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Ch15
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15-1 導 論 奈米為一尺度單位，一奈米相當於十億分之一米(1nm＝10–9m)，最大原子的尺度約為0.3nm，分子與DNA的大小約在 5nm 左右，人體中的紅血球大小約為 3,000 nm ( 3μm)，人的頭髮直徑約為80,000 nm (80 μm)。
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微米及奈米加工技術：“由上往下”(top down)，採用類似傳統雕刻方式，由大而小逐一進行材料的沉積、移除、改質；“由下往上”(bottom up)，採用由小而大的組裝方式，完成材料、元件及系統的製造。 採用已非刀具切削的方式，現在奈米加工主要使用於半導體製造技術，利用微細加工的有實績之蝕刻、化學反應加工或使用穿隧顯微鏡。
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15-2 掃描探針技術 掃描式探針顯微鏡(scanning probe microscopy, SPM)是帶動奈米技術發展的關鍵技術之一，掃描探針顯微技術不僅具備非破壞性量測的特質，且可達原子級解析度，是目前備受半導體工業以及研究單位所青睞的檢測技術。其工作原理是利用回饋系統，精確的控制一尖端極細探針，在樣品表面或數奈米至數十奈米的高度作平面掃描，以兩者間作用力為回饋來取得表面結構影像。
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15-2-1 前言 掃描探針顯微術技術的演進 最早是在1972年發明針尖式形狀檢測儀(stylus profilometer) 時所建立的，之後陸續有掃描電子顯微術(SEM) 和勞倫茲顯微術(Lorentz microscopy) 的建立。
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1982年由瑞士IBM蘇黎士(Zurich)研究實驗室的兩名研究員Gerd Binnig 和Heinrich Rohrer 所提出，他們所組裝發明的掃描穿隧電流顯微鏡(scanning tunneling microscopy, STM) 可應用於導體材料的表面檢測。自此以後，各種掃描探針顯微鏡相繼地出現，並應用於各種材料表面特性的檢測，例如原子力顯微術(atomic force microscopy, AFM)、靜電力顯微術(electrostatic force microscopy, EFM)、掃描近場光學顯微術(near-field scanning optical microscopy, NSOM)、磁力顯微術(manetic force microscopy, MFM)等。
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掃描電子顯微鏡 (SPM)是創造高解析度三度空間的表面輪廓描繪的測量工具，藉由縮減裝置尺寸至奈米等級，電流狀況影響聚焦技術的顯影術發展就像電子束顯影術，極紫外光顯影術，刻痕顯影術，和掃描探針顯微鏡 (SPM)顯影術。電子束和 SPM 顯影術為大多數的奈米尺度解析度中可降至低於10 nm的範圍。
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SPM擁有原子級操作能力及為各種不同表面使用不同有機薄薄膜曝光方法局部修正的能力，和在各種不同的基材作選擇性的陽極化。SPM優於現行的任何光刻技術和電子束蝕刻技術，因為SPM可以加工小到單個原子的結構(約0.3nm)，但是用SPM來加工未來的積體電路同樣面臨加工速度的問題。
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15-2-2 掃描探針顯微鏡操作原理 掃描探針顯微鏡乃是一群具有著類似操作方式之儀器的總稱，其共同的操作方式不外乎是利用一極細微之探針在極靠近試片表面處對試片表面性質進行探測，由於探針尖端僅與局部的試片表面發生交互作用，故所探測知結果也僅是試片表面的局部性質，倘若配合一掃描平台來移動試片或探針，則可獲的較大範圍的試片表面性質。
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微探針 主要是利用其針尖和試片表面產生交互作用，以探測各種試片的表面性質，如地形、電場分佈、磁場分佈和光學特性等等。到目前為止，被使用的交互作用包括穿隧電流、原子力、靜電力、磁力和晶格力等等，依據不同的交互作用所採用的探針亦有所不同，如使用穿隧電流的掃瞄穿隧伍流顯微鏡．其所需的微探針便是要具備有導電性，而使用原子間作用力的原子力願微鏡，則需要對原子力變化敏感的微探針。
