扫描探针显微术於奈米尺度微影之应用
文/苏健颖,周晓宇,陈至信
摘 要
自从扫描探针显微术(SPM)问世以来,探索原子尺度的微观面貌不再需要经由繁琐的程序而得.除此以外,SPM更进一步增加了对於奈米尺度之表面操纵与图案成形的能力,其中以原子力显微术(AFM)与扫描穿隧显微术(STM)为主.这项技术会引起注意的原因,来自於SPM可相当准确地直接於样品表面进行奈米刻痕或微影,并且对於探针的位移可得到良好的操控.这是除了电子束曝光与化学湿蚀刻以外,另一项有利的选择工具.
一,前言
扫描探针显微术(SPM, scanning probe microscopy),是各种以探针方式研究样品表面性质(例如:表面形貌,电性,磁性,力学特性等)的显微术总称.其中被应用最广泛的是STM(scanning tunneling microscopy)与AFM(atomic force microscopy),解析能力达到原子级.
STM於1981年由IBM公司Dr. Gerd Binning和Dr. Heinrich Rohrer 共同发明.1986年两人与Dr. Ernst Ruska 共同获得诺贝尔物理奖.STM是藉由量测探针针尖与样品表面的穿隧电流变化,所产生微小区域表面形貌的影像.STM操作的条件必须在真空下,而且样品需是导体.
AFM则是利用探针尖端与试片表面的作用力,即凡得瓦力相吸或相斥的作用力,使得探针悬
臂产生弯曲偏移.藉由扫描过程中即时量测悬臂偏移量,进而产生样品微小区域表面形貌的影像.AFM不受成像环境的限制,不论是在大气下,真空中或者是液面下皆能操作,并且可分析的样品不限定是导体.AFM成为目前最方便,被使用最广泛的SPM之一,且进行维护工作容易,在维护成本上不若其它仪器般昂贵.
第一个使用扫描探针技术改变样品表面形貌的实验,是由 J.A. Dagata 等人[1]所完成.其利用扫描探针进行局部区域的氧化程序,证实不论是在金属或者是半导体材料表面皆可形成微小的氧化物线条或图形.接续许多研究团队进一步利用这种技术於光电微结构,微电子元件,微机电系统与化学,生医样品自组用模板的制造.此技术是一种藉由导电探针与试片表面之间,电化学反应所造成的效应.
其操作机制是在环境湿度控制在约50 % 时,样品表面会附著一层水薄膜,当探针接触这层水薄膜时,以探针为负电极,样品表面为正电极,施予探针一负偏压,水分子会开始解离,并与探针下方的样品表面产生局部区域的氧化物.探针所产生的电场会随著与试片表面的距离而衰减,当电场强度小於V/m时氧化作用随即停止[3].氧化物成长速率与施予探针偏压大小有极大的关系.过程中经由程式设定,可精准操控扫描探针的位移,进行特定线条之氧化物成长,进而达成微区域图案成形的目的,这是扫描探针显微术应用於微影的初形.
除此以外,另外还有奈米刻痕与经由尖端放电等微影技术的发展.
二,基本原理与仪器架构说明
如图一所示,扫描探针显微术的基本原理是利用扫描探针与试片表面接触的交互作用,使得具弹性的探针悬臂随著试片表面形貌产生起伏弯曲,并藉由二极体雷射的侦测机制,即时地纪录试片表面起伏的形貌.此讯号亦作为扫描装置之回馈讯号,用以控制探针与试片表面之相对位置,避免探针直接撞击试片表面的高低起伏结构.
所使用的仪器是Digital Instruments(di)之Nanoscope IIIa扫描探针显微镜进行研究,扫描装置之最大扫描区域可达100 x 100 m,并具备高解析CCD光学显微镜作为辅助以进行扫描探针下针定位的工作.
由於扫描探针为矽或氮化矽之材质,使用前必须先行镀上一层金属导电薄膜,而金属膜厚愈厚导电性愈佳,相对的金属膜愈厚探针针尖愈粗,因此必须取得一匹配膜厚值.在微影薄膜试片的制备方面,是使用已预先镀上一层下电极之基板,以高速旋转涂布的方式涂布一层高分子微影材料,经烘烤乾燥而成.旋转涂布的转速,微影剂的黏滞系数与烘烤时间的长短决定涂布的最终膜厚,所以这是一个不可忽略的控制变因.
所有前置作业准备完成之后,开始进行扫描探针显微术之微影工作.所有欲进行微影之线条或图形,探针动线的考量需事先规划於程式中.由於所使用的机台具备非接触式(non-contact)操作模式,探针与试片表面的相对距离可依需求进行调整与操控,一方面可避免探针直接刮伤试片表面,另一方面也可以避免探针针尖沾附试片表面的材料而使得微影效率突然降低.
进行下探针的步进动作,逐步接近试片表面之后,随即进入程式操控模式并於探针针尖施加设定电压,依需求将探针提高一个设定高度后,开始依照微影线条或图形路径依序移动探针位置以进行微影的工作.探针的位移速率攸关位移精确度的掌握,因此这是必须建立的关键性参数之一.完成微影的工作之后即可进行显影,而显影时间长度的控制影响著最终实际线宽.完成显影之后回到扫描探针显微镜下进行奈米线宽的检测工作,并且使用扫描电子显微镜从事验证的工作.以上是利用扫描探针尖端放电的原理进行微影与表面加工.

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