超高真空系統（Ultra-High Vacuum System）[20,21]

由於吾人期望能透過 STM，得到表面上真實之研究反應的原子級解析 度影像。因此需使儀器內部保持在超高真空（ultra-high vacuum <10^-7mbar）

的環境中，盡可能減少空氣中懸浮的粒子吸附到塊材表面造成的污染導致 影響實驗結果。本實驗室使用了數種幫浦來抽氣達成腔體內的超高真空環 境，下面將一一介紹。

3.2.1 油封式機械幫浦[22]

圖 3.2-1 為油封式機械幫浦的構造示意圖。其原理是利用幫浦室中的轉 子（rotor）和靜子（stator）週期性的運作達成進氣、壓縮和排氣的動作。

由於轉子和靜子在運動過程中會連續摩擦，因此需要使用幫浦油加以潤滑，

同時排除摩擦熱，亦可在運轉過程中達成密封的效果。良好的真空幫浦油 需滿足以下需求：低飽和蒸氣壓、大分子量、適當的黏滯性、優良的抗乳 化性和安定性。但因為機械幫浦會有油氣污染的疑慮，故需在前端接上濾 油罐避免油氣回灌腔體。

本實驗室的機械幫浦主要作為大氣下啟動的粗抽前級幫浦，最終使腔體 內的壓力達到 10^-3mbar 以降。機械幫浦的型號為 Alcatel 公司的 Pascal 2015SD。

圖 3.2-1 油封式機械幫浦工作示意圖

本實驗室所使用的型號為 Varian 公司的 Turbo-V750 渦輪分子幫浦，接 於前級機械幫浦之後，最終轉速為 50krpm，最終抽氣效率可達 10^-10mbar

圖 3.2-2 渦輪分子幫浦工作示意圖

3.2.3 離子幫浦（Iron pump）[20]

離子幫浦是利用電場的作用，將被氣體離子化之後吸出真空腔外，再利 用結拖（getter）材料與氣體分子化合儲存在幫浦內形成低蒸氣壓的固體。

如果幫浦內的氣體分子為中性時，系統呈電荷均衡，此時無法有效地進 行抽氣。因此我們在陰極和陽極之間施以高電位差，自由電子就會被吸引 向陽極移動，在運動途中撞擊到中性的氣體分子而使其離子化。同時為了 增加自由電子碰撞的機率，可以加一磁場使自由電子在碰撞陽極前的運動 路徑成螺旋線。通常以不鏽鋼管作為陽極，兩片鈦金屬板於兩側作為陰極。

氣體分子被游離之後，帶著正電往陰極方向加速發生碰撞，將陰極的物質 濺射出來。鈦為活性很強的化合物，可與氣體分子化合成低蒸氣壓的固體，

轉子旋轉方向

軸向氣體流動方向

擴散回流 轉子

靜子

轉子 靜子

結拖在真空系統或幫浦表面。能量大的氣體分子在撞擊後可能會發生掩埋 作用，直接植入陰極中，質量小的氣體分子則是吸附於鈦版表面，再擴散 入鈦材質。注意惰性氣體因為不被鈦原子結拖，很容易在被掩埋之後又被 後來的離子撞濺逸出，因此離子幫浦對氬氣這類惰性氣體抽氣效率最差，

故 sputter 時放入氬氣之前需要將離子幫浦的閥門關上。離子幫浦對氫氣的 抽氣效果很好，正好可以補足渦輪分子幫浦對氫氣抽氣效果不佳的缺點。

當 bake 完壓力達到 10^-9mbar 時，就會開啟離子幫浦讓真空度更佳，可 以使得壓力最低達到 5×10^-11torr。因為其為儲氣式幫浦，儲氣量有一定的限 制，需要定期補充鈦原子或是烘烤離子幫浦讓氣體分子逸出恢復其活性。

圖 3.2-3 離子幫浦工作示意圖

鈦原子 氣體離子 正離子 電子

B

V

V

3.2.4 鈦昇華幫浦（TSP）[20,21,23]

鈦昇華幫浦的原理是加熱鈦金屬燈絲使鈦昇華成蒸氣後，在氣態或從氣 態凝華回固態後皆可產生結拖氣體的作用，利用鈦離子與氣體產生化學作 用生成固體，再藉由渦輪分子幫浦排出腔體，或被離子幫浦吸入儲存。鈦 昇華幫浦運作時所放出的鈦離子同時可以補充離子幫浦上陰極的鈦，故兩 者往往會一起於真空系統中使用。

圖 3.2-4 鈦昇華幫浦燈絲