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TWI769741B - 檢測鐵電訊號的方法和壓電式力顯微鏡設備 - Google Patents

檢測鐵電訊號的方法和壓電式力顯微鏡設備 Download PDF

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TWI769741B
TWI769741B TW110109174A TW110109174A TWI769741B TW I769741 B TWI769741 B TW I769741B TW 110109174 A TW110109174 A TW 110109174A TW 110109174 A TW110109174 A TW 110109174A TW I769741 B TWI769741 B TW I769741B
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扈蔚山
東 桂
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

一種檢測鐵電訊號的方法和壓電式力顯微鏡設備。方法包含以下步驟。產生輸入波形訊號，其中輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟。將輸入波形訊號施加到鐵電膜。原子力顯微鏡探針對鐵電膜的表面進行掃描以測量鐵電膜的表面構形。在將輸入波形訊號施加到鐵電膜的像素時檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號。產生基於偏轉訊號的像素的頻譜資料。分析像素的頻譜資料以確定像素的頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。

Description

檢測鐵電訊號的方法和壓電式力顯微鏡設備
在本發明的實施例中闡述的技術大體來說涉及顯微鏡，且更具體來說，涉及檢測鐵電訊號的方法和壓電式力顯微鏡設備。
掃描探針顯微鏡(Scanning probe microscope，SPM)是測量呈納米尺度的樣本的表面構形的儀器。SPM具有不同變化形式，包含廣泛使用的壓電響應力顯微鏡(piezo-response force microscopy，PFM)。
當樣本的表面與懸臂支架的探針尖端之間存在較大靜電力時，PFM可能無法遵循樣本的真正構形。因而，區分真FE訊號與靜電力假訊號(例如，非FE訊號)以改良PFM的性能非常重要。由於對呈納米尺度的更佳測量性能的需求，因此對用於解決上述問題的更先進PFM和創新技術的需求持續增長。
本發明實施例提供一種檢測鐵電訊號的方法和壓電式力顯微鏡設備，基於特定像素的頻譜資料來將鐵電膜的特定像素的頻譜資料分類為鐵電訊號或非鐵電訊號，以改良PFM的性能。本發明實施例提供一種適用於壓電式力顯微鏡設備的檢測來自鐵電膜的鐵電訊號的方法，包括：產生輸入波形訊號，其中所述輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟；將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜；通過所述壓電式力顯微鏡設備的原子力顯微鏡探針來對所述鐵電膜的表面進行掃描以測量所述鐵電膜的表面構形；在將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜的像素時檢測所述原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號；基於所述偏轉訊號來產生所述像素的頻譜資料；以及分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
本發明實施例提供一種壓電式力顯微鏡設備，包括：波形產生器，配置成產生輸入波形訊號，其中所述輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟；原子力顯微鏡探針，配置成對鐵電膜的表面進行掃描以測量所述鐵電膜的表面構形；檢測器，配置成在將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜的像素時檢測所述原子力顯微鏡探針的偏轉以產生偏轉訊號，其中所述偏轉訊號用於產生所述像素的頻譜資料；以及處理器，配置成分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
本發明實施例提供一種適用於壓電式力顯微鏡設備的檢測鐵電訊號的方法，包括：產生輸入波形訊號，其中所述輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟；將所述輸入波形訊號施加到鐵電膜；響應於將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜的像素來檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號；基於所述偏轉訊號和所述輸入波形訊號來產生所述像素的頻譜資料；以及通過機器學習算法來分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
201a、201b、201c、202a、202b、202c、203a、203b、203c、204a、204b、204c、205a、205b、205c、206b、206c、207b、207c、208b、208c、209b、209c、305、405、505:序列
203、205:箭頭
410、420、430、510、520、530、540:讀取集
412、414、416、512、514、516:讀取操作
601、603、901a、901b、901c:頻譜資料
1000:PFM設備
1010:基底
1020:鐵電膜
1030:探針尖端
1040:原子力顯微鏡探針
1050:壓電管掃描器
1060:激光源
1070:檢測器
1071:偏轉訊號
1080:鎖定放大器
1081:振幅
1082:相位
1120:控制器
1121:控制訊號
1122:頻譜資料
1130:處理器
1140:波形產生器
1141、2141a、2141b、2141c、:輸入波形訊號
1150:用戶介面
1151:用戶設定參數
a:第一讀取電壓步驟
b:第二讀取電壓步驟
c:第三讀取電壓步驟
A、B:放大部分
Crt:回掃曲線
Ct:掃掠曲線
L:長度
MA:映射陣列
P1、P2、P3、Pn、Px:寫入脈衝
S1、S2:激光束
S710、S720、S810、S820、S830、S840、S850、S860:步驟
S721、S722、S723:子步驟
te:結束定時
tp:峰值定時
ts:開始定時
