而本實驗室之離子真 空計(Ion Gauge)所使用之單位為 Torr

第三章 實驗儀器與工作原理

在這一章中，將介紹實驗用到的所有儀器及其工作原理，首先要 提到真空的定義與我們如何製造一個真空的環境，因為我們實驗主要 分析的是表面數層原子造成的現象，所以我們需要非常良好的真空環 境以避免污染物對實驗結果造成影響。接下來提到的儀器包含歐傑電 子能譜儀 (Auger Electron Spectroscopy，AES)、表面磁光科爾效應儀 (Surface Magneto-Optical Kerr Effect，SMOKE)、低能量電子繞射儀 (Low-Energy Electron Diffraction，LEED)、反射式高能電子繞射儀 (Reflection High Energy Electron Diffraction，RHEED)及鍍膜系統皆裝 置在我們實驗室的超高真空腔上進行臨場(in-situ)之量測；SMOKE 是 將雷射光由一側的 view-port 射入真空腔並打在樣品上反射後經由另 一側的view-port 外的光二極體(photodiode)接收訊號。

3-1 真空理論

3-1-1 真空定義

所謂的真空是在一特定空間內將氣體抽出使其壓力小於一大氣 壓，便稱為真空。而壓力的單位使用的即為一般壓力所使用的國際壓 力單位pascal，帕(Pa)，定義為 1 Pa = 1 N / m²。而本實驗室之離子真 空計(Ion Gauge)所使用之單位為 Torr。壓力單位換算如表(3-1)，隨壓

力的不同，真空可約略分為表(3-2)所列。

表3-1 壓力換算

mbar Pa Torr atm

mbar 1 100 0.75 9.87x10^-4 Pa 1x10^-2 1 7.5x10^-3 9.87x10^-6 Torr 1.33 133 1 1.32x10^-3

atm 1013 101325 760 1

平均自由徑(mean free path)為平均一個粒子在碰撞其他粒子前所 走的距離。在設計真空儀器時氣體的平均自由徑為一重要考慮因素。

真空度的等級愈高，平均自由徑愈大，氣體分子需移動愈遠的距離才 會碰撞到另一分子，表示空間內之氣體分子密度愈低，因此在真空系 統內的操作得以排除空氣中雜質的影響，詳細來說有以下幾種優點。

例如[7,41]：

(1)在真空狀態下，氣體分子密度減少，同時降低了氣體分子間的碰 撞機率，使其平均自由徑變得較長，並延長了氣體單分子層沈積在固 體表面的時間。

(2)減低帶電粒子在運動過程中之碰撞損失，例如：歐傑電子能譜、

低能電子繞射儀等，較高之真空度可減少電子在運動過程中之碰撞損 失。

(3)降低了氣體的化學活性。

(4)改變了在大氣下必須靠分子間的互相作用的反應，因為氣體分子 密度的減少而使得發生機會降低。

表 3-2 真空度分級表 [40]

粗真空 中真空 中高真空 高真空 超高真空 壓力範圍

（Torr）

760 – 100 100 - 1 1 – 10 ^-4 10 ^–4–10 ^–8 ≦10 ^-9

分子數/cm³ (at 20^oC)

2.5×10¹⁹ 至 3.3×10¹⁸

3.3×10¹⁸ 至3.3×10¹⁶

3.3×10¹⁶ 至3.3×10¹³

3.3×10¹³ 至3.3×10⁹

3.3×10

≦ ⁸

平 均 自 由 路 徑 (λ ； cm）

5×10^–6至 5×10^–5

5×10^–5至 5×10^–3

5×10^–5至5 5 至 5×10⁴ >5×10 ⁴

所需幫浦 機械幫浦 機 械 幫 浦 與 擴 散 幫 浦 的組合

機械幫浦、擴散幫浦、

離子幫浦、渦輪分子幫 浦、冷凍幫浦、和鈦昇 華等幫浦的組合、

主 要 殘 留 氣體

空氣、水、

二氧化 碳、和一些 易揮發溶 液的蒸氣

氫氣和一氧化碳外還 有幫浦油蒸氣

大 部 分 為 氫 氣 和 一 氧 化碳

3-1-2 真空材料與封合[6]

一套真空系統是由許多個別的小系統和元件所組合而成，所謂的 小系統包括真空腔體(chamber)，真空計(vacuum gauge)及真空幫浦 (vacuum pump)。連接這些次系統組裝成系統則需依靠管件(pipes)，法 蘭(flanges)，O 型環，墊圈，真空引入(feedthrough)以及各式閥門與附 件。附件隨系統不同需要經過合適的設計以達到所需的真空環境。

然而不論設計如何完善，由於材料本身的影響，使得我們無法製 造出完全的真空，而材料所造成的影響有下列幾個因素：

(1)逸氣(outgassing)

材料中一般都有氣體存在於內層，當材料表面壓力下降或溫度上 升才慢慢的釋出。而材料於真空環境中受外在壓力或溫度條件，放出 所固溶或吸附的氣體分子之現象稱之為逸氣。有些材料比較易於吸附 氣體或製作時不易除去氣體故不適用於真空。但是有些材料雖無氣體 存在其中，但若組成成份蒸氣壓很高，或者材料易於蒸發，則在真空 中會有釋氣的可能。考慮釋氣的因素，選擇真空材料應以蒸氣壓低，

不含雜質者為佳。

(2)擴散(diffusion)與滲透(permeability)

擴散是一種過程，成因是原子或分子因其熱運動(thermal motion) 而作隨機漫步(random walk)進入固體、液體或氣體物質中。滲透的意

義則指氣體或液體分子穿過固體(通常為薄膜或薄壁)的難易程度。通 常滲透包括溶解、擴散及釋放(release)三個過程，故與溫度和壓力有 關。由於真空腔或元件氣壁兩側存在壓力差，因此任何氣壁材料或多 或少都會由高壓側滲透一些氣體分子至低壓側。以微觀的角度來看，

滲透的過程是因氣體分子或原子碰撞氣壁表面，並吸附於氣壁表面，

之後部分被吸附的氣體分子被分離為原子狀態，部分為分子態，在氣 體分子入射的表層固溶於氣壁材料依其用途，並可達到一平衡的溶解 度。由於兩側存在的濃度梯度，高壓側氣壁表層的氣體分子向低壓側 氣壁擴散，擴散至低壓側氣壁表面，部分原子態之氣體可重新結合成 分子態，並在表面釋放出氣體分子，完成滲透的過程。

