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本文標題："提升國內的奈米材料的研發與分析掃描式光電子能譜顯微儀"
掃描式光電子能譜顯微儀簡介
材料的結構尺寸愈趨
微細輕薄，使得其表面與界面特性的影響程度相對地
提高。因此精確量測及分析奈米材料表面及界面的物
理化學特性是加速奈米材料的研發與改進產品良率不
可或缺的工作。
X 光光電子能譜術(X-ray photoelectron spectro-
scopy, XPS)，或稱之為化學分析電子能譜術 (electron
spectroscopy for chemical analysis, ESCA) (皮敦文，民
89) 是分析材料表面的電子結構與化學成分之重要方
法之一。除了有較高的表面靈敏度及較高的化學分析
能力，另外最重要的是光子對于物質的破壞性較低。
所以被廣泛地應用于微電子元件的研究，如薄膜間因
不同製程階段的材質交互反應所引發的蕭基能障
(Schottky barrier) 的 高 度 變 化 、 能 帶 偏 折 (band
bending)、能帶差位 (band offset)、以及化學態位移
,
(chemical state shift)等物理量的量測 (Lay et al.1987)。
然而，一般傳統光源大小在幾毫米以上，所以對于表
面異質性小于此光源大小之材質則無法探測表面材質
的分布。為了克服此一重大缺點，使光電子能譜術能
探測更細微的表面結構，美國 Brookhaven 國家實驗室
的同步輻射光源中心 (National Synchrotron Light
Source, NSLS) 于一九九○年研發出第一套具有次微米
解 析 度 (約 0.1 微 米 ) 的 掃 描 式 光 電 子 能 譜 顯 微 儀
(Scanning Photoelectron Spectromicroscope, SPEM)
(Ade et al. 1990)。此儀器成功地結合光電子能譜分析
,
技術與先進軟 X 光聚焦顯微技術，來進行材質表面化
學顯微分析。
第三代同步輻射光源結合優良的球面光柵分光儀
(陳建德，民 87)，提供了高光通量、高解析度及良好
聚焦點的軟 X 光光束 (能量范圍約在 100 ∼ 1500 eV)，
非常適合高空間鑑別率、高能量解析度的能譜顯微術
的需求。因此使得世界各先進之同步輻射光源中心皆
積極地建造各種型式的光電子能譜顯微儀，如美國的
先進光源 (Advanced Light Source, ALS) (Denlinger et
,
al., 1995)、義大利的 ELETTRA (Casalis et al. 1995)、
,
德國的 BESSY II (Fink et al. 1997)、以及日本的放射
光研究設施 (Photon Factory) (Kiyokura et al., 1998)
等，研究具有次微米結構的半導體元件、多層磁性薄
膜、及超分子化學 (supramolecular chemistry) 的自主
裝 (self-assembling) 薄膜等尖端的科學實驗。藉由瞭解
物質界面反應之基本原理與機制，進而達到有效控制
其化學反應步驟及功能。
鑑于此重要性，同步輻射研究中心與中央研究院
原子分子科學研究所便于五年前計劃合作建造一座掃
描式光電子能譜顯微儀，由同步輻射研究中心主導研
發設計 (Ko et al. 1998)，提供國內學術界及工業界在
,
奈米材料的電子結構與表面化學顯微分析的研究。目
前掃描式光電子能譜顯微儀實驗站已建造完成 (圖一)
(Hong et al., 2000)， 并 且 安 裝 在 U5 聚 頻 磁 鐵
(undulator) 的 光 束 線 上 ， 即 U5 球 面 光 柵 分 光 儀
(spherical grating monochromator, SGM) 光束線 (洪一
