高温DC SQUID探针显微镜在半导体样品检测中的应用

　　1　前言

　　由于扫描SQUID显微镜具有非常高的灵敏度,使其成为高分辨率微弱磁场成像仪器之一[1, 2],尤其在集成电路和半导体测试方面应用广泛。要得到高的空间分辨率, SQUID距离被测样品越近越好,同时,被测样品也要尽量靠近SQUID。低温扫描SQUID显微镜因为被测样品和SQUID同在真空环境中,而这距离很 近(几个微米),其空间分辨率可达几个微米[3]。而高温扫描SQUID显微镜利用宝石窗口将SQUID与被测样品分开,使得检测空气室温下的样品成为可 能[4, 5]。尽管SQUID与样品间距可以尽量接近宝石片厚度,但其空间分辨率仍比低温扫描SQUID显微镜的要低。

　　因此提高其空间分辨率成为最重要的研究方向之一。为了得到高的空间分辨率, SQUID应该尽量距离探测样品近一些,而且SQUID应从局域获取磁场。近年来,很多小组引进一个具有高磁导率的探针引导磁通[6-8]。有限元电磁模 拟结果显示,此探针结构具有很好的磁通聚焦效果,并且探针的针尖尖形结构比钝形结构能更好的收集局域磁通[9],并将其传导到探针的顶部与SQUID进行 耦合。

　　本文将在前面研究的基础上,进一步利用三维电磁有限元模拟,对探针的性质深入研究,包括探针与SQUID之间的耦合,探针周围的屏蔽效果等 [10]。实验上,利用自行的扫描SQUID探针显微镜系统,利用激光在太阳能电池中激励产生光致电流,并利用两个互相垂直的两个分量场反演出太阳能电池 中电流矢量分布[11, 12],为研究半导体内部细微结构提供信息和依据。

　　2　有限元电磁模拟及仿真结果

　　为了深入研究探针的特性,我们利用三维电磁仿真软件VectorField Opera 3D设计一系列模型,对单根导体产生的磁场分布,探针与导线,SQUID探针显微镜中探针与SQUID之间的耦合,以及探针周围屏蔽效果等问题进行了研究。

　　2. 1　单根导线产生的场

　　模型中导线长度为5mm,横截面为10μm×10μm,通过导线的电流为DC 1mA。因为其横截面尺寸在微米量级,在导线中心位置和导线附近需要细微计算网格,以避免磁场分析畸变和仿真计算失真。模拟结果显示,在d=±h处磁场最 强。h是SQUID和导线之间的垂直距离,d是二者之间的横向工作距离。根据毕奥-萨伐尔定律可以得到同样的结论。图1中的模拟结果和理论结果符合的很 好。

　　2. 2　Flux guide的模型设计

　　对于室温样品,由于SQUID处于低温真空环境中,而且工艺上的限制给制作尺寸极小的SQUID带来困难,扫描SQUID显微镜的空间分辨率因 此受到限制。为了提高空间分辨率,引入了具有高磁导率的探针引导磁通。图2(a)是设计的探针模型,其中黑线网格是电磁模拟处理单元。模型中,探针的总长 度为5mm,其中尖部长度为3mm,探针尖部和顶部的直径分别为10μm和2mm。探针磁导率设为100, 000。探针尖部与有限长导线之间的距离为10μm。当改变横向工作距离d时,可以得到探针尖部和顶部的磁场分布,如图2 (b)所示。可以看出,探针尖部,磁场极值点距离很近,而探针顶部磁场极值点距离较远,这是从探针上面的SQUID到导线的距离远大于针尖到导线的距离的 缘故。因此,利用此探针可以收集局域磁场,聚集在探针中并传输到探针顶部与SQUID进行耦合。