技术领域
本发明涉及原子力显微镜技术领域，尤其涉及一种薄膜局部介电常数测量方法、系统和存储介质。
背景技术
目前已有很多薄膜介电常数测量相关的方法。1996年，德州仪器的Kelly JTaylor和Wei-Yung Hsu等人就发明了一种非破坏、非接触性的测量薄膜介电常数的方法，该方法首先用电容测量装置测量衬底的第一特性，然后把薄膜放在衬底上第二次测量衬底的第一特性，最后测量薄膜的厚度。介电常数可以通过对电容测量装置测量出的测量值与实际测得的厚度的比值进行查表得到。2002年，NEOCERA的TALANOV VLKADIMIR V等人发明了一个测量材料复介电常数的方法，该方法测量复介电常数的探针是基于一种平衡的双导体传输线，该传输线能够将探测场限制在一个明确的采样空间内。它将双导体传输线的探测端置于与薄膜非常接近的位置，其中探测端包括两个导体，薄膜的性质取决于两个导体之间的电容和损耗，或者取决于探测端反射的微波信号的复反射系数。这个反射系数是通过形成一个由两个导体传输线组成的谐振腔来测量。TALANOV VLKADIMIR V等人的方法通过探针探测端的两个导体间的电容和耗损或者反射系数推断出样品的复介电常数，但不能直接得到样品的介电常数，且计算过程比较复杂。2004年美国俄亥俄州立大学的PELZJONATHAN P等人发明了一种用于测量探针和半导体样品之间电容的方法。该方法通过减去由于扫描探头组件等产生的远程杂散电容变化而引起的电容变化的方法，来分析测得的样品的电容数据。2007年，Semiconductor Physics Labs的Vladimir V.Talanov等人提出了一种使用近场微波探针测量薄膜介电常数的方法和系统，该非接触式的测量方法是基于测量多个校准样品的近场微波谐振器的谐振频移以及探针的针尖与样品之间的距离来构建校准曲线，将测得的探针共振频移拟合到校准曲线中，以提取薄膜的介电常数。该方法适用于低k值的介电薄膜，具有非破坏性、非侵入性，可用于多孔介质和非多孔介质。南京邮电大学的许杰等人提出了一种利用扫描探针探测材料介电常数的方法。该方法首先利用静电力显微镜的电场梯度探测获得探针与样品间电容梯度的实验值；然后利用镜像电荷法建立探针试样间电容随试样介电常数变化的理论模型；最后将实验值与理论模型进行比较，推断出样品的介电常数。
综上所述，Kelly J Taylor等人测量介电常数的方法主要是通过专门的电容装置来测量薄膜的厚度，另外需要预先准备测量工具校准后得到的查找表，通过查表的方式去得到薄膜的介电常数。PELZ JONATHAN P等人的方法利用了扫描探针显微镜测量样品的电容，但没有进一步从针尖样品之间的电容去获得薄膜的介电常数。Vladimir V Talanov等人的方法通过近场微波测得的探针共振频移拟合到之前得出的校准曲线来提取薄膜的介电常数，也不是直接测量得出。许杰等人提出的方法利用实验得到的电容梯度根据建立的理论模型进行比较，然后推导出样品的介电常数，但也并不能真实反映材料的介电常数分布。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种薄膜局部介电常数测量方法、系统和存储介质，以直接测量薄膜局部介电常数。
本发明所采用的第一技术方案是：
一种薄膜局部介电常数测量方法，包括：
在探针和薄膜上施加第一交流信号，所述第一交流信号为正弦交流信号，所述薄膜为介电薄膜；
采集第一作用力，所述第一作用力为所述探针与所述薄膜之间的作用力的二倍频部分；
根据所述第一作用力和所述第一交流信号的电压计算第一电容梯度，所述第一电容梯度为所述探针与所述薄膜之间电容的变化量；
根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，所述第二电容梯度为所述探针的针尖与所述薄膜之间电容的变化量；
根据所述第二电容梯度、所述探针的针尖半径和所述探针的锥角，计算所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值；
根据所述薄膜的厚度和所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值，计算所述薄膜的局部介电常数。
进一步，所述第一交流信号的频率为所述探针的本征频率的一半。
进一步，所述根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，包括：
计算第一杂散电容变化量，所述第一杂散电容变化量为所述第一电容梯度中的比例部分；
从所述第一电容梯度减去所述第一杂散电容变化量得到所述探针的第二电容梯度。
进一步，所述针尖半径的计算过程包括：
