3-1 實驗用品
表3-1 實驗用藥品及耗材規格尺寸表。
材料 規格 廠商
玻璃載玻片
長度：7.6 cm 寬度：2.5 cm 厚度：1 mm
巨興化學儀器有限公司
氧化鋅粉末 (Zinc Oxide) 純度：99% 友和貿易股份有限公司
丙酮 (Acetone) 純度：95% 友和貿易股份有限公司
甲醇 (Methyl Alcohol) 純度：99.5% 友和貿易股份有限公司
沙拉脫 中性
軟性 日星化工股份有限公司
去離子水 電阻率>15 MΩ-cm 德晨企業有限公司
鋁顆粒 純度99.99% 伯軒實業有限公司
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3-2 實驗步驟
本實驗一共分為兩部分，第一部分為以電子束蒸鍍成長氧化鋅薄膜，並且在 大氣熱退火處理(200 ~ 400oC) 一小時下，探討薄膜的材料特性、電性以及紫外光 響應特性。第二部分為在熱退火處理後的氧化鋅薄膜表面以電子束蒸鍍一層以鋁 為基底的圖案化指叉電極，並且探討元件的電性及紫外光響應特性。
圖 3-1 實驗流程圖。
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3-2-1 裁切基板
本實驗中所使用的基板是光學玻璃載玻片，由於實驗中的電子束蒸鍍機試片 載台為兩吋載台(約 5 cm×5 cm)，因此必須將原本的試片做切割，利用圖 3-2 鑽石 切割平台，將原先的試片裁切為3.75 cm×2.5 cm 尺寸，以利後續的蒸鍍製程。
圖 3-2 鑽石切割平台。
3-2-2 試片清洗
清洗基板的目的是去除試片表面的微粒子、油汙與有機物質，提升鍍膜的品 質。基板清洗的步驟是首先先以去離子水震洗10 分鐘，之後用沙拉脫搓洗，最後 將玻璃基板分別放在去離子水、丙酮、甲醇濃液中震洗10 分鐘，每種清洗液重複 震洗兩次，之後將玻璃基板以氮氣槍吹乾。
3-2-3 表面電漿處理
本研究使用 RF 電漿系統(搭配如圖 3-3 所示:機械幫浦、真空腔體，MFC 流量控 制器)來做清潔基板的最後處理程序，並通氧氣 7 sccm、輸出功率 50 W，用以形成 氧氣電漿，並且通入氧電漿維時30 秒，來達到基板表面清潔。打完氧電漿的玻璃
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基板因為表面產生一層氫氧基(OH–)，使得基板呈現更加親水性，以利於材料更加 容易吸附於基板表面，達到良好的鍍膜效率、品質。
圖 3-3 為 RF 表面電漿處理系統。(a)小型真空腔體、(b)MFC 氣體質量流量控制器、
(c)RF 電漿電源供應器以及(d)機械幫浦。
3-2-4 電子束蒸鍍
3-2-4-1 電子束蒸鍍原理
電子束蒸鍍法(electron-beam evaporation)是利用電子槍所射出的電子束來轟擊 蒸鍍靶材，並將高能電子束之動能轉換為熔化材料之熱能，使其擁有較佳的熱轉 換效率，同時也得到較高的鍍膜速率，而且利用電流大小來控制熱電子的數目，
a b
c d
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也可利用膜厚控制器來精確的控制其鍍率，至於蒸鍍材料選擇方面，幾乎不受限 制，無論純元素或化合物都可用來當作蒸鍍源，只有在合金的蒸鍍方面較受限制，
必須各成分之蒸氣壓接近者才適用電子束蒸鍍法，否則薄膜成分比例將與靶材產 生相當大的差異。
電子束蒸鍍過程中，將欲蒸鍍的材料放置於備有充分冷卻及耐高溫的承載坩 堝中(材質如石墨、鉬、白金、鎢)，對燈絲施加高壓，使電子束射出，並且藉由外 加磁場使電子束迴旋270 度撞擊坩堝內欲蒸鍍的靶材，電子束示意圖如圖 3-4 所 示，電子束蒸鍍法是一種將直接加熱的方式，熱熔融的材料被低溫同材質材料承 接並且與坩堝材料隔離，高溫熔融的區域僅限於電子束直接撞擊的材料表面以及 附近的有限區域，因此，相較於傳統熱蒸鍍腔體其他部分普遍呈現低溫，可以減 少溫染，並且獲得高純度的薄膜。
圖 3-4 電子束蒸鍍示意圖。
18 冷凍幫浦(cryo-pump)將腔體壓力抽至 2.5×10-7 torr，並開啟電子槍轟擊氧化鋅蒸鍍 源進行蒸鍍，蒸鍍速率以及膜厚由CRTM2000 石英震盪器進行監控。
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蒸鍍製程參數分別如下:
電子槍電壓 6000 V，電流約為 0.04 A
蒸鍍源與試片距離約為 60 cm
公轉速度:9.8 rpm，自轉速度:7.75 rpm
底壓約為:2.5×10-7 torr
蒸鍍時壓力約為:5×10-5 torr
氧化鋅膜厚約為 400 nm
