电子束激发导电原子力显微镜技术实现无背接触二维材料的晶圆级电学表征

这篇综述创新性地提出电子束激发导电原子力显微镜（EBC-AFM）技术，突破了传统导电原子力显微镜（C-AFM）必须依赖物理背接触的局限。该技术通过低能电子束（e-beam）在样品表面形成可移动电接触，实现了对孤立二维材料（如MoS2）和晶圆级样品的高分辨率电学成像，为半导体工业中二维材料的高通量在线检测提供了革命性解决方案。

　　

电子束激发导电原子力显微镜（EBC-AFM）技术为二维材料的电学表征开辟了新范式。传统导电原子力显微镜（C-AFM）虽能实现纳米级电学成像，但依赖复杂的背接触制备流程，严重制约其在晶圆级检测中的应用。这项研究通过巧妙利用扫描电镜（SEM）的电子束作为虚拟电极，成功实现了无需物理背接触的导电原子力显微成像。

在技术原理部分，研究团队详细阐释了EBC-AFM的工作机制。当低能电子束（5kV加速电压）照射样品表面时，产生的次级电子和背散射电子在材料内部形成导电通道。通过将原子力显微镜的导电探针接地，电子流经探针形成可检测电流，其强度与电子束参数直接相关。实验证明，在电子束电流（I_beam）0.4-26nA范围内，检测电流呈现近乎线性增长，且最佳工作距离为30-300μm。

关键技术验证环节展示了该方法的普适性。在机械剥离的MoS₂薄片（60nm厚度）上，EBC-AFM成功获得了均匀的电流分布图（平均0.9nA），而传统C-AFM在相同区域无法检测到有效信号。更有意义的是，该方法适用于不同生长方式的样品：在化学气相沉积（AP-CVD）生长的3-5层MoS₂/蓝宝石样品中，成功识别出10-40nm的非导电缺陷；而在硫化的2-3层MoS₂/SiO₂/Si样品中，由于存在金属性1T相，电流强度提升了3倍。

研究团队特别关注了该技术在集成电路制造中的应用潜力。在直接生长于图案化SiO₂衬底（90nm厚度）的MoS₂样品上，EBC-AFM与传统C-AFM获得了可比拟的成像质量，均清晰显示出导电性晶粒和边缘的MoS_x团簇。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）证实，这种生长方式能实现3-5层MoS₂在曲面结构上的保形覆盖。

电子束参数的优化研究揭示了有趣的现象。蒙特卡洛模拟显示，当加速电压从5kV增至10kV时，电子相互作用深度增加3倍，但可能引起样品损伤。拉曼光谱验证，在推荐参数（≤5kV）下，连续照射15分钟不会引起MoS₂结构变化。此外，电子束入射角度（45°-90°）对测量结果影响甚微，这大大提升了该技术的操作灵活性。

与传统方法相比，EBC-AFM展现出多重优势：突破电压限制（可通过提高I_beam至50-100nA获得更强信号）、消除极性依赖性、实现实时探针状态监控等。这些特性使其特别适合用于二维材料晶圆（如过渡金属二硫化物TMDs）的在线检测，为高体积制造（HVM）提供了关键质量监控手段。

在结论部分，研究者强调这项技术为二维材料从实验室走向量产扫清了关键障碍。通过将电子束检测与原子力显微技术有机结合，实现了对材料均匀性、缺陷密度、结晶质量的纳米级电学表征，为下一代基于二维材料的场效应晶体管（FETs）和三维集成器件开发铺平了道路。