Schwingungsanregung von Sensorbalken in der akustischen Rasterkraftmikroskopie durch Raumladungszonen und Prüfung von dünnen piezoelektrischen Filmen mittels Ultraschall-Piezomode im Hochdurchsatz

Abstract

In der akustischen Rasterkraftmikroskopie werden Schwingungsmoden des Sensorbalkens zur Untersuchung elastischer Eigenschaften mit lateraler Auflösung von ca. 10 nm genutzt. Als problematisch bei dieser Technik hat sich das Auftreten von Mehrfachresonanzen im Frequenzspektrum erwiesen. Es wird eine neue Anregungsmethode für Kraftmikroskop-Blattfedern vorgestellt, die direkt an der Blattfeder angreift und Mehrfachresonanzen im Frequenzspektrum weitgehend vermeidet. Die Anregung beruht auf der Kopplung einer Verarmungszone an die Gitterverzerrung. Die möglichen Kopplungsmechanismen werden diskutiert und mit experimentellen Ergebnissen verglichen. Es stellt sich heraus, dass die Kräfte durch die sogenannten Maxwellschen Spannungen und elektrostriktive Kräfte dominieren. Außerdem wird ein neues, rasterkraftmikroskopisches Verfahren vorgestellt, das es ermöglicht, Dotierungsprofile auf einem Halbleiter zu untersuchen. Diese Technik basiert ebenfalls auf der Wirkung der Kräfte in der Raumladungszone im Kontaktbereich von Tastspitze und dotierter Halbleiteroberfläche. Darüber hinaus werden piezoelektrische Eigenschaften von dünnen kombinatorisch hergestellten Filmen im Hochdurchsatz mit dem Ultraschall-Piezomode untersucht. Eine weitere Technik der Ultraschall-Kraftmikroskopie, die auf dem Abklingverhalten einer erzwungenen Schwingung der Blattfeder basiert, wird weiterentwickelt. Ihre Einsatzmöglichkeit an Materialien mit einem breiten Spektrum an Elastizitätsmoduli wird geprüft.

In atomic force acoustic microscopy the contact resonances of the cantilever are used to characterize elastic properties of materials with a lateral resolution of about 10 nm. The resonance spectra of the cantilever often exhibit spurious signals that complicate analyzing these spectra. A new method of cantilever excitation is presented that acts directly to the cantilever. This technique is based on the coupling of a depletion layer to the lattice strain. In the resonance spectra spurious signals disappear almost completely. The coupling mechanisms like Maxwell stress, electrostriction, thermal effects and deformation potential are discussed and compared to the experimental results. It turns out that Maxwell stress and electrostriction are the dominant effects. Furthermore, a new raster-scan microscopy method is presented, that enables the examination of doping profiles on a semiconductor. This technique is also based on the forces acting between the tip of the cantilever and the doped semiconductor. Furthermore, piezoelectric properties of thin films produced by combinatorial chemistry are examined in an automated way using the so-called ultrasonic piezomode in high-throughput. In addition an atomic force acoustic microscopy technique that is based on the free decay of a forced vibration is advanced. This technique is tested on samples with a wide range of Young';s moduli.