3-1 原子力顯微鏡(AFM)
由於我們的試片很需要了解其表面形貌與平坦度，所以我們需要利用 AFM 來 進行觀測表面形貌與平坦度的工具。
最早掃描式顯微技術(STM)使我們能觀察表面原子級影像，由於 STM 侷限 於試片的導電性質，使得應用範圍大大的減少，為了能有更廣泛的應用科用，故 改用力場作回饋而發展出原子顯微儀（atomic force microscope, AFM），而因為 對導體及絕緣體均有三維空間的顯影能力，所以成為運用最廣泛的掃描探針顯微 儀。AFM 可適用於各種的物品，如金屬材料、高分子聚合物、生物細胞等，並 可以操作在大氣、真空、電性及液相等環境，進行不同物性分析，所以它可以用 於分辨包括絕緣體在內的各種材料表面上的原子級的解析度，其應用範圍無疑比 其他顯微分析技術更加廣闊。下圖 3-1 為原子力顯微鏡示意圖：
圖 3-1 原子力顯微鏡示意圖
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在原子力顯微鏡的系統中，是利用微小探針與待測物之間交互作用力，來呈 現待測物的表面之物理特性。所以利用排斥力與吸引力兩種特性可發展出三種操 作模式，以下介紹三種操作原理與優缺：
接觸式(Contact Mode)：
此種方法是利用探針與樣品之間的原子排斥力去掃描，是最早被發展出
非接觸式(Non Contact Mode)：
為了解決接觸式 AFM 可能損壞樣品的缺點，便有非接觸式 AFM 發展出 來，利用表面上所存在的凡得瓦爾力吸引會改變振幅的大小做回饋，在真空環 境下操作，其解析度亦可達原子級的解析度，是 AFM 中解析度最佳的操作模 式。在 掃 描 成 像 過 程 中 ， 探 針 不 接 觸 樣 品 減 少 對 樣 品 的 傷 害 ， 但 在 大 氣 中 解 析 度 易 受 水 膜 影 響 。
輕敲式(Tapping Mode)：
探針和樣品問的距離介於接觸式和非接觸式，即 0.5 至數十奈米之
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表面粗糙度(surface roughness)之定義：
一般原子力顯微鏡所給出的表面粗糙度值，有以下 3 ~ 4 個數值(在我們
(3) 算術平均值(average roughness) Ra：
Ra =1 害層(Damage layer)可能是在表面產生許多的點缺陷(point defcet)、空缺 (vacancy)、面缺陷(surface defcet)，所以本實驗中利用PL量測來觀察缺陷的
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的能態，亦可從價帶，遷至離子化的施子能階或是從離子化的受子能階躍遷至導 帶。這些現象可以很有成效地反映出半導體中的能帶或是雜質的現象。發光過程 典型包含三個步驟：(1) 激發，(2) 熱平衡，(3) 再復合。入射光產生的電子電洞 對(electron-hole pairs)，經由熱平衡分布後會再結合然後產生光子。雜質與缺陷 會在能隙之中形成各種能階，而其對應的能量會由輻射再復合過程產生放射或者 是經由非輻射再復合過程產生吸收。當入射光(電磁輻射) 照射在試片上時，導 致電子被升高至激發態，如下圖3-2-1，是典型的能帶躍遷過程。
以下是放射性結合路徑的種類與圖3-2-2 放射結合路徑示意圖：
(a)導電帶電子與價帶電洞再結合躍遷
(b)在施子能階(donor level)的電子與價帶電洞再結合躍遷
(c)在導電帶的電子與授子能階(acceptor level)的電洞再結合躍遷 (d)在施子能階的電子與授子能階的電洞再結合躍遷
(e)自由激子(free exciton)的再結合躍遷等方式
一旦吸收了入射光之後將電子激發到更高的能態，電子將會釋放到較低的能 態。在釋放中帶有不同的過程，可被分類為輻射過程(如光激發螢光)，或非輻射 圖 3-2-1 能帶躍遷圖 圖 3-2-2 放射結合路徑示意圖
