در مقاله قبلی با عنوان «بررسي مواد در مقياس نانو با استفاده از ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي» به بررسی اصول كار با ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي و عوامل موثر بر آن پرداخته شد. گفته شد ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي يكي از انواع ميكروسكوپ‌های پروبي روبشي است كه در آن يك پروب الكترودي نازك، سطح نمونه را روبش می‌کند. در این روش با استفاده از اطلاعاتی که از تغییر ظرفیت الکترواستاتیک بین سطح و پروب حاصل می‌شود، سطح نمونه مورد بررسی و شناسایی قرار می‌گیرد.
ميكروسكوپي ظرفيتي روبشي، روشي غيرمخرب است كه براي شناسايي و بررسي نمونه‌هاي نيمههادي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. یکی از كاربردهاي تجاری ميکروسکوپ ظرفيتی روبشی، تصويربرداری از ناخالصی‌ها در قطعات نيمههادي است. اين ميكروسكوپ مي‌تواند براي اندازه‌گيري چگالي حامل‌هاي بار با دقتی در مقياس نانومتر نیز استفاده شود. توانایی این روش در تصویربرداری از توزیع بار با توان تفكيك و حساسیت بسیار بالا سبب شده‌است كه به‌عنوان روشي با ارزش براي شناسايي نانومواد محسوب شود. در مقاله حاضر به بررسی کاربردهای ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي و پیشرفت‌های آن پرداخته می‌شود.
ميكروسكوپي ظرفيتي روبشي، روشي غيرمخرب است كه براي شناسايي و بررسي نمونه‌هاي نيمههادي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. یکی از كاربردهاي تجاری ميکروسکوپ ظرفيتی روبشی، تصويربرداری از ناخالصی‌ها در قطعات نيمههادي است. اين ميكروسكوپ مي‌تواند براي اندازه‌گيري چگالي حامل‌هاي بار با دقتی در مقياس نانومتر نیز استفاده شود. توانایی این روش در تصویربرداری از توزیع بار با توان تفكيك و حساسیت بسیار بالا سبب شده‌است كه به‌عنوان روشي با ارزش براي شناسايي نانومواد محسوب شود. در مقاله حاضر به بررسی کاربردهای ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي و پیشرفت‌های آن پرداخته می‌شود.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1-مقدمه
2-كاربردهای ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي
3- پیشرفت‌های روش SCM
4- روش SCM در آینده
نتیجه‌گیری
1-مقدمه
2-كاربردهای ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي
3- پیشرفت‌های روش SCM
4- روش SCM در آینده
نتیجه‌گیری
1-مقدمه
ميكروسكوپي ظرفيتي روبشي، روشي غيرمخرب است كه براي شناسايي و بررسي نمونه‌هاي نيمههادي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. روش‌های استاندارد مختلفی جهت تعیین مشخصات نيمه‌هادي‌ها وجود دارد اما ظهور قطعاتی با ابعاد کوچک‌تر و ضرورت دست‌یابی به قابلیت اطمینان در اندازه‌گیری‌ها، باعث شده‌است ابزارهای شناسایی جدیدی برای تشخیص، مورد نیاز قرار گیرند. از جمله این ابزارها، انواع مختلف میکروسکوپ‌های پروبی روبشی هستند که نه تنها توانایی شناسایی و بررسی نيمه‌هادي‌ها را دارند، بلکه می‌توانند فرآیند عملکرد آنها را نیز مورد پایش قرار دهند. ترکیب روش میکروسکوپی ظرفیتی روبشی با میکروسکوپی نیروی اتمی به‌دلیل غیرمخرب بودن و توان تفکیک فضایی بالا، یکی از روش‌های توانمند براي شناسایی و بررسی قطعات نيمههادي است.
