[發明專利]一種在透射電子顯微鏡中原位測量納電子器件性質的樣品臺系統

無效

• 申請號: 200810055675.0
• 申請日: 2008-01-04
• 公開（公告）號: CN101275895A
• 公開（公告）日: 2008-10-01
• 發明（設計）人: 劉開輝;白雪冬;王恩哥
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: G01N13/10
• 分類號: G01N13/10;G01R31/00
• 代理公司: 北京中創陽光知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 尹振啟

技術領域

本發明屬于透射電子顯微鏡配件及納米測量領域，具體來說，涉及一種透射電子顯微鏡中原位測量納電子器件性質的樣品臺系統。

技術背景

隨著基于傳統工藝的微電子器件集成度逐漸提高，器件尺寸需要越來越小，目前主流技術已經小于0.1微米，這已經接近經典物理規律所能滿足的極限。按照摩爾定律，每18個月器件集成度要提高一倍，而尺寸則要縮小一半，按照目前的速度，在未來10到15年以內，傳統的微電子器件將達到其理論上的極限尺寸而無法再繼續提高集成度。

納米材料由于其特征尺寸在納米量級，是微米的1/1000，因此構造基于納米材料的納電子器件非常有望解決傳統微電子器件的尺寸極限問題。這方面的工作整個國際上已經廣泛地逐漸開展起來，但是目前為止進展還不是很大，主要是因為一些核心的基本物理問題還有待解決。納米材料由于尺寸很小，其微觀結構對其性質有著決定性的影響，因而，基于納米材料的納電子器件的性質也高度依賴于其微觀結構，這與傳統的微電子器件的性質依賴于摻雜類型和濃度完全不同。

商用透射電子顯微鏡是強有力的納米材料微觀結構分析工具，然而由于其樣品臺只能裝載樣品進行結構觀察，無法用于研究納電子器件的性質。如果能夠開發一種在TEM中研究納電子器件性質的系統，以用來研究納電子器件微觀結構和性質的直接聯系，這不論是在基礎科學研究方面和還是再應用技術方面都具有重要意義。然而就現有技術而言，還無法實現這一目的。

發明內容

本發明的目的在于解決目前透射電子顯微鏡技術無法測量納電子器件性質的技術難題，從而實現原位地研究納電子器件微觀結構和性質。

為達到上述目的，發明了一種在透射電子顯微鏡中原位測量納電子器件性質的樣品臺系統，包括主要由半導體芯片和芯片載臺組成的樣品臺前端頭、中空的樣品桿、以及設置在樣品桿末端的絕緣穿通；其中，半導體芯片上的電極由經過中空樣品桿的導線電連接到所述絕緣穿通的外連接導線上。

進一步地，所述芯片載臺具有設置于樣品測試區域的槽和槽內供電子束通過的通孔；所述芯片含有1個或多個狹縫。芯片設置在芯片載臺的槽內，芯片厚度與芯片載臺的槽深度和TEM電子束聚焦中心位置相匹配，使TEM電子束可以正常通過芯片狹縫和芯片載臺通孔并聚焦在橫跨芯片狹縫的納電子器件上。

進一步地，所述芯片載臺的邊緣和中部帶有供連接芯片電極用的導線通過的邊緣槽和中間槽。

進一步地，所述芯片材料為半導體材料，優選為硅、鍺、氮化鎵、砷化鎵、磷化銦、氧化鋅，更優選為重摻雜硅。芯片可以作為納電子器件的底柵極。

進一步地，所述芯片的上表面和狹縫表面含有介電層，該介電層材料可以是二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化鉿。

進一步地，所述芯片的狹縫兩側設置有微電極，用于與橫跨狹縫的納米材料進行電接觸，微電極可以在納米材料上方也可以在納米材料的下方，微電極材料可以是Rh，Pd，Rh/Au，Pd/Au，Ti/Au，W/Pt，Cr/Pt，Ni/Pt，微電極數目為多個。微電極可以作為納電子器件的源極、漏極(或0頂柵極)。

進一步地，所述樣品臺的樣品桿為中空結構，供導線通過。

進一步地，所述絕緣穿通為真空密封結構，并帶有多路可與外部連通且相互絕緣的外連接導線。

進一步地，所述導線一端與納電子器件的電極連接，另一端與所述絕緣穿通的外連接導線相連接。

本發明通過獨特的設計，精密的機械加工和半導體加工技術，完成了一個可以在TEM中原位測量納電子器件性質的樣品臺系統。利用該系統可以原位地研究納電子器件微觀結構和性質，并建立兩者的直接聯系，為納電子器件將來可能的應用提供基礎研究成果。同時，該裝置也可以用來原位地、動態地研究在外加電學信號下，納米材料(包括一維線性材料，二維薄膜材料)、普通材料的壓電、鐵電、離子型導電等引起的微觀結構的變化。

附圖說明

圖1.為原位測量納電子器件性質的TEM樣品臺系統的結構示意圖；

其中，1為前端頭；2為樣品桿；3為絕緣穿通；4為半導體芯片；5為芯片載臺；6為微電極；7為導線。

圖2.為TEM樣品臺的前端頭結構示意圖；

其中，8為狹縫；9為介電層；10為底電極；11為分析測試儀器；12為芯片載臺槽；13為通孔；14為邊緣槽；15為中間槽；16為彈簧壓片；17為螺絲；18為螺孔；19為納米材料。

圖3.為TEM樣品臺的絕緣穿通的結構示意圖；

其中，20為機械真空密封用孔；21為外連接導線。