AFM在表面粗度上的量測與優勢

一、表面粗度(Surface roughness)的定義

二、量測表面粗度的儀器及其原理簡介

三、AFM的工作原理

四、AFM所具備的優勢

五、結論

參考文獻

一、表面粗度(Surface roughness)的定義(1)

表面粗度是指表面的起伏程度。例如拋光痕跡(polishing marks)、加工痕跡(machining marks)、在記憶光碟片上的磁性材料顆粒、在silicon wafers上起伏的東西以及經過滾壓後所留下的滾輪痕跡……等等。

在此先定義粗度參數:

R q:指Root-mean-squarerms)粗度 =[1/N)ΣZ i]1/2

N:量測點序號, Z iN點所對應的高度

P-V:指波峰與波谷間的距離

R p:指波峰與平均線間的距離

β*:相關長度

圖一是一般表面粗度量測圖與說明的參數。表面高度的變化是指mean surface level((1/N)ΣZi=0)以上。在量測出的圖上具有相似表面形貌之間的距離稱為surface spatial wavelength或者稱為相關長度(correlation length)。量測表面粗度與β*有很大的關係,而β*決定於量測儀器的靈敏度。若將縱軸與橫軸取相同的刻度,那麼將呈現出一直線,此時我們將無法看出表面的起伏。

以下將針對三種形成表面粗度的因素做簡要的說明:

1)刮痕(scratches)與挖痕(digs

刮痕最常出現在表面上。我們可以很輕易的在光滑平坦的表面上看見刮痕,當然也可透過光學顯微鏡或電子顯微鏡輕易地觀察到。當表面與其他大於此表面硬度的物體摩擦時,就會在表面上留下刮痕,只是深淺的程度不同而已。

2)拋光痕跡(polishing marks)與微小凹凸不平(microirregularities

雖然在表面上常見刮痕和灰塵粒子,但microirregularities卻是遍佈整個表面。當我們利用化學蝕刻(chemical etching)或電解拋光(electropolishing)試圖觀察材料的織構(texture)或金相時,就會使試片表面呈現凹凸不平的表面形貌。

3)加工刮痕(machining marks)與細長凹槽(grating grooves

這類的缺陷乃由鑽石工具、機械震動與材料中第二項或析出物的移動所造成的。

二、量測表面粗度的儀器及其原理簡介

量測表面粗度的儀器以觀察尺度而言可粗略分為兩大部份─微小尺度(microscopic scale)與超微小尺度(ultramicroscopic scale)。前者又可細分為接觸型(contact)及非接觸型(non-contact);後者則有著名的STM(scanning tunneling microscopy)與AFM(atomic force microscopy)。

I、微小尺度(microscopic scale)(1,2)

  1. 接觸型(contact)─SPstylus profiler
  2. SP中,探針(stylus)與試片表面接觸,以固定的移動速率掃瞄試片表面,來獲得試片的表面高度的變化。最初是用Tencor alpha-step 200SP-α200),利用半徑5um、重9mgtip(最小的tip為半徑0.1um1mgdiamond tip)來量測表面粗度。但以SP量測出現了兩個問題:第一,量測出的粗度圖中,出現了明顯的低頻雜訊,因此,在正確計算表面粗度參數之前,必須利用數位濾片移除低頻雜訊;其次,當使用半徑0.1umtip時,尖銳的探針會將表面刮傷,且會導致量測出的粗度值失真。圖二、圖三分別為SP-α200SP-P2量測所得的表面粗度圖。

  3. 非接觸型(non-contact)─NOP(non-contact optical profiler

顧名思義即是利用光束量測表面粗度的一種方法。側向解析度是由光的波長、顯微透鏡解析度和儀器的其他光學元件所決定的。圖四即是以NOP量測所得到的表面粗度圖。

II、超微小尺度(ultramicroscopic scale):

  1. STM(5)
  2. STM的金屬尖端(tip)與試片保持很小的距離(約為0.2nm),在尖端與試片間加電壓於是產生穿遂電流(tunneling current),量測過程中可利用回饋系統(feedback system)控制穿遂電流使其為一定值,因此tip便會隨著試片的高低而接近或遠離試片,如此便可獲得表面高度的變化,與對應的三維形貌結構(topographic structure)。由於STM是藉由穿遂電流而得到表面起伏的資料,因此試片必須是導體,也由於這項限制因此發展了AFM

  3. AFM(6)
  4. AFM是結合STM的原理與SP,其詳細的操作原理將在下一節中做詳細的說明。圖五為以AFM量測所得之表面粗度圖。

    三、AFM的工作原理(3,4)

    1、基本原理

    由於STM必須藉由穿遂電流來偵測試片表面,因此,只適用於導體。BinningQuateGerber根據STM的工作原理,將原先與試片垂直的探針,用一與試片平行的橫桿(cantilever)取代,橫桿前端有一個尖銳的針尖(如圖六)前端所組成。當探針尖端與試片表面接觸時,由於橫桿的彈性係數與原子間的作用力相當,因此,探針尖端的原子與樣品表面原子的作用力便會使橫桿在垂直方向運動,也就說樣品表面的高低起伏隨橫桿做上下偏移,加上偵測橫桿偏移量的機制、掃瞄系統及回饋電路,便能藉著調整探針和試片的距離,而在掃瞄過程中維持固定的原子力,此垂直微調距離或簡稱為高度,便可當成二維函數儲存起來,也就是掃瞄區域的等原子力圖像,這通常對應於表面地形,一般也稱為高度影像。整個偵測過程如圖七所示。在橫桿前端鍍上一層高反射的金屬薄膜(如Au),當試片表面上下起伏時,相當於入射的雷射光具不同的入射角,因此經過金屬薄膜反射後,偵測器可依據反射角的不同而得表面影像。

