انواع روش‌های میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک و کاربردهای آن

در مقاله گذشته با عنوان « میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک »، به معرفی میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک پرداخته ‎شد.گفته شد میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک (EFM) یکی از اعضاي خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است. در این ميكروسكوپ با اندازه‌گیری برهم‌کنش الکتروستاتیکی موضعي بین نوک سوزن رسانا و نمونه، نقشه ویژگی‌های الکتریکی نمونه به تصویر کشیده می‌شود. برای این منظور، یک ولتاژ بایاس بین نوک سوزن و نمونه اعمال می‌شود. از این ولتاژ برای ایجاد میدان الکتروستاتیک بین نوک سوزن و پایه و نیز برای میزان کردن این میدان استفاده می‌شود. فاز و فرکانس رزونانس تیرک با شیب شدت میدان الکتریکی تغییر کرده و برای ساخت تصویر EFM مورد استفاده قرار می‌گیرد. همچنین EFM می‌تواند برای تشخیص مناطق عایق و رسانا در نمونه استفاده شود. تصاویر EFM حاوی اطلاعات سودمندی درباره خواص الکتریکی نمونه مانند پتانسیل و توزیع بار در سطح نمونه بوده و یک ابزار سودمند برای آزمایش تراشه‌های ریزپردازنده زنده در مقیاس زیر میکرون است. در مقاله حاضر به بررسی انواع روش‌های میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک و کاربردهای آن پرداخته می‌شود.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- انواع روش‌های EFMa
1-2- میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک استاندارد
2-2- میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک پیشرفته
3-2-میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک EXT
4-2-میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک تماسی دینامیک (DC-EFM)
3- کاربردهای میکروسکوپی نیروی الکترواستاتیک
4- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
5-نتیجه‌گیری

میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک یا EFM یکی از گونه‌‌های میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که با بررسی فعل و انفعالات الکترواستاتیکی بین نوک سوزن و نمونه و همچنین تغییرات فرکانس، اطلاعات مفید و کیفی را در مورد شیب‌های میدان الکتریکی سطح، پتانسیل سطح و توزیع بار سطح نمونه ارائه می‌دهد.

علاوه‌ بر نیروی الکترواستاتیکی، همواره نیروهای واندروالسی نیز بین نوک سوزن و سطح نمونه وجود دارند. سیگنال‌های دریافتی می‌تواند به‌طور هم‌زمان شامل اطلاعات مربوط به توپوگرافی سطح (سیگنال توپوگرافی) و اطلاعات مربوط به خواص الکتریکی سطح (سیگنال EFM) باشد که به‌ترتیب به‌وسیله نیروهای واندروالسی و الکترواستاتیکی به‌وجود می‌آیند.

روش‌های EFM براساس روشی که اطلاعات الکتریکی سطح را به‌دست می‌آورند، طبقه‌بندی می‌شوند و شامل حالت‌های زیر هستند:

روش EFM استاندارد از سری EFM‌های پیشرفته، بر مبنای دو نیروی واندروالسی و الکترواستاتیک کار می‌کند که این دو نیرو از هم متفاوت است. نیروهای واندروالسی با  و نیروهای الکترواستاتیک با   متناسب هستند [2].
بنابراین، هنگامی که نوک سوزن به نمونه نزدیک می‌شود نیروهای واندروالسی غالب می‌شوند و هنگامی که نوک سوزن از نمونه دور می‌شود، نیروی واندروالسی به سرعت کاهش یافته و نیروهای الکترواستاتیکی حاکم می‌شوند. در حقیقت، مسیر توپوگرافی خط سیر نوک سوزن است که در فاصله ثابتی از نمونه قرار دارد و معادل خط نیروی واندروالسی ثابت است [2].
در روش‌های براساس نیرو، نخستین روبش برای تهیه تصویر توپوگرافی سطح و به‌وسیله روبش نوک سوزن در محدوده‌ای که نیروهای واندروالسی غالب است، انجام می‌شود. سپس فاصله نوک سوزن – نمونه تغییر داده می‌شود تا نوک سوزن در منطقه‌ای قرار بگیرد که نیروی الکترواستاتیک حاکم است و برای تهیه تصویر EFM، سطح روبش می‌شود (شکل 1-a) [2].