弘等，民 88)。經過半年的初步測試，證實所建造的
掃描式光電子能譜顯微儀已具有 0.3 微米的空間解析
能力。而且能譜解析度也優于 0.3 eV 。此實驗站之建
造目標是期望達成即時現場 (in-situ) 的奈米結構之製
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專
題
報
樣品位置調整器
（粗略掃描）
導
的測試結果。
長距離顯微望遠鏡
樣品轉換真空腔
STM/AFM
真空腔
半球型電子能譜分析儀
光位量測及定位儀
二、實驗設備
軟 X 光聚焦技術目前不外以掠角入射之弧
樣品準備室
樣品傳送器
樣品快速
置入室
防震用的花崗石
圖一 掃描式光電子能譜顯微儀實驗站之全貌
作及其材質的化學能譜顯微分析。所以本實驗站除了
顯微成像系統外，亦配置有樣品轉換傳輸系統與樣品
準備系統。因此所有實驗的全程都在超高真空下進
行，以防止樣品被污染。預計將來亦可以連接掃描穿
隧電子顯微儀 (scanning tunneling microscope, STM) 與
原子力顯微儀 (atomic force microscope, AFM) 等表面
分析系統，使整套實驗站的空間解析度可自 0.1 奈米
至 0.3 微米，以便觀測各不同階段的薄膜製程過程以
及其表面化學反應之機制。本文將簡述我們自行建造
研發的掃描式光電子能譜顯微儀的設計概念以及最近
光源入
射方向
形鏡面、波帶環片 (zone plate) 或是以多層膜的
反射鏡 (schwarzschild objective) 為主。但是，
只有波帶環片可以連續聚焦能量介于 200 eV 至
800 eV 之間的光束，而且應用較廣。故我們採
用波帶環片將第三代同步輻射的 U5 聚頻磁鐵光
源聚焦成奈米級的光點。掃描式光電子能譜顯
微儀便基于此理念將軟 X 光聚焦至材料表面的
微小區域 (約奈米尺寸的大小)，然后利用半球型的電
子能譜分析儀解析由此光點所激發的光電子能譜，再
以奈米位移掃描臺 (nanopositioning scanner) 進行樣品
的二維空間微動掃描。組合樣品上所掃描到每一個像
素 (pixel) 所得到之能譜訊號而成像。因此要建造一套
具有次微米解析率的掃描式光電子能譜顯微儀，必須
具備下列四項設備：坽高亮度的聚頻磁鐵光源、夌奈
米聚焦的 X 光光學元件、奅奈米位移掃描臺、以及妵
高能譜解析度的半球型的電子能譜分析儀。圖二所示
即為掃描式光電子能譜顯微儀系統的設備裝置。整套
半球型電子能譜分析儀
十六個通道的多通道
偵測系統
入口電子透鏡
波帶環片
U5 聚頻磁鐵
樣品奈米位移
掃描臺
球面再聚焦鏡
濾光孔
球型光柵分光儀
XY 掃描
控制器
級數篩選孔
圖二 掃描式光電子能譜顯微儀的成像原理
影像顯示
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圖三 波帶環片的電子顯微鏡照片
科
科
學
發
展
月
刊
學
發
展
月
刊
掃描式光電子能譜顯微儀系統是架在三層具有防震效
應的巨大花崗石上，以防止震動影響到空間解析率
(圖一)。
灱 U5 球面光柵分光儀 (U5-SGM) 光束線
U5-SGM 光束線可提供軟 X 光光源能量從 60 eV
到 1300 eV 的范圍，其光通量可達 1013 ∼ 1011 光子/秒
(在入口狹縫及出口狹縫的大小為 60 微米)。被球面光
柵分光儀單頻化的光源經由球面再聚焦鏡進行初步聚
焦。初步聚焦后的光點直徑大約在 150 微米左右，然
后經過直徑為 300 微米的濾光孔，最后再進一步被波
帶環片做奈米級的聚焦 (圖二)。
牞奈米聚焦的 X 光光學元件
波帶環片是一種繞射式聚焦的光學元件。它是由
透光與不透光之同心環帶交互向外徑排列，環帶間隔
與寬度愈往外愈窄小 (圖三)。主要的聚焦原理是利用
環形狹縫的繞射形成光徑的偏折進而聚焦 (Michette,
1986)。但是必須同時使用級數篩選孔 (order sorting