在探针和金属基底上施加第二交流信号，所述第二交流信号为正弦交流信号；
采集第二作用力，所述第二作用力为所述探针与金属基底之间的作用力的二倍频部分；
根据所述第二作用力和所述第二交流信号的电压计算第三电容梯度，所述第三电容梯度为所述探针与所述金属基底之间电容的变化量；
根据所述第三电容梯度计算第四电容梯度，所述第四电容梯度为所述探针的针尖与所述金属基底之间电容的变化量；
根据所述第四电容梯度、空气介电常数和所述探针的锥角，计算所述探针的针尖半径。
进一步，所述根据所述第三电容梯度计算所述探针的第四电容梯度，包括：
计算第二杂散电容变化量，所述第二杂散电容变化量为所述第三电容梯度中的比例部分；
从所述第三电容梯度减去所述第二杂散电容变化量得到所述探针的第四电容梯度。
进一步，所述第二交流信号的频率为所述探针的本征频率的一半。
进一步，所述薄膜的局部厚度的计算过程包括：
获取所述薄膜的平均厚度；
获取所述薄膜的形貌高度；
根据所述平均厚度和所述形貌高度计算所述薄膜的局部厚度。
本发明所采用的第二技术方案是：
一种薄膜局部介电常数测量系统，包括：
交流信号发生器，用于在探针和薄膜上施加交流信号，所述交流信号为正弦交流信号，所述薄膜为介电薄膜；
锁相放大器，用于采集第一作用力，所述第一作用力为所述探针与所述薄膜之间的作用力的二倍频部分；
处理器，用于根据所述第一作用力和交流信号的电压计算第一电容梯度，所述第一电容梯度为所述探针与所述薄膜之间电容的变化量；根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，所述第二电容梯度为所述探针的针尖与所述薄膜之间电容的变化量；根据所述第二电容梯度、所述探针的针尖半径和所述探针的锥角，计算所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值；根据所述薄膜的厚度和所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值，计算所述薄膜的局部介电常数。
本发明所采用的第三技术方案是：
一种薄膜局部介电常数测量系统，包括：
信号发生模块，用于在探针和薄膜上施加交流信号，所述交流信号为正弦交流信号，所述薄膜为介电薄膜；
锁相采集模块，用于采集第一作用力，所述第一作用力为所述探针与所述薄膜之间的作用力的二倍频部分；
电容梯度模块，用于根据所述第一作用力和交流信号的电压计算第一电容梯度，所述第一电容梯度为所述探针与所述薄膜之间电容的变化量；根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，所述第二电容梯度为所述探针的针尖与所述薄膜之间电容的变化量；
介电常数模块，用于根据所述第二电容梯度、所述探针的针尖半径和所述探针的锥角，计算所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值；根据所述薄膜的厚度和所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值，计算所述薄膜的局部介电常数。
本发明所采用的第四技术方案是：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的薄膜局部介电常数测量方法。
本发明实施例通过在扫描电容显微镜的探针上施加第一交流信号，并采集探针与薄膜之间的作用力的二倍频部分，计算得到探针与薄膜之间电容的变化量，进一步计算得到探针的针尖与薄膜之间电容的变化量，最后通过计算薄膜的厚度，结合探针的针尖与薄膜之间电容的变化量，直接得到薄膜的局部介电常数。
附图说明
图1为本发明实施例一种薄膜局部介电常数测量方法的流程图；
图2为本发明实施例一种薄膜局部介电常数测量系统的结构图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。此外，对于以下实施例中所述的若干个，其表示为至少一个。
本发明实施例提供了一种薄膜局部介电常数测量方法，参照图1，包括：
S100、在探针和薄膜上施加第一交流信号，所述第一交流信号为正弦交流信号，所述薄膜为介电薄膜；
S200、采集第一作用力，所述第一作用力为所述探针与所述薄膜之间的作用力的二倍频部分；
S300、根据所述第一作用力和所述第一交流信号的电压计算第一电容梯度，所述第一电容梯度为所述探针与所述薄膜之间电容的变化量；
S400、根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，所述第二电容梯度为所述探针的针尖与所述薄膜之间电容的变化量；
