TW201437640A - 帶電探針及其電場量測方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種帶電探針及其電場量測方法，探針可充電於單一顆黏合於探針針尖的駐極體奈米球以形成帶電荷之探針，並可適用於掃描探針顯微術。探針包含絕緣針頭基座、懸臂樑及單一顆駐極體奈米球。懸臂樑用以支撐絕緣針頭基座，單一顆奈米設置於絕緣針頭基座之磨損平面上。在使用電極接觸法後，單一顆奈米球可儲存有單一電性之固定量電荷，利用虛像法電荷計算公式計算單一電性之固定量電荷。在於探針尖端的駐極體奈米球儲電後，此探針即可於原子力顯微鏡系統上以輕敲法掃描影像或力距離曲線擷取任何物件表面之電場分佈圖。

Description

帶電探針及其電場量測方法

本發明是關於一種探針及其在電性量測領域之應用，特別是可僅使探針之尖端儲存有單一電性之固定量電荷之帶電探針及其電場量測方法之領域。

目前，以掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy, SPM)掃描並觀測電性元件的電場分布已是現今在半導體工業用來檢測電性元件的製程品質一廣泛且成熟的技術，其元件電性如電荷分布、電位分佈與電容特性等皆可由靜電力顯微鏡 (Electrostatic Force Microscope, EFM)、表面電位顯微鏡 (Kelvin probe Force Microscope, KFM)與電容力顯微鏡(Capacitance Force Microscope, CFM)得知。但是使用傳統SPM應用在量測電性特質時，因受限於其操作流程較為複雜，需要先以導電探針掃描量測物件之形貌，提高探針至一固定高度後再對探針與試片外加一偏壓後，震盪探針沿物件表面懸空掃描，記錄因導電探針與量測試片中電容靜電力所造成的探針震幅與相位變化，以獲得元件電性特性如電荷分布、電位分佈與電容特性等。

然而，上述習知技術之操作原理較為複雜，且量測過程中整根導電之探針與懸臂樑皆會對量測試片造成靜電作用力，所以EFM與KFM等電性量測技術皆需要加裝昂貴的附加設備於AFM機台，且以複雜的數值分析公式計算，此外習知技術更具有無法直接定量元件電場之缺點。

因此，準確定量的量測電性元件的特性是本領域急需所欲解決的問題。本發明之帶單一電性固定量電荷的探針及其量測電性方法，利用簡單並快速的方法，使探針具有固定單一電性的電荷於其上，並利用簡單之關係式量測出單一電性之固定電荷量，以使本發明之已知電荷量之探針應用於掃描探針顯微術，進一步對電性元件快速且簡單地量測電場分布與大小。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之其中一目的就是在提供一種探針，適用於掃描探針顯微術，其包含絕緣針頭基座、懸臂樑及單一顆奈米球。絕緣針頭基座之底部具有磨損平面，懸臂樑連結於絕緣針頭基座並用以支撐絕緣針頭基座且單一顆奈米球或單一顆微米球可設置於磨損平面上。

較佳地，單一顆奈米球或單一顆微米球與磨損平面之間可具有一黏合層。

較佳地，單一顆奈米球之直徑可為1奈米至999奈米之間。

較佳地，單一顆微米球直徑可為1微米至999微米之間。

較佳地，單一顆奈米球或單一顆微米球可由駐極體材料所製成。

較佳地，駐極體材料可為鐵氟龍、石蠟、硬質橡膠、固體酸、鈦酸鋇或鈦酸鈣。

較佳地，當單一顆奈米球或單一顆微米球應用於掃描探針顯微術時，單一顆奈米球或單一顆微米球儲存有單一電性之固定量電荷。

本發明之另一目的就是在提供一種電場量測方法，適用於掃描探針顯微術，電場量測方法是使用上述之探針，電場量測方法包含下列步驟：

藉由電極接觸法使探針之單一顆奈米球或單一顆微米球儲存有單一電性之固定量電荷q，以形成帶電探針。

使帶電探針之單一顆奈米球或單一顆微米球位於距離待測物高度d之位置。

量測單一顆奈米球或單一顆微米球與待測物距離高度d時之吸引力F。

藉由虛像法電荷計算公式計算單一電性之固定量電荷q。

當帶電探針之該單一電性之固定量電荷q被量測出後，即可將儲存有單一電性之固定量電荷q之該帶電探針裝載於原子力顯微鏡探針上並以輕敲模式掃描物件影像或以力-距離曲線擷取待測物之電場分布圖。

