3-1 超高真空系統
本實驗室之超高真空濺鍍系統包含超高真空腔、抽氣系統、蒸鍍系統、濺鍍系統、
壓力量測系統、樣品溫度控制系統、樣品旋轉座等。圖 3-1 為本實驗室系統配置 圖。
圖 3-1 超高真空濺鍍系統示意圖
[23]
。3-1-1 超高真空腔
本實驗室所使用的超高真空腔體為自行設計，于太公司承製。
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3-1-2 抽氣系統
本實驗室的抽氣系統包含兩個部份，目前最低壓力可以達 4.1×10
-10
Torr。圖 3-2 為本實驗系統的最低壓力。
3-1-3 機械幫浦 (Rotary Pump)
機械幫浦是一般真空系統中用必備的幫浦。抽氣真空的範圍從一大氣壓到 10
-3
Torr，其抽氣速度約 50~3000 L/hr，而其旋轉速度約 1500 rpm 左右。機械幫浦 的工作原理如圖 3-3。幫浦轉子和靜子為不同心的圓形零件，運轉時旋轉葉片在 轉子溝槽中滑動，而旋片末端與靜子保持接觸，以達到氣體壓縮及傳輸功能，這 中間的密合以及轉子和靜子的潤滑全靠幫浦油,幫浦油也可幫助排熱。本實驗室所使用的機械幫浦為 ALCATEL VACUUM 公司製，型號為 B-3150。
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圖 3-3 機械幫浦示意圖
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。圖 3-4 機械幫浦工作原理示意圖
[24]
3-1-4 渦輪分子幫浦
渦輪分子幫浦最早由 Becker 在 1958 年設計出來
[24]
，至今以成真空抽氣系統 中不可或缺的一環，通常搭配機械幫浦一起工作，由於渦輪分子幫浦只能在分子 流壓力的真空環境下運作，因此必須要有一個機械幫浦來做前級抽氣。工作範圍 可以從大氣壓力一直到超高真空。其原理為高速旋轉的轉子將動量傳遞給氣體分 子，使其獲得額外的速度向出口排出，如圖 3-5 圖 3-6。47
圖 3-5 磁浮渦輪分子幫浦示意圖
[24]
。圖 3-6 渦輪分子幫浦抽氣示意圖
[24]
。渦輪分子幫浦，所使用的軸承有好幾類，如滾珠軸承、陶瓷軸承及磁浮軸承 等。本實驗室渦輪分子幫浦的軸承，為磁浮軸承，下面介紹磁浮軸承的原理。
3-1-5 磁浮軸承
此軸承是利用磁鐵相斥的原理讓整個軸承和轉子浮於空中自轉，轉子的位置、
轉速以感測器監控。通常以磁浮為軸承的渦輪幫浦會包括一內部電池供緊急用，
當轉子失去電源時，內部電池供電讓懸浮轉子慢慢減速下來，以防轉子轉動失衡。
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另外，為防止懸浮系統突然流入物體所造成的轉動失敗和控制系統錯誤，都會準 備另一套備用的乾式軸承使轉子可停在其上。
磁浮軸承的幫浦因轉子運轉過程中無機械接觸，所以和其它軸承相比的優點 有無接觸摩擦、不需潤滑、無碳氫化合物的限制、低噪音及震動、不需冷卻。
本實驗室的渦輪分子幫浦為 OSAKA VACUUM 公司製，型號為 TG600M，抽氣速 率為 620 liter/s for N
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。3-1-6 氣體流量控制器
濺鍍薄膜時，需引入工作氣體 Ar，為避免濺鍍過程氬氣壓力的改變影響鍍膜 品質，我們使用氣體流量控制器來控制氬氣的量，使氬氣壓力能保持一定值。
本實驗室所使用的氣體流量控制器為 Procte Instruments 所製，型號為 PC-540。
樣品溫度控制系統
在鍍膜前，加熱能清除在基板上的雜質，且在鍍膜過程中，溫度的提升能幫 助鍍出來的薄膜有較好的品質，故本實驗室的真空腔內建立一個溫度控制系統，
以石英燈間接加熱樣品，再由熱電偶溫度計(thermocouple)測量溫度回饋給加熱器 以保持樣品溫度為定值。
