1. 簡(jiǎn)介

SKP技術(shù)的信號(hào)強(qiáng)度和提取敏感數(shù)據(jù)的能力依賴(lài)于很多因素。主要的影響因素是樣品和探針的功函數(shù)差、探針尖端尺寸、探針振幅、探針與樣品表面的距離。用戶(hù)可以假設(shè)電化學(xué)工作站M470（或M370）的環(huán)境噪聲和周?chē)h(huán)境一直保持不變，這樣，信號(hào)強(qiáng)度主要取決于上面提到的幾個(gè)參數(shù)。

任何測(cè)試都需要好的信噪比，即使是基于統(tǒng)計(jì)技術(shù)。在某些點(diǎn)，當(dāng)噪聲超過(guò)信號(hào)，測(cè)量就變得不確定。為了避免這種情況，SKP470（或SKP370）用戶(hù)希望在所有實(shí)驗(yàn)中信號(hào)強(qiáng)度最大化，就需要考慮上面參數(shù)的影響。

增強(qiáng)信噪比的一個(gè)方法是確保探針與樣品的距離很小，并在整個(gè)測(cè)量區(qū)域中保持恒定的距離。這就有必要獲取整個(gè)掃描區(qū)域的形貌信息，當(dāng)探針掃描樣品時(shí)，命令探針按照樣品的形貌移動(dòng)。有許多不同的技術(shù)都能提供樣品的形貌信息：

（1） 非觸式微區(qū)形貌測(cè)試系統(tǒng)（OSP）

（2） 間歇接觸掃描電化學(xué)顯微鏡（ic-SECM）

（3） 電容式高度測(cè)試技術(shù)（CHM，SKP）

（4） 電容式跟蹤測(cè)試技術(shù)（CTM，SKP）

本文主要介紹了M470（或M370）SKP技術(shù)中的CHM和CTM技術(shù)。

2. CHM和CTM形貌測(cè)量的原理

這兩種技術(shù)的原理都是測(cè)量探針尖端與樣品之間產(chǎn)生的電容。在探針與樣品之間施加一個(gè)電壓，優(yōu)于樣品和探針之間產(chǎn)生電容，一些電荷被儲(chǔ)存，關(guān)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(tǒng)的物理參數(shù)：

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

式中，A為平行電容板的面積（探針面積）；d是電容板間的距離；ε_r和ε₀是相對(duì)介電常數(shù)和真空介電常數(shù)。

如果探針按正弦波振動(dòng)，距離d也按照正弦波振動(dòng)，系統(tǒng)電容也隨之變化。

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

式中，t為時(shí)間。

所以，存儲(chǔ)的電荷也隨電容的改變而改變：

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

系統(tǒng)電荷改變，一定有電流，就是通過(guò)測(cè)量這個(gè)電流來(lái)確定探針與樣品的距離d。計(jì)算校準(zhǔn)常數(shù)k，用于計(jì)算探針到樣品的距離：

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

在CHM技術(shù)中，連續(xù)掃描或者單步掃描實(shí)驗(yàn)中的每個(gè)點(diǎn)上，探針保持固定的z軸位置。用校準(zhǔn)提取探針與樣品的距離。

在CTM技術(shù)中，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，距離d就被設(shè)置為一個(gè)期望的探針到樣品的距離。當(dāng)探針到下一個(gè)位置，如果測(cè)量的探針到樣品的距離與期望值不同，探針高度就重新設(shè)定，直到達(dá)到理想值。測(cè)量探針高度位置的移動(dòng)（用100nm光學(xué)編碼器），保存為形貌。實(shí)際上，在整個(gè)掃描過(guò)程中探針與樣品一直保持最初的距離。

兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)列于表1中。

表1 CHM和CTM技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

1. 用CHM解除形貌的影響

圖1和2分別為CHM和SKP面掃描結(jié)果，掃描24小時(shí)腐蝕實(shí)驗(yàn)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(cè)試都需要解除形貌影響來(lái)獲得表面信息。

圖1 24小時(shí)腐蝕實(shí)驗(yàn)后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處的CHM形貌

