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本文标题："提升国内的奈米材料的研发与分析扫描式光电子能谱显微仪"
扫描式光电子能谱显微仪简介
材料的结构尺寸愈趋
微细轻薄，使得其表面与界面特性的影响程度相对地
提高。因此精确量测及分析奈米材料表面及界面的物
理化学特性是加速奈米材料的研发与改进产品良率不
可或缺的工作。
X 光光电子能谱术(X-ray photoelectron spectro-
scopy, XPS)，或称之为化学分析电子能谱术 (electron
spectroscopy for chemical analysis, ESCA) (皮敦文，民
89) 是分析材料表面的电子结构与化学成分之重要方
法之一。除了有较高的表面灵敏度及较高的化学分析
能力，另外最重要的是光子对于物质的破坏性较低。
所以被广泛地应用于微电子元件的研究，如薄膜间因
不同製程阶段的材质交互反应所引发的萧基能障
(Schottky barrier) 的 高 度 变 化 、 能 带 偏 折 (band
bending)、能带差位 (band offset)、以及化学态位移
,
(chemical state shift)等物理量的量测 (Lay et al.1987)。
然而，一般传统光源大小在几毫米以上，所以对于表
面异质性小于此光源大小之材质则无法探测表面材质
的分布。为了克服此一重大缺点，使光电子能谱术能
探测更细微的表面结构，美国 Brookhaven 国家实验室
的同步辐射光源中心 (National Synchrotron Light
Source, NSLS) 于一九九○年研发出第一套具有次微米
解 析 度 (约 0.1 微 米 ) 的 扫 描 式 光 电 子 能 谱 显 微 仪
(Scanning Photoelectron Spectromicroscope, SPEM)
(Ade et al. 1990)。此仪器成功地结合光电子能谱分析
,
技术与先进软 X 光聚焦显微技术，来进行材质表面化
学显微分析。
第三代同步辐射光源结合优良的球面光栅分光仪
(陈建德，民 87)，提供了高光通量、高解析度及良好
聚焦点的软 X 光光束 (能量范围约在 100 ∼ 1500 eV)，
非常适合高空间鑑别率、高能量解析度的能谱显微术
的需求。因此使得世界各先进之同步辐射光源中心皆
积极地建造各种型式的光电子能谱显微仪，如美国的
先进光源 (Advanced Light Source, ALS) (Denlinger et
,
al., 1995)、义大利的 ELETTRA (Casalis et al. 1995)、
,
德国的 BESSY II (Fink et al. 1997)、以及日本的放射
光研究设施 (Photon Factory) (Kiyokura et al., 1998)
等，研究具有次微米结构的半导体元件、多层磁性薄
膜、及超分子化学 (supramolecular chemistry) 的自主
装 (self-assembling) 薄膜等尖端的科学实验。藉由瞭解
物质界面反应之基本原理与机制，进而达到有效控制
其化学反应步骤及功能。
鑑于此重要性，同步辐射研究中心与中央研究院
原子分子科学研究所便于五年前计划合作建造一座扫
描式光电子能谱显微仪，由同步辐射研究中心主导研
发设计 (Ko et al. 1998)，提供国内学术界及工业界在
,
奈米材料的电子结构与表面化学显微分析的研究。目
前扫描式光电子能谱显微仪实验站已建造完成 (图一)
(Hong et al., 2000)， 并 且 安 装 在 U5 聚 频 磁 铁
(undulator) 的 光 束 线 上 ， 即 U5 球 面 光 栅 分 光 仪
(spherical grating monochromator, SGM) 光束线 (洪一
弘等，民 88)。经过半年的初步测试，证实所建造的
扫描式光电子能谱显微仪已具有 0.3 微米的空间解析
能力。而且能谱解析度也优于 0.3 eV 。此实验站之建
造目标是期望达成即时现场 (in-situ) 的奈米结构之製
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题
报
样品位置调整器
（粗略扫描）
导
的测试结果。
长距离显微望远镜
样品转换真空腔
STM/AFM
真空腔
半球型电子能谱分析仪
光位量测及定位仪
二、实验设备
软 X 光聚焦技术目前不外以掠角入射之弧
样品准备室
样品传送器
样品快速
置入室
防震用的花岗石
图一 扫描式光电子能谱显微仪实验站之全貌
作及其材质的化学能谱显微分析。所以本实验站除了
显微成像系统外，亦配置有样品转换传输系统与样品
准备系统。因此所有实验的全程都在超高真空下进
行，以防止样品被污染。预计将来亦可以连接扫描穿
隧电子显微仪 (scanning tunneling microscope, STM) 与