3-1-7 壓力量測系統
本系統包含量測粗真空壓力的熱電偶真空壓力計(thermocouple)( > 1x10
-3
Torr)49
及量測超高真空壓力的離子壓力計(ion gauge) ( < 10
-4
Torr)。此系統為 Varian, Inc.所製，型號為 Multi-Gauge
TM
。3-1-8 蒸鍍系統
紅熒烯(rubrene)鍍源，紅熒烯為紅色粉狀物，因此我們將紅熒烯（99%）置入坩堝
（ceramic crucible）中，再以鉭絲圍繞其外作為支撐，將鉭絲兩端固定在真空密封 裝置(feedthrough) 之轉接頭上，如圖 3-5 所示。蒸鍍時，通以電流 3.7A，當坩堝 加熱後，使紅熒烯熔化再汽化而釋出紅熒烯原子。
圖 3-7 紅熒烯鍍源裝置
[25]
。3-1-9 濺鍍系統
磁控射頻濺鍍槍，本實驗室鍍膜方式為濺射鍍膜方式，採用的濺鍍槍為磁控 射頻濺鍍式。圖為本實驗室使用的濺鍍槍，為 MeiVac, Inc.所製，型號為 L200A01。
濺鍍槍控制器如圖 3-6 圖 3-7，為 ADVANCED ENERGY INDUSTRIES, Inc 製，型 號為 CESAR
®
RF 136，輸出頻率為 13.56 MHz，最高輸出功率為 600 W。50
圖 3-8 濺鍍鎗示意圖
[23]
。圖 3-9 濺鍍槍控制器示意圖
[8]
。使用濺鍍槍濺鍍時，將控制器上的 RF POWER 轉到工作功率，先預鍍一段時 間將靶材上的雜質與氧化物打掉後，再打開遮板 (shutter)開始濺鍍。
3-2 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope)
3-2-1 原子力顯微鏡的起源
原子力顯微鏡（atomic force microscope，簡稱 AFM）原子力顯微鏡是由 IBM 公司蘇黎世研究中心的格爾德·賓寧與史丹福大學的 Calvin Quate 於 1985 年所發明 的，其目的是為了使非導體也可以採用類似掃描探針顯微鏡（scanning probe microscopy）的觀測方法。原子力顯微鏡（atomic force microscope）與掃描隧道顯 微鏡（scanning tunneling microscopy）最大的差別在於並非利用電子穿隧效應，而
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是檢測原子之間的接觸，原子鍵結力，或凡得瓦力等來呈現樣品的表面特性。原 子力顯微鏡既可以觀察導體，也可以觀察非導體，從而彌補了掃描隧道顯微鏡 (scanning tunneling microscopy)的不足。原子力顯微鏡利用原子之間的作用力使連 結探針的懸臂產生歪斜，從而達到檢測的目的，具有原子級的解析度
[26]
。3-2-2 原理
探針是由一個針尖附在一支橫桿前端所組成，探針尖端與樣品表面接觸時，
由於橫桿彈性係數和原子間的作用力相當，因此探針尖端的原子與樣品表面原子 的作用力便會使橫桿在垂直力方向移動，作用力來源包括探針和表面的凡得瓦力
（van der Waals force）與探針和表面的外層電子之間的庫倫排斥力。所以樣品的 表面高低起伏造成橫桿作上下偏移。而具有三軸位移能力的壓電材料掃描器
（piezoelectric scanner）使樣品能在選定的區域範圍做來回掃瞄，偵測橫桿偏移量，
系統的回饋電路與壓電材料掃描器在高度軸上距離微調功能結合，藉由調整探針 與樣品距離，以維持掃描過程中固定的原子，所以當 AFM 掃描一個區域，便把 垂直微調距離，以二維內函數儲存起來，形成所謂掃描區域的原子力圖像，這通 常對應於掃描區域表面高低起伏的影像，也稱高度影像。
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3-2-3 儀器構造
（1）橫桿：必須具有很小的彈性係數及很高的共振頻率，這樣它才可以對原子 間作用力產生形變，而又不會受到一般噪音及建築物低頻振盪的影響。
