掃描探針顯微鏡原理及其應(yīng)用1課件

1、掃描探針顯微鏡原理及其應(yīng)用General term of a type microscope, which performs surface form observation in minute domain by detecting the physics properties between probe and sample.STM (1981 invention 1987 utilization) AFM (1986 invention 1990 utilization)DFM（Dynamic Force Mode） FFM (Friction Force Microscope)MFM

2、(Magnetic Force Microscope)VE-AFM (Viscoelasticity AFM)KFM (Surface potential)SNOM ProbeSample surfacephysical interaction掃描探針顯微鏡的歷史10 mm10m10 nm10 nm10m10 mmX,Y resolution/mZ resolution/mSEMOptical Microscope 10 pmSPMTEM掃描探針顯微鏡與其他顯微鏡在分辨能力上的比較Reference：NIKKEI MICRDEVICES 86.110.2nm800m15mHigh Resolu

3、tion in 3D imageAtomic Image（HOPG） STM（2nm）Magnet-Optical DiskMFM（10m）Lung cancer cell among culture solutionDFM（100m）AFMLithographyby oxidization with elec. fieldVector Scan（1 ） In Air，High Vacuum，Liquid，Heat，Cool，Magnetic Field掃描探針顯微鏡的優(yōu)勢 ObservationAnalysisProcessingTopography & Physical propertyM

4、easurement in various environmentBeforeAfter標(biāo)準(zhǔn)配置功能 Contact AFM（接觸式原子力模式） DFM (動態(tài)力模式，包括非接觸式和間歇接觸式原子力模式) Phase Mode（相位模式） FFM (摩擦力模式) MFM (磁力模式) Vector Scan（矢量掃描，納米刻蝕） Force vs Distance Curve (力曲線測量模式)掃描探針顯微鏡原理DFM（Dynamic Force Mode）PZTBefore processingDirection of scanningElectrolytic oxidationCantil

5、everSurface Processing by SPM (Vector Scan)After processing【測量原理】在AFM模式下，使掃描器邊產(chǎn)生Z方向微小振動，邊加一定周期的力在樣品上，將這時的懸臂的彎曲振幅影象化，以測量粘彈性的表面分布。【特征】可同時測量物質(zhì)表面的形貌像及粘彈性分布。VE-AFM/DFM（微粘彈性模式）聚苯乙烯上的Si油膜分散樣品的測量數(shù)據(jù)。在表面形貌像上，可以知道附著的薄油膜部分比底材的聚苯乙烯軟。（測量范圍1010m） 形貌像 VE-AFM像OUTPUTDeflection Signal of CantileverINPUTVibration Signa

6、l to PZT(110kHz)OUTPUTDeflection Signal of Sample(Large)(Small)PZTCantilever（Large）（Small）扭曲形變信號扭曲振動信號Topography（5m） FFM LM-FFM樣品 : 聚苯乙烯上的薄膜LM-FFM（橫向振動摩擦力模式）【測量原理】在AFM模式操作下，使樣品產(chǎn)生橫方向振動，將Cantilever的扭曲振動振幅影象化，以測量摩擦力的表面分布?！咎卣鳌靠赏瑫r測量物質(zhì)表面的形貌像及摩擦力分布。從形狀無法判斷的材質(zhì)差異或混合物分布狀態(tài)是有效?！緫?yīng)用領(lǐng)域】潤滑劑 有機(jī) 高分子 塑膠橡膠Lateral Modul

7、ationEdge EffectFriction Force Microscope Lateral Modulation FFMTwisting Distortion Twisting AmplitudeSmall FrictionLarge FrictionSmall FrictionLarge FrictionVrsinrt(for cantilever vibration) VACsint (for AC electric field) 2ingredient （ 2 ） ingredient (A) r ingredient （ ） ）Photo Detector PZT scanne

8、r Pre Amp. Lock-in amplifier Potential feedback (Voff is controlled to A=0) = surface potential Vs=-Voff be detected.Z Z servo (Z is controlled to A= const. ) = topography (Z) is detected. Voff Vs : Surface potential F Sample Signal Magnification Potential control I gain It is set in the KFM measure