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過程(如聲子放射，缺陷捕捉，或歐傑效應)。一般而言，在發光產生之前，較高 能量(較短波長) 激發的光子導致較多的聲子射出。同樣地，較低的激發能量傾 向導致較少的聲子射出。如果激發的能量小於基態和第一激發態之間的能量差時，
將沒有光被吸收，也就沒有光激發螢光。放射必需是電子從導帶的最小值移動到 價帶的最大值。當激發的能量小於能隙的能量時，光吸收情況將不會發生。
常見的光激發螢光系統，如圖3-2-3所示，所使用的激發光源為連續藍 光氦鎘雷射(Helium-Cadmium Laser)，其主要波長為325nm，無特殊極化方 向的多模態雷射，雷射平均輸出功率為30mW，雷射光經由三面雷射反射 鏡的反射後，以焦距為5公分的聚焦透鏡，正向聚焦到樣品上，經聚焦後 的光點直徑約為0.3mm，樣品表面的功率密度可達21W/cm2，樣品被激發 出的螢光同樣藉著此聚焦透鏡收光，與光譜儀入光口前的另一個焦距為15 公分的聚焦透鏡，形成共焦的光學路徑。收光所使用的光譜儀內含三種光 柵，其每毫米上的條紋密度分別為1200、1800、300 條，條紋密度為1200 的光柵較適用於藍光的量測範圍，條紋密度為1800 的光柵較適用於黃光 的量測範圍，由於本實驗想要探討缺陷部分的訊號，所以在此採用條紋密 度1800 的光柵來量測實驗。為避免雷射被透鏡反射後的反射光直接入射 到光譜儀中，並在光譜儀入光口處放置一濾鏡， 將波長為360nm 以下的 光全部濾除，而光譜儀的出光口處採用電荷耦合元件(Charge Couple Device，
CCD) 來當光偵測器。
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圖 3-2-3 PL 系統架構
3-3 X-射線繞射儀(XRD)
單晶繞射分析儀的構造大致上可分為 X 光光源、電源產生器、測向旋轉裝 置、X 光射線偵測器（detector）及電腦自動控制等部份。測向旋轉裝置主要有 三軸旋轉機制，可以利用三個方向的旋轉到各晶格面（hkl）的法線向量（nhkl） 是與入射光及繞射光在同一平面上（滿足第一個條件）。X 光射線偵測器的位置，
必須設計一個與ω 軸共圓心的 2θ 環。每當 ω 軸旋轉 θ 角時，偵測器就必須旋轉 2θ 的角度。電荷隅極偵測器（CCD）是利用金屬氧化半導體電容物質造成電荷 儲存的能力，X 光光子經由鈹窗進入，經由尖錐光纖聚焦而傳送到 CCD 晶片中。
在 CCD 晶片中，光子就轉換成電子訊號儲存起來。最後的曝光過程中，CCD 晶 片區域內的電荷就會被依序讀出、處理，並顯示出來，其好處是收集數據速度快，
且測向裝置不再需要三個軸，單軸或是雙軸均可。
1913 年 W. L. Bragg 父子在從事晶體結構分析實驗中，從散射 x 光的分布 情形，他們認為可以將繞射現象視為入射光被晶面反射。此種反射如同鏡面反射，
入射角等於反射角。在某些散射角下，從相鄰晶面散射之波彼此相位相同，光程
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差為波長的整數倍，因而產生建設性干涉，滿足此條件便可產生繞射，稱為布拉 格定律。X 射線的波長在 10-8cm（1A°）附近，穿透力大，空間解析度高。利用 此光源可以做各種的分析，小至分子中原子的距離、鍵結型態，大至人體各部位 的透視，可廣泛應用於材料結晶構造鑑定、醫學及非破壞檢測實務上。由於在材 料晶體中，各結晶面間的距離與 X 光的波長的數量級相當，當 X 光源照射在一 組平行結晶面（hkl）上時，兩鄰近面在入射及繞射光之光程差為波長的整數倍 時，會呈現加乘效應，即符合布拉格公式（Bragg's law）的關係；
圖 3-3-1 布拉格繞射示意圖
