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諾貝爾物理學獎得主理查．費曼(Richard
Feynman)於1959年的一場著名的演說?#27512;探究竟，空間還多得很(There is Plenty of Room at the
Botton)?#20013;提及：『若能夠在原子／分子的尺度下製造材料與元件，將會有許多引人入勝的新發現。欲實現此一理想，有賴新的微型化儀器設
備的產生，以達到操控及量測這些小東西－?#22856;米結構?#12290;』奈米量測與操控儀器使人類得以窺探並控制奈米結構，因此其發展乃是奈米
科技長足進步所繫。
最早人類發明的光學顯微鏡能觀察肉眼看不到的生物細胞(大小約幾微米，一微米等於一千奈米)，後來發明了電子顯微鏡能進一步觀察到細胞內部的微細構造。到
了上世紀八十年代，對奈米科技的發展而言可說是一個重要的分水嶺，一九八二年，在IBM任職的G. Binin g和H.
Rochrer，於瑞士實驗室發明了可觀測原子尺度的掃描穿隧顯微儀(Scanning Tunneling Microscope,
STM)，此項發明使人類的觀察視野更進一步能到達原子等級的物質，因此於一九八六年與發明掃描電子顯微鏡(Scanning Electron
Microscope, SEM)的E. Ruska，共同獲得該年的諾貝爾物理獎，被喻為二十世紀最偉大的發明之一。
掃描穿隧顯微儀
之主要原理是利用金屬針尖在樣品之表面上進行掃描，根據量子穿隧效應產生穿隧電流，由於產生之穿隧電流主要發生於針尖上最突出的一顆原子上，因此STM具
有原子級的橫向解析力，利用穿隧電流作為測量訊號，即可獲得樣品表面之圖像，因此探針與樣品必須能導電，同時樣品表面必須平整，如此STM的應用範圍因而
受到限制。
一九八五年，G. Bining、C. F. Quate及Ch.
Gerber等三人利用當時的STM技術，發展出一套能偵測探針與樣品間的凡得瓦力 (van der Waals
force)之原子力顯微儀(Atomic Force Microscopy ,
AFM)，其工作原理是利用懸臂樑(cantilever)上探針，與樣本間之凡得瓦力做為呈像訊號，因此AFM是利用分子間作用力，直接量取樣品之表面
結構，不須具備樣品導電性及受周遭環境之限制。AFM另一項優點為樣品無需特殊處理即可量測，並且可在水中或其它緩衝溶液中量測，而不會改變其量測功能，
因此是一個量測生物樣本很好的方法。
STM與AFM發展至今，已形成一個龐大的掃描探針顯微儀(Scanning Probe
Microscopy, SPM)家族。此外、另一SPM分支被稱作掃描近場光學顯微儀(Scanning Near-field Optical
Microscopy,
SNOM)，其量測對象為光子，可用來決定奈米尺度物質的光學性質。另外、尚有與SPM相關技術，如掃描雷射穿隧顯微儀(Laser Scanning
Tunnelin g Microscope)、磁力顯微儀(Magnetic force Microscopy,
MFM)、測向力顯微儀(Lateral force Microscopy, LFM)、掃描電容顯微儀 (Scanning Capacitor
Microscopy, SCM)等，可以用來測量各種物理與化學性質。
除了作為測量工具外，SPM也有其它應用。一九九O年，IBM
實驗室任職的D. M. Eigler，利用STM在超高真空和極低溫條件下，在鎳(N
i)基板上操控氙(Xe)原子，並組合成”IBM?#23383;樣。目前在操控原子、分子上又有很大的發展，因此有朝一日人類將能依照自己意志操縱原
