納米級(jí)電接觸電阻測(cè)量的新技術(shù)的研究

　　系統(tǒng)操作

　　在測(cè)試過(guò)程中，探針被推進(jìn)到樣本表面，同時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)位移。根據(jù)壓力和位移數(shù)據(jù)可以直接計(jì)算出樣本的硬度和彈性模量。對(duì)于電氣參數(shù)，吉時(shí)利數(shù)字源表向?qū)щ娕_(tái)加載一個(gè)偏壓，待測(cè)器件（DUT）與導(dǎo)電臺(tái)實(shí)現(xiàn)電氣耦合。當(dāng)導(dǎo)電硬度探針刺入材料，系統(tǒng)就可以連續(xù)測(cè)量電流、電壓、壓力和位移。

　　壓力驅(qū)動(dòng)/位移檢測(cè)功能通過(guò)靜電驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，具有極低的測(cè)量噪聲和極高的靈敏度。轉(zhuǎn)換器/探針組合安裝在壓電定位系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)了樣本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的掃描探針顯微（SPM）成像和非常精確的測(cè)試定位。

　　在典型測(cè)量過(guò)程中，數(shù)字源表的一個(gè)通道用于實(shí)現(xiàn)源和測(cè)量操作，另一個(gè)通道用作電流到電壓放大器，將電流數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)?？刂栖浖O其靈活，允許用戶指定并測(cè)量源電流和電壓的幅值，對(duì)預(yù)定義的壓力或位移點(diǎn)進(jìn)行I-V掃描。用戶通過(guò)nanoECR軟件界面控制所有的數(shù)字源表功能，無(wú)需手動(dòng)修改儀表本身上的參數(shù)。憑借該軟件的靈活性和自動(dòng)化的測(cè)試?yán)蹋脩魺o(wú)需手動(dòng)操作，能夠測(cè)試最具挑戰(zhàn)性的樣本。測(cè)試時(shí)間高度取決于用戶定義的變量，但是普通的測(cè)試序列耗時(shí)只有大約1分鐘。

　　Hysitron nanoECR系統(tǒng)分辨率、精度和噪聲指標(biāo)為：
　　?壓力分辨率：1nN
　　?壓力白噪聲：100nN
　　?位移分辨率：0.04nm
　　?位移白噪聲：0.2nm
　　?電流分辨率：5pA
　　?電流白噪聲：12pA
　　?電壓分辨率：5μV
　　?X-Y定位精度：10nm

　　硅相位變化的例子

　　對(duì)于研究探測(cè)過(guò)程中壓力導(dǎo)致的相位變換（參見參考文獻(xiàn)），硅是一種很好的材料實(shí)例。在探針加載/撤除過(guò)程中隨著探針壓力的增大/減小，處于移動(dòng)探針下的納米變形區(qū)內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一系列相位變換。在加載探針的過(guò)程中，Si-I（菱形立方晶體結(jié)構(gòu)）在大約11～12GPa的壓力下將轉(zhuǎn)變?yōu)镾i-II（金屬β-Sn)。在撤除探針時(shí)隨著探針/樣本接觸壓力的減小，將會(huì)進(jìn)一步出現(xiàn)從Si-II到Si-III/XII的轉(zhuǎn)變。

　　圖是一條相對(duì)連續(xù)的曲線，而電流-位移圖在大約22nm的探針位移下出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，表明發(fā)生了Si-I 到Si-II的相位變換。在逐漸撤除探針過(guò)程中，壓力-位移和電流-位移的測(cè)量結(jié)果中都明顯出現(xiàn)了Si-II到Si-III/XII的相位變換。這些變換出現(xiàn)得相當(dāng)突然，我們將其看成是突入（pop-in）和突出（pop-out）事件，并在圖2中標(biāo)明。

　　探針加載/撤除的速度也會(huì)影響材料的電氣特性。例如，在硅表面從最大負(fù)荷壓力下快速撤除探針將會(huì)形成α-Si，表現(xiàn)出完全不同的電氣特征。這類測(cè)量對(duì)于諸如硅基MEMS和NEMS器件的研究是非常關(guān)鍵的。在這類器件中，對(duì)小結(jié)構(gòu)施加的小壓力會(huì)轉(zhuǎn)變成大壓力，引起材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)而決定材料的電氣和機(jī)械特性。

圖2. 機(jī)械（壓力-位移）和電氣（電流-位移）曲線表明在p型硅的納米變形過(guò)程中出現(xiàn)了壓力導(dǎo)致的相位變換

　　結(jié)束語(yǔ)

　　成功的開發(fā)和制備納米級(jí)材料和器件在很大程度上取決于能否定量地評(píng)測(cè)和控制它們的電氣和機(jī)械特性。nanoECR系統(tǒng)提供了一種直接、方便而定量的技術(shù)，使研究人員能夠測(cè)出通過(guò)傳統(tǒng)方法不可能測(cè)出的材料特性/行為。除了硅之外，這種研究工具還能夠用于研究金屬玻璃、壓電薄膜、有機(jī)LED、太陽(yáng)電池和LCD中的ITO薄膜，以及各種納米固體材料，使人們能夠洞察到薄膜斷面、錯(cuò)位成核、變形瞬態(tài)、接觸電阻、老化、二極管行為、隧道效應(yīng)、壓電響應(yīng)等微觀現(xiàn)象。

　　參考文獻(xiàn)
　　1. Mann, A.B.; van Heerden, D.; Pethica, J.B.; Bowes, P.; Weihs, TP; Philosophical　Magazine A, vol 82, (2002), pp.1921-1929.
2. Ruffell, S.; Bradby, J.E.; Williams, J.S.; Warren, O.L.; J. Mater. Res., Vol. 22,
(2007), p. 578.

　　致謝

　　本文作者衷心感謝吉時(shí)利儀器公司的Jonathan Tucker，感謝他對(duì)本文的認(rèn)真審稿。Jonathan是位于俄亥俄州克里夫蘭市的吉時(shí)利儀器公司負(fù)責(zé)納米技術(shù)研究與教育的行業(yè)市場(chǎng)主管。他是發(fā)起制定IEEE納米電子標(biāo)準(zhǔn)路線圖的聯(lián)合主席，是IEEE P1690TM標(biāo)準(zhǔn)小組的副主席。他還支持并參與制定了碳納米管測(cè)試與測(cè)量方法的IEEE標(biāo)準(zhǔn)——IEEE 1650TM-2005。Jonathan是克里夫蘭納米網(wǎng)絡(luò)顧問(wèn)委員會(huì)的委員。他曾獲克里夫蘭州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位，獲肯特州立大學(xué)MBA學(xué)位。他的聯(lián)系郵件地址為jtucker@keithley.com。