http://www.materialsnet.com.tw　90年 5月　173期　工業材料雜誌　105■

奈米材料技術專題

掃描探針顯微鏡之原理與應用◎作者：羅士哲

　現職：工研院機械所微機電部研究員

前　言

奈米科技是 80年代中才開始發展的新

興科學與技術，目前已廣泛受到科技

界的關注和重視。相信奈米技術也將引發本

世紀的技術革命，從而獲得巨大的實際效

益。

一般而言，奈米技術所涉及的尺寸是

在 100奈米以下，直到原子尺度，因此對

於量測儀器的精度要求也相對地日趨嚴

苛。掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Mi-

croscope; SPM)是在 80年代所發展的一種

材料表面特性檢測儀器之總稱，主要用來

觀察材料表面的各種特性。由於其檢測的

解析度可以達到奈米甚或原子級的程度，

且可在大氣環境下進行檢測，故其應用領

域不斷地擴大。

掃描探針顯微技術最早是在 1972年

發明尖針式形貌檢測儀(Stylus Profilometer)

時所建立的(1)，之後陸續有掃描電子顯微

術(Scanning Electron Microscopy)和勞倫茲

顯微術 (Lorentz Microscopy)的建立。不

過，能夠提供奈米級和原子級解析度

(Atomic Resolution)的顯微術，則是在 1982

年由瑞士 IBM蘇黎士(Zurich)研究實驗室

的兩名研究員 Gerd Binnig 和 Heinrich

Rohrer所提出，其發明的掃描穿隧電流顯

微鏡(Scanning Tunneling Microscope; STM)

可應用於導體材料的表面形貌 (Topog-

raphy)檢測(2)。自此以後，各種掃描探針顯

微鏡相繼地出現，並應用於各種材料表面

特性的檢測，例如原子力顯微術(Atomic

Force Microscopy; AFM)、靜電力顯微術

(Electrostatic Force Microscopy; EFM)、磁

力顯微術(Magnetic Force Microscopy; MFM)

、掃描近場光學顯微術(Scanning Near-Field

Optical Microscopy; SNOM)等，其相關的

顯微技術及機制如表一所示。本文將針對

奈米科技是80年代中才開始發展的新興科學與技術，它將引發本世紀的材料、生化、光電、

能源等技術之革命，人類將從而獲得巨大的實際效益，也因此奈米等級的測量技術也受到高度

的重視。掃描探針顯微鏡由於其原子級的測量解析度、簡易的操作方法，以及低廉的價格等優

異特點，而被廣泛的應用在半導體、光電、材料與記錄媒體產業。本文就針對掃描探針顯微鏡

之各種檢測原理加以說明，其中包含：掃描穿隧電流顯微術、原子力顯微術、近場光學顯微術

等。

關鍵詞：掃描探針(Scanning Probe)、掃描探針顯微鏡(SPM)、顯微術(Microscopy)

