Ответы на вопросы:

1. Двух- и четырех- и шестизондовый методы измерения удельного сопротивления. Метод сопротивления растекания

Один из первых методов измерения УЭС был двузондовый метод, применявшийся для металлов. Этот метод используют для измерения об- разцов, имеющих правильную геометрическую форму и постоянное по- перечное сечение. 4 При этом на торцевых гранях образца, например, в виде прямоуголь- ной пластины, изготавливают омические контакты, через которые вдольобразца пропускают электрический ток. На одной из поверхностей об- разца вдоль линий тока устанавливают два контакта в виде металличе- ских иголок-зондов, имеющих малую площадь соприкосновения с по- верхностью и позволяющих измерить разность потенциалов (рис. 1). Ес- ли образец однороден, то его удельное сопротивление (ом• см).

Четырёхзондовый метод измерения УЭС является самым распро- странённым, так как он очень удобен тем, что нет необходимости созда- ния омических контактов, возможно измерение удельного сопротивле- ния объёмных образцов самой разнообразной формы и размеров, а также удельного сопротивления слоёв полупроводниковых структур, например, при ионной имплантации. При этом должно выполняться одно условие с 5 точки зрения формы ñ наличие плоской поверхности, линейные размеры которой превосходят линейные размеры системы зондов (расстояния между ними).

Метод сопротивления растекания широко используется для измерения УЭС полупроводниковых пластин и пленок, поскольку применение четырехзондового метода в этих целях ограничено.

Сущность этого метода видна из рис. 1.4. Как известно, в области касания металлического зонда с полупроводником возникает контактное сопротивление R_k, величина которого зависит от направления тока. Объем полупроводника, заключенный между зондом и тыльным контактом, оказывает току некоторое сопротивление R_s, именуемое сопротивлением растекания, которое зависит от величины УЭС полупроводника.

Площадь тыльного контакта обычно велика, поэтому он является омическим, и величиной его сопротивления в сравнении с R_k можно пренебречь. Если зонд и тыльный контакт достаточно удалены друг от друга, то эквипотенциальные поверхности, как показано на рис. 1.4, по мере углубления в толщу полупроводника меняют свою форму от начальной, определяемой геометрией самого зонда, до плоской вблизи тыльного контакта. При этом силовые линии тока, перпендикулярные эквипотенциальным поверхностям, наиболее сгущены вблизи зонда и расходятся по мере углубления в полупроводник.

Поэтому большая часть R_s обусловлена сопротивлением той части объема полупроводника, которая примыкает непосредственно к зонду.

Предполагая, что поверхность области касания зонда с кристаллом представляет собой плоский круг диаметром 2r, У.Шокли предложил простую формулу для определения УЭС:

 (1.18)

На практике обычно используются зонды, обеспечивающие точечный контакт, кончик которых закруглен в форме полусферы диаметром 2r. В этом случае расчет УЭС производится по несколько видоизмененной формуле:

 (1.19)

Сопротивление R_k + R_s между зондом и тыльным контактом может быть определено известными методами. R_s находят экспериментально, прикладывая большие напряжения в пропускном направлении, что позволяет пренебречь значением R_k.

Основные особенности метода сопротивления растекания:

1. Обладает хорошей локальностью (один зонд), что позволяет использовать его для контроля образцов малых размеров и получать профиль распределения величины УЭС по координате.

2. По сути, является неразрушающим и не требует специальной подготовки поверхности.

2. Вольт-фарадные характеристики барьера Шоттки. Определение времени жизни неосновных носителей заряда. Контроль вольт-амперных характеристик. Метод ЭДС Холла.

3.Атомно-силовая микроскопия. Контактные квазистатические и бесконтактные колебательные методы.

Отображение выполняется измерением силы взаимодействия через отклонение мягкого кантилевера во время сканирования иглы вдоль поверхности. Генерирование сигнала в AFM по существу базируется на силах межатомного отталкивания, которые действуют на чрезвычайно коротких расстояниях. В идеальном случае можно представить, что наконечник заканчивается единственным атомом. Это означает, что прямой контакт наконечника с поверхностью образца ограничен чрезвычайно маленькой областью. Вследствие этого, всегда существует межатомная отталкивающая сила в этой маленькой области контакта из-за перекрытия электронных оболочек атомов подложки и наконечника. Так как на силу межатомного отталкивания влияет полная электронная плотность вокруг атома, эта сила может использоваться для исследования топографии поверхности на атомном уровне. В дополнение к этой силе, действуют также и другие факторы, влияющие на точность измерения, некоторые из которых уже были перечислены. Например, силы притяжения могут привести к разрушению образца иглой зонда. Так что эти воздействия необходимо минимизировать.

фотодиоде, т.е. соотношение между сигналами на двух сегментах. Данный метод чувствителен к перемещению кантилевера с разрешающей способностью 0.1 нм.

При выявлении сравнительно больших геометрических деталей качество изображений определяется геометрией острия. Критическими являются следующие параметры: радиус закругления конца иглы r и аспектное отношение A_r = L/W (отношение высоты зонда к диаметру основания).

