納米級電接觸電阻測量的新技術(shù)的研究

　　系統(tǒng)操作

　　在測試過程中，探針被推進(jìn)到樣本表面，同時(shí)連續(xù)監(jiān)測位移。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)測量電流、電壓、壓力和位移。

　　壓力驅(qū)動(dòng)/位移檢測功能通過靜電驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，具有極低的測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試定位。

　　在典型測量過程中，數(shù)字源表的一個(gè)通道用于實(shí)現(xiàn)源和測量操作，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，允許用戶指定并測量源電流和電壓的幅值，對預(yù)定義的壓力或位移點(diǎn)進(jìn)行I-V掃描。用戶通過nanoECR軟件界面控制所有的數(shù)字源表功能，無需手動(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)化的測試?yán)?，用戶無需手動(dòng)操作，能夠測試最具挑戰(zhàn)性的樣本。測試時(shí)間高度取決于用戶定義的變量，但是普通的測試序列耗時(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

　　對于研究探測過程中壓力導(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。在逐漸撤除探針過程中，壓力-位移和電流-位移的測量結(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。這類測量對于諸如硅基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型硅的納米變形過程中出現(xiàn)了壓力導(dǎo)致的相位變換

　　結(jié)束語

　　成功的開發(fā)和制備納米級材料和器件在很大程度上取決于能否定量地評測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)，使研究人員能夠測出通過傳統(tǒng)方法不可能測出的材料特性/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試與測量方法的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。