[发明专利]一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统

说明书

技术领域

本发明属于透射电子显微镜配件及纳米测量领域，具体来说，涉及一种透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统。

技术背景

随着基于传统工艺的微电子器件集成度逐渐提高，器件尺寸需要越来越小，目前主流技术已经小于0.1微米，这已经接近经典物理规律所能满足的极限。按照摩尔定律，每18个月器件集成度要提高一倍，而尺寸则要缩小一半，按照目前的速度，在未来10到15年以内，传统的微电子器件将达到其理论上的极限尺寸而无法再继续提高集成度。

纳米材料由于其特征尺寸在纳米量级，是微米的1/1000，因此构造基于纳米材料的纳电子器件非常有望解决传统微电子器件的尺寸极限问题。这方面的工作整个国际上已经广泛地逐渐开展起来，但是目前为止进展还不是很大，主要是因为一些核心的基本物理问题还有待解决。纳米材料由于尺寸很小，其微观结构对其性质有着决定性的影响，因而，基于纳米材料的纳电子器件的性质也高度依赖于其微观结构，这与传统的微电子器件的性质依赖于掺杂类型和浓度完全不同。

商用透射电子显微镜是强有力的纳米材料微观结构分析工具，然而由于其样品台只能装载样品进行结构观察，无法用于研究纳电子器件的性质。如果能够开发一种在TEM中研究纳电子器件性质的系统，以用来研究纳电子器件微观结构和性质的直接联系，这不论是在基础科学研究方面和还是再应用技术方面都具有重要意义。然而就现有技术而言，还无法实现这一目的。

发明内容

本发明的目的在于解决目前透射电子显微镜技术无法测量纳电子器件性质的技术难题，从而实现原位地研究纳电子器件微观结构和性质。

为达到上述目的，发明了一种在透射电子显微镜中原位测量纳电子器件性质的样品台系统，包括主要由半导体芯片和芯片载台组成的样品台前端头、中空的样品杆、以及设置在样品杆末端的绝缘穿通；其中，半导体芯片上的电极由经过中空样品杆的导线电连接到所述绝缘穿通的外连接导线上。

进一步地，所述芯片载台具有设置于样品测试区域的槽和槽内供电子束通过的通孔；所述芯片含有1个或多个狭缝。芯片设置在芯片载台的槽内，芯片厚度与芯片载台的槽深度和TEM电子束聚焦中心位置相匹配，使TEM电子束可以正常通过芯片狭缝和芯片载台通孔并聚焦在横跨芯片狭缝的纳电子器件上。

进一步地，所述芯片载台的边缘和中部带有供连接芯片电极用的导线通过的边缘槽和中间槽。

进一步地，所述芯片材料为半导体材料，优选为硅、锗、氮化镓、砷化镓、磷化铟、氧化锌，更优选为重掺杂硅。芯片可以作为纳电子器件的底栅极。

进一步地，所述芯片的上表面和狭缝表面含有介电层，该介电层材料可以是二氧化硅、碳化硅、氮化硅、氧化铪。

进一步地，所述芯片的狭缝两侧设置有微电极，用于与横跨狭缝的纳米材料进行电接触，微电极可以在纳米材料上方也可以在纳米材料的下方，微电极材料可以是Rh，Pd，Rh/Au，Pd/Au，Ti/Au，W/Pt，Cr/Pt，Ni/Pt，微电极数目为多个。微电极可以作为纳电子器件的源极、漏极(或0顶栅极)。

进一步地，所述样品台的样品杆为中空结构，供导线通过。

进一步地，所述绝缘穿通为真空密封结构，并带有多路可与外部连通且相互绝缘的外连接导线。

进一步地，所述导线一端与纳电子器件的电极连接，另一端与所述绝缘穿通的外连接导线相连接。

本发明通过独特的设计，精密的机械加工和半导体加工技术，完成了一个可以在TEM中原位测量纳电子器件性质的样品台系统。利用该系统可以原位地研究纳电子器件微观结构和性质，并建立两者的直接联系，为纳电子器件将来可能的应用提供基础研究成果。同时，该装置也可以用来原位地、动态地研究在外加电学信号下，纳米材料(包括一维线性材料，二维薄膜材料)、普通材料的压电、铁电、离子型导电等引起的微观结构的变化。

附图说明

图1.为原位测量纳电子器件性质的TEM样品台系统的结构示意图；

其中，1为前端头；2为样品杆；3为绝缘穿通；4为半导体芯片；5为芯片载台；6为微电极；7为导线。

图2.为TEM样品台的前端头结构示意图；

其中，8为狭缝；9为介电层；10为底电极；11为分析测试仪器；12为芯片载台槽；13为通孔；14为边缘槽；15为中间槽；16为弹簧压片；17为螺丝；18为螺孔；19为纳米材料。

图3.为TEM样品台的绝缘穿通的结构示意图；

其中，20为机械真空密封用孔；21为外连接导线。