Рис. 2. Искажение изображения профиля поверхности вследствие конечной величины отношения аспекта и радиуса закругления острия. В отличие от многих других поверхностных аналитических методов, например сканирующей электронной микроскопии, AFM не требует вакуума. Таким образом, ее можно использовать для прямого наблюдения границ раздела твердого тела с газом и жидкостью. Последний вариант открывает возможность защищать чувствительные поверхности инертной жидкостью.

6.Сканирующая туннельная микроскопия. Метод постоянного туннельного тока и метод постоянного среднего расстояния. ближнепольная оптическая микроскопия.

вертикальном направлении при прохождении топографических особенностей (или, на атомном уровне, локальной плотности состояний) на поверхности. В этом методе сравнительно большие и шероховатые области образца могут быть отображены без повреждения наконечника или поверхности образца, однако, скорости сканирования остаются сравнительно низкими, для того, чтобы позволить системе обратной связи отследить изменение высоты. В методе постоянного расстояния поддерживается неизменным вертикальное положение наконечника, и регистрируется изменяющийся туннельный ток. При этом можно достигнуть большей скорости развертки изображения, что важно для устранения теплового дрейфа в режиме высокого разрешения, однако, возможно разрушение образца или наконечника зонда из-за их удара.

Используемые наконечники для экспериментов STM должны быть остры и устойчивы. Химическая стабильность может быть достигнута использованием благородных металлов. Механическая жесткость может быть достигнута использованием коротких проволочек. Для изготовления наконечников часто используются сплавы Pt и Ir. Из-за высокой химической стабильности Pt/Ir наконечники удовлетворяют экспериментам с высоким разрешением на плоских образцах. Однако они не в состоянии проследить резкие изменения топографии поверхности. Поэтому для исследования шероховатых образцов используются электролитически стравленные вольфрамовые наконечники, хотя они менее устойчивы к окислению.

Хотя физические исследования электронного состояния поверхностей требуют высокого вакуума, чтобы гарантировать чистоту образцов, сама по себе методика может быть использована на воздухе и в жидкости.

STM изображения можно интерпретироваться как рельеф поверхности только для поверхностных структур с размерами много больше межатомного расстояния. В общем случае, изображения в режиме постоянного тока описывают локальные плотности состояний. Если полярность образца отрицательна, то отображаются состояния в валентной зоне. Для положительной полярности образца может быть зарегистрировано распределение электронных состояний в зоне проводимости. В случае если на поверхности присутствуют различные химические соединения, контраст изображения также определяется изменениями эффективной высоты барьера (работой выхода) в различных точках.

Подобно AFM, одно из преимуществ STM – широкий диапазон разрешений просмотра (от 100 мкм до атомного уровня) в одном эксперименте. Высокие разрешения позволяют исследовать локальные дефекты поверхности: моноатомные дефекты, ступеньки, дислокации. Кроме того, возможность получить спектроскопическую информацию делает STM очень ценным инструментом для того, чтобы изучения поверхностных процессов в атомном масштабе. С помощью СТМ и других почти столь же локальных модификаций этого метода оказалось возможным не только указать, в каком положении на поверхности находятся те или иные атомы, но и обнаружить те или иные дефекты атомных размеров, исследовать границы зерен, доменов, дислокации, анализировать многочисленные поверхностные процессы на участках в десятки ангстрем, электронную структуру нанообъектов, их магнитные, механические, оптические, электрические свойства. Выяснилось, что метод СТМ применим для создания нового направления в поверхностной литографии — нанолитографии, позволяющей вплотную подойти к созданию наноэлектроники.

В настоящее время именно метод СТМ является наиболее удобным для анализа кристаллической решетки поверхностных фаз. Наблюдая при помо­щи СТМ за распределением атомов, формирующих поверхностную фазу, и сопоставляя эти данные с результатами определения покрытия поверхности адсорбатом, часто удается построить модель соответствую­щей кристаллической решетки.

Одно из главных достоинств ме­тода СТМ состоит в возможности осуществлять с его помощью литографические процессы наноатомных размеров. На рис. 11, а—г приведены три основных метода манипуляции поверхностными атомами: их лате­ральное перемещение, селективная адсорбция атомов и их селективное удаление с поверхности.

7.Техника сканирующей зондовой микроскопии: принципы работы сканирующих зондовых микроскопов; сканирующие элементы зондовых микроскопов;

(СЗМ) — появилась в 80-х годах 20-го века. Ее принцип основан на использовании механического зонда для получения увеличенных изображений поверхности. Этим методом можно получать трехмерное изображение на воздухе, в жидкости и в вакууме с разрешением вплоть до долей ангстрема. Наиболее распространенные разновидности СЗМ – это атомно-силовая микроскопия и сканирующая туннельная микроскопия. В конструкцию СЗМ входят зонд, пьезоэлектрические двигатели для перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компьютер для управления процессом сканирования, получения и обработки изображений (Рис.1).

Главной частью микроскопа является сенсор с высоким пространственным разрешением. Эти сенсоры обычно позволяют измерять расстояния с точностью 0,01 нм. Основными видами сенсоров являются туннельный и атомно-силовой.

Рис.1. Схема сканирующего зондового микроскопа.