Способ измерения контактного сопротивления

Разработка


ID
K3RO-OBUY
Категория
G - физика
Опубликован
11.04.2024 13:45

Описание

Изобретение относится к способам измерения электрических величин и может быть использовано для одновременного измерения полного и дифференциального сопротивления контакта зонда и поверхности исследуемого образца (далее по тексту полное и дифференциальное контактное сопротивление) при помощи атомно-силового микроскопа без изменения исходного состояния (модификации, разрушения) зонда атомно-силового
mikroskopa i poverhnosti issleduemogo obraztsa.

Izvesten sposob izmereniya polnogo kontaktnogo soprotivleniya, kotoriy zaklyuchaetsya v izmerenii toka, protekayushtego cherez provodyashtiy zond, pri prilozhenii postoyannogo napryazheniya mezhdu zondom i obraztsom [Santis D., Dessauer R., Gorley E., Schumann P., Poponiak M., Schneider C. Spreading resistance method and apparatus for determining the resistivity of a material. Patent CA 911528, 03.10.1972]. Pri realizatsii etogo sposoba silu vzaimodeystviya mezhdu zondom i poverhnostyyu issleduemogo obraztsa podderzhivayut postoyannoy, a mezhdu zondom i obraztsom prikladivayut postoyannoe napryazhenie. Zond peremeshtaetsya po poverhnosti obraztsa, pri etom posledovatelyno v razlichnih tochkah poverhnosti izmeryayut velichinu toka, protekayushtego cherez zond, i stroyat kartu raspredeleniya toka po poverhnosti, velichina kotorogo obratno proportsionalyna polnomu kontaktnomu soprotivleniyu. Pri realizatsii dannogo sposoba v atomno-silovom mikroskope vozmozhna modifikatsiya issleduemoy poverhnosti libo zonda (dalee po tekstu modifikatsiya) vsledstvie prohozhdeniya cherez zond tokov bolyshoy plotnosti vvidu maloy ploshtadi kontakta zonda atomno-silovogo mikroskopa i poverhnosti (˜10-16 m2). Modifikatsii mozhno izbezhaty, prikladivaya mezhdu zondom i issleduemim obraztsom nizkoe napryazhenie, obespechivayushtee maluyu, nedostatochnuyu dlya modifikatsii plotnosty toka. Odnako umenyshenie velichini napryazheniya, prikladivaemogo mezhdu zondom i obraztsom, mozhet snizity informativnosty poluchaemogo signala toka. Bolee togo, pri issledovanii obraztsov s neodnorodnimi elektricheskimi svoystvami poverhnosti, prilozhennoe mezhdu zondom i obraztsom napryazhenie, dostatochno nizkoe, chtobi izbezhaty modifikatsii na uchastke issleduemoy poverhnosti s nizkoy provodimostyyu, mozhet vizvaty modifikatsiyu na uchastke s visokoy provodimostyyu. Takzhe pri issledovanii obraztsov s silyno neodnorodnimi elektricheskimi svoystvami poverhnosti, poluchaemaya pri ispolyzovanii etogo sposoba karta raspredeleniya toka mozhet imety iskazheniya, svyazannie s rezkim izmeneniem znacheniya toka na bolyshuyu velichinu pri perehode zonda mezhdu oblastyami s silyno otlichayushtimisya znacheniyami kontaktnogo soprotivleniya.

Naibolee blizkim po svoey tehnicheskoy sushtnosti sposobom, prinyatim za prototip, yavlyaetsya sposob izmereniya kontaktnogo soprotivleniya, zaklyuchayushtiysya v tom, chto silu vzaimodeystviya mezhdu provodyashtim zondom i poverhnostyyu issleduemogo obraztsa podderzhivayut postoyannoy, i izmeryayut zavisimosti toka, protekayushtego cherez zond ot prikladivaemogo mezhdu zondom i obraztsom napryazheniya [Lee Jon S, Chuang Jung-Hsiang. Method using conductive atomic force microscopy to measure contact leakage current. Patent US 005127926, 16.06.2006]. Danniy sposob po izmeryaemim zavisimostyam pozvolyaet vichislity ne tolyko polnoe kontaktnoe soprotivlenie, no i differentsialynoe kontaktnoe soprotivlenie. Nedostatkom dannogo sposoba yavlyaetsya vozmozhnosty modifikatsii pri protekanii tokov bolyshoy plotnosti cherez kontakt zond-poverhnosty.

Zadachey nastoyashtego izobreteniya yavlyaetsya razrabotka sposoba odnovremennogo izmereniya polnogo kontaktnogo soprotivleniya i differentsialynogo kontaktnogo soprotivleniya pri zadannom znachenii toka, protekayushtego cherez zond, pri pomoshti atomno-silovogo mikroskopa bez izmeneniya ishodnogo sostoyaniya zonda i poverhnosti.