(3)昇華(sublimation)與蒸發(evaporation)

蒸發是固體先變成液體後由液體變成氣體之現象，而昇華則是固 體直接變成氣體不經過液化之過程。這兩種過程都和溫度及壓力有 關。對真空技術而言不管是材料的蒸發或昇華，對系統的真空度都有 一定的影響。材料氣化之現象是決定真空系統最終壓力之主要因素，

理想之真空系統在無漏氣、放氣或氣體滲透及擴散的情形，即使連續 用幫浦抽氣最後也只能達最終壓力而不能抽成絕對真空。

選用真空材料除了上述之影響真空度的因素外，尚有環境溫度、

時間、加工、表面粗糙度及表面處理有相關。此外機械強度可否承受

壓差所產生之外力，並且考量工作溫度選用熱膨脹係數與熱傳導性質

能承受環境溫度及材料組織的緻密程度，耐酸鹼性等要求亦需考慮。

漏氣源又可分為大氣通過漏氣孔的實漏(real leak)以及材料包覆 所造成的虛漏(virtual leak)，可能對真空系統的真空度造成直接或間 接影響。實漏是真空系統外面的氣體，經由真空腔體、管壁、焊接缺 陷或刮傷刀口之法蘭(flange)及接頭等，進入真空系統的內部。虛漏 乃系統中侷限的氣體分子逸出，常發生於真空封合銲縫、螺紋間隙及 夾層氣體逸出。測漏之本質在於找出漏氣之所在，並以適當方法堵漏 以改善系統的真空性能。漏氣孔的處理可以分為修理與堵漏，修理就 是更換零件、襯墊或是重新焊接，因此修理後之儀器與新製成系統相 差無幾。至於堵漏區分為暫時性與永久性堵漏，暫時性堵漏可用真空 膠或真空蠟等暫時性封住漏孔再自行修理，而永久性堵漏則用TIG 銲接或永久性堵漏材料堵住後即可不需再自行處理。

使用真空封合材料需考慮之因素包括：系統壓力、溫度、材料滲 漏、材料逸氣、材料蒸氣壓以及封合預壓等，正確的密封機構並選擇 適當的封合材料，才能達成預期之真空性能。真空封合一般是利用 O 型環墊圈(O-ring)或無氧銅環(Oxygen-Free High Conductivity Copper, OFHC)為之，O 型環材料為高分子彈性材料，適合中低真空系統以及 不需烘烤之高真空系統封合。

當需烘烤200 ℃以上之超高真空系統，真空度至 10^-8 Torr 以下時 則採用於金屬墊圈無氧銅環，做為真空封合材料，其滲漏及逸氣的情 形較少，比O-ring 為佳。本實驗系統之真空封合，是使用目前最廣 泛的無氧銅環為墊圈的斜楔型法蘭封合(conflat flange seal)法。其特點 是封合時，無氧銅環向外擠壓被法蘭頂住，法蘭進一步迫緊時，其反 向之力量在刀刃面造成很大的機械壓迫力。圖 3-1 為斜楔法蘭封合的 程序，(a)為封合前無氧銅環的狀態，(b)為施以部分力量的狀況，(c) 為完整的封合。此種封合結構使得刀刃與銅環間的壓迫力可大到 200000 lb/in²，因此封合極為緊密，可防止高溫烘烤時，因銅材料產 生之潛變(creep)而導致應力釋去，進而使真空封合的效果變差[42]。

O 型環、無氧銅環及法蘭均為標準規格品，進行組裝時必須參閱 手冊或元件供應商提供的型錄為依據。在組裝真空系統時須注意法蘭 清潔及組裝要求，組裝前需以丙酮擦拭封合面，所使用的布料或紙須 為無塵無線頭的材質。無氧銅環通常只可使用一次，因為本身使用後 已經產生嚴重的塑性變形，而必須以新的更換。組裝時以螺帽和螺絲 鎖緊，螺帽先由對角順序鎖上，在依序加緊扭力逐一鎖緊，務必進行 三至五次以上方可均勻地封合，必要時可以使用扭力扳手使鎖緊扭力 平均。在組裝過程中，應該逐一測漏並正確地防漏及堵漏以確保真空 度[43]。

圖3-1 以無氧銅環真空封合之圖示[40]

3-1-3 超高真空系統的設置[19]

本實驗室的超高真空系統背景壓力約為2 × 10^-10 mbar，要達到並 維持此真空度，共使用了兩部機械式幫浦(mechanical pump)、一部渦 輪分子式幫浦(turbo molecular pump)、一部離子幫浦(ion pump)以及一 部鈦昇華幫浦(titanium sublimation pump)。

渦輪分子式幫浦，是利用氣體分子與高速轉動之渦輪葉片(約

50,000 rpm or 833 Hz)互相碰撞之作用而將氣體分子帶出系統之外，

其優點是抽氣速度快且乾淨，不會有如擴散幫浦(diffusion pump)一樣 的油氣污染問題。但因為是利用高速轉動之渦輪葉片，因此容易有震 動的問題存在，在需要無震動狀態下之實驗(如掃瞄穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope，STM)，原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)等並不適合[44]。

離子幫浦利用熱電子將氣體分子游離後，再利用鈦陰極板加以捕 捉，其不需後級幫浦抽氣，也沒有因斷電導致大氣倒灌的危險，無油、

無震動、不需冷卻，是維持超高真空相當良好的利器。但體積大、重 量重、價格高昂，且不適合從低真空抽氣是其缺點。故要配合一渦輪 分子式幫浦，待抽到高真空後再以離子幫浦接手。

鈦昇華幫浦是利用大電流加熱鈦燈絲，使鈦金屬昇華為氣體，由 於鈦的化學性質較為活潑，容易與氧、氮等氣體化合成固體化合物，

再由渦輪分子幫浦帶走，而達到抽氣之效果，是屬於主動式幫浦。但 鈦昇華幫浦啟動時，會因鈦昇華為氣體，而使系統整體壓力在其作動 時變得較差。

本實驗之超高真空系統，是以一個機械式幫浦來維持表面磁光柯 爾效應儀電磁鐵旋轉軸與主真空腔間之真空密封，以及負責試片傳輸 軸與主真空腔間之真空密封，同時做為主真空腔體之粗抽前級。在主

