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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

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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。

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(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 20oC)

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

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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

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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

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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。

43

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]。

44

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

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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

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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。

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圖 3-2 超高真空實驗系統及實驗儀器配置示意圖[6]

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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

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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]。

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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

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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]

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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

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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。

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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

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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。

56

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

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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

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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。

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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。

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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

61

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

62

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。

63

圖 3-10 歐傑電子特性動能分佈圖[45]

64

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

65

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。

66

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）

67

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(

68

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

69

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

1112

1211

0000

εεεεε

ε jj

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)：

022 =+− EEk εμω (3-2)

由動力學可得知

( ) 0121122 =++−∴ yEjEEk εεμω χχ (3-3)

( ) 0111222 =+−+− yy EEjEk εεμω χ (3-4)

由上二式(3-3)(3-4)可得(3-5)式

0

1122

122

122

1122

=+−−

+−μεωμεω

μεωμεωkjjk

( )( ) 2122411221122 εμωμεωμεω =−−→ kk 12110 εεμεω ±=→ k

12110

εεμεω

+==∴ rrkn

70

12110

εεμεω

−== llk

n (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：

rjr

r

rr en

n φγγ =+−

=11

(3-6)

lj

ll

ll en

n φγγ =+−

=11

(3-7)

其中， rγ 與 lγ 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θk 及柯爾橢

圓率εk，如(3-8)式：

( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−=

+

−−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−−=−−=

1Re

1Im

21

lr

lr

lr

lrK

lr

lrlrK

nnnn

nnnn

γγγγ

ε

φφθ

(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)：

( ) ( )

( ) ( )⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−≅⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−≅⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −

−=

1ReRe

1ImIm

11

12

212

12211

12

11

12

212

12211

12

εε

εε

εε

εε

εε

εθ

nn

nn

K

K

(3-9)

由於ε12為 M 的線性函數，所以θk及εk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)

71

QdN

N

sub

pol⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−= 2

2

14λπθ

(3-10)

式(3-11)縱向柯爾效應(longitudinal MOKE)

QdN

N

sub

sublon θλπθ ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= 2

2

14

(3-11)

N ：薄膜折射率，

subN ：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

表來讀取偵測出之訊號大小，並藉由 IEEE 488 介面卡外接一電腦來

72

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

73

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]

起偏鏡與檢偏鏡同樣都是線偏振片，當入射光源通過起偏鏡後，

74

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]

75

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M 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。

76

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

77

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

圖 3-18 電流為 0.5 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

550-600

050

100150200250300350400450500550600650

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

78

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

050

100150200250300350400450500550600650700750800850900950

10001050110011501200

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

79

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

050

100150200250300350400450500550600650700750800850900950

10001050110011501200125013001350140014501500155016001650170017501800

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 2

0.8

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

80

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 (O

e)

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。

81

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]

82

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：

83

21 akahg ＋＝ (3-14)

倒晶格向量為：

*2

*1

* akahg ＋＝ (3-15)

則其二者間有之關係為：

π2 1*1 ＝aa ⋅ (3-16)

π2 2*2 ＝aa ⋅ (3-17)

其中

2*1 aa ⊥ 且 1

*2 aa ⊥ (3-18)

若實晶格向量 21aa， 間之夾角為 γ

則

1)2

cos(1*1 ＝－γ

π⋅⋅ aa

(3-19)

1sin1*1 γ＝⋅⋅ aa (3-20)

γsin1

1

*1 a

a ＝ (3-21)

同理

γsin1

2

*2 a

a ＝ (3-22)

若 γ*為倒晶格向量 間之夾角

*2

*1 aa，

則

γ* ＝ π－γ (3-23)

84

因此

sinγ* ＝ sinγ (3-24)

以圖 3-24 為例，設二繞射平面（h k）為（1 0）及（2 0），設

n 為 1，則：

)10( 0 1 sin d

λ＝ψ ）（

)20(

0 1 sin dλ

＝ψ ）（ (3-25)

圖 3-24 LEED 繞射示意圖[18]

假設其為 rectangular unit cell：

22

2

21

2

2)(

1ak

ah

d hk＋＝

(3-26)

則

1)10( ad ＝ 21

)20(ad ＝

(3-27)

且

85

1 0 1 sin a

λ＝ψ ）（

1 0 2

2sinaλ

＝ψ ）（ (3-28)

1

1

arX λ

＝

1

2 2ar

X λ＝

(3-29)

因此

212 XX ＝ (3-30)

同時

γ＝λ＝λ

＝ψ ）（ sinsin*1

1

1 0 1 ar

Xa (3-31)

