第四章 儀器設備與實驗原理
4.2 真空離⼦子濺鍍系統（Sputter）
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4.2 真空離⼦子濺鍍系統（Sputter）
於我們實驗室中使⽤用的濺鍍法，為物理氣相沉積薄膜製備法，簡單來說，濺 鍍過程中，我們使⽤用被激發成電漿態的⾼高能氣體分⼦子來轟擊我們欲鍍靶材
（target），當氬氣撞擊靶材時，會將⾃自⾝身動能轉換到靶材原⼦子上，使靶材上的原
⼦子獲得動能⽽而⾶飛濺⽽而出，當⾶飛濺⽽而出的原⼦子碰到基板時，便會沉積於其上，並於 基板上形成薄膜。︒｡濺鍍過程就有如腳踏到地上的⼀一攤⽔水，⽔水花將濺起，濺起的⽔水 量與腳踏的⼒力道以及腳接觸⽔水的⾯面積有關，類⽐比到濺鍍中，則是⾼高能氣體分⼦子對 靶材撞擊速度的快慢以及進⾏行的有效撞擊次數多寡，皆會影響薄膜成⾧長的速率。︒｡
為了讓薄膜成⾧長順利，填充於真空腔體的氣體必須特別選擇，⾸首先該氣體的 活性必須⼗十分⼩小，以免於濺鍍過程中，氣體分⼦子與腔體、︑､基板、︑､靶材產⽣生氧化反 應，不只影響薄膜品質，甚⾄至可能毀壞靶材與儀器。︒｡⼆二來氣體分⼦子的原⼦子量也是 個關鍵，氣體分⼦子撞擊靶材時，並且置⼊入靶材中，將動能轉換到靶材上的分⼦子上，
讓靶材表⾯面的分⼦子脫離鍵結束縛⽽而⾶飛濺⽽而出，但氣體分⼦子要能將動能轉換到靶材 上的分⼦子上時，必須能“有效撞擊”，以提升靶材分⼦子⾶飛濺⽽而出的機率，所以必須 考量氣體原⼦子量。︒｡若我們假設 A、︑､B 氣體分⼦子為皆帶相同⼤大⼩小的電荷（Ｑ）但質 量不同（Ｍ１、︑､Ｍ２，Ｍ１＞Ｍ２）的兩靜⽌止粒⼦子，經過相同電場( E )加速後，因 A、︑､
B 帶相同電荷，所以兩者獲得的動能皆為 E．Q，但兩者獲得的動量不同，分別
為 2M!EQ、︑､ 2M!EQ，因此質量較⼤大的 A，獲得的動量較⼤大，動量越⼤大則氣體 分⼦子將動能轉換到靶材上的分⼦子上的機率越⾼高，意即鍍膜效率也越⾼高，但仍需考
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量安全及經濟因素，所以⼤大多濺鍍會選⽤用氬氣作為填充氣體。︒｡
濺鍍的原理，是先將真空腔內的氣體壓⼒力抽⾄至背景壓⼒力（10-7 torr），然後通
⼊入⼯工作氣體（氬氣）⾄至⼯工作壓⼒力（10-３ torr），藉由將靶材端接於陰極（⼜又得⼀一稱 陰極濺鍍），陽極接地，並在兩極間施加⼀一⼤大電壓，使兩極間的電場⼤大到可將腔 內的氣體（我們是使⽤用氬氣）游離成電⼦子與陽離⼦子（電漿態），⽽而帶正電的陽離
⼦子（Ar+ ions）會受到置於陰極的靶材吸引，並加速撞擊陰極的靶材，因此會將 靶材的分⼦子撞出。︒｡⽽而兩極間施加的是直流電壓，陰陽極隨著時間是固定不變的，
因此將這種濺鍍⽅方式稱為直流濺鍍（DC sputtering）；在某些特別情形下（如濺 鍍⾮非⾦金屬物質，例： ⼆二氧化矽 SiO2），則會改為施加交流電壓（AC），⽽而這種鍍 膜⽅方式則被稱為射頻濺鍍（RF sputtering）。︒｡⽽而如前⾯面所提，濺鍍過程氬離⼦子（Ar+ ions）會撞擊靶材，這會使得靶材表⾯面呈現正電特性，若不將靶材表⾯面累積的電 荷移除，在陰極端的靶材會因為表⾯面累積太多陽離⼦子後，將會對正電氬離⼦子（Ar+ ions）產⽣生斥⼒力，那即使正電氬離⼦子（Ar+ ions）被電場加速後，也不會朝靶材
⽅方向撞擊，這將造成鍍膜機制無法成⽴立，鍍膜將中斷。︒｡
因此在直流濺鍍（DC sputtering）過程中，陰極的靶材必須選⽤用⾦金屬材料，因為
⾦金屬材料導電性佳，可讓陰極提供的電⼦子順利補充到靶材中，並與靶材表⾯面的正 電氬離⼦子（Ar+ ions）結合，使之回復電中性，釋放回真空腔中。︒｡
⽽而於前⾯面曾提及的射頻濺鍍（RF sputtering），便是⽤用於靶材並⾮非⾦金屬材料之類的 良導體的情況，因為這類靶材導電性不佳，因此在其表⾯面累積的正電荷，難以藉
