[發明專利]用于薄膜表征的測量技術

有效

• 申請號: 201580045695.8
• 申請日: 2015-07-24
• 公開（公告）號: CN106796186B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 郝玲;約翰·查爾斯·蓋洛普
• 申請（專利權）人: NPL管理有限公司
• 主分類號: G01N22/00
• 分類號: G01N22/00
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 孫紀泉

一種測量裝置，包括高電容率介質諧振器(10)，其具有低微波損耗角正切和至少一個第一對稱軸(z1)；導電諧振腔(100)，其包含諧振器(10)且幾何形狀類似于該諧振器(10)，并具有與第一對稱軸(z1)重合的第二對稱軸(z2)；諧振腔(100)具有與第一對稱軸(z1)正交的多個相似端口(104)，每個此類端口(104)都具有微波天線(114)，用于將微波射入諧振腔，從而在諧振器中激勵出電場，或者用于從諧振腔接收微波；以及比較電路(200、300、400、500、600、700、800)，其連接至所述多個端口(104)中用于將微波射入諧振腔的第一端口(P1)，同時還連接至所述多個端口(104)中用于接收來自諧振腔的微波的其他端口(P2、P3)；其中該測量裝置還包括與諧振腔(100)電接觸的導電調諧螺釘(106)，該調諧螺釘至少可部分地位于諧振器中激勵出的電場中；以及磁力源(18)，該磁力源(18)用于對引入至諧振器(10)的上表面(12)鄰近處的樣本施加磁場，該上表面(12)基本平行于或反平行于第一對稱軸(z1)；以及其中用于接收來自諧振腔(100)的微波的所述多個端口(104)的其他端口中的一個(P3)與用于將微波射入諧振腔的所述多個端口(104)的第一端口(P1)正交。這樣的測量裝置可用于在諧振器(10)并未與薄膜或其上形成有薄膜的襯底(20)接觸的情況下，測量薄膜(30)的電導率或薄膜電阻以及薄膜的載流子遷移率。

技術領域

本發明涉及對薄膜進行表征的測量技術，且尤其是用于確定薄膜的載流子遷移率以及薄膜的電導率或等同的薄膜電阻。

背景技術

發明人之前曾在他們的論文“Non-contact method for measurement of themicrowave conductivity of grapheme”中描述過一種用于測量包括單層或非常少層石墨烯的石墨薄膜樣本的電導率和薄膜電阻的技術，參見Applied Physics Letters，Vol.103，pp.123103-1-123103-4(2013)。這種技術使用了由在導電室中微波激勵的具有低微波損耗角正切的高電容率材料的單晶(比如藍寶石)制作而成的高Q因數介質諧振器，以在非接觸的方式下測量此類包膜樣本的電導率。如該論文結尾所述，本發明人指出還期望能夠找到一種以類似的非接觸的方式測量薄膜樣本的載流子遷移率的技術。

到目前為止，已經使用接觸式的方法測量了薄膜樣本(比如單層或非常少層的石墨烯)的載流子遷移率，所使用的接觸式方法包括將包膜樣品圖案形成(patterning)在襯底(比如氧化硅晶片)上的霍爾棒器件中，然后將電極附接至樣本，以便從場效應和磁阻測量中確定樣本的載流子遷移率，例如K.S.Novoselov，A.K.Geim et al在Science，V0l.306，pp.666-669(22October 2004)上的文章“Electrical Field Effect in Atomically ThinCarbon Films”和K.S.Novoselov et al在Proceeding Nat.Acad.Sci.，Vol.102，no.30，pp.10451-10453(26 July 2005)上的文章“Two-dimensional atomic crystals”中所描述的。

這樣的技術具有以下的缺點：其在將樣本制備成霍爾棒器件時是費時且低效的，并且對待測的薄膜樣本具有破壞性。

另一方面，以非接觸的方式來測量半導體樣本也是已知的，方法是通過將這樣的樣本放置在矩形腔體諧振器中，并向該腔體內射入微波以在靜態磁場的存在下將該樣本激勵成正交模。然而，這種技術具有的缺點是，盡管樣本并不會被這種技術所破壞，但是很難精確地表征樣本的霍爾系數及其遷移率。這是由于幾個原因。第一，很難在腔體內實現高Q因數；第二，相對于樣本，矩形腔體復雜的幾何形狀使樣本和腔體之間耦合的計算有問題，因此僅能使用極小體積的樣本，而腔體內的樣本的形狀和位置通常都是關鍵的。此外，還存在腔體導電壁上的磁場的直接效應，該直接效應由制造腔體的金屬的小但有窮的霍爾系數引起。因此，這種技術并不受歡迎。