納米級電接觸電阻測量的新技術的研究

　　系統操作

　　在測試過程中，探針被推進到樣本表面，同時連續監測位移。根據壓力和位移數據可以直接計算出樣本的硬度和彈性模量。對于電氣參數，吉時利數字源表向導電臺加載一個偏壓，待測器件（DUT）與導電臺實現電氣耦合。當導電硬度探針刺入材料，系統就可以連續測量電流、電壓、壓力和位移。

　　壓力驅動/位移檢測功能通過靜電驅動的轉換器實現，具有極低的測量噪聲和極高的靈敏度。轉換器/探針組合安裝在壓電定位系統上，實現了樣本拓撲結構的掃描探針顯微（SPM）成像和非常精確的測試定位。

　　在典型測量過程中，數字源表的一個通道用于實現源和測量操作，另一個通道用作電流到電壓放大器，將電流數據傳輸到控制計算機。控制軟件極其靈活，允許用戶指定并測量源電流和電壓的幅值，對預定義的壓力或位移點進行I-V掃描。用戶通過nanoECR軟件界面控制所有的數字源表功能，無需手動修改儀表本身上的參數。憑借該軟件的靈活性和自動化的測試例程，用戶無需手動操作，能夠測試最具挑戰性的樣本。測試時間高度取決于用戶定義的變量，但是普通的測試序列耗時只有大約1分鐘。

　　Hysitron nanoECR系統分辨率、精度和噪聲指標為：
　　?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致的相位變換（參見參考文獻），硅是一種很好的材料實例。在探針加載/撤除過程中隨著探針壓力的增大/減小，處于移動探針下的納米變形區內會出現一系列相位變換。在加載探針的過程中，Si-I（菱形立方晶體結構）在大約11～12GPa的壓力下將轉變為Si-II（金屬β-Sn)。在撤除探針時隨著探針/樣本接觸壓力的減小，將會進一步出現從Si-II到Si-III/XII的轉變。

　　圖是一條相對連續的曲線，而電流-位移圖在大約22nm的探針位移下出現不連續現象，表明發生了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-位移的測量結果中都明顯出現了Si-II到Si-III/XII的相位變換。這些變換出現得相當突然，我們將其看成是突入（pop-in）和突出（pop-out）事件，并在圖2中標明。

　　探針加載/撤除的速度也會影響材料的電氣特性。例如，在硅表面從最大負荷壓力下快速撤除探針將會形成α-Si，表現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鍵的。在這類器件中，對小結構施加的小壓力會轉變成大壓力，引起材料內部微結構的變化，進而決定材料的電氣和機械特性。

圖2. 機械（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了壓力導致的相位變換

　　結束語

　　成功的開發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械特性。nanoECR系統提供了一種直接、方便而定量的技術，使研究人員能夠測出通過傳統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、錯位成核、變形瞬態、接觸電阻、老化、二極管行為、隧道效應、壓電響應等微觀現象。

　　參考文獻
　　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利儀器公司的Jonathan Tucker，感謝他對本文的認真審稿。Jonathan是位于俄亥俄州克里夫蘭市的吉時利儀器公司負責納米技術研究與教育的行業市場主管。他是發起制定IEEE納米電子標準路線圖的聯合主席，是IEEE P1690TM標準小組的副主席。他還支持并參與制定了碳納米管測試與測量方法的IEEE標準——IEEE 1650TM-2005。Jonathan是克里夫蘭納米網絡顧問委員會的委員。他曾獲克里夫蘭州立大學電氣工程學士學位，獲肯特州立大學MBA學位。他的聯系郵件地址為jtucker@keithley.com。