tw:脈衝寬度
T:時間間隔
Tr:讀取週期
Tw:寫入週期
Vr:讀取電壓
VR:讀取電壓範圍
Vwrite:寫入電壓
VW:寫入電壓範圍
-V4、-V3、-V2、-V1、V0、+V1、+V2、+V3、+V4、Vr1、Vr2、Vr9:電壓位準
W:寬度
(x1,y1)、(x2,y2):位置
△V:脈衝差
當結合附圖閱讀時，從以下詳細描述中最好地理解本公開的各個方面。應注意，根據行業中的標準慣例，各個特徵未按比例繪製。實際上，為了論述清楚起見，可任意增大或減小各個特徵的尺寸。
圖1是示出根據一些實施例的PFM設備的示意圖。
圖2A到圖2C是示出根據一些實施例的輸入波形訊號的波形圖。
圖2D示出了示出根據一些實施例的AFM探針相對於寫入電壓的探針位移的示意圖。
圖3A到圖3B示出根據一些實施例的輸入波形訊號中的序列。
圖4到圖5示出根據一些實施例的輸入波形訊號的序列。
圖6示出根據一些實施例的記錄鐵電膜中的像素區域的頻譜資料的映射陣列。
圖7是示出根據一些實施例的PFM的操作方法的流程圖。
圖8是示出根據一些實施例的檢測來自鐵電膜的鐵電訊號的方法的流程圖。
圖9A到圖9C示出根據一些實施例的確定為鐵電訊號和非鐵電訊號的頻譜資料。
以下公開內容提供用於實施所提供主題的不同特徵的多個不同實施例或實例。下文描述組件和佈置的特定實例以簡化本公開。當然，這些組件和佈置僅僅是實例且並不旨在作為限制。舉例來說，在以下描述中，在第二特徵上方或在第二特徵上形成第一特徵可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且還可包含可在第一特徵與第二特徵之間形成額外特徵從而使得第一特徵與第二特徵可以不直接接觸的實施例。另外，本公開可在各個實例中重複附圖標記和/或字母。這種重複是出於簡化和清楚的目的並且本身並不規定所論述的各種實施例和/或配置之間的關係。
另外，為易於描述，本文中可使用例如“在......之下”、“在......下方”、“下部”、“在......上方”、“上部”等空間相對術語來描述如圖式中所示出的一個元件或特徵與另一(些)元件或特徵的關係。除圖中所描繪的定向外，空間相對術語還旨在涵蓋裝置在使 用或操作中的不同定向。設備可以其它方式定向(旋轉90度或處於其它定向)，且本文中所使用的空間相關描述詞可同樣相應地作出解釋。
參看圖1，示出根據一些實施例的PFM設備1000。PFM 1000包含基底1010、原子力顯微鏡(atomic force microscope，AFM)探針1040、壓電管掃描器(piezoelectric tube scanner)1050、激光源1060、檢測器1070、鎖定放大器1080、控制器1120、處理器1130、波形產生器1140以及用戶介面1150。基底1010可包含用於在PFM 1000的操作期間將鐵電(ferroelectric，FE)膜1020固持在適當位置中的樣本固持器(未繪示)。FE膜1020可具有半導體晶片，且半導體裝置安置於其上。基底1010可更包含接收由波形產生器1140產生的輸入波形訊號1141的電極(未繪示)。可通過電極將所接收的輸入波形訊號1141供應到FE膜1020。
AFM探針1040包含探針尖端1030，所述探針尖端1030配置成對FE膜1020的表面進行掃描以讀取FE膜1020的表面構形。在一些實施例中，可以多種不同模式操作PFM 1000，所述不同模式包含接觸模式，其中探針尖端1030與FE膜1020的表面恒定接觸；非接觸模式或敲擊模式，其中探針尖端1030不與FE膜1020的表面接觸或僅與FE膜1020的表面間歇接觸。在接觸模式下，探針尖端1030在對FE膜1020進行掃描期間與FE膜1020的表面硬接觸。AFM探針1040隨著其遵循FE膜1020的構形而發生偏轉。在一些實施例中，基於AFM探針1040在對FE膜1020 的表面進行掃描時的偏轉來測量FE膜1020的構形。在一些替代實施例中，連續地調整探針尖端1030以保持AFM探針1040的特定偏轉，且基於探針尖端1030的調整來測量FE膜1020的構形。
激光源1060配置成在FE膜1020的掃描期間將激光束S1發射到AFM探針1040的表面(例如，背表面)。檢測器1070配置成基於從AFM探針1040的表面反射的激光束S2來檢測AFM探針1040的偏轉。AFM探針1040的偏轉是由AFM探針1040的探針尖端1030與FE膜1020的表面之間的相互作用力引起的。在一些實施例中，檢測器1070是位置敏感性檢測器(position sensitive detector，PSD)，其根據所反射的激光束S2來檢測AFM探針140的偏轉以產生偏轉訊號1071。偏轉訊號1071指示AFM探針1040的偏轉。
波形產生器1140配置成產生輸入波形訊號1141並通過基底1010將輸入波形訊號1141提供到FE膜1020。在一些實施例中，輸入波形訊號1141在每一測量週期中包含多個序列，其中所述序列中的每一個包含多個讀取電壓步驟和多個寫入電壓步驟。寫入電壓步驟配置成激勵FE膜1020且讀取電壓步驟配置成從FE膜1020讀取FE訊號。在一些實施例中，寫入電壓步驟是輸入波形訊號1141的交流(alternative current，AC)分量且讀取電壓步驟是輸入波形訊號1141的直流(direct current，DC)分量。讀取電壓步驟具有不同的電壓位準且在讀取操作期間用作FE膜1020的表面與探針尖端1030之間的偏置電壓。讀取操作配置成測量指 示FE膜1020的構形的FE訊號。在一些實施例中，讀取電壓步驟中的每一個對應於序列中的一個，且序列的數目等於讀取電壓步驟的數目。
在一些實施例中，波形產生器1140配置成基於通過用戶介面1150設定的用戶設定參數1151來產生輸入波形訊號1141。用戶設定參數1151可包含輸入波形訊號1141的設定。舉例來說，用戶設定參數1151可包含關於每一序列中的讀取電壓步驟的數目、每一序列中的寫入脈衝的數目以及連續讀取電壓步驟之間的電壓差和連續寫入電壓步驟之間的電壓差的設定。
鎖定放大器1080耦接到檢測器1070以接收偏轉訊號1071且配置成基於偏轉訊號1071來捕獲AFM探針1040的探針位移。具體地說，鎖定放大器1080可捕獲探針位移的振幅1081和相位1082。在一些實施例中，鎖定放大器1080配置成從檢測器1070接收偏轉訊號1071且從波形產生器1140接收輸入波形訊號1141。鎖定放大器1080可捕獲偏轉訊號1071的與輸入波形訊號1141同相振盪的第一分量；和偏轉訊號1071的垂直於輸入波形訊號1141的相位振盪的第二分量。換句話說，偏轉訊號1071的第一分量具有與輸入波形訊號1141相同的相位，且偏轉訊號1071的第二分量具有與輸入波形訊號1141呈90度的相位差。在一些實施例中，在與輸入波形訊號1141的頻率相同的頻率下調製偏轉訊號1071。因而，鎖定放大器1080可基於第一分量和第二分量來輸出偏轉訊號1071的振幅1081和相位1082。
