專利名稱:用于多點探針的電反饋探測系統的制作方法
技術領域:
本發明總的來說涉及一種電反饋探測系統,其用于探測多點探針和局部導電、半導電或超導材料測試樣品表面之間的體接觸和/或緊密接近,和進一步涉及控制多點探針和材料測試樣品表面的相對位置的技術,并且特別涉及一種用于多點探針和多點測試設備的電反饋探測系統,該多點探針和多點測試設備在歐洲專利申請EP 98610023.8(Petersen)、國際專利申請PCT/DK99/00391(Capres ApS等人)、歐洲專利申請EP 99932677.0(Capres ApS)、歐洲專利申請EP 99610052.5(Petersen等人)和國際專利申請PCT/DK00/00513(Capres ApS等人)中進行了描述。
相關領域描述從文獻中已熟知了涉及單探針電極控制方法的掃描隧穿顯微鏡,其中單探針電極面向傳導樣品表面;參看例如Binnig和Rohrer,Scanning tunneling microscopy,Helv,Phys.Acta,vol.55,pg.355(1982)。掃描隧穿顯微鏡包括傳導樣品和探針,如
圖1(a)所示。如果探針和樣品由很短的距離d隔開并且在此兩者之間存在電勢V,則在探針和樣品之間流過隧穿電流I∝e-Φd]]>是材料的平均功函數。如果距離d在1nm的級別上,則可以產生可探測到的電流。圖1(b)示出了完整的掃描隧穿設備的示意圖,該掃描隧穿設備能夠在不同的測試位置將探針放置在距測試樣品隧穿距離內,由此產生納米級的地形圖和測試樣品的電特征。
圖2(a)-(b)示出了傳統的四點探針的示意圖(參看例如S.M.Sze,Semiconductor devices-Physics and Technology,Wiley New York(1985),和已公開的國際專利申請WO 94/11745)。該傳統的四點探針包括如圖2(a)所示的四個呈直線配置的電極。通過在兩個外圍的電極上施加電流可以測量內部的兩個電極之間的電壓。這使得可以通過等式ρ=c·(V/I)確定測試樣品的表面電阻率,其中V是測得的電壓而I是施加的電流,并且其中c是由四點探針的電極間距和測試樣品的尺寸確定的幾何因子。圖2(b)示出了連接到該四點探針的電路的原理圖。
圖3(a)-(b)示出了傳統的顯微鏡可見的多點探針的示意圖(參看例如已公開的歐洲專利申請EP 1085327A1)。圖3(a)示出了多點探針,其包括支撐體和傳導探針臂組,該傳導探針臂自支撐體的基部自由地伸出。圖3(b)示出了多點測試設備,其是實現用于使用顯微鏡可見的多點探針來測量測試樣品電特性的機械和電氣裝置。
本發明的一個目的在于提供一種新型的電探測器機構,其允許探測多點探針和樣品測試材料表面之間的體接觸或其他電接觸。本發明特別的優勢涉及這一事實,即新型的電探測器機構允許探測多點探針電極組之間的電連接,從而給出多點探針電極組的電接觸信息。本發明的特定特征是新型的電探測器機構不需要肉眼可見的導電樣品表面,從而提供了對任何包含局部電氣路徑的材料表面的電接觸的探測,該局部電氣路徑是在多點探針的特定位置處的若干多點探針電極之間的路徑。
通過根據本發明的用于探測對測試樣品特定位置的電接觸的電反饋控制系統,獲得了上述目的、上述優勢和上述特征以及許多其他的通過下文的本發明的優選實施例的詳細描述而將顯而易見的優勢和特征,其中該電反饋控制系統包括(a)電發生器設備,其連接至多點探針的第一電極組;(b)第二開關阻抗探測元件組,其連接所述多點探針的所述第一電極組;和(c)電探測器裝置,其用于探測來自跨越所述第二開關阻抗探測元件組的電信號的測量信號。
