專利名稱：用于靜電力顯微鏡的帶懸臂梁靜電力檢測器的制作方法
相關申請申請人對1997年10月31日提交的題為“用于靜電力顯微鏡的帶懸臂梁靜電力檢測器”的分案專利申請No.60／063，936要求優先權，并且該申請作為參考文獻包含在本文中。
背景技術：
在電子攝影術中一直希望硬拷貝具有較高的空間分辨率和更佳質量的全彩色圖像。光敏接收器件是獲得高質量硬拷貝的關鍵設備。一方面需要精確測量光敏接收器件鼓上的電荷分布，另一方面目前可用裝置的空間分辨率較差。在電子攝影術和半導體研究中都需要以非常高的空間分辨率測量電荷分布。需要進行研究以實現一種測量系統，它利用靜電力能夠以直徑10微米以下的空間分辨率測量電荷分布。激光打印機具有600dpi或更高的空間分辨率，這意味著每個像素的直徑大約為21微米。對于掃描靜電力顯微鏡已經作了研究，但是這些研究在理論上僅僅分析了平行平板模型并且沒有進一步討論探針如何影響電荷分布的測量。
因此無法知道測量能夠達到的空間分辨率精度，檢測器的形狀對電荷量檢測的影響有多大以及測試時薄膜厚度和樣品介電常數對測量的影響有多大。
發明內容
按照本發明，通過獲得幾種不同形狀檢測器上的電場分布確定施加在檢測器上的靜電力，與此同時利用有限元方法計算檢測器附近的電壓分布以指導測試時表面絕對電荷量的測量，從而可以從平行平板模型確定分析與結果的差異。感興趣的是測試介電材料厚度變化引起的電荷檢測誤差有多大。提供的檢測器用于靜電力顯微鏡(EFM)的帶有空間分辨率為10微米的合適形狀的懸臂梁，它由鎳箔制成，并且計算了其上的靜電力。
圖1為按照本發明的靜電力顯微鏡的示意圖；圖2為平行平板模型的示意圖；圖3為FEM計算用網格的示意圖；圖4-6為本發明的曲線圖；圖7為比較數據表，它示出了本發明檢測器中懸臂梁的靈敏度；圖8為有限元計算用網格的示意圖；圖9為本發明另一方面的曲線圖；圖10A-10C為按照本發明的不同形狀檢測器的示意圖；圖11為按照本發明的靜電力顯微鏡的系統透視圖；以及圖12A和12B為制造按照本發明的檢測器的方法的透視圖。
實施發明的較佳方式圖1示出了按照本發明的靜電力顯微鏡的典型結構。系統由精密檢測器組成，包括用標號10表示的懸臂梁，它包含懸臂12和探針或尖端14；光學系統20，包含激光器22和光電檢測器24；檢測電路30；與諸如壓電驅動器之類的執行機構44操作上相連的測試樣品40，壓電驅動器依次又與執行機構40的掃描儀48操作上相連；與檢測電路30的輸出相連的處理器50；直流電壓的可控電源60；具有與檢測電路30輸出相連的輸入和與直流電源60相連的輸出的反饋電路70；以及交流電源80。測試樣品連接在直流電源60與接地或基準點之間。直流電源60與交流電源80的組合與檢測器懸臂12和檢測電路30相連。
由于測試表面40上的電荷，在檢測器尖端14上感應出靜電力。靜電力使兩端中一端固定在換能器90實體上的懸臂梁彎曲。彎曲量借助光杠桿方法被轉換為電學信號。由直流和交流組成的外部偏壓經導體92施加在檢測器上以區分電荷到極性。偏壓Vt由下列方程(1)給出。隨后檢測器接收包含頻率分量ω和2×ω的振動力。如果檢測器尖端與金屬襯底之間的關系考慮為如圖2所示的平行平板模型，則下列方程(2)和(3)根據探針尖端上的靜電力給出ω和2×ω分量的信息。Vt=VACsinωt+VDC(1) 在上述方程中，Vt為外部偏壓，ρ為電荷分布密度，ε為測試樣品的介電常數，d0為檢測器尖端與測試表面之間的距離，d為檢測器尖端與金屬襯底之間的距離而S為平板面積。如果ε和d0已知，可以通過檢測Fm(靜電力的ω分量)或者通過測量作為使Fω變為零的反饋給予檢測器的VDC獲得ρ。如果d0為零，則意味著測試表面為固體材料。在控制d使F2ω為常數時，F2ω給出了測試表面的粗糙度信息。由于必須測量介電薄膜100上的電荷分布，所以d0=0的條件是不現實的，因此必須直接測量F2ω。