میکروسکوپ SCM شامل یک سوزن پروب فلزی رسانا و یک حسگر ظرفیتی فوق‌العاده حساس به‌همراه اجزای AFM معمولي است. در SCM همانند EFM، بین سوزن و نمونه، یک ولتاژ به‌صورت ساختار MOS اعمال می‌شود. سوزن فلزی پروب در تماس با نمونه نیمه‌هادي اکسیدی، یک خازن MOS را به‌وجود می‌آورد که در آن (M) پروب فلزی، (S) ماده نيمه‌هادی و (O) دی‌الکتریک نازکی است که روی سطح نیمه‌هادي تشکیل شده‌است. در خازن MOS، الکترود فلزی که با نام گیت شناخته می‌شود با يك لایه اکسیدی از الکترود نیمه‌هادی، جدا می‌شوند.
روش SCM یک روش شناسایی نانومتری است که به‌وسیله آن می‌توان تغییر خواص لایه اکسیدی از یک نقطه به نقطه دیگر را تشخیص داده و عدم یکنواختی ضخامت لایه اکسیدی را در کل سطح نمونه ارزیابی كرد.
2-كاربردهای ميكروسكوپ ظرفيتي روبشي
روش SCM یک ابزار میکروسکوپی عالی است که به كمك آن می‌توان تصوير اختلاف غلظت آلاینده‌ها را با توان تفكيك بالا تهيه كرد. اگر نوع آلاینده متفاوت باشد (نوع n یا p)، به كمك SCM می‌توان با بهره‌گیری از آشکارساز حساس به فاز، این تفاوت را نشان داد. همچنین برای نمونه‌های بزرگ با سطح گسترده و یا قطعاتی که به چندین روبش در مناطق مختلف سطح نياز دارند نیز می‌توان از این میکروسکوپ استفاده نمود. گرچه تاکنون، روش SCM به‌عنوان یک روش اندازه‌گیری استاندارد برای استفاده عمومی در نظر گرفته نشده‌است، ولی تحقیقات انجام شده نشان می‌دهند که استفاده از این روش برای اندازه‌گیری‌های کمی، پیشرفت قابل توجهی كرده است. همچنین مناسب بودن این روش برای ترکیبات نیمه‌هادی نظير سیلیسیم کاربید و الماس نیز به اثبات رسیده است [5].
از کاربردهای دیگر این روش می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
- بررسی و شناسایی قطعات نيمه‌هادی که به‌دلیل غیرمخرب بودن این روش، تهيه تصاوير سه بعدي و به دست آوردن توان بالا قابل استفاده است؛
- قابليت تهيه تصویر از تغییرات ناخالصی‌ها در قطعات نيمه‌هادی؛
- اندازه‌گيری تراکم حامل‌هاي بار به‌صورت دو بعدی و با دقتی در مقياس نانومتر؛
- نقشه‌برداری از تراکم حامل‌هاي بار در نمونه‌هایی که به‌صورت غیریکنواخت آلاییده شده‌اند؛
- توصیف خواص الکتریکی گیت اکسید در قطعات MOS و غیره.
3- پیشرفت‌های روش SCM
در SCMهای متداول که از یک نوسانگر RF با یک فرکانس ثابت استفاده می‌شود، دست‌یابی به یک تصویر خوب SCM برای نمونه‌های فلزی و دی‌الکتریک دشوار است [2].
با پیشرفت روش SCM از مدل XE-SCM در تصویربرداری استفاده می‌شود. در سری XE از دستگاه‌های SCM، عملیات اندازه‌گیری با حساسیت عالی و توان تفکیک فضایی بسیار بالا همراه با فرکانس‌های عملیاتی قابل تنظیم به‌منظور انتخاب فرکانس تشدید و عامل کیفیت بهینه برای هر اندازه‌گیری، انجام می‌شود. علاوه‌بر این، استفاده از محافظ‌های الکتریکی جدید و نگه دارنده‌های پروب SCM باعث مي‌شود که اندازه‌گیری‌ها مستقل از تأثیرات محیطی انجام شود. ترکیبات با خاصیت دی‌الکتریک پایین باعث کاهش نشت ظرفیت و افزایش نسبت سيگنال به نويز (S/N ) می‌شود. شکل (5) سازوکار عملی اندازه‌گیری ظرفیت سری XE-SCM را نشان می‌دهد. در حسگر ظرفیت از یک نوسانگر RF (GHz ≈1) که به یک تشدیدکننده با مدار آشکارسازی توان RF متصل است، استفاده می‌شود [2].