aperture, OSA) 來選擇所要的繞射級數 (通常是選取亮
度最強且聚焦距離最長的第一級數)。其孔徑的大小約
為波帶環片的中央擋片 (central stop) 的一半。圖四為
波帶環片聚焦光徑，波帶環片的光學鑑別率與最外一
圈環帶 (寬度最窄的一環) 的寬度有以下關係：
δ(空間解析率) =1.22 × dr, dr 為最外圈環帶的寬
度以目前的製造技術而言最小環帶寬度可做到 20 奈米
波帶環片
支撐基底
級數篩選孔
樣品位置
偵測位置
第一級聚焦點
波帶
中央擋片
散焦的光
光環
第一級繞射光
第三級繞射光
零級
繞射光
沒被繞射
的光
聚焦長度 f
圖四 波帶環片聚焦光徑
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題
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導
樣品奈米位移
掃描臺
級數篩選孔
樣品
級數篩選孔
位置調整器
波帶環片
波帶環片
位置調整器
圖五 掃描式光電子能譜顯微儀主要設備的實驗構造圖
半球型電子能
譜分析儀
左右亦即空間解析率可達 25 奈米左右。目前測試階段
所使用的波帶環片其繞射極限之空間解析率大約為
150 奈米。
為了得到最好的聚焦光點，必須使波帶環片與級
數篩選孔的中心點能精確地對齊在 U5 光束的路徑。
因此我們在掃描式光電子能譜顯微儀超高真空腔內設
計一套可以個別操作波帶環片與級數篩選孔的 XYZ 三
軸位置的奈米位置調整裝置 (Burleigh Instrum. Inc. 所
製造) (圖五)。一旦波帶環片與級數篩選孔的中心點定
位成功，將如圖四所示，會在聚焦點后方可以看到像
似甜甜圈形狀的光環，所以在樣品掃描臺后方安裝了
一片螢光板來觀測此甜甜圈形狀的光環。圖六即為定
位成功所觀測到的照片。此奈米位置調整裝置亦具有
另一項重要功能，即可以使能量介于 200 eV 至 800 eV
的光波都能聚焦成次微米尺寸大小的光點 (波帶環片
的焦距與波長成反比)。其 XYZ 位置的微調皆由電腦
程式控制，進而可以執行 X 光吸收能譜術(X-ray
absorption spectroscopy)。
犴樣品掃描
樣品的掃描方式包括粗略掃描 (coarse scan) 與精
細掃描 (fine scan)。粗略掃描是由步進馬達執行，而
精細掃描則由壓電陶瓷棒所執行 (Physik Instrumente
所製造)。粗掃的精確度為 0.5 微米，而細掃的精確度
為 40 奈米。由于精細掃描是直接經由數位類比轉換器
所輸出的直流電壓所控制，而且細掃的迴授調整是由
壓電陶瓷棒的精密電容感應器所控制。所以電腦只要
輸入電壓改變壓電陶瓷棒的長度，然后讀取電容感應
器傳回的位移量。如此就可以執行「飛行掃描 (flying
scan)」的模式，以增加掃描速度，其最大掃描范圍為
80 × 80 微米。
犵光電子能譜分析儀
當光點聚焦成奈米尺寸的大小便可進行「點分
析」
。「點」的分析范圍由聚焦的大小決定，由此
「點」所激發出來的光電子經由一個半球型的電子能
譜分析儀收集。然后測量出光電子能量分布曲線，借
以標定出組成的元素及其化學態，能譜分析儀便可鎖
定特定的元素所產生的光電子訊號，再藉由電腦的控
制進行樣品的平面掃描。如此所得到的二維影像即表
示該元素在材料表面的分布。同樣地，亦可以不同束
縛能的化學態 (主要是利用到譜線的化學位移) 來成
像，便可得到該特定元素的不同化學態在材質表面的
二維分布。
本儀器的另一主要功能在于半球型的電子能譜分
析儀十六個通道的多通道偵測系統。一次掃描可同時
得到十六個不同動能的光電子影像，亦可同時獲得該
指定元素不同的化學態在材料表面的二維分布 (圖
二)，此技術稱為「化學態平行成像術」(parallel
,
imaging for chemical state mapping) (Ko et al. 1995)。