子，來製造具有特定功能的產品。
9-2 掃描控針顯微鏡 (Scanning Probe Micro Scope, SPM)
9-2-1
掃瞄探針顯微鏡是在80年代所發展的一種材料表面特性檢測儀器之總稱，主要是用來觀察材料表面的各種特性。由於其檢測的解析度可以達到奈米或甚至原子級的
程度，且可在大氣環境下進行檢測，故其應用領域不斷地在擴大。
掃瞄探針顯微技術最早是在1972年發明尖針式形貌檢測儀（stylus
profilometer）時所建立的[1]，之後陸續有掃描電子顯微術（scanning electron
microscopy）和勞倫茲顯微術（Lorentz microscopy）的建立。不過，能夠提供奈米級和原子級解析度（Atomic
resolution）的顯微術，則是在1982年由瑞士IBM蘇黎士（Zurich）研究實驗室的兩名研究員Gerd Binnig
和Heinrich Rohrer所提出，其發明的掃描穿隧電流顯微鏡（Scanning Tunneling
Microscope、STM）可應用於導體材料的表面形貌（topography）檢測[2]。自此以後，各種掃瞄探針顯微鏡相繼地出現，並應用於各種
材料表面特性的檢測，例如原子力顯微術（Atomic Force Microscopy、AFM）、靜電力顯微術（Electrostatic
Force Microscopy、EFM）、磁力顯微術（Magnetic Force
Microscopy、MFM）、掃描近場光學顯微術（Scanning Near-Field Optical
Microscopy、SNOM）等，其相關的顯微技術及機制如表一所示。
9-2-2掃瞄探針顯微鏡之操作原理
掃瞄探針顯微鏡乃是一群有著類似操作方式之儀器的總稱，主要包含幾個子系統（如圖一所示）：微探針、感測器、掃瞄平台和控制系統。其操作方式是利用一根極
微細的探針（簡稱微探針），在極靠近試片表面處對試片表面的形貌（topography）或特性（如：電、磁和光特性等）進行探測[3,4]。由於以微機
電系統（MEMS）或蝕刻製程技術可作出尖端半徑在200nm以下的微探針，故可清楚得到原子等級解析度的試片表面形貌與特性。通常掃瞄探針顯微鏡在檢測
試片表面特性時，第一步須先掃瞄試片表面形貌。以STM與AFM為例，微探針會先接近掃瞄試片表面，在兩者距離極為接近下（約10nm），微探針尖端會和
試片表面的局部原子（或分子）團發生交互作用（分別為電場與超距力場），此作用會對探針產生某種反應（分別誘發穿遂電流與凡得瓦力），此反應的程度會和針
尖與試片表面的距離相關，再利用感測器來檢測此反應的程度，將此感測訊號迴授給控制系統，控制掃瞄平台來維持試片與微探針的距離，進而得到試片局部表面的
高度，再配合二維掃瞄平台的移動則可構畫出表面形貌。
圖一 掃瞄探針顯微鏡系統架構圖
9-2-2掃瞄探針顯微鏡之應用
最近十年來半導體技術的關鍵在於縮小線寬，以提高記憶容量與操作速度，並降低能源損耗。目前半導體製程的線寬已經達到0.18微米，並朝向
0.15～0.13微米邁進。估計到本世紀初，將進入100奈米以下的尺度範圍。另外，在今天資訊爆炸的網路世代，數位資料量急速增加，迫切需求更高密度
的儲存媒體。目前光碟容量由CD 650MB/片提升到DVD 4.7GB/片，預計到本世紀初，將到達HD-DVD
15GB/片以上。因此，光碟的軌距將由DVD
740奈米縮小到HD-DVD約300奈米，甚至在未來將達100奈米以下。因此，掃瞄探針顯微術被廣泛用來針對材料表面特性的檢測（如圖二所示）。
