2024.1.15—原子力显微镜（AFM）简介与应用

原子力显微镜（AFM）简介与应用

       AFM:原子力显微镜(Atomic Force Microscope/AFM)，一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构面的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表结构及性质。

       根据针尖与试样表面相互作用力的变化，AFM主要有3种操作模式：接触模式(contact mode),非接触模式(non-contact mode)和敲击模式(tapping mode)。

       接触模式（Contact Mode）：AFM最直接的成像模式。在整个扫描成像过程之中，探针针尖始终与样品表面保持接触，而相互作用力是排斥力。扫描时，悬臂施加在针尖上的力有可能破坏试样的表面结构，因此力的大小范围在10^-10～10^-6Ｎ。若样品表面柔嫩而不能承受这样的力，则不宜选用接触模式对样品表面进行成像。

       非接触模式（non-contact mode）：非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10nm的距离处振荡。样品与针尖之间的相互作用由范德华力控制，通常为10^-12Ｎ，样品不会被破坏，而且针尖也不会被污染，特别适合于研究柔嫩物体的表面。不足之处，要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚空气中的水，它会在样品与针尖之间搭起小小的毛细桥，将针尖与表面吸在一起，从而增加尖端对表面的压力。

       轻敲模式（Tapping Mode）：轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间，是一个杂化的概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡，针尖仅仅是周期性地短暂地接触/敲击样品表面。这就意味着针尖接触样品时所产生的侧向力被明显地减小了，因此当检测柔嫩的样品时，AFM的敲击模式是最好的选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描，装置随即将有关数据输入系统，如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间的最大距离等，用于物体表面分析。同时，AFM还可以完成力的测量工作，测量悬臂的弯曲程度来确定针尖与样品之间的作用力大小。

图1：AFM三种操作模式的比较：

（a）接触模式；（b）非接触模式；（c）轻敲模式。
上述内容摘自知乎相关材料。

关于原子力显微镜在集成电路制造工业上的应用，我们的服务主要分为三大类：
第一类：SCM（扫描电容显微术）

       SCM: 量测样品电容随交变电压的变化率dC/dV，SCM为掺杂形态的定性分析，其信号会受到外在环境的影响，其颜色的变化仅代表样品信号的强弱，无法直接做浓度的判断。SCM可侦测浓度的范围为1E15~1E20atom/cm3。利用SCM对半导体器件进行电学表征,利用高空间分辨率进行电学特征表征是理解半导体器件功能的关键。扫描电容显微镜由于其非破坏性的扫描能力和高精度的纳米级特征测量，是表征半导体器件的有力方法。在半导体制造中，SCM提供有助于故障分析和设计改进的掺杂剂分布。

图2：SCM标准四出图

第二类：C-AFM（导电原子力显微术）

       C-AFM : 量测针尖与样品之间的电流。在做芯片失效分析中扮演着重要角色，针对失效热点区域及SB、SBL、WL、SWL、MWL、FBL、MBL、PBL、DFT等failure mode去层看VC无明显异常时，可在Via层及Contact层做C-AFM量测，进而精准测出PN结电流大小来推断是否有漏电及高阻情况。

图3：C-AFM出图

图4：DCUBE C-AFM出图

第三类：AFM(原子力显微术)

       AFM : 扫描样品表面，测得样品表面的粗糙度。其具有独特的优点：原子级的高分辨率，实时成像，可以直接研究表面局域性质。它是一种跨越了光学和电子显微镜两类仪器工作范围的精密成像仪器。

图5：AFM出图