控制器1120配置成基於從鎖定放大器1080輸出的探針位移的振幅1081和相位1082中的至少一個來控制壓電管掃描器1050的操作。舉例來說，在恒定力模式下，控制器可基於偏轉訊號1071的振幅1081和相位1082來產生控制訊號1121以將探針尖端1030的偏轉維持在特定偏轉下。在恒定力模式下，可基於控制訊號1121來產生FE膜1020的構形。在一些實施例中，控制器1120在掃描期間產生FE膜1020的每個像素的頻譜資料。舉例來說，頻譜資料可包含AFM探針1040的探針位移。控制器1120可將每一像素的頻譜資料1122提供到處理器1130以供進一步處理。
在一些實施例中，處理器1130可基於特定像素的頻譜資料來將FE膜的特定像素的頻譜資料分類為FE訊號或非FE訊號。舉例來說，如果特定像素的頻譜資料與圖6中所繪示的圖案603相匹配，那麼特定資料是FE訊號。否則，如果特定像素的頻譜資料與圖6中所繪示的圖案601相匹配，那麼特定資料是非FE訊號。在一些實施例中，根據從如在圖9A到圖9C中所繪示的不同讀取電壓步驟獲得的探針位移來確定特定單元的頻譜資料是FE訊號還是非FE訊號。
參看圖1和圖2D，根據一些實施例示出相對於寫入電壓Vwrite的探針位移。圖2D中的垂直軸指示探針位移，且圖2D中的水平軸指示在探針尖端1030與FE膜1020之間偏置的寫入電壓Vwrite。在PFM設備1000的每一掃描序列中，以掃掠相位(trace phase)和回掃相位(retrace phase)將寫入電壓Vwrite施加到FE 膜1020。對應於掃掠相位和回掃相位的探針位移示出為掃掠曲線Ct和回掃曲線Crt。FE膜1020的每一像素的頻譜資料可包含呈掃掠相位和回掃相位的探針位移。
參看圖1，為測量FE膜1020在垂直方向或橫向方向上的構形，產生具有多個讀取電壓步驟和寫入電壓步驟的輸入波形訊號1141並將所述輸入波形訊號1141施加到FE膜以在探針尖端1030與FE膜1020之間形成偏置電壓。壓電管掃描器1050在FE膜1020的表面上方移動AFM探針1040，使得探針尖端1030可遵循FE膜1020中的像素的構形。檢測器1070檢測AFM探針1040在對每個像素進行掃描時的偏轉以產生偏轉訊號1071。鎖定放大器1080捕獲每一像素的偏轉訊號1071的振幅1081和相位(或偏振)1082。在恒定高度模式下，控制器1120可基於振幅1081和相位1082中的至少一個來產生每一像素的頻譜資料。在一些替代實施例中，控制器1120配置成使用控制訊號1121來不斷地調整AFM探針1040以將探針尖端1030維持在特定偏轉(例如，恒定力模式)下。對應於特定像素的調整訊號形成特定像素的頻譜資料。處理器可基於頻譜資料1122來確定每一像素的頻譜資料是FE訊號還是僅具有靜電電荷響應的非FE訊號。
圖2a到圖2C示出根據一些實施例的輸入波形訊號2141a到輸入波形訊號2141c的波形。輸入波形訊號2141a到輸入波形訊號2141c可與由圖1中所繪示的波形產生器1140產生的輸入波形訊號1141相同。參看圖2A，輸入波形訊號2141a在每一 測量週期中包含多個序列201a到序列205a。序列201a到序列205a中的每一個對應於讀取電壓步驟中的一個。具體地說，序列201a對應於電壓位準為-V2的讀取電壓步驟。換句話說，在序列201a期間，電壓位準為-V2的讀取電壓步驟用作針對FE膜的讀取操作的偏置電壓。類似地，用於讀取操作的偏置電壓在序列202a期間設定為-V1，在序列203a期間設定為V0，在序列204a期間設定為+V1，且在序列205a期間設定為+V2。
在一些實施例中，兩個連續讀取電壓步驟的電壓位準之間的差值是相同的。舉例來說，電壓位準-V2與電壓位準-V1之間的差值與電壓位準-V1與電壓位準V0之間的差值相同。在一些實施例中，處理器1130可基於每一測量週期中的序列的數目和從用戶介面1150輸入的用戶輸入電壓來確定電壓位準-V2到電壓位準+V2。舉例來說，當每一測量週期具有五個序列時，可將電壓位準-V2、電壓位準-V1、電壓位準V0、電壓位準+V1以及電壓位準+V2分別設定為-2伏、-1伏、0伏、1伏以及2伏。
另外，在序列201a到序列205a中的每一個期間，輸入波形訊號2141a可包含對應於多個寫入脈衝的多個寫入電壓步驟。在一些實施例中，寫入脈衝中的每一個的脈衝寬度是相同的，且可設定成介於2毫秒(ms)到50毫秒的範圍。另外，可將兩個連續電壓脈衝之間的電壓位準差設定為介於10毫伏(mV)到200毫伏的範圍內的任何值。在一些實施例中，由用戶通過用戶介面1150設定寫入脈衝中的每一個的脈衝寬度和兩個連續電壓脈衝之間的 電壓差。
在一些實施例中，在將寫入脈衝施加到FE膜之後執行至少一個讀取操作。可根據讀取操作的讀取時間與準確度之間的權衡來確定在施加寫入脈衝之後的讀取操作的數目。隨著讀取操作的數目增加，讀取操作的處理時間更長且讀取操作的準確度更佳，且反之亦然，在一些實施例中，由用戶通過用戶介面1150設定在寫入脈衝之後執行的讀取操作的數目。
圖2A中的箭頭203和箭頭205指示輸入波形訊號中的讀取電壓步驟的斜坡方向。用戶可通過圖1中所繪示的用戶介面1150將讀取電壓步驟的斜坡方向設定為從-V2到+V2的遞增方向(箭頭205)或從+V2到-V2的遞減方向(箭頭203)。
在圖2A中，在每一測量週期中存在五個序列201a到序列205a，但本公開不限於每一測量週期中的任何特定數目的序列。基於測量準確度與用於測量的成本(例如，資料儲存、處理時間)之間的權衡來確定測量週期中的序列201a到序列205a的數目。舉例來說，每一測量週期中的更多序列可輸出更準確的測量，但需要更多的資料儲存和處理時間。相比之下，每一測量週期中的更少序列可輸出不太準確的測量，但需要更少的資料儲存和處理時間。
參看圖2B，示出根據一些實施例的在每一測量週期中包含多個序列201b到序列209b的輸入波形訊號2141b的波形圖。將輸入波形訊號2141b劃分成序列201b到序列209b，其中序列201b到序列209b中的每一個對應於讀取電壓步驟-V4到讀取電壓 步驟+V4中的一個。輸入波形訊號2141b與輸入波形訊號2141a之間的差值是輸入波形訊號2141b在每一測量週期中包含比輸入波形訊號2141a更多的序列。舉例來說，輸入波形訊號2141b在每一測量週期中包含九個序列，而輸入波形訊號2141a在每一測量週期中包含五個序列。因而，輸入波形訊號2141b可使得PFM設備1000產生更準確的測量，但需要更多的資料儲存空間和處理時間。應注意，輸入波形訊號2141b中的九個序列201b到序列209b和輸入波形訊號2141a中的五個序列201a到序列205a僅出於說明的目的。每一測量週期中的任何其它數目的序列屬於本公開的範圍內。在一些實施例中，根據每一測量週期中的序列的數目和從用戶介面1150輸入的用戶輸入電壓來確定每一讀取電壓步驟的電壓位準。舉例來說，當用戶輸入電壓是2且每一測量週期具有九個序列時，可將電壓位準-V4到電壓位準+V4分別設定為-2伏、-1.5伏、-1伏、-0.5伏、0伏、0.5伏、1伏、1.5伏以及2伏。