با پیشرفت روش SCM از مدل XE-SCM در تصویربرداری استفاده می‌شود. در سری XE از دستگاه‌های SCM، عملیات اندازه‌گیری با حساسیت عالی و توان تفکیک فضایی بسیار بالا همراه با فرکانس‌های عملیاتی قابل تنظیم به‌منظور انتخاب فرکانس تشدید و عامل کیفیت بهینه برای هر اندازه‌گیری، انجام می‌شود. علاوه‌بر این، استفاده از محافظ‌های الکتریکی جدید و نگه دارنده‌های پروب SCM باعث مي‌شود که اندازه‌گیری‌ها مستقل از تأثیرات محیطی انجام شود. ترکیبات با خاصیت دی‌الکتریک پایین باعث کاهش نشت ظرفیت و افزایش نسبت سيگنال به نويز (S/N ) می‌شود. شکل (5) سازوکار عملی اندازه‌گیری ظرفیت سری XE-SCM را نشان می‌دهد. در حسگر ظرفیت از یک نوسانگر RF (GHz ≈1) که به یک تشدیدکننده با مدار آشکارسازی توان RF متصل است، استفاده می‌شود [2].
پروب SCM به تشدیدکننده ماکروویو که دارای یک خازن داخلی متغیر است، متصل می‌شود. در اين صورت پروب به‌گونه‌ای تنظیم مي‌شود که دارای فرکانس تشدید (fr) و عامل کیفیت (Q) بهینه باشد. طراحی این پروب به‌گونه‌ای است که پایداری فوق‌العاده‌ای را برای فرکانس فراهم می‌کند [2].
یکی از رایج‌ترین کاربردهای XE-SCM، نقشه‌برداری از تراکم حامل بار در یک نمونه نيمه‌هادی است که به‌صورت غیریکنواخت آلاییده شده‌است. تاکنون ابزارهای رایجی مانند SIMS، SRP و (C-V) تک بعدی، توانسته‌اند اطلاعات مربوط به تراکم حامل بار و یا آلاینده را با دقت بسیار بالا و توان تفکیک محدود در یک بعد فراهم آورند. به هر حال، روش XE-SCM نشان مي‌دهد که از توان فوق‌العاده‌ای برای اندازه‌گیری مستقیم تراکم حامل‌های فعال به‌صورت دوبعدی و با دقت در مقیاس نانومتر برخوردار است [2].
همچنین، برای بهبود سیگنال‌های SCM، می‌توان در امتداد پروب و نمونه، از یک تشدیدکننده و یک مدار تشدیدی استفاده نمود كه باعث ایجاد تغییر در ظرفیت سوزن – نمونه شده و در نتیجه دامنه و ولتاژ خروجی آشکارساز را تغییر دهد.
از دیگر پیشرفت‌هایی که در این حوزه انجام شده‌است، استفاده از حسگرهای چند پروبی با توان تفکیک بسیار بالاست. در شکل (6) تصاویری که به‌وسیله SCM برای مدارهای پشتیبانی SRAM در سطح سیلیسیم به‌دست آمده، نشان داده شده‌است. تصویر با وضوح بالاتر در شکل پایین، معرف توان تفکیک فضایی بالای حسگر چند پروبی SCM است و نشان می‌دهد که در میکروسکوپ SCM پیشرفت قابل ملاحظه‌ای اتفاق افتاده است [5].
یکی از رایج‌ترین کاربردهای XE-SCM، نقشه‌برداری از تراکم حامل بار در یک نمونه نيمه‌هادی است که به‌صورت غیریکنواخت آلاییده شده‌است. تاکنون ابزارهای رایجی مانند SIMS، SRP و (C-V) تک بعدی، توانسته‌اند اطلاعات مربوط به تراکم حامل بار و یا آلاینده را با دقت بسیار بالا و توان تفکیک محدود در یک بعد فراهم آورند. به هر حال، روش XE-SCM نشان مي‌دهد که از توان فوق‌العاده‌ای برای اندازه‌گیری مستقیم تراکم حامل‌های فعال به‌صورت دوبعدی و با دقت در مقیاس نانومتر برخوردار است [2].
