第三章 實驗方法與分析儀器
3.2 分析儀器
3.2.1 X 光繞射（X-ray diffraction, XRD）分析
本實驗使用德國 Duker 公司所生產的 D8 型 X 光繞射分析儀，分析鍍
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3.2.2 掃描式電子顯微鏡（Scanning electron microscopy, SEM）
分析
本實驗使用場發射型掃描式電子顯微鏡(Hitachi S-4800)來作分析，
分析前先將試片裁切成適當大小，並在薄膜表面鍍上一層適量的白金，
目的是為了增加樣品的導電度，避免因電荷累積導致成像不佳。場發射 式電子槍的示意圖如圖 3-6(a)，電子槍利用第一陽極使電子發射出來，再 利用第二陽極加速電子；圖 3-6(b)為高電場使能障變窄，電子可以更容易 發射出來，而得到極細且高電流密度的電子束，其輝度可達到熱游離式 的百倍以上。此場發射式電子槍產生之電子束的電流密度大、輝度高，
且電子束相當穩定，但是相對需要更高的真空度，若真空度不好，則會 嚴重影響電子束的場發射能力。 [40]。
圖 3-6 (a)場發射式電子槍示意圖 (b)電子槍能階示意圖。
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3.2.3 紫外光/可見光分光光譜儀(UV-Visible Spectrophotometer) 分析
光譜儀是應用光學原理，對物質進行觀測、分析和處理的基本設備，
本 實 驗 所 使 用 的 光 譜 儀 為 紫 外 線 可 見 光 分 光 光 譜 儀 (UV-Visible spectrophotometer)，其機型為 Lambda 25/35/45 UV WinLab，並且進行薄 膜之光學穿透率量測，分析的波長範圍為 250~1000nm。此 UV-Vis 光譜 儀是採用分光鏡雙光束(Double beam)之設計來偵測光束，分光鏡會將入 射光束一分為二，先進行背景值歸零校正，將試片放置於座台上並使光 束透過試片，經由光束接收器，即可得到薄膜實際透過光的吸收率或穿 透率。在這分析中主要是要得到光的穿透率，穿透率的測量是將不同波 長的光照射試片，再取通過光之強度與光源強度的比值做為穿透率，而 此參數會受到試片在不同波段之不同折射率 (Refractive index)、吸收係數 (Absorption coefficient)、消光係數(Extinction coefficient)及樣品薄膜厚度的 影響。
材料對光的吸收在短波長的界限是由其能隙(Energy gap, Eg)決定，因 此如能得知薄膜的 Eg大小，對於光學性質便能進一步了解。隨著入射光 波長下降至某一範圍時，穿透率發生陡降的情形，此即為光學吸收邊緣 (Optical absorption edge)，藉此可利用來推算薄膜的能隙大小。當光波長 達到光學吸收範圍時，根據(3-2)式可以推算出 Eg值
αhυ = B�hυ − Eg�1�2 (3-2) 其中，B 為常數，hυ 為光子能量，Eg為光學能隙，α 為吸收係數，在此以 T% ≈ II
0 = e−αd近似求出，其中 T 為穿透率，d 為薄膜厚度。
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3.2.4 霍爾量測(Hall Effect)分析
半導體中，載子的濃度與雜質的濃度不相等，通一電流於半導體兩
31 (Hall coefficient)。對 n 型半導體而言，亦可獲得類似的結果，但其霍爾 係數為負：
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圖 3-7 霍爾量測的裝置圖。
3.2.5 原子力顯微鏡（Atomic force microscopy, AFM）分析
原子力顯微鏡是由 Binnig 等人於 1986 年所發明的 ， 具有原子級解像能 力，可應用於多種材料表面檢測，並能在真空、氣體或液體環境中操作 ， 其 操 作 模 式 可 區 分 為 三 類 ， 分 別 是 接 觸 式 (Contact)、非 接 觸 式 (Non-contact)及間歇接觸式(Tapping)三大類。AFM 如圖 3-8 所示，主要原 理係藉由探針與試片間的原子之間的凡得瓦力(Van der Waals Force)，使 懸臂(Cantilever)產生微細位移，以測得表面結構形狀，其中最常用的距
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間歇接觸式模式，掃描範圍為 10×10μm2，掃描頻率為 0.33Hz，來觀察薄 膜表面形態並計算粗糙度。粗糙度的計算可由 (3-8)式 計 算 其 結 果 以 Sq(Root Mean Square Roughness)表示。
Sq = �∑i�Zi−Z�N 2 (3-8)
其中，Z�為掃描區域整體的平均高度，Zi則為掃描區域中各點之高度。
圖 3-8 原子力顯微鏡的示意圖。
光電偵測器
低功率雷射
懸臂與探針
樣品
壓電陶瓷掃描器
顯像 系統
回饋
系統
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背景壓力(Base pressure) <8×10-6torr 工作壓力(Work pressure) 5×10-3torr
電漿氣體(plasma gas) Ar、Ar/(Ar+H2)=95%
氣體流量(Gas flow) 30sccm
濺鍍功率(Power) 75、100、125、150W 沉積時間(Time) 30、60、90、120min 基板溫度(Sudstrate temperature) Room temperature、100oC
200oC、300oC 表4-2 氫電漿處理之參數
背景壓力(Base pressure) 8×10-6 torr 工作壓力(Work pressure) 1×10-2 torr
氣體流量(Gas flow) Ar=100sccm，H2=100sccm
功率(Power) 50W
時間(Time) 30min