圖 3-5 為電子束蒸鍍機腔體內部構造照片。(a)試片載盤、(b)石英震盪片位置、(c) 檔板(shelter)、(d)蒸鍍源位置、(e)燈絲及電子槍位置及(f)加熱器。
a
b
e d
c
f
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3-2-5 大氣熱退火處理
將鍍完氧化鋅薄膜的試片分別放入高溫爐以 200、250、300 及 400oC 進行持 溫1 小時的大氣熱退火處理，退火完試片需在高溫爐中降溫至室溫才可取出試片，
即完成大氣熱退火處理，並將試片進行薄膜材料特性、電性及紫外光響應特性分 析。
3-2-6 紫外光偵測器元件製備
將以電子束蒸鍍法製備的氧化鋅薄膜進行大氣熱退火後，再試片表面覆蓋 shadow mask，並利用鋁顆粒為蒸鍍源以電子束蒸鍍法在薄膜表面蒸鍍一層以鋁為 基底膜厚約為100 nm 的指叉電極，使之形成金屬－半導體－金屬構成之紫外光偵 測器（metal-semiconductor-metal- structured UV detector device，MSM UV-PD），其 中指叉電極示意圖如圖 3-6 所示。
(a) (b)
圖 3-6 鋁指叉電極。(a)示意圖，其中線寬為 0.2 mm，線距為 0.2、0.3 及 0.4 mm，
(b)為本實驗主要量測的 0.3 mm 線距數位照片。
21 (multipurpose X-ray thin film diffractometer) 分析電子束蒸鍍成長之氧化鋅薄膜之 結晶結構。該系統包含有兩部X 光薄膜繞射儀，一為廣角繞射儀(Rigaku/MAX2500)，
二為高解析度繞射儀(Rigaku ATX-E)，系統搭配高功率的旋轉陽極式(rotating anode)、X 光源(CuKα，λ=1.5418 Å)。其中高解析度繞射儀可進行磊晶薄膜 Rocking curve 測定，X 光反射率(reflectivity)和及 Reciprocal space map 的測定，而廣角繞射 儀則可進行多晶薄膜低掠角繞射(glancing incident angle diffraction)，極圖阻織(pole figure texture)，以及殘留應力(residual stress)測定。因為傳統粉晶 X 光繞射儀分析 薄膜時，所得訊號大部分會由基材所貢獻，因此所得薄膜訊號非常微弱，然而低
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圖 3-7 X-ray 繞射原理圖。
X 光繞射實驗分析條件如下:
X 光操作功率 = 4 KW(電壓 40 KV、電流 100 mA)
X 光入射角度 = 1o
掃描速度 = 4o/min
掃描繞射角度(2 θ)範圍 = 20o~80o
掃描間距 = 0.01o
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3-3-1-2 掃描式電子顯微鏡
本研究以掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope)觀察薄膜表面形貌 及其顯微結構。掃描式電子顯微鏡之原理是利用電子槍發射電子束激發試片表面，
並以偵測器探測表面反射之二次電子訊號，在將偵測到的二次電子能量訊號經電 腦處理轉換成影像。為了觀察薄膜最原始的形貌，本實驗所有的SEM 分析試片皆 沒做導電鍍膜前處理(如鍍白金、黃金或碳膜)，而改採用降低 SEM 電子束加束電 壓的方式來解決試片表面電荷累積的問題。本實驗所使用的儀器為國立成功大學 貴 重 儀 器 中 心 的 Hitachi SU-8000 高 解 析 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (High resolution scanning electron microscope)，並根據不同試片需求設定加速電壓於 1~5 kV 之間。
圖 3-8 國立成功大學掃描式電子顯微鏡。
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3-3-1-3 穿透式電子顯微鏡
本研究以穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscope)分析氧化鋅薄膜 顯微結構，同時以選區電子繞射分析薄膜內晶粒的結晶結構。本實驗所使用的分 析儀為國立成功大學微奈米科技研究中心的JEM-2010 Electron Microscope 穿透式 電子顯微鏡，儀器相關規格如表3-1 所示。TEM 分析式利用高能電子束穿透試片，
表3-2 JEM-2010 Electron Microscope–TEM 之規格。
加速電壓 200 KV