腔體與機械式幫浦之間以一手動閥門相隔，待粗抽至一定壓力由渦輪 分子式幫浦接替後，即關閉此閥門。另一部機械式幫浦則負責渦輪分 子式幫浦之粗抽前級，渦輪分子式幫浦與主真空腔以一閥門間隔，待 整個系統達到超高真空後，再開啟離子幫浦與主腔體間之手動閥門，

由離子幫浦繼續來維持超高真空。鈦昇華幫浦在本系統中所扮演的角 色，僅為輔助之作用，用以協助維持超高真空狀態。如圖3-2 所示。

圖3-2 超高真空實驗系統及實驗儀器配置示意圖[6]

為方便說明本實驗室系統的超高真空狀態之形成，將自超高真空 狀態回到大氣之過程或稱之為破真空之過程談起，完成所需工作後，

再說明自大氣狀態回到超高真空之過程。

1. 依序關閉離子真空計(Ion Gauge)，關閉主真空腔與離子幫浦間 之手動閥門，關閉主真空腔與渦輪分子式幫浦間之氣動閥門 與手動閥門，關閉渦輪分子式幫浦、主真空腔與機械幫浦間 之電動閥門與手動閥門，最後再關閉所有幫浦之電源。

2. 在渦輪分子式幫浦完全停止運轉後，從系統右側之洩氣孔中 緩慢引入高純度氮氣。此時，觀察樣品傳輸軸之風箱管，待 內外壓力平衡，風箱管完全垂軟後，即立刻停止引入氮氣之 動作，以免風箱管因壓力之作用而扭曲、破裂。

3. 待系統內部達到大氣狀態後，即可拆卸螺絲以進行維修、換 裝或清洗之工作，以最快之速度完成所有工作後，便可進行 真空封合之工作。由於使用過之無氧銅環已產生嚴重的塑性 變形，因此在真空封合時，需將所有已使用過之無氧銅環換 新，並進行鎖螺絲封合之動作。螺絲封合時，需注意無氧銅 環是否在正確之位置上。螺絲上鎖時，須以對角交互上鎖之 方式進行，並應循序漸進施力，不可一次鎖死。

4. 待真空密封工作完成後，即可打開二機械式粗抽幫浦，並開

啟其閥門，觀察派藍尼真空計(Pirani gauge)之讀數，待其壓力 到達10^-2～10^-3 mbar 後，便可開啟渦輪分子式幫浦。

5. 渦輪分子式幫浦開啟後 5 分鐘以內會達到全速狀態，若未在 5 分鐘內到達全速，則表示有極嚴重的洩漏。約30 分鐘後，即 可打開離子真空計，待壓力達到10^-5 mbar 以下時，以酒精或 丙酮測漏，若有嚴重洩漏壓力將會上升。

6. 此時由於曾經歷大氣狀態，真空腔壁必然附著一定數量之水 汽，因此必須進行真空烘烤(baking)之工作，以熱能驅趕水汽。

真空烘烤之溫度必須在 100 ℃以上（但風箱管、軟管溫度不 可太高，而閥門則不可烘烤），烘烤的時間約 48 小時，若無 其他因素，解除真空烘烤後，壓力將可達到約10^-9 mbar 的狀 態。

7. 壓力達到約 2×10^-9 mbar 左右，便可開啟離子幫浦，並進行各 種燈絲及樣品座的逸氣(outgassing)動作，以加熱的方式使其 吸附氣體脫離而被幫浦抽走。

8. 所有動作完成後，壓力應可順利降至約 10^-10mbar 的狀態，若 非如此，則須以氦氣測漏質譜儀測漏，以找出微細之漏源。

9. 測漏完成，漏源排除後，系統便可達到超高真空，若有必要，

則可開啟鈦昇華幫浦以增加抽氣速率[19]。

超高真空狀態達成不易，若有漏氣之存在，更將增加真空形成之 困難，因此必須藉助測漏的技術來找出漏氣源，以達到所需之真空度。

測漏一般以氦氣測漏儀(helium leak detector)為主，其為目前最廣 為使用，且最可靠、最靈敏的測漏儀器。氦氣測漏儀實際上是一個簡 單的質譜儀，一般的質譜儀的功用是將真空系統中之氣體分子游離成 離子後，再依據離子質量對電荷比值(mass to charge ratio)來分析不同 比值的離子在系統中的含量。不同的比值對應出不同的離子種類，因 而可分析出所含氣體分子的種類與含量。氦氣測漏儀利用相同的原 理，但只偵測氦氣的存在及含量，以簡化一般質譜儀的構造與使用方 法。氦氣測漏儀之使用配置示意，如圖 3-3 所示，首先關閉渦輪分子 式幫浦與主真空系統間之手動閥門，以及機械式幫浦與渦輪分子式幫 浦間之電磁閥，隨後分離機械式幫浦與系統間之連結，並將氦氣測漏 儀之軟管連接至系統。同時開啟氦氣測漏儀內之渦輪分子式幫浦使之 抽氣，以取代原來之機械式幫浦。待幫浦運轉正常後，開啟電磁閥與 手動閥門，並開啟高壓氦氣瓶使氦氣噴頭釋放出氦氣。將氦氣噴頭移 動至破真空時曾開啟之真空埠(port)或其它可能漏氣之部分，同時觀 察氦氣測漏儀所顯示之漏率變化。若有漏率突增之現象，即表示該處 有漏氣之情況發生，須予以鎖緊或以其它方法排除。

氦氣測漏儀之所以選用氦氣，主要是因為氦氣為最輕的惰性氣

體、無毒及無破壞性，能夠穿透微小的細縫或細孔，且很容易和質量 相近的氣體分開，同時在大氣中之含量極少，約僅有 5 ppm，因此極 適合作為測漏用之追蹤氣體。

此外由於氦氣質輕會有上飄之現象，因此測漏時須由待測物之上 方或靠近幫浦開始測漏，再逐漸移至低處測漏，以免誤判氦氣的訊 號。氦氣測漏時若需多次測定，則須打開通風櫥或打開窗戶，等待約 半小時待室內氦氣濃度下降到一定程度，再行一次測漏。

