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掃描探針顯微術（Scanning Probe Microscopy, SPM）使用探針靠近樣品表面做掃描，可在大氣下測量、呈現出表面形貌，具有原子級高解析度。 |
最早在 1981 年為掃描穿隧顯微術（Scanning Tunneling Microscopy, STM），適用於導電材料，之後在 1986 年才發展出能測量導體及非導體的原子力顯微術（Atomic Force Microscopy, AFM），一系列基於 AFM 所發展的新技術如：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。
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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，是利用奈米尺寸的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，當探針因表面作用吸引或排斥產生雷射的偏移量，記錄這些偏移數值即可呈現出樣品的表面形貌。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） |
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摻雜分佈｜掃描式電容顯微鏡 SCM |
若想得知元件的 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。SCM 分析技術可以彌補其它分析技術的不足，如：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。
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 |
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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，MFM 原理類似 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、不用破壞樣品，且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] |
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電位能分佈｜掃描電勢顯微鏡 SKPM |
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導體/半導體的表面電位、功函數、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，即可得到表面電勢的分佈。
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 |
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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）來自於力－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進而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。
 圖5 高分子材料力學分析 |
閎康 SPM 提供樣品局部表面形貌、粗糙度量測，亦有 SCM 為 IC、光電等產業提供失效分析、逆向分析。新的技術引進 MFM、KPFM 與 QNM，可獲得樣品局部高空間分辨率（奈米尺度），是產業界 Ｒ&D 的首選夥伴！
Reference:
[1]AFM网络讲座系列第三讲：原子力探针显微术基础及其应用进展-功能化原子力探针显微术