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由陰極提供的電⼦子回復電中性，釋放回腔體中，因此必須藉由其他⽅方式，讓靶材 維持電中性，讓濺鍍過程能持續進⾏行，⽅方法為持續改變靶材的極性，直流濺鍍（DC sputtering）中，靶材⼀一直為陰極，但在射頻濺鍍（RF sputtering）中，靶材的極 性則是陰極陽極不斷的交互改變，當靶材呈現陰極時，正電氬離⼦子（Ar+ ions）
會加速撞擊且置⼊入靶材，跟直流濺鍍（DC sputtering）情況⼀一樣；當極性轉成陽 極時，靶材表⾯面的正電氬離⼦子（Ar+ ions）便會因為極性相互排斥⽽而脫離靶材，
使得靶材⼜又恢復成中性，下⼀一個階段再讓靶材成為陰極，如此週⽽而復始使得濺 鍍製程可順利進⾏行，但因本⼈人於濺鍍製程使⽤用的皆為⾦金屬材料，因此主要集中 於直流濺鍍（DC sputtering）的介紹。︒｡
在濺鍍過程中控制氣體游離成電⼦子與陽離⼦子的電壓，我們可以根據以下⽅方法來估 算⼤大⼩小，當腔體內部氣壓為 p、︑､電極間距 d，則游離氣體所需的電壓：
V! = A ∙ pd/[ln (p ∙ d) + B]（A、︑､B 為靶材係數）
由此式來看，電⼦子游離機率將隨著氣壓的增加（意即氣體分⼦子增多、︑､腔內氣體導 電性變佳）⽽而增⾼高。︒｡因此我們藉由使腔內壓⼒力上升（由背景壓⼒力 10-7 torr，然後 通⼊入氬氣⾄至⼯工作壓⼒力 10-３ torr），使得游離氣體所需的電壓下降，並固定⼀一適當
⼤大⼩小之電壓，進⽽而形成穩定的氣體游離狀態，使鍍膜時樣品能穩定成⾧長。︒｡
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圖 4.2.1 真空離⼦子濺鍍系統（Sputter）內部⽰示意圖（取⾃自[33]）
為了更進⼀一步增加氣體游離率，我們會在靶材附近加上環形磁場，其磁⼒力線
分布經過設計，可以限制氬氣游離時跑出來的電⼦子群，此⼀一⽅方法，稱為磁控濺鍍，
如圖4.2.2所⽰示。︒｡電⼦子運動軌跡會受磁場影響呈現螺旋狀，這可增加電⼦子與氬氣原
⼦子碰撞的機率，同時提⾼高氬氣游離的效能，也因為電⼦子被磁⼒力線束縛，也減少電
⼦子轟擊基板的機率（我們只需正電氬離⼦子撞擊基板），可減少基板溫度的升⾼高。︒｡
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圖 4.2.2 磁控濺鍍⽰示意圖（取⾃自[34]）
為了控制濺鍍過程，有幾項儀器參數必須注意，濺鍍時使⽤用的電流Isp主要決定氣 相沉積的速率，⽽而電壓Vsp則決定動能的最⼤大值，功率則是可平衡電流Isp與電壓
Vsp控制濺鍍過程中的濺鍍率為⼀一穩定速率。︒｡
濺鍍腔體的氣壓 p可以⽤用於計算濺鍍材料的平均⾃自由徑 λ，⾒見下式：
𝝀 = 𝒕𝒓𝒂𝒗𝒆𝒍𝒊𝒏𝒈 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒆
𝟐𝒏𝒖𝒎𝒃𝒆𝒓 𝒐𝒇 𝒄𝒐𝒍𝒍𝒊𝒔𝒊𝒐𝒏𝒔= 𝒗𝚫𝒕
𝟐𝒏𝝅𝒅𝟐𝒗𝚫𝒕= 𝟏 𝟐𝒏𝝈
為氣體密度，其他參數定義請⾒見圖4.2.3。︒｡
由此式可知腔體的氣壓與靶材與欲鍍基板之間距，控制了靶材到基板間粒
⼦子碰撞的情形，這將影響薄膜的孔隙率，且影響薄膜的結晶與組成。︒｡
kT n = p
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圖 4.2.3 平均⾃自由徑定義
此外，除了施加的電壓與腔內氣體種類，基板溫度也會影響薄膜的結晶與 組成，雖然濺鍍過程中，我們並未直接加熱基板，但濺鍍過程中，基板將被靶材 分⼦子不斷的撞擊⽽而導致溫度升⾼高。︒｡
如何測定鍍率對於我們的樣品是⾮非常重要，⼀一般⽽而⾔言使⽤用即時監控膜厚的儀 器來檢測度率是⼀一種⽅方案，或者樣品鍍完後，從真空腔取出以其他儀器（如AFM）
