〈1〉電子極化(electron polarization)：
所有的材料都會發生，乃外加電場造成電子雲的形變，電子雲中心不與原子 核中心重疊，相對於原子核有一淨位移。
〈2〉離子極化或原子極化(ionic polarization or atomic polarization)：
陰、陽離子因外加電場介入，會改變離子間距或鍵結角度，因此造成偶極矩。
〈3〉偶極極化或方向極化(dipole polarization or orientation polarization)：
具有永久偶極矩的分子，會順著平行電場的方向排列。
〈4〉空間電荷極化(space charge polarization)：
當兩種或兩種以上的物質在一起時，由於彼此間導電性之不同，載子會受能
11
圖3-1 四種不同極化方式[28]
二氧化矽氧化層有以下幾個問題：一、直接穿透漏電流的問題；薄氧化層已 不是一個良好絕緣體，漏電流的大小隨厚度減少呈現級數增加。二、通道電子漏 失的問題；太大的漏電流使得電子無法在通道中累積，降低元件電流的驅動力。
三、載子遷移率下降的問題；氧化層厚度的減少使得垂直於通道的電場快速增加，
導致通道中的載子遷移率下降。以矽為半導體為基底的金氧半電晶體（MOSFET）
為例，尺寸越做越小，已經是現今科技上的趨勢，故在閘極氧化層厚度越小情況 下，必頇研究開發新的介電材料來取代原有二氧化矽（SiO2），如：Al2O3、Ta2O5、 STO、BST 等，為 high-k 電容的材料，另有 Ta2O5、TiO2、HfO2、ZrO2、Al2O3、 La2O3、Pr2O3等，為 high-k 閘極絕緣膜的材料。
圖3-2 各高介電材料之載子位能障[41]
圖3-3 漏電流與高介電材料能隙關係[28]
3-2 薄膜的反射特性
當在基板Ns鍍上如圖3-4所示，折射率為N，厚度為d之單層膜後，薄膜與基板 構成兩個介面a和b。於是入射波由介質N0入射，經由介面a與b反射，會在a、b介面 形成淨電場與淨磁場Ea、Ha及Eb、Hb。假設所有的介電值是均勻且各向同性，介 面是平行且可無限延伸。
Dielectric Constant k～1/EG
EG
ε
ΦM
EF
ΔEC
EC
ΔEC≧1eV for Low
Gate Dielectric
13
圖3-4 基板ns鍍上折射率為N的薄膜，厚度為d 由於波的形式為
(公式 3-1) 所以在光行進距離 d 後走了相厚度 δ，以及在 z 方向會有個相位差 δ
(公式 3-2) 設平行於界面之電磁場分冸以符號 E 與 H 表示，由於他們在界面上必頇是連 續值，因此可得以下關係式：
在界面 b：
淨電場 (公式 3-3) 淨磁場
或 (公式 3-4)
在介面 a：
淨電場 (公式 3-5) 淨磁場
或 (公式 3-6)
a b
substrate
Thin-film
η0、η、ηs分冸表示入射介電質、薄膜及基板之一般光學導納。
15
網狀結構的晶體，如圖 3-5 所示。因此，通常用 SiO2來表示二氧化矽的組成。SiO4
四面體不僅存在於 SiO2 晶體中，而且存在於所有矽酸鹽礦石中。二氧化矽(SiO2)
薄膜已經是一種普遍應用於各個領域的重要膜層，例如在半導體技術方面，SiO2
薄膜是最常用來當作絕緣層的一種材料；在鍍膜工業中，SiO2 薄膜也常用來當作 金屬或其他材料的表面抗刮與保護層。[11]
圖3-5 二氧化矽（SiO2）結構圖[11]
表 3-1 二氧化矽物理特性[11]
化學式 SiO2
分子量 60.1 g〃mol-1
密度 2.2
熔點 1650（±75）°C
沸點 2230°C
溶解度 0.012 g/100ml
分子結構 四方晶系
能隙 9eV
17
3-4 掃描式電子顯微鏡 (SEM)與薄膜表面結構的觀察
使用Hitachi S-4300掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscopy, SEM)來 進行樣品表面觀察。電子顯微鏡（Electron Microscope ,EM）一般是指利用電磁場 偏折、聚焦電子及物質作用所產生散射原理來研究物質構造及微細結構的精密儀 器。電子顯微鏡可放大萬倍等級遠遠優於光學顯微鏡的千倍等級。
SEM的原理是電子槍透過熱游離或是場發射原理產生高能電子束，經過電磁 透鏡組後可將電子束聚焦在樣品上。成像信號可以是二次電子、背散射電子或吸 收電子…等等。電子槍發射高能量電子以其交叉般作為電子源，經二級聚光鏡及 物鏡的縮小通過一組控制電子束的掃描線圈，聚焦電子束與樣品相互作用，產生 二次電子發射（以及其他物理信號），二次電子發射量隨樣品表面形貌而變化。
二次電子信號被探測器收集轉換成電訊號，經放大後輸入到顯像管，再調整與入 射電子束同步掃描的顯像管亮度，得到反映樣品表面形貌的二次電子像。電子顯 微鏡主要構造有電子槍、電磁透鏡、掃描線圈、接物透鏡、偵測器、樣品室、影 像管、真空系統。若加裝能量分散光譜儀(Energy Dispersive Spectrometer；EDS)系 統，則可以偵測特徵X光作材料元素成分分析。[32]
圖3-6 掃描式電子顯微鏡之基本構造圖
表 3-2 各種顯微術的比較[37]
光學 顯微術
掃瞄式 電子顯微術
穿透式 電子顯微術
掃瞄探針 顯微術
最高解析度 300nm 1nm 原子級 原子級
成像環境 無限制 真空 真空 無限制
樣品製備 無
觀 察 表 面 需 導電
手續複雜 無
成分分析 有 有 有 有
19