检测铁电信号的方法和压电式力显微镜设备技术

本发明专利技术提供一种检测铁电信号的方法和压电式力显微镜设备。方法包含以下步骤。产生输入波形信号，其中输入波形信号包含具有不同电压电平的多个读取电压步骤。将输入波形信号施加到铁电膜。原子力显微镜探针对铁电膜的表面进行扫描以测量铁电膜的表面构形。在将输入波形信号施加到铁电膜的像素时检测原子力显微镜探针的偏转，以产生偏转信号。产生基于偏转信号的像素的频谱数据。分析像素的频谱数据以确定像素的频谱数据是铁电信号还是非铁电信号。号。号。

【技术实现步骤摘要】
检测铁电信号的方法和压电式力显微镜设备


[0001]在本专利技术的实施例中阐述的技术大体来说涉及显微镜，且更具体来说，涉及检测铁电信号的方法和压电式力显微镜设备。

技术介绍

[0002]扫描探针显微镜(Scanning probe microscope，SPM)是测量呈纳米尺度的样本的表面构形的仪器。SPM具有不同变化形式，包含广泛使用的压电响应力显微镜(piezo
‑
response force microscopy，PFM)。
[0003]当样本的表面与悬臂支架的探针尖端之间存在较大静电力时，PFM可能无法遵循样本的真正构形。因而，区分真FE信号与静电力假信号(例如，非FE信号)以改良PFM的性能非常重要。由于对呈纳米尺度的更佳测量性能的需求，因此对用于解决上述问题的更先进PFM和创新技术的需求持续增长。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供一种适用于压电式力显微镜设备的检测来自铁电膜的铁电信号的方法，包括：产生输入波形信号，其中所述输入波形信号包含具有不同电压电平的多个读取电压步骤；将所述输入波形信号施加到所述铁电膜；通过所述压电式力显微镜设备的原子力显微镜探针来对所述铁电膜的表面进行扫描以测量所述铁电膜的表面构形；在将所述输入波形信号施加到所述铁电膜的像素时检测所述原子力显微镜探针的偏转，以产生偏转信号；基于所述偏转信号来产生所述像素的频谱数据；以及分析所述像素的所述频谱数据以确定所述像素的所述频谱数据是铁电信号还是非铁电信号。
[0005]本专利技术实施例提供一种压电式力显微镜设备，包括：波形产生器，配置成产生输入波形信号，其中所述输入波形信号包含具有不同电压电平的多个读取电压步骤；原子力显微镜探针，配置成对铁电膜的表面进行扫描以测量所述铁电膜的表面构形；检测器，配置成在将所述输入波形信号施加到所述铁电膜的像素时检测所述原子力显微镜探针的偏转以产生偏转信号，其中所述偏转信号用于产生所述像素的频谱数据；以及处理器，配置成分析所述像素的所述频谱数据以确定所述像素的所述频谱数据是铁电信号还是非铁电信号。
[0006]本专利技术实施例提供一种适用于压电式力显微镜设备的检测铁电信号的方法，包括：产生输入波形信号，其中所述输入波形信号包含具有不同电压电平的多个读取电压步骤；将所述输入波形信号施加到铁电膜；响应于将所述输入波形信号施加到所述铁电膜的像素来检测原子力显微镜探针的偏转，以产生偏转信号；基于所述偏转信号和所述输入波形信号来产生所述像素的频谱数据；以及通过机器学习算法来分析所述像素的所述频谱数据以确定所述像素的所述频谱数据是铁电信号还是非铁电信号。
附图说明
[0007]当结合附图阅读时，从以下详细描述中最好地理解本公开的各个方面。应注意，根
据行业中的标准惯例，各个特征未按比例绘制。实际上，为了论述清楚起见，可任意增大或减小各个特征的尺寸。
[0008]图1是示出根据一些实施例的PFM设备的示意图。
[0009]图2A到图2C是示出根据一些实施例的输入波形信号的波形图。
[0010]图2D示出了示出根据一些实施例的AFM探针相对于写入电压的探针位移的示意图。
[0011]图3A到图3B示出根据一些实施例的输入波形信号中的序列。
[0012]图4到图5示出根据一些实施例的输入波形信号的序列。
[0013]图6示出根据一些实施例的记录铁电膜中的像素区域的频谱数据的映射阵列。
[0014]图7是示出根据一些实施例的PFM的操作方法的流程图。
[0015]图8是示出根据一些实施例的检测来自铁电膜的铁电信号的方法的流程图。
[0016]图9A到图9C示出根据一些实施例的确定为铁电信号和非铁电信号的频谱数据。
具体实施方式
[0017]以下公开内容提供用于实施所提供主题的不同特征的多个不同实施例或实例。下文描述组件和布置的特定实例以简化本公开。当然，这些组件和布置仅仅是实例且并不旨在作为限制。举例来说，在以下描述中，在第二特征上方或在第二特征上形成第一特征可包含第一特征与第二特征直接接触地形成的实施例，且还可包含可在第一特征与第二特征之间形成额外特征从而使得第一特征与第二特征可以不直接接触的实施例。另外，本公开可在各个实例中重复附图标记和/或字母。这种重复是出于简化和清楚的目的并且本身并不规定所论述的各种实施例和/或配置之间的关系。
[0018]另外，为易于描述，本文中可使用例如“在