همچنین، برای بهبود سیگنال‌های SCM، می‌توان در امتداد پروب و نمونه، از یک تشدیدکننده و یک مدار تشدیدی استفاده نمود كه باعث ایجاد تغییر در ظرفیت سوزن – نمونه شده و در نتیجه دامنه و ولتاژ خروجی آشکارساز را تغییر دهد.
از دیگر پیشرفت‌هایی که در این حوزه انجام شده‌است، استفاده از حسگرهای چند پروبی با توان تفکیک بسیار بالاست. در شکل (6) تصاویری که به‌وسیله SCM برای مدارهای پشتیبانی SRAM در سطح سیلیسیم به‌دست آمده، نشان داده شده‌است. تصویر با وضوح بالاتر در شکل پایین، معرف توان تفکیک فضایی بالای حسگر چند پروبی SCM است و نشان می‌دهد که در میکروسکوپ SCM پیشرفت قابل ملاحظه‌ای اتفاق افتاده است [5].
4- روش SCM در آینده
یکی از رویکردهای اساسی برای میکروسکوپ SCM در آینده، محاسبه یک مدل نظری کامل است که در آن کلیه عوامل مؤثر در SCM مانند شکل سوزن، نشت میدان، بارهای سطحی، زبری سطح و غیره مدنظر قرار گرفته شده و بدین ترتیب محاسبات کمی امکان‌پذیر می‌شود. در این میان، ظرفیت‌های نشت‌کننده هنوز ناشناخته است و اگر بررسی و تجزیه و تحلیل این موضوع به خوبی انجام نشود، روش SCM در حد یک روش کیفی برای ترسیم نقشه آلاینده‌ها باقی خواهد ماند.
موضوع دیگری که در مطالعات SCM بسیار جالب توجه است، بررسی قطعاتی است که دارای شکاف‌های میکرویی هستند. دست‌یابی به روشی استاندارد برای مطالعه میکروشکاف‌ها به‌وسیله SCM یکی از چالش‌های این حوزه است.
تلاش برای تلفیق توان تفکیک پروب‌های روکش‌دار با ویژگی قابلیت هدایت خوب پروب‌های فلزی یا الماسی یکی دیگر از موضوعات چالش برانگیز این حوزه است. پروب‌های اکسیدی مقاوم در برابر اکسیداسیون و نانولوله‌های کربنی که به انتهای سوزن متصل می‌شوند، از جمله این تلاش‌ها هستند [7].
از نقطه ضعف‌های قابل توجه این روش، ناتوانی حسگرهای موجود براي اندازه‌گیری هم‌زمان چند عامل است. در روش SCM، حسگرها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که فقط به‌هنگام تصویربرداری مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیش از جداسازی حسگر، باید سوزن عقب کشیده شود و در نتیجه تصویر محل مورد بررسي از دست می‌رود. به هر حال، محدودیت‌های موجود در طراحی الکترونیکی این حسگرها، باعث کاهش قابل توجه کارایی آنها شده‌است. حسگر SCM چند پروبی نماینده نسل بعدی ابزارهای تصویربرداری است. در آینده، حسگرهایی با طراحی خاص الکترونیکی، امکان اندازه‌گیری چندین عامل را بدون نیاز به جدا نمودن حسگر یا پروب، فراهم خواهند آورد و بدین ترتیب بهره‌وری و عملکرد SCM را به‌طور مستقیم افزایش خواهند داد [5].
موضوع دیگری که در مطالعات SCM بسیار جالب توجه است، بررسی قطعاتی است که دارای شکاف‌های میکرویی هستند. دست‌یابی به روشی استاندارد برای مطالعه میکروشکاف‌ها به‌وسیله SCM یکی از چالش‌های این حوزه است.