較佳地，電極接觸法係於探針之間施加偏壓，可使帶電探針之單一顆奈米球或單一顆微米球儲存有單一電性之固定量電荷。

較佳地，虛像法電荷計算公式符合下列關係式：
F=q²/[4πε0(2d)²]，其中，ε0為真空電容率。

承上所述，依本發明之帶電探針及其電場量測方法，其可具有一或多個下述優點：

(1) 本發明之帶電探針及其電場量測方法可突破傳統EFM量測解析度受限於整根探針與懸臂樑皆為導體而無法精確定量的問題。

(2) 本發明之帶電探針及其電場量測方法，其本身帶有單一電性固定量電荷之探針可以配合一般原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)機台即有的功能進行掃描力量變化或相位變化，以量測其電場分布與帶靜電區域，藉以分析電子元件製程品質，而不需如傳統需要額外對探針施加電壓與複雜的操作過程。

第1圖係為本發明之探針之第一示意圖。

第2圖係為本發明之探針之第二示意圖。

第3圖係為本發明之探針之第三示意圖。

第4圖係為本發明之探針之第四示意圖。

第5圖係為本發明之電場量測方法之流程圖。

第6圖係為本發明之電場量測方法之第一示意圖。

第7圖係為本發明之電場量測方法之第二示意圖。

第8圖係為本發明之電場量測方法之第三示意圖。

請一併參閱第1圖至第4圖，其係為本發明之探針之第一示意圖至第四示意圖。如第1圖所示，本發明之探針1包含絕緣針頭基座2、懸臂樑4及單一顆奈米球3。絕緣針頭基座2之底部具有磨損平面20；懸臂樑4連結於絕緣針頭基座2且可用以支撐絕緣針頭基座2；單一顆奈米球3可設置於磨損平面20上。舉例來說，絕緣針頭基座2與懸臂樑4之絕緣材料可以為氮化矽。值得注意的是，本發明以下之實施例係以單一顆奈米球3做為示範態樣，然使用者可依其量測需要性，將單一顆奈米球3之直徑尺寸提高為單一顆微米球，其直徑可為1微米至999微米之間。

此外，絕緣針頭基座2之磨損平面20之製備，可藉由使絕緣針頭基座2以固定力道接觸且平行移動於沉積有氮化矽之晶圓片表面之方式，進一步磨損絕緣針頭基座2以產生絕緣針頭基座2之磨損平面20。同時，更可利用AFM掃描絕緣針頭基座2之磨損平面20，當掃描影像(如第3圖)顯示絕緣針頭基座2之磨損平面20已具有使用者所欲尺寸之區域後(如第4圖之(a)部分所繪示)，即可將單一顆奈米球3設置於磨損平面20上。

換句話說，使用者可以根據所欲使用之單一顆奈米球3之尺寸，決定磨損平面20之尺寸，以進行最適合之作用條件。較佳地，單一顆奈米球之直徑可為1奈米至999奈米之間。更佳地，單一顆奈米球之直徑可為50奈米至500奈米之間。且單一顆奈米球較佳地可由駐極體材料所製成。其中，駐極體材料可為鐵氟龍、石蠟、硬質橡膠、固體酸、鈦酸鋇或鈦酸鈣，於本發明中係以鐵氟龍作為實施態樣，但不應以此為侷限。

請參閱第2圖，其係為本發明之探針之第二示意圖。如圖所示，第2圖與第1圖所界定之相同元件符號之元件，其結構與連結關係應視為相同，故於此不再贅述。第2圖與第1圖不同的是，第2圖更可包含一層黏合層21，其可設置於單一顆奈米球3與磨損平面20之間。值得注意的是，黏合層21可由樹脂接合劑，例如:AB環氧樹脂或UV膠所形成。

舉例來說，使用者可藉由針頭沾取適量的樹脂接合劑後，來回刮掃於潔淨玻片表面，並在光學顯微鏡下找到體積只有數微米立方的樹脂接合劑，並將探針1之磨損平面20輕點於樹脂接合劑上，即可沾黏適當量之樹脂接合劑於磨損平面20。最後只要使帶適量樹脂接合劑之磨損平面20輕點於只璇鍍一層鐵氟龍單一顆奈米球3之試片，即可把鐵氟龍單一顆奈米球3黏合於磨損平面20之上(如第4圖之(b)部分所繪示)。

請參閱第5圖，其係為本發明之電場量測方法之流程圖。如圖所示，該電場量測方法包含下列步驟：

S400：藉由電極接觸法使探針之單一顆奈米球儲存有單一電性之固定量電荷q，以形成該帶電探針。

S401：使探針之單一顆奈米球位於距離待測物高度d之位置。

S402：量測單一顆奈米球與待測物距離高度d時之吸引力F。

S403：藉由虛像法電荷計算公式計算單一電性之固定量電荷q。

S404 : 當帶電探針之該單一電性之固定量電荷q被量測出後，即可將儲存有單一電性之固定量電荷q之該帶電探針裝載於原子力顯微鏡探針上並以輕敲模式掃描物件影像或以力-距離曲線擷取待測物之電場分布圖。