در روش دو مسیره، نخستین روبش در نزدیکی سطح، به منظور تهیه توپوگرافی و مشابه روش میکروسکوپی اتمی غیرتماسی در ناحیه‌ای که نیروهای واندروالس حاکم است، انجام می‌شود. در دومین روبش، برای این که نوک سوزن در ناحیه‌ای قرار گیرد که نیروهای الکترواستاتیکی غالب هستند، نوک سوزن را بلند کرده و فاصله بین نوک سوزن و نمونه افزایش می‌یابد. سپس نوک سوزن تحت اعمال ولتاژ بایاس قرار گرفته و عمل روبش بدون سامانه بازخورد، موازی با خط توپوگرافی که از روبش نخست به‌دست آمده و در شکل (1-b) نیز نشان داده شده‌است، انجام می‌شود و بدین ترتیب فاصله ثابت بین نمونه و نوک سوزن حفظ می‌شود [2].
از آنجایی که مسیر توپوگرافی در یک خط با نیروی واندروالس ثابت است، پس نیروهای واندروالس اعمال شده بر نوک سوزن در طول دومین روبش ثابت خواهد بود. بنابراین تنها منبع تغییر سیگنال، تغییر نیروی الکترواستاتیک خواهد بود. پس سیگنال EFM مستقل از توپوگرافی می‌تواند از دومین روبش به‌دست آید. در شکل (2) به‌عنوان نمونه تصویر توپوگرافی و فاز یک مجموعه الکترود که با استفاده از روش EFM به‌دست آمده، نشان داده شده‌است [2].

در EFM پیشرفته که نمودار شماتیک آن در شکل (3) نشان داده شده‌است، یک تقویت‌کننده قفل شونده با دو هدف به AFM سری XE متصل می‌شود. هدف نخست این که، علاوه‌بر ولتاژ بایاس DC که به‌وسیله کنترل‌کننده XE اعمال می‌شود، ولتاژ بایاس AC با فرکانس ω نیز بر نوک سوزن وارد شود. هدف دیگر این است که اجزای فرکانس ω از سیگنال خروجی جدا شود. این توانمندی منحصربه فرد بوسیله EFM پیشرفته از سری XE ارائه شده که در مقایسه با EFM استاندارد، از نظر کارایی برتری دارد[2].

در EFM پیشرفته، ولتاژ بین نوک سوزن و نمونه را می‌توان با معادله‌های زیر بیان نمود:

عبارت F(t) خود شامل سه عبارت است:

که در آن V_dc پتانسیل جبران‌کننده DC است، V_s پتانسیل سطحی روی نمونه، V_ac و ω به ترتیب بزرگی و فرکانس سیگنال ولتاژ AC اعمال شده هستند [2].
اگر بتوان شکل هندسی نوک سوزن و نمونه را تخمین زد، معادله (1) مناسب خواهد بود. معادله (2) می‌تواند برای استنتاج عبارتی برای نیروی الکترواستاتیکی بین نوک سوزن و نمونه استفاده شود.
در اینجا، F نیروی الکترواستاتیکی است که روی نوک سوزن اعمال می‌شود، q بار، E میدان الکتریکی، V پتانسیل الکتریکی، C ظرفیت و d فاصله نوک سوزن و نمونه است. هنگامی که هر دو ولتاژ بایاس AC و DC بین نمونه و سوزن اعمال می‌شود، سه عبارت در بیان نیروی بین سوزن و نمونه بوجود می‌آید. این عبارت‌ها می‌توانند به‌ترتیب به جمله‌های a: عبارت b، DC: عبارت ω و c: عبارت 2ω ارجاع داده شوند. سیگنال انحراف کل تیرک که معرف نیروی بین نمونه و نوک سوزن است، می‌تواند در عبارت‌های بخش‌های جداگانه AC، DC با فرکانس ω و AC با فرکانس 2ω مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. سیگنال انحراف DC تیرک می‌تواند از طریق نرم‌افزار در دسترس قرار گیرد. بخش‌های AC سیگنال انحراف تیرک، اعم از سیگنال مربوط به فرکانس ω و سیگنال با فرکانس 2ω نیز می‌توانند با ارسال سیگنال به تقویت‌کننده قفل‌شونده، خوانده شود.

