ケルビンプローブフォース顕微鏡(KPFM)

ケルビンプローブフォース顕微鏡(略してKPFM、KFMまたはSKFM)は、ナノスケールの材料およびデバイスの電子特性を研究するために使用される原子間力顕微鏡(AFM)に基づく手法です。 KPFMは、容量性静電力を検出することにより、AFMプローブとサンプル表面の間の局所的な接触電位差(CPD)を定量化します。金属表面の場合、KPFM信号は材料の仕事関数に直接関連していますが、半導体CPDは半導体のドーピングプロファイルまたは感光性薄膜の表面光起電力(SPV)に関連しています。このページで説明するほとんどのKPFMメソッドは、閉ループシングルパステクニックと呼ばれ、ローカルCPDがアクティブに追跡され、表面トポグラフィーまたは他の力の寄与と同時に画像化されます。

KPFMのオープンループ派生型は、静電フォース顕微鏡(EFM)の拡張と見なすことができます。ここでは、正弦波電気変調により、静的DC項と、バイアス変調周波数の基本波と2次高調波の2つのAC成分の、3つのスペクトル成分が発生します。 CPDがフィードバックループによってアクティブに追跡されていない場合、その値は、いわゆるデュアルハーモニック(DH-KPFM)モードの2つのACコンポーネントから計算できます。これは特に液体での測定に適した方法です。


図 1. 機械的共振信号が電気的バイアス変調周波数で復調される典型的なFM-KPFM測定スキーム


図 1.    機械的共振信号が電気的バイアス変調周波数で復調される典型的なFM-KPFM測定スキーム。
すべてのKPFMモードでは、VAC + VDCでの電気駆動が必要ですが、バイアスフィードバックはVDC
にのみ作用し、表面電位をマッピングするために記録されます。 DCバイアス電圧を掃引することに
より、CPD放物線を再現することが可能です。 VAC変調は、ロックインアンプまたはPLLで測定された
結果の力変調のX成分を最小化することにより、放物線の最大値を見つけるために使用されます。



測定戦略

典型的なKPFMセットアップでは、DC電圧に重ね合わせてプロービングACバイアス電圧を印加してチップとサンプル間に静電力を発生し、標準のロックイン検出技術で測定することができます(図を参照)。測定スキーム(表を参照)に応じて、力または力勾配の関連する復調成分がPIDループに供給され、PIDループがDCバイアス電圧を調整して静電力を最小化します。印加されたDCソースによって静電的寄与が相殺されると、対象のCPD値に到達します。

多くの既存のKPFMモードは、振幅変調KPFM(AM-KPFM)と周波数変調KPFM(FM-KPFM)の2つのカテゴリのいずれかに分類されます。AM-KPFMモードは堅牢で実装が簡単ですが、その分解能は、コーンとカンチレバーの形状に起因する大きな浮遊容量によって制限されます。AM-KPFMは、大きくて高速な表面検査に役立ち、通常、より小さなAC駆動電圧で動作できます。FM-KPFMモードは、その力勾配感度により、究極の表面電位分解能を可能にしますが、粗い表面上で安定した最適化および操作を行うのは難題です。

空気中のヘテロダインFM-KPFM、および真空中の2ω散逸KPFM(2ωD-KPFM)の最近の技術的進歩により、これらのモードがアーティファクトの傾向が最も少ないため、定量測定の観点から最先端の方法となっています。

従来のデュアルパス手法(トポグラフィ用に1パス、静電寄与用に1パス)と比較して、シングルパス測定は、トポグラフィのバイアスアーティファクトを低減し、表面電位分解能を向上させ、測定時間を短縮します。シングルパスKPFM技術では多くのパラメータを微調整する必要があるため、ZurichInstruments LabOne®制御ソフトウェアは、さまざまな高調波や周波数で動作する複数の復調器、複数のフィードバックループ、位相シフタ、パラメータスイープ機能により、全体的な最適化プロセスの一貫性と体系性を高めます。



Zurich Instrumentsで測定するメリット

  • 閉ループまたは開ループのKPFMモードは、設定をリロードしてモードを切り替えることにより、
    単一の機器で測定できます。
  • 位相シフタや周波数ミキサを含むすべての重要なパラメータをスイープできる高レベルの自動化により、
    SN比を最大化するための最適なパラメータセットをすばやく見つけることができます。
  • 事前の知識やゲインパラメータの手動調整なしで、
    PIDアドバイザを使用してバイアスフィードバックループを最適化します。
  • 電気的作動系と検出系へアクセスできれば、
    当社の機器はあらゆる種類のサードパーティ製顕微鏡に適応できます。


基本テクニック 振幅変調(AM) 周波数変調(FM)
センス 力(振幅による) 力の勾配(位相による)
KPFMモード AM-KPFM 1ωD-KPFM サイドバンドFM-KPFM 2ωD-KPFM ヘテロダインFM-KPFM
機械的駆動 f0 f0 f0 f0 f0
電気駆動 f1または
オフレゾナンス
f0、機械的駆動に対して
90°位相シフト
fm 2f0、機械的駆動に対して
90°位相シフト
f1-f0
検出 f1のX成分 散逸チャネル f0±fmでのX成分 散逸チャネル f1のX成分
セットポイント X1を無効にする バイアス変調なしの値
に等しい消費値
X3-X2を無効にする バイアス変調なしの値
に等しい消費値
X1を無効にする
コメント < 1V の駆動振幅で動作可能 機械的位相をロックするためにPLLを必要とし、散逸を測定するためにAGCを必要とします 標準的な駆動振幅
VAC~2 V
機械的位相をロックするためにPLLを必要とし、散逸を測定するためにAGCを必要とします f1でより高い帯域幅で
復調できます
推奨される機器構成 MFLIの場合:
MF-MD、MF-PID

HF2LIの場合:
HF2LI-PID
MFLIの場合:
MF-MD、MF-PID

HF2LIの場合:
HF2LI-MF、HF2LI-PID + HF2LI-PLL
MFLIの場合:
MF-MD(タンデムモード)、MF-PID

HF2LIの場合:
HF2LI-MF、HF2LI-PID、HF2LI-MOD(直接側波帯検出)
MFLIの場合:
MF-MD、MF-PID

HF2LIの場合:
HF2LI-MF、HF2LI-PID + HF2LI-PLL
MFLIの場合:
MF-MD、MF-MOD、MF-PID

HF2LIの場合:
HF2LI-MF、HF2LI-PID、HF2LI-MOD

最も一般的に使用される閉ループシングルパスKPFM手法。 形態像(topography)は、標準タッピングモード(空気中)

もしくは 非接触AFMモード(真空中)において、機械式ドライブ f0で常に記録されます。

f0 = カンチレバー共振周波数

f1 = カンチレバーの2番目の固有モード

fm = 電気変調周波数



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