Postavlennaya zadacha reshaetsya putem ispolyzovaniya dopolnitelynoy sistemi obratnoy svyazi, kotoraya podderzhivaet srednee znachenie toka, protekayushtego cherez provodyashtiy zond, postoyannim. Zadavaya dostatochno nizkoe znachenie srednego toka, kotoroe podderzhivaetsya postoyannim, vozmozhno izbezhaty modifikatsii. Izmeryaemoe pri etom postoyannoe napryazhenie proportsionalyno velichine polnogo kontaktnogo soprotivleniya. Odnovremenno s etim mezhdu zondom i obraztsom prikladivayut peremennoe napryazhenie, i izmeryayut amplitudu peremennoy sostavlyayushtey toka, kotoraya proportsionalyna velichine differentsialynogo kontaktnogo soprotivleniya. Takim obrazom, danniy sposob nerazrushayushtim obrazom pozvolyaet odnovremenno izmeryaty polnoe i differentsialynoe kontaktnoe soprotivlenie.

Pri realizatsii dannogo sposoba provodyashtiy zond atomno-silovogo mikroskopa prizhat s postoyannoy siloy k poverhnosti issleduemogo obraztsa. Programmnaya ili apparatnaya obratnaya svyazy putem izmeneniya napryazheniya mezhdu zondom i obraztsom podderzhivaet postoyannim srednee znachenie toka, protekayushtego cherez zond. Odnovremenno s etim mezhdu zondom i obraztsom prikladivayut peremennoe napryazhenie (sinusoidalynoy formi, libo v vide pryamougolynih impulysov), kotoroe privodit k poyavleniyu peremennoy sostavlyayushtey v signale toka. Chastotu peremennogo napryazheniya podbirayut dostatochno visokoy, chtobi ne vliyaty na rabotu tsepi obratnoy svyazi, podderzhivayushtey postoyannoe znachenie srednego toka. Pri etom izmeryayut postoyannuyu sostavlyayushtuyu napryazheniya, trebuemuyu dlya uderzhaniya zadannogo znacheniya srednego toka i amplitudu peremennoy sostavlyayushtey toka, protekayushtego cherez zond. Registratsiyu amplitudi peremennoy sostavlyayushtey toka proizvodyat s pomoshtyyu sinhronnogo detektora v sluchae, esli mezhdu zondom i obraztsom prilozheno peremennoe napryazhenie sinusoidalynoy formi, libo s pomoshtyyu pik-detektora v sluchae, esli prilozheno peremennoe napryazhenie v vide pryamougolynih impulysov. Polnoe kontaktnoe soprotivlenie vichislyayut kak otnoshenie postoyannoy sostavlyayushtey napryazheniya k srednemu znacheniyu toka, a differentsialynoe kontaktnoe soprotivlenie vichislyayut kak otnoshenie amplitudi peremennoy sostavlyayushtey napryazheniya k amplitude peremennoy sostavlyayushtey toka. Zadav nizkoe znachenie srednego toka mozhno izbezhaty modifikatsii.

Bolee togo, vozmozhno izmerenie raspredeleniya po poverhnosti odnovremenno polnogo kontaktnogo soprotivleniya i differentsialynogo kontaktnogo soprotivleniya, ispolyzuya printsip skanirovaniya, kogda zond peremeshtaetsya vdoly poverhnosti issleduemogo obraztsa, a izmerenie postoyannoy sostavlyayushtey napryazheniya i amplitudi peremennoy sostavlyayushtey toka proizvodyat posledovatelyno v razlichnih tochkah obraztsa, v rezulytate chego stroyat kartu raspredeleniya postoyannoy sostavlyayushtey napryazheniya i amplitudi peremennoy sostavlyayushtey toka, libo kartu raspredeleniya polnogo i differentsialynogo kontaktnogo soprotivleniya. V dannom sluchae, zadav nizkoe znachenie srednego toka, kotoroe budet podderzhivatysya postoyannim, mozhno legko izbezhaty razrusheniya poverhnosti, prichem eto nikak ne povliyaet na informativnosty poluchaemih kart raspredeleniya polnogo i differentsialynogo kontaktnogo soprotivleniya.

