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原子力顯微術於奈米加工之應用 文／許如宏、林鶴南 摘要 原子力顯微術(Atomic Force Microscopy,AFM)是目前應用廣泛的奈米表面分析技術，不過除了檢測之用外，也可控制AFM探針與樣品間的交互作用，使樣品表面發生改變，這也就是AFM奈米加工。本文簡介我們目前的研究成果，包括：(一)以接觸力製作奈米金屬結構；(二)以電場氧化，製作奈米氧化物結構，及應用於奈米碳管選區成長；(三)以電場極化鐵電薄膜，製作奈米極化區；(四)以電場產生場發射電流，於電子阻劑上製作奈米結構。 一、簡介 奈米科技為現今最熱門的研究領域檢測更是不可或缺除了電子顯微AFM原理如圖一所示，當探針與樣品接觸時，針尖與樣品作用力使探針產生偏移，雷射光被反射至光偵測器，經過放大電路轉成電壓訊號後，利用回饋電路，使作用力在掃描過程中維持固定，而記錄掃描器垂直軸在掃描過程中的變化，便可得到樣品表面形貌。 圖一：AFM原理示意圖。 AFM除了應用於表面檢測外，也可藉著控制探針與樣品間的交互作用，使樣品表面發生改變，也就是AFM奈米加工技術。根據其作用原理，可大致區分為三類：機械力、電場與場發射電流[6]。在機械力方面，可分為一般機械力與熱機械力(thermomechanical patterning)，一般機械力指的是控制探針直接與樣品表面接觸，利用接觸力進行加工，如Baur等人成功利用AFM探針移動30 nm的金奈米顆粒[7]，也可加大探針的作用力刻畫樣品，製作出凹洞、溝槽等結構，稱為奈米雕刻[8]。而熱機械力則為IBM研究團隊所開發，利用雷射加熱探針後，探針於高分子基板上壓出凹洞，應用於記憶儲存裝置[9]。 在電場方面，在探針上外加一電壓，則探針和樣品間會產生一強大之電場，藉此電場分解吸附於樣品表面的水膜，而發生陽極氧化改變樣品表面稱為奈米氧化(nano-oxidation)，可用來製作氧化物結構[10]。同樣也可以利用電場極化鐵電薄膜，製作不同極化區域，可應用於記憶儲存裝置[11]。另外，鍍金屬探針與樣品間所加的電場會改變兩者的能帶，使探針上的金屬原子蒸發至基板上，此為場蒸發現象(field evaporation)，利用此原理於探針鍍上金膜，可於矽表面上製作出金奈米結構[12,13]。 在場發射電流方面，傳統上電子束微影蝕刻電流來源為電子槍，因為電子能量相當大，對下層基板會產生破壞之外，也會發生鄰近效應(proximity effect)，而影響線寬大小的控制。如果在AFM探針與樣品間加一大電壓，利用場發射效應，使探針取代電子槍成為電流來源，即為場發射電流曝光[14]。此技術可以降低電子的能量，避免鄰近效應發生，而且可在較簡單之環境下操作及降低使用成本。 以上三類只是大致區分，還有其他不同加工方式，如Mirkin研究團隊所發明的奈米墨水筆(dip-pen nanolithography)，探針先沾附高分子後，移動探針將高分子轉移到基板上，可製作出線寬小於50 nm的奈米結構[15,16]。以下我們簡介本實驗室在AFM奈米加工的研究成果，所使用儀器為俄國NT-MDT公司的Smena AFM。 二、奈米金屬結構製作 以最直接的奈米雕刻方式便可製作奈米金屬結構，不過解析度受限於探針大小與樣品本身的厚度，因此多半選擇鑽石探針或力學常數較大的探針，避免在刻畫時，造成探針破壞，而樣品通常也是較軟的材質。 1.奈米溝槽 如圖二所示，在不同厚度之金膜上，使用不同作用力，便可雕刻出不同深度溝槽，例如在15 nm厚的金膜上，以44 N可以達到約13 nm深。此外也可雕刻出複雜圖案，如圖三所示，其中最小字約0.5 m見方，而最小線寬約50 nm，深度為10 nm。  圖二：在金膜上所刻出之溝槽，上圖為金膜厚度15 nm，而下圖為20 nm。 所施加作用力大小分別為(a)22 ?N、(b)35 N、(c)44 N、(d)22 N、(e)35 N、 (f)44 N。 圖三：利用奈米雕刻製作複雜圖案，其中最小字為0.5 ( 0.5 m2，線寬為 50 nm，深度為10 nm。 2.奈米電極 要製作間距為100 nm以下之電極，一般使用電子束微影蝕刻達成，但是其手續繁複且機台昂貴，而奈米雕刻結合光學微影蝕刻，也可製作出間距小於100 nm之電極。其示意圖如圖四(a)所示，首先利用光學微影蝕刻製作出金的H形結構之後，再控制探針在通道部分切割，將其割斷則成為電極。此技術所製作出電極間距可達到約50 nm左右的大小，但在電極兩端會有因奈米雕刻而造成金的堆積，如圖四(b)、(c)所示。  圖四：(a)利用奈米雕刻製作電極之示意圖，(b)、(c)奈米雕刻製作之電極，其間距約 50 nm，可看出電極兩端均有金堆積。 奈米電極可應用於奈米材料電性量測，以奈米碳管為例，可