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表3-3 FEI Helios G3CX–FIB 之規格。
電子束
電子槍型態 Elstar’s immersion mode
解析度
0.8 nm@15 KV 1.4 nm@1 KV
加速電壓 200 V~30 KV
離子束
離子槍型態 Gallium Liquid Metal
解析度 4 nm@30 KV
加速電壓 500 V~30 KV
載台 Axis 5-axis motorized
輔助沉積氣體 Pt、C
試片大小
直徑 50 mm
高 ≦30 mm
圖 3-9 國立成功大學穿透式電子顯微鏡。
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3-3-1-4 掃描式探針顯微鏡[43]
掃描式探針顯微鏡(Scanning probe microscope，SPM)其原理如圖 3-10 所示，
當探針與樣品接觸時，針尖與樣品間的作用力會使探針產生偏移，照射在懸臂上
接觸式(contact mode):利用原子間排斥力(repulsive force)的變化，而產生表面 輪廓，因為排斥力對距離相當敏感，因此容易獲得原子解析度，其他兩種較
非接觸式(non-contact mode):利用原子間的吸引力產生表面輪廓，因此試片沒 有損傷的問題，不過凡德瓦爾力對距離的變化非常小，必須使用適當的調變 來增強訊號對雜訊比，其基本理論是讓探針與陶瓷震盪片接觸，並且加入弦 波電壓震盪片，使探針在其震盪頻率做震盪，然後探測其振幅或相位，並將 振幅或相位送至回饋電路，便能得到等作用力圖像。由於空氣中試片表面存 在水膜的影響，非接觸式模式一般只有約50 nm 的解析度。
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輕敲式(tapping mode or intermittent contact mode):這也是本次實驗所選擇的 量測模式，其原理為將探針與試片距離加近，然後增大振幅，使探針在震盪 至波谷時接觸試片，由於試片表面的高低起伏，使得振幅改變，並利用類似 非接觸式的回饋控制方式，方能取得高解析度影像。與非接觸式比較，由於 探針式直接接觸於試片表面，因此所或得的解析度較高；然而與接觸式相比，
雖然所獲得的解析度較差，但少了破壞試片的可能性，也是折衷之選。
圖 3-10 掃描式探針顯微鏡示意圖。
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圖 3-11 原子與原子之間之距離的交互作用圖。
3-3-1-5 光致螢光光譜儀
光致螢光光譜儀(photoluminescence spectrophotometer，PL)又稱為光致激發光 譜儀，其原理為利用一能量大於材料能隙的雷射光束或其他光源照射於樣品上，
當樣片吸收雷射光束後，可能會使得表面溫度升高，或激發出比入射光波長還長 的光子，當價帶的電子吸收能量後會從價帶頂部躍遷至導帶底部，並同時產生電 子電洞對(electron-hole pair)，此時受激發的電子會在極短時間內與晶格內部原子產 生交互作用，並以輻射的方式釋放能量，隨後掉至導電帶底部，呈現一個穩定的 激發狀態，接著經過一個週期後，電子會釋放能量，其電子從導電帶掉回價帶與 電洞結合而放出光子，此為光激發光現象。藉由光學元件收集至光譜儀來觀察樣 品所發出來的螢光，再轉換成光譜圖，便得以分析其訊號強度、週期、半高寬以 及峰值，來得到樣品內部之雜質或缺陷及其光學特性。
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3-3-1-6 紫外光/可見光/近紅外光分光光譜儀
本研究以 USB4000(燈源 DH2000-BAL)紫外光／可見光／近紅外光分光光譜 儀（UV-visible-NIR spectrometer）進行電子束蒸鍍氧化鋅薄膜之光學性質分析，並 且分析薄膜之穿透率與反射率，利用穿透率＋反射率＋吸收率＝100%得之吸收率 Abs.% ＝100% - T% - R%，如圖 3-12 所示，進而由試片對入射光的吸收光譜得 知材料的吸收光截止波長，在經由3.1 式計算材料之能隙（energy bandgap，Eg）。
本研究以 USB4000(燈源 DH2000-BAL)紫外光／可見光／近紅外光分光光譜 儀（UV-visible-NIR spectrometer）進行電子束蒸鍍氧化鋅薄膜之光學性質分析，並 且分析薄膜之穿透率與反射率，利用穿透率＋反射率＋吸收率＝100%得之吸收率 Abs.% ＝100% - T% - R%，如圖 3-12 所示，進而由試片對入射光的吸收光譜得 知材料的吸收光截止波長，在經由3.1 式計算材料之能隙（energy bandgap，Eg）。