參看圖2C，示出根據一些實施例的在每一測量週期中包含序列201c到序列209c的輸入波形訊號2141c的波形圖。序列201c到序列209c中的每一個對應於讀取電壓步驟中的一個。序列201c到序列209c中的每一個在開始定時ts處開始且在結束定時te處結束，其中開始定時ts和結束定時te對應於輸入波形訊號2141c的最低電壓位準。在序列201c到序列209c中的每一個內，存在對應於輸入波形訊號2141c的最高電壓位準的峰值定時tp。
圖2C中所繪示的輸入波形訊號2141c與圖2B中所繪示 的輸入波形訊號2141b之間的差值是序列中的每一個內的輸入波形訊號的波形。具體地說，在圖2B中，輸入波形訊號2141b的開始定時ts和輸入波形訊號2141b的結束定時te對應於零伏的電壓位準(例如，輸入波形訊號2141b與水平軸之間的交叉點)。另一方面，在圖2C中，輸入波形訊號2141c的開始定時ts和結束定時te對應於與零伏不同的-V伏電壓位準。應注意，圖2A到圖2C中所繪示的輸入波形訊號2141a到輸入波形訊號2141c繪示了可施加到圖1中的FE膜1020以用於構形測量的一些示範性輸入波形訊號。從輸入波形訊號2141a到輸入波形訊號2141c推導出的輸入波形訊號的其它變化形式屬於本公開的範圍內。舉例來說，通過改變每一測量週期中的序列的數目、每一序列的開始定時、結束定時或讀取電壓位準和寫入電壓位準的值產生的輸入波形訊號可用於PFM設備1000以測量FE膜1020的構形。
圖2C進一步繪示掃描線(未繪示)的掃掠週期和回掃週期，其中在掃掠週期中輸入波形訊號2141c從開始定時ts處的最低電壓位準(例如，-V)增大到峰值定時tp處的最高電壓位準(例如，+V)；且在回掃週期中輸入波形訊號2141c從峰值定時tp處的最高電壓位準減小到結束定時te處的最低電壓位準。參看圖1和圖2C，在將輸入波形訊號2141c施加到FE膜1020時，檢測器1070可檢測AFM探針1030的偏轉以產生對應於讀取電壓步驟-V4到讀取電壓步驟V4中的每一個的偏轉訊號1071，且鎖定放大器1080可捕獲偏轉訊號1071的振幅1081和相位1082。偏轉訊號 1071的相位1082可包含相對於序列201c到序列209c中的讀取電壓步驟-V4到讀取電壓步驟V4的掃掠相位和回掃相位。每一像素的頻譜資料可包含偏轉訊號1071的掃掠相位和回掃相位。在一些實施例中，可將特定像素的頻譜資料與一組預定圖案進行比較以確定特定像素的頻譜資料是FE訊號還是非FE訊號。參看圖6，具有磁滯回線的頻譜資料601對應於FE訊號且頻譜資料603對應於僅具有靜電電荷響應的非FE訊號。
參看圖3A，示出根據一些實施例的通過圖1中的波形產生器1140產生的輸入波形訊號的序列305。序列305在開始定時ts處開始並在結束定時te處結束。序列305包含對應於多個寫入脈衝P1到寫入脈衝Pn的多個寫入電壓步驟，其中寫入脈衝P1到寫入脈衝Pn中的每一個具有脈衝寬度tw，且兩個連續寫入脈衝彼此相差△V。在一些實施例中，脈衝寬度tw和脈衝差△V由用戶通過用戶介面1150設定。序列305更包含接著寫入脈衝P1到寫入脈衝Pn中的每一個的多個讀取電壓步驟。參看圖3A和圖3B，寫入脈衝P1到寫入脈衝Pn中的每一個後接分別具有電壓位準Vr1到電壓位準Vr9的讀取電壓步驟。具體地說，將序列305劃分成多個時間間隔T，其中時間間隔T中的每一個包含寫入週期Tw，後接讀取週期Tr。在寫入週期Tw中將輸入波形訊號的寫入脈衝Px供應到FE膜1020；且在讀取週期Tr中執行使用讀取電壓步驟Vr1到讀取電壓步驟Vr9的讀取操作。寫入脈衝的電壓位準限制於寫入電壓範圍VW內且讀取電壓步驟的電壓位準限制於讀取電壓 範圍VR內。
在一些實施例中，將讀取電壓步驟Vr1到讀取電壓步驟Vr9佈置成遞增，但在一些其它實施例中，可將讀取電壓步驟Vr1到讀取電壓步驟Vr9佈置成遞減。參看圖1、圖3A以及圖3B，當將具有序列305的輸入波形訊號施加到FE膜1020的特定像素時，將寫入脈衝P1到寫入脈衝Pn依序施加到FE膜1020的特定像素。在施加每一寫入脈衝之後，執行多個讀取操作以使用讀取電壓步驟Vr1到讀取電壓步驟Vr9作為偏置電壓來從特定像素讀取響應。在讀取操作中的每一個期間，檢測器1070檢測AFM探針1040的偏轉以輸出對應於讀取電壓步驟Vr1到讀取電壓步驟Vr9中的每一個的偏轉訊號1071。鎖定放大器1080捕獲偏轉訊號1071的振幅1081和相位1082以產生特定像素的頻譜資料。舉例來說，特定像素的頻譜資料可包含偏轉訊號1071相對於偏置電壓的相位1082。控制器1120或處理器1130可基於特定像素的頻譜資料來確定偏轉訊號1071是鐵電訊號還是非鐵電訊號(例如，靜電力訊號)。圖6中所繪示的頻譜資料601是FE訊號的實例；且圖6中所繪示的頻譜資料603是僅具有靜電電荷響應的非FE訊號的實例。由於圖3A和圖3B中所繪示的序列305使PFM 1000在施加每一寫入脈衝之後使用讀取電壓步驟Vr1到讀取電壓步驟Vr9執行多個讀取操作，因此FE膜1020的每個像素中的頻譜資料含有用於區分FE訊號與非FE訊號的更多資訊。因此，提高確定的準確度。
參看圖4，示出根據一些實施例的輸入波形訊號的序列405。序列405可與圖2A中所繪示的序列203a和圖2B中所繪示的序列205b相同。圖4進一步繪示包含連續寫入脈衝P1、寫入脈衝P2以及寫入脈衝P3的序列405的放大部分A。寫入脈衝P1的電壓位準比寫入脈衝P2的電壓位準小△V，且寫入脈衝P2的電壓位準比寫入脈衝P3的電壓位準小△V。寫入脈衝P1、寫入脈衝P2以及寫入脈衝P3中的每一個分別後接讀取集410、讀取集420以及讀取集430。在一些實施例中，在場開啟週期(on-field period)期間施加寫入脈衝P1、寫入脈衝P2以及寫入脈衝P3中的每一個，且在場關閉週期(off-field period)中執行讀取集410、讀取集420以及讀取集430中的每一個，其中場開啟週期與場關閉週期並未彼此交疊，且可以單獨地記錄場開啟週期和場關閉週期的定時。因而，可記錄讀取集410到讀取集430的訊號定時，且通過執行讀取集410到讀取集430產生的FE訊號是時間依賴性FE訊號。
在一些實施例中，讀取集410、讀取集420以及讀取集430中的每一個可包含多個連續讀取操作，其中記錄與讀取集的每一讀取操作相關聯的定時。舉例來說，讀取集410可包含三個連續讀取操作412、讀取操作414以及讀取操作416，所述三個連續讀取操作412、讀取操作414以及讀取操作416在寫入脈衝P1之前施加寫入脈衝之後立刻執行讀取，其中記錄與連續讀取操作412、讀取操作414以及讀取操作416相關聯的訊號定時。由於記錄了與讀取集中的讀取操作相關聯的訊號定時，因此PFM(例如，圖 1中的PFM 1000)可在執行讀取集的讀取操作時輸出時間依賴性FE訊號。