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位置感測系統 微探針必須在極靠近試片表面處進行探測，因此，需要感測系統來監控探針與試片問的間距。由於此一間距通常只有幾個奈米，加上空間的限制，故無法對間距做直接的量測，為此通常需要一些間接的量測方法。
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由於穿隧電流間距存有一關係式，如下所示：
(1)穿隧電流感測器 由於穿隧電流間距存有一關係式，如下所示： It = Ve(-cd) 在此 It 為穿隧電流， V 為施加於探針和試片問的偏壓，c 為一材料常數，d 為微探針和試片間的間距。在材料常數和偏壓 V為一定值的情況下，由上述的關係式可知間距 d 將是唯一影響穿隧電流大小的變數，因此，藉由維持穿隧電流的大小，即可達到控制間距的目的。
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(2)力量感測器 使用雷射二極體產生一雷射光束，經鏡片校正後聚焦於探針末端背面上，並反射至光檢測器。當探針產生變形時，光感測器接收到的光源訊號便會產生變化，並使光感測器的輸出訊號亦產生變化，此輸出訊號經放大器放大後迴饋至控制系統，如此即可用來控制探針與試片間的距離。
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掃瞄平台 搭配一掃瞄平台，使兩者間產生相對運動。運動的方式可以是探針固定而試片隨著掃瞄平台而作平面移動，也可以是試片不動而探針作掃瞄運動，亦或是兩者皆產生移動。掃瞄時，探針相對於試片是以直線方式先作前後往返的掃瞄，之後略為平移至相鄰的另一條掃瞄線繼續掃瞄，如此重複此一往返掃瞄的動作，一直到完成設定的掃瞄區域為止。
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控制系統 一是維持探針與試片問的微小間距，另一則是便平台在一平面上做掃瞄。使用開迴路控制系統所獲得的掃瞄影像有扭曲變形的現象，為有效地解決此一問題，目前大多數的控制系統皆已搭配高解析度的位移感測器以構成閉迴路。在掃瞄的過程申，當探針與試片間距因試片表面起伏而產生變化時，位置感測器將輸出一相對應之訊號，經由適當的控制器運算得到一調整命令，使得Z軸微動平台做上下運動，以維持探針與試片間的微小間距。
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15-2-3 掃描探針顯微加工技術 原理 是利用微機電(MEMS) 技術製作的具有奈米尺寸尖端半徑之微探針，以機械力、電場、磁場等效應對試片產生物理或化學變化，而在試片表面製作出奈米尺寸之元件或結構。利用掃描探針顯微加工技術所具備的奈米尺寸加工特點，可以應用奈米光電元件、超高密度的儲存媒體等。
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種類 目前掃描探針顯微加工技術所採用的機制可分為機械力加工法、電場蒸鍍法、電化學法、近接電子束曝光法與熱加工法等。
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(1)機械力加工法：使試片表面產生永久形變或者刮除部分材料而達到加工目的，如圖15-8所示，此方法所使用為探針需具備高剛性、高硬度與耐磨耗之特性。其優點是不需外加電場，而且適用於任何試片材料；但其缺點是使用一般微探針其加工耗損大，而高剛性、高硬度與耐磨耗探針製作不易，所以少被採用。
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(2)電場蒸鍍法：利用施加一電壓在鍍上黃金薄膜的探針上，使探針與試片之間產生電場，而將黃金原子蒸鍍在試片表面形成奈米點狀結構。由於黃金會耗損所以探針的壽命有限，再加上價格較貴，所以也少被利用。
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(3)電化學法：電化學蝕刻與沈積法是類似半導體製程中氣相蝕刻與沈積的方法，先施加一種或數種能夠相互或和試片產生的方法，先施加一種或數種能夠相互或和試片產生化學反應氣體，再藉由施加電壓導電微探針活化此反應，而在探針尖端與試片間局部區域產生奈米尺寸蝕刻或沈積。電場氧化法是由美國國家標準與技術研究院在1990年開始發展。
