濺鍍系統是屬於物理氣象沉積的一種，主要原理是讓具有高動能的游離氣體 分子撞擊靶材(target)，將動能轉換給靶材表面上的原子，使靶材表面的原子飛濺 出來，碰到基板(wafer)時就會沉積在基板上而形成薄膜。
濺鍍的過程是將真空腔內的氣體壓力抽至背景壓力，然後通入工作氣體至工 作壓力，由於靶材接在陰極，陽極接地，所以在兩極間加一偏壓可使工作氣體游 離成陽離子與電子的電漿態，接著帶正電的陽離子會受到靶材陰極的吸引而開始 加速撞擊靶材，使靶材表面的原子飛濺至基板上沉積。
圖 4-1-1. 濺鍍系統原理示意圖
通入的工作氣體必須要特別選擇，首先工作氣體的活性必須非常小，不可與 基板、靶材甚至腔壁發生化學反應，否則將會影響薄膜的品質；其次，游離後的 工作氣體必須能有效地將動能轉換給靶材表面上的原子，所以工作氣體的質量不
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能太小；再加上安全與經濟等考量，一般濺鍍所選擇的工作氣體為氬氣。
在兩極之間加的電壓一般為直流偏壓，這種模式稱為直流濺鍍(DC
sputter
)，在直流濺鍍的過程中，靶材必須為金屬導體，帶正電的氬離子才可以從靶材中獲 得自由電子恢復電中性，回到工作區域；如果靶材為絕緣體，氬離子在撞擊靶材 後會因無法獲得自由電子而累積在陰極靶材上，造成靶材原子飛向基板的屏障，
因此需要使用交流偏壓，這種模式稱為射頻濺鍍(RF sputter)，靶材上的極性在陰 極和陽極之間不斷交換，當靶材呈現陰極時，吸引陽離子撞擊靶材，當靶材呈現 陽極時，將累積於靶材上的陽離子排斥開，讓電荷不會累積在陰極靶材上。
本實驗的多層膜皆是由濺鍍系統製成，真空腔透過渦輪分子幫浦(turbo molecular pump)抽氣，後端再由機械幫浦(mechanic pump)串接抽氣至大氣，可將 真 空 腔 的 背 景 壓 力 抽 到 7× 10
-7
torr ， 而 鍍 膜 過 程 的 工 作 壓 力 則 是 控 制 在 1.2×10-3
torr。24 4-2. 四點量測法
在電阻量測上採用四點量測法，四點量測的好處是量測結果比較不受接點電 阻的影響，本實驗樣品的電阻很小，大多在個位數的歐姆等級。
圖 4-2-1. 四點量測示意圖
四點量測的導線黏接方式如圖，在樣品兩側提供(I
+
、I-
)一穩定電流，伏特計 則接於樣品實際測量範圍的兩旁(V+
、V-
)，因伏特計的內部阻抗極大，只有極小 的電流會流過導線及伏特計，所以 V+
、V-
端的電阻貢獻極小；而伏特計所量測 的電壓為 V+
和 V-
端的壓差，並非 I+
和 I-
端，所以 I+
、I-
端的接點電阻並不會被計 算到。一般金屬的電阻有兩種來源，一為電子受到雜質和缺陷(defeat)的散射造成 的電阻(ρ
defect
)，另一為聲子(phonon)造成電子散射所產生的電阻(ρphonon
)，而聲 子為熱能導致晶格原子在其平衡位置附近震動造成，在低溫時可忽略，所以在低 溫時樣品的電阻皆來自於樣品雜質和缺陷，因此一般金屬的電阻率都隨著溫度降 低而線性遞減，且在低於某個溫度後會趨近於一個極限值，稱為剩餘電阻。我們可以透過剩餘電阻比值(RRR : residual resistance ratio)來判定樣品的品 質，剩餘電阻比值的定義為
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𝑅𝑅𝑅 = 𝜌
300𝐾
𝜌
10𝐾
=𝜌𝑑𝑒𝑒𝑒𝑑𝑑
+ 𝜌𝑝ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜
𝜌
𝑑𝑒𝑒𝑒𝑑𝑑
= 1 +𝜌𝑝ℎ𝑜𝑜𝑜𝑜
𝜌𝑑𝑒𝑒𝑒𝑑𝑑
RRR 越大就代表ρ
defect
較ρphonon
來的小，樣品的雜質和缺陷造成的影響越不重 要，表示樣品的品質越好。26
4-3. 物理性質量測系統(Physical Properties Measurement System)
此為美國 Quantum Design 公司所設計的一套低溫電性量測系統，可以做控 溫、控磁場和旋轉角度的電性量測，溫度範圍可由 1.8K 至 400K，磁場可達到 9 Tesla。
圖 4-3-1. PPMS 的架設示意圖
PPMS 的架設裝置如圖，樣品放置於樣品座上，樣品座位於樣品腔內，可抽 真空做熱隔絕，樣品腔至於裝有液氦的杜瓦瓶內，以毛細管與液態氦連接。杜瓦 瓶內還有超導線圈提供磁場，外層再用真空夾層與液態氮隔熱。量測時，為了能 夠有效地控溫，會先將樣品層用機械幫浦以 purge 的形式抽至低真空(~10torr)，
溫度控制藉由一個小型加熱線圈升溫；降溫則是利用機械幫浦將液氦抽進低真空 的樣品層，使液氦快速汽化，吸收環境的熱量使樣品層的溫度降低，這樣的降溫 方式可使系統溫度降至液氦的沸點(4.2K)以下。
樣品座外有超導線圈來產生外加磁場，超導線圈必須完全浸泡在液態氦裡面 以確保維持在超導狀態，然而要將電流導入超導線圈內一般是透過特殊的開關
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(persistent switch)設計，開關設計如圖：
