表面粗糙度量測-原子力顯微鏡(AFM)

由於前面我們使用之 SEM 無法對薄膜表面粗糙度作定量量 測，因此我們使用AFM 來補前述量測方法之不足。取樣位置為樣品 上隨機位置，取樣範圍為3×3 µm²，探針掃描頻率1.017 Hz，於指定 範圍內共取樣512×512 點。

下圖為各組樣品以AFM 量測表面形貌圖，圖 4.10（a）至圖（h）

依序由 SiNx_0.1 至 SiNx_∞，為了更清楚本實驗對象的薄膜品質程 度，我們也量測了目前市售二元式鉻(Cr)膜光罩表面，結果顯示於圖 4.10（i）；由圖中可以更明顯看出各樣品粗糙度差異，如同電子顯 微鏡所觀測的結果，一開始，隨著SiH4/NH3比例增加，粗糙度下降，

至 0.5 至 1 之間降至最低後，開始隨著 SiH4/NH3比例增加而上升，

在某一定SiH4/NH3比例時，會有最佳的表面平坦度，代表著一定程 度上的薄膜品質較佳。雖然本實驗中適當光學常數的合適配比並未 有最佳表面平坦度，但是其粗糙度已遠遠優於市售二元式鉻(Cr)膜光 罩表面，這主要是薄膜成長方式的差異所造成之結果，因此，在曝 光波長也不會有因為粗糙度導致的光散射現象產生。

圖4.10（a） SiNx_0.1 以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（b） SiNx_0.2 以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（c） SiNx_0.5 以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（d） SiNx_1 以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（e） SiNx_2 以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（f） SiNx_5 以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（g） SiNx_10 以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（h） SiNx_∞以 AFM 量測之表面形貌

圖4.10（i） Cr 以 AFM 量測之表面形貌

我們整理上述各組粗糙度資料，如圖 4.11 所示，此外，由實驗 結果可以觀察到，由 SiH4/NH3比例為 0.1 開始，由於反應前趨物提 供之Si 稀少，反應傾向於氣相中均勻成核，反應物有較高比例於反 應腔體內生成後，再沈積於基板表面聚結成薄膜；而試片表面的薄 膜晶粒也會成長至較大尺寸後才開始聚結，由於表面遷移能力較 低，因此造成薄膜成長較為粗糙。隨著反應前趨物提供的Si 原子數 量增加，前趨物比例相當，反應物有越來越高的比例於試片表面生 成，晶粒聚結時間較早，薄膜有較高比例成長為 Si3N4，此薄膜結構 最為緻密；而當 Si 原子過量時，又有較高比例均勻成核及長成較大 晶粒，粗糙度又開始升高。但由於 Si 相較於 N 於薄膜表面遷移能力 為高，因此粗糙度升高速度不似前者。

0.754

0.586

0.318

0.392 0.406 0.442 0.516

0.926

1.135

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5

SiNx_0.1 SiNx_0.2 SiNx_0.5 SiNx_1 SiNx_2 SiNx_5 SiNx_10 SiNx_∞ Cr Sample

Roughness rms (nm)

圖4.11 不同薄膜之粗糙度

由於我們主要選定 SiNx_10 為本實驗之理想條件，因此對於薄 膜粗糙度作定量，用以衡量此薄膜品質，如圖 4.12，觀察 180 秒、

210 秒至 240 秒沈積時間之薄膜，由圖中可以看出粗糙度約為 0.32 nm 左右，並未有隨膜厚增加而明顯上升的趨勢，薄膜表面粗糙度極低，

不會對曝光波長365 nm 造成影響，就算是應用於 193 nm 波長亦是 合適。

圖4.12（a）SiNx_10 沈積 180 秒以 AFM 量測之表面形貌

圖4.12（b）SiNx_10 沈積 210 秒以 AFM 量測之表面形貌

圖4.12（c）SiNx_10 沈積 240 秒以 AFM 量測之表面形貌