圖3-3 氦氣測漏儀之使用配置示意圖[43]

3-2 樣品的置備

3-2-1 Ge 單晶與 Si 單晶

本實驗中，所採用之基材為 Ge（100）與 Si(111)單晶基材，Ge 為半導體材料，原子序為32，熔點 937 ℃，能隙約為 0.66 eV。其結 晶結構為鑽石立方晶格（diamond cubic），晶格常數為 5.657Å。乾淨 之Ge（100）基材，顯現出（2×1）之結構[6]。

Si 為半導體材料，原子序為 14，熔點 1414 ℃，能隙約為 1.12 eV。

其結晶結構為鑽石立方晶格（diamond cubic），晶格常數為 5.431Å。

鑽石立方晶格可視為二個交替的面心立方晶格所組合而成的，如圖 3-4 所示[7]。

圖 3-4 鑽石立方晶格[42]

3-2-2 樣品座

由於本論文中所有的實驗，皆須在超高真空狀態下進行，且由於 磁性量測的實驗過程中，必須使用到外加磁場以及高溫熱退火的過

程，因此試片座之材質必須使用沒有磁性的材料，以免影響到磁性量 測的結果，同時必須使用能耐高溫之材料，以免在熱退火的過程中，

因達其蒸氣壓而衍生不必要的問題。

為確保實驗能順利進行，本實驗採用價格雖較昂貴，但可避免上 述問題的鉬（Mo）來製作樣品座。另外在鉬基座與樣品傳輸軸間，

採用了一段無氧銅作為連接器，以增進其散熱能力。本實驗中所使用 之樣品座，如圖3-5 所示。

樣品座之二側，分別放置 Si（111）與 Ge（100）樣品。樣品的 下方為一鉬盒，內為包覆真空用陶瓷之鎢燈絲，以作為間接加熱源，

而鉬盒與樣品間則以一片 MgO 作為分隔，其絕緣性質良好且安定，

利於直接加熱導線的連接，同時確保間接加熱時能有均勻之熱傳。二 樣品的下方，各別連結了一組K-type 之熱電耦，用以量測樣品溫度。

樣品間接加熱部分之細部分解，如圖3-6 所示。

圖 3-5 樣品座設計圖示說明[19]

圖3-6 試片間接加熱部分之細部分解[19]

3-2-3 樣品清潔

新的樣品表面都會有許多的污染物，例如油污、落塵、氧化物等，

因此當晶片切割成所需大小後，必須進行一連串的清潔動作，這包括

了進入真空系統前的清潔，與安置於樣品座上後進入真空系統內的清 潔。

ㄧ、 真空外之清潔[6-7,9]：

本實驗使用的為2 吋鍺晶圓與矽晶圓，利用鑽石刀切割，將鍺晶 圓切割成20 × 10 mm 之大小，矽晶圓切割成 20 × 5 mm，隨後置入 丙酮溶液中，以超音波震洗機震洗 30 分鐘。取出經丙酮震洗過之試 片，置入酒精中，再以同樣的方式震洗 30 分鐘。經酒精震洗後即可 取出試片，並以鉭為材質之樣品固定夾固定在樣品座上。

二、 真空內之清潔

樣品座固定在樣品傳輸軸上且真空達到工作壓力後，便可進行試 片之真空內清潔。由於試片經大氣之作用後，在其表面必然會有氧化 層的產生，為了去除氧化層，必須以離子槍（ion gun）做離子濺射（ion sputtering）處理，如圖 3-7 所示。

圖 3-7 離子濺射之實驗配置圖[58]

進行離子濺射時的程序為：

1. 開啟離子槍控制面版將離子槍預熱，

2. 關閉主真空腔與離子幫浦間之手動閥門，

3. 關閉離子槍與渦輪分子幫浦間之閥門，

4. 依序經三道調節閥引入高純度氬氣，直到主腔體壓力達 5 x 10^-6 mbar，

5. 關閉離子真空計。

6. 使用控制面版操作離子槍至工作能量。本實驗所使用為 2 keV

的離子束進行濺射。進行離子濺射時，樣品會因濺射產生螢 光，可藉此確定離子束是否打在樣品上[6]。注意：觀察螢光 時，離子真空計之燈絲可暫時關閉以利肉眼觀察。若螢光太 弱使肉眼不易觀察時，可使用數位相機長時間曝光，會更容 易觀察。

在離子濺射結束後，再以歐傑電子能譜來確定表面的潔淨與否。

完成一個循環之薄膜成長與實驗後，樣品上之Co 薄膜，也是以同樣 方法來清除之。

將樣品表面雜質打掉後，以電阻式直接加熱之方式，使表面分子 重新排列，形成良好的結構，將樣品升溫，並進行加熱退火（annealing）

之程序。在熱退火時，由於試片溫度升高會伴隨逸氣現象發生，因此 必須兼顧壓力品質，在允許的壓力範圍對樣品緩慢升溫。而不同樣 品，因為其熔點不同，所以處理樣品的溫度與程序也不盡相同。

首先，處理Ge(100)之程序，先緩慢升溫至 600 K，再以閃燃（flash）

的方式迅速升溫至900 K 左右，在壓力超過 5 × 10^-9 mbar 前，再迅 速降溫至600 K。閃燃的時間累積計 10 分鐘後，以 0.5 ℃／min 之速 率緩慢降至室溫，以確保樣品有足夠的時間，進行晶格重組而形成最 佳的結構，試片處理完成後，就可以進行超薄膜蒸鍍工作。

處理 Si(111)之程序需要更注意壓力在允許之範圍以內，以避免

樣品表面霧化。為使壓力在閃燃時維持在較佳之範圍內，先緩慢升溫 至900 K，維持此溫度隔夜，後以閃燃的方式迅速升溫至 1400 K，在 壓力超過 5 × 10^-9 mbar 前，先迅速降至 1200 K 停留數秒，再降至 900K。停留在 1200 K 是因為在此溫度樣品表面會發生 7x7 的結構重 構。閃燃時間與停留在1200 K 時間均累積 5 分鐘後，在兩小時內降 至室溫，就可以進行超薄膜蒸鍍工作。