S500、根据所述第二电容梯度、所述探针的针尖半径和所述探针的锥角，计算所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值；
S600、根据所述薄膜的厚度和所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值，计算所述薄膜的局部介电常数。
具体地，首先利用提起模式的扫描电容显微镜测量薄膜表面电容，定标测量消除杂散电容对针尖电容的影响。其次通过定标拟合校准探针的模型消除探针对针尖电容的影响。最后得到薄膜表面的电容梯度，通过理论公式计算出薄膜厚度和介电常数之比，最后计算得到薄膜的厚度，利用上述计算出的比值和得到的薄膜的厚度即可得到薄膜的局部介电常数分布。
扫描电容显微镜是一种基于静电力显微术的次表面成像检测技术，其原理是通过测量探针与样品的局部电容来获得半导体器件二维平面上渗杂物的分布。扫描电容显微镜可实现对半导体材料及器件的次表面成像技术，例如可进行高分辨和高精度的薄膜介电常数和厚度的测量等。
介电常数，介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场与最终介质中电场比值即为介电常数，介电常数又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。
参照图2，探针203位于扫描电容显微镜上，通过在探针203上施加第一交流信号，在样品和探针203的针尖和薄膜202之间会产生作用力，当在探针203上施加一个直流偏置电压U
直流部分：
一倍频部分：
二倍频部分：
由于探针203受到的作用力的二倍频部分仅与薄膜202的电容梯度相关，因此可以采集作用力的二倍频部分，通过作用力的二倍频部分来计算得到探针203和薄膜202之间的电容变化量，即第一电容梯度
第一电容梯度
第二电容梯度
由于探针203的针尖电容与薄膜202的抬起高度z、介电常数ε
其中，探针203的针尖半径R为探针203的针尖球状模型的半径；探针203的锥角θ
在一些实施例中，所述第一交流信号的频率为所述探针的本征频率的一半。
具体地，参照图2，第一交流信号通过第一交流信号发生器207产生。
本征频率有时也称为特征频率，固有频率，本振频率等，是一个或一组能够以纯正弦或余弦三角函数的角度参数表示的频率参数，是表示所研究对象内在属性的一种参数。
由于探针203受到的力的二倍频成分仅与薄膜202的电容梯度相关，因此通过给探针203施加一个频率为探针203本征频率一半的交流信号，通过提取探针203受到的作用力的二倍频部分，即本征频率部分，就可以计算得到第一电容梯度
在一些实施例中，所述根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，包括：
计算第一杂散电容变化量，所述第一杂散电容变化量为所述第一电容梯度中的比例部分；
从所述第一电容梯度减去所述第一杂散电容变化量得到所述探针的第二电容梯度。
具体地，参照图2，第一杂散电容变化量
由第一电容梯度
在一些实施例中，所述针尖半径的计算过程包括：
在探针和金属基底上施加第二交流信号，所述第二交流信号为正弦交流信号；
采集第二作用力，所述第二作用力为所述探针与金属基底之间的作用力的二倍频部分；
根据所述第二作用力和所述第二交流信号的电压计算第三电容梯度，所述第三电容梯度为所述探针与所述金属基底之间电容的变化量；
根据所述第三电容梯度计算第四电容梯度，所述第四电容梯度为所述探针的针尖与所述金属基底之间电容的变化量；
根据所述第四电容梯度、空气介电常数和所述探针的锥角，计算所述探针的针尖半径。
具体地，对针尖半径进行校正计算，可以使得求得的介电常数更为准确。
参照图2，首先在没有薄膜202的金属基底上施加第二交流信号，并采集第二交流信号对应的作用力的二倍频部分。由于探针203受到的作用力的二倍频部分仅与金属基底的电容梯度相关，因此可以采集作用力的二倍频部分，通过作用力的二倍频部分来计算得到探针203和金属基底之间的电容变化量，即第三电容梯度
第三电容梯度
第四电容梯度
由于金属基底上没有设置薄膜202，可以得到h＝0，将h＝0代入电容公式
在一些实施例中，所述根据所述第三电容梯度计算所述探针的第四电容梯度，包括：
计算第二杂散电容变化量，所述第二杂散电容变化量为所述第三电容梯度中的比例部分；
从所述第三电容梯度减去所述第二杂散电容变化量得到所述探针的第四电容梯度。
具体地，参照图2，第二杂散电容变化量
由第三电容梯度
在一些实施例中，所述第二交流信号的频率为所述探针的本征频率的一半。
具体地，参照图2，第二交流信号通过第二交流信号发生器208产生。