圖二 掃瞄探針顯微鏡之應用例
近年來更有利用掃瞄探針顯微術的基本原理和儀器本身的精密控制能力，藉由相關參數的調整，而發展出多種掃瞄探針顯微加工技術，可用來進行奈米結構及元件的
製作，將來更可發展為原子級之材料搬移或堆疊，其應用的範圍涵了半導體業、記錄媒體業、材料科學、生命科學/生物學等，不過目前掃瞄探針顯微加工技術仍處
於研究階段。所謂掃瞄探針顯微鏡加工法是利用微探針，以機械力、電場、磁場等效應對試片產生物理或化學變化，而在試片表面製作出奈米尺寸之元件或結構。因
為掃瞄探針顯微鏡加工法之設備成本低、操作容易，並且可以在一般環境下工作，所以被廣泛地用來研究製作量子元件、奈米尺寸結構、奈米材料、超高密度儲存媒
體等。
9-2-4 結語
近幾年歐美政府相繼提供更多的研究經費與投入大量的研發人力，在開發各種不同奈米尺寸的加工技術。掃瞄探針顯微加工技術提供一種經濟、簡便、環保的方法，
並被廣泛地應用在開發下世代的奈米元件與記錄媒體上，例如：奈米電晶體、單電子電晶體、奈米結構、高密度資料儲存媒體等。這些都證明掃瞄探針顯微加工技術
在奈米技術領域的應用潛力，因此掃瞄探針顯微鏡與加工設備勢必成為一種被廣泛使用的工具。以Frost &
Sullivan針對美國的掃瞄探針顯微鏡市場調查顯示，在1997年美國市場為五千四百萬美元，預估到2002年將達一億兩千五百萬美元，平均複合年增
率為14.4%。
目前國內在掃瞄探針顯微加工技術的開發上，工研院機械所已經投入三年的研發經費與人力，目前已經自行開發出掃瞄探針顯微
鏡（如圖三所示），並且掌握其中的核心技術與專利，諸如：各式微探針的設計製作、掃瞄頭之光學與機構設計製作、PZT驅動之奈米定位平台製作、電場氧化加
工技術、電控系統與軟體之開發。工研院機械所可以協助國內廠商掌握掃瞄探針顯微鏡與加工設備之各項技術。
圖三 工研院機械所開發之掃瞄探針顯微鏡
9-3
掃描穿隧顯微鏡 (Scanning Tunneling Microscope, STM)
9-3-1 前言
1908年，道耳吞（John
Dalton）提出原子與分子的觀念，至今日已成為物理學與化學的一個極為重要的基本觀念。但是原子與分子卻一直不曾被直接地觀察到。
1951
年，Erwin Muller發明了場離子顯微鏡（Field-Ion
Microscopy）後，人類才算真正地直接〝看〞到原子。但是由於場離子顯微鏡有許多的限制在，例如：其基材（substrate）必須是單晶
（single
crystal）之導體，並且必須要能做成極細之探針，而所能觀測的範圍又被局限在極小的針尖頂端之內（<80埃），並且只能夠在極低的溫度之下
（液態氮或液態氫的溫度）之下才能工作。
1982年，Binning與Rohrer兩人共同發明了掃描式穿隧顯微鏡之後，其更是突破了一
些場離子顯微鏡的限制，其不僅有比場離子顯微鏡更佳的解析度，且其工作溫度範圍也大了許多（從液態氮的溫度到1200K），可以觀測的範圍更是大了許多，
從數個埃平方到數百個微米平方，並且它除了可以高真空中使用之外亦可以在大氣中工作，甚至可在液體中亦能工作。因此掃描式穿隧電子顯微鏡成為目前作為極小
區域探測，尤其是在原子尺度之觀察的主要工具。
9-3-2 掃描穿隧顯微鏡
將先介紹穿隧效應的意義，由於STM的原理乃架構於穿隧效應，再分別就古點物理與量子力學的觀點作探討。接著就STM的解析度作探討。最後，就STM的原
理作說明。
（一）穿隧效應（tunneling effect）
在介紹STM的原理之前，我們必需先知道什麼是「穿隧效
應」（tunneling