閃燃的目的，在於避免因逸氣而造成系統壓力的不當提升，同時 可防止過多的熱傳至樣品座之銅質和其他周圍部份，進而使銅金屬因 達蒸氣壓而蒸發。

3-3 超薄膜蒸鍍系統

本實驗在壓力 2 x 10^-9 mbar 以下進行薄膜成長，因此所選用的鍍 膜方式為控制容易，且流量穩定的熱蒸鍍法。在實驗中我們使用電阻 式直接加熱蒸鍍源之方法。圖 3-8 所示的是以電流直接通過鍍源金屬 之電阻式蒸鍍源，鍍源金屬為線材狀，將其纏繞成燈絲狀後，燈絲之 兩端分別連接在電子真空引入(electric feedthrough)上，在真空外直接 以電源供應器通入電流，利用其鍍源金屬本身之電阻以達到加熱之目 的。

圖 3-8 直接加熱式蒸鍍源示意圖[58]

本系統所使用之基座一次可架設兩支 Co 鍍源金屬線，皆是使用 直徑為0.5 mm 的 Co 線材，輸入工作電流約在 4.8 安培（輸入功率約 為5.4 W）時，會產生一流量約為 0.25 ML/min 之穩定蒸發量。

3-4 歐傑電子能譜儀

歐傑電子（Auger electron）的產生現象，最先是由法國人 Pierr Auger 於 1924 年所發現，故以歐傑電子為名。

歐傑電子能譜術（Auger electron spectroscopy, AES），是利用一 電子束打在樣品表面上，以造成表面原子產生歐傑電子，藉由量測分 析歐傑電子的特性動能，則可研判表面元素成分或其化學態。一般電 子束之能量約為3 keV 或 5 keV，而設計良好的電子束直徑可以聚焦 至約微米(1-0.1 μm)之大小，而且歐傑電子的產生涉及三個電子軌 域，因此有很好的鑑別特性，因而使歐傑電子能譜術成為表面分析的 利器[44,46]。

3-4-1 歐傑電子的產生機制原理

歐傑電子的產生機制如圖3-9 所示，圖中所示為一個原子內層電 子的能階，我們利用光子能譜的能階符號，分別以 K、L、M 等來表 示不同的能階。

當原子的內層軌域中有電子受到一動能大於內層電子束縛能的 入射電子而激發游離時，在內層軌域便產生了一個空洞。為了降低此 原子激發態的系統能量，此空洞會由較高能階的電子來遞補，在遞補 的過程中會釋放出能量。若此能量被外層的電子吸收，且若此能量大

於外層電子的束縛能時，外層的電子則可獲得一動能而游離成為自由 態，此自由態的電子便稱為歐傑電子。因此，歐傑電子的能量涉及了 三個電子軌域，因此每種元素的歐傑電子特性能量皆不同。由歐傑電 子的動能大小可知樣品表面的成分，也由於歐傑訊號的強弱和薄膜厚 度有關，所以我們也可以由歐傑訊號的變化來推測我們的膜厚。在圖 3-9（c）中，K 能階上的一個電子已被入射電子游離了，L1能階的電 子填充 K 層的空洞，多餘的能量使另一 L2能階的電子被游離釋出，

稱為KL1L2歐傑躍遷。由於整個歐傑電子產生過程中，L1（2s）能階 的電子填充K（1s）層的空洞乃是受庫侖作用力影響，並不會放出光 子，因此整個躍遷不受到選取法則（selection rule）的影響。

圖 3-9 歐傑電子產生機構示意圖，(a)為原子起始能階，(b)為打掉一 內層電子，(c)為電子躍遷

由於整個歐傑電子躍遷的過程需要三個軌域的電子，所以能發射 歐傑電子的最輕原子是 Be。H 和 He 及單個 Li 原子因為其電子數皆 少於三，所以無法產生歐傑電子。歐傑電子的探測深度因電子的散射 截面及自由程，有效訊息只約10 Å 左右，若配合掃瞄式電子顯微鏡 系統，可得知元素的空間分佈；配合離子槍則可做三度空間元素分佈 分析的工作。一般而言歐傑電子能譜多以微分形式(dN/dE)表示，微 分能譜乃是將電子訊號強度對歐傑電子動能微分所得之能譜[40]。

圖 3-10 為各元素主要的歐傑電子特性動能分佈圖，當元素之原 子序愈大，可參與歐傑電子躍遷機制的電子能階自然也較多，亦即歐 傑電子能譜上的訊號也較多。且在週期表上原子序相近、電子組態類 似之元素，參與歐傑電子躍遷機制之電子能階大體相同，因此歐傑電 子能譜的訊號峰形狀及數目也大致相似。

此外要分辨所量測到的電子能譜的訊號峰，是歐傑電子亦或是吸 收電子束能量而被激發的核心電子所貢獻，僅需要將入射電子束的能 量改變即可確定，如為歐傑電子訊號峰，則不會隨著電子束能量改變 而有所漂移。

圖3-10 歐傑電子特性動能分佈圖[45]

3-4-2 歐傑電子能譜儀的設置

本實驗室所使用的歐傑電子能譜分析儀，是使用一電子槍與一半 球形能量分析儀（hemispherical spectrometer, CHA）所組成，如圖 3-11 所示。

圖3-11 歐傑電子能譜分析儀結構示意圖[46]

電子槍以能量 2-20 keV 的電子的電子束照射樣品，使得歐傑電 子產生，並以一電子能量分析儀收集歐傑電子、分析其動能，並在能 量分析儀的出口處置一接收檢測器來統計所通過的電子數目。

由於本實驗之電子槍僅做定位式的入射不具有掃描的功能，所以 在電子槍中只以熱燈絲配合高壓來產生初級電子束。一般而言激發初 級電子所使用的電壓約為3 keV。

然而，若想要得到好的歐傑電子能譜圖，則能量分析儀的選擇是 極為重要一環；能量分析儀掌控了分析的解析度、準確度、訊噪比和

時效性等重要因素。能量分析儀的兩大重要特性分別為：能量解析度

（energy resolution）及傳送率（transmission），若想要能區分出微小 能量差的粒子，就必須使用較好的靈敏度、及較好的聚焦性質的能量 分析儀。

