物性量測實驗設備

本實驗所使用量測物理性質的機台有檢驗材料 結構的 X 光繞射儀 ( X-ray Diffractometer, XRD)、觀察材料表面粗糙度的原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM )、可以拍出材料排列結構的穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope, TEM )，下面會分章節一一介紹這幾種量 測設備。

3.3.1 X 光繞射儀 ( X-ray Diffractometer, XRD)

X 光繞射儀是個可以了解固體材料晶格結構特性的工具，圖 3.5 為本次 量測之 X 光繞射儀。所以本實驗利用 X 光繞射儀去了解高介電材料薄膜的 晶相結構，去探討薄膜是呈現結晶(crystalline)還是非晶(amorphous)狀態。此 儀器將 X 光打入薄膜上，當晶格結構、晶面距離不同，所產生的繞射現象 也會不同。所產生的繞射現象，均須符合布拉格定理(Bragg’s Law)

n





(3.1)

公式(3.1)中 n 為一個正整數、λ 為 X 光之波長、d 為兩個反射原子之間的距 離、θ 為 X 光入射的角度，即入射角，如圖 3.6 所示。[20]

圖3.5 本次實驗所使用的X光繞射儀

圖3.6 布拉格定律示意圖

圖3.7 原子力顯微鏡之示意圖

3.3.2 原子力顯微鏡 (Atomic Force Microscope, AFM )

本研究利用原子力顯微鏡量測試片層與層之間的表面形貌及表面粗糙 度。懸臂式彈簧片上的微小探針，當探針掃描表面時利用其彈簧的形變來獲 得訊號，藉由得到的訊號，可以得知試片的表面粗糙度，通常以平均粗糙度

(Ra)或均方根粗糙度(Rms)來表示。本研究利用原子力顯微鏡觀察薄膜表面 的粗糙度，藉而比較在不同條件下所製備之薄膜粗糙度優劣。原子力顯微鏡 的主要結構可分為懸臂與探針、光電偏移量偵測器、掃描器、回饋系統及顯 像系統五大部分。圖 3.7 為原子力顯微鏡之示意圖。[21]

3.3.3 穿透式電子顯微鏡 ( Transmission Electron Microscope,

TEM )

圖 3.8 為本次實驗所使用的穿透式電子顯微鏡。TEM 的功用是要來了解 材料內部的結構狀態，所以本實驗利用 TEM 來觀察氧化層內部的結構型態。

拍攝 TEM 必須先將試片打薄，將試片黏在載具上。使用不同顆粒大小的砂 紙去磨薄試片，最後再利用鑽石砂紙，將試片磨出有虹光(利用光學顯微鏡 去觀察)，再利用離子打薄機將試片打到最薄，方可拍出完整的 TEM 照片。

TEM 是將高能量(100 kV-1 MeV) 的電子打在試片上，入射電子會有彈性散 射 (elastic scattering)和非彈性散射 (inelastic scatting)兩種結果產生。產生彈 性散射的電子是由於入射電子與試片內部原子庫倫位能的作用，其能量並沒 有損失，因此藉由彈性散射的電子可以得到薄膜微結構與原子結構。而藉由 非彈性散射電子則是可以得到薄膜結構成份以及鍵結的資料。一般來說，不 一樣鍵結的相同元素，其能量的損失相差約僅僅幾電子伏特而已，被散射出 來的電子通過了能量損失譜儀，因為損耗的能量不一樣，使得被聚焦或者是 被散射到不相同的位置。而目前來說裝配有能量過濾器的高解析電子顯微鏡 扮演了很重要的角色，因為結合了能量損失譜儀以及能量過濾器這兩種技術，

不僅僅可以得到試片內部原子的構造而且還能定量出材料的內部成份和鍵 結的分佈情況。[22]

圖3.8 本次實驗所使用的穿透式電子顯微鏡

3-4 電性量測實驗設備

本實驗利用探針放置在試片上所鍍上的鋁電極上面(如前面章節 3-2-4)，

針對試片進行漏電流和電容值之量測。量測試片之電容值 (C-V curve)是利 用 Agilent E4980 所量測；而量測試片之漏電流特性 (I-V curve)則是利用 Agilent B1500A 所量測得之。接著還會對試片加溫，從室溫每 25 ℃ (300 K) 為一個單位去增加，增加到 125 ℃ (425 K)，將得到的漏電流數據，去探討 該試片之漏電流機制。圖 3.9、3.10、3.11 為量測電性的儀器。

圖3.9 小台為量測C-V之Agilent E4980，大台為量測I-V之Agilent B1500A

圖3.10 量測變溫I-V之升溫器

圖3.11 量測電性儀器內部放置試片設備圖