AlN 薄膜表面粗糙度量測

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是由 Binning、Quate 及 Gerber 於1986 年所提出[21]，其在科學應用上已非侷限於奈米尺度表 面影像的量測，更廣為應用於奈米尺度下微觀物性量測，對奈米科技有

間，AFM探針一般由成份為Si或Si3N4懸臂樑及針尖所組成，主要藉由 針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位移，來偵測探針與樣 品表面之間的某種交互作用如圖3-3，如穿隧電流、原子力、磁力、近場 電磁波等等。以測得表面結構形狀。然後使用一個具有三軸位移的壓電 陶瓷掃瞄器，使探針在樣品表面做左右前後掃瞄，並利用此掃瞄器的垂 直微調能力及迴饋電路，讓探針與樣品間的交互作用在掃瞄過程中維持 固定，此時兩者距離在數至數百Å (10^-10m) 之間，而只要記錄掃瞄面上 每點的垂直微調距離，便能得到樣品表面的等交互作用圖像，而這些資 料便可用來推導出樣品表面特性。

AFM的探針是由針尖附在懸臂樑(cantilever)前端所組成，當探針尖 端與樣品表面接觸時，由於懸臂樑的彈性係數與原子間的作用力常數相 當，因此針尖原子與樣品表面原子的作用力便會使探針在垂直方向移 動，而藉著調整探針與樣品距離，便可在掃瞄過程中維持固定的原子 力，此垂直微調距離，便可當成二維函數儲存起來，也就是掃瞄區域的 等原子力圖像，這通常對應於樣品的表面形貌，一般稱為高度影像。

AFM 操作模式可區分為三大類：

(1)接觸式(contact)：在接觸式操作下，探針與樣品間的作用力是原子間 的排斥力，這是最早被發展出來的操作模式，由於排斥力對距離非常敏

感，所以接觸式 AFM 較容易得到原子解析度。在一般的接觸式量測中，

探針與樣品問的作用力很小，約為10^-6至10^-10牛頓，但由於接觸面積極 小，因此過大的作用力仍會損壞樣品表面，但較大的的作用力通常可得 到較佳的解析度。因此選擇適當的的作用力，接觸式的操作模式是十分 重要的。

(2)非接觸式(non-contact)：為了解決接觸式AFM可能損壞樣品的缺點，

便有非接觸式AFM發展出來，這是利用原子間的長距離吸引力『凡德瓦 爾力』來運作力（此時為吸引力，力量約在10至12 N，針尖與樣品表面 間的距離約為50Å至100 Å）。凡德瓦爾力對距離的變化非常小，因此必 須使用調變技術來增強訊號對雜訊比，便能得到等作用力圖像，這也就 是樣品的高度影像。一般非接觸式AFM只有約50nm的解析度，不過在 真空環境下操作，其解析度可達原子級的解析度，是AFM中解析度最佳 的操作模式。

檢測，及微觀表面結構研究的重要工具。

圖3-3 原子力顯微鏡機構示意圖

將不同雷射能量濺鍍的氮化鋁薄膜參數如表3-2，利用原子力顯 微鏡分析其表面平均粗糙度，本研究所使用機型為間歇接觸式可由長與 寬5μm的薄膜分析範圍結果得知，如圖3-3、3-5、3-7、3-9、3-11為AFM 表面形態圖。圖3-4、3-6、3-8、3-10、3-12為AFM表面高度分布圖，從 圖中整理出圖3-13可以得知當能量在20kv-22kv時表面顆粒眾多，大小不 一分布很廣顆粒大小不一但大多集中在20~40nm之間，23kv時表面平整 度不錯但是當有顆粒時顆粒大小大約為45~60nm之間，當能量在24kv時 表面平整度最好，表面顆粒大小大部份集中在20~30nm之間，所以以目

基板 P-Type Si or N-Type Gan

雷射能量 20kv/21kv/22kv/23kv/24kv

脈衝頻率(pulse/sec) 5

靶材與基板距離(cm) 5

基板溫度( )℃ 25

真空壓力(Torr) 1×10⁻⁴以下

濺鍍時間(minute) 20

表3-2 雷射濺鍍氮化鋁薄膜參數設定值

圖3-4 氮化鋁薄膜，雷射能量為20kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖

圖3-5 氮化鋁薄膜，雷射能量為21kv在原子力顯微鏡下所得 表面形態之影像

圖3-6 氮化鋁薄膜，雷射能量為21kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖

圖3-8 氮化鋁薄膜，雷射能量為22kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖

圖3-9 氮化鋁薄膜，雷射能量為23kv在原子力顯微鏡下所得 表面形態之影像

圖3-10 氮化鋁薄膜，雷射能量為23kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖

圖3-12 氮化鋁薄膜，雷射能量為24kv在原子力顯微鏡下所得 表面高度分布圖

2 0 2 1 2 2 2 3 2 4

1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 4 5 5 0 5 5 6 0

average surface roughness (nm)

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