玎數據擷取及影像掃描的控制系統
除了可量測的光電子能譜外，此儀器亦配有其他
圖六 奈米聚焦光學元件定位成功后所看到的光環
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偵測器測量不同的物理量，如可量測樣品吸引電流
(sample drain current)、全部電子放射量 (total electron
yield)、穿透之光子通量 (transmitted photon flux)、級
數篩選孔電流 (光通量正規化用)、以及時基 (time
base) (訊號正規化用) 等。如此可以藉由各種不同物理
量的影像來提供材料表面的不同訊息及資料，以便從
事定量分析與更深入地探測材料的特性。例如可以同
題
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導
時觀測奈米材料形態結構的變化以及薄膜與基底
(substrate) 表面層化學反應的平面分布，進而瞭解其
相對應之關係。
均轉換為 TTL 脈波訊號輸入。然后採用多通道計數器
(multichannel scaler) 來同時記錄所有偵測訊號的脈波
數目，圖七所示即為掃描式光電子能譜顯微儀的數據
為了取得訊號的同步，本偵測系統之相關的訊號
掃描式光電子能譜顯微儀
Image Scan System Block Diagram
Y
科
科
學
發
展
月
刊
學
發
展
月
刊
X
Z
GPIB/RS232
XYZ
步進馬達控制器
數位類比轉換器
(DAC)及
奈米位移掃描控制器
樣品位置
調整器
DAC 啟動時序
馬達的步進時序
XY 奈米位移
掃描器
PC, Pentium 300 MHz
LabWindow/CVI
RS232
時序電路
GPIB
Wavetek
功能產生器
10-bit 定址
PCI-VME
4-port RS232 card
PCI-MXI-II
VME
多通道計數器(MCS)
XFER
VETO
Inchworm 手控器
半球型電子能譜分析儀
時基
Timebase
ECL 轉 TTL
訊號轉換器
Burleigh 6000 ULN
Inchworm 控制器
電子倍增管
樣品
OSA X, Y, Z
ZP X, Y, Z
ZP/OSA Z
Y
Z
ZP
X
訊號放大器
電壓轉頻率的
轉換器
A
電流放大器
光二極體
OSA
A
奈安培計
圖七 SPEM 的數據擷取及影像掃描的控制系統
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光
電
子
強
度
(a)
光電子動能 (eV)
(b)
圖八 (a)金網的 Au 4f 光電子影像，(b) Au 4f 光電子的顯微能譜
擷取及影像掃描的控制系統。利用此多通道的訊號擷
取技術，多項不同物理量的訊號可以同時成像。本儀
器之偵測系統最多可同時擷取三十二種不同物理量所
形成的影像。
三、實驗結果
目前掃描式光電子能譜顯微儀真空腔的基本氣壓
可達 3.0 × 10-10 Torr 。第一個掃描式光電子能譜顯微
儀影像是取自于線寬為 5 微米，洞寬為 20 微米的金網
(圖八(a))。此影像是收集金網的 Au 4f 光電子的二維強
度分佈，而所用的光源能量為 428 eV 。其像素為 100
× 100 點，像素大小為 0.4 微米，停留時間(dwell time)
為 10-3 秒。影像的擷取時間約為七分鐘。圖八(b)為 Au
4f 光電子顯微能譜。光電子的強度在過濾能量 (pass
energy) 為 5 eV 以及分光儀的出入口狹縫為 100 微米之
條件下可達 45 千計數/秒(counts/sec)。而量測時間為二
分鐘。在同樣的條件下來量測金的費米能階 (Fermi
level) 的光電子能譜，但是過濾能量為 11.75 eV (圖