سه سیگنال باهم می‌توانند برای کسب اطلاعاتی درباره خواص الکتریکی نمونه مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال،‌ در معادله، ظرفیت به‌صورت نسبت ظرفیت الکتریکی به فاصله نمونه – نوک سوزن (C/d) ظاهر می‌شود. هنگامی که فاصله نمونه – نوک سوزن به‌وسیله حلقه بازخورد z ثابت نگه داشته شود، نسبت C/d با ظرفیت متناسب می‌شود. سیگنال ω در معادله (2) قسمت (b)، مشارکت C/d و پتانیسل سطحی V_s را در بر دارد. با فرض معلوم بودن پتانسیل‌های V_dc و V_ac، هنوز نمی‌توان سهم ظرفیت الکتریکی و پتانسیل سطحی را در سیگنال ω اندازه‌گیری شده، جدا نمود. به هرحال، سیگنال 2ω در عبارت (c)، تنها مشارکت ظرفیت الکتریکی را در بردارد. بنابراین، سیگنال 2ω می‌تواند برای نرمال‌سازی سیگنال ω و جدا نمودن سهم پتانسیل سطحی مورد استفاده قرار گیرد. تصاویر می‌توانند از هریک از سیگنال‌های نام برده شده، ساخته شوند ولی باید توجه داشت که تجزیه و تحلیل هر تصویر باید با درک مشارکت سیگنال مورد استفاده در ایجاد تصویر، همراه باشد [2].

این حالت، نوعی EFM پیشرفته است که در وضعیت غیرتماسی اجرا می‌شود که در آن برای تهیه تصویر توپوگرافی AFM در حالت غیرتماسی، نوک سوزن با فرکانس نوسان ω، سراسر سطح نمونه را روبش می‌کند. در همان زمان، ولتاژ بایاس AC با فرکانس ω از طریق تقویت‌کننده قفل‌شونده به سوزن اعمال می‌شود و ولتاژ بایاس DC نیز اعمال شده تا یک کنترل الکترونیکی بوجود آید. این وضعیت سبب می‌شود که نیرویی بین سطح باردار شده و نوک سوزنی که تحت اعمال ولتاژ بایاس AC قرار گرفته است، بوجود آید. با استفاده از تقویت‌کننده قفل‌شونده خارجی، سیگنال به‌دست‌ آمده از حرکت نوک سوزن تحت نیرو، می‌تواند به بخش‌های DC، فرکانسω ، فرکانس2ω  تجزیه شده و مورد تحلیل قرار گیرد. بخش ω سیگنال شامل اطلاعاتی در مورد بار سطحی، و بخش 2ω سیگنال شامل اطلاعاتی درباره شیب ظرفیت الکتریکی سطحی بین نوک سوزن و نمونه (dC/dz) است. ω به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود که بسیار بزرگتر از f باشد تا دو سیگنال با هم مخلوط نشوند [2].

روش قدیمی EFM با روبش غیرضروری و ناکارآمد در دو مسیر، اجرا می‌شود که یک عامل بازدارنده و محدودکننده در توان تفکیک فضایی برای تهیه نقشه پتانسیل سطحی محسوب می‌شود. از این رو، EFM پیشرفته برای فراهم نمودن یک روبش تک مسیره کارآمد که بتواند توپوگرافی و پتانسیل سطح را با توان تفکیک فضایی به‌صورت هم‌زمان اندازه‌گیری کند، طراحی شده‌است [2].

