3-1 實驗流程
本實驗是以脈衝雷射沉積系統(Pulsed laser deposition)沉積成份為Zn0.99Al0.01O的 氧化鋅薄膜，使用的是r-plane (1012)單晶的氧化鋁基板Sapphire。希望藉由此基
SEM (TEM) TEM
AZO r sapphire 並同時由
TEM EDX分析薄膜成分。在電性的量測上主要使用四點探針量測電阻率以 (Hall measurement) (Carrier concentration)
(Mobility) (PL) (UV visible)。
圖3- 1 實驗流程示意圖。
3-2 製程設備
本實驗所使用的PLD系統，如圖 3- 2所示，所使用的是準分子KrF雷射，波長為 248nm。真空系統由實驗用之腔體連結至預抽室，預抽室連接機械幫浦
(Mechanical pump)與渦輪分子幫浦(Turbo pump)。加熱器最高可超過 800°C，可 由程式設定加熱時間與溫度，溫度量測使用熱電偶，其測量位置為伸入加熱基座 中心處，距離試片背面約3mm處。本研究作參數測試時，使用的為圖中較小的 腔體，外徑為24 公分、內徑 18 公分、高度為 22 公分。其雷射透過反射鏡與聚 焦鏡導引進入腔體中。而後續使用的腔體則為圖中較大的腔體，其外徑為36 公 分、內徑31 公分、高 39 公分。雷射直射透過聚焦鏡進入腔體。兩腔體可達到的 真空度皆約為10-4torr，如腔體內部示意圖(圖 3- 3)所示，靶材裝置於由齒輪帶動 的旋轉基座上，在雷射過程可進行自轉，加熱基座與基板放置於垂直雷射羽狀電 漿方向。另本實驗使用之靶材為灌漿法製造之鋁摻雜氧化鋅(Al2O3 1wt%)，尺寸 為1 吋，經過切割後厚度約為 0.7cm, 其晶粒直徑約為 30μm，製作流程如圖 3- 4 所示。
圖3- 2 本實驗使用的脈衝雷射沉積系統(PLD) 。
圖3- 3 PLD 系統腔體內部示意圖。
圖3- 4 靶材製程步驟。
3-3 實驗步驟
本實驗採用兩吋的雙拋r-sapphire 作為基板，使用鑽石筆沿平邊裁切成約 0.7 x 0.7cm2的尺寸。清潔步驟為：分別置於甲醇與兩酮中超音波震盪10 分鐘，並以 氮氣槍吹乾。薄膜成長之步驟如下：將基板用銀膠貼於加熱基座上，加熱至60oC 持溫15 分鐘將銀膠之溶劑烤乾。同時調整雷射之光路，透過反射鏡與聚焦鏡聚 焦於靶材表面: 1.將貼於加熱基座的基板放入真空腔體中，調整工作距離(靶材表 面至基板表面的垂直距離)為 8 公分與 6 公分； 2.關閉腔體，先使用機械幫浦粗 抽真空至10-2torr，再使用分子渦輪幫浦(Turbo pump)抽真空。3.加熱基座與基板 至700°C 持溫 1 小時，用來使基板之表面狀況較為穩定，再降溫至成長溫度，並 通入成長所欲使用之氧分壓。4.使靶材旋轉，調整雷射之能量與頻率，打開雷射 開始鍍膜。5.鍍膜結束後，關閉氧氣，開始緩慢降溫至室溫。
nm，
3-4 實驗分析
本實驗用來分析薄膜的方法主要分為以下幾項。分析薄膜的結晶方向與結晶品 質，主要由X 光繞射儀(X-Ray diffraction, XRD)，穿透式電子顯微鏡(Transmission electron microscope)。分析表面形貌，則由掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope，SEM)、原子力顯微鏡(Atomic force microscope，AFM)負責。另外薄 膜厚度的觀察則主要使用切面的SEM 與切面的 TEM 觀察。電性與光學性質的 分析以四點探針、霍爾量測儀(HALL measurement)，光激發光譜(PL)進行。薄膜 的化學組成則由配備於TEM 與 SEM 的 EDX 觀察。
3-4-1 X光繞射儀 (XRD)
本實驗主要使用SIEIMENS D5000 的XRD系統，作為θ-2θ分析工具，掃描範圍為 20 度到 75 度，每間隔(step)0.02 度/掃描時間為 0.5 秒，slit寬度為 0.2mm。另外 使用奈米中心Bede D1 系統與國家奈米元件實驗室的 PANalytical X’Pert Pro系 統(圖 3- 5)作為rocking curve與phi-scan的分析工具。Rocking curve的掃描方式，
首先以r面sapphire校正XRD系統，再調整至a面氧化鋅的Ω角，掃描範圍約為 5 度，可視試片狀況而定，掃描的角度間距為0.005 度，除了使用phi-scan尋找特 定晶面方向入射外，試片皆以平邊朝上方式貼入XRD試片基座。Phi-scan的掃描 方式，首先校正XRD系統，以psi為轉軸旋轉至適當角度，再以phi為轉軸，掃描 角度間距為0.1 度，掃描完整一圈 360o。靶材均為Cu靶(Cu Kα1 λ=1.540598 Kα2 λ=1.544426nm)。在SIEIMENS D5000 系統中，由於XRD純化系統較差，因 此無法去除Cu Kβ之訊號。