原子力显微仪 (atomic force microscope, AFM) 等表面
分析系统，使整套实验站的空间解析度可自 0.1 奈米
至 0.3 微米，以便观测各不同阶段的薄膜製程过程以
及其表面化学反应之机制。本文将简述我们自行建造
研发的扫描式光电子能谱显微仪的设计概念以及最近
光源入
射方向
形镜面、波带环片 (zone plate) 或是以多层膜的
反射镜 (schwarzschild objective) 为主。但是，
只有波带环片可以连续聚焦能量介于 200 eV 至
800 eV 之间的光束，而且应用较广。故我们採
用波带环片将第三代同步辐射的 U5 聚频磁铁光
源聚焦成奈米级的光点。扫描式光电子能谱显
微仪便基于此理念将软 X 光聚焦至材料表面的
微小区域 (约奈米尺寸的大小)，然后利用半球型的电
子能谱分析仪解析由此光点所激发的光电子能谱，再
以奈米位移扫描台 (nanopositioning scanner) 进行样品
的二维空间微动扫描。组合样品上所扫描到每一个像
素 (pixel) 所得到之能谱讯号而成像。因此要建造一套
具有次微米解析率的扫描式光电子能谱显微仪，必须
具备下列四项设备：坽高亮度的聚频磁铁光源、夌奈
米聚焦的 X 光光学元件、奅奈米位移扫描台、以及妵
高能谱解析度的半球型的电子能谱分析仪。图二所示
即为扫描式光电子能谱显微仪系统的设备装置。整套
半球型电子能谱分析仪
十六个通道的多通道
侦测系统
入口电子透镜
波带环片
U5 聚频磁铁
样品奈米位移
扫描台
球面再聚焦镜
滤光孔
球型光栅分光仪
XY 扫描
控制器
级数筛选孔
图二 扫描式光电子能谱显微仪的成像原理
影像显示
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图三 波带环片的电子显微镜照片
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扫描式光电子能谱显微仪系统是架在三层具有防震效
应的巨大花岗石上，以防止震动影响到空间解析率
(图一)。
灱 U5 球面光栅分光仪 (U5-SGM) 光束线
U5-SGM 光束线可提供软 X 光光源能量从 60 eV
到 1300 eV 的范围，其光通量可达 1013 ∼ 1011 光子/秒
(在入口狭缝及出口狭缝的大小为 60 微米)。被球面光
栅分光仪单频化的光源经由球面再聚焦镜进行初步聚
焦。初步聚焦后的光点直径大约在 150 微米左右，然
后经过直径为 300 微米的滤光孔，最后再进一步被波
带环片做奈米级的聚焦 (图二)。
牞奈米聚焦的 X 光光学元件
波带环片是一种绕射式聚焦的光学元件。它是由
透光与不透光之同心环带交互向外径排列，环带间隔
与宽度愈往外愈窄小 (图三)。主要的聚焦原理是利用
环形狭缝的绕射形成光径的偏折进而聚焦 (Michette,
1986)。但是必须同时使用级数筛选孔 (order sorting
aperture, OSA) 来选择所要的绕射级数 (通常是选取亮
度最强且聚焦距离最长的第一级数)。其孔径的大小约
为波带环片的中央挡片 (central stop) 的一半。图四为
波带环片聚焦光径，波带环片的光学鑑别率与最外一
圈环带 (宽度最窄的一环) 的宽度有以下关係：
δ(空间解析率) =1.22 × dr, dr 为最外圈环带的宽
度以目前的製造技术而言最小环带宽度可做到 20 奈米
波带环片
支撑基底
级数筛选孔
样品位置
侦测位置
第一级聚焦点
波带
中央挡片
散焦的光
光环
第一级绕射光
第三级绕射光
零级
绕射光
没被绕射
的光
聚焦长度 f
图四 波带环片聚焦光径
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样品奈米位移
扫描台
级数筛选孔
样品
级数筛选孔
位置调整器
波带环片
波带环片
位置调整器
图五 扫描式光电子能谱显微仪主要设备的实验构造图
半球型电子能
谱分析仪
左右亦即空间解析率可达 25 奈米左右。目前测试阶段
所使用的波带环片其绕射极限之空间解析率大约为
150 奈米。
为了得到最好的聚焦光点，必须使波带环片与级
数筛选孔的中心点能精确地对齐在 U5 光束的路径。
因此我们在扫描式光电子能谱显微仪超高真空腔内设
计一套可以个别操作波带环片与级数筛选孔的 XYZ 三
轴位置的奈米位置调整装置 (Burleigh Instrum. Inc. 所
製造) (图五)。一旦波带环片与级数筛选孔的中心点定
位成功，将如图四所示，会在聚焦点后方可以看到像
似甜甜圈形状的光环，所以在样品扫描台后方安装了
一片萤光板来观测此甜甜圈形状的光环。图六即为定
位成功所观测到的照片。此奈米位置调整装置亦具有
另一项重要功能，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点 (波带环片
的焦距与波长成反比)。其 XYZ 位置的微调皆由电脑
程式控制，进而可以执行 X 光吸收能谱术(X-ray
