4-1 實驗流程
實驗流程架構如圖 4.1 所示，當鈷鐵硼銅薄膜製備後，會抽取部分樣品作成 分分析、表貌以及結構分析，全部樣品皆有量測磁性行為
圖 4.1 實驗流程架構圖
4-2 樣品製作
基板分成兩種尺寸 7x7mm2和 3.5x7mm2，較大的基板用於量測科爾磁光效應，
較小的基板則使用在鐵磁共振儀，基板面積太大，吸收較多的微波，導致測量時 訊號不明顯。基板在濺鍍前，依序以丙酮、異丙醇(IPA)和去離子水放在震動儀中 清洗 3-5 分鐘，再以氮氣槍噴除基板上的水漬，清洗後放入樣品盒避免汙染。
樣品製作
成分分析 XPS SIMS
樣品分析 AFM
XRD
量測 MOKE
FMR
35
以磁控濺鍍儀濺鍍 40nm 以及 50nm 的 CoFeBCu 薄膜於 SiO2/Si(001)基板上，
其中用交流射頻濺鍍 CoFeB 靶材，用直流濺鍍 Cu 靶材，並固定交流射頻的功率為 102 瓦特，改變直流電源的電流值從 0.002-0.064 安培，以改變 CoFeB 和 Cu 的參 雜比例從 0-74%，40nm 的薄膜 Cu 的參雜比例從 0-44%。磁控濺鍍儀，主腔體氣壓 維持在 2x10-6torr，濺鍍時填入工作氣體氬氣，使腔體內氣壓保持在 8.9-9.0x10-3 torr 的範圍內；RF 功率 102 瓦特時，CoFeB 的鍍率為 3.7-4.1Å 𝑚𝑖𝑛。
製作樣品流程如下：
○1 基板黏貼於載台中央 → 將載台以 load lack 夾具固定住並緊閉氣門 → 以幫 浦抽氣至 5×10-2torr 後開啟 load lack 的 turbo，並抽氣 20 分鐘使 load lock 氣 壓降至μtorr的程度 → 開啟氣動閥門將載台推入且卡榫於腔體內的夾具→關 閉閥門後等待氣壓穩定至 2μtorr → 用檔板遮住基板
○2 開啟氣體流量控制器調整氣壓到 8-9mtorr → 打開直流電壓源預鍍銅靶 5 鐘，
以清除沾染在銅靶表面的雜質 → 調整 DC 電流到所需要的數值，且調整氣壓為 8.9-9.0mtorr → 使用膜厚計測量銅靶鍍率，紀錄膜厚隨時間的變化 →紀錄完 畢後，關閉直流電壓源
○3 開啟射頻功率儀至 102 瓦特，預鍍鈷鐵硼靶 15 分鐘避免表面被銅靶汙染 → 以 膜厚計紀錄鈷鐵硼靶鍍率，紀錄膜厚隨時間的變化 → 開啟直流電壓源，直到 射頻與直流源皆穩定後，移開檔板開始濺鍍。
1.沉積氣壓選擇為 8.9-9.0mtorr 的原因
共濺鍍指在相同的工作氣壓下濺鍍兩個靶材，由於直流與射頻濺鍍的基本差 異，以射頻濺鍍鈷鐵硼靶的速率小於直流濺鍍的銅靶鍍率，實驗上為了調控銅參 雜的比例，設法找出鈷鐵硼靶最大的鍍率出現在何種製程參數。
濺鍍的基本原理，工作氣壓高於某數值時，氣體粒子在空間中碰撞機率提高，
氣體散射導致轟擊靶材的氣體粒子數目降低造成鍍率下降；調控參數過程，發覺 濺鍍功率與工作氣體壓力有所關連：
36
(1)射頻濺鍍鈷鐵硼靶
在靶材與基板間施予高功率時，由於射頻以高頻率迅速轉換正負極的位置，
故工作氣壓必頇高於某數值才有辦法高功率提高，實驗數據顯示，鈷鐵硼靶 射頻功率 102 瓦特，工作氣壓在 8.5mtorr 有最大鍍率。
(2)直流濺鍍銅靶
直流濺鍍銅靶有極高的鍍率，故使用低電流降低銅靶鍍率，以獲得較小的銅參 雜比例；實驗數據顯示，當施予銅靶低電流時(0.002 安培)，工作氣壓必頇高 於 8.9mtorr 氬氣電漿才能穩定的點燃。
綜合射頻與直流的實驗數據，我們選擇製程的參數為射頻功率 102 瓦特，實 驗室的射頻儀最大功率可達 600 瓦特，工作壓力 8.9-9.0mtorr。
2.量測 CoFeB 和 Cu 參雜的比例
共濺鍍下鈷鐵硼與同的參雜比例，依據膜厚儀紀錄的靶材鍍率得知，為了確 認參雜比例的準確性，將樣品送至貴儀單位作 X-ray 光電子能譜儀分析(XPS)，
得到半定量的表面原子濃度，比較濺鍍參雜的比例與 XPS 是否相符，分析數據於 第五章實驗數據與討論。
37
表格 4.1 與 4.2 分別為 50 及 40nm 薄膜不同參雜比例的製程參數與靶材鍍率：
表格 4.1 50nm 鈷鐵硼銅薄膜製程參數
