扫描探针式力电学系统

成果名称扫描探针显微镜宽动态范围电流测量系统的研制单位名称北京大学联系人马靖联系邮箱mj@labpku.com成果成熟度&radic 研发阶段 □原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产成果简介：扫描探针显微镜（SPM）是研究材料表面结构和特性的重要分析设备，具有高精度和高空间分辨的优点，可以在多种模式下工作。其中，扫描隧道显微镜（STM）和导电原子力显微镜（CFM）技术，通过探测偏压作用下针尖与样品间产生的电流，可以获得器件电学特性或材料表面局域电子结构等重要信息，成为目前微纳电子学研究领域的重要工具。SPM中用于探测针尖与样品间电流的关键部件是电流-电压转换器（I-V Converter），其作用是把探测到的微弱电流信号转换为电压信号以便后续处理。目前商用SPM设备中采用的是虚地型固定增益线性电流-电压转换器，典型灵敏度为108 V/A，其主要缺点是电流测量的动态范围较小，只能达到3~4个数量级，这使得目前SPM的电流测量能力被限定在10pA~100nA之间，阻碍了SPM在微纳电子学领域的应用。2012年，信息学院申自勇副教授申请的&ldquo 扫描探针显微镜宽动态范围电流测量系统的研制&rdquo 获得了第四期&ldquo 仪器创制与关键技术研发&rdquo 基金的支持，在项目资金的支持下，申自勇课题组开展了富有成效的工作，包括：（1）宽动态电流测量系统总体设计；（2）测量系统与SPM控制系统的接口设计；（3）测量系统加工制作和联机调试；（4）测量系统性能指标的测试评估与优化。此外，课题组还克服了皮安级微弱电流的高精度低噪声测量、反馈回路中用于非线性转换的双极结型晶体管的温度补偿等技术难题，所研制的测量系统取得了良好的效果。目前，该项目已经顺利结题，其成果装置已经在该课题组相关仪器上正常使用，并在向校内外相关用户推广。应用前景：扫描隧道显微镜（STM）和导电原子力显微镜（CFM）技术，通过探测偏压作用下针尖与样品间产生的电流，可以获得器件电学特性或材料表面局域电子结构等重要信息，成为目前微纳电子学研究领域的重要工具。

上世纪五十年代末期，诺奖得主、物理学鬼才理查德费曼在加州理工学院的物理年会上，作了题为《There' s Plenty of Room at the Bottom》的报告，具前瞻性地提出了他对于纳米尺度操作及控制的框架性想法，并由此开启了无数科研工作者在纳米尺度上探究物质奥秘并通过相关的纳米技术来改变、造福人类的道路。同样是在上世纪五六十年代，采用平面处理工艺批量制备晶体管的策略出现，由此开启了集成电路产业的飞速发展。摩尔博士在六十年代中期提出了著名的摩尔定律“当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍”。而其中元器件数量的增多，是通过不断缩小元器件的关键尺寸来实现的。不论是在纳米尺度上进行探索，或是与人们生活息息相关的集成电路产业发展，都需要制备各种各样的纳米结构、纳米功能单元或纳米器件。而在制备各类纳米结构的过程中，为重要的操作就是通过光刻来实现在不同的材料上定义图案区域。目前，在工业上，先进的EUV光刻机具备7 nm技术节点的制备工艺中所需的图形加工能力，但其单值高，比一架F-35战斗机的价格还会高出不少。对于科研工作者来说，目前通常采用的基于光学曝光原理的科研光刻设备（科研的无掩模曝光系统、掩模对准式曝光系统等），能够实现的图形加工分辨率一般在微米尺度或亚微米尺度。而随着研究对象尺度的不断减小，对纳米尺度结构构筑的需求，上述基于光学曝光原理的科研光刻系统显然是不能够完全满足的。基于聚焦电子束、离子束的各类图案化加工设备，比如电子束光刻系统、聚焦离子束系统等，能够有效满足科研中对于纳米尺寸的图形加工需求。然而，由于电子束流和离子束流需要聚焦，这类设备通常由较为复杂的电子光学系统构成，因此价格相较于上述科研光学光刻设备要高出很多（即使是科研的电子束曝光系统，其单值也远超科研的光学曝光设备）。另一方面，聚焦电子束、离子束系统的复杂性也对操作人员和设备维护人员提出了较高的要求。 图1 热扫描探针光刻系统诱导材料局部变化的三种机制 在科研领域中，扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography）是另一种颇受关注的图案化工艺方案，能够实现纳米（甚至原子的）图案制备的需求，其核心思路是通过纳米针诱导材料表面局部的改性来实现图案化。纳米针诱导材料表面改性的机制有很多种，包括力学、电学、热学、扩散等等，也由此产生了许多不同的扫描探针光刻技术。在诸多的扫描探针光刻技术中，热扫描探针光刻技术（thermal scanning probe lithography，t-SPL）是近年来发展起来的一种可快速、可靠、高精度地实现纳米图案化工艺，其技术核心是利用加热针的热能来诱导局部材料的改性。通常，热是材料转化中较为普遍的驱动因素，在很多材料中能诱导结晶、蒸发、熔化等改性现象。