利用原子力显微术定量量测薄膜之摩擦力.PDF

利用原子力顯微術定量量測薄膜之摩擦力 1 1 1 2 1 *陳右儒 谷祖賢 林欣瑜 方友清 林鶴南 1國立清華大學材料科學與工程學系 2 中山科學研究院材料暨光電研究所 We report the quantitative friction force measurement on various thin films based on the atomic force microscopy. The friction coefficients between different tips including silicon and tungsten carbide coated silicon tips and various films including titanium nitride, diamond-like carbon, and silicon have been obtained. It is clearly observed that the friction coefficients between harder materials are smaller than those between softer materials. In addition, the results also reveal little influence of film morphology of on friction coefficient for the tested titanium nitride films. Keyword ：friction force measurement, atomic force microscopy, friction coefficient, titanium nitride, diamond-like carbon 1.前言 出，如圖一所示，而記錄探針在側向的偏移量偵測器 在元件縮小化下，能製造出耐久且低摩耗的 電壓值，便可得到摩擦力影像。 表面日趨重要，為了分析膜的均勻及摩潤特性， 進而在製程上控制元件材料的摩潤性質，具有奈 米解析度的定量摩擦力測量技術便極為所需。近年 來，已有數種量測儀器使用於研究原子級、分子級的 摩潤學，包括原子表面力測定機[1-4](surface force apparatus) 、石英壓電晶體微天平[5-7](quartz-crystal microbalance) 和原子力顯微術 [8-9](atomic force microscopy) 。 然而，以原子力顯微術為基礎，定量量測摩擦力 的方法包括四象限二極體法[10-11] 、friction loop 法 [12-14] 、側向調變法[15-16]等等。本實驗即以friction loop 法定量量測不同材料或鍍膜的探針(矽、碳化鎢) 圖一：摩擦力測量示意圖[17] 與硬膜(矽、氮化鈦、類鑽碳)間的摩擦係數，於日後可 用來幫助國內工業製程上元件材料、機械材料的選擇 2.2 正向力與摩擦力的測量 與薄膜性質研究等。 探針與樣品間的正向力，我們利用力對距離曲線 (force-distance curve)來測量，方法是讓探針與樣品在 2.實驗原理 垂直方向做一次來回，然後紀錄探針偏移量對 z 軸位 2.1摩擦力顯微術(FFM) 移關係。如圖二所示，由A 至D 對應於探針下針，而 摩擦力顯微術(friction force microscopy, FFM)[9] D 至F 對應於抬針。假設setpoint 值在圖二中的D 點， 於 1987 年被發明，在接觸式AFM 測量時使用四象限