在一些實施例中，基於時間依賴性FE訊號中的噪聲位準來在與每一讀取集的讀取操作相關聯的訊號定時當中選擇選定訊號定時。換句話說，出於使輸出FE訊號中的噪聲最小化的目的來選擇選定訊號定時。舉例來說，如果在讀取集410的讀取操作當中，讀取集410的讀取操作412在輸出FE訊號中產生最小噪聲，那麼與讀取操作相關聯的訊號定時是選定訊號定時。在真實操作模式下，選定訊號定時用於進行讀取。舉例來說，當與讀取操作412相關聯的定時訊號是選定定時訊號時，真實操作模式將不執行讀取集410的所有讀取操作412、讀取操作414以及讀取操作416。實際上，真實操作模式在寫入脈衝P1之前施加寫入脈衝之後僅執行讀取操作412。通過這種方式，減小輸出FE訊號的噪聲位準，且減少用於讀取FE膜的處理時間(例如，減小FE膜1020)。因此，確保讀取的準確度和穩定性。
參看圖5，示出根據一些實施例的輸入波形訊號的序列505和序列505的放大部分B。輸入波形訊號的放大部分B包含分別後接讀取集510到讀取集530的連續寫入脈衝P1到寫入脈衝P3。圖5中的寫入脈衝P1到寫入脈衝P3和讀取集510到讀取集530類似於圖4中的寫入脈衝P1到寫入脈衝P3和讀取集410到讀取集430，因此在下文中省略了關於寫入脈衝P1到寫入脈衝P3和讀取集510到讀取集530的詳細描述。
圖5中的序列505的放大部分B與圖4中的序列405的放大部分A之間的差異是放大部分B更包含(在寫入脈衝P2的場開啟週期期間)同時執行的讀取集540。換句話說，圖5中的序列505可使PFM 1000在寫入脈衝的場關閉週期和場開啟週期兩者中執行FE膜的讀取操作或表面測量。
在一些實施例中，讀取集510到讀取集540中的每一個可包含多個連續讀取操作，其中記錄與每一讀取集的連續讀取操作相關聯的訊號定時。舉例來說，讀取集510可包含連續但以不同定時執行的讀取操作512、讀取操作514以及讀取操作516，其中記錄與讀取操作512、讀取操作514以及讀取操作516相關聯的訊號定時。因此，由讀取集510到讀取集540中的連續讀取操作輸出的FE訊號是時間依賴性FE訊號。在一些實施例中，基於時間依賴性FE訊號中的噪聲位準來選擇與讀取集510到讀取集540的讀取操作相關聯的訊號定時當中的訊號定時。舉例來說，選定訊號定時與在時間依賴性FE訊號中輸出最小噪聲位準的讀取操作相關聯。在真實操作模式下，選定訊號定時用於進行讀取。通過這種方式，減小輸出FE訊號的噪聲位準，且減少用於讀取FE膜(例如，FE膜1020)的處理時間。
在一些實施例中，將通過測量產生的FE膜(例如，FE膜1020)的多個像素的頻譜資料儲存在映射陣列中。圖6示出根據一些實施例的儲存FE膜中的像素區域的頻譜資料的映射陣列MA。映射陣列MA具有長度L和寬度W，所述長度L和所述寬度W可 根據用戶的偏好通過用戶介面1150來設定。在一些實施例中，像素的頻譜資料包含偏轉訊號相對於施加到FE膜的偏置電壓的相位。參看圖1和圖6，當將輸入波形訊號1141施加到FE膜1020時，通過檢測器1070檢測偏轉訊號1071且通過鎖定放大器1080捕獲偏轉訊號1071的相位。將對應於FE膜中的像素中的每一個的相位儲存在映射陣列MA的位置中。如圖6中所繪示，在映射陣列MA的位置(x1,y1)處記錄像素的頻譜資料601，且在映射陣列MA的位置(x2,y2)處記錄另一像素的頻譜資料603。在一些實施例中，在位置(x1,y1)處記錄的頻譜資料601是被噪聲(例如，靜電力假訊號)污染的FE訊號的實例；且在位置(x2,y2)處記錄的頻譜資料603是僅具有靜電電荷響應的非FE訊號的實例。通過這種方式，FE訊號可與僅具有靜電電荷響應的非FE訊號區分開。
參看圖7，示出根據本公開的一些實施例的PFM的操作方法。在步驟S710中，將FE膜安置在基底上以供使用PFM設備(例如，圖1中的PFM設備1000)掃描FE膜的表面。在步驟S720中，分析FE膜以確定由PFM設備輸出的響應是真FE訊號還是僅具有靜電電荷響應的非FE訊號。
在一些實施例中，步驟S720包含子步驟S721到子步驟S723的迭代。在子步驟S721中，所述方法在FE膜的每一像素處執行資料收集。參看圖1和圖7，產生包含多個讀取電壓步驟的輸入波形訊號1141並將所述輸入波形訊號1141提供到FE膜1020。 遍及FE膜1020的像素移動AFM探針1040，且通過檢測器1070檢測AFM探針1040的偏轉以輸出偏轉訊號1071。可通過鎖定放大器1080捕獲偏轉訊號1071的相位和振幅，且FE膜1020的像素的頻譜資料可包含偏轉訊號1071相對於讀取電壓步驟的相位。通過這種方式，收集FE膜1020的每個像素處的頻譜資料。
在子步驟S722中，(例如，通過處理器)分析在FE膜的每個像素處收集的資料以獲得分析結果。在一些實施例中，處理器可確定每一像素中的頻譜資料是否具有FE材料的特徵。舉例來說，暴露於偏置電壓的FE材料的響應可具有磁滯回線。處理器可確定像素相對於讀取電壓步驟的響應(例如，頻譜資料)是否具有磁滯回線以確定像素的響應是真FE訊號。
在子步驟S723中，可根據分析結果來調諧FE膜的沉積，以便相對於減小噪聲獲得用於掃描的FE膜的優化沉積。舉例來說，在FE膜中的像素的響應指示來自FE膜的響應是非FE訊號的情況下。指示AFM探針的探針尖端不會遵循FE膜的真正構形。因此，可通過針對FE膜增加或減少摻雜物量來調諧FE膜的沉積，以便控制FE膜的FE特性。
本發明的一些實施例應用機器學習和資料挖掘算法來分析PFM設備中的資料。機器學習是人工智能的分支，其涉及可從資料中學習的系統的構造和研究。應用於本發明的實施例的機器學習和資料挖掘算法區分非FE訊號與真FE訊號。
舉例來說，每一像素的頻譜資料中的FE特性(例如，磁 滯回線的特性)針對分類結果(例如，真FE訊號或非FE訊號)具有較強關聯性。如前面提及的，FE特性可由磁滯回線表徵，所述磁滯回線由根據圖2D中的讀取電壓步驟具有不同寫入電壓Vwrite的偏轉訊號的掃掠曲線Ct和回掃曲線Crt形成。磁滯回線可由掃掠曲線Ct和回掃曲線Crt的相位幅值和掃掠曲線和回掃曲線的矯頑磁性電壓表徵。換句話說，頻譜資料中的FE特性可以由不同寫入電壓步驟和讀取電壓步驟中的掃掠相位曲線Ct和回掃曲線Crt的相位幅值以及掃掠曲線和回掃曲線的矯頑電壓表示。
在一些實施例中，可輸入分類結果和頻譜資料(或頻譜資料的FE特性)作為用於機器學習和資料挖掘算法的訓練資料。在實例中，頻譜資料和其分類結果的圖案可用作用於機器學習算法的訓練資料。輸入圖6中的圖案601和圖案603和圖9A到圖9C中呈現的頻譜資料作為用於機器學習和資料挖掘算法的訓練資料。
在替代實例中，分類結果和由相位幅值表徵的FE特性可用作機器學習算法的訓練資料。機器學習和資料挖掘算法配置成尋找分類結果與頻譜資料之間的規則或關係。一旦進行機器學習算法的訓練，則利用所找出的規則或關係來預測輸入頻譜資料的分類結果。在一些實施例中，圖7中的步驟S722可包含基於機器學習和資料挖掘算法，基於在訓練機器學習和資料挖掘算法中獲得的頻譜資料與分類結果之間的所找出的規則或關係來分析每個像素的頻譜資料。