……
之下”、“在
……
下方”、“下部”、“在
……
上方”、“上部”等空间相对术语来描述如图式中所示出的一个元件或特征与另一(些)元件或特征的关系。除图中所描绘的定向外，空间相对术语还旨在涵盖器件在使用或操作中的不同定向。设备可以其它方式定向(旋转90度或处于其它定向)，且本文中所使用的空间相关描述词可同样相应地作出解释。
[0019]参看图1，示出根据一些实施例的PFM设备1000。PFM 1000包含衬底1010、原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)探针1040、压电管扫描器(piezoelectric tube scanner)1050、激光源1060、检测器1070、锁定放大器1080、控制器1120、处理器1130、波形产生器1140以及用户接口1150。衬底1010可包含用于在PFM 1000的操作期间将铁电(ferroelectric，FE)膜1020固持在适当位置中的样本固持器(未绘示)。FE膜1020可具有半导体晶片，且半导体器件安置于其上。衬底1010可更包含接收由波形产生器1140产生的输入波形信号1141的电极(未绘示)。可通过电极将所接收的输入波形信号1141供应到FE膜1020。
[0020]AFM探针1040包含探针尖端1030，所述探针尖端1030配置成对FE膜1020的表面进行扫描以读取FE膜1020的表面构形。在一些实施例中，可以多种不同模式操作PFM 1000，所述不同模式包含接触模式，其中探针尖端1030与FE膜1020的表面恒定接触；非接触模式或敲击模式，其中探针尖端1030不与FE膜1020的表面接触或仅与FE膜1020的表面间歇接触。在接触模式下，探针尖端1030在对FE膜1020进行扫描期间与FE膜1020的表面硬接触。AFM探
针1040随着其遵循FE膜1020的构形而发生偏转。在一些实施例中，基于AFM探针1040在对FE膜1020的表面进行扫描时的偏转来测量FE膜1020的构形。在一些替代实施例中，连续地调整探针尖端1030以保持AFM探针1040的特定偏转，且基于探针尖端1030的调整来测量FE膜1020的构形。
[0021]激光源1060配置成在FE膜1020的扫描期间将激光束S1发射到AFM探针1040的表面(例如，背表面)。检测器1070配置成基于从AFM探针1040的表面反射的激光束S2来检测AFM探针1040的偏转。AFM探本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于压电式力显微镜设备的检测来自铁电膜的铁电信号的方法，包括：产生输入波形信号，其中所述输入波形信号包含具有不同电压电平的多个读取电压步骤；将所述输入波形信号施加到所述铁电膜；通过所述压电式力显微镜设备的原子力显微镜探针来对所述铁电膜的表面进行扫描以测量所述铁电膜的表面构形；在将所述输入波形信号施加到所述铁电膜的像素时检测所述原子力显微镜探针的偏转，以产生偏转信号；基于所述偏转信号来产生所述像素的频谱数据；以及分析所述像素的所述频谱数据以确定所述像素的所述频谱数据是铁电信号还是非铁电信号。2.根据权利要求1所述的方法，更包括：基于所述偏转信号来捕获所述原子力显微镜探针的探针位移，其中所述像素的所述频谱数据包括所述原子力显微镜探针的所述探针位移。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述输入波形和对所述频谱数据的确定用作机器学习算法的训练数据以确定使所述输入波形和对所述频谱数据是所述铁电信号还是所述非铁电信号的确定关联的规则。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述输入波形信号在每一测量周期中包含多个序列，所述多个读取电压步骤中的每一个对应于所述多个序列中的一个，所述多个序列的数目等于所述多个读取电压步骤的数目，所述多个序列中的每一个包含多个写入脉冲，以及所述多个写入脉冲中的每一个后接所述多个读取电压步骤中的至少一个。5.一种压电式力显微镜设备，包括：波形产生器，配置成产生输入波形信号，其中所述输入波形信号包含具有不同电压电平的多个读取电压步骤；原子力显微镜探针，配置成对铁电膜的表面进行扫描以测量所述铁电膜的表面构形；检测器，配置成在将所述输入波形信号施加到所述铁电膜的像素时检测所述原子力显微镜探针的偏转以产生偏转信号，其中所述偏转信号用于产生所述像素的频谱数据；以及处理器，配置成分析所述像素的所述频谱数据以确定所述像素的所述频谱数据是铁电信号还是非铁电信号。6.根据权利要求5所述的压电式力显微镜设备，更包括：锁定放大器，耦接到所述检测器，所述锁定放大器配置成基于所述偏转信号来捕获...

【专利技术属性】
技术研发人员：扈蔚山，桂东，李正中，
申请(专利权)人：台湾积体电路制造股份有限公司，
类型：发明
国别省市：