Wprowadzenie

Ideą mikroskopii sił elektrostatycznych jest obserwacja oddziaływań elektrostatycz-nych występujących między przewodzącym ostrzem osadzonym na sprężystej dźwigni a badanym preparatem. Pierwsze eksperymenty, przeprowadzone w 1988 roku, miały na celu lokalną detekcję obecności fotorezystu na powierzchni krzemu i pomiar spadku napięcia wzdłuż złącza pn [33]. Był to początek rozwoju mikroskopii sił elektrostatycz-nych, która stała się jedną z najważniejszych metod badania zachowań elektrycznych mikro- i nanostruktur. Metoda ta znalazła zastosowanie w obserwacjach:

♦ Rozkładu ładunków na powierzchni izolatorów. Prace dotyczyły między in-nymi osadzania na powierzchni polimeru PMMA za pomocą niklowego mikroostrza ładunku elektrycznego około 2·10–16 C i obserwacji jego przemieszczania [34]. Mikro-skop sił elektrostatycznych zastosowano także do obserwacji ładunków na powierzch-ni warstwy izolatora pokrywającego kanał tranzystora MOS [360]. Badapowierzch-nia te prowa-dzono w celu określenia koncentracji i ruchliwości jonów, które osadzają się w strukturach tranzystorów z tzw. podniesioną bramką (ang. Suspended Gate MOS). Obecność tych jonów na powierzchni bramki rzutuje na przewodzenie prądu w kanale tranzystora i wpływa na jego szumy. Zastosowanie mikroskopu sił elektrostatycznych pozwoliło w tym przypadku na określenie powierzchniowej gęstości ładunku na po-wierzchni bramki o wymiarach 50×50 μm rzędu 10–9 C/cm2 [360]. Zmodyfikowany mikroskop sił elektrostatycznych pozwolił również ustalać obecność ładunków w ob-szarze kontaktowym między domenami ferrolektrycznymi triglycine sulfate TGS w polu skanowania 40×40 μm [361].

♦ Rozkładu napięcia na powierzchni układów mikro- i optoelektronicznych. Przeprowadzenie odpowiedniej detekcji sygnałów związanych z ugięciem belki umoż-liwia odwzorowanie napięć elektrycznych panujących na badanej powierzchni. Napię-cia te mogą odpowiadać:

y Kontaktowej różnicy potencjałów (tzw. napięciu Kelvina), związanej się z róż-nicą prac wyjścia materiałów tworzących ostrze pomiarowe i preparat, która wynosi V_CPD = (Φ₂ – Φ₁)/e, gdzie Φ₂ i Φ₁ są odpowiednio pracami wyjścia z ostrza i powierzchni, e jest ładunkiem elementarnym.

Eksperymenty przeprowadzone w powietrzu umożliwiły obserwację zmian kontakto-wej różnicy potencjałów w układzie warstw złota i polladu w zakresie 0,1 mV z lokal-ną rozdzielczością 50 nm [362]. Ponieważ wartość kontaktowej różnicy potencjałów zależy od technologii nakładania cienkich warstw, mikroskop sił elektrostatycznych może być w takich przypadkach zastosowany do diagnostyki prowadzonych procesów osadzania. Pomiary kontaktowej różnicy potencjałów mogą także służyć do oceny zjawisk tarcia w układach MEMS [363]. Zmiana pracy wyjścia molekularnej warstwy perfluoroeteru Z-DOL (która pełni rolę molekularnego smaru dla ruchomych części krzemowego mikrosystemu) jest miarą lokalnej jakości pokrycia zmniejszającego tarcie [363]. Badanie takie, w połączeniu z eksperymentami prowadzonymi za pomocą mikroskopu sił tarcia, umożliwiają wszechstronną diagnostykę zachowań trybologicz-nych w układach mikrosystemowych. Dokładna i ilościowa analiza zarejestrowatrybologicz-nych obrazów sił elektrostatycznych wymaga przeprowadzenia pomiaru napięć Kelvina w warunkach ultrawysokiej próżni. W układach takich pomiary są prowadzone na powierzchni czystych kryształów (tzn. niepokrytych warstwą zaadsorbowanej wody i samoistnych tlenków). W układach próżniowych zwiększa się również czułość de-tekcji oddziaływań skupionych na ostrzu pomiarowym, co umożliwia detekcję napięć Kelvina na poziomie 0,1 mV w skali atomowych defektów na powierzchni GaAs i WSe2 [364].

y Potencjałom występującym w pracującym układzie mikro- lub optoelektronicz-nym.

W 1991 roku po raz pierwszy dokonano za pomocą mikroskopu sił elektrostatycznych pomiaru napięć elektrycznych na powierzchni pracującego wzmacniacza operacyjnego [365]. Lokalna rozdzielczość pomiaru wyniosła w przypadku opisywanych ekspery-mentów około 50 nm, a rozdzielczość detekcji napięć elektrycznych około 1 mV [365]. Mikroskop sił elektrostatycznych został również użyty do pomiaru rozkładu napięć w cienkowarstwowych strukturach InGaAs osadzanych w technologii MOCVD na podłożu InP [366]. Przy zoptymalizowanych warunkach pomiarowych zaobserwo-wano w tym przypadku zmiany napięć w zakresie do 33 mV w obszarze 1×1 μm [366]. Zastosowanie sond mikromechanicznych o zoptymalizowanych właściwościach metrologicznych i układów detekcji wychylenia ostrza o zwiększonej rozdzielczości pozwoliło na odwzorowanie napięć elektrycznych w strukturze krawędziowego lasera półprzewodnikowego [367]. Laser ten był zbudowany w układzie heterostruktury GaAlSbAs/GaSb, która zawierała pięć studni kwantowych GaInSbAs o szerokości 7 nm, odseparowanych między sobą warstwą GaSb grubości 30 nm. W opisywanym układzie obserwowano spadki napięć między poszczególnymi obszarami heterostruk-tury z rozdzielczością około 10 mV [367]. Mikroskopia sił elektrostatycznych umoż-liwiła też pomiary napięć w fotoogniwach CdTe/CdS/SnO₂/szkło i GaInP/GaAs/Ge [368]. Badania te, wykonane przy różnych napięciach polaryzacji struktury, pozwoliły na wskazanie między warstwami CdTe/CdS obszarów zubożenia o szerokości 50 nm [368]. Mikroskopy sił elektrostatycznych o zmodyfikowanej konstrukcji były użyte również do diagnostyki napięć elektrycznych w obwodach mikrofalowych. Badania takie wymagają użycia dźwigni sprężystych, z którymi zintegrowana jest linia

