Mikroelektroninis krūvio keitiklis

Įvadas

Kuriant puslaidininkinius artimojo ultravioleto šviesos šaltinius, ilgalaikės veikos jonizuojančiojo spinduliavimo detektorius ir kitus netradicinės paskirties prietaisus, būtina naudoti naujas medžiagas ir, be abejo, labai gerai išmanyti jų fizines savybes bei mokėti jas valdyti. Pastarųjų reikalavimų skalėje būtų ir medžiagų paviršinės savybės, nes dėl realių puslaidininkinių monokristalų kristalinės gardelės defektų bei dėl medžiagos paviršiaus sugertų atomų susidaro paviršiniai lygmenys, galintys atlikti donorų, akceptorių, elektronų ir skylių rekombinacijos ar prilipimo centrų vaidmenis, tuo iš esmės keisdami jų paviršiaus fizines savybes. Daug informacijos apie tiriamųjų medžiagų paviršines savybes gali duoti jų elektronų išlaisvinimo darbo vertės. Nors žinomi įvairūs išlaisvinimo darbo matavimo būdai, tačiau daugeliu atvejų pirmenybė teikiama talpiniam, elektrostatinės indukcijos dėsniu paremtam būdui, t. y. Kelvino būdui. Šis būdas pasižymi dideliu universalumu, užtikrina didelį matavimo tikslumą ir, svarbiausia, yra nesąlytinis [1].

Pastaruoju metu medžiagų paviršinėms savybėms tirti plačiai naudojami tuneliniai ir atominės jėgos mikroskopai (skenuojantieji Kelvino jutikliai) [2, 3]. Jų erdvinė skiriamoji geba* siekia 0,1 nm, tačiau praktikoje dažnai pakanka matavimo būdų, užtikrinančių skiriamąją gebą nuo 1 µm iki 0,1 µm, o šiems tikslams gali būti naudojamas jau tapęs klasikiniu talpinis Kelvino būdas.

Šio darbo tikslas – aptarti talpinio keitiklio, kurio erdvinė skiriamoji geba siektų mikrometro dalis, ypatumus ir pateikti pirminius eksperimentinius rezultatus.

* Mokslinėje literatūroje nėra griežto erdvinės skiriamosios gebos termino apibrėžimo. Šiame straipsnyje vartojama sąvoka reiškia minimalaus tiriamojo kūno paviršiaus plotelio, sąveikaujančio su talpiniu matavimo elektrodu, skersmenį (tariant, kad šis plotelis yra skritulio formos).

Keitiklio virpantysis mikroelektrodas

Ankstesnieji darbai, pvz. [4], rodo, kad keitiklio erdvinę skiriamąją gebą faktiškai lemia virpančiojo elektrodo viršūnėlės skersmuo, nes, elektrodui virpant, jo šoninių sienelių ir tiriamojo kūno talpos komponentė išlieka beveik nekintanti. Siekiant užsibrėžtos erdvinės skiriamosios gebos, virpančiojo elektrodo viršūnėlės skersmuo turėtų būti apie kelių šimtų nanometrų ar mažesnis. Techniškai suformuoti tokio skersmens ritininės ar jam artimos formos mikroelektrodo neįmanoma. Aptariamuoju atveju virpančiajam mikroelektrodui formuoti buvo panaudotas elektrocheminio ėsdinimo ir poliravimo būdas [5]. Atlikti eksperimentai su paramagnetinių savybių volframo ir molibdeno vielutėmis (apie 120 µm skersmens) parodė, kad geresnių rezultatų galima pasiekti su molibdeno vielutėmis, be to molibdenas lengvesnis ir ne toks trapus. Lengvesnės medžiagos mikroelektrodo gali būti didesnis virpinimo dažnis. Geriausių mikroelektrodų pavyzdžiai turėjo viršūnėles, labai artimas kūgio formai (žr. 1 pav.), o jų kampai siekdavo 10°–15°.

