Сканирующая зондовая микроскопия методом Кельвина (SKPM)

Высокое разрешение и чувствительность к распределению поверхностного потенциала

Усовершенствованный электросиловой микроскоп (EFM)

Три дополнительных режима электросиловой микроскопии реализованы в усовершенствованном микроскопе EFM серии XE. Это DC-EFM (на режим DC-EFM получен патент Park Systems, США 6185991), метод пьезоэлектрической силовой микроскопии (PFM, аналогично DC-EFM) и сканирующий метод зонда Кельвина (SKPM), также известный как микроскопия распределения поверхностного потенциала.

В усовершенствованном микроскопе EFM серии XE, схема которого представлена на рисунке 1, внешний синхронный усилитель подключается к АСМ-ХЕ, чтобы: во-первых, выделить и использовать сигнал переменного тока частотой ω в дополнение к сигналу постоянного тока, который используется контроллером XE для  подачи его на зонд. Во-вторых, выделить  частоту сигнала ω в выходном сигнале. Эта уникальная возможность серии XE в усовершенствованном варианте микроскопа EFM – основное преимущество по сравнению со стандартными системами микроскопов EFM.

Рис 1. Схема усовершенствованного EFM серии XE

Почему стоит выбрать усовершенствованный микроскоп EFM серии XE?

Стандартный микроскоп EFM производит детектирование поверхности в два прохода зонда (один проход выполняется практически в «холостую»), поэтому обладает ограниченным пространственным разрешением при определении распределения поверхностного потенциала. Усовершенствованный микроскоп EFM серии XE позволяет сканировать поверхность по однопроходной методике, при этом воспроизводится топография и распределение поверхностного потенциала без потери разрешения. Кроме того, это позволяет реализовать режим измерения сигналом высокой частоты.

• Распределение поверхностного заряда и потенциала
• Анализ неисправностей в контактах микроэлектронных цепей
• Механическое измерение твердости (DC-EFM)
• Измерение плотности заряда для областей самопроизвольной поляризации
• Падение напряжения на микрорезисторах
• Функционирование полупроводникового устройства

SKPM

Принцип действия SKPM аналогичен усовершенствованному EFM с обратной связью по постоянному току (рис. 2). Смещение по постоянному току (перенастройка) определяет по цепи обратной связи и используется для обнуления амплитуды колебания кантилевера на частоте ω. Смещение по постоянному току DC, которое обнуляет усилие, и является мерой поверхностного потенциала. Обрабатывается сигнал, полученный от синхронного усилителя. Как отмечено в предыдущем разделе материала,  сигнал ω, полученный от синхронного усилителя, можно выразить следующим уравнением:

2 x (C / d) x (V_DC - V_S) x V_AC sin ωt

Сигнал ω можно сам по себе использовать для измерения поверхностного потенциала. Амплитуда сигнала ω равна нулю, если V_DC = V_S, или если смещение по постоянному току соответствует поверхностному потенциалу образца. Контур обратной связи можно добавить в систему и изменять смещение по постоянному току таким образом, чтобы на выходе синхронного усилителя, измеряющего амплитуду сигнала ω, присутствовал ноль. Это значение смещения по постоянному току, которое обнуляет амплитуду сигнала ω соответствует поверхностному потенциалу образца. Изображение, полученное вариацией смещения постоянного тока, показано на следующем рисунке и является абсолютным значением поверхностного потенциала (рисунок 3).

Рис 2. V_DC контролируется, чтобы амплитуда синала ω была равна нулю, чтобы V_DC соответствовал поверхностному потенциалу

Рис 3. Распределение поверхностного потенциала на ASIC

Микроскопы, работающие в режиме сканирующей зондовой микроскопии методом Кельвина (SKPM):