     

    2AFM的種類

    1)接觸式:探針與樣品間的作用力(原子間的排斥力)很小,約為10-610-10牛頓,但由於接觸面積極小,因此過大的作用力仍會損壞樣品,尤其是對軟性材質,不過較大的作用力通常會得到較佳的解析度,所以選擇較適當的作用力便十分重要。由於排斥力對距離非常敏感,所以較易得到原子解析度。

    2)非接觸式:為了解決接觸式AFM可能損壞樣品的缺點,便有非接觸式AFM被發展出來,這是利用原子間的長距離吸引力─凡得瓦爾力(van der waals force)來運作,由於探針和樣品沒有接觸,因此,樣品沒有被損壞的顧慮,不過此力對距離的變化非常小,所以必須使用調變技術來增加訊號對雜訊比。由於在空氣中樣品表面水膜的影響,其解析度一般只有50nm,在超高真空中可得原子解析度。

    3)輕敲式AFM:將非接觸式AFM加以改良,拉近探針與試片的距離,增大振福,使探針在振盪至波谷時接觸樣品由於樣品的表面高低起伏,使得振福改變,再利用分接觸式的回饋控制方式,便能取得高度影像。解析度介於接觸式與非接觸式之間,破壞樣品的機率大為降低,且不受橫向力的干擾。不過由於高頻率敲擊的影響,對很硬的樣品而言,探針針尖可能受損,甚至留下殘餘物在試片表面。

    3、儀器構造

    1)橫桿:必須具有很小的彈性係數及很高的共振頻率,這樣它才可以對原子間作用力產生形變,而又不會受到一般噪音及建築物低頻振盪的影響。

    2)針尖:必須不易磨損且有很好的尖端

  5. 橫桿偏移量偵測機制(如圖八):利用雷射光聚焦在橫桿尖端背面,由於

鍍有高反射率金屬薄膜,所以光束被反射至高靈敏度位置偵測器,一般是二象限或四象限光電二極體,經過電流放大後,可得到一差分訊號,當橫桿有上下偏移時,訊號跟著變化,便可由此得之偏移量。

四、AFM所具備的優勢

在這一章節中將探討到影響量測表面粗度的準確度的因素,並分析何以AFM量測之值較接近真實表面的原因。

  1. 空間解析度(spatial resolution)的影響

在以探針為偵測主力的儀器中,針尖的大小是能否得到接近真實表面的關鍵。愈小的針尖愈能得到接近真實表面的形貌圖,而AFM的針尖尺寸遠小於SP,因此預期AFM可以得到較真實的表面形貌圖。而由實際的量測中(如圖九,只比較一度空間)也可得到證明,AFM確實有較好的結果。若將量測長度及量測距離固定後,比較這三種儀器可以清楚的發現,AFM得到的是三度空間的分佈圖,在1.12um的掃瞄間距中包含了256個點,SP-P21um50點,NOP則是250um中有250點,因此還是以AFM的解析度最佳。

 

II、取樣間隔(τ)的影響

以AFM為例(如圖12),在相同探針大小的前提下,改變取樣間隔τ,發現τ愈小愈接近真實表面。由於不同的儀器有不同的極限,探針愈大極限τ值愈大,這將因為虛假效應(aliasing effect)而遺失了表面訊息,使量測值大打折扣。

五、結論

比較了SPNOPAFM在表面粗度的量測上之優劣後,可以發現量測的準確性與儀器的解析度有很大的關係。不同的解析度使得垂直的參數─R p、P-V、R p和空間參數─β*也跟著改變。以儀器的解析度而言NOP<SP<AFM,這也是為什麼R p、P-V、R p等參數在AFM中最大而β*最小的原因。由於AFM有較好的解析度,因此其測出的表面形貌較接近真實表面。

選擇何種儀器端看實際需要,解析度好的儀器當然可以幫助我們得到較準確的表面粗度值,但準確度若不是很嚴格的要求,選用簡單且價格便宜的儀器做分析,未嘗不是個好途徑。

由於AFM有約0.1A的垂直解析度,因此是檢驗矽晶片在清潔、蝕刻前後表面變化情形,以及鍍膜平整性的最佳工具之一,並且也很適合與SEM搭配成為從mmA尺度的表面分析儀器,因此在目前IC產業日漸受到重視,也因為它具有原子尺度的解析度,因此在未來奈米級的材料研究領域中預測可成為強有力的分析工具之一。

參考文獻

1. Jean M.Bennett and Lars Mattsson, “Introduction to Surface Roughness and Scattering” 1989

2. Chin Y. Poon, Bharat Bhushan, “Comparison of surface roughness measurements by stylus profiler, AFM and non-contact optical profiler”, Wear 190 (1995) 76-88

3. 科儀新知第十七卷三期

4. John C. Vickerman, “Surface Analysis- The Principal Techniques” (1997)

5. G.Binning, H. Rohren, Ch. Gerber, and E. Weibel, “Surface studies by Scanning Tunneling icroscopy”, Physical Review Letters, 49, p57 (1982)

6. G.Binning, C. F. Quate, and Ch. Gerber, “Atomic Force icroscopy”, Physical Review Letters, 56, p930 (1986)