圖3- 5 PANalytical X’Pert Pro 系統示意圖。
圖3- 6 X-ray 各掃描模式之轉軸示意圖。
。 之影像。垂直方式之雜訊小於0.05nm RMS。最大的掃描範圍為 90μm平方，z軸 方向為4μm，。使用的為BudgetSensorsTM Tap300Al的探針，針背鍍鋁，目的為 增加雷射反射率，其針尖半徑小於10nm，探針長度為 125μm，針尖高度為 17um 本實驗掃描之AFM影像，設定掃描範圍在 500nm至 5μm之間，影像解析度為 512 像素，z軸方向的比例尺視不同粗糙程度的試片而定，至少不讓影像超出尺度。
掃描得到的影像需經過桿平的處理，可由配備的影像處理軟體得到二維、三維的 影像，並可在粗糙度的模式下，計算影像平均的粗糙度(roughness)；也可使用橫 切面的模式量測影像中感興趣區域的高度與寬度。
圖3- 7 原子力顯微鏡工作原理圖。
3-4-4 穿透式電子顯微鏡(TEM)
本實驗所使用之TEM 為熱游離式 TEM，JEOL2100 與奈米中心場發射穿透式電 子顯微鏡，加速電壓均為200kV。在 JEOL JEM2100 中，使用可雙軸旋轉的試片 基座，在X 方向的旋轉角度為正負 43 度，在 Y 軸方向則為正負 30 度。系統真 空值為10-5torr。校正步驟略為：聚焦鏡的校正、調整電流密度、z 軸聚焦、電子 槍偏移校正、聚焦鏡像差調整、調整影像及繞射點搖擺、繞射點位置調整、電壓 中心校準與物鏡像差調整。操作時首先在低倍率尋找試片薄區，並找到薄膜與基 板界面，升至較高倍後，觀察薄膜與基板繞射圖形並藉由旋轉(tilt)試片至電子束 平行區軸，回到影像模式使用選區繞射光圈(SAD aperture)，觀察特定區域的繞 射影像。並使用物鏡光圈(OBJ aperture)選擇穿透電子束，退出 SAD 光圈，觀察 明視野(Bright field)影像。另外選擇特定的繞射點，同樣方式觀察暗視野(Dark field)影像。在場發射的 JEOL JEM 2100F 中，可選擇特定區域觀察高解析(HR) 的影像。利用TEM 中配備的 EDX，調整 spot size 至~1nm，可單獨觀察薄膜的 成份組成。同時利用掃描穿透電子顯微鏡的功能，對試片成份作Mapping。
3-4-5 四點探針電性量測
圖3- 8 四點探針原理圖。
3-4-6 TEM試片的製備
欲觀察試片之界面狀況，TEM 試片採橫截面式(cross section)製作，方法概述如 下：1.以鑽石筆將試片切成約 2mm x5mm 之大小。2，採用三明治的的夾法，利 用樹脂接著劑(G1 Epoxy)在試片的正、反面分別貼上三片及兩片相同大小的 Si 試片作為墊片，其目的在保護及平衡中間的試片，以避免在研磨時因磨耗速率太 快造成欲觀察的部分脫落。以燕尾夾將對貼後的試片小心夾緊後，放置在加熱盤 (Hot plate)上加熱約一小時使接著劑能完全凝固。3.待接著劑完全硬化凝固後，將 切好的試片置於加熱盤上與載玻片以熱熔膠黏合，黏合面須均勻加壓使膠膜愈薄 愈好，待冷卻後依次以30μm、15μm、6μm、3μm、1μm、0.5μm 的鑽石砂紙逐 次研磨拋光至鏡面。接著試片再換另一面，以熱熔膠黏至可調整傾斜角度的研磨
圖3- 9 TEM 試片製備過程。
本實驗使用之可見光/紫外光吸收光譜儀為清華大學材料系之 HITACHI U-3010 系統，波長解析為1nm，掃描範圍為 200 至 900nm。由於本實驗之試片大小遠小 於該系統的接收範圍，因此本實驗設計特殊的載具，只留下小於試片的開口，直 徑約0.5 公分。其餘部份皆不透光，量測時先使用未成長薄膜的 r-sapphire 基板 作為基準，再將所欲量測的試片貼於小的開口處，並調整至完全覆蓋。
3-4-8 光激發光譜(PL)
本實驗使用的PL 為連續藍光氦鎘(He-Cd)雷射，其波長為 325nm，雷射平均功率 為30mW，經聚焦後的光點直徑約為 0.3mm。掃描範圍設定在 350 至 620nm，波 長解析度為0.1nm，取樣時間為 0.5 秒。首先選擇使偵測強度最強的波長為基準，
藉由調整試片與雷射作用的距離、角度、光柵的大小可調整至所需要的強度，但 此強度每次實驗不盡相同。所量得的數據可經由波長(單位：nm)與能量(單位：
eV)的轉換公式，轉換為能量與強度的關係。