圖 4-3-2. switch 開關設計圖：(a)初始狀態(b)將外部電流加至與超導線圈相同(c) 打開加熱器使超導線圈恢復成正常態(d)調整電流大小(e)關閉加熱線圈使超導線
圈回到成超導態(f)將外部電流降為零
中間的小電路為加熱器，加熱器關閉時左半邊的超導線圈為超導狀態，電流 可永遠維持在超導線圈內以提供固定的磁場。要改變超導線圈內的電流必須將右 邊電路的電流加到與左邊超導線圈的電流一致，再打開加熱器，使超導線圈加熱 至正常態，此時就可利用右邊的電路調整超導線圈的電流，等到電流達到需求的 值後，將加熱器關掉，使超導線圈冷卻至超導態。
要事先將右邊電路的電流大小控制到與超導線圈的電流相同的原因是避免 短時間內有太大的電流改變，由於V = −L ×
𝑑𝑑 𝑑𝑑
，若短時間內電流的變化量過大，再乘上超導線圈本身極大的電感值，會在超導線圈兩端產生一個極大的電壓差，
若此電壓差造成的電流超過超導線圈的臨界電流，超導線圈會回復成正常態，就 會產生大量熱量，造成液態氦不必要的浪費以及損傷設備。
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4-4. 磁性量測系統(Magnetic Properties Measurement System)
此為 Quantum Design 公司所設計的一套低溫磁性量測系統，可以做控溫、
控磁場的磁性量測，溫度範圍可由 1.8K 至 400K，磁場可達到 7 Tesla，控溫與控 磁 場 的 方 式 與 PPMS 相 同 ， 其 量 測 的 主 要 核 心 為 超 導 量 子 干 涉 元 件 (Superconducting QUantum Interference Device, SQUID)，因在超導量子干涉元件 內部微小磁通量的變化會造成元件電壓的振盪，將電壓值讀出後換算成磁通量即 可得到其磁場的變化。
圖 4-4-1. MPMS 架設示意圖
超導量子干涉元件(SQUID)由兩個約瑟芬結(Josephson junction)並聯所組成，
約瑟芬結為[超導/絕緣層/超導]的三層結構，當絕緣層夠薄時，超導體中的庫柏 電子對有一定的機率可以穿過絕緣層的位能障礙，由於約瑟芬結的面積很小，只 能測出 0.01 Gauss 的磁場變化，所以將兩個約瑟芬結並聯以提高靈敏度，其磁場 分辨率可達到 10
-7
~10-9
Gauss。磁場會改變 SQUID 的超導臨界電流，當外加於 SQUID 的偏壓電流 I
B
大於29
其臨界電流時，SQUID 會出現電壓 V，下圖左半邊為 SQUID 在外加磁通量為 nΦ
o
和(n+1/2)Φ
o (Φ o
為磁通量子， Φo
= 2.07×10-7
Wb)的 I-V 圖，而 SQUID 之 V-Φ 曲 線呈現週期性的變化，如下圖右半邊。在做小磁場物理量測量時，我們是將 SQUID 的工作點選在 V-Φ 曲線斜率最大的位置，當 SQUID 測量磁場時，工作 點會受外來磁場的影響而偏離原位置，利用負回饋電路使 SQUID 內的磁通量維 持不變，而回饋的磁通量就是待量測的磁通量值。圖 4-4-2. SQUID 的 I-V curve 和 V-Φ curve
30 4-5. X 光繞射原理
一般的 X 光是利用高速電子撞擊金屬靶材，激發出金屬靶材的內殼層電子，
使得外殼層的電子有機率掉至較低的能階，伴隨放出特徵 X 光(characteristic spectrum)，若撞掉的 K 層電子由 L 層的電子遞補而放出的 X 光稱為 K
α
；若是由 M 層電子遞補則稱 Kβ
。然而根據電磁學理論，帶電粒子有加速度便會放出電磁 波，所以當高速的電子撞擊金屬靶材後，電子會因為產生極大的負向加速度而放 出連續 X 光(continuous spectrum)，本實驗所採用的 X 光為銅的 Kα1
，其波長為 1.5406Å。圖 4-5-1. X 光產生之波長與強度分布圖
以 X 光照射晶格結構時，因為晶格排列的空間與 X 光的波長相近，會產生 布拉格(Bragg)繞射，其公式為2d sin 𝜃 = 𝑛𝜆，可藉由 d 求出晶格常數 a。
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圖 4-5-2. 布拉格繞射
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4-6. 震動樣品磁量儀(Vibrating Sample Magnetometer)
圖 4-6-1. VSM 結構示意圖
本實驗所使用的震動樣品磁量儀(VSM)系統為美國 Lake Shore 公司所生產，
其型號為 7407，磁場可到達 2 Tesla。VSM 的主要功能為量測樣品的磁化強度 M(magnetization)在特定方向上的分量，工作原理為用電磁鐵在 x 方向施加一個 外加磁場，使樣品在 z 軸上做震動，且將樣品置於電磁鐵前端的感應線圈(pickup coils)中，震動時由於透過樣品的磁通量的變化，感應線圈中便會感應出電動勢，
此電動勢的量值和震動頻率與樣品的磁化強度相關，因此固定震動頻率後，可藉 由感應電動勢求得樣品的磁化強度。