Microsc. Microanal. Microstruct. 5, 509-517 (1994)
DOI: 10.1051/mmm:0199400504-6050900

Design and implementation of a Kelvin microprobe for contact potential measurements at the submicron scale

Walid Nabhan¹, Alexandre Broniatowski², Gilles de Rosny² et Bernard Equer<sup>1

1</sup>  Laboratoire de Physique des Interfaces et des Couches Minces, Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France
²  Groupe de Physique des Solides, Universités de Paris V et VI, 2 Place Jussieu, 75251 Paris Cedex 05, France

Abstract
We present a new instrument for contact potential measurements, combining the well-known principle of the Kelvin probe (vibrating capacitor) method with the more recent developments in near-field microscopies. This instrument enables one to measure spatial variations in the electronic work function of a specimen on the submicron scale by a non-destructive technique, with a typical accuracy in the 10 meV range. The high spatial resolution is achieved by means of an electrically guarded electrostatic probe. Developments in the probe manufacturing technique should lead in the near future to a significant improvement in the resolution, down to the 100 nm scale. The instrument has the additional capability of detecting static charges, hence its potential use in various fields of surface physics and technology: investigation of the band curvature at semiconductor surfaces and the measurement of surface trap densities in semiconductor devices; surface diffusion in metals; ferroelectric domain visualisation; study of triboelectricity, among many others.

Résumé
Nous présentons un instrument de mesure nouveau, alliant les techniques de microscopie en champ proche avec le principe bien connu de la sonde de Kelvin. Cet instrument effectue la mesure des variations locales du travail de sortie des électrons d'une surface par une méthode non destructive (méthode de Kelvin), et avec une précision de l'ordre de la dizaine de meV. Les performances de résolution spatiale actuellement atteintes (3 microns) sont assurées par l'emploi d'une sonde électrostatique gardée électriquement. L'amélioration des techniques de fabrication des sondes devrait mener sous peu à un affinement sensible de la résolution (objectif visé : 100 nm). L'instrument permet par ailleurs la détection de charges statiques de surface, et se prête ainsi à une variété d'applications : mesure de la courbure des bandes à la surface des semiconducteurs et de la densité de pièges de surface dans ces matériaux ; étude de la diffusion superficielle d'impuretés dans un métal ; visualisation de domaines ferroélectriques ; étude de la triboélectricité, par exemple.

PACS
0779C - Scanning tunneling microscopes.
7330 - Surface double layers, Schottky barriers, and work functions.

Key words
STM -- Contact potential -- Measuring instruments -- Instrumentation -- Work functions -- Electrons -- Scanning probe microscopy -- Metrology -- Physics


© EDP Sciences 1994