■ 106　工業材料雜誌　173期　90年 5月　http://www.materialsnet.com.tw

奈米材料技術專題

掃描探針顯微術及其應用作概括性之介

紹。

掃描探針顯微鏡之操作原理

掃描探針顯微鏡乃是一群有著類似操

作方式之儀器的總稱，主要包含幾個子系

統（如圖一所示）：微探針、感測器、掃

描平台和控制系統。其操作方式是利用一

根極微細的探針（簡稱微探針），在極靠

近試片表面處對試片表面的形貌或特性

（如：電、磁和光特性等）進行探測(3, 4)。

由於以微機電系統(MEMS)或蝕刻製程技

術可作出尖端半徑在 200nm以下的微探

針，故可清楚得到原子等級解析度的試片

表面形貌與特性。通常掃描探針顯微鏡在

檢測試片表面特性時，第一步須先掃描試

片表面形貌。以 STM與 AFM為例，微探

針會先接近掃描試片表面，在兩者距離極

為接近下（約 10nm），微探針尖端會和

試片表面的局部原子（或分子）團發生交

互作用（分別為電場與超距力場），此作

用會對探針產生某種反應（分別誘發穿隧

電流與凡得瓦力），此反應的程度會和針

尖與試片表面的距離相關，再利用感測器

來檢測此反應的程度，將此感測訊號迴授

給控制系統，控制掃描平台來維持試片與

微探針的距離，進而得到試片局部表面的

高度，再配合二維掃描平台的移動則可構

畫出表面形貌。

以下針對掃描探針顯微鏡之各個子系

統做簡要的描述。

1. 微探針

主要是利用其尖端和試片表面原子或

分子團產生某種交互作用，以探測試片表

面的形貌或特性。此交互作用包括：穿隧

電流、原子力、靜電力、磁力、晶格力與

光強度等，一般會依據交互作用的需要採

用不同的微探針，例如：使用穿隧電流的

特性，則需使用具備導電性的微探針；若

使用原子間的作用力（如：凡得瓦力），

則需要能靈敏感測力變化的微探針。

雖然所利用的交互作用和微探針不盡

相同，但為了達到原子等級解析度，所有

微探針都要求小尖角(W/L)和小尖端直徑▲圖一　掃描探針顯微鏡系統架構圖

▼表一　各種掃描探針顯微術

Scanning Probe Microscopy (SPM) Physical property detected

STM Scanning Tunneling Microscopy tunneling current

AFM Atomic Force Microscopy atomic force

SNOM Scanning Near-Field Optical Microscopy near-field light wave

MFM Magnetic Force Microscopy Magnetic force

EFM Electrostatic Force Microscopy electrostatic force

SThM Scanning Thermal Microscopy Heat

LFM Lateral Force Microscopy lateral force

SCM Scanning Capacitance Microscopy electrical capacitance

BEEM Ballistic Electron Emission Microscopy BEEM current. . .. . .. . .

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奈米材料技術專題

(d)，如圖二(a)所示。因為唯有極尖、極細

的微探針尖端方能探測出極微細之試片表

面性質變化，如圖二(b)所示。根據不同的

用途，常見的微探針有：STM使用之導電

鎢針、 AFM/EFM/MFM使用之懸臂樑式

微探針、 SNOM使用之音叉式光纖探針

等，如圖三所示。

2. 感測器

根據檢測機制的不同，微探針與試片

表面的交互作用所產生的反應，大致可以

歸納成三類：穿隧電流反應(STM)、作用

力反應(AFM/ MFM/EFM)、光反應(SNOM)

，因此感測器的感應機制就依據反應的不

同而有差異。

(1)穿隧電流感應機制

當 STM使用之鎢針與試片表面接近

時，若在鎢針施加適當的電壓，則會在針

尖與試片表面之間產生強大的電場。雖然

鎢針與試片並沒有接觸，但此電場會在兩

者間引發微弱的電流（即穿隧電流），如

圖四所示。此穿隧電流和鎢針與試片表面

的距離存在如下的關係式：

It ≅ Ve(-Cd)，

在此 It、 V、 C、 d分別為穿隧電

流、施加於探針和試片間的電壓、材料常

數、微探針尖端和試片間的距離。

在施加固定電壓的情況下，鎢針與試

片表面的距離會直接影響穿隧電流的大

小。因此，藉由感測穿隧電流的大小，即

可獲知針尖與試片表面之間的距離。

(2)作用力感應機制

當 AFM/EFM/MFM使用之懸臂樑式

微探針或 SNOM使用之共振音叉式光纖探

針，與試片表面極接近時，兩者間會產生

　圖三　常見的三種 SPM微探針，鎢針、懸臂樑式

微探針、音叉式光纖探針

▲圖二　(a)探針尖端外形示意圖，(b)以不同探針外形掃描相同輪廓試片之結

果比較圖

▲

　圖四

穿隧電流感測器

示意圖

▲

(a) (b)