為了獲得在檢測器與測試表面電荷之間感應的靜電力，首先必須計算測試表面與檢測器之間的空間內因測試表面電荷而出現的靜電電壓分布。為了獲得電壓分布，求解泊松方程2V=-p／ε0(4)這里V為從計算中得到的電壓，ρ為電荷分布密度，而ε0為真空介電常數。可以借助數值數據的計算機增強使靜電電壓形象化。一種由Nihom Soken(日本研究院有限公司)設計的UNIX工作站軟件有限元方法被用于計算機增強。
其次利用上述電壓分布確定檢測器和測試表面周圍的靜電場分布。第三是從上述兩個步驟獲得的數據計算檢測器與測試表面電荷之間感應的靜電力。
計算了三種不同形狀的檢測器上的靜電力。在一個檢測器中，尖端110如圖10A所示為柱體，尖端直徑為20微米并且尖端長度為50微米，而在另一檢測器中，尖端112為如圖10B所示的圓錐體，懸臂梁處直徑為20微米，尖端上半球113的直徑為5微米。另一檢測器的尖端114如圖10C所示為完全或正圓錐體，懸臂梁處的直徑為20微米并且高度為10微米。圖3示出了圓柱型檢測器的FEM計算用網格結構120。對于靠近檢測器尖端的區域計算精度更高。對于遠離檢測器的區域計算精度較低。計算基于下列條件1)測試表面包含金屬襯底和厚度為15～25微米并且相對介電常數為3的介電薄膜層。
2)檢測器位于測試表面之上。檢測器尖端與金屬襯底之間的距離為30微米。
3)在測試表面上的檢測器下方有1fc(1×10-15C)的電荷。
對于不同形狀的檢測器都計算了靜電力。在計算時，將介電薄膜厚度從15微米改變為25微米。這些計算的結果提供了檢測器形狀差異如何影響電荷檢測的信息。
圖4-6中的計算值示出了檢測器上產生的作用于測試表面的靜電力的垂直分量。可以確認尖端上與測試表面平行的面積較大的檢測器可以產生更大的靜電力。結果表明如果需要更高的空間分辨率，則應該犧牲靈敏度，反之亦然。隨后，檢測器的形狀始終按照所需的空間分辨率來考慮。已經確認的是，面對測試表面的檢測器尖端面積越大，檢測到的靜電力越大。
對于普通的平行平板模型，為了獲取測試表面的電荷量，首先利用檢測器上的靜電力獲得電容，隨后將電容用作數學公式(2)中的常數從而獲得電荷數量。所做的工作是獲得圓柱形檢測器在d0=20微米時與平行平板模型等價的面積，隨后繪出平行平板模型的靜電力相對d0的變化的曲線如圖4虛線所示。這種平行平板模型的實際面積為282平方微米。具體參見圖4，曲線130對應圖10A中的圓柱形檢測器110，曲線132對應圖10B帶半球形尖端的圓錐體，曲線134對應圖10C的圓錐體114，而曲線136對應平行平板模型。據發現，即使是三種不同模型中形狀非常接近平行平板模型的圓柱形模型檢測器，其結果也不同于平行平板模型。
平行平板模型與新計算之間的誤差隨著檢測器與測試表面之間距離(d-d0)的減小而增大，并且當距離達到d0=25微米時，預計有50％的誤差。該結果表明只要介電材料薄膜(測試表面)厚度變化，實際檢測器上與平面平板模型等效的面積就發生變化。
為了利用2×ω分量考慮薄膜厚度分量，需要根據薄膜厚度差異獲得不同位置的平行平板模型等效面積，或者直接分析出現在檢測器上的實際靜電力。與d0=20微米的薄膜厚度變化相關的誤差如圖5所示。具體而言，曲線140對應圖10A中的圓柱形檢測器110，曲線142對應圖10B帶半球形尖端的圓錐體112，曲線144對應圖10C的圓錐體114。在薄膜厚度20±5微米的范圍內，誤差從-50％變為250％，特別是當檢測器靠近測試表面時誤差增大。因此結果表明，如果測試表面不是完美的平面，則無法借助平行平板模型獲得精確的電荷數量。為了將誤差減小到10％以內，需要以0.1-0.5微米的分辨率測量薄膜厚度。
如果介電常數不是無窮大的并且測試表面底部是平坦的，則可以借助下列方法測量薄膜厚度。首先，使檢測器尖端接觸測試表面的底部，從而標度基準點。隨后，利用圖1所示壓電元件44和掃描儀48的組合向上移動檢測器的位置并將檢測器位置設定在高點。檢測器的移動量通過測量壓電單元電壓的變化獲得。隨后預先計算檢測器尖端與測試表面之間距離固定的介電薄膜在各種厚度下的F2ω分量，從而可以將計算結果用作薄膜厚度測量的參數。因此可以根據測量數據和計算結果獲得薄膜厚度。
