從2019 NanoScale看奈米領域發展

 

刊登日期:2020/4/1
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劉軍廷/工研院量測中心
前言
NanoScale始於2006年,由德國物理聯邦技術研究所( PTB )所創辦,旨在希望了解微觀和奈米結構性質之定量測量、相關領域與工業製程控制和品質保證等。因為在大多數情況下,結構幾何尺寸的量測結果會與其他物理和化學性質有很大的關連性,所以定量量測的前提是依據可靠且穩定的儀器、合適的量測程序以及合適的校正人為物和方法。主辦單位希望透過研討會,讓科學家和廠商能針對相關硬體和軟體進行交流。 
 
NanoScale其研討涵蓋應用相關領域,包含探討定量和量測問題,涉及:微電子、微系統技術、奈米/量子/分子、化學、生物學、醫學、環境技術、表面科學、材料科學和表面處理等。同時也探討校正方法領域,包含校正方法、校正標準、校正程序、可追溯之量測、標準化和量測不確定度等等。研討會也包含儀器領域,包含新的儀器和方法之改進、可重複的探針/樣品定位技術、位置測量系統、新的/精進之探針/檢測器系統、線性化方法、圖像處理等。2019 NanoScale國際會議同時涵括了第12屆量子顯微鏡研討會以及第8屆奈米尺度校正標準與方法研討會,此次研討會中發表了許多針對原子力顯微鏡之新型技術,本文將針對其技術背景做一介紹。
 
AFM技術內容簡介與沿革
掃描探針顯微鏡(SPM)領域開始於1980年代初,由Gerd Binnig和Heinrich Rohrer發明了掃描隧道顯微鏡( STM ),並於1986年獲得了諾貝爾物理學獎。同年,由Gerd Binning、Calvin Quate和Christoph Gerber發明的原子力顯微鏡( AFM )取得了重大突破,此後在奈米級領域之表面特徵和測量即不斷有革新。今日AFM是最流行的SPM類型,這導致AFM和SPM的術語經常被當作同義詞使用。AFM的探頭是懸臂式,通常在其尾端具有尖銳的針端。而SPM探針包括簡單的金屬線(如STM中使用)或玻璃纖維(如用於掃描近場光學顯微鏡)。
 
如今AFM包含多種量測方法,因其探針可以不同的方式與樣品相互作用以檢測各種材料特性。AFM可檢測各種機構特性,例如:附著力、剛性、摩擦,電性例如:電容、靜電力、功函數、電流、磁性能和光譜特性。除成像外,AFM探針還可用於光刻和分子拉製實驗中。由於其靈活性,原子力顯微鏡已成為檢測材料特性的常用工具,與光學和電子顯微鏡並駕齊驅,並可實現奈米級甚至更高的解析能力。AFM也可以在超高真空或流體的環境中運行,因此檢測範圍涉及了物理、化學、生物學和材料科學等所有學科。
 
大會中討論原子力顯微鏡的工作原理和最常見的測量模式,以及可以在奈米等級上用原子力顯微鏡測量之諸多特性。以下內容將針對此次NanoScale研討會中,探討原子力顯微鏡之基本特性量測結果與量測方法,加以重點摘要。
 
2. Sub-nm Accurate Tip form Characterization in Critical Dimension Atomic Force Microscopy
PTB AFM專家Dr. Gaoliang Dai於會中介紹自行開發的關鍵尺寸原子力顯微鏡(CD-AFM)技術,如探針尖端形狀的詳細演算法,其架構如圖二。 該方法基於經典形態學理論( Classical Morphological Theory ),於近年開發了幾種新的設計思想和方法,並將其應用於高解析度之實現。由PTB和Team-Nanotec公司共同開發的線寬標準IVPS100-PTB 已被用作尖端追溯。它具有幾何均勻性和特徵幾何形狀等優點,這些特徵最終根據晶體矽晶格常數進行校正。會中介紹通過兩步方法 (Two-Step Approach) 克服尖端的線寬粗糙度( LWR )之影響;在第一步中,有效尖端寬度為線寬和校正線寬之間的差,它們是---以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。
 
圖二、PTB所開發之3D / CD-AFM模組。 該模組安裝在Nanostation 300的測量平台,用於量測大型樣品
圖二、PTB所開發之3D / CD-AFM模組。 該模組安裝在Nanostation 300的測量平台,用於量測大型樣品
 
圖三、3D / CD-AFM的典型量測性能結果,其為IVPS-100樣品測得之輪廓,其中繪有重複測量四次之結果,其重複性低於1nm
圖三、3D / CD-AFM的典型量測性能結果,其為IVPS-100樣品測得之輪廓,其中繪有重複測量四次之結果,其重複性低於1nm

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