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利用施加電壓的微探針與試片問產生的局部高電場，造成一般環境下試片表面的水分子薄膜解離出氫氧根離子，產生電化學的陽極氧化反應造成試片表面的氧化。此法被大量的應用在奈米光電元件的製作。
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(4)近接電子束曝光法：是利用被施加高電壓(約100伏特)導電微探針與試片間距很小時，可以產生極高的電場致使探針尖端放出電子束，而可在電子束微影的光阻上曝光出圖案。因為其加速電壓低，可降低電子散射與臨接效應(proximity effect)之影響，所以容易製作出高密度微影。
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(5)熱加工法：是利用高分子材料的低玻璃溫度(約100℃)特性，及特製具備尖端加熱功能微探針，當微探針接近高分子試片(如：PMMA)表面時，將探針尖端加熱昇溫超過試片玻璃溫度，使得高分子材料熔化而微探針可以輕易改變其形狀，再讓試片自然冷卻後則形狀就固定。
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15-2-4 掃描探針顯微鏡的應用 最近十年來半導體技術的關鍵在於縮小線寬，以提高記憶容量與操作速度，並降低能源耗損。目前半導體製程線寬已經到達0.18微米，並朝向0.15～0.10微米邁進。估計到本世紀初，將進入100奈米以下的尺度範圍。另外，由於數位資料量急速增加，迫切需求更高密度的儲存媒體。因此，掃描探針顯微術被廣泛用來針對材料表面特性的檢測。
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15-3 聚焦離子束加工技術 15-3-1 聚焦離子束的原理
15-3 聚焦離子束加工技術 15-3-1 聚焦離子束的原理 能將以往在半導體設計、製造、檢測及故障分析上許多困難、耗時或根本無法達成問題一一解決。例如精密定點切面、晶粒大小分佈檢測、微線路分析及修理等。在微分析領域內，離子束研磨最先被用在穿透式電子顯微鏡試片研磨上。
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而直到液態金屬離子源發展之後，以鎵(Ga)為離子源的商用FIB才上市，其離子源為一高斯分佈強度(Gaussian beam intensity)，結合工作台之x、y、z與θ角度旋轉，如圖15-12所示，運用FIB之鎵離子轟擊基材(例如鎢、矽等)，進行奈米等級超微量加工，完成立體形狀微銑刀或微型手術刀具。
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15-3-2 聚焦離子束的應用 最早被使用在半導體業界光罩修補，接著又被使用在導線切斷或連結。之後，一系列的應用被開展出來，例如微線路分析及結構上故障分析等等。
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15-3-3 聚焦離子束的功能 利用入射離子束與試片撞擊產生的二次 電子或二次離子來成像。 施加大電流可快速切割試片而移除所需 的洞或剖面。
15-3-3 聚焦離子束的功能 利用入射離子束與試片撞擊產生的二次 電子或二次離子來成像。 施加大電流可快速切割試片而移除所需 的洞或剖面。 可蒸鍍導體如鎢或白金。
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15-4 電子束奈米加工 15-4-1 近接式電子束曝光法 近接式電子束曝光法(Proximity electron leam lithography)是利用被施加高電壓(約100伏特)的導電微探針與試片間距很小時，可以產生極高的電場致使探針尖端放出電子束，加工機台如圖15-16所示，經陽極與陰極間之電壓差，加速電子束衝擊基板，而可在電子束微影的光阻上曝光出圖案。
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15-4-2 數位多媒體碟片 數位多媒體碟片(digital versatile disk，俗稱DVD)已是非常普遍的用以記載聲音、影像與資料的儲存媒體，而改進的方向約略可朝極高解析度的記錄材料與較小點陣(spot size)的加工方式前進。
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一片厚度525μm直徑100mm的矽晶片，電阻係數小於0
一片厚度525μm直徑100mm的矽晶片，電阻係數小於0.01 歐姆-公分以用來預防充電效應的基材。電子束高解析度正光阻「ZEP520A」被旋轉於基材上。為了改善光阻和基材間的附著力，樣本用加熱板在160℃的溫度下預烤3分鐘。回到室溫23℃情形下，以電子束來曝光光阻薄膜及「ZED-N50」顯影劑來顯影。最後，使用原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)來檢視所製造的圖案。