在纳米尺度上，由于只有很小的体积被加热，所以材料改性的特征时间是以纳秒量来计算的。因此，加热几微秒就足以改变针下的材料。对于刻写速度而言，悬臂梁的机械扫描运动成为图案化工艺速度方面的主要限制。然而，凭借扫描探针领域良好的技术积累，目前可以实现高达20 mm/s的刻写速度，能够满足大多数科研上的图案化制备工艺需求。同时在微纳图案结构的加工精度及分辨率方面，热扫描探针光刻技术可以实现特征线宽在10 nm以下的微纳结构的制备。图2 利用热扫描探针光刻进行热敏抗刻蚀剂的图案化工艺后，结合各类工艺实现的微纳结构及器件案例 作为一种高精度图案化工艺设备，近些年来热扫描探针光刻技术得到飞速发展，然而很多研究人员还比较陌生。着眼于此，洛桑联邦理工的S. T. Howell博士以及瑞士Swisslitho的F. Holzner博士撰写了综述《Thermal scanning probe lithography—a review》（已于2020年4月6日刊载在NPG旗下期刊Microsystems & Nanoengineering，详细信息可参考链接https://doi.org/10.1038/s41378-019-0124-8），Howell等人向大家详细介绍了热扫描探针光刻的历史、原理、图案转移工艺以及在基于新型低维材料的微纳电子器件、自旋电子器件、光子学微纳结构、微纳流控、微纳机电等领域的应用案例。图3 利用热扫描探针光刻进行定域材料转换的应用案例 另一方面，不同于很多新型光刻策略还停留在实验室中，瑞士Swisslitho公司已经成功将热扫描探针光刻技术商品化，名为NanoFrazor。在国内外的诸多用户当中，已有不少基于NanoFrazor制备的结构而开展的研究，相关结果也都发表在了Science、Nature、PRL、等高水平期刊上。图4 热扫描探针诱导的增材工艺的应用案例

01MFM（Magnetic Force Microscopy，磁力显微镜）磁力显微镜（Magnetic Force Microscopy，MFM）是一种专门用于成像样品表面的磁性分布的扫描探针显微镜，通过探针和样品之间的磁力相互作用来获得信息。MFM应用MFM主要用于研究材料的磁性特征，广泛应用于物理学、材料科学、电子学等领域。常见的应用包括：磁记录介质：研究硬盘、磁带等磁记录设备的磁性结构和缺陷；磁性材料：分析磁性薄膜、纳米颗粒、磁性多层膜等材料的磁畴结构；生物磁性：研究生物组织中天然存在的磁性物质，如磁性细菌。应用实例在自旋存储研究中，以斯格明子的研究为例，传统的磁存储单元受限于材料性质，显著影响自旋存储的高密度需求。斯格明子是一种具有拓扑性质的准粒子，其最小尺寸仅为3nm，远小于磁性隧道结，是理想的信息载体，有望突破信息存储密度的瓶颈。下图为通过MFM表征获取的斯格明子图像。[1]标准斯格明子M-H曲线 斯格明子图像在磁盘研究中，通过MFM可以获取磁盘表面的高分辨率磁性图像，详细了解其磁畴结构和分布情况。MFM具有高空间分辨率和灵敏度，为磁盘材料的研究和优化提供了重要的数据支持。下图展示了通过MFM测试获取的磁盘表面磁畴结构图像。电脑软盘磁畴图像02PFM（Piezoresponse Force Microscopy，压电力显微镜）压电力显微镜（Piezoresponse Force Microscopy，PFM）是一种用于研究材料压电性质的扫描探针显微镜，利用探针与样品表面之间的逆压电效应来成像和测量材料的压电响应。材料由于逆压电效应产生形变示意图 [2]PFM应用PFM广泛应用于材料科学和电子学领域，尤其是在研究和开发新型压电材料和器件方面。具体应用包括：铁电材料：研究铁电材料的畴结构、开关行为和退极化现象。压电器件：分析压电传感器、致动器和存储器件的性能。生物材料：研究生物组织中的压电效应，例如骨骼和牙齿。应用实例具有显著的压电效应，即在外加机械应力作用下产生电荷。这使其在超声波发生器、压电传感器和致动器中具有重要应用。在研究PbTiO3样品时，通过PFM，可以获取PbTiO3表面的高分辨率压电响应图像，详细了解其畴结构和分布情况，为PbTiO3材料的研究和优化提供了重要的数据支持。下图展示了通过PFM测试获取的PbTiO3样品表面压电力图像。PbTiO3垂直幅度图PbTiO3垂直相位图03EFM（Electrical Force Microscopy，静电力显微镜）静电力显微镜是一种用于测量成像样品表面的电静力特性的扫描探针显微镜。EFM通过探针与样品表面之间的静电力相互作用，获取表面电荷分布和电势信息。静电力显微镜（抬起模式）[3]EFM应用EFM广泛应用于材料科学、电子学和纳米技术等领域，常见的应用包括：电荷分布：测量和成像材料表面的电荷分布。表面电势：研究材料表面的电势分布和电特性。半导体器件：分析半导体器件中的电特性和缺陷。纳米电子学：研究纳米级电子器件的电性能。应用实例Au-Ti条带状电极片静电力04KPFM（Kelvin Probe Force Microscopy，开尔文探针力显微镜）KPFM是一种通过探针与样品之间的接触电势差来获取样品功函数和表电势分布的扫描探针显微镜。