本發明的技術特征,即通過利用流入多點探針電極的電信號探測多點探針和測試樣品的測試位置之間的接觸,避免了在基于顯微鏡懸臂的多點電極的情況下使用激光偏轉探測機構,該激光偏轉探測機構使傳統光學反饋控制系統得到極大簡化,該傳統光學反饋控制系統是用于基于顯微鏡懸臂的測試設備,諸如原子力顯微鏡和掃描電阻顯微鏡。
根據本發明連接至第一多點探針電極組的電發生器裝置通過在測試位置處的測試樣品發送發生器信號,根據特定的探測需要,諸如對電阻、電感、電容或其組合的靈敏度,該電發生器信號為電流或電壓、脈沖信號或多個脈沖信號,具有正弦、方形、三角形信號內容或其組合的DC或AC,其范圍從LF到HF,如本優選實施例的電發生器信號具有LF正弦AC電流信號。根據本發明的多點探針的第一電極組在從至少兩個電極到64個電極的范圍,如本優選實施例的多點探針的第一電極組具有兩個外圍安置的多點探針的電極。根據本發明,向多點探針的兩個外圍安置電極施加的發生器信號在第二阻抗探測元件組上提供了結果探測器信號,并且推斷出關于第三多點探針電極組的電接觸條件的信息。電接觸條件可以涉及體接觸、隧穿接近、中間流體彎面或任何其他允許電流在多點探針電極和測試樣品之間流動的效應。
根據本發明的第二開關阻抗探測元件組在從一個到十個的范圍內,如本優選實施例的第二開關阻抗探測元件組具有三個。阻抗探測元件的阻性部分的額定值在從1mΩ到100GΩ的范圍,如本優選實施例的阻抗探測元件的阻性部分的額定值為1KΩ、10KΩ和100KΩ。
根據本發明,電探測器裝置測量跨越第二阻抗探測元件組的電信號,如本優選實施例的電探測器裝置具有連接至鎖相鎖定放大器的靈敏靜電計。
附圖簡述通過下文的詳細描述和隨附的權利要求,結合附圖,本發明的另外的目的和特征將更加容易地顯而易見,附圖中圖1(a)-(b),提供了傳統的掃描隧穿顯微鏡的整體圖示。(a),導電探針和測試樣品之間的隧穿區域的示意圖。(b),示意性地示出了傳統的掃描隧穿設備的示圖;圖2(a)-(b),提供了傳統的四點探針的示意性的圖示。(a),示出了與測試樣品電接觸的傳統的四點探針的示意圖。(b),示出了連接至傳統的四點探針的電流源和靜電計的電氣示意圖;圖3(a)-(b)示出了傳統的多點探針和測試設備的整體圖示。(a),示出了多點探針電極。(b)是多點測試設備的示意圖;圖4示出了根據本發明的電反饋探測系統的示意圖;圖5(a)-(b)示出了根據本發明的電反饋探測系統的實施例,其中多點探針沒有電連接至測試樣品。(a),示出了電反饋探測系統的詳細的電氣配置。(b),示出了該系統的等效電氣圖;圖6(a)-(b)示出了根據本發明的電反饋探測系統的實施例,其中多點探針與測試樣品電接觸。(a),示出了電反饋探測系統的詳細的電氣配置。(b),示出了該系統的等效電氣圖;圖7(a)-(b)示出了根據本發明的電反饋探測系統的實施例,其中反饋探測系統包括恒定電流發生器。(a),示出了控制電路中的單一開關阻抗探測元件。(b),示出了控制電路中的開關阻抗探測元件組;圖8示出了根據本發明的電反饋探測系統的實施例,其中反饋探測系統包括恒定電流發生器,并且在多點探針電極組和測試樣品材料之間測量探測器信號。