Pressure(mtorr) Cu 電流(A) Cu 鍍率(Å/min) CoFeB 功率(W) CoFeB 鍍率(Å/min) CoFeB(%) Cu(%)
8.7-8.9 100 3.125 100.0 0.0
8.6-8.7 0.002 0.556 102 3.38 86.0 14.0
8.7 0.004 0.828 102 2.918 77.9 22.1
9 0.006 1.245 102 2.795 69.2 30.8
8.9 0.010 2.502 102 2.975 54.3 45.7
8.9 0.014 3.386 102 3.3925 50.1 50.0
8.9 0.020 4.667 102 3.52 43.0 57.0
8.9-9.0 0.038 5.208 102 3.378 39.3 60.7
8.9-9.0 0.048 7.9155 102 3.7009 31.9 68.1
8.9-9.1 0.062 10.7739 102 3.7097 25.6 74.4
表格 4.2 40nm 鈷鐵硼銅薄膜製程參數
Pressure(mtorr) Cu 電流(A) Cu 鍍率(Å/min) CoFeB 功率(W) CoFeB 鍍率(Å/min) CoFeB(%) Cu(%)
8.8-9.0 102 3.904 100.0 0.0
8.9-9.0 0.003 0.679 102 3.8713 85.1 14.9
8.9-9.0 0.004 0.846 102 3.8568 82.0 18.0
8.9-9.0 0.006 1.4958 102 3.9245 72.4 27.6
8.9-9.0 0.010 2.3973 102 4.0414 62.8 37.2
38
3.膜厚計
STM-100膜厚儀的使用方法，參考使用手冊將靶材特性，包含密度、z-factor 以及tooling數值輸入膜厚儀，各個靶材的特性顯示於表格4-3。密度是塊材單位 毫升的重量，用於厚度方程式，將待測物質量轉為厚度；z-factor與材料的彈性 有關連，用於校準薄膜厚度；tooling factor為實際膜厚除以膜厚儀顯示膜厚，
其中實際膜厚由原子力顯微鏡量測，其中圖4.2為膜厚儀前面板的示意圖形，圖4.3 為實驗室使用的膜厚儀。
表格 4.3 膜厚計靶材參數
Density z-factor tooling factor
Cu 8.93 0.437 2.36
CoFeB 5.61 0.556 0.46
圖 4.2 膜厚計面板 圖 4.3 膜厚計儀器圖
39
4-3 儀器介紹
1.磁控濺鍍儀(magnetron sputter)
實驗室自製的磁控濺鍍儀如圖 4.4 顯示，包含兩個腔體，主腔體以 turbo 抽 氣，turbo 連接著可粗抽至 1mtorr 的機械幫浦，副腔體以另一個 turbo 抽氣，其 中一端以氣動閥門連接至主腔體，另一端以管子連接至機械幫浦；濺鍍前，貼有 基板的載台卡榫在副腔體內的 load lock，使用機械幫浦粗抽至 1mtorr 後，開啟 turbo 抽氣至 1μtorr，此時，灌入氮氣開啟氣動閥門，推送載台進入主腔體。
為了精準控制氣壓，附有一台氣體流量控制器，並且裝設 STM-100 膜厚計以 量測薄膜厚度；主腔體附有 4 支濺鍍槍，多支濺鍍槍具有極佳的便利性，製作不 同材料的多層膜時，不需要花費時間更換不同靶材，但是，多支濺鍍槍也擁有靶 材易被汙染的危隩，解決的方法是，鍍膜前先預鍍靶材，將靶材表面數個原子層 的雜質，以氬離子清除掉。為了濺鍍金屬和非金屬靶材，除了直流電源供應器，
磁控濺鍍儀還包含交流式電源供應器以及阻抗匹配箱。
圖 4.4 磁控濺鍍儀
Cu
Co40Fe40B20
氣動閥門 膜厚計
直流電壓源
turbo
40
(1)直流磁控式(DC Magnetron)
圖 4.5 為直流磁控示意圖，在磁場中磁力使電荷作螺旋運動，螺旋的迴轉半 徑 r＝mv/qB，其中 m、q、v 與 B 分別為電荷質量、電量、速率與外加磁場大小；
