AFM在表面粗度上的量测与优势.doc

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-square（rms）粗度 =[（1/N）ΣZ i]1/2 N：量測點序號， Z i：N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)： 接觸型（contact）─SP（stylus profiler） 在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 200（SP-α200），利用半徑5um、重9mg的tip（最小的tip為半徑0.1um重1mg的diamond 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0.1um的tip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-α200及SP-P2量測所得的表面粗度圖。 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）： STM(5) 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。 AFM(6) AFM是結合STM的原理與SP，其