Na chertezhe izobrazhena shema realizatsii predlagaemogo sposoba pri pomoshti atomno-silovogo mikroskopa. Zond poz.1 kantilevernogo tipa, libo zond lyuboy drugoy konstruktsii, pozvolyayushtiy rabotaty v atomno-silovom rezhime, pokrit provodyashtim pokritiem, libo sdelan iz poluprovodnikovogo materiala s visokoy kontsentratsiey legiruyushtih primesey, chtobi obespechity provodimosty zonda. Zond poz.1 prizhat k poverhnosti issleduemogo obraztsa poz.2 s postoyannoy siloy. Na summator poz.3 podayut postoyannoe napryazhenie pri pomoshti istochnika postoyannogo napryazheniya poz.4 i peremennoe napryazhenie pri pomoshti generatora poz.5 s amplitudoy ot 0.1 do 5 volyt. Napryazhenie s vihoda summatora poz.3 prikladivayut mezhdu zondom poz.1 i obraztsom poz.2. Tok, protekayushtiy cherez zond, izmeryayut pri pomoshti izmeritelya toka poz.6. Amplituda peremennoy sostavlyayushtey toka registriruetsya pri pomoshti sinhronnogo detektora poz.7, na kotoriy s generatora poz.5 podayut oporniy signal. Pri pomoshti integratora poz.8 vichislyayut srednee znachenie toka, protekayushtego cherez zond. Tsepy obratnoy svyazi poz.9, kotoraya mozhet bity kak programmnoy, tak i apparatnoy, podderzhivaet srednee znachenie toka postoyannim, izmenyaya velichinu postoyannogo napryazheniya. Velichina srednego toka, kotoraya podderzhivaetsya postoyannoy, zadaetsya operatorom. Pri etom velichina napryazheniya, kotoroe trebuetsya dlya uderzhaniya zadannogo srednego znacheniya toka, proportsionalyna kontaktnomu soprotivleniyu. Kontaktnoe soprotivlenie vichislyayut kak otnosheniya postoyannogo napryazheniya k velichine uderzhivaemogo srednego znacheniya toka. Amplituda peremennoy sostavlyayushtey toka proportsionalyna differentsialynomu kontaktnomu soprotivleniyu. Differentsialynoe kontaktnoe soprotivlenie vichislyayut kak otnoshenie amplitudi peremennoy sostavlyayushtey napryazheniya, prilozhennogo mezhdu zondom i obraztsom, k amplitude peremennoy sostavlyayushtey toka. Pri etom chastota peremennogo napryazheniya, podavaemogo s generatora poz.5, dolzhna bity dostatochno visokoy, chtobi ne meshaty rabote obratnoy svyazi, uderzhivayushtey postoyannoe srednee znachenie toka. Srednee znachenie toka, uderzhivaemoe postoyannim, zadaetsya dostatochno nizkim, chtobi izbezhaty modifikatsii issleduemoy poverhnosti ili zonda. Peremeshtaya zond poz.1 nad poverhnostyyu issleduemogo obraztsa poz.2, i izmeryaya polnoe i differentsialynoe kontaktnoe soprotivlenie opisannim vishe sposobom posledovatelyno v kazhdoy tochke obraztsa, stroyat kartu raspredeleniya postoyannoy sostavlyayushtey napryazheniya i amplitudi peremennoy sostavlyayushtey toka, libo kartu raspredeleniya polnogo i differentsialynogo kontaktnogo soprotivleniya.

Vazhnosty odnovremennogo izmereniya kontaktnogo polnogo soprotivleniya i kontaktnogo differentsialynogo soprotivleniya illyustriruetsya opisannim nizhe primerom.

V rabote [M.Porti, M.Nafria, X.Aymerich, A.Olbrich, and V.Ebersberger, Appl. Phys. Lett. 78, 4181 (2001)] opisan sposob izmereniya effektivnoy tolshtini tonkih dielektricheskih sloev. Yaksperimentalyno poluchaemie zavisimosti toka, protekayushtego cherez zond atomno-silovogo mikroskopa, ot prilozhennogo mezhdu zondom i obraztsom napryazheniya opisivayutsya funktsiey Faulera-Nordgeyma [R.H.Fowler and L.Nordheim, Proc. R. Soc. London, Ser. A 119, 173 (1928)]. Yatu funktsiyu mozhno zapisaty cherez effektivnuyu tolshtinu oksida v sleduyushtem vide:

gde I - velichina toka, protekayushtego cherez zond, V - postoyannoe napryazhenie, prikladivaemoe mezhdu zondom i obraztsom, teff - effektivnaya tolshtina oksida, S - konstanta. Ispolyzuya virazhenie (1) mozhno vichislity znachenie effektivnoy tolshtini oksida.

Ispolyzuya dannoe izobretenie, mozhno opredelyaty effektivnuyu tolshtinu oksida, ne izmeryaya zavisimosty toka ot napryazheniya, tem samim izbezhav modifikatsii issleduemoy poverhnosti. Deystvitelyno, effektivnuyu tolshtinu mozhno virazity cherez proizvodnuyu toka po napryazheniyu:

Ispolyzuya virazhenie (2) i eksperimentalynie znacheniya kontaktnogo differentsialynogo soprotivleniya, toka i napryazheniya mozhno vichislity effektivnuyu tolshtinu oksida. Bolee togo, po karte raspredeleniya differentsialynogo soprotivleniya, karte raspredeleniya prikladivaemogo mezhdu zondom i obraztsom napryazheniya i uderzhivaemomu znacheniyu toka vozmozhno vichislity raspredelenie effektivnoy tolshtini oksida po poverhnosti.

Takim obrazom, danniy sposob pozvolyaet bez modifikatsii za odno izmerenie odnovremenno poluchaty informatsiyu o polnom kontaktnom soprotivlenii i differentsialynom kontaktnom soprotivlenii poverhnosti pri opredelennom, zadavaemom operatorom, znachenii toka.

Медиафайлы

Патенты

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНТАКТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
RU2334238
Роспатент