圖1中CHM實(shí)驗(yàn)結(jié)果為探針到樣品的距離，表明樣品左邊有一個(gè)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(yuǎn)。

圖2中SKP實(shí)驗(yàn)結(jié)果是通過(guò)高度追蹤解除圖1中形貌的影響而提取的SKP數(shù)據(jù)。探針到樣品的距離保持40μm左右。用戶(hù)可以在沒(méi)有形貌干擾的情況下提取表面相對(duì)功函數(shù)測(cè)量信息。

圖2 24小時(shí)腐蝕實(shí)驗(yàn)后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處的SKP面掃描結(jié)果

（解除圖1形貌干擾）

如果表面形貌的差異超過(guò)CHM實(shí)際測(cè)量能力，那么可以選擇CTM技術(shù)在非常大的范圍內(nèi)獲得同樣的精確度，雖然速率稍慢。

1. 用CTM解除形貌的影響

圖3是一個(gè)輕微腐蝕的金屬模型，其形貌遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出CHM技術(shù)的測(cè)量能力。采用CTM技術(shù)在36mm²區(qū)域內(nèi)每100μm記錄精確的形貌。圖4是CTM掃描結(jié)果，從邊緣到中心約700μm，其形貌差異使得標(biāo)準(zhǔn)SKP測(cè)試不可能實(shí)現(xiàn)。

圖3 開(kāi)爾文探針?lè)浅＝咏?/span>~200μm）彎曲金屬模型。

（實(shí)際CTM和SKP數(shù)據(jù)是在探針距離樣品約40μm的位置測(cè)量的。）

圖4 輕微腐蝕的金屬模型的CTM實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是嘗試用標(biāo)準(zhǔn)SKP掃描圖4中的區(qū)域，沒(méi)有解除形貌的影響。很明顯，樣品的結(jié)構(gòu)影響測(cè)量：當(dāng)探針遠(yuǎn)離樣品時(shí)，儲(chǔ)存在探針-空氣-樣品界面的電荷是可以忽略的，導(dǎo)致放大的只是環(huán)境噪聲。實(shí)際上，探針在掃描中心區(qū)域是足夠靠近樣品的，這部分信息應(yīng)該可以代表樣品表面特征。而在探針遠(yuǎn)離樣品的區(qū)域測(cè)得的結(jié)果掩蓋了好的數(shù)據(jù)。

圖5 彎曲金屬模型表面不解除形貌干擾的SKP結(jié)果

為了對(duì)比，圖6是圖5相同區(qū)域解除形貌干擾后的SKP測(cè)量結(jié)果，唯一的差別是探針靠近樣品（平均約40μm），CTM數(shù)據(jù)用于在整個(gè)36mm²范圍內(nèi)確保探針保持這個(gè)距離?？梢钥闯觯@個(gè)方法成功消除了彎曲對(duì)SKP測(cè)試的影響。

圖6 同樣區(qū)域內(nèi)用CTM數(shù)據(jù)導(dǎo)入SKP高度追蹤掃描結(jié)果

1. 結(jié)論

M470（或M370）軟件中用高度追蹤設(shè)備可以獲得表面功函數(shù)的更精確的測(cè)定。通過(guò)解除形貌的影響而在掃描區(qū)域內(nèi)獲得最大信噪比。執(zhí)行高度追蹤的能力完全依賴(lài)于測(cè)量和使用高度數(shù)據(jù)的能力。

如上所示，可以用CHM和CTM技術(shù)獲得這些數(shù)據(jù)。CHM更快，但是只能用于形貌變化在100μm范圍內(nèi)的情況。對(duì)于形貌變化更大的情況，可以用較慢的CTM技術(shù)。

值得注意的是，也可以通過(guò)其他技術(shù)獲得形貌數(shù)據(jù)，比如非觸式微區(qū)形貌測(cè)試系統(tǒng)（OSP）或者掃描電化學(xué)顯微鏡（SECM）的恒流技術(shù)。一旦獲得形貌，就可以用來(lái)解除任何其他掃描探針實(shí)驗(yàn)中形貌的影響。比如：SECM、SKP、SVP（SVET）、SDS。