حالتی از میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک پیشرفته است که در حالت تماسی اجرا می‌شود و از همان روش EFM(Ext) استفاده می‌کند که در وضعیت غیرتماسی اجرا می‌شود. در شکل (6)،  تصویر توپوگرافی و بار سطحی کریستال منفرد TGS که به دو روش DC-EFM (بالا) و EFM قدیمی (پایین) به‌دست آمده‌اند، مقایسه شده‌اند. تصویر توپوگرافی به‌دست آمده به روش قدیمی EFM، اثر جفت‌شدگی قوي را نشان می‌دهد، در حالی که در تصویر تهیه شده به روش DC-EFM، جدایی کامل توپوگرافی مشاهده می‌شود. روش DC-EFM علاوه بر تصویربرداری EFM، می‌تواند برای اندازه‌گیری سختی سطح نیز مورد استفاده قرار گیرد [2].

میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک پیشرفته دارای کاربردهایی به شرح زیر است:

به‌طور کلی از انواع مختلف این روش میکروسکوپی در موارد زیر می‌توان استفاده نمود:

در بسیاری از نیمه‌هادی‌های معدنی مانند TFT، LED، LCD و سلول‌های خورشیدی، انتقال بار در لایه میانی، نشان‌دهنده مرحله نهایی فرایند انتقال حامل‌های بار است. شکل (8) به‌عنوان نمونه، نحوه مهاجرت بار در مخلوط‌های TiO₂/PPV را نشان می‌دهد [3].

یکی دیگر از کاربردهای EFM، بررسی توزیع دوباره بار و تراز فرمی در لایه میانی ترکیبات آلی/معدنی است. از آنجایی که انتقال بار یا جدایی بار در لایه میانی، عملکرد کلی دستگاه را تعیین می‌کند، از اندازه‌گیری‌های EFM، برای تهیه نقشه مستقیمی از دانسیته بار موضعی با توان تفکیک فضایی بالا استفاده می‌شود. در این جا ماده مورد استفاده پنتاسن است که یکی از محبوب‌ترین نیمه‌هادی‌های معدنی است که دارای تحرک بار تقریباً برابر 1cm²V^-1S^-1 است [3].

در شکل (10) تصاویر EFM، ترکیب پنتاسن روی SiO₂/Si را در ولتاژهای بایاس مختلف نشان می‌دهد. در شکل (11) نیز تغییرات ولتاژ تقویت‌کننده قفل‌شونده در برابر ولتاژ بایاس رسم شده‌است. مشاهده می‌شود، پتانسیل سطحی در پنتاسن از دی‌اکسید سیلسیوم مثبت‌تر است که ممکن است به خاطر بازآرایی سطح تراز فرمی باشد[3].

با ظهور نانوذرات، پدیده انتقال بار میان لایه‌ای در نانوبلورها که کاربرد گسترده‌ای در ابزارهای نوری و الکتریکی دارند، مطرح شد. انتقال بار میان لایه‌ای در درک و طراحی دستگاه‌هایی که بر پایه نانوبلورها ساخته می‌شوند، بسیار تعیین‌کننده است. مدل‌سازی دقیق و تجزیه و تحلیل‌های نظری اندازه‌گیری‌های EFM نیز مورد مطالعه قرار گرفته‌اند [7].

4- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی

در مقاله حاضر، به معرفی انواع روش‌های میکروسکوپ نیروی الکتروستاتیک پرداخته شد و کاربردهای انواع مختلف آن نام برده شد. گفته شد که این میکروسکوپ‌ها در چهار نوع میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک استاندارد، میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک پیشرفته، میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک EXT و میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک تماسی دینامیک (DC-EFM) وجود دارد. انواع مختلف EFM ها درتعیین ویژگی‌های الکتریکی سطح و ویژگی‌های الکتریکی نانوبلورها، تشخیص نقص‌ها در مدارهای مجتمع (سطح سیلیکونی) و اندازه‌گیری توزیع مواد خاص روی سطوح کامپوزیتی کاربرد دارد.همچنین نوع پیشرفته آن در تهیه تصویر از توزیع بار سطحی و پتانسیل، تجزیه و تحلیل خرابی مدارهای الکترونیکی میکرویی، اندازه‌گیری سختی مکانیکی، چگالی‌سنجی بار برای نواحی فروالکتریک، افت ولتاژ در مقاومت‌های میکرویی و تابع کار نیمه‌هادی‌ها کاربرد دارد.