5. Сканирующая емкостная микроскопия.

Сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ) предназначена для исследования распределения поверхностной емкости по образцу. Метод позволяет изучать локальные диэлектрические свойства поверхностных слоев образца (например, распределение легирующей примеси). Для получения информации о свойствах поверхности в данном режиме используют электростатическое взаимодействие между зондом и образцом.

Рис. 2.27. Схема измерений при многопроходной методике

На 1 проходе сканируемой строки регистрируется рельеф поверхности (рис.).

На 2 проходе зондовый датчик отодвигается от поверхности на расстояние dZ. Между зондом и образцом подается напряжение смещения U0 и переменное напряжение U1sin ωt. На втором проходе зонд движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца, при этом измеряется распределение емкости.

Поскольку локальное расстояние между зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний зонда М на частоте 2ω будут связаны с изменением емкости системы зонд – образец.

Для увеличения колебаний зонда на второй гармонике частота ω выбирается равной половине резонансной частоты зондового датчика. На втором проходе зонд движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца, при этом производится регистрация интересующего аналитического отклика. Значение силы на второй гармонике функции возбуждающего напряжения пропорционально производной ∂С/∂Z. Емкость системы кантилевер – образец С складывается из двух емкостей, включенных последовательно: емкости зазора, зависящей от расстояния кантилевер – образец С_Z, и поверхностной емкости C_X,Y :

В приближении плоского конденсатора СZ ~ Z ⁻¹ амплитуда резонансных колебаний кантилевера, инициированная переменным электрическим полем с частотой, равной половине резонансной частоты кантилевера, будет пропорциональна:

Приближение плоского конденсатора достаточно точно отражает зависимость емкости от расстояния. В приближении конденсатора в виде полусферы емкость выражается достаточно сложным образом:

где r – радиус полусферы; z – кратчайшее расстояние от поверхности полусферы до плоскости.

Расстояние dZ подбирается таким образом, чтобы между колеблющимся зондом и образцом оставалось достаточное расстояние, исключающее влияние рельефа на результат измерений. Однако расстояние dZ не должно быть очень большим, так как в этом случае уменьшается измеряемый сигнал и ухудшается латеральное разрешение. В некоторых случаях может быть необходим третий проход для исключения влияния не только рельефа, но и поверхностного электрического поля.

Многопроходные методики, помимо сканирующей емкостной микроскопии, используются при исследовании поверхностных потенциалов (Кельвин-мода), электрических сил, магнитных полей и т. д. На рис. представлены зависимости от 1/z для значений радиусов кривизны от 0,1 нм (нижняя прямая) до 50 нм (верхняя прямая) с шагом 5 нм, которые показывают высокую точность приближения плоского конденсатора.

Рис. 2.28. Зависимость емкости полусферический зонд – плоская поверхность от расстояния для различных радиусов кривизны острия