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原子力显微镜 (AFM)

技术原理

原子力显微镜(Atomic Force Microscope)是利用奈米尺寸的探针在样品表面做扫瞄,藉由原子之间的凡得瓦尔作用力产生接触与排斥现象、再配合探针悬臂(cantilever)作为雷射光的反射介面,当探针因表面作用吸引排斥而导致雷射的偏移量,记录这些偏移数值即可呈现出样品的表面形貌。

 

早期量测表面形貌模式是以接触式(Contact mode)探针扫瞄方式进行,近来多以轻敲式(Tapping mode)为主,可以降低探针因表面静电或其他污染的影响,并改善接触式造成的刮伤问题。

 

近年来AFM开发很多的量测应用:如电性、磁性等,这些都必须搭配各式的探针与模组方能进行量测,所附加的SCM(Scanning Capacitor Microscope)功能,能提供半导体应用分析。

 

图-1 AFM量测示意图

 

 

 

 

分析应用

  1. 表面100um范围以下的形貌量测 (<100um surface morphology)
  2. 表面粗糙度分析 (Roughness analysis)
  3. 微区尺寸,高度分析量测
  4. 3D影像分析
  5. 薄膜镀层、结构或缺陷影像扫瞄分析,最大样品尺寸12”wafer

 

 

 

 

机台种类

图-2 AFM (Bruker ICON)

 

 

 

 

应用实例

图-3 (a) 表面粗糙度分析

图-4 (b)3D影像

 

图-5 剖面分析 (Section analysis)

 

 

 

 

 

常见问题

Q1. AFM 可以提供什么样的数据 ?

A. AFM除了提供Ra(平均粗糙度)、Rq(均方根粗糙度)及Rz(影像中最高点及最低点的差值)等基本粗糙度统计值之外,还可以藉由软体计算得到截面高低起伏变化的资讯,如step height等。

 

Q2. 12吋晶圆的样品可以不裂片就进行量测吗 ?

A. 本公司于2018年五月新进一台Bruker ICON机台,可以直接量测12吋晶圆上的任意区域都不需要破片唷!

 

Q3. AFM 的解析度及最大的扫瞄范围可以到多少 ?

A.  AFM的Z轴解析度可以达到0.1 nm,最大的扫瞄范围每张图可以达到90um x 90um。

 

Q4. AFM 有样品的限制吗 ?

A. AFM任何样品都可以进行分析,如金属、薄膜、玻璃、氧化层、塑胶、软板材料等,皆可以进行扫描。

最大可扫描高低差为5um,若高低差大于此范围,可考虑白光干涉仪进行量测;另外若样品表面结构开口太小,可能会导致探针无法量测到底部或无法下针,需要实际测试才能知道是否可以分析喔!

 

Q5. AFM 针尖的尺寸 ?

A. 本公司使用的AFM探针针尖半径皆小于10nm,确保会有更佳的解析度。

 

 

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