kopla-Rozdział 12

186

narna doprowadzająca napięcie elektryczne bardzo wysokiej częstotliwości do mikro-ostrza pomiarowego [369]. Układy tego typu pozwalają na detekcję napięć w paśmie częstotliwości do 300 GHz z rozdzielczością 1 mV [370]. Systemów pomiaru sił elek-trostatycznych w paśmie mikrofalowym użyto też jako wysokorozdzielczych analiza-torów transmisji danych cyfrowych przesyłanych z szybkością 500 Mb/s [371]. Czu-łość systemów mikrofalowych zademonstrowano natomiast podczas badań możliwości detekcji stanów logicznych przesyłanych w układach scalonych pod war-stwą pasywacji o grubości 0,5 μm [372].

♦ Rozkładu pojemności występującej między przewodzącym ostrzem a

bada-nym preparatem. Z analizy zaprezentowanej w podrozdziale 12.2 widać, że

odpo-wiednia detekcja sygnałów związanych z wychyleniem ostrza umożliwia obserwację zmian pojemności w układzie elektrod, jaki tworzy przewodząca sonda i obserwowa-na próbka. Na wartość tej pojemności może wpływać:

y Obecność dielektryka pokrywającego przewodzącą powierzchnię.

Do pomiaru rozkładu i grubości fotorezystu na powierzchni krzemowej płytki podło-żowej [33] zastosowano mikroskop sił elektrostatycznych. Analogicznego układu użyto też do pomiaru grubości dielektryka osadzonego na powierzchni płytki krze-mowej [373].

y Domieszkowanie struktury półprzewodnikowej.

Drugą elektrodę kondensatora ostrze–preparat tworzy chmura ładunku przypo-wierzchniowego, występującego w objętości półprzewodnika. Pomiar pojemności odwzorowuje zatem lokalny poziom domieszkowania badanej struktury. Przedmiotem pierwszych pomiarów było odwzorowanie obszarów domieszkowania w krzemie n i p o koncentracji domieszki równej – odpowiednio – 1020 i 1015 cm–3 [374]. Zastosowanie dźwigni mikromechanicznych pozwoliło natomiast na obserwacje w skali 100 nm obszarów domieszkowania o poziomie w zakresie od 1015 do 1020 cm–3 [375]. Badania prowadzono również w układach tranzystorów MOS ze słabo domieszkowanym dre-nem (ang. Lightly Doped Drain – LDD) [376]. Długość kanału badanego tranzystora wynosiła w tym przypadku 2 μm, rozdzielczość systemu umożliwiła odwzorowanie obszarów głębokiego domieszkowania w skali około 10 nm.

Należy dodatkowo zaznaczyć, że konsekwencją coraz większego stopnia integracji układów mikro- i nanoelektronicznych jest wytwarzanie elementów półprzewodniko-wych z obszarami domieszkowania o głębokości mniejszej niż 1 μm. Dotychczasowe metody badania rozkładu domieszki w układach półprzewodnikowych, takie jak np. spektroskopia masowa jonów wtórnych (ang. Secondary Ion Mass Spectroscopy – SIMS), nie pozwalają na diagnostykę struktur o tak małej głębokości. Autor pracy jest zdania, że mikroskopia sił elektrostatycznych i skaningowa mikroskopia pojemno-ściowa mogą się stać powszechnymi metodami diagnostyki rozkładu domieszkowania w układach ultrawysokiej skali integracji (ang. Ultra High Scale Integration – UHSI) i niskowymiarowych strukturach elektronicznych [377, 378]. Metody te pozwalają bowiem na badanie właściwości elektrycznych z lokalną rozdzielczością pojedyn-czych nanometrów. W przypadku mikroskopii sił elektrostatycznych możliwe stają się

pomiary napięć elektrycznych panujących na badanej powierzchni w mikrofalowym paśmie częstotliwości. Powszechne zastosowanie mikroskopii sił elektrostatycznych w praktyce przemysłowej wymaga jednak:

♦ opracowania przewodzących ostrzy pomiarowych o dużej odporności na ściera-nie, dobrej przewodności i dużej smukłości,

♦ opracowania dźwigni sprężystych o stałej sprężystości mniejszej niż 1 N/m i częstotliwości rezonansowej w zakresie od 70 do 100 kHz,

♦ opracowania metod detekcji wychylenia ostrza pomiarowego i warunków ska-nowania powierzchni, tak aby możliwe było odwzorowanie szczegółów po-wierzchni w skali około 5 nm [379].

W niniejszym rozdziale omówiono podstawy mikroskopii sił elektrostatycznych i przedstawiono konstrukcje czujników zastosowanych do badań prowadzonych przez autora pracy. Zaprezentowano także wyniki pomiarów sił elektrostatycznych i rozkła-du napięć na powierzchni krzemowego piezorezystywnego detektora siły.