一般常見的能量分析器有兩種：半球型偏轉能量分析器（CHA）

及筒鏡型能量分析器（CMA），這兩者皆屬於電場偏折擴散的能量分 析器，其大致結構如圖3-12[19]。

半球型偏轉能量分析器，主要是由半徑分別為 c 和 a 的內外兩個 同心半球所組成，在兩球間通上電壓V，在兩半球的中間會產生一等 電位面（圖中半徑為 b 者）。當電子射入分析器中，僅有具有某適當 能量的電子才能射出，到達檢測計。

在本實驗裝置中所使用的能量分析器為半球型偏轉能量分析 器；在相同的能量解析度下，半球型偏轉能量分析器的穿透率較筒鏡 型能量分析器小，所以我們在半球型偏轉能量分析器的入口前加上一 電子聚焦透鏡，如此便可以提高半球型偏轉能量分析器的傳輸率和靈 敏度，克服前述的弱點[45,47]。

為了使實驗中的數據統一相同之條件，本實驗中激發初級電子所 使用的電壓為3 keV。並調整電流使每次量測之二次峰強度(count)均 在75 k，而初級電子電流 Ibean約為0.16 mA。

圖3-12 能量分析器結構示意圖：(a)半球型偏轉能量分析器（CHA）

(b)筒鏡分析器（CMA）

3-5 表面磁光柯爾效應（SMOKE）

1845 年法拉第（Faraday）研究電磁現象與光的關係時發現：『線 偏振光通過置於強磁場中的透明物質時，其偏振面會旋轉一角度。』

此現象為第一個磁光效應，稱為磁光法拉第效應（magneto-optical Faraday effect）。二年之後，柯爾（Kerr）也發現當線偏振光經磁化材 料表面反射後會轉變為橢圓偏振光，且橢圓長軸所在的偏振面，會相 對 於 入 射 偏 振 光 之 偏 振 面 偏 轉 一 特定 角 度 ， 稱 為 柯 爾 旋 角(Kerr rotation)，此一現象便稱之為磁光柯爾效應（Magneto-Optic Kerr Effect, MOKE） [48]。

3-5-1 表面磁光柯爾效應原理

表 面 磁 光 柯 爾 效 應(SMOKE)與磁光柯爾效應(MOKE)原理相 同，差別僅在於表面磁光柯爾效應為研究超薄膜表面的磁性結構且為 in-situ 之研究。其原理皆為線偏振光入射於磁性材料，反射後轉變為 橢圓偏振光的現象。此橢圓偏振光的長軸與原線偏振光的夾角θk， 稱之為柯爾旋轉角，橢圓偏振光的橢圓率εk，稱之為柯爾橢圓率。

θk和εk皆很小(<<1^o)，且與磁性物質的磁化量大小 M 成正比，因此 量測θk或εk隨外加磁場改變的情形，便可以反應出磁性物質的磁化 曲線。磁光柯爾效應可分為 3 種型態：極向柯爾效應(polar MOKE)、

縱 向 柯 爾 效 應(longitudinal MOKE) 及 橫 向 柯 爾 效 應 (transverse MOKE)，如圖 3-13 所示[48]。

圖3-13 三種 MOKE 形態示意圖[49]

線偏振光為左旋圓偏振光與右旋圓偏振光之組合，外加磁場出現 時，會使磁性物質的介電常數ε (dielectric constant)產生非對角線元 素。當此兩種不同偏振方向的光入射此磁性物質時，會有不同的折射 係數(nr 為右旋偏振光的折射率，nl 為左旋偏振光的折射率)，因此吸

收係數及反射係數亦不同。由於反射係數不同，兩種偏振光在樣品的 傳播速率也不同，而產生相位差。又因吸收係數的不同，所以反射後 的右旋及左旋偏振光振幅亦不相同。因此兩偏振光由樣品反射回來結 合在一起時，便會形成橢圓偏振，且長軸會與原偏振方向形成一夾角 θk。

一具有光學作用的晶體，其介電常數有非對角線元素(3-1)。

(3-1)

⎥⎥

⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎢

⎣

⎡

−

=

11 11 12

12 11

0 0

0 0

ε ε ε

ε ε

ε j

j

選擇kz = 0 (只有 Ex及Ey)，k 為波數(wave number)，來討論ε與 n 的 關係(3-2)：

2 0

2 + =

−k EK EK ε μ

ω (3-2) 由動力學可得知

( 11 12 ) ⁰

2

2 + + =

−

∴ k E_χ ω με E_χ jε E_y (3-3) ( 12 11 ) ⁰

2

2 + − + =

−k E_y ω μ jε E_χ ε E_y (3-4)

由上二式(3-3)(3-4)可得(3-5)式

0

11 2 2 12

2

12 2 11

2

2 =

+

−

− +

−

με ω με

ω

με ω με

ω

k j

j k

( ^{2 −ω2με}₁₁)( ^{2 −ω2με}₁₁)^=ω4μ2ε₁₂²

→ k k

12 11

0 ε ε

με

ω ±

=

→ k

12 11 0

ε με ε

ω ^{= +}

=

∴ _r k^r n

12 11 0

ε με ε

ω ^{= −}

= ^l

l

n k

(3-5) 由Fresnel 方程式可知反射係數γ可分別表示為(3-6)(3-7)式：

j r

r r

r

r e

n

n γ _φ

γ =

+

= − 1 1

(3-6)

jl

l l

l

l e

n

n γ _φ

γ =

+

= − 1 1

(3-7) 其中，^γr與^γl皆為複數。所以可知左旋及右旋圓偏振光自樣品表面反 射結合後會形成橢圓偏振。最後，我們可得柯爾旋轉角θ_k 及柯爾橢 圓率ε_k，如(3-8)式：

( )