由于探针203受到的力的二倍频成分仅与金属基底的电容梯度相关，因此通过给探针203施加一个频率为探针203本征频率一半的交流信号，通过提取探针203受到的作用力的二倍频部分，即本征频率部分，就可以计算得到第三电容梯度
在一些实施例中，所述薄膜的局部厚度的计算过程包括：
获取所述薄膜的平均厚度；
获取所述薄膜的形貌高度；
根据所述平均厚度和所述形貌高度计算所述薄膜的局部厚度。
具体地，参照图2，扫描电容显微镜还会对薄膜202进行形貌扫描，形貌扫描可以获取薄膜202的形貌图，形貌图包括薄膜202表面的高度变化量Δh的微观信息。
平均厚度
通过薄膜202的平均厚度
本发明实施例还提供了一种薄膜局部介电常数测量系统，包括：
交流信号发生器，用于在探针和薄膜上施加交流信号，所述交流信号为正弦交流信号，所述薄膜为介电薄膜；
锁相放大器，用于采集第一作用力，所述第一作用力为所述探针与所述薄膜之间的作用力的二倍频部分；
处理器，用于根据所述第一作用力和所述第一交流信号的电压计算第一电容梯度，所述第一电容梯度为所述探针与所述薄膜之间电容的变化量；根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，所述第二电容梯度为所述探针的针尖与所述薄膜之间电容的变化量；根据所述第二电容梯度、所述探针的针尖半径和所述探针的锥角，计算所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值；根据所述薄膜的厚度和所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值，计算所述薄膜的局部介电常数。
具体地，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
参照图2，薄膜局部介电常数测量系统包括扫描器201、薄膜202、探针203、高频振动器204、激光发射器205、光电探测器206、第一交流信号发生器207、第二交流信号发生器208、直流偏压发生器209、RMS-DC转换器210、偏压反馈控制器211、表面电势成像器212、锁相放大器213、电容信号成像器214、z轴反馈装置及高压放大器215和形貌成像器216。
其中，所述探针203包括针尖、微悬臂和基座。
本发明实施例还提供了一种薄膜局部介电常数测量系统，包括：
信号发生模块，用于在探针和薄膜上施加交流信号，所述交流信号为正弦交流信号，所述薄膜为介电薄膜；
锁相采集模块，用于采集第一作用力，所述第一作用力为所述探针与所述薄膜之间的作用力的二倍频部分；
电容梯度模块，用于根据所述第一作用力和交流信号的电压计算第一电容梯度，所述第一电容梯度为所述探针与所述薄膜之间电容的变化量；根据所述第一电容梯度计算第二电容梯度，所述第二电容梯度为所述探针的针尖与所述薄膜之间电容的变化量；
介电常数模块，用于根据所述第二电容梯度、所述探针的针尖半径和所述探针的锥角，计算所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值；根据所述薄膜的厚度和所述薄膜的厚度和介电常数之间的比值，计算所述薄膜的局部介电常数。
具体地，上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
系统中所包含的层、模块、单元和/或平台等可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
系统中所包含的层、模块、单元和/或平台所对应执行的数据处理流程，其可按任何合适的顺序来执行，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本发明实施例系统中所包含的层、模块、单元和/或平台所对应执行的数据处理流程可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的薄膜局部介电常数测量方法。
具体地，存储介质中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行上述方法实施例中任一个技术方案所述的一种交互信息处理方法步骤。对于所述存储介质，其可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。可见，上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。
机译： 介电常数测量系统和介电常数测量方法
机译： 薄膜介电常数的非破坏性，非接触式测量方法
机译： 恢复低介电常数薄膜损坏的方法，半导体的生产装置和存储介质