1 pav. Apytikslė virpančiojo mikroelektrodo (1) forma ir tarp tiriamojo kūno (2) paviršiaus ir mikroelektrodo viršūnėlės C₁ bei jo šoninės sienelės C₂ susidariusios talpos

Keitiklio su tokiu mikroelektrodu erdvinę skiriamąją gebą būtų galima įvertinti, turint matematines jo viršūnėlės (C₁) ir šoninės sienelės (C₂) talpų (begalinės laidžios plokštumos atžvilgiu) išraiškas. Apytikslis Hou metodas [6] tokios formos mikroelektrodo (tariant, kad jo viršūnėlė yra pusrutulio formos) talpai rasti pasirodė esąs netinkamas, nes atliktų eksperimentų su proporcingai padidintų matmenų elektrodais rezultatai labai skyrėsi nuo teorinių ir eksperimentinių (net iki 100 %).

Mikroelektrodo virpinimo ir perstūmimo sistema

Teorinio modeliavimo rezultatai rodo, kad, siekiant užsibrėžtos skiriamosios gebos, nepakanka turėti mikroelektrodą su labai mažo skersmens viršūnėle. Dar reikia užtikrinti, kad mikroelektrodo viršūnėlės atstumas iki tiriamojo objekto būtų ne didesnis už viršūnėlės skersmenį, o minimalus atstumas būtų ribojamas paties mikroelektrodo virpėjimo amplitudės. Maža virpėjimo amplitudė sudaro prielaidas gerinti erdvinę skiriamąją gebą, tačiau mažina talpinio keitiklio signalo ir triukšmo santykį, t. y. mažina keitiklio jautrį. Remiantis įgyta patirtimi galima teigti, kad optimali keitiklio veika būtų pasiekta tuo atveju, jei būtų 2∆h≤h≤0,5D; čia h – atstumas nuo mikroelektrodo viršūnėlės (kurios skersmuo D) iki 50 tiriamojo paviršiaus, ∆h – mikroelektrodo virpėjimo amplitudė. Taigi virpėjimo amplitudė ∆h ir atstumas h gali siekti dešimtis ar šimtus nanometrų.

Turint omeny realių puslaidininkinių bandinių paviršių geometriją, matavimų metu virpančiojo mikroelektrodo viršūnėlė, išlaikydama pastovų atstumą h, turi sekti paviršiaus reljefą, t. y. turi būti numatyta galimybė mikroelektrodą perstumti (jo virpėjimo kryptimi). Šiam tikslui mikrometrinis sraigtas su žingsniniu varikliu jau netiks, todėl reikia naudoti specialios konstrukcijos virpiklį, sudarytą iš fosforinės bronzos plokštelės, suklijuotos su metalizuota pjezokeramine bario titanato plokštele. Talpinio keitiklio su tokio tipo virpikliu fragmentas parodytas 2 pav.

2 pav. Talpinio keitiklio fragmentas. 1 – virpantysis matavimo elektrodas, 2 – bronzinė plokštelė, 3 – metalizuota pjezokeramika, 4 – ekranas, 5 – izoliacinė žėručio plokštelė, 6 – žadinimo kontaktas, 7 – epoksidinė derva

Pjezokeraminės plokštelės ilgis (iki įtvirtinimo vietos) buvo 11 mm, o bronzinės – 15 mm. Abiejų plokštelių pločiai buvo vienodi, t. y. 5 mm. Tokių matmenų virpiklis, prijungtas prie keičiamos vertės nuolatinės įtampos šaltinio UV, perstumia mikroelektrodą iki H=100 µm (3 pav.).

3 pav. Virpiklio viršūnės poslinkio priklausomybė nuo prijungtos įtampos

Matome, kad poslinkio H priklausomybė nuo U_V netiesinė, tačiau svarbu, kad elektriniu signalu lankstant virpiklio viršūnę, mikroelektrodo virpėjimo amplitudė (ir pirmosios, ir antrosios modų) pakinta nedaug, o nuo žadinančiojo signalo U_Ž amplitudės priklauso tiesiškai (4 pav.).

Eksperimentiniai keitiklio tyrimai

Mikroelektroninį keitiklį, kaip atskirą mazgą, sudaro talpinis keitiklis su virpančiuoju mikroelektrodu ir

4 pav. Mikroelektrodo virpėjimo amplitudės priklausomybė nuo žadinančiojo signalo amplitudės

ištakinis įtampos U(t) (2 pav.) kartotuvas su bekorpusiu lauko tranzistoriumi. Mikroelektrodo formavimo procesas, nors ir paprastas, tačiau reikalauja daug įgūdžių ir nėra apsaugotas nuo atsitiktinumų, todėl beveik neįmanoma gauto rezultato pakartoti. Geriausi mūsų mikroelektrodų pavyzdžiai turėjo beveik kūginės formos viršūnes, kurių kampas neviršijo 15°. Viršūnėlės suapvalinimas truputį panašėjo į pusrutulį, todėl kalbėti apie jo skersmenį nevisiškai korektiška, tačiau norint bent apytiksliai žinoti jo vertes (jos buvo (400–600) nm), tenka daryti tokias prielaidas.