其中，藉由電極接觸法，可於探針1之間施加偏壓，以使探針1上之單一顆奈米球3儲存有單一電性之固定量電荷以形成帶電探針。詳細地說，請一併參閱第6圖，其係為本發明之電場量測方法之第一示意圖。如圖所示，本發明之探針1可透過金屬膠5(例如：銅膠)固定於金屬層6，其中該金屬層6可固定於玻璃層7上。使用者可藉由電源供應器8於探針1之間施加偏壓。詳細地說，電源供應器8之正電壓(+)施加於金屬層6，而負電壓(-)則是施加於金屬層6相對於探針1之另一側之金屬探針9上。且當金屬探針9如第5圖所示之箭頭方向向下輕觸單一顆奈米球3，即可對單一顆奈米球3進行充電，以使單一顆奈米球3儲存有單一電性之固定量電荷。順帶一提的是，金屬探針9輕觸單一顆奈米球3以進行充電時，可選擇10分鐘至15分鐘作為接觸時間，以達到較佳地充電效率。

此外，單一電性之固定量電荷q可藉由虛像法電荷計算公式計算得出，且虛像法電荷計算公式符合關係式F=q²/[4πε0(2d)²]。請參閱第7圖，其係為本發明之電場量測方法之第二示意圖。如圖所示，當使用者量測得出單一顆奈米球3與待測物10距離高度d時之吸引力F時，即可使用此關係式以求得單一顆奈米球3之單一電性之固定量電荷q。

請參閱第8圖，當此帶電探針製作完成後，因只有一固定量之同性電荷儲存於單一奈米尺度的駐極體小球上，所以裝載於原子力顯微鏡機台上，以輕敲式掃描法或力-距離曲線進行在元件表面的量測，即可得知元件表面電場作用力大小的分布情形。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

1．．．探針

2．．．絕緣針頭基座

20．．．磨損平面

21．．．黏合層

3．．．單一顆奈米球

4．．．懸臂樑

5．．．金屬膠

6．．．金屬層

7．．．玻璃層

70．．．電力線

8．．．電源供應器

9．．．金屬探針

10．．．待測物

S400、S401、S402、S403、S404．．．步驟

1．．．探針

2．．．絕緣針頭基座

20．．．磨損平面

3．．．單一顆奈米球

4．．．懸臂樑

Claims (10)

1. 一種帶電探針，適用於掃描探針顯微術，其包含：
   一絕緣針頭基座，該絕緣針頭基座之底部具有一磨損平面；
   一懸臂樑，連結於該絕緣針頭基座並用以支撐該絕緣針頭基座；以及
   單一顆奈米球或單一顆微米球，設置於該磨損平面上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之帶電探針，其中該單一顆奈米球或該單一顆微米球與該磨損平面之間具有一黏合層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之帶電探針，其中該單一顆奈米球之直徑為1奈米至999奈米。
4. 如申請專利範圍第1項所述之帶電探針，其中該單一顆微米球之直徑為1微米至999微米。
5. 如申請專利範圍第1項所述之帶電探針，其中該單一顆奈米球或該單一顆微米球係由一駐極體材料所製成。
6. 如申請專利範圍第5項所述之帶電探針，其中該駐極體材料為鐵氟龍、石蠟、硬質橡膠、固體酸、鈦酸鋇或鈦酸鈣。
7. 如申請專利範圍第5項所述之帶電探針，其中當該單一顆奈米球或該單一顆微米球應用於掃描探針顯微術時，該單一顆奈米球儲存有單一電性之固定量電荷。
8. 一種電場量測方法，適用於掃描探針顯微術，該電場量測方法使用如申請專利範圍第1項至第7項所述之帶電探針，該電場量測方法包含下列步驟：
   藉由電極接觸法使探針之該單一顆奈米球或該單一顆微米球儲存有單一電性之固定量電荷q，以形成該帶電探針；
   使該帶電探針之該單一顆奈米球或該單一顆微米球位於距離一待測物高度d之位置；
   量測該單一顆奈米球或該單一顆微米球與該待測物距離高度d時之吸引力F；
   藉由一虛像法電荷計算公式計算該單一電性之固定量電荷q；以及
   當帶電探針之該單一電性之固定量電荷q被量測出後，即可將儲存有單一電性之固定量電荷q之該帶電探針裝載於原子力顯微鏡探針上並以輕敲模式掃描物件影像或以力-距離曲線擷取該待測物之電場分布圖。
9. 如申請專利範圍第8項所述之電場量測方法，其中該電極接觸法係對該帶電探針之間施加偏壓，以使該帶電探針之該單一顆奈米球或該單一顆微米球儲存有單一電性之固定量電荷。
10. 如申請專利範圍第8項所述之電場量測方法，其中該虛像法電荷計算公式符合下列關係式：
    F=q²/[4πε0(2d)²]
    其中，ε0係為真空電容率。