因為電子的質量很小，故電子有比較小的迴旋半徑，因此電子會被束縛在磁力線 附近；電子作螺旋運動增加電子移動距離，提高電子與氬氣碰撞的機會，增加氬 氣電離的密度。在電場的作用下，氬離子往陰極的靶材轟擊，若氬離子數目愈多，
撞擊出來的粒子數目也愈多，故磁控濺鍍的沉積速率比其他濺鍍方法來的高。薄 膜製程中，直流磁控濺鍍是很常見的方法，從簡易的製程控制中獲得較高的沉積 速率以及良好的薄膜均勻性。
圖 4.5 直流濺鍍示意圖
(2)射頻磁控式(RF Magnetron)
PFG-RF600 射頻系統，施加頻率 13.65MHz 的交流電壓於靶材和基板上，金 屬與介電質材料皆可以使用射頻系統製作薄膜，但是直流濺鍍只適用於金屬薄膜，
因為絕緣靶材導電性不佳，在靶材表面會累積正電荷，造成一位障阻止靶材粒子 飛向基板，然而射頻系統會不斷的切換正負極電壓，使自由電子受正電壓吸引往 靶材移動，中和掉累積在靶材上的正電荷，故以交流電壓即可解決電荷累積的問 題，使正電荷的氬離子繼續轟擊絕緣靶材。
V
-基板 載台 薄膜
磁力線 靶材 永久磁鐵
永久磁鐵
V
+41
2.磁光科爾效應(MOKE)
實驗室自製的科爾磁光儀，裝置如圖 4.6 所示，包含 632.8 nm,10 mW 氦氖雷 射、高消光比的 Glan Thompson 偏振片、最高可達 3 KOe 的電磁鐵(加裝鐵芯於電 磁鐵上,磁場解析度為 0.002 Oe)、裝有濾波片的光訊號偵測器、直流式電源供應 器以及自製的電流變向器(PN switch)。
圖 4.6 自製磁光科爾儀
實驗流程如圖 4.7，一束氦氖雷射光通過偏振片形成線偏振光，藉由布魯斯 特角的概念，旋轉偏振片至只通過 s 線偏振光的位置；雷射光通過偏振片後，以 s 線偏振光入射於鐵磁性金屬薄膜，同時施加磁場於鐵磁薄膜上，由於電磁波在 鐵磁物質內左旋光與右旋光的折射率不同，使反射光形成橢圓偏振光，且與原入 射偏振方向夾一科爾角，反射光通過另一個偏振片以及光電檢測器，測量反射光 的強度，由於反射光強度與薄膜磁化強度有正相關，因此可得到樣品磁滯曲線。
圖 4.7 磁光科爾儀實驗流程圖 氦氖雷射
偏振片
光強度偵射器 電磁鐵
42
(1)調整偏振片至通過 s 線偏振光
光的本質是電磁波，傳播時電場與磁場隨時間振動，當一束雷射光入射至薄 膜表面時，可以將光的電場方向分成兩個部分，一個是平行入射面的p偏振，另 一個是垂直入射面的s偏振。
從第三章磁光科爾效應實驗原理得知，使用 s 線偏振光入射樣品，可獲得較 清晰的實驗訊號；實驗上使用布魯斯特角獲得 s 線偏振光，如圖 4.8 所示，一束 平行光以布魯斯特角入射於玻璃板時，反射光只剩垂直入射面的 s 偏振光，且反 射線與折射線夾 90 度。
圖 4.8 布魯斯特角示意圖[24]
(2)旋轉薄膜樣品在平面上的角度
如圖 4.9 所示改變樣品平面上的角度，量測薄膜平面異向性行為。
圖 4.9 量測平面上不同角度的磁滯曲線示意圖 3.鐵磁共振儀(VNA-FMR)
如圖 4.10 所示實驗室自製的鐵磁共振儀，儀器裝置包含向量網路分析儀、6 英吋附有水冷系統的電磁鐵(磁場最高可達到 15KOe)、探針高斯計、雙極開關直 流電源供應器、高 Q 係數的微波共振腔以及步進馬達。
θ
43
圖 4.10 鐵磁共振儀
以高壓直流電源供應器提供電磁鐵電流，產生的磁場通過固定於半圓柱石英 棒上的樣品，同時，X 波段的微波源提供微波訊號至放有樣品的共振腔中，代測 樣品與磁場和微波交互作用吸收入射的微波源，藉由安捷倫(Agilent) N5230C 微 波向量網路分析儀，分析入射和反射的微波強度獲得鐵磁共振頻譜，並使用步進 馬達旋轉樣品座，測量不同角度下的共振行為，實驗流程如圖 4.11。
圖 4.11 鐵磁共振實驗量測流程圖
量測不同角度的鐵磁共振曲線，並定義外磁場與薄膜法向量的夾角為θ，圖 4.12 與圖 4.13 分別是角度為 90°與 0°的示意圖形。
電磁鐵 網路分析儀 高斯計
微波共振腔
44
圖 4.12 磁場與樣品法向量夾 90° 圖 4.13 磁場與樣品法向量夾 0°
為了避免基板吸收過多微波訊號，影響反射訊號強度，量測前先將樣品裁切
為了避免基板吸收過多微波訊號，影響反射訊號強度，量測前先將樣品裁切