圖9A到圖9C示出根據一些實施例的確定為鐵電訊號和 非鐵電訊號的頻譜資料。圖9A到圖9C中的在Y軸上具有探針位移且在X軸上具有讀取電壓Vr的頻譜資料包括對應於輸入波形訊號(亦即，波形A或波形B)的第一讀取電壓步驟a、第二讀取電壓步驟b以及第三讀取電壓步驟c的第一探針位移、第二探針位移以及第三探針位移。獲取第二電壓步驟b中的第二探針位移，例如讀取電壓Vr的值是第二電壓步驟b，輸入波形訊號可以是兩種類型：波形A或波形B。在波形A中，寫入電壓Vwrite可與圖2A中的序列201a到序列205a和圖2B中的序列201b到序列209b相同，且可在一個序列中將其值從作為起點的0V改變到+V，從+V改變回-V到0V，且從-V改變到0V。在波形B中，寫入電壓Vwrite可與圖2C中的序列201c到序列205c相同，且可在一個序列中將其值從作為起點的-V改變到+V到0V且從+V改變回-V到0V。在波形A或波形B的Y軸上存在第二電壓步驟b中的第二探針位移。波形A或波形B是寫入電壓Vwrite與探針位移之間的關係。
此處是對圖9A到圖9C中的頻譜資料901a、頻譜資料901b以及頻譜資料901c的解釋。圖9A到圖9C中的頻譜資料901a、頻譜資料901b或頻譜資料901c可呈現為類似於水管，第二電壓步驟b的線可被稱為十字線，且橫截面呈現為波形A或波形B。在圖9A的頻譜資料901a中，因為第一讀取電壓步驟a、第二讀取電壓步驟b以及讀取電壓步驟c的探針位移的不同值(即，探針位移的最高值與探針位移的最低值之間的差值)在探針位移 中具有相同寬度，所以這意味著讀取電壓步驟a、讀取電壓步驟b以及讀取電壓步驟c中的訊號是這三個位置中的平移運動。因此，圖9A的頻譜資料901a內部並不具有鐵電訊號。在圖9B的頻譜資料901b中，因為第二讀取電壓步驟b的探針位移的不同值略微大於第一讀取電壓步驟a的探針位移的不同值和第三讀取電壓步驟c的探針位移的不同值，所以這意味著讀取電壓步驟b中的訊號內部具有弱鐵電訊號。在圖9C的頻譜資料901c中，因為第二讀取電壓步驟b的探針位移的不同值大於第一讀取電壓步驟a的探針位移的不同值和第三讀取電壓步驟c的探針位移的不同值，所以這意味著讀取電壓步驟b中的訊號內部具有強鐵電訊號。
由處理器操作的圖7中的步驟S722的機器學習和資料挖掘算法可確定第二讀取電壓步驟b的第二探針位移與第一讀取電壓步驟a的第一探針位移之間的差值和第二讀取電壓步驟b的第二探針位移與第三讀取電壓步驟c的第三探針位移之間的差值以分析頻譜資料來確定像素的頻譜資料是否具有鐵電訊號。詳細地說，當第二讀取電壓步驟b的第二探針位移與第一讀取電壓步驟a的第一探針位移之間的差值和第二讀取電壓步驟b的第二探針位移與第三讀取電壓步驟c的第三探針位移之間的差值小於閾值時，處理器、機器學習算法或資料挖掘算法確定像素的頻譜資料是非鐵電訊號。當第二讀取電壓步驟b的第二探針位移與第一讀取電壓步驟a的第一探針位移之間的差值和第二讀取電壓步驟b的第二探針位移與第三讀取電壓步驟c的第三探針位移之間的差值 不小於閾值時，處理器、機器學習算法或資料挖掘算法確定像素的頻譜資料是鐵電訊號。
參看圖8，示出根據一些實施例的檢測來自FE膜的FE訊號的方法。在步驟S810中，產生輸入波形訊號，其中輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟。在步驟S820中，將輸入波形訊號施加到FE膜。在一些實施例中，將輸入波形訊號施加到FE膜在FE膜與探針尖端之間形成偏置電壓。在步驟S830中，通過壓電式力顯微鏡設備的原子力顯微鏡探針來掃描FE膜的表面以測量FE膜的表面構形。在步驟S840中，在將輸入波形訊號施加到FE膜的像素時檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號。在步驟S850中，基於偏轉訊號來產生像素的頻譜資料。在一些實施例中，像素的頻譜資料包含偏轉訊號的相位。在步驟S860中，分析每一像素的頻譜資料以確定像素的頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
根據一些實施例，一種壓電式力顯微鏡(PFM)設備包含波形產生器、原子力顯微鏡探針、檢測器以及處理器。波形產生器配置成產生輸入波形訊號，其中輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟。原子力顯微鏡探針配置成對鐵電膜的表面進行掃描以測量鐵電膜的表面構形。檢測器配置成在將輸入波形訊號施加到鐵電膜的像素時檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號。偏轉訊號用於產生像素的頻譜資料。處理器配置成分析像素的頻譜資料以確定像素的頻譜資料是鐵電訊號還是非 鐵電訊號。
在相關實施例中，所述的壓電式力顯微鏡設備更包括：鎖定放大器，耦接到所述檢測器，所述鎖定放大器配置成基於所述偏轉訊號來捕獲所述原子力顯微鏡探針的探針位移，其中所述像素的所述頻譜資料包括所述原子力顯微鏡探針的所述探針位移。
在相關實施例中，所述頻譜資料包括對應於所述輸入波形訊號的第一讀取電壓步驟、第二讀取電壓步驟以及第三讀取電壓步驟的第一探針位移、第二探針位移以及第三探針位移，其中所述第二讀取電壓步驟小於所述第一讀取電壓步驟且大於所述第三讀取電壓步驟，當所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的差值小於閾值時，所述處理器確定所述像素的所述頻譜資料是所述非鐵電訊號，以及當所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的所述差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的所述差值不小於所述閾值時，所述處理器確定所述像素的所述頻譜資料是所述鐵電訊號。
在相關實施例中，所述輸入波形和對所述頻譜資料的確定用作機器學習算法的訓練資料以確定使所述輸入波形和對所述頻譜資料是所述鐵電訊號還是所述非鐵電訊號的確定關聯的規則。
在相關實施例中，所述輸入波形訊號在每一測量週期中包含多個序列，所述多個讀取電壓步驟中的每一個對應於所述多個序列中的一個，所述多個序列的數目等於所述多個讀取電壓步 驟的數目，所述多個序列中的每一個包含多個寫入脈衝，以及所述多個寫入脈衝中的每一個後接所述多個讀取電壓步驟中的至少一個。
在相關實施例中，所述多個序列中的每一個包含多個時間間隔，所述多個時間間隔中的每一個包含將所述多個寫入脈衝當中的寫入脈衝施加到所述鐵電膜的寫入週期和將所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個應用於多個鐵電膜的讀取週期，以及所述寫入週期與所述讀取週期不交疊。