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

−

− − + =

− −

=

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

−

− −

=

−

−

=

Re 1 Im 1 2

1

l r

l r l

r l r K

l r

l r l

r K

n n

n n

n n

n n

γ γ

γ ε γ

φ φ θ

(3-8) 通常介電常數元素ε11 遠大於ε12 及ε21，因此將折射率以介電常數 代入，則得式(3-9)：

( ) ^{( )}

( ) ^{( )⎟⎟⎠}

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

− −

≅

⎟⎟

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

−

=

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

− −

≅

⎟⎟

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

−

=

Re 1 Re

Im 1 Im

11 12 12

2 12 2 11

12

11 12 12

2 12 2 11

12

ε ε ε

ε ε ε

ε ε ε

ε θ ε

n n n n

K K

(3-9) 由於ε₁₂為M 的線性函數，所以θ_k及ε_k皆正比於磁化量M。 J.Zak 以universal approach method 推導出：

式(3-10)極向柯爾效應(polar MOKE)

N Qd N

sub

pol ⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

⎟ −

⎠

⎜ ⎞

⎝

−⎛

= ²₂

1 4

λ θ π

(3-10) 式(3-11)縱向柯爾效應(longitudinal MOKE)

N Qd N

sub sub

lon θ

λ

θ π _⎟⎟

⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

⎟ −

⎠

⎜ ⎞

⎝

=⎛ ² ₂

1 4

(3-11) N：薄膜折射率，

Nsub：基底折射率，

d：薄膜厚度，

θ：入射光角度，

Q：樣品的磁光耦合向量，稱為Voigt constant。

由上式極向及縱向柯爾效應式子中，可看出磁光柯爾旋轉角會正比於 薄膜厚度 [6]。

3-5-2 表面磁光柯爾效應儀之配置

基本的表面磁光柯爾效應測量裝置，主要包含雷射光源和電磁鐵 兩者。本實驗中所使用的雷射光為波長 632.8 nm 的氦氖雷射，為了 確保入射光能夠具有良好的線偏振形態，故在雷射光源之出口處加裝 一起偏鏡，藉以調整入射光源，以水平線偏振光45°入射樣品。經過 樣品反射的訊號光，再使用一檢偏鏡以垂直線偏振的方向，配合光感 測器（photo detector）來偵測偏振狀態的改變情形。同時利用數位電

做控制、讀取、繪圖等工作。至於外加磁場，則是由一具利用電源控 制來改變磁場強度之線圈感應磁鐵提供，其所能夠提供之最大外加磁 場強度可達2 kOe。本實驗之表面磁光柯爾效應整體裝置，如圖 3-14 所示。

圖3-14 SMOKE 裝置示意圖 [50]

本實驗之表面磁光柯爾效應儀量測是在超高真空腔中進行的，然 而超高真空腔的腔體空間有限，且為了能夠配合極向柯爾效應與縱向 柯爾效應二種方位之量測，因此必須能夠使電磁鐵旋轉，以改變磁化

方向。本系統之電磁鐵設置在如圖 3-2 之最左側，利用真空外之蝸桿 與蝸輪組來達到電磁鐵旋轉之目的。量測進行時，以樣品傳輸軸將樣 品移至電磁鐵處，並調整樣品之表面方向以使入射的雷射光為45°角 入射，且反射光能夠進入到檢偏鏡內。而電磁鐵則配合樣品調整磁化 方向，以進行極向柯爾效應或縱向柯爾效應實驗。

在進行場冷卻(field-cooling, FC)實驗時，首先我們利用系統中的 電磁鐵來提供所需的外加磁場，在此一外加場環境中將樣品冷卻至低 溫。接著利用程式控制同一電磁鐵，直接由與外加磁場相同的方向開 始進行表面柯爾磁光效應的量測。

為了確保入射光源線偏振態的可靠度，因而必須在入射光源前方 設置一線偏振片，稱為起偏鏡，如圖3-15 所示。

入射偏振光束

入射光偏振方向

檢

透射光偏振型式

測鏡光軸 檢測鏡 起偏鏡光軸

起偏鏡

圖 3-15 起偏鏡示意圖 [7]

將自試片表面反射並通過檢偏鏡。此時，若起偏鏡與檢偏鏡的角度為 90°，則其能透射過之偏振光強度為最小，但無有效訊號可供量測；

若起偏鏡與檢偏鏡的角度為 180°，則其能透射過之偏振光強度為最 大，但過大之透射光強度易損害光感測器。因此，在訊號的檢測上皆 非量測之最佳角度。以表面磁光柯爾效應儀訊號之量測而言，是取其 柯爾旋轉角的改變量作為量測目標物，如圖 3-16 之所示。當量測表 面磁光柯爾效應儀訊號時，應取其在透射光強度改變量之斜率最大 處，即約略是兩偏振片夾角 90°±0.4°的地方。如此只要偏振狀態有微 小的改變，便可量測到較大變化的感測器電壓，亦即會有較大之訊號 變化量。此外自試片反射之光束也應垂直入射於檢偏鏡平面，以期能 取得最佳之訊噪比。

斜率最大

檢偏鏡與起偏鏡夾角

感測器電壓

0 90 270

圖3-16 起偏鏡與檢偏鏡夾角對光感測器接收圖 [7]

表面磁光柯爾效應儀實為一表面磁性量測之利器，其設置相當簡 易。就本實驗之表面磁光柯爾效應系統而言，除了電磁鐵須置於真空 中，其餘部分之配備皆可置放在真空外，設備維護上也因此較為簡 便 。 此 外 就 磁 性 偵 測 之 靈 敏 度 而 言 ， 其 足 以 與 超 導 量 子 干 涉 儀

（Superconducting Quantum Interference Device , SQUID）相比，超導 量子干涉儀量測需要數小時方能取得磁滯曲線，而表面磁光柯爾效應 儀卻只要數分鐘即可。不過，表面磁光柯爾效應儀量測無法對磁化強 度MK

作定量分析，以及光訊號容易受雜訊影響是其最大缺點，其實驗 結果，只能藉以做半定量或磁性行為之比較分析 [7,48]。

3-5-3 電磁鐵之製作與測試

表面磁光柯爾效應儀中所使用的電磁鐵為一個外型為Ｃ型的電 磁鐵，是使用高純度的鐵所製造而成。為使雷射光能順利入射及反 射，故將電磁鐵的兩極磨成如圖 3-17 所示之形狀。電磁鐵外之線圈 則以鐵弗龍覆蓋之漆包導線纏繞而成，使電磁鐵能在真空環境下運 作。電磁鐵的兩端各繞700 匝，當通入電流為 2.8 A 時，中心最大磁 場達2000 Oe。