absorption spectroscopy)。
犴样品扫描
样品的扫描方式包括粗略扫描 (coarse scan) 与精
细扫描 (fine scan)。粗略扫描是由步进马达执行，而
精细扫描则由压电陶瓷棒所执行 (Physik Instrumente
所製造)。粗扫的精确度为 0.5 微米，而细扫的精确度
为 40 奈米。由于精细扫描是直接经由数位类比转换器
所输出的直流电压所控制，而且细扫的迴授调整是由
压电陶瓷棒的精密电容感应器所控制。所以电脑只要
输入电压改变压电陶瓷棒的长度，然后读取电容感应
器传回的位移量。如此就可以执行「飞行扫描 (flying
scan)」的模式，以增加扫描速度，其最大扫描范围为
80 × 80 微米。
犵光电子能谱分析仪
当光点聚焦成奈米尺寸的大小便可进行「点分
析」
。「点」的分析范围由聚焦的大小决定，由此
「点」所激发出来的光电子经由一个半球型的电子能
谱分析仪收集。然后测量出光电子能量分布曲线，借
以标定出组成的元素及其化学态，能谱分析仪便可锁
定特定的元素所产生的光电子讯号，再藉由电脑的控
制进行样品的平面扫描。如此所得到的二维影像即表
示该元素在材料表面的分布。同样地，亦可以不同束
缚能的化学态 (主要是利用到谱线的化学位移) 来成
像，便可得到该特定元素的不同化学态在材质表面的
二维分布。
本仪器的另一主要功能在于半球型的电子能谱分
析仪十六个通道的多通道侦测系统。一次扫描可同时
得到十六个不同动能的光电子影像，亦可同时获得该
指定元素不同的化学态在材料表面的二维分布 (图
二)，此技术称为「化学态平行成像术」(parallel
,
imaging for chemical state mapping) (Ko et al. 1995)。
玎数据撷取及影像扫描的控制系统
除了可量测的光电子能谱外，此仪器亦配有其他
图六 奈米聚焦光学元件定位成功后所看到的光环
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侦测器测量不同的物理量，如可量测样品吸引电流
(sample drain current)、全部电子放射量 (total electron
yield)、穿透之光子通量 (transmitted photon flux)、级
数筛选孔电流 (光通量正规化用)、以及时基 (time
base) (讯号正规化用) 等。如此可以藉由各种不同物理
量的影像来提供材料表面的不同讯息及资料，以便从
事定量分析与更深入地探测材料的特性。例如可以同
题
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导
时观测奈米材料形态结构的变化以及薄膜与基底
(substrate) 表面层化学反应的平面分布，进而瞭解其
相对应之关係。
均转换为 TTL 脉波讯号输入。然后採用多通道计数器
(multichannel scaler) 来同时记录所有侦测讯号的脉波
数目，图七所示即为扫描式光电子能谱显微仪的数据
为了取得讯号的同步，本侦测系统之相关的讯号
扫描式光电子能谱显微仪
Image Scan System Block Diagram
Y
科
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学
发
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学
发
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月
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X
Z
GPIB/RS232
XYZ
步进马达控制器
数位类比转换器
(DAC)及
奈米位移扫描控制器
样品位置
调整器
DAC 启动时序
马达的步进时序
XY 奈米位移
扫描器
PC, Pentium 300 MHz
LabWindow/CVI
RS232
时序电路
GPIB
Wavetek
功能产生器
10-bit 定址
PCI-VME
4-port RS232 card
PCI-MXI-II
VME
多通道计数器(MCS)
XFER
VETO
Inchworm 手控器
半球型电子能谱分析仪
时基
Timebase
ECL 转 TTL
讯号转换器
Burleigh 6000 ULN
Inchworm 控制器
电子倍增管
样品
OSA X, Y, Z
ZP X, Y, Z
ZP/OSA Z
Y
Z
ZP
X
讯号放大器
电压转频率的
转换器
A
电流放大器
光二极体
OSA
A
奈安培计
图七 SPEM 的数据撷取及影像扫描的控制系统
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光
电
子
强
度
(a)
光电子动能 (eV)
(b)
图八 (a)金网的 Au 4f 光电子影像，(b) Au 4f 光电子的显微能谱