KPFM广泛应用于金属、半导体、生物等材料表面电势变化和纳米结构电子性能的研究。KPFM 获取 Bi-Fe薄膜样品表面电势 [4]KPFM应用KPFM在材料科学、电子学和纳米技术等领域具有广泛的应用，常见的应用包括：表面电势分布：测量和成像材料表面的局部电势分布。功函数测量：研究材料的功函数变化，特别是对于不同材料的界面和缺陷。半导体器件：分析半导体器件中的电势分布和电学特性。有机电子学：研究有机半导体和有机电子器件的表面电势。应用实例Au-Ti条带状电极片表面电势05SCM（Scanning Capacitance Microscopy，扫描电容显微镜）扫描电容显微镜（Canning Capacitance Microscopy，SCM）是一种用于测量和成像样品表面的电容变化的扫描探针显微镜。SCM能够通过探针与样品表面之间的电容变化，提供高分辨率的局部电学特性图像。这种显微镜适用于研究半导体材料和器件的电学特性，如掺杂浓度分布、电荷分布和界面特性等。SCM在半导体工艺和材料研究、故障分析以及器件优化中发挥着重要作用。通过SCM，研究人员能够获得纳米尺度的电学特性信息，从而推动半导体技术的发展和创新。SCM原理示意图 [5]SCM应用SCM主要应用于半导体材料和器件的研究，广泛应用于电子学和材料科学领域。具体应用包括：掺杂分布：测量和成像半导体材料中的掺杂浓度分布。电荷分布：研究半导体器件中的电荷分布和电场。材料特性：分析不同材料的电容特性和介电常数。06致真精密仪器自主研发的原子力显微镜科研级原子力显微镜AtomEdge产品介绍利用微悬臂探针结构对导体、半导体、绝缘品等固体材料进行三维样貌表征，纵向噪音水平低至0.03 nm(开环），可实现样品表面单个原子层结构形貌图像绘制。可以测量表面的弹性、塑性、硬度、黏着力、磁性、电极化等性质，还可以在真空，大气或溶液下工作，在材料研究中获得了广泛的使用。设备亮点● 多种工作模式● 适配环境：空气、液相● 多功能配置● 稳定性强● 可拓展性良好典型案例晶圆级原子力显微镜Wafer Mapper-M产品介绍利用微悬臂探针结构可对导体、半导体、绝缘品等固体材料进行三维样貌表征。样品台兼容12寸晶圆，电动样品定位台与光学图像相结合，可在300X300mm区域实现1μm的定位精度，激光对准，探针逼近和扫描参数调整完全自动化操作。可用于产线，对晶圆粗糙度进行精密测试。设备亮点● 多种工作模式● 适配环境：空气、液相● 可旋转式扫描头● 多功能配置● 稳定性强、可拓展性良好典型案例参考文献：[1]Li S, Du A, Wang Y, et al. Experimental demonstration of skyrmionic magnetic tunnel junction at room temperature[J]. Science Bulletin, 2022, 67(7): 691-699.[2]Kalinin SV, Gruverman A, eds. Scanning Probe Microscopy: Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale. Springer 2007.[3] https://www.afmworkshop.com/products/modes/electric-force-microscopy[4] https://www.ornl.gov/content/electrostatic-and-kelvin-probe-force-microscopy[5] Abdollahi A, Domingo N, Arias I, et al. Converse flexoelectricity yields large piezoresponse force microscopy signals in non-piezoelectric materials[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 1266.本文由致真精密仪器原创，转载请标明出处致真精密仪器拥有强大的自主研发和创新能力，产品稳定精良，多次助力中国科研工作者取得高水平科研成果。我们希望与更多优秀科研工作者合作，持续提供更加专业的技术服务和完善的行业解决方案！欢迎联系我们！致真精密仪器一直以来致力于实现高端科技仪器和集成电路测试设备的自主可控和国产替代。通过工程化和产业化攻关，已经研发了一系列磁学与自旋电子学领域的前沿科研设备，包括“原子力显微镜、高精度VSM、MOKE等磁学测量设备、各类磁场探针台、磁性芯片测试机等产线级设备、物理气相沉积设备、芯片制造与应用教学训练成套系统等”等，如有需要，我们的产品专家可以提供免费的项目申报辅助、产品调研与报价、采购论证工作。另外，我们可以为各位老师提供免费测试服务，有“磁畴测试”、“SOT磁畴翻转”、“斯格明子观测”、“转角/变场二次谐波”、“ST-FMR测量”、“磁控溅射镀膜”等相关需求的老师，可以随时与我们联系。