奈米檢測世代來臨，不可或缺的多功能掃描探針顯微術 SPM 與其他顯微鏡的應用

掃描探針顯微術（Scanning Probe Microscopy, SPM）是一種運用探針靠近樣品表面進行掃描，能呈現具有原子級高解析度的表面形貌。

1981 年出現的掃描穿隧顯微術（Scanning Tunneling Microscopy, STM），適用於導電材料，直到 1986 年後才發展出能測量導體及非導體的原子力顯微術（Atomic Force Microscopy, AFM）。關於一系列 AFM 所發展的技術如：掃描式電容顯微鏡（Scanning Capacitance Microscopy, SCM）、磁力顯微鏡（Magnetic Force Microscopy, MFM）、掃描開爾文探針顯微鏡（Kelvin Probe Force Microscopy, KPFM）、定量奈米力學顯微鏡（Quantitative Nanomechanical Microscopy, QNM）等技術應運而生，經由特殊探針搭配不同傳感器以實現多功能化的量測，如：力學特性、磁性、電性、熱性。

SPM 能應用在 IC 產業（如矽、碳化矽基板、非金屬/金屬薄膜、HEMT 結構、三五族半導體）、光電產業（如藍寶石基板、LED/LD chip、ITO 薄膜、光通訊元件、CMOS 影像感測器）、封裝產業（如 PI、錫球、Gate Pad 上彈坑、銅箔）等。

表面粗糙度與形貌｜原子力顯微鏡 AFM

原子力顯微鏡可測出樣品的表面粗糙度與形貌，是利用奈米探針在樣品表面做掃描，藉由原子之間的凡得瓦爾作用力產生接觸與排斥現象、再配合探針懸臂（cantilever）作為雷射光的反射介面，而探針表面作用吸引或排斥產生雷射的偏移量，將偏移數值記錄後，即可呈現樣品的表面形貌。圖 1（左）為 HEMT 元件的 GaN 膜層表面粗糙度，得到 Z Range : 28.1 nm；Ra : 1.23 nm；圖 1（右）為 CMOS 影像感測器（CIS）的 Micro lens 斷面分析，而 CIS 的收光效果通常會受到 Micro lens 的均勻性、表面品質和厚度所影響。

▲圖 1　GaN film 表面粗糙度（左）與 Micro lens 斷面分析（右）

摻雜分佈｜掃描式電容顯微鏡 SCM

如果想得知元件的 N/P 摻雜分布、測量各區域的尺寸（如摻雜厚度、Channel length、Trench 摻雜深度、Source/Drain 大小、N/P well 界面等資訊），可以透過掃描式電容顯微鏡（SCM）來觀察二維摻雜影像，並分辨出 N 型、P 型區域，找出摻雜異常分佈導致的故障及逆向工程分析。掃描式電容顯微鏡 SCM 可彌補其它分析技術的不足，像是展阻分析儀（SRP）僅能呈現一維分布、 SEM 搭配化學蝕刻染色之分析技術不易精確控制蝕刻率等。

掃描式電容顯微鏡 SCM 技術是藉由金屬探針接觸樣品表面後，形成微小的 MOS 結構，分析時施加於金屬鍍膜探針上的 AC 電壓（等於 MOS 的閘極電壓），導致載子的累積和耗盡、並產生電容變化，量測 dC/dV 訊號轉換為二維摻雜分布，可以分辨出 N 型、P 型區域及其界面，主要用來量測樣品的摻雜分佈。

SCM 對於摻雜濃度的偵測範圍為 E14~E20 atom/cm³，平面解析度可達 50 奈米，可應用在 IC 元件（功率電子元件、GBT/FRD、三級管器、雷射二極體、DRAM 元件、MOSFET）和光電產業應用（CMOS Image Sensor、VCSEL、光通訊元件、LED）。圖 2 為 SiC 三級管的失效器件之電性亮點定位，針對亮點處比較良品與不良品的 SCM 影像，發現不良品摻雜分布明顯異於良品。

▲圖 2　SiC 三級管的失效器件分析

磁區分佈｜磁力顯微鏡 MFM

對於含有鐵、鈷、鎳等磁性材料的表面磁區分佈狀況，可以由磁力顯微鏡（MFM）掃描得到，原理類似原子力顯微鏡 AFM，主要差異為使用帶有磁性的探針，利用 Life Mode 方式進行磁性材料的分析，MFM 可以同時收集表面形貌、磁性訊號，從偵測樣品表面的磁力變化呈現出磁區分布，磁性探針與樣品間的長程磁力作用的振幅、頻率和相位變化皆可成像，適用於磁性薄膜、磁存儲設備和磁記錄組件。圖 3 為磁帶（左）與硬碟（右）的磁區分佈和強度影像，可從 MFM 結果了解不同的磁性記錄方式與密度。MFM 與其他磁成像技術相比，不需要特殊的樣品製備且無須破壞樣品，在大氣之下進行就能獲得高解析度。

▲圖 3　磁帶（左）與硬碟（右）的磁區分佈[1]

電位能分佈｜掃描電勢顯微鏡 SKPM

導體/半導體的表面電位、功函、薄膜均勻性和覆蓋率可由掃描開爾文探針顯微鏡（KPFM）來測量，又稱為掃描電勢顯微鏡（SKPM）。KPFM 屬於一種靜電力顯微鏡（Electrostatic Force Microscopy, EFM）技術，原理為探針懸臂受到交流電壓產生震動、同時外加直流偏壓來補償樣品和懸臂之間的電位差，使懸臂震幅等於零。透過檢測所需補償的電壓，即可得到表面電勢分佈。

利用 Kelvin 法來量測探針與樣品表面間的電勢差（電位能）具有高表面分辨率（奈米尺度），屬於定量測量的方式。應用如介電質層分析、金屬汙染物殘留、錫鉛焊料、腐蝕觀察、石墨烯等。圖 4 顯示分辨三種不同材料（Al、Si、Au）的表面形貌與電位能分佈。

▲圖 4　Al/Si/Au 表面形貌與電位能分佈

力學分析｜定量奈米力學顯微鏡 QNM

量化的奈米機械特性可由定量奈米力學顯微鏡（QNM）測得，同時取得表面形貌、機械性質力學量測的分佈。量化的機械性質（彈性模數、探針樣品間的黏性、能量損失與最大應變）來自力 — 距離曲線的最大吸力、斥力斜率與探針掃描來回過程的曲線積分面積差，經過 Derjaguin-Muller-Toporov（DMT）理論模型進行數值分析即可獲得。

QNM 能精準控制成像力道得到非破壞的高解析力影像，可處理從 1 kPa 到 100 GPa 模量、或 10 pN 至 10μN 附著力的各種樣品。應用於高分子材料、碳化鎢鋼、不鏽鋼和金屬材料等。圖 5 為高分子材料的 QNM 分析圖，顯示附著力、消散力、楊氏係數和形變量影像。