Development of a near-field scanning microwave microscopy for semiconductors characterization

Resumo

Las técnicas de microscopía de barrido de microondas de campo cercano (Near-field Scanning Microwave Microscopy, NSMM) suponen un desarrollo muy notable en el campo de la Nanotecnología, ya que son herramientas evolucionadas, dedicadas a la caracterización de materiales. Estos métodos ofrecen la posibilidad de caracterizar la superficie y la subsuperficie de los materiales a escala nanométrica, utilizando mediciones en los modos sin contacto, no invasivas y las más importantes no destructivas. La técnica NSMM comprende una cavidad coaxial resonante de microondas conectada a un analizador vectorial de red. Una punta afilada que se extiende desde el conductor interno de la cavidad es alimentada por una fuente de microondas formando así una sonda de campo cercano para analizar la muestra situada bajo la misma. Mientras la distancia entre la punta y la superficie de la muestra o el sustrato se mantiene constante, la muestra entera a analizar "es barrida" por la punta y los cambios en la frecuencia de resonancia de la cavidad coaxial fr y el coeficiente de reflexión, o de transmisión ( S11 , S21 respectivamente), se miden y registran usando un sistema informático. Por lo tanto, estos parámetros dependen localmente de la composición y de las propiedades electromagnéticas en la muestra. Al representar estas cantidades medidas con respecto a la posición de la punta, se puede obtener un mapa de las propiedades electromagnéticas (composición, constante dieléctrica, etc.) de la muestra analizada. En este estudio, se ha implementado físicamente un sistema de microscopía de microondas de campo cercano, y se ha utilizado para estudiar diferentes muestras semiconductoras. Se realizaron varias pruebas de simulación del resonador de cavidad coaxial y la interacción entre la punta y la muestra, con el fin de fijar las condiciones geométricas y de diseño del sistema que permitiesen lograr una resolución espacial muy alta en un amplio rango de frecuencias. Esta resolución espacial es muy elevada si se utiliza una punta muy afilada. En nuestro caso se utilizó un ataque electroquímico de un hilo de tungsteno para obtener puntas con diámetros inferiores a 1 micra. De esta forma, hemos demostrado que la técnica de microscopía de microondas de campo cercano implementada en nuestro laboratorio nos permite caracterizar muestras semiconductoras en el rango de frecuencias de 1 GHz hasta 20 GHz . En una implementación diferente de la técnica NSMM hemos usado un microscopio de fuerza atómica (AFM) comercial al que se le ha adaptado un microstrip y una analizador vectorial de redes para obtener imágenes NSMM de diferentes muestras semiconductoras. Una comparación entre los resultados obtenidos por ambas técnicas fue nuestro principal objetivo. En particular, se sugirieron algunas aplicaciones de NSMM, como la automatización de la plataforma NSMM que utiliza el sistema de nanoposición con alta precisión. Los resultados obtenidos en este trabajo muestran que las técnicas propuestas son convenientes en términos de rango de operación de frecuencia y sensibilidad de las mediciones según el estado de la técnica. Además, estas técnicas se convirtieron en una importante herramienta de metrología para la caracterización nanométrica de materiales, especialmente semiconductores, en el campo de la micro-nanoelectrónica.