優選實施例詳述優選實施例的涉及構建用于多點探針的電反饋探測系統,并且通過參考圖4-8來進行描述。圖4示出了使用電反饋探測系統的多點測試設備100的示意圖。該設備包括與測試樣品104接近的多點探針102,依靠控制器106可以通過由馬達平臺108移動該測試樣品104。多點探針的外圍安置的電極連接至電反饋探測系統110,該系統110能夠確定多點探針102是否與測試樣品104電接觸。自電反饋探測系統110向控制器106提供探測器信號112,用以啟用在測試樣品104上測試位置處多點探針102的受控定位和測量。
圖5(a)-(b)和圖6(a)-(b)一起示出了本發明優選實施例的原理。圖5(a)-(b)示出了在不存在多點探針302和測試樣品304之間的電接觸的情況下的根據本發明的電反饋探測系統300的電氣配置的原理。電發生器設備產生恒定的電流Ic,并且被連接至多點探針302的外圍電極302a和302b。包括阻性探測元件R的阻抗探測元件通過閉合的開關SW連接至電路,并且通過放大器電路A測量跨越阻性探測元件R的電勢Vr。圖5(a)中示出的該情況下的根據本發明的反饋探測系統的等效電氣圖在圖5(b)中示出。恒定電流Ic流經阻性探測元件R,從而產生電勢差Vr=R·Ic該電勢差由放大器A測量并且出現在反饋探測系統的輸出中。圖6(a)-(b)示出了在多點探針502與測試樣品504的表面電接觸的情況下的電反饋探測系統500的示意圖和等效電路。電發生器裝置連接至多點探針502的位于外圍的電極502a和502b。產生的電流Ic一部分流經閉合的開關SW和阻性探測元件R,并由放大器電路A測量相應的電勢Vr,而一部分流經測試樣品504,該測試樣品504由未知阻性元件Rx表示。在該情況下電勢差Vr為Vr=(R·Rx)/(R+Rx)·Ic通過參考圖5和6,由此可以確定在多點探針和測試樣品之間引入的電接觸在反饋探測系統的輸出中產生明確的變化,因此允許探測多點探針和測試樣品的接觸條件中的變化。
在本發明的優選實施例中,由電發生器裝置產生的恒定電流Ic是1μA,而阻性探測元件R具有100KΩ的額定值,并且因此,如果在多點探針和測試樣品之間沒有建立電接觸,則探測信號Vr為10V。如果存在對測試樣品的電接觸,則測試樣品的電特性引出了測試樣品的有效電阻Rx。下面的表顯示了關于測試樣品的不同有效電阻值Rx的范圍的結果探測器信號Vr
這示出了本發明的該特定優選實施例中的電反饋探測系統通過在10Ω到100MΩ范圍中的有效電阻能夠探測對測試樣品的接觸。在本發明的優選實施例中,多點測試設備的控制器使用探測器信號用以確定多點探針對測試樣品的測試位置的電接觸條件,還用以通過提供給馬達平臺的電信號有效地改變接觸條件,該馬達平臺定義了多點探針和測試樣品的相對位置。
圖7(a)-(b)示出了本發明的優選實施例的詳細實現方案。在圖7(a)中,根據本發明的電反饋探測系統700具有多點探針702的外圍安置的電極702a和702b,該多點探針702連接至差分電壓-電流轉換器,該轉換器包括放大器G、阻性探測元件Rset和電壓跟隨器A1。阻性探測元件R通過開關SW連接至電壓-電流轉換器的輸出。電壓-電流轉換器的輸出與電壓差V1-V2成比例。通過放大器A2測量探測器信號Vr。來自電壓-電流轉換器的電流Ic通過閉合的開關SW和阻性探測元件R,和通過測試樣品704中的未知有效電阻Rx發送。圖7(b)示出了根據本發明的電反饋探測系統800,其具有連接至測試樣品804的多點探針802和連接至多點探針802的外圍電極802a和802b的電反饋探測電路。電反饋探測電路包括阻性探測元件R1和R2的組,該元件R1和R2通過開關SW可以獨立地切換至電發生器裝置的信號路徑,優選的應用具有三個所述阻性探測元件,這些元件具有在100Ω到10MΩ范圍的額定值。