圖3-17 電磁鐵外型

由於鐵磁性物質的磁導係數（magnetic permeability）均遠大於空 氣的磁導係數，因此線圈通過電流後所產生的磁場，絕大部分都被束 縛在鐵磁性物質的鐵心中了。換言之，鐵磁性物質可以做為磁場之通 路，稱為磁路（magnetic circuit）。電磁鐵兩極間的空隙相較於整個電 磁鐵尺寸不應過大，如此磁力線磁不至於鬆散，也才能產生均勻磁場。

纏繞線圈時須注意需要避免同一層線圈交叉重疊，每一線圈均需 纏繞同一方向，以避免磁力相抵銷。需儘量使每層線圈數固定，使線 圈的纏繞均勻且對稱，以避免磁場不均勻。

電磁鐵製作完成後，以高斯計量測其兩極間磁場是否均勻。分別 以電流 0.5A、1A 與 1.5A 量測磁場，其結果分別如圖 3-18、圖 3-19

與圖3-20 所示。如圖顯示，電磁鐵磁極中央處磁場在電流 0.5 A、1 A 與1.5 A 分布均勻。

600-650

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 0.8

0 -0.8

550-600

500 150100 250200 350300 450400 550500 600 650

0.5 A 下 磁 場 分 布 圖

500-550 450-500 400-450 350-400 300-350 250-300 200-250 150-200 100-150 50-100 0-50

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1

0.5 A 下 磁 場 分 布 圖

600-650 550-600 500-550 450-500 400-450 350-400 300-350 250-300 200-250 150-200 100-150 50-100 0-50

1150-1200

圖3-19 電流為 1 A 之電磁鐵磁場強度空間分布圖

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 0.8

0 -0.8 500

100150 250200 300350 400450 550500 600650 700750 850800 900950 10001050 11501100 1200

1 A 下 磁 場 分 布 圖

1100-1150 1050-1100 1000-1050 950-1000 900-950 850-900 800-850 750-800 700-750 650-700 600-650 550-600 500-550

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1

1 A 下 磁 場 分 布 圖

1150-1200 1100-1150 1050-1100 1000-1050 950-1000 900-950 850-900 800-850 750-800 700-750 650-700 600-650

1750-1800

圖3-20 電流為 1.5 A 之電磁鐵磁場強度空間分布圖

接著對電磁鐵的磁場中心進行測量，以每次增加 0.28 A 的電流 量測，最後至電流 2.8 A 時，電磁鐵的磁場中心磁場大小為 2000 Oe，

0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 0.8

0 -0.8

1700-1750

0 50 100150 200 250 300350 400 450 500550 600 650 700750 800 850 900950 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 14001450 1500 1550 1600 1650 1700 1750 1800

1.5 A 下 磁 場 分 布 圖

1650-1700 1600-1650 1550-1600 1500-1550 1450-1500 1400-1450 1350-1400 1300-1350 1250-1300 1200-1250 1150-1200 1100-1150 1050-1100 1000 1050

0 0.4 0.8 1.2 1.6 20.8

0.4 0 -0.4 -0.8

1.5 A 下 磁 場 分 布 圖

1750-1800 1700-1750 1650-1700 1600-1650 1550-1600 1500-1550 1450-1500 1400-1450 1350-1400 1300-1350 1250-1300 1200 1250

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

如圖3-21 所示。因此這個電磁鐵符合本實驗所需之外加磁場。

0 500 1000 1500 2000

H (Oe)

Current (A) 2000 Oe

2.8 A

圖 3-21 電磁鐵中心磁場與電流關係圖

3-6 低能量電子繞射儀

3-6-1 低能量電子繞射儀[13]

低能電子繞射儀的整個測量系統，主要是由一個電子鎗，一個螢 光幕，及能量調節器所組成。而且，為了方便測量結果的觀察，我們 在螢光幕外再外加了一組 CCD 攝影機及電腦系統，來讀取以及記錄 我們所得到的表面結構，其整體裝置如圖3-22。

如圖 3-22 所示，低能電子繞射儀的主要測量系統皆置於超高真 空的環境中，這是為了防止電子和空氣分子產生碰撞。也因為我們所 製作的樣品皆十分薄，若在大氣中很容易就會吸附雜質，便無法獲得 真正的晶體結構圖。

本實驗量測低能電子繞射之程序為，先固定燈絲電流至 2.5 A，

調整入射之電子能量，由零開始慢慢增加直到出現繞射圖形，通常第 一個看到的繞射圖形會最清楚，例如Si(111)為 50 eV。本實驗所使用 之儀器入射電子能量範圍為5~1000 eV。圖中三個半圓形金屬網狀物 即為能量調節器，靠近樣品的兩個金屬網接地以隔絕空間中的雜訊電 場，使反射的電子不會受到其他電場干擾。第三個金屬網則通以一個 略小於入射動能的阻滯電壓，以過濾發生非彈性散射的電子，只讓彈 性散射電子通過。最後螢光幕再通以3 kV 的加速電壓吸引通過前兩 個金屬網的電子，轟擊螢光幕形成亮點，即形成我們所要的結構圖。

圖 3-22 LEED 裝置示意圖[52]

3-6-2 低能量電子繞射實驗原理[17]

低能電子繞射原理，遵守Bragg 定律，低能電子繞射則僅限於最 表面之二維晶格，如圖3-23 所示。

圖3-23 LEED 繞射條件[18]

其中：

nλ＝ d _(hk) sinψ－d _(hk) sinψ₀

＝ d _(hk) ［sinψ－ sinψ₀］ (3-12) 因LEED 電子束為垂直入射，令 ψ0＝0 則可簡化(3-12)為(3-13)：

nλ＝ d (hk) sinψ（n 為整數，λ 為波長） (3-13) 此即為布拉格定律，符合此繞射條件，二反射束同步，各波之波 幅會有加成效果，而形成建設性干涉。

LEED 實驗所得之二維晶格繞射圖形，並非試片表面之實際晶格

（real lattice），而是所謂的倒晶格（reciprocal lattice）形式。實晶格 與倒晶格有如下之關係[18]：

若一表面之實晶格向量為：