計算薄膜厚度變化時檢測器上的靜電力(F2ω分量)。在檢測器上施加10V的交流偏壓。圖6示出了結果。具體而言，曲線150對應圖10A中的圓柱形檢測器110，曲線152對應圖10B帶半球形尖端的圓錐體112，曲線154對應圖10C的圓錐體114。預計小圓錐形檢測器模型的靜電力最小。可以檢測到0.5微米薄膜厚度變化引起的大約12pN的靜電力差，并且可檢測到的硬薄膜厚度變化引起的靜電力大于力檢測中普通原子力顯微鏡(AFM)的分辨率。根據計算結果確認利用光杠桿可以0.5微米的分辨率測量d0。
根據上述計算結果，制造了幾個檢測器，它們附著在懸臂梁上，其尖端直徑在幾個～10微米之間。選定的用于檢測器的材料為鎳箔，其彈性常數在幾個～10mN／m之間。圖7的表格示出了所制造的檢測器和懸臂梁的物理尺寸和彈性常數以及商用帶懸臂梁的原子力顯微鏡(AFM)檢測器的特性。如上所述，所制造的懸臂梁的彈性常數選擇為與普通AFM懸臂梁的幾乎相同。可以獲得尖端直徑小于5微米的檢測器。以10微米的空間分辨率可以達到小于1[fc]c的靜電電荷測量分辨率，這種分辨率可能在檢測器尖端上產生幾個pN的靜電力。其次用圖4所示的計算方法計算檢測器上的靜電力。圖8和9分別示出了計算模型和結果。具體而言，圖8示出了FEM計算的網格結構160，圖9中的曲線162和164分別對應Fm和F2ω分量。但是應該指出的是，由于計算機系統存儲容量的限制，所以利用計算的對稱性質僅僅計算了實際三維模型的1／4部分。檢測器探針較長，從而需要在FEM上計算大量的單元和節點。
從這些計算結果可以發現，20微米薄膜每個微米內的檢測誤差為19.5％／微米，并且為了將檢測誤差降低至10％／微米以內，需要以小于0.5微米的分辨率測量薄膜厚度。如果VAC=15V施加在檢測器上，則由于交流電場，F2ω以1pN／微米的速率變化。因此可以0.5微米的分辨率完成薄膜厚度的測量。在上述偏壓測量條件下，檢測器尖端的場強為5.8×106V／m。與電暈放電時109V／m的場強相比，該場強足夠的低，因此預計不會產生電暈。因此可以利用本發明的檢測器測量測試樣品的薄膜厚度和電荷量。在頂部，可以將薄膜厚度變化引起的電荷量讀取誤差降低至10％以內。
圖11的系統示意圖進一步示出了本發明的靜電力顯微鏡。檢測器170的尖端位于懸臂174的一端，懸臂174的另一端固定在與控制懸臂梁角度和測微計頭的控制器178操作上相連的實體176上。激光頭180提供被光路184聚焦在檢測器170上的光束182。鏡子186使反射光束188射向圓柱體透鏡190，該透鏡將光束聚焦在光檢測器192上。測試表面194位于與X-Y臺面198相連的壓電執行機構上。
圖12A和12B示出了制造本發明檢測器的方法。在圖12A中，襯底實體202表面上為多個鎳箔條，其中一個用200表示。每條箔條形成了檢測器的臂，其長度為5cm，寬度為0.5mm，厚度為5微米。鎳箔的優點是提供滿足良好振動性能的柔軟度，導電性好，耐塵并且易于制造。圖12B示出了借助銳化裝置，利用聚焦的離子束形成檢測器尖端。
在本發明的方法和裝置中，掃描面積較大，例如為幾百平方厘米，空間分辨率較高并且電荷分布能精確測量。檢測器尖端或探針形狀的影響也被考慮進去，并且校正了測試樣品介電薄膜厚度變化的影響。上述利用有限元方法分析檢測器上靜電力對檢測器形狀和薄膜厚度變化產生的影響作了估計。為了精確測量電荷分布，需要測量薄膜厚度。根據薄膜厚度計算了誤差，并且通過檢測F2ω完成了按照本發明的薄膜厚度測量方法。
