIS/MOS) kondensator med ett halvledarprov om en naturlig oxid är närvarande. När ingen oxid är närvarande bildas en Schottky-kondensator. Med sonden och ytan i kontakt kommer en förspänning applicerad mellan spetsen och provet att generera kapacitansvariationer mellan spetsen och provet. Kapacitansmikroskopimetoden utvecklad av Williams et al. använde RCA-videodiskens kapacitanssensor ansluten till sonden för att detektera de små förändringarna i halvledarytans kapacitans (attofarads till femptofarads). Spetsen skannas sedan över halvledarytan medan spetsens höjd styrs av konventionell kontaktkraftåterkoppling.

Genom att applicera en alternerande förspänning på den metallbelagda sonden, ackumuleras och utarmas bärare omväxlande inom halvledarens ytskikt, vilket ändrar spetsprovets kapacitans. Storleken på denna kapacitansändring med den applicerade spänningen ger information om koncentrationen av bärvågor (SCM-amplituddata), medan skillnaden i fas mellan kapacitansändringen och den applicerade, alternerande förspänningen bär information om laddningsbärarnas tecken (SCM) fasdata). Eftersom SCM fungerar även genom ett isolerande skikt, krävs inte en ändlig ledningsförmåga för att mäta de elektriska egenskaperna.

Upplösning

På de ledande ytorna uppskattas upplösningsgränsen till 2 nm. För den höga upplösningen krävs en snabb analys av kapacitansen hos en kondensator med grov elektrod. Denna SCM-upplösning är en storleksordning bättre än den som uppskattas för det atomära nanoskopet ; men som andra typer av sondmikroskopi kräver SCM noggrann förberedelse av den analyserade ytan, som antas vara nästan platt.

Ansökningar

På grund av den höga rumsliga upplösningen hos SCM är det ett användbart nanospektroskopikarakteriseringsverktyg. Vissa tillämpningar av SCM-tekniken involverar kartläggning av dopningsprofilen i en halvledarenhet på en 10 nm-skala, kvantifiering av de lokala dielektriska egenskaperna i hafniumbaserade dielektriska filmer med hög k-typ odlade med en atomskiktsdepositionsmetod och studie av rumstemperaturen resonans elektronisk struktur av individuell germanium quantum dot med olika former. Den höga känsligheten hos dynamisk avsökningskapacitansmikroskopi, där kapacitanssignalen moduleras periodiskt av spetsrörelsen hos atomkraftmikroskopet ( AFM ), användes för att avbilda komprimerbara och inkompressibla remsor i en tvådimensionell elektrongas ( 2DEG ) begravd 50 nm under ett isolerande skikt i ett stort magnetfält och vid kryogena temperaturer.