第三章 實驗設計與方法
3.4 分析儀器
3.4.1 掃描式電子顯微鏡(SEM)
在各類材料分析中，掃描式電子顯微鏡應是目前使用率最高的分析技 術，如觀察薄膜表面形貌、量測膜厚、顆粒尺寸及密度等等，可說是一個 最直接且簡便的工具。其主要的工作原理是藉由電子槍外加一加速電壓使 電子束產生，經過三組電磁透鏡所組成的電子光學系統，使電子束聚焦成 一點後照射在試片上。當電子束與試片表面作用後會激發出來各種訊號，
包括二次電子、背向散射電子、穿透電子、繞射電子、歐傑電子、非彈性 碰撞電子、特性X 光、螢光等。一般掃描式電子顯微鏡所偵測的訊號為二 次電子(SE)與背向散射電子(BSE)，由於二次電子是微弱鍵結電子，因此只 有在距離試片表面50~500 Å 的範圍的二次電子才有機會逃出來表面被偵測
到，所以二次電子數量會受材料表面起伏影響，因而二次電子影像可觀察
計數管沿試片中心旋轉時，X 光之強度會以 2θ 之函數記錄起來，將 2θ 值 帶入布拉格繞射公式即可求出繞射晶面的面間距dhkl，最後比對晶體資料可 鑑定待測物的晶體結構。
本實驗所使用的 XRD 為系上的 SEIMENS D5000 系統，靶材為 Cu 靶 (Cu Kα λ = 1.54Å)。由於實驗中是以 Si(100)作基材，故量測時會避開單晶(2θ
= 69.12°)，所製程的碳化矽層試片分兩段 20°~65°、75°~90°作 XRD 量測。
而鑽石膜試片由於系上SEIMENS D5000 系統的角度限制，故另外使用國家 實驗研究院-儀器科技中心的 SEIMENS D5000 XRD 系統作低掠角 θ = 1°的 detector scan 量測，可測得鑽石薄膜(400)的繞射峰。
3.4.3 X 光光電子能譜儀(XPS)
X 光光電子能譜儀，其乃利用 Mg Kα 入射 X 光束，其光束直徑約 1 mm，可以藉此來分析材料表面各種元素的化學狀態及鍵結狀況。因其化學 分析的功能，也稱為「電子能譜化學分析儀」(Electron Spectroscopy for Chemical Analyzer, ESCA」。
XPS 的光電子產生原理是利用原子受到 X 光照射後，若 X 光能量大於
又因光電子發射自固態表面，故考慮電子脫離固體表面位能束縛的功函數 ω，於是 Ek= hυ-EZ -ω。由於各元素有不同的特定電子束縛能，EZ因元 素種類的變化而不同，故檢測光電子的動能可以鑑定試片的元素種類、組 成及化學態。
圖3-5 XPS 光電子產生過程示意圖
本實驗採用之 XPS 分析儀器為，型號 VG Scientific,Microlab 350F。利 用Mg Kα 入射 X 光束，能量為 1253.6 eV，解析度為 0.01 eV，分析前會先 以Ar+清潔試片表面5 秒，減少表面氧化層的影響。本論文藉由 XPS 分析 作碳[C(1S)]與矽[Si(2p)]的化學組態分析以判別碳化矽層是否存在。另外以 譜峰曲線配湊軟體XPS Peak 41 作 XPS 之分峰分析(curve-fitting)，以 Shirley type 去除背景值，並根據參考文獻[81-84]的 curve-fitting data base 以鎖定束 縛能(binding energy)及半高寬(FWHM)的方式作譜峰分離，以計量個別訊號 峰值的強度及峰值下面積比(即成份含量比)，評估所形成之碳化矽層成份品 質。
Ek= hυ-EZ (Ek：光電子動能; h：Planck 常數; υ：X 光頻率)
3.4.4 拉曼光譜儀(Raman Spectrometry)
type：Labram HR 800)。使用 Ar 雷射光源，操作時必須以光學顯微鏡將雷 射光聚焦於試片待測位置上，可聚焦至數μm 大小，然後設定好偵測參數：
Laser: 514.5; Filter: 10% ; Hole: 200 μm ; Time: 3×10 sec(作 3 次疊加，每次 10 秒)。可視訊號實際情況作 Hole 及 Filter 作調整。
表3-1 拉曼光譜波數與碳物種之關係[66]
Wavenumber(cm-1) Different carbon species 1150 Nanodiamond or trans-polyacetylene υ1-band (C=C) 1332 Diamond (sp3鍵結)
1350 D-band (sp2鍵結)
~1450 Trans-polyacetylene υ3-band (C=C) 1580~1600 Graphite G-band (sp2鍵結)
3.4.5 原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)
(1) 接觸式(Contact mode)：利用探針與試片間的排斥力得到原子影像，缺點 為易傷害試片表面。
(2) 非接觸式(Non-contact mode)：利用探針與試片間的凡得瓦力得到原子影 像，缺點為凡得瓦力對距離較不敏感，解析度較差。
(3) 敲擊式(Tapping mode)：由非接觸式改良而來，將探針與試片距離加近，
然後增大振幅，使探針在振盪至波谷時接觸試片，由於試片的表面高低 起伏，使得振幅改變，再利用回饋電路控制方式取得高度原子影像。
本實驗是利用國家奈米實驗室(NDL)之 Digital Instruments D5000 之原 子力顯微鏡，採用敲擊式(Tapping mode)，來檢測試片於碳化加熱階段通同 濃度甲烷或丙烷造成試片表面粗糙度的影響。
3.4.6 穿透式電子顯微鏡(Transmission Electron Microscopy, TEM)
TEM 的原理是利用將高能量的電子束穿透過試片過程中，電子束會與 試片產生作用。一般而言，影像的成像主要藉由三種對比方式來成像：質 量厚度對比(mass-thickness contrast)、繞射對比(diffraction contrast)和相對比
(phase contrast)。在分析晶體材料時，主要是藉由繞射對比來成像，且可應 用擇區繞射技術(Selected Area Diffraction, SAD)來分析晶體結構和缺陷。高 解析影像(High Resolution image, HR image)則是利用相對比來成像，為穿透 電子束和繞射電子束相互干涉的結果，可以觀測到原子級尺度之影像。
鑽石砂紙研磨最後可獲得鏡面無刮痕的表面。
(3) 換面研磨：
加熱取下試片換至第二面，將基準面以熱熔膠黏至載玻片上，以雙面膠 黏住試片所在的載玻片背面，以手控制試片第二面的水平研磨，同基準 面研磨程序，最後磨至試片欲分析之界面透出紅光為止。
(4) 上銅環：
使用外徑為3 mm，2 mm × 1 mm 的銅環用 AB 膠黏著於已磨薄之試片 上，此時銅環中空部分必須圈住欲觀察的界面處，等待AB 膠乾後，以 筆刀將超過銅環邊緣的試片去除。隨後浸泡於丙酮溶液中溶去熱融膠，
使試片與載玻片分離，取下銅環。
(5) 以離子減薄機修薄試片：
以離子減薄機(Gatan Precision Ion Polish System 691, PIPS)修薄試片，使 用double mode 的狀態，先用高角度 6°，能量 4.5 keV，低轉速 3 rpm 的 氬離子束修薄，後再以低角度5°，能量 3.5 keV，高轉速 5 rpm 打穿界 面，如此界面便有四個薄區可供TEM 分析。