圖8示出了根據本發明另一優選實施例的電反饋控制系統1000,其具有連接至測試樣品1004的多點探針1002和連接在多點探針1002的外圍電極1002a和1002b與測試樣品1004之間的電反饋探測電路。產生的電流Ic部分流經測試樣品1004,并且即使當僅有多點探針電極組中的一個與測試表面有電接觸時,這也會引起跨越阻性探測元件R的探測器信號Vr的改變。
權利要求
1.一種用于探測多點探針對材料測試樣品表面的電接觸的電反饋探測系統,包括a.電發生器設備,其連接至多點探針第一電極組;b.第二開關阻抗探測元件組,其連接所述多點探針的所述第一電極組;和c.電探測器裝置,其用于探測來自跨越所述第二開關阻抗探測元件組的電信號的測量信號。
2.根據權利要求1的用于探測多點探針對電傳導材料表面的電接觸的電反饋探測系統進一步包括在所述電發生器裝置到所述材料測試樣品表面之間的電連接。
3.根據權利要求1-2的用于探測多點探針對電傳導材料表面的電接觸的電反饋探測系統,其中,電發生器裝置是差分電壓—電流轉換器,其包括a.精確放大器,其提供兩個差分輸入、一個輸出和一個參考輸入;b.精確阻性元件,其提供內部和外部端口,所述內部端口連接至所述精確放大器的所述輸出,和;c.電壓跟隨器,其提供輸入和輸出,所述輸入連接至所述精確阻性元件的所述外部端口,而所述輸出連接至所述精確放大器的所述參考輸入。
4.根據權利要求1-3的用于探測多點探針對電傳導材料測試樣品表面的電接觸的電反饋探測系統進一步包括濾波器,其用于對所述電探測器裝置的輸出進行濾波,其包括低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、比較器濾波器或這些濾波器的任何組合。
5.根據權利要求1-4的用于探測多點探針對電傳導材料測試樣品表面的電接觸的電反饋探測系統,其中所述多點探針包括a.支撐體,其定義了第一表面;b.第一傳導探針臂組,每一個所述傳導探針臂定義了近端和遠端,這兩端與所述支撐體的所述第一表面呈共平面關系安置,且所述傳導探針臂在其所述近端處連接至所述支撐體,并且具有從所述支撐體自由伸出的所述遠端,向所述第一傳導探針臂組提供了獨立的靈活運動;和c.所述傳導探針臂,其源自所述多點探針的制造過程,該制造過程包括在支撐晶片體上制造所述傳導探針臂,該探針臂面向所述支撐晶片體并與之接觸,并移除提供所述支撐體和提供自所述支撐體自由伸出的所述傳導探針臂的所述晶片體的一部分。
6.一種用于測試測試樣品的特定位置上的電特征的多點測試設備,包括a.根據權利要求1-5的電反饋探測系統;b.用于接收和支撐所述測試樣品的裝置;和c.電特性測試裝置,其包括用于產生測試信號的電發生器裝置和用于探測測量信號的電測量裝置。
全文摘要
一種電反饋探測系統,其用于探測多點探針和電傳導材料測試樣品表面之間的電接觸。該電反饋探測系統包括電探測器單元,其連接至多點探針中的電極組,并且可選地直接到測試樣品表面。該探測器單元向多點測試設備提供電信號,該設備可被用于確定多點探針是否與測試樣品表面有電接觸。該探測器單元包括用于產生電信號的電發生器裝置,通過多點探針的第一電極組和第二開關阻抗探測元件組驅動該電信號。跨越阻抗探測元件的電勢確定了對測試樣品表面的電接觸。
文檔編號G01N27/04GK1628251SQ03803462
公開日2005年6月15日 申請日期2003年1月7日 優先權日2002年1月7日
發明者克里斯蒂安·萊特·彼得森, 彼得·福爾默·尼耳森 申請人:卡普雷斯股份有限公司