Erdvinei skiriamajai gebai įvertinti būtina turėti darinį su žinomos formos potencialiniu reljefu. Mes šiam tikslui panaudojome pramoninio metalo ir puslaidininkio sandūros lauko tranzistoriaus metalizuotas santakos ir ištakos kontaktų aikšteles, tarp kurių buvo minimalus (2,2±0,1) µm atstumas. Išmatuota paviršinio potencialo pasiskirstymo priklausomybė nuo koordinatės leidžia teigti, kad erdvinė skiriamoji geba yra geresnė negu 1,0 µm, tačiau tikslesnių apibendrinimų padaryti negalime, nes tam reikia darinių, kur tas atstumas būtų kelis kartus mažesnis.

Į grįžtamojo ryšio grandinę įjungę tiksliai žinomų verčių nuolatinės įtampos šaltinį ir išmatavę išėjimo įtampos vertes, nustatėme keitiklio ribinį jautrį, kuris buvo 5–6 mV, kai sinchroninio detektoriaus žemojo dažnio filtro laiko pastovioji buvo 1 s. Dalinė įtampos kartotuvo parazitinės įėjimo talpos kompensacija [7] padidino talpinio keitiklio perdavimo koeficiento vertę ir ribinį jautrį, kuris šiuo atveju siekė 2 mV (matavimų paklaida neviršijo ±0,1 mV).

Išvados

Pirminiai eksperimentiniai mikroelektroninio keitiklio, sudaryto iš talpinio matavimo mikroelektrodo, jo virpinimo ir perstūmimo pjezokeraminės ir metalinės plokštelių darinio bei bekorpusių mikroelektroninių įtaisų tyrimai leidžia daryti tokias išvadas:

• pasiekta talpinio keitiklio erdvinė skiriamoji geba geresnė nei 1 µm (šį parametrą galima gerinti tik automatizavus mikroelektrodo elektrocheminio ėsdinimo ir poliravimo procesą);
• ribinis įtampos jautris siekė 2 mV;
• jautriui didinti būtina optimizuoti kompensuotos įėjimo talpos ištakinio kartotuvo veiką.

Literatūra

1. Baumgägartner H., Liess H. D. Micro Kelvin probe for local work–function measurements // Rev. Sci. Instrum. 1988. – Vol. 59. No 5. – P. 802–805.
2. Simphins B. S., Schaadt D.M., Yu E. T., Moluar R. J. Scaning Kelvin probe microscopy of surface electronic structure in GaN grown by hibride vapor phase epitaxy // J. Appl. Phys. 2002. – Vol. 91. No 12. – P. 9924–9929.
3. Koley G., Spencer M.G. Surface potential measurements on GaN and AlGaN/GaN heterostructures by scaning Kelvin probe microscopy // J. Appl. Phys. 2001. – Vol. 90. No 1. – P. 337–344.
4. Sakalauskas S., Sodeika A. Automatized measuring instrument of the surface electric potential and potential’s distribution // Rev. Sci. Instrum. 1998. – Vol. 59. No 10. – P. 466–468.
5. Morikava H., Goto K. Reproducible sharp–pointed tip preparation for field ion microscopy by controlled ac polishing // Rev. Sci. Instrum. 1988. – Vol. 59. No 10. – P. 2195–2197.
6. Иоссель Ю. Я., Кочанов Э. С., Струнский М. Г. Расчет электрической емкости. – Ленинград: Энергоиздат, 1981.– 288 с.
7. Peyton A. J., Walsh V. Analog Electronics with Op Amps. – Cambridge: University Press, 1993. – 326 p.

S. Sakalauskas, R. Pūras. Mikroelektroninis krūvio keitiklis // Elektronika ir elektrotechnika. – Kaunas: Technologija, 2004. – Nr. 2(51). – P. 49–51.