20
550ns 1000ns 100ns
Cool down to room temperature
20 Si-substrate/ZnS-SiO2(130nm)/Ge2Sb2Te5(40nm)，寫入功率為 1~20mW(間隔 1mW)，寫入時間為 100~1000ns(間隔 50ns)，掃描範圍為 45x45μm。
圖 3-15 範圍矩陣經過加熱至 180°C 後冷確至室溫後其原子力顯微儀表面形貌圖；樣品結構參 數為 Si-substrate/ZnS-SiO2(130nm)/Ge2Sb2Te5(40nm)，寫入功率為 1~20mW(間隔 1mW)，寫入時 間為 100~1000ns(間隔 50ns)，掃描範圍為 45x45μm。
圖 3-10~圖 3-15 為一系列原子力顯微儀變溫實驗；設計將同一組樣 品經過室溫至 180°C 的加熱中(間隔 20°C)及冷卻後掃描，欲觀察是 否會因密度變異而有形變的改變。經由比對不同溫度之表面形貌圖可 整理以下幾要點：(一)、對於本實驗所使用之材料鍺銻碲(Ge2Sb2Te5)，
其寫下記錄點矩陣之表面形貌在室溫至 140°C 時皆無太大之改變(量 測誤差範圍內)，推測此時尚未達相變化材料之相變點，是以並未有 變緻密的現象發生。(二)、當加熱溫度高於 140°C，可觀察到低功率 區域的記錄點(寫入功率 1~6mW)逐漸由原先之凹陷形貌轉變為突起 樣。此現象臆是達到相變化溫度後，原先寫下之記錄點因背景相態由 初鍍態(as-deposit state)轉變為結晶態而體積減縮，是以整體背景空白 處(blank area)會因密度變大而體積緻密下降。為了更詳細的就此現象 討論，另設計了雷射功率為 1.4~2.2mW(間隔 0.2mW)，寫入時間為 500~1000n( 間 隔 50ns) ， 樣 品 結 構 為 Si-substrate /ZnS-SiO2(130nm)/Ge2Sb2Te5(50nm)之樣品，欲觀察討論該參數條件下 記錄點形變之情形。
圖 3-16 為記錄點矩陣經加熱至 180°C 維持 20 分鐘後冷卻至室溫之 原子力顯微儀表面形貌圖；圖 3-16(a) 為加熱前之表面形貌圖，參數 之寫入順序皆和先前樣品相同，矩陣之功率與時間隨右上至左下依序 增加(如標示矩陣所示)。數據中可觀測到加熱前之記錄點呈現約 2nm
之凹陷，直徑大小約為 1μm 左右(約略平均值)。經加熱過後，原先 呈現凹陷之記錄點皆會轉變為些微突起貌；文獻討論中[11]，Ge2Sb2Te5
相 變 化 材 料 之 密 度 可 分 為 初 鍍 非 晶 態 (5.86 g/cm3) 、 退 火 結 晶 態
(6.13g/cm3)、與理論計算結晶態(6.28g/cm3)；寫下記錄點到加熱後之 現象以以下幾點試解釋之：(一)、雷射光束寫在初鍍態相變化薄膜 時，由於該區域受到熱影響，密度會由初鍍膜態(5.86g/cm3)升高至結 晶態(6.13g/cm3)，導致晶體排列較緊密，是以體積會有縮減的現象；
由於樣品為邊界侷限的情形，是以推測密度之改變比例會反應在高度 的改變比例上。(二)、樣品背景經過高溫長時間退火後，背景會由初 鍍態(5.86g/cm3)轉變至結晶態(6.13g/cm3)，是以會因密度變大而導致 體積縮減。(三)、寫下記錄點處密度為結晶態(6.13g/cm3)，經過加熱 至 180°C 後因未達到相變化材料之二次相變點(240°C)，是以推測仍 維持在先前相態密度(6.13g/cm3)。
TOPOGRAPHY GST=50nm at room temp. 2μm
500 600 700 800 900 1000 (ns) 2.2
Cross section profile of 2.2mW, 1000ns
3.9nm
TOPOGRAPHY GST=50nm at room temp. 2μm2μm
500 600 700 800 900 1000 (ns) 2.2
Cross section profile of 2.2mW, 1000ns
3.9nm
TOPOGRAPHY GST=50nm 180°C heated
2.2
500 600 700 800 900 1000 (ns) 2μm
Cross section profile of 2.2mW, 1000ns
1.2nm
TOPOGRAPHY GST=50nm 180°C heated
2.2
500 600 700 800 900 1000 (ns) 2μm 2μm
Cross section profile of 2.2mW, 1000ns
1.2nm
(a) (b)
圖 3-16(a)為記錄點矩陣加熱前之表面形貌圖；圖 3-16(b)為經 180°C 加熱後冷卻至室溫之表 面形貌圖；樣品結構為 Si-substrate/ZnS-SiO2(130nm)/Ge2Sb2Te5(50nm)，寫入功率及時間如標示所 示。
圖 3-17 為對該實驗觀測到之現象提出之模型解釋。模型中主要由 兩相態組成，分別是膜層的背景相態(初鍍態，密度為 5.86g/cm3)、寫 下記錄點處之結晶態(crystalline，密度為 6.13g/cm3)。模型中設立了三 參數：一是記錄點經過加熱會下降之高度(X nm)；一為背景初鍍態經 過加熱後會下降之高度(Y nm)，一則是經過雷射光束照射後下降之高 度(Z nm)。藉由實驗結果推論可知，X、Y、Z 之關係式為：Y-(X+Z)=