■ 108　工業材料雜誌　173期　90年 5月　http://www.materialsnet.com.tw

奈米材料技術專題

交互作用力（如：凡得瓦力、靜電力、磁

力），而作用力會和微探針與試片表面的

距離有關（如：靜電力大小與距離平方成

反比），此力會使得微探針產生變形彎曲

或使得光纖探針之音叉的共振幅度產生變

化，而彎曲程度或音叉震幅大小則與作用

力的大小成關係。因此，感測微探針彎曲

程度或音叉震幅大小，即可獲知針尖與試

片表面之間的距離。

為了感測探針的微小彎曲，利用光學

放大原理（如圖五所示）：使用雷射二極

體產生一雷射光束，經鏡片聚焦於探針尖

端背面，再反射至四象限光檢測器上，並

在光檢測器的四個象限上感測到不同大小

的電流。當探針產生變形時，光感測器接

收到的光點位置會變化，改變光感測器的

每個象限的電流大小，而感測到作用力的

程度。

感測以石英做成之音叉震幅（如圖六

所示），則是利用石英的壓電效應將機械

震動轉換成電流的大小，再利用鎖相放大

器將電流訊號放大，而感測到作用力的程

度。

3. 控制系統與掃描平台

控制系統與掃描平台主要負責的工作

有二：一是控制探針與試片間的距離，另

一則是使微探針掃描出試片上某一區域表

面的形貌與特性。

在掃描的過程中，當探針與試片間距

因交互作用產生變化時，感測器會迴授訊

號給控制系統，控制 Z軸 PZT平台做上下

運動，以固定針尖與試片間的距離（如圖

七所示），如此可感測到試片表面的形

貌。但是，單靠微探針來探測試片的表面

性質所能檢測的範圍極小，需搭配掃描平

台而得到大面積的全貌。▲圖五　力量感測器示意

▲圖六　音叉式光纖探針感測與鎖相放大器示意

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奈米材料技術專題

掃描平台的動作方式可以是將微探針

固定而移動試片，或是試片不動而微探針

作掃描運動，抑或是兩者皆產生相對移

動。掃描時，探針相對於試片是以直線方

式先作前後往返的掃描，之後略為平移至

相鄰的另一條掃描線繼續掃描，如此重複

此一往返掃描的動作，一直到完成設定的

掃描區域為止。掃描平台一般是由 PZT圓

柱管或定位平台所構成，其係利用壓電材

料受到電壓的伸縮特性來驅動掃描平台。

壓電致動器具有高解析度的優點，不過由

於壓電材料亦具有遲滯、潛變和非線性等

缺點，因此，通常需要搭配具奈米解析度

的位移感測器和迴饋控制系統的使用。由

於單獨壓電致動器所驅動的掃描平台其運

動行程較短，為了能進行大面積的材料表

面檢測，有些掃描平台乃是採用具長行程

定位功能的驅動方式，不過通常具有長行

程定位功能的定位平台其定位精度較差，

因此大都用於變換掃描區域時的定位，真

正掃描時的定位仍須配合壓電致動器驅動

平台來達成。

掃描探針顯微鏡之應用

最近十年來半導體技術的關鍵在於縮

小線寬，以提高記憶容量與操作速度，並

降低能源損耗。目前半導體製程的線寬已

經達到 0.18微米，並朝向 0.15~0.13微米

邁進。估計到本世紀初，將進入 100奈米

以下的尺度範圍。另外，在今天資訊爆炸

的網路世代，數位資料量急速增加，迫切

需求更高密度的儲存媒體。目前光碟容量

由 CD 650MB／片提升到 DVD 4.7GB／

片，預計到本世紀初，將到達 HD-DVD

15GB／片以上。因此，光碟的軌距將由

DVD 740奈米縮小到 HD-DVD約 300奈

米，甚至在未來將達 100奈米以下。因

此，掃描探針顯微術被廣泛用來針對材料

表面特性的檢測（如圖八所示）。

近年來更有利用掃描探針顯微術的基

本原理和儀器本身的精密控制能力，藉由

相關參數的調整，而發展出多種掃描探針

▲圖七　掃描探針顯微鏡之控制系統與定位平台

動作示意

　圖八

掃描探針

顯微鏡之

應用例

▲

■ 110　工業材料雜誌　173期　90年 5月　http://www.materialsnet.com.tw

奈米材料技術專題

顯微加工技術，可用來進行奈米結構及元

件的製作，將來更可發展為原子級之材料

搬移或堆疊，其應用的範圍涵括了半導體

業、記錄媒體業、材料科學、生命科學／

生物學等，不過目前掃描探針顯微加工技

術仍處於研究階段。所謂掃描探針顯微加

工法是利用微探針，以機械力、電場、磁

場等效應對試片產生物理或化學變化，而

在試片表面製作出奈米尺寸之元件或結

構。因為掃描探針顯微加工法之設備成本

低、操作容易，並且可以在一般環境下工

作，所以被廣泛地用來研究製作量子元

件、奈米尺寸結構、奈米材料、超高密度

儲存媒體等(3~5)。

結　語

近幾年，歐美政府相繼提供更多的研

究經費與投入大量的研發人力，在開發各

種不同奈米尺寸的加工技術。掃描探針顯

微加工技術提供一種經濟、簡便、環保的

方法，並被廣泛地應用在開發下世代的奈

米元件與記錄媒體上，例如：奈米電晶

體、單電子電晶體、奈米結構、高密度資

料儲存媒體等。這些都證明掃描探針顯微

加工技術在奈米技術領域的應用潛力，因

此掃描探針顯微鏡與加工設備勢必成為一

種被廣泛使用的工具。以 Frost & Sullivan

針對美國的掃描探針顯微鏡市場調查顯

示，在 1997年美國市場為 5,400萬美元，

預估到 2002年將達 1億 2,500萬美元，平

均複合年增率為 14.4%。

目前國內在掃描探針顯微加工技術的

開發上，工研院機械所已經投入三年的研

發經費與人力，目前已經自行開發出掃描

探針顯微鏡（如圖九所示），並且掌握其

中的核心技術與專利，諸如：各式微探針

的設計製作、掃描頭之光學與機構設計製

作、 PZT驅動之奈米定位平台製作、電場

氧化加工技術、電控系統與軟體之開發。

工研院機械所可以協助國內廠商掌握掃描

探針顯微鏡與加工設備之各項技術。

參考資料

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tific Instruments, 43, pp. 999-1011, 1972.

2. D. W. Abraham, H. J. Mamin, E. Ganz, and J.

Clarke, IBM J. Res. Dev. 30, pp. 492, 1986.

3. 羅士哲、林熙翔、林錫甫，“掃描探針顯微加

工之發展與應用”，機械工業雜誌， Vol. 209,

Aug. 2000, pp. 106-112。

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“近場光學之原理與應用發展”，機械工業雜

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5. Kuen-Syh Tseng, T. E. Hsieh, Shih-Che Lo and Hsi-

Fu Lin, "Search of optimum bias voltage for oxide

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▲圖九　工研院機械所開發之掃描探針顯微鏡