9、ment. KFM（表面電位顯微鏡）【可得到什么信息？】樣品微小區(qū)域的表面電位分布【測量原理】利用作用于探針樣品間的靜電力來測量樣品的表面電位【特征】 測量電位 ：10V 電位分辨率 約1mV 可測量厚度在數(shù)100m以下的樣品【應(yīng)用領(lǐng)域】金屬，半導(dǎo)體，陶瓷等Scanning Tunneling MicroscopeMetal ProbeX,Y-ScanComputer MonitorBias VoltageElectronCloud PZT ScannerTunnelCurrentElectricConductive SampleZ-ServoTunnel CurrentAmplifier【可

10、得到什么信息？】樣品微小區(qū)域的導(dǎo)電性分布任意點(diǎn)的I / V曲線特性【測量原理】導(dǎo)電性Cantilever和樣品間加任意的 電壓可以進(jìn)行導(dǎo)電性分布測量或局部 I / V曲線測量【特征】電流分辨率： 約60fA RMS 用電場氧化的樣品表面加工【應(yīng)用領(lǐng)域】半導(dǎo)體，陶瓷，絕緣膜 導(dǎo)電性高分子等I/V放大器Conducting AFM（電流同時測定）Liquid crystal 11CBSTMDVDDFMAl-grainDFMChromosomeDFM in liquidCilia of RatDFMAFMApplications of AFM and DFMSemi-conductorPolymer

11、PlasticRubberStoragedeviceHDMemoryFerroelectricdeviceMemoryThin filmBiotechnologyProteinCellInorganicGlassCeramicsMetal RaParticle & grain analysisPitch & height measurementTopographyVEFrictionAdhesion Hardness（Nano-indentation）MechanicalLeak Current Polarization Dielectric constant Surface Potentia

12、lElectricMagnetic Force Magnetic Domain & FluxMagneticFluorescence Spectrum Optical Transition Optical RecordOpticalLithography Manipulation oxidization ScratchProcessingApplications of Multi-function SPM應(yīng)用半導(dǎo)體研究精密表面粗糙度評價Measurement of Wafers Surface RoughnessCentre（Ra:0.61A）Edge（Ra:0.63A）應(yīng)用于記錄材料形貌及磁

13、疇研究Groove morphology of CD-RDFM mode（5m）Pit morphology of Optical diskDFM mode（10m）CD - R and DVDConductivity of ITO FilmTFT Potential etcLCDSemiconductorLeak Current of Gate Oxide LayerDopant ProfileP-N JunctionFailure Analysis etcCeramicsLeak Current of Domain BoundaryFerro-electric Material Polar

14、ization Dielectric Constant Mapping etcPolymerConductive RubberConductive FilmI/V Measurement etcData StoragePhase Change Layer etc電特性測量研究不同材料I/V曲線測量Semiconductor InsulatorConductorPhase Transition Layer changes between the crystalline & amorphous.The left image shows the land & groove structure of

15、DVD-RAM and the right image shows the surface potential image of same position.Topography （7）Surface Potential Image （7）KFM表面電位勢測量Phase Transition Layer of DVD-RAMSPM探針硅分散層EBC Polymer（比較軟的部分, 深度約100 nm） ）負(fù)載 7N 負(fù)載 7N0501001502002500246810負(fù)載 (N)磨損深度 (nm)012345678910FFM信號(V)磨損深度FFM信號(V)利用Cantilever進(jìn)行Sc

16、ratch評價3N5N7N1N9NHOPG surface processing by Apply bias Voltage（）BMP data in availableProcessing by Raster ScanSi surface electric oxygen reaction（）Si surface electric oxygen reaction60 nm nano dot 日本精工成立于1881年，百年歷史老牌公司從著名的精工表起步，發(fā)展成多元化高科技公司著名的EPSON集團(tuán)也是精工集團(tuán)子公司集團(tuán)年?duì)I業(yè)額數(shù)百億美元，世界500強(qiáng)精工集團(tuán)SEIKO精工愛普生EPSON精工納米科技控制系統(tǒng)SPI3800NSPA400多功能型SPA300HV環(huán)境控制型SPA500大型樣品臺型SPA465半導(dǎo)體用大型樣品臺NanopicsSPI系列的商品構(gòu)成小型簡易操作Scanning Probe Microscope SystemSPI3800N SeriesSPA-400多功能掃描探針顯微鏡：大氣及液體環(huán)境中工作。SPA-300HV多功能可控環(huán)境掃描探針顯微鏡：不僅可以在大氣及液體環(huán)境中工作，而且樣品的周圍環(huán)境可控制。高真空可達(dá)10-7Torr以上,并可進(jìn)行不同環(huán)境氣氛的控制，同時可對樣