撷取及影像扫描的控制系统。利用此多通道的讯号撷
取技术，多项不同物理量的讯号可以同时成像。本仪
器之侦测系统最多可同时撷取三十二种不同物理量所
形成的影像。
三、实验结果
目前扫描式光电子能谱显微仪真空腔的基本气压
可达 3.0 × 10-10 Torr 。第一个扫描式光电子能谱显微
仪影像是取自于线宽为 5 微米，洞宽为 20 微米的金网
(图八(a))。此影像是收集金网的 Au 4f 光电子的二维强
度分佈，而所用的光源能量为 428 eV 。其像素为 100
× 100 点，像素大小为 0.4 微米，停留时间(dwell time)
为 10-3 秒。影像的撷取时间约为七分钟。图八(b)为 Au
4f 光电子显微能谱。光电子的强度在过滤能量 (pass
energy) 为 5 eV 以及分光仪的出入口狭缝为 100 微米之
条件下可达 45 千计数/秒(counts/sec)。而量测时间为二
分钟。在同样的条件下来量测金的费米能阶 (Fermi
level) 的光电子能谱，但是过滤能量为 11.75 eV (图
九)。其中费米能阶的宽度约为 0.3 eV 。故除去室温效
应，可推算出仪器的能谱解析度约为 0.25 eV 。图十即
为与光电子影像同一时间所得到的样品电流及光子穿
透的影像。而由光电子影像中所测量到金网网线边缘
的光电子强度分布，可得到在介于 25% 至 75% 强度分
布的距离约为 0.3 微米，即空间鑑别率为 0.3 微米 (图
十一)。
光
电
子
强
度
电子束缚能 (eV)
图九 金的费米能阶的光电子能谱
(a)
(b)
图十 金网的(a)样品电流影像及(b)光子穿透影像
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光
电
子
强
度
扫描位置 (奈米)
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图十一 光电子影像中所测到金网边缘的光电子强度分布
为了测试扫描式光电子能谱显微仪的「化学态平
行成像术」的功能，本研究群向毫微米元件实验室取
得具有次微米结构的金属-氧化物-半导体场效电晶体
(MOSFET) (图十二)，来分析其元件的化学组成。用
光子能量为 392 eV 来激发此电晶体的硅 2p 光电子，并
收集其十六个不同动能的光电子的二维分布 (图十
三)，可以发现第九、第十、以及第十二等三个管道所
得到的影像具有最较亮的强度 (即澹黄色)。分析其动
能位置及其相对应的束缚能，可得到以下的结果：此
三个管道的动能位置分别代表硅的不同化学态位移，
即金属硅化物(silicide)-285.32eV 、氧化硅 (silicon
图十三 同一时间所撷取到的十六张不同动能的硅 2p 光电子影像
oxide)-286.26eV 、 以 及 複 晶 硅 (poly silicon)-
288.14eV 。在第九个管道所得到之影像中最亮的强度
是来自于金属硅化物的分布区域。在第十个管道得到
的影像中最亮强度的部分为氧化硅的分布区域。而在
第十二个管道影像中最亮的强度部份则为複晶硅的分
布区域。故利用扫描式光电子能谱显微术可以同时解
析某特定元素不同化学能态的二度空间分布。
氧化硅
100 微米
100 微米
100 微米
100 微米
金属硅化物
图十二 金属氧化物半导体场效电晶体的光学显微镜照片
複晶硅
四、结语
此仪器为目前世界上第三台具备可连续聚焦光子
能量为 200 eV 以上，且空间解析度可达次微米 (约 0.3
微米) 之扫描式光电子能谱显微仪。由于结合同步辐
射光源的波长连续可调性，使得许多无法利用传统显
微方法进行研究之实验，可以得到有利的分析工具。
光电子能谱显微仪除了比电子显微仪对物质的探测有
较低的破坏性，在化学能谱分析上也可以得到更多的
讯息，因此能解决电子显微仪在材质成分及化学能态
分析上无法解的问题。尤其在超大型积体电路元件、
超分子自主装薄膜、及多层磁性薄膜等研究分析有极
大的应用前途。例如英特尔 (Intel) 以及应用材料
(Applied Materials) 两家半导体公司已在 ALS 的 7.3.1.2
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光束线上，使用扫描式光电子能谱显微仪来研究分析
他们所製造的微电子元件的异质材料界面扩散问题以
及污染物与腐蚀的成因 (Warwick et al. 1998)。台湾微
,
电子半导体产业亦已进入次微米的技术领域，所以製
程技术的开发及更新将有赖于精密的表面显微分析工
具。同步辐射研究中心所研发的扫描式光电子能谱显
微仪可提供有利的表面分析工具，有效地监控元件的
微区化学组成及其反应、与电子结构的变化。同时本
研究将继续改良此能谱显微仪的空间鑑别率，如改善
避震的效果及扫描台的精确度与稳定度，以便明年可
以使用具有 50 奈米空间鑑别率的波带环片，进行更尖
端的实验。届时，将可提升国内的奈米材料的研发与分析，