其中，d 為鄰近平行結晶面（hkl）兩平行面間的距離，θ 為入射光與 平面的夾角，λ 為 X 光源的波長，n 為任意整數。圖 3.12 是一個單晶繞射 的示意簡圖。當光程差是 λ 的整數倍時，呈現加成效應；而若光程差非 λ 之整數倍時，視為削減效應。由此，可預期繞射峰另在特定的θ 產生。為 滿足 Bragg 繞射公式，必須滿足下列兩個條件。第一、入射光、繞射光與 晶體平行面之法線這三個向量需在同一平面。第二、欲測面的法線平分入 射光與繞射光的夾角。而不同的晶體結構晶面間距 dhkl 會有所差異，因此會 有不同組合之繞射角{2θhkl}，藉由 θ-2θ 掃描，可以得到晶體的晶格常數，並可 進一步做應力的分析。本實驗所使用的量測方式為 ω-掃描，亦稱為搖擺曲線 (Rocking Curve)，其量測方式示意圖如圖 3-3-2 所示。藉由此方式之量測，可以 由半高寬決定晶體的品質。
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圖 3-3-2 搖擺曲線(Rocking Curve)量測方法示意圖
3-4 陰極螢光光譜儀(CL)
CL 泛指非導體材料，即半導體或絕緣體受到高能量電子撞擊後所發出的激 發光，光的產生原理可由圖3-4來說明，當電子撞擊這些材料時會將其價電帶 (ValanceBand)的電子激發到較高能量的傳導帶(Conduction Band)，因而產生了電 子-電洞對(Electron-hole Pair)，當電子- 電洞對再結合時，放出了能量為該材料 能帶間(Energy Gap)之光子，其波長可由λ (nm)=1243.1/Eg(ev) 之公式求得。由於 每種材料的能帶間隙不同，一般半導體到絕導體之能帶間隙約在1~9ev 之間，換 算出的波長範圍在150~1250nm 左右，所以可產生之CL 約在遠紅外光、可見光 到紫外光範圍內，因此在SEM 中，若加裝偵測系統將材料所發出的光加以收集 及分析，即可對該材料的發光特性進行了解，此即為SEM 中CL 分析技術的主 要原理。
圖 3-4 陰極螢光光譜發光機制示意圖
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加速的電子束撞擊材料表面,除了部分能量轉為熱之外,亦能產生如下的反應 訊號：非散射穿透電子(unscattered electron)，彈性散射電子(elastically scattered electron)，非彈性散射電子(inelastically scattered electron)，歐傑(Auger)電子，二 次電子(secondary electron)，背向散射電子 (backscattered electron)，X-光及陰極 激發光(CL)，利用不同訊號分析材料各種性質。陰極激發光(CL) 是藉由加速電 CL光譜圖(CL spectrum)；另一種則為CL 影像(CL image)分析：
CL 光譜圖(CL spectrum)：
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3-5 掃描穿透式電子顯微鏡(STEM)
將高能電子照射在固體樣品上，會產生穿透電子、反射電子、二次電子、X 射線等信號，如圖 3-5-1 所示。這些信號可以通過儀器處理，以得到樣品的結構 與成分。如果處理信號的儀器能分辨樣品上不同位置所發出信號的差別，就能形 成 樣品的放大像。將電子束打在樣品上較大範圍，然後用一套電磁鏡頭，將產 生信號的區域放大，以分辨其 中的微小結構，例如主要利用穿透過薄樣品的電 子成像的，就是穿透電子顯微鏡（transmission electron microscope, TEM）；另外 將電子束聚焦成直徑若干納米，用來掃描樣品，再將隨時間而變（也隨掃描到的 地點而變）的信號，重組成樣品的像，就是掃描穿透式電子顯微鏡（scan transmission electron microscope, TEM）。
圖 3-5-1 高能電子束打試片產生的電子種類示意圖
一台 STEM 可以分成電磁透鏡系統、高電壓系統、真空系統、冷卻系統、
電子控制系統等幾個大部件，另外還可能有附件。高電壓系統產生 100keV 到 1MeV 的加速電壓，送入鏡筒上端的電子槍，將場發射式電子槍加溫發射出的高
電子控制系統等幾個大部件，另外還可能有附件。高電壓系統產生 100keV 到 1MeV 的加速電壓，送入鏡筒上端的電子槍，將場發射式電子槍加溫發射出的高