總之，設計并制造了帶懸臂梁的靜電力檢測器，從而可以在位于導電表面的介電薄膜上檢測靜電電荷。已經發現，利用通過獲得靜電力確定一定厚度薄膜上靜電電荷量的方法使靜電力隨薄膜厚度d0的變化而變化，這是因為面對測試表面的等效檢測器尖端面積因d0的變化而變化的緣故。同樣給出了幾個具體的例子。通過計算薄膜厚度變化產生的絕對誤差量證實了如果不補償通過確定介電薄膜厚度變化獲得的數據，就無法獲得薄膜上靜電電荷的絕對數量。提出的薄膜厚度測量方法從施加的交流偏壓中檢測F2ω分量并且確認在理論上可以將薄膜厚度d0變化引起的誤差降低在10％以內。帶懸臂梁的檢測器由鎳箔制成。計算檢測器上的靜電力確認靜電電荷檢測的靈敏度可以小于1fc而空間分辨率為10微米。根據這些結果，可以同時測量測試樣品的靜電電荷和薄膜厚度從而可以測量測試樣品上靜電電荷的絕對數量。
權利要求
1．一種用于測量測試樣品靜電力和薄膜厚度的靜電力顯微鏡，其特征在于包含a)檢測器，包含具有一種造形的懸臂從而因測試樣品上靜電電荷而在其尖端感應靜電力；b)光學系統，用于將尖端靜電力引起的懸臂彎曲轉換為包含檢測器尖端感應的靜電力的頻率分量的電學信號；c)用于將交流偏壓和直流偏壓的組合施加在所述檢測器的裝置；以及d)用于檢測對應兩倍頻率的檢測器尖端感應靜電力頻率分量從而可以同時獲得測試樣品的靜電力和薄膜厚度的裝置。
2．如權利要求1所述的靜電力顯微鏡，其特征在于進一步包括反饋裝置，用于將所述檢測裝置的輸出施加在直流偏壓受控電源上。
3．如權利要求1所述的靜電力顯微鏡，其特征在于進一步包括將直流偏壓施加在同一測試樣品上。
4．如權利要求1所述的靜電力顯微鏡，其特征在于所述檢測器的懸臂包括鎳箔條。
5．如權利要求1所述的靜電力顯微鏡，其特征在于所述檢測器的所述箔條形成圓柱狀，一個端面面對測試樣品并且與包含測試樣品的平面基本平行。
6．如權利要求1所述的靜電力顯微鏡，其特征在于所述尖端形狀為具有半球形的端頭的圓錐體，呈半球形的一端面向測試樣品。
7．如權利要求1所述的靜電力顯微鏡，其特征在于所述尖端形狀為圓錐體，其尖端面向測試樣品。
8．一種測量測試樣品表面靜電電荷的靜電力顯微鏡，它利用表面上靜電電荷而在靜電力顯微鏡檢測器上測得的靜電力的信息，其改進特征在于包含由鎳箔條形成并且其面向測試樣品一端形成尖端的懸臂梁檢測器的懸臂，所述尖端形狀選定為提供預定的靜電荷測量分辨率。
9．如權利要求8所述的靜電力顯微鏡，其特征在于所述檢測器的所述尖端為圓柱狀，一個端面面對測試樣品并且與包含測試樣品的平面基本平行。
10．如權利要求8所述的靜電力顯微鏡，其特征在于所述尖端形狀為圓錐體，其具有的呈半球形的一端面向測試樣品。
11．如權利要求8所述的靜電力顯微鏡，其特征在于所述尖端形狀為圓錐體，其尖端面向測試樣品。
12．一種用于確定靜電力顯微鏡檢測器懸臂與測試樣品表面靜電電荷之間感應的靜電力的方法，其特征在于包含以下步驟a)確定檢測器與樣品表面之間由樣品表面靜電電荷引起的靜電電壓分布；b)利用步驟(a)獲得的靜電電壓分布確定檢測器和測試表面周圍的靜電場分布；以及c)利用步驟(b)中獲得的靜電場分布和步驟(a)中獲得的靜電電壓分布確定檢測器與測試樣品電荷之間感應的靜電力。
13．一種利用如權利要求1所述靜電力顯微鏡測量測試樣品表面介電薄膜厚度的方法，其特征在于包括以下步驟a)使靜電力顯微鏡的檢測器與測試表面相對移動從而使檢測器尖端與介電薄膜接觸以標度基準點；b)使檢測器與表面移動從而將檢測器的位置設定在與測試表面相隔一定距離；c)檢測檢測器的移動；以及d)在檢測器尖端與測試表面距離固定的一定的介電薄膜厚度下，確定對應兩倍頻率的檢測器尖端感應的靜電力頻率分量從而可以確定薄膜厚度。
14．如權利要求13所述的方法，其特征在于根據施加的直流偏壓檢測兩倍頻率分量以降低薄膜厚度變化引起的誤差。
全文摘要
一種利用懸臂梁傳感器(12)的原子力顯微鏡,它受到測試單元(40)內電荷的靜電力影響。懸臂梁檢測器比較好是由鎳箔制成。在三維圖中可以繪出電荷分布和樣品厚度。
文檔編號G01R29/12GK1285915SQ98812846
公開日2001年2月28日 申請日期1998年10月30日 優先權日1997年10月31日
發明者伊藤彰義, 中川活二, 谷掌, 上原利夫, B·T·威廉姆斯 申請人:特瑞克股份有限公司