1 簡介

    SKP技術的信號強度和提取敏感數據的能力依賴于很多因素。主要的影響因素是樣品和探針的功函數差、探針尺寸、探針振幅、探針與樣品表面的距離。用戶可以假設M470（或M370）的環境噪聲和周圍環境一直保持不變，這樣，信號強度主要取決于上面提到的幾個參數。

    任何測試都需要好的信噪比，即使是基于統計技術。在某些點，當噪聲超過信號，測量就變得不確定。為了避免這種情況，SKP470（或SKP370）用戶希望在所有實驗中信號強度zui大化，就需要考慮上面參數的影響。

    增強信噪比的一個方法是確保探針與樣品的距離很小，并在整個測量區域中保持恒定的距離。這就有必要獲取整個掃描區域的形貌信息，當探針掃描樣品時，命令探針按照樣品的形貌移動。有許多不同的技術都能提供樣品的形貌信息：

• 非觸式微區形貌測試系統（OSP）
• 間歇接觸掃描電化學顯微鏡（ic-SECM）
• 電容式高度測試技術（CHM，SKP）
• 電容式跟蹤測試技術（CTM，SKP）

    本文主要介紹了M470（或M370）SKP技術中的CHM和CTM技術。

• CHM和CTM形貌測量的原理

    這兩種技術的原理都是測量探針與樣品之間產生的電容。在探針與樣品之間施加一個電壓，優于樣品和探針之間產生電容，一些電荷被儲存，關系式：

Q = CV                                                         (1)

式中，Q是電荷，C是電容，V是施加的電位。

電容C取決于系統的物理參數：

C = ε_r ε₀ ( A / d )                                                  (2)

式中，A為平行電容板的面積（探針面積）；d是電容板間的距離；ε_r和ε₀是相對介電常數和真空介電常數。

如果探針按正弦波振動，距離d也按照正弦波振動，系統電容也隨之變化。

C(t) = ε_r ε₀ ( A / d(t) )                                              (3)

式中，t為時間。

所以，存儲的電荷也隨電容的改變而改變：

Q(t) = C(t)V                                                     (4)

   系統電荷改變，一定有電流，就是通過測量這個電流來確定探針與樣品的距離d。計算校準常數k，用于計算探針到樣品的距離：

I(t) = kd(t)                                                      (5)

    在CHM技術中，連續掃描或者單步掃描實驗中的每個點上，探針保持固定的z軸位置。用校準提取探針與樣品的距離。

    在CTM技術中，實驗開始時，距離d就被設置為一個期望的探針到樣品的距離。當探針到下一個位置，如果測量的探針到樣品的距離與期望值不同，探針高度就重新設定，直到達到理想值。測量探針高度位置的移動（用100nm光學編碼器），保存為形貌。實際上，在整個掃描過程中探針與樣品一直保持zui初的距離。

    兩種方法的優缺點列于表1中。

表1 CHM和CTM技術的優缺點

2 用CHM解除形貌的影響

    圖1和2分別為CHM和SKP面掃描結果，掃描24小時腐蝕實驗后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處。磨痕和腐蝕都使樣品變形，任何SKP測試都需要解除形貌影響來獲得表面信息。

圖1 24小時腐蝕實驗后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處的CHM形貌

    圖1中CHM實驗結果為探針到樣品的距離，表明樣品左邊有一個約100µm深的圓形磨痕。磨痕的峰值在138µm處，此處探針到樣品的距離zui遠。

    圖2中SKP實驗結果是通過高度追蹤解除圖1中形貌的影響而提取的SKP數據。探針到樣品的距離保持40µm左右。用戶可以在沒有形貌干擾的情況下提取表面相對功函數測量信息。

圖2 24小時腐蝕實驗后的鍍鋅鋼樣品的表面磨痕處的SKP面掃描結果

（解除圖1形貌干擾）

    如果表面形貌的差異超過CHM實際測量能力，那么可以選擇CTM技術在非常大的范圍內獲得同樣的度，雖然速率稍慢。

• 用CTM解除形貌的影響

    圖3是一個輕微腐蝕的金屬模型，其形貌遠遠超出CHM技術的測量能力。采用CTM技術在36mm²區域內每100µm記錄的形貌。圖4是CTM掃描結果，從邊緣到中心約700µm，其形貌差異使得標準SKP測試不可能實現。

圖3 開爾文探針非常接近（~200µm）彎曲金屬模型。

（實際CTM和SKP數據是在探針距離樣品約40µm的位置測量的。）

圖4 輕微腐蝕的金屬模型的CTM實驗結果

    圖5是嘗試用標準SKP掃描圖4中的區域，沒有解除形貌的影響。很明顯，樣品的結構影響測量：當探針遠離樣品時，儲存在探針-空氣-樣品界面的電荷是可以忽略的，導致放大的只是環境噪聲。實際上，探針在掃描中心區域是足夠靠近樣品的，這部分信息應該可以代表樣品表面特征。而在探針遠離樣品的區域測得的結果掩蓋了好的數據。

圖5 彎曲金屬模型表面不解除形貌干擾的SKP結果

    為了對比，圖6是圖5相同區域解除形貌干擾后的SKP測量結果，*的差別是探針靠近樣品（平均約40µm），CTM數據用于在整個36mm²范圍內確保探針保持這個距離。可以看出，這個方法成功消除了彎曲對SKP測試的影響。

圖6 同樣區域內用CTM數據導入SKP高度追蹤掃描結果

• 結論

    M470（或M370）軟件中用高度追蹤設備可以獲得表面功函數的更的測定。通過解除形貌的影響而在掃描區域內獲得zui大信噪比。執行高度追蹤的能力*依賴于測量和使用高度數據的能力。

    如上所示，可以用CHM和CTM技術獲得這些數據。CHM更快，但是只能用于形貌變化在100µm范圍內的情況。對于形貌變化更大的情況，可以用較慢的CTM技術。

    值得注意的是，也可以通過其他技術獲得形貌數據，比如非觸式微區形貌測試系統（OSP）或者掃描電化學顯微鏡（SECM）的恒流技術。一旦獲得形貌，就可以用來解除任何其他掃描探針實驗中形貌的影響。比如：SECM、SKP、SVP（SVET）、SDS。