基本理論及實驗設備

2-1 濺鍍理論

關於濺鍍的模式，目前主要分成兩種理論：（1）熱蒸鍍理論

（Thermal vaporization theory）；（2）能量轉移理論（Momentum transfer theory）。而本研究所使用的是能量轉移理論，因此在下面 針對能量轉移理論作一個簡單的介紹。 是相對的電極板（Electrodes）。

電漿包含了中性原分子、離子、及電子[17]。藉著兩個相對 應的電極上施加電壓，電極間提供的電場，使得其中的氣體分子 在特定的壓力及濃度下，獲得足夠的能量。因而撞擊後進行所謂 的 離 子 化 （ Ionization ）、 解 離 （ Dissociation ）、 激 發

（Excitation）、再結合（Recombination）、輻射（Radiation）、

及電荷轉移（Charge Transformation）等反應，產生離子、電 子、中性氣體原分子所構成的電漿。大量的離子化氣體與電子，

在此狀態下並不穩定，而部分被激發的粒子會回到基態，因而釋 Sputtering）；（2）射頻濺鍍法（RF Sputtering）。一般而言，

若濺鍍的靶材有良好的導電性，則可以採用直流濺鍍；若靶材屬

氣體濃度減少而不穩定[18]。 直流電源供應（DC Power Supplier）以及射頻功率（RF Power Supplier）。

本系統腔體可以通入氮氣、氬氣、氧氣等氣體。在本系統中 為了維持系統的潔淨和穩定，並不使用氧氣等會汙染腔體的氣 體。另配備有加熱燈管，其安全加熱的極限約為450℃。

真空系統使用渦輪分子幫浦（turbomolecular pump），其能 力能將腔體的壓力抽至2.1×10^-6torr。

程參數之外，事前的基板準備、製作薄膜時的腔體潔淨度、事後

（nucleation）；（2）塊狀的核團晶粒聚結（nuclei coalescence）；

（3）連續薄膜（continuous film）。[21]

首先到達基板的原子必須附著在基板上，而這些原子會在基板表 面發生形成薄膜所須要的化學反應。構成薄膜成分的原子會在基板表 面 作 擴 散 運 動 ， 這 個 現 象 稱 為 吸 附 原 子 的 表 面 遷 徙 （ surface migration）。當原子互相碰撞時會形成原子團，此時成核。

第二個階段即所謂的島成長（island growth）。原子團必須達到 一定的大小之後，才能持續不斷穩定成長。因此小原子團會傾向彼此 聚合以形成一較大的原子團，以調降整體能量。原子團的不斷成長會 形成核島(island)。

核島之間的縫隙須要填補原子，才能使核島彼此接合而形成整個 連續的薄膜。

2-3 霍爾量測

2-3-1 霍爾原理

霍爾效應的基本原理是建立在勞倫茲力（Lorentz force）

上，當電子沿著垂直外加磁場的方向移動，受到垂直作用力，此

其中I為電流，B為磁場，d為樣品厚度，和q（1.602×10^-19庫倫) 為基本電荷，因此我們得到： 率（mobility）有關，因此我們可由下是定義霍爾電子漂移速率

s

對於大部分的Van der Pauw樣品形式來說，其幾何圖形為對 稱的，由下式可知

Van der Pauw量測法可量測樣品的電阻率、載子濃度、遷移 率，較不受樣品幾何形狀的限制，只要樣品符合以下條件：

(1) 接觸是在樣品的周邊上。

(2) 接觸點足夠地小。

(3) 樣品厚度很均勻。

(4) 樣品表面很平坦。

由於不受幾何形狀限制的優點，Van der Pauw量測法成為霍 爾量測最普遍的方法，而且只需四點量測點。

2-3-2 霍爾量測系統

KEITHLEY 2420，以及自行架設的量測單元，示意圖如圖2.6。利用 KEITHLEY 2420的四點量測法，加上控制盒與樣品載板，加入的磁場 強度約為0.34特斯拉。