最後記錄點處突起高度。此外亦設立了兩假設條件：(a)、由於樣品邊 界處為侷限的狀態，是以將密度的改變比直接對應到高度的改變比。
(b)、經過 180°C 加熱後之密度與雷射寫下之記錄點密度相同(皆為
Crystalline state (6.13g/cm3) As-deposit
Layer (5.86 g/cm3)
Changing of recording mark: X nm Changing of background: Y nm Sinking degree of recording mark: Z nm Experiment Relationship：Y-(X+Z)
annealing Laser-crystallized
Room temperature Heated on 180°C
Y Xz
Crystalline state (6.13g/cm3) As-deposit
Layer (5.86 g/cm3)
Changing of recording mark: X nm Changing of background: Y nm Sinking degree of recording mark: Z nm Experiment Relationship：Y-(X+Z)
annealing Laser-crystallized
Room temperature Heated on 180°C
Y
X Y
Xzz
6.13g/cm3)。
透過該模型分成以下幾點討論：(一)、對於寫下記錄點時，依假設 密 度 改 變 比 應 會 對 應 至 高 度 改 變 差 ； 文 獻 中 密 度 改 變 比 為
4%(6.13-5.86/5.86)，而高度改變比為 7.8%(3.9/50)。(二)、寫下之記錄 點經過加熱後會下 X nm，依假設二此時 X=0，表示先前寫下之記錄 點不會再因加熱而下降。(三)、背景初鍍態材料經過加熱後會下降 Y nm，試算結果為：Y=50*(6.13-5.86)/5.86=2.3nm。就假設模型中之 X、
Y、Z 關係帶入 Y-(X+Z)=加熱後突起高度關係式：2.3-(0+1.5)=0.8，
表示最後寫下結晶處要較周圍突起約一奈米左右，該寫入參數下 (1.4mW，500ns)符合假設條件下之模型試算結果。
圖 3-17 對加熱後實驗結果提出一解釋模型：藉由分析不同相態之密度改變關係，來解釋加熱 過後原先凹陷之記錄點會變至突起的狀態。X、Y、Z 之關係式為：Y-(X+Z)=最後記錄點處突起 高度。圖示為原先寫下凹陷數奈米之記錄點，經過加熱後之凹陷情形。
但此模型亦有許多困難定量處，是否不同寫下點的參數，會造成結
晶程度的不同；且寫下之記錄點並非單純的凹陷形變。舉例實驗設計 參數(雷射功率 2.2mW，寫入時間 1000ns)，形變為中心略有突起而周 圍凹陷。且突起程度僅數奈米高，是否會因為原子力顯微儀量測時的 邊緣誤差而導致估算困難亦是需考量的因素。此外，加熱條件下
(180°C 持續 20 分鐘)，相變化材料結晶態是否會和寫入記錄點之結晶 態相同；以及是否有其他物理機制的影響，如經過雷射光束寫入後是 否會造成區域性的材料結構不同，以及加熱時相變化材料是否會對缺 陷有形變集中的效應等都是需再經過實驗證實的。
3-5. 導電式原子力顯微儀(C-AFM)觀察不同溫度下覆寫式 商業光碟片其記錄點隨溫度變化關係
本實驗之實驗目的為透過導電式原子力顯微儀之加熱平台觀測加 熱中相變化記錄點之導電性變化，及了解雷射光致記錄點之導電特 性。其實驗分為兩部分：(一)、對市售之可重複讀寫式(DVD+RW)商 業碟片(錸德公司)，以市售之商業碟機寫下記錄資訊，再加熱進行掃 描。(二)、實驗過程中因遭遇到加熱中掃描狀態不穩定的情形，是以 對 DVD+RW 之空白基板作室溫至 180°C(間隔 20°C)之加熱實驗，欲 了解是否基板因加熱而熔化造成干擾。圖 3-18(a)~(j)為一系列加溫中 掃描之結果，商業碟機寫入功率通常為 7~11mW 左右，實驗之掃描
範圍皆為 5 μm*5μm。
圖 3-18(a) 為商業片未加熱前之表面形貌，藉此可知道一般光碟片 中，基版組成的部分為週期性高低起伏，週期為 0.73μm 之溝軌組 成，藉此可以幫助雷射光束達成循軌及定位。圖 3-18(b)為 C-AFM 導 電訊號圖，由訊號之尺度表可藉由黑白色之對比判斷出導電性之差 異；寫下記錄點處為白色區域，可視為較背景材料不導電處。由於一 般商用碟片皆會經過初始化之動作，是以背景會偏向結晶態；當雷射 功率寫入時，由於高溫急速焠冷造成晶體來不及重複排列而形成非晶 態，是以記錄區域之導電性會較背景區域來得低。
圖 3-18(c)~(j) 依序為加熱 120°C 至 180°C 之實驗結果，其實驗皆 為達到目標溫度後，放置 20 分鐘使其熱平衡穩定後之掃描結果。由 趨勢看來，對於溫度逐漸上升時，相變化記錄點之導電性逐漸和背景 趨於相同之結果；文獻中所知，相變化材料之相變點溫度約在 160°C 左右。是以當溫度逐漸接近 160°時，會使得整體相變化材料受到熱 能而導致晶體重新排列，原先非晶相之區域因而會轉變為結晶相，導 致和背景電性趨於相同，因而無法判讀出差異。至於導電訊號圖中會 出現電性中斷之問題，主因應是加熱時，探針易沾黏氣體揮發物而導 致形成一隔絕層；亦或探針尖端受高溫影響易受損等原因。