在相關實施例中，在測試模式下，所述處理器配置成記錄與所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個的應用相關聯的訊號定時，並確定所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個當中的選定讀取電壓步驟的選定訊號定時，所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個產生具有最小噪聲位準的所述鐵電訊號，以及在操作模式下，所述處理器配置成在所述讀取週期期間應用與所述選定訊號定時相關聯的所述選定讀取電壓步驟。
在相關實施例中，所述多個序列中的每一個包含多個時間間隔，所述多個時間間隔中的每一個包含將所述多個寫入脈衝當中的寫入脈衝施加到所述鐵電膜且將所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個應用於所述鐵電膜的寫入週期。
根據一些實施例，一種適用於壓電式力顯微鏡設備的檢測來自鐵電膜的鐵電訊號的方法。所述方法包含以下步驟：產生輸入波形訊號，其中輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀 取電壓步驟；將輸入波形訊號施加到鐵電膜；通過壓電式力顯微鏡設備的原子力顯微鏡探針來對鐵電膜的表面進行掃描以測量鐵電膜的表面構形；在將輸入波形訊號施加到鐵電膜的像素時檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號；基於偏轉訊號來產生像素的頻譜資料；以及分析像素的頻譜資料以確定像素的頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
在相關實施例中，所述的方法更包括：基於所述偏轉訊號來捕獲所述原子力顯微鏡探針的探針位移，其中所述像素的所述頻譜資料包括所述原子力顯微鏡探針的所述探針位移。
在相關實施例中，所述頻譜資料包括對應於所述輸入波形訊號的第一讀取電壓步驟、第二讀取電壓步驟以及第三讀取電壓步驟的第一探針位移、第二探針位移以及第三探針位移，其中所述第二讀取電壓步驟大於所述第一讀取電壓步驟且大於所述第三讀取電壓步驟，以及分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是所述鐵電訊號還是所述非鐵電訊號包括：確定所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的差值是否小於閾值，響應於確定所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的所述差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的所述差值小於所述閾值而確定所述像素的所述頻譜資料是所述非鐵電訊號，以及響應於確定所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的所述差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的所述差值不小於所 述閾值而確定所述像素的所述頻譜資料是所述鐵電訊號。
在相關實施例中，所述輸入波形和對所述頻譜資料的確定用作機器學習算法的訓練資料以確定使所述輸入波形和對所述頻譜資料是所述鐵電訊號還是所述非鐵電訊號的確定關聯的規則。
在相關實施例中，所述輸入波形訊號在每一測量週期中包含多個序列，所述多個讀取電壓步驟中的每一個對應於所述多個序列中的一個，所述多個序列的數目等於所述多個讀取電壓步驟的數目，所述多個序列中的每一個包含多個寫入脈衝，以及所述多個寫入脈衝中的每一個後接所述多個讀取電壓步驟中的至少一個。
在相關實施例中，所述多個序列中的每一個包含多個時間間隔，所述多個時間間隔中的每一個包含將所述多個寫入脈衝當中的寫入脈衝施加到所述鐵電膜的寫入週期和將所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個應用於所述鐵電膜的讀取週期，以及所述寫入週期與所述讀取週期不交疊。
在相關實施例中，所述的方法更包括：記錄與所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個的應用相關聯的訊號定時並確定所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個當中的選定讀取電壓步驟的選定訊號定時，所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個產生在測試模式下具有最小噪聲位準的所述鐵電訊號；以及在操作模式下，在所述讀取週期期間應用與所述選定訊號定時相關聯的所述選定讀取電壓步驟。
在相關實施例中，所述多個序列中的每一個包含多個時間間隔，所述多個時間間隔中的每一個包含將所述多個寫入脈衝當中的寫入脈衝施加到所述鐵電膜且將所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個應用於所述鐵電膜的寫入週期。
根據一些實施例，一種適用於壓電式力顯微鏡設備的檢測鐵電訊號的方法，包括：產生輸入波形訊號，其中所述輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟；將所述輸入波形訊號施加到鐵電膜；響應於將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜的像素來檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號；基於所述偏轉訊號和所述輸入波形訊號來產生所述像素的頻譜資料；以及通過機器學習算法來分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
在相關實施例中，所述頻譜資料包括對應於所述輸入波形訊號的第一讀取電壓步驟、第二讀取電壓步驟以及第三讀取電壓步驟的第一探針位移、第二探針位移以及第三探針位移，其中所述第二讀取電壓步驟小於所述第一讀取電壓步驟且大於所述第三讀取電壓步驟，執行所述機器學習算法以：確定所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的差值；當所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的所述差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的所述差值小於閾值時，所述處理器確定所述像素的所述頻譜資料是所述非鐵電訊號，以及當所述第二探針位移與所述第一探針位 移之間的所述差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的所述差值不小於所述閾值時，所述處理器確定所述像素的所述頻譜資料是所述鐵電訊號。