檢測。︒｡但若每次皆須檢測膜厚，則將讓整個實驗變得⼗十分複雜。︒｡因此我們採⽤用另 外⼀一個⽅方式：預估鍍率，我們將薄膜的厚度換算成鍍膜所需的時間，但鍍率會受 到環境因素影響，所以每次的鍍膜都必須盡可能將環境的條件設定成同樣的狀態，
以求每次的鍍率都差不多。︒｡
⽽而通常來說，電源提供給濺鍍槍的功率與填充氬氣的壓⼒力是影響鍍率最重要的兩 個因素。︒｡陰極與陽極之間的電壓差是加速正電氬離⼦子的能量提供來源，意味著電 壓越⼤大，正電氬離⼦子加速越快，撞擊⼒力道也就越強；電流⼤大⼩小影響正電氬離⼦子撞 擊靶材的次數，當撞擊次數越多，靶材分⼦子⾶飛散出來的數量也越多，綜合起來便 是電源功率影響鍍率的狀況。︒｡另⼀一個因素為氬氣壓⼒力，填充到真空腔裡的氬氣中 只有少部份的氬原⼦子被游離成電漿（plasma）態，⼤大多數仍處於電中性的情形，
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增加氬氣壓⼒力並無法有效增加游離氬離⼦子的數量，因為腔內的正電氬離⼦子很容易 碰撞到內部其他的中性原⼦子或是飄散的電⼦子⽽而恢復成電中性，且如果持續增加氬 氣壓⼒力反⽽而可能會降低氬氣電漿態的形成，反⽽而使鍍率降低。︒｡但若氬氣壓⼒力過低，
因為氬氣過於稀薄，帶電粒⼦子加速過程中幾乎沒有碰撞，可讓更多的氬原⼦子有機 會被游離，但這會使得電漿態難以保持穩定，帶電粒⼦子產⽣生後也迅速的⾶飛到陰陽 兩極電性被中和，電漿濃度過低，整個鍍膜程序也難以維持。︒｡⽽而在我的實驗中是 設定濺鍍鎳鐵薄膜時的濺鍍槍功率為60W、︑､⼯工作壓⼒力為1.2×10-3 torr。︒｡
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4.3 物理性質量測系統(Physical Properties Measurement System，
PPMS)
PPMS為美國 Quantum Design 公司所設計的⼀一套低溫電性量測系統，可以 做控溫、︑､控磁場和旋轉⾓角度的電性量測，溫度調控範圍可由 1.8K ⾄至 400K，最⼤大 磁場可達到 9 Tesla。︒｡物理性質量測系統(PPMS)的架設裝置如圖 4.3.1，杜⽡瓦瓶外 層⽤用真空夾層與液態氮隔熱，內層有⼀一樣品腔，可抽真空隔熱，四周則⽤用液氦保 溫，樣品腔底部則以⽑毛細管與液態氦連接，⽽而樣品放置於樣品座上，再將樣品座 放⼊入樣品腔內。︒｡磁場的由杜⽡瓦瓶內的超導線圈提供。︒｡量測時的控溫，則是會先將 樣品腔⽤用機械幫浦以 purge 的形式抽⾄至低真空，以免內部有⽔水氣凝結影響控溫與 量測，⽽而溫度的控制則藉由⼀一個⼩小型加熱線圈升溫；降溫則是利⽤用前述的⽑毛細管，
以機械幫浦將液氦抽進低真空的樣品腔，讓液氦快速吸熱汽化使樣品腔降溫，這 樣的降溫⽅方式可使系統溫度降⾄至液氦的沸點（4.2K）以下。︒｡
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圖 4.3.1.PPMS 的架設⽰示意圖
液氦除了⽤用來使樣品降溫，另⼀一個功能便是讓超導線圈保持在超導狀態以產
⽣生外加磁場，超導線圈必須完全浸泡在液態氦裡⾯面以確保維持在超導狀態，然⽽而 要將電流導⼊入超導線圈內⼀一般是透過特殊的開關（persistent switch）設計，開關 設計如圖 4.3.2
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圖 4.3.2. switch 開關設計圖：(a)初始狀態(b)將外部電流加⾄至與超導線圈相同
(c)打開加熱器使超導線圈恢復成正常態(d)調整電流⼤大⼩小(e)關閉加熱線圈使超 導線圈回到成超導態(f)將外部電流降為零
(c)打開加熱器使超導線圈恢復成正常態(d)調整電流⼤大⼩小(e)關閉加熱線圈使超 導線圈回到成超導態(f)將外部電流降為零