九)。其中費米能階的寬度約為 0.3 eV 。故除去室溫效
應，可推算出儀器的能譜解析度約為 0.25 eV 。圖十即
為與光電子影像同一時間所得到的樣品電流及光子穿
透的影像。而由光電子影像中所測量到金網網線邊緣
的光電子強度分布，可得到在介于 25% 至 75% 強度分
布的距離約為 0.3 微米，即空間鑑別率為 0.3 微米 (圖
十一)。
光
電
子
強
度
電子束縛能 (eV)
圖九 金的費米能階的光電子能譜
(a)
(b)
圖十 金網的(a)樣品電流影像及(b)光子穿透影像
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光
電
子
強
度
掃描位置 (奈米)
科
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學
發
展
月
刊
圖十一 光電子影像中所測到金網邊緣的光電子強度分布
為了測試掃描式光電子能譜顯微儀的「化學態平
行成像術」的功能，本研究群向毫微米元件實驗室取
得具有次微米結構的金屬-氧化物-半導體場效電晶體
(MOSFET) (圖十二)，來分析其元件的化學組成。用
光子能量為 392 eV 來激發此電晶體的硅 2p 光電子，并
收集其十六個不同動能的光電子的二維分布 (圖十
三)，可以發現第九、第十、以及第十二等三個管道所
得到的影像具有最較亮的強度 (即澹黃色)。分析其動
能位置及其相對應的束縛能，可得到以下的結果：此
三個管道的動能位置分別代表硅的不同化學態位移，
即金屬硅化物(silicide)-285.32eV 、氧化硅 (silicon
圖十三 同一時間所擷取到的十六張不同動能的硅 2p 光電子影像
oxide)-286.26eV 、 以 及 複 晶 硅 (poly silicon)-
288.14eV 。在第九個管道所得到之影像中最亮的強度
是來自于金屬硅化物的分布區域。在第十個管道得到
的影像中最亮強度的部分為氧化硅的分布區域。而在
第十二個管道影像中最亮的強度部份則為複晶硅的分
布區域。故利用掃描式光電子能譜顯微術可以同時解
析某特定元素不同化學能態的二度空間分布。
氧化硅
100 微米
100 微米
100 微米
100 微米
金屬硅化物
圖十二 金屬氧化物半導體場效電晶體的光學顯微鏡照片
複晶硅
四、結語
此儀器為目前世界上第三臺具備可連續聚焦光子
能量為 200 eV 以上，且空間解析度可達次微米 (約 0.3
微米) 之掃描式光電子能譜顯微儀。由于結合同步輻
射光源的波長連續可調性，使得許多無法利用傳統顯
微方法進行研究之實驗，可以得到有利的分析工具。
光電子能譜顯微儀除了比電子顯微儀對物質的探測有
較低的破壞性，在化學能譜分析上也可以得到更多的
訊息，因此能解決電子顯微儀在材質成分及化學能態
分析上無法解的問題。尤其在超大型積體電路元件、
超分子自主裝薄膜、及多層磁性薄膜等研究分析有極
大的應用前途。例如英特爾 (Intel) 以及應用材料
(Applied Materials) 兩家半導體公司已在 ALS 的 7.3.1.2
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光束線上，使用掃描式光電子能譜顯微儀來研究分析
他們所製造的微電子元件的異質材料界面擴散問題以
及污染物與腐蝕的成因 (Warwick et al. 1998)。臺灣微
,
電子半導體產業亦已進入次微米的技術領域，所以製
程技術的開發及更新將有賴于精密的表面顯微分析工
具。同步輻射研究中心所研發的掃描式光電子能譜顯
微儀可提供有利的表面分析工具，有效地監控元件的
微區化學組成及其反應、與電子結構的變化。同時本
研究將繼續改良此能譜顯微儀的空間鑑別率，如改善
避震的效果及掃描臺的精確度與穩定度，以便明年可
以使用具有 50 奈米空間鑑別率的波帶環片，進行更尖
端的實驗。屆時，將可提升國內的奈米材料的研發與分析，