在相關實施例中，所述的方法更包括：通過所述壓電式力顯微鏡設備的所述原子力顯微鏡探針來對所述鐵電膜的表面進行掃描以測量所述鐵電膜的表面構形。
在相關實施例中，所述輸入波形訊號在每一測量週期中包含多個序列，所述多個讀取電壓步驟中的每一個對應於所述多個序列中的一個，所述多個序列的數目等於所述多個讀取電壓步驟的數目，所述多個序列中的每一個包含多個寫入脈衝，以及所述多個寫入脈衝中的每一個後接所述多個讀取電壓步驟中的所述至少一個。
根據一些實施例，一種壓電式力顯微鏡(PFM)設備包含波形產生器、原子力顯微鏡探針、檢測器、鎖定放大器以及處理器。波形產生器配置成產生輸入波形訊號，其中輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟。原子力顯微鏡探針配置成對鐵電膜的表面進行掃描以測量鐵電膜的表面構形。檢測器配置成在將輸入波形訊號施加到鐵電膜的像素時檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號。原子力顯微鏡探針的偏轉訊號用於產生像素的頻譜資料。鎖定放大器耦接到檢測器且配置成捕獲偏轉訊號的相位，其中像素資料的頻譜資料包括偏轉訊號的相位。處理器配置成分析像素的頻譜資料以確定像素的頻譜資料是鐵電訊號 還是非鐵電訊號。
前文概述若干實施例的特徵以使本領域的技術人員可更好地理解本公開的各個方面。本領域的技術人員應瞭解，其可易於使用本公開作為設計或修改用於實現本文中所引入的實施例的相同目的和/或達成相同優勢的其它程序和結構的基礎。本領域的技術人員還應認識到，此類等效構造並不脫離本公開的精神和範圍，且本領域的技術人員可在不脫離本公開的精神和範圍的情況下在本文中進行各種改變、替代以及更改。
S810、S820、S830、S840、S850、S860:步驟

Claims (10)

  1. 一種適用於壓電式力顯微鏡設備的檢測來自鐵電膜的鐵電訊號的方法，包括：產生輸入波形訊號，其中所述輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟；將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜；通過所述壓電式力顯微鏡設備的原子力顯微鏡探針來對所述鐵電膜的表面進行掃描以測量所述鐵電膜的表面構形；在將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜的像素時檢測所述原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號；基於所述偏轉訊號來產生所述像素的頻譜資料；以及分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
  2. 如請求項1所述的方法，更包括：基於所述偏轉訊號來捕獲所述原子力顯微鏡探針的探針位移，其中所述像素的所述頻譜資料包括所述原子力顯微鏡探針的所述探針位移。
  3. 如請求項1所述的方法，其中所述輸入波形和對所述頻譜資料的確定用作機器學習算法的訓練資料以確定使所述輸入波形和對所述頻譜資料是所述鐵電訊號還是所述非鐵電訊號的確定關聯的規則。
  4. 如請求項1所述的方法，其中 所述輸入波形訊號在每一測量週期中包含多個序列，所述多個讀取電壓步驟中的每一個對應於所述多個序列中的一個，所述多個序列的數目等於所述多個讀取電壓步驟的數目，所述多個序列中的每一個包含多個寫入脈衝，以及所述多個寫入脈衝中的每一個後接所述多個讀取電壓步驟中的至少一個。
  5. 一種壓電式力顯微鏡設備，包括：波形產生器，配置成產生輸入波形訊號，其中所述輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟；原子力顯微鏡探針，配置成對鐵電膜的表面進行掃描以測量所述鐵電膜的表面構形；檢測器，配置成在將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜的像素時檢測所述原子力顯微鏡探針的偏轉以產生偏轉訊號，其中所述偏轉訊號用於產生所述像素的頻譜資料；以及處理器，配置成分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
  6. 如請求項5所述的壓電式力顯微鏡設備，更包括：鎖定放大器，耦接到所述檢測器，所述鎖定放大器配置成基於所述偏轉訊號來捕獲所述原子力顯微鏡探針的探針位移，其中所述像素的所述頻譜資料包括所述原子力顯微鏡探針的所述探針位移。
  7. 如請求項5所述的壓電式力顯微鏡設備，其中所述輸入波形訊號在每一測量週期中包含多個序列，所述多個讀取電壓步驟中的每一個對應於所述多個序列中的一個，所述多個序列的數目等於所述多個讀取電壓步驟的數目，所述多個序列中的每一個包含多個寫入脈衝，以及所述多個寫入脈衝中的每一個後接所述多個讀取電壓步驟中的至少一個。
  8. 一種適用於壓電式力顯微鏡設備的檢測鐵電訊號的方法，包括：產生輸入波形訊號，其中所述輸入波形訊號包含具有不同電壓位準的多個讀取電壓步驟；將所述輸入波形訊號施加到鐵電膜；響應於將所述輸入波形訊號施加到所述鐵電膜的像素來檢測原子力顯微鏡探針的偏轉，以產生偏轉訊號；基於所述偏轉訊號和所述輸入波形訊號來產生所述像素的頻譜資料；以及通過機器學習算法來分析所述像素的所述頻譜資料以確定所述像素的所述頻譜資料是鐵電訊號還是非鐵電訊號。
  9. 如請求項8所述的方法，其中所述頻譜資料包括對應於所述輸入波形訊號的第一讀取電壓步驟、第二讀取電壓步驟以及第三讀取電壓步驟的第一探針位移、 第二探針位移以及第三探針位移，其中所述第二讀取電壓步驟小於所述第一讀取電壓步驟且大於所述第三讀取電壓步驟，執行所述機器學習算法以：確定所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的差值；當所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的所述差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的所述差值小於閾值時，所述處理器確定所述像素的所述頻譜資料是所述非鐵電訊號，以及當所述第二探針位移與所述第一探針位移之間的所述差值和所述第二探針位移與所述第三探針位移之間的所述差值不小於所述閾值時，所述處理器確定所述像素的所述頻譜資料是所述鐵電訊號。
  10. 如請求項8所述的方法，更包括：通過所述壓電式力顯微鏡設備的所述原子力顯微鏡探針來對所述鐵電膜的表面進行掃描以測量所述鐵電膜的表面構形。
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