【實驗目的】

運用原子力顯微鏡來製作奈米氧化的圖案。以及了解在各種參數改變下所進行之奈米氧化之差異性。

◎所需器材：

矽基板(本實驗所用的Si基板為(1 0 0)晶面，並將其切割成1×1 cm²大小，以便進行實驗。)

氫氟酸溶液 (Hydrofluoric Acid，HF)

原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscopy，AFM)(Fig.1)

AFM Si探針

Fig.1：AFM

◎所需之電腦軟體：

XEP                Version 1.6

XEI         Version 1.5 1+

XEL                Version 1.2 M2

【實驗原理】

利用AFM探針與表面之間的距離相當接近，加上探針的針尖有使電場集中的作用，使得探針與表面之間局部電場強度非常之高(~10⁹ V/m)。在大氣中探針與矽晶片表面都會附著一層薄薄的水膜，因為水的表面張力的緣故，在兩者之間會形成一道水橋。這個強電場會引起大量的水分子解離成OH-，而OH-會受到電場的作用而進入矽晶片與矽反應，產生氧化矽(Si + 2OH^- +4H⁺ → SiO₂ + 2H⁺)。

Fig.2：在空氣中使用AFM 導電探針作局部場致氧化實驗的示意圖。AFM 可在接觸、非接觸或敲擊模式下操作，而加於樣品上的偏壓則可為靜態直流或動態交流電壓。當外加於樣品上的正偏壓大於臨界電壓時，樣品開始產生陽極氧化反應。

 

【實驗方法及步驟】

1.將切割成1×1 cm² 矽基板依序利用丙酮、酒精、去離子水(DI water)進行超音波震洗，再將矽基板表面之水滴以氮氣(N₂)吹掉，並以200℃進行硬烤5分鐘。

Fig.3

2.將清洗完之矽基板浸泡至氫氟酸中一分鐘。

3.將氫氟酸浸泡完之矽基板放至AFM機台中，利用AFM之XEP執行檔進行第一次的掃描。(見Fig.4)之後進行以下實驗。

Fig.4：浸泡過氫氟酸之矽基板於AFM下呈現原子級平坦(image size: 600nm²)。

＜實驗一＞點陣列之氧化實驗

1. 考慮在施加電壓固定下(Tip Bias Fixed)，氧化時間與氧化程度之關係。
   1. 利用XEL程式在矽基板上畫出如Fig.5的點陣列，並改變各點之氧化時間參數(Oxidation Time)，並將其記錄於實驗結果。
   2. 氧化之後，利用XEP程式再進行一次的掃瞄，再利用XEI程式進行圖像處理。
2. 考慮在氧化時間固定下(Oxidation Time Fixed)，施加電壓與氧化程度之關係。
   1. 利用XEL程式在矽基板上畫出如Fig.5的點陣列，並改變各點之施加電壓參數(Tip Bias)，並將其記錄於實驗結果。
   2. 氧化之後，利用XEP程式再進行一次的掃瞄，再利用XEI程式進行圖像處理，並於實驗結果中討論之。

1   2   3   4

5   6   7   8

9   10   11   12

13   14   15   16

Fig. 5

＜實驗二＞線陣列之氧化實驗

【實驗結果】

＜實驗一＞點陣列之氧化實驗

1. 施加電壓固定下(Tip Bias Fixed)，氧化時間與氧化程度之關係

(1)施加電壓為-8V。

1   2   3   4

5   6   7   8

9   10   11   12

16   15   14   13

Fig.7：氧化點位置圖

 

點	氧化時間(ms)	點	氧化時間(ms)	點	氧化時間(ms)	點	氧化時間(ms)
1	240	2	247	3	254	4	261
5	268	6	275	7	282	8	289
9	296	10	303	11	310	12	317
13	324	14	331	15	338	16	345

268表.1：各點氧化時間對應表(-8V)

 Fig.8：施加-8V電壓後，氧化之AFM掃圖

利用XEI對此圖形進行點的高度分析，並將其作數據整理(表.2)。

 

 

氧化時間(ms)	氧化點之高度(pm)
240	/
247	/
254	3140.485
261	3173.568
268	3236.476
275	3320.302
282	3331.139
289	3301.059
296	3086.887
303	3283.439
310	3244.586
317	3854.222
324	3971.587
331	4202.587
338	4511.221
345	4511.589

表.2：氧化時間與氧化點高度對應表

 

 

 

 (2)施加電壓為-10V。

1   2   3   4

5   6   7   8

12   11   10   9

13   14   15   16

Fig.11：氧化點位置圖

 

點	氧化時間(ms)	點	氧化時間(ms)	點	氧化時間(ms)	點	氧化時間(ms)
1	240	2	247	3	254	4	261
5	268	6	275	7	282	8	289
9	296	10	303	11	310	12	317
13	324	14	331	15	338	16	345

表.5：各點氧化時間對應表(-8V)

Fig.15：施加-10V電壓後，氧化之AFM掃圖

 

 

◎參考資料：清大物理雙月刊(廿三卷六期)2001年12月/奈米世界的全方面工具 ……………………………………………………………果尚志