常見的分析方法有兩種：（1）θ－2θ（Gonio Scan）；（2）2θ

（GIXRD）。第一種的繞射訊號來自平行基板的晶面；第二種採低角度 入射，其繞射訊號來自待測樣品的表面。

濺鍍出之氮化銦，其結晶性大多為多晶（Poly crystal），故需 要使用X-ray晶體繞射確定其晶向與鑑定。

2-5 掃描式電子顯微鏡與能量散射分析儀

掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）的 工作原理，是利用電子槍發射 電子束經過電磁透鏡（condenser lens）、遮蔽孔徑（Condenser aperture）等結構，最後打在待測樣

品表面，此時便會激發出二次電子訊號，由偵測器收及訊號並放大 後，經數位化顯像於螢幕上。掃描式電子顯微鏡，具有很大的景深，

能清楚檢測出樣品表面的型態。

能量散射分析儀（Energy Dispersive Spectrometers，EDS），

常會附加在電子顯微鏡系統中，利用擴散鋰原子的矽晶偵測器，在低 溫下操作接收被電子束激發出來的X-ray，再經放大、分析其所對應 的元素。除了X-ray繞射分析，本研究亦利用能量散射分析儀，來當 作一個間接的佐證。

2-6 原子力顯微鏡

原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)是由 Binning、

Quate 及 Gerber 於 1986 年所提出[23]。其在科學應用上已廣為應 用於奈米尺度下的顯微分析，對奈米科技有直接的助益。原子力顯微 鏡具有原子級解像能力，不僅僅可應用於材料表面的檢測，並能在真 空、氣體或液體環境下量測樣品，是屬於掃描探針顯微技術(Scanning Probe Microscopy，SPM)的一種，此類技術均是利用特製的微小探針 來做量測，其針尖尖端直徑介於 20nm 至 100nm 之間。原子力顯微鏡 所使用的探針，一般由成份為 Si 或 Si3N4 懸臂樑(cantilever)及針 尖所組成，藉由針尖與試片間的原子作用力，使懸臂樑產生微細位 移，來偵測探針與樣品表面之間的交互作用，如圖 2.7。其交互作用

如穿隧電流、原子力、磁力、近場電磁波等等，並使用一個具有三軸

至 100 Å）。凡德瓦爾力對距離的變化非常小，因此必須使用調變技 術來增強訊號對雜訊比，便能得到等作用力圖像，這也就是樣品的高 度影像。一般非接觸式 AFM 只有約 50nm 的解析度，不過在真空環境 下操作，其解析度可達原子級的解析度，是 AFM 中解析度最佳的操作 模式。

(3) 間 歇 接 觸 式 （ 或 稱 為 輕 敲 式 ， intermittent contactor tapping）：

第三種輕敲式 AFM 則是將非接觸式加以改良，其原理係將探針與 樣品距離加近，然後增大振幅，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，使得振幅改變，再利用類似非接觸式的迴饋 控制方式，便能取得高度影像[24]。由於 AFM 具有原子級的解析度，

是各種薄膜粗糙度檢測，及微觀表面結構研究的重要工具。

圖 2.1 磁控濺鍍示意圖

圖 2.2

薄膜成長機制的說明圖

plasma substrate

water cooling

magnetron

target

圖 2.3 霍爾效應示意圖

B

I W

V=V

V=0

d z

y

x

圖 2.4

霍爾效應參數示意圖

B z

y

x

E

t

w V

V

＋

－

＋ －

E

圖 2.5(a) Van der Pauw 量測法

cloverleaf

square or rectangle:

contents at the corners

square or rectangle:

contents at the edge or inside the

perimeter

Preferred Acceptable Not Recommended

圖 2.5(b) Van der Pauw 量測法

圖 2.5(c) Van der Pauw 量測法

圖 2.6

霍爾量測儀器架設圖

圖 2.7

原子力顯微鏡量測示意圖