γ＝λ＝λ

＝ψ ）（ sin2sin *22

2 0 2 ar

Xa (3-32)

則

*2

*1

2

1

aa

XX

＝

(3-33)

亦即，繞射點為倒晶格之形式，二者之間有一定的比例關係。

86

3-7 反射式高能電子繞射儀（reflection high-energy

diffraction, RHEED）

RHEED 是利用繞射原理來對表面結構作研究的儀器，由於使用

了掠角(glancing angle)入射，所以 RHEED 對表面有很高的敏感度，

同時也適合研究晶體的成長。

3-7-1 反射式高能電子繞射儀原理[53]

RHEED 使用的是繞射原理，所以在理論推導部份，首先假設有

一平面波，波數為 k，與待測薄膜間沒有交互作用產生，得式(3-33)

k’ － k0 = G (3-33)

k’和 k0分別為繞射後以及入射前的波數，G 是倒晶格向量。在彈

性碰撞的情況下，| k’| = |k0|。為了要滿足這個式子，將有無限多個 k’

向量指向各方向，形成所謂 Ewald sphere 如圖 3-25 所示。

Ewald sphere 的圓心為 k0 的起點，半徑為|k0 |。k0 的值可由相對論項

表示為

k0 = 2

0 2

1 2m E EC

+ (3-34)

由薛丁格方程式

2 20( ) ( ) 0U r k r⎡ ⎤∇ + + Ψ =⎣ ⎦ (3-35)

87

圖 3-25 Ewald sphere[54]

這裡 k0 為真空中相對論項的入射波向量，而 U(r)為晶格位能

2

2( ) ( )meU r V r= (3-36)

其中 m:相對論項的電子質量，-e:電子電荷及 V(r):電子在晶體的位能

將上式(3-36)改寫為積分型式，並將 Green’s function 代入可得

0( ) ( , ') ( ') ( ') 'ik rr e G r r U r r dr⋅Ψ = + Ψ∫ (3-37)

而 ( , ')G r r0 | '|

4 | ' |

ik r rer rπ

−

=−

右式第一項為入射平面波，第二項為散射波。如果以晶體內入射平面

波的波方程做近似，可以得到一個類似一階微擾的方程式

00

| '|'1( ) ( ') '

4 | ' |

ik r rik rer U r e

r rπ

−⋅Ψ =

−∫ dr (3-38)

88

k'最後散射進 方向的振輻為

0[ ( ') '] ( ') '0

1F(k ')4

i k k r U r drk eπ

− ⋅− = ∫ (3-39)

將散射位能表示為每一單獨原子的貢獻並寫為

( ) ( )ii

V r r r= Φ −∑ i

0 ')

(3-40)

然後將 Fourier 項插入 (F k k− 得到式(3-41)。

0[ ( ') ]0 02( ') ( ')2

ii k k ri

meF k k u k k eπ i

− ⋅− = −∑ (3-41)

其中 u 為 sins θλ

= 的函數，λ為電子波長而θ為 和 的夾角。最後將

倒晶格向量 G 帶入可得到

0k 'k

2[ ( ) ] ( )2( , ) ( )2

iB T s iG ri

mef G s N u s e eπ

i

i

− ⋅= ∑ (3-42)

其中 N 為在作用體積內的單位晶體數目，而 G 定義了可能的反射。

所以反射的強度便可由 2| ( ) |f G 得之。

3-7-2 反射式高能電子繞射儀之配置

反射式高能電子繞射儀包括了電子槍以及螢光屏幕。本實驗所使

用入射的電子束為可調電壓，從 1 keV 到 20 keV，而我們固定電流為

1.6A，並固定電壓為 16 keV，以一極小角度入射樣品。當電子束繞射

89

出表面時，由於轟擊螢光屏幕發出亮光，由此便可得知表面結構。同

時由一外接電腦來做存取圖樣的工作，以利數據的比較。本實驗的反

射式高能電子繞射儀裝置如圖 3-26 所示。

在薄膜製備完成之後，將樣品送至適當位置及角度，由電子束控

制器調整到所需的電壓及電流值，便可從螢光屏幕觀察到繞射圖形。

圖 3-26 反射式高能電子繞射儀[54]

3-1 真空理論3-2 樣品的置備3-3 超薄膜蒸鍍系統3-4 歐傑電子能譜儀3-5 表面磁光柯爾效應（SMOKE）3-6 低能量電子繞射儀3-7 反射式高能電子繞射儀（reflection high-energydiffraction, RHEED）