（2）針尖：必須不易磨損且有很好的尖端
圖 3-10 原子力顯微鏡的原理示意圖
[26]
。3-2-4 原子力顯微鏡的種類
（1）接觸式：探針與樣品間的作用力（原子間的排斥力）很小，約為 10
-6
至 10-10
牛頓，但由於接觸面積極小，因此過大的作用力仍會損壞樣品，尤其是對軟性材 質，不過較大的作用力通常會得到較佳的解析度，所以選擇較適當的作用力便十53
分重要。由於排斥力對距離非常敏感，所以較易得到原子解析度
[27]
。（2）非接觸式：為了解決接觸式 AFM 可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式 AFM 被發展出來，這是利用原子間的長距離吸引力─凡得瓦爾力（van der Waals force）
來運作，由於探針和樣品沒有接觸，因此，樣品沒有被損壞的顧慮，不過此力對 距離的變化非常小，所以必須使用調變技術來增加訊號對雜訊比。由於在空氣中 樣品表面水膜的影響，其解析度一般只有 50 nm，在超高真空中可得原子解析度。
（3）輕敲式 AFM：將非接觸式 AFM 加以改良，拉近探針與試片的距離，增大振 福，使探針在振盪至波谷時接觸樣品由於樣品的表面高低起伏，使得振福改變，
再利用非接觸式的回饋控制方式，便能取得高度影像。解析度介於接觸式與非接 觸式之間，破壞樣品的機率大為降低，且不受橫向力的干擾。不過由於高頻率敲 擊的影響，對很硬的樣品而言，探針針尖可能受損，甚至留下殘餘物在試片表面
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。3-3 掃描穿隧顯微鏡(STM)
3-3-1 掃描穿隧顯微術起源
光學顯微鏡於 1830 年代後期被發展出來使人類的微觀視野可以看到致病的 細菌、微生物和微米級的微小物體，而光學顯微鏡所能提供的最佳解析度，大約 等於其使用光源的波長(~1µm)，但是這樣的解析度已不符目前的需求。經過了約
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一百年，1926 年左右，粒子波學說經實驗證實後，可見光源便被電子束取代；1940 年代發展出來的掃描電子顯微鏡(SEM)，解析度則提高至約 20 Å (1 Å=10
-10
m，原 子直徑約為 2-3 Å），使人類能看到病毒等更小的物體，這是一項現代科技中非常 重要技術。 掃描穿隧顯微術起源於 1980 年代初期由 1981 年賓寧和羅勒發明了掃 描隧道顯微鏡，在 1986 年發明者即因此獲頒諾貝爾物理獎，並且此技術能有效 並穩定地操控金屬探針，利用量子力學的電子穿隧效應讓探針在距樣品表面僅約 幾個原子大小的範圍內來回掃描，具體的呈現了原子的排列，使我們從基本層面 了解更多的物理與化學現象。3-3-2 基本原理
利用 “穿隧效應” 的原理，探針與樣品間距離很小時，在兩者之間加上微 小電壓，則電子就會在樣品與探針間形成穿隧電流。電子可能越過能障到達另一 邊，主要原因是量子力學的觀點電子同時具有粒子和波的行為。
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圖 3-11 電子穿隧位壘能量圖。
但在量子理論中，電子可以用波函數
Ψ
(z)來表示，且滿足薛丁格方程式 (Shrödinger equation):當有位能障壁 U(z)且電子能量 E < U(z)時，我們解出來的波函數為:
其中， 是一個衰減常數 (decay constant)。所以電子的波函數 會隨著 z 方向遞減，且在某一位置 z 觀察到電子的機率為 ，表示電子 有機率穿越位能障壁。
圖 3-12 電子在掃描穿隧顯微鏡探針和樣品(導體或半導體)間的穿隧示意圖。
由圖 3-12 我們可以模擬電子在掃描穿隧顯微鏡探針和樣品(導體或半導體)間 的穿隧情形，樣品和探針距離為 d。若沒有外加偏壓 (bias voltage)，則針尖及樣