第三章、 實驗
3.3 薄膜物理特性與化學特性分析
3.3.1 光學常數與厚度量測
n & k 分析儀（n & k Analyzer）於本實驗中用來量測薄膜光學常 數與厚度，儀器廠牌為n & k Technology，型號為 n & k 1500。
此儀器主要量測樣品表面的反射率，再以反射率曲線比對方式 計算出薄膜的光學常數與厚度。量測光波段涵蓋深紫外光至近紅外 光，為190 nm 至 1000 nm，量測光入射光角度為 5°。
此儀器使用之計算理論基礎為 Forouhi-Bloomer Formulation
［33］［34］［35］，理論反射率 Rt表示於下面之公式(5)：
[ λ , θ , ,
f( λ ),
f( λ ),
s( λ )
s( λ ),
g, σ
1, σ
2]
t
t
R t n k n k E
R =
(5)其中，λ為波長，θ為光入射角度，t 為薄膜厚度，nf(λ) 與 kf(λ) 為薄膜折射率與消光係數，ns(λ) 與 ks(λ)為底材折射率與消光係 數，Eg 為薄膜能帶間隙，σ1 為空氣/薄膜介面粗糙度，σ2 為薄膜/
底材介面粗糙度。
Substrate: ns(λ), ks(λ) Film: t, nf(λ), kf(λ), Eg,
θ R(λ)
σ1 σ2
圖3.2 n&k 分析儀量測原理示意圖
當儀器量測得反射率之後，再與使用者給定之薄膜材料資訊以 上述公式運算結果比對，以求得薄膜光學常數及厚度。
3.3.2 穿透率量測
紫外-可見光光譜儀（Ultraviolet and Visible Spectroscopy）於本 實驗中用來量測薄膜穿透率，儀器廠牌為 SHIMADZU，型號為 UV-2501PC。
此儀器主要利用入射光同時穿過兩個不同樣品槽，ㄧ個為參考 光，另一個則為實驗樣品，比較兩道穿透光強度以計算穿透率。量 測範圍為200 nm 至 1100 nm，以垂直角度入射樣品。穿透率 T 表示 如下：
ref sample
I
T = I
(6)Isample為樣品穿透光強度，Iref.為參考穿透光強度。
本實驗以潔淨乾燥氮氣為背景進行儀器光學系統校正，同樣再 以潔淨乾燥氮氣作為參考樣品，求得之穿透率為包含薄膜與玻璃之 光罩整體穿透率。
3.3.3 薄膜結構觀察與厚度量測
掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）於本 實驗中用來觀測薄膜截面結構及量測薄膜厚度，儀器廠牌為FEI，型 號為Nanolab NOVA600i。
此儀器主要利用電子束入射樣品表面以產生二次電子，以偵測 器收集二次電子訊號，並轉換成電訊號，輸出至螢幕畫面顯示［36］。
由於本實驗薄膜材料導電性不良，因此影像品質欠佳，但又礙 於鍍導電膜會覆蓋原有薄膜結構，可能更無法看出細微狀態，因此 僅以人工破片後，送入腔體直接觀察。
3.3.4 表面粗糙度量測
原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)於本實驗中用來 量測薄膜表面粗糙度，儀器廠牌為Veeco，型號為 D5000。
此儀器主要利用懸臂（Cantilever）前端微小探針（Tip）於試片 表面掃描，探針尖端的原子與樣品表面原子的凡得瓦力（Van Der Waals' Forces）作用，造成懸臂產生位移，再以雷射光偵測懸臂位移 量，以取得位置試片表面位置與對應高度的資訊。
3.3.5 化學鍵結分析
傅 立 葉 轉 換 紅 外 線 光 譜 儀 （ Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）於本實驗中用來分析薄膜含有的化學鍵結，以 分析薄膜組成成分，儀器廠牌為ASTeX，型號為 PDS-17。
此儀器主要量測紅外線吸收光譜，利用化學鍵吸收紅外線的特 性，來判定樣品中含有何種鍵結。環境以潔淨乾燥氮氣purge，量測 範圍為400 cm-1至 4000 cm-1。
3.3.6 薄膜元素分析
X 光光電子能譜儀(X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)與歐 傑電子能譜儀（Auger Electron Spectroscopy, AES）於本實驗中用來 判定薄膜的化學成分、成分比例與成分縱深分布，儀器廠牌為 VG Scientific，型號為 Microlab 310F。
X 光光電子能譜儀主要利用 X 光入射樣品表面，表面原子的電 子吸收 X 光的能量後脫離原子束縛，形成自由電子並帶有動能，藉 由偵測自由電子的數量與動能，分析此光電子的能量以獲得相關的 化學組態以及化學成分的資訊。實驗中能譜儀的量測範圍從 0 至 1000eV，使用的 X 光光源為 Al 的 Kα(1486eV)。
歐傑電子能譜儀則是先利用3keV 氬離子進行蝕刻，於設定時間 再以 10keV 電子入射樣品表面，激發並收集樣品表面數層原子內的 歐傑電子，分析此歐傑電子的能量以獲得樣品組成成分資訊。實驗 中主要觀測Si、C、N、O 四種元素於薄膜中含量變化。