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15-4-3 電子束機台 電子束機台用以曝光光阻薄膜，形成所欲達到的刻片點陣結構，它的最大電子束能量可達40 KeV，一個空氣迴轉馬達於真空架上，和建立在真空氣室上的變動平台。這個電子束腔是由一個電極(Lanthanium hexaboride cathode)，三個電子鏡頭，二個光圈和被用來製造電子束和適當地聚焦在基板的表面上的空心板。
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然後，在一定的線性速度上空氣迴轉馬達和變動平台同時地控制去保持電子束聚焦在移動橫越基座上光阻薄膜，被轉譯成密碼的資料由控制空心板去偏離電子束傳到光阻薄膜上。
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15-5 近場光學奈米微影加工 15-5-1 光波前進的方式
15-5 近場光學奈米微影加工 15-5-1 光波前進的方式 遠場光觀察到的光波，其前進方向垂直於物體表面，通過大於其波長尺度的孔徑，可在遠距離觀測到，然而其光學解析將受到透過孔徑大小的限制。近場光沿平行於物體表面前進的光波，其強度在垂直方向成四次方衰減，所以無法在遠距檢測。
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15-5-2 導引光源至奈米等級方法 導引光源至奈米等級孔徑有三種方法：光纖探針(fiber probe)(圖15-23)、固體浸式鏡(solid immersion lens, SIL)(如圖15-24)與超級補償近場訊號法(super retrieved near-field signal, super RENS)(如圖15-25)。
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15-6 奈米加工研究領域與應用 15-6-1 奈米加工研究的演進
15-6 奈米加工研究領域與應用 15-6-1 奈米加工研究的演進 在金屬領域中，鋁材方面，開發晶粒徑約40～300nm的鋁塊材、其強度或韌性為傳統鋁合金或不銹鋼的1.5倍～2倍。採用電子束氣相冷卻(VQ)法，僅添加鐵等微量元素，獲得強度大幅改變的含奈米微粒子的合金。不銹鋼的晶粒若微細化至100nm以下，微細晶粉採用Mechanical Alloying法，使成粉末狀，其次，將此粉末固化成塊材，經確認此不銹鋼的晶粒徑約300nm。
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掃描穿隧式顯微鏡(STM)發明後，一門以研究的原子分子世界的學門迅述強化為奈米科技的先驅，如1990年使用掃描穿隧式顯微鏡(STM)移動與操縱原子與分子為特定的排列，引發直接以分子或者原子來夠製造特定功能之電子產品為最終目標。
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15-6-2 奈米加工研究的應用
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(續)
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利用原子力顯微儀的奈米級導電探針，對固態表面作局部選擇性的氧化，並利用這方法進行奈米微影(nanolithography)、奈米加工(nanomachining)及奈米級選擇性成長等應用工作，因此在探針的製作上可在微小化，近而達到超精密的加工精度。 超小型系統晶片LSI的量產。已經開始投入回路線幅奈米90技術，比起現在主流的奈米130的半導體，演算速度提高兩成，晶片也縮小到現在的一半。
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15-6-3 奈米級元件的展望 微影線寬與元件尺寸不斷地縮小，使得以AFM為基礎的技術，在微影精準度的改良與掃描探針操作穩定性有很多的進步。藉由AFM進行奈米級區域相變化(或氧化作用)，可以製作超高密度的資料儲存媒體(可達到 1 Tb/in2 或更多)，遠超過近場光學100Gb/in2和現今半導體及磁碟的記憶密度，而且AFM取得這些原子影像及原子大小位元資料的讀取，也是其它光資訊儲存技術所無法達成。
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