تلاش برای تلفیق توان تفکیک پروب‌های روکش‌دار با ویژگی قابلیت هدایت خوب پروب‌های فلزی یا الماسی یکی دیگر از موضوعات چالش برانگیز این حوزه است. پروب‌های اکسیدی مقاوم در برابر اکسیداسیون و نانولوله‌های کربنی که به انتهای سوزن متصل می‌شوند، از جمله این تلاش‌ها هستند [7].
از نقطه ضعف‌های قابل توجه این روش، ناتوانی حسگرهای موجود براي اندازه‌گیری هم‌زمان چند عامل است. در روش SCM، حسگرها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که فقط به‌هنگام تصویربرداری مورد استفاده قرار می‌گیرند. پیش از جداسازی حسگر، باید سوزن عقب کشیده شود و در نتیجه تصویر محل مورد بررسي از دست می‌رود. به هر حال، محدودیت‌های موجود در طراحی الکترونیکی این حسگرها، باعث کاهش قابل توجه کارایی آنها شده‌است. حسگر SCM چند پروبی نماینده نسل بعدی ابزارهای تصویربرداری است. در آینده، حسگرهایی با طراحی خاص الکترونیکی، امکان اندازه‌گیری چندین عامل را بدون نیاز به جدا نمودن حسگر یا پروب، فراهم خواهند آورد و بدین ترتیب بهره‌وری و عملکرد SCM را به‌طور مستقیم افزایش خواهند داد [5].
نتیجه‌گیری
ميكروسكوپي ظرفيتي روبشي، روشي غيرمخرب است كه براي شناسايي و بررسي نمونه‌هاي نيمههادي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. روش SCM یک ابزار میکروسکوپی عالی است که به كمك آن می‌توان تصوير اختلاف غلظت آلاینده‌ها را با توان تفكيك بالا تهيه كرد.همچنین برای نمونه‌های بزرگ با سطح گسترده و یا قطعاتی که به چندین روبش در مناطق مختلف سطح نياز دارند نیز می‌توان از این میکروسکوپ استفاده نمود. با پیشرفت روش SCM از مدل XE-SCM در تصویربرداری استفاده می‌شود که از توان فوق‌العاده‌ای برای اندازه‌گیری مستقیم تراکم حامل‌های فعال به‌صورت دوبعدی و با دقت در مقیاس نانومتر برخوردار است . روش SCM یک روش کیفی است اما یکی از رویکردهای اساسی برای میکروسکوپ SCM در آینده، محاسبه یک مدل نظری کامل است که در آن کلیه عوامل مؤثر در SCM مانند شکل سوزن، نشت میدان، بارهای سطحی، زبری سطح و غیره مدنظر قرار گرفته شده و بدین ترتیب محاسبات کمی نیز امکان‌پذیر می‌شود.
منابـــع و مراجــــع
۱ – James R. Matey Blanc, “Scanning Capacitance Microscopy”. Journal of Applied Physics”, 57 (5): (1985), 1437–1444.
۲ – www.parkAFM.com, “Scanning Capacitance Microscopy (SCM)”, Nanotechnology Solutions Partner JOUR, 114-117
۳ – Ligor Octavian, “Reliability of the Scanning Capacitance MicroscopySpectroscopy for the nanoscale characterization of semiconductorsdielectrics”, these for Institut national des sciences appliquées, Lyon; Publication year: 2010
۴ – http://www.ntmdt.com/spm-principles/view/scanning-capacitance-microscopy
۵ – Andy Erickson, Peter Harris Multiprobe “Scanning Capacitance Microscopy”, MultiProbe JOUR.
۶ – MARIA VIRGINIA STANGONI, “Scanning Probe Techniques for Dopant Profile Characterization”, A dissertation submitted to the Swiss federal institute of technology Zurich, 2005
۷ – Natasja Duhayon, “Experimental studyoptimization of scanning capacitance microscopy for two-dimensional carrier profiling of submicron semiconductor devices”, these for Departement Natuurkunde en Sterrenkunde Celestijnenlaan, 2006