effect）。而穿隧效應可就古典力學與量子力學兩個觀點作討論。就古典力學的觀點而言，一個處於位能較低的粒子根本不可能躍過能量障礙而到達另一邊，
除非粒子的動能超過V0。但就量子力學的觀點來說，卻有此可能性發生。所謂的「穿隧效應」就是指粒子可穿過比本身總能高的能量障
礙。而穿隧的機率與距離有關；若是距離愈是接近，則穿隧的機率愈大。並且，穿隧的機率與兩極的間距呈現指數反比的關係在。
（二）解析度
就對一般的金屬而言（功函數約4-5eV），1
埃的間距差可導致穿隧電流以10倍的大小增減。所以，藉由偵測穿隧電流，便可很容易地得知兩電極間距的變化達0.1埃的程度。
（三）穿隧
電流
STM利用上述之電子穿隧的特性而發展出來。如果上述的兩電極中的一極為金屬探針（一般為鎢針），另一極為導電樣品時，則當它們兩極
間距相距很接近時，並且在其間加上一微小電壓值，則此時探針所在的位置便會有穿隧電流的產生。此時，藉由探針在所欲作掃描的樣品表面上作來回的掃描，並且
在每一個取像點（pixel）上作高度值的記錄後作輸出，則此時便能構成一幅二維的圖像。而該圖像的解析度則取決於探針的結構，例如若是掃描探針的尖端只
有幾顆原子的大小，則欲作掃描的表面原子排列情形便能被獲知。也因此，STM是研究導電樣品表面原子性質的一有利的工具。
一、取像方式
STM
的取像方式有三種，分別為定電流取像法（constant current mode）、定高度取像法（constant height
mode）以及電流密度取像法（current imaging tunneling spectroscopy, CITS）。
（一）
定電流取像法（constant current mode）
（1）原理
以設定的穿隧電流作為回饋訊號。由於探針與樣品
表面的間距與穿隧電流之間有著十分靈敏的關係在，於是便設定穿隧電流值即便鎖定了探針與樣品表面之間的間距。此時當探針在樣品表面作掃描動作時，探針為了
保持固定的電流值大小，而必須隨著樣品表面之起伏調整其高度值的大小；因此，以探針的高度變化來作為樣品表面的呈像方式，便能反映出樣品表面的形貌。接
著，再利用高速電腦作即時讀取回饋電路中的高度值，將其處理成灰階影像並且將其顯示於電腦螢幕上。
（2）優點
可容忍待掃
描樣品較大的表面高低變化。
（3）缺點
由於必須以回饋信號作為調制，因此掃描速度較慢，容易受到低頻雜訊干擾。
（二）定高度取像法（constant height
mode）
（1）原理
直接以穿隧電流值的變化來作為表面形態的呈像。當探針以固定的設定高度掃描樣品的表面時，由於樣品
表面的高低變化，導致探針和樣品表面的間距時大時小，此時穿隧電流值也隨之改變。
（2）優點
可做快速掃描以補捉一些表面
動態
（3）缺點
若掃描範圍內的樣品表面起伏太大，則極容易損壞探針
（三）電流密度取像法（current imaging
tunneling spectroscopy, CITS）
（1）原理
乃結合定電流取像法（constant
current mode）與定高度取像法（constant height
mode），並且其中引進偏壓調變作為取像之變數。其作法是以定電流作為架構，讓探針在回饋系統的控制之下，於掃描樣品表面的過程中保持一定的探針與樣品
間的間距。然後於每一點，瞬間切斷回饋作用，並且利用這段期間，將偏壓在預定的範圍內作調變動作，同時記錄不同偏壓所產生之穿隧電流值的大小。一般偏壓的
調變現均已數位化，將某一偏壓在掃描範圍內各點的電流組合起來，即構成一符二維電流密度分布圖。
（2）缺點
因為回饋系統
必須不斷地開關，因此較為費時（一般約需幾分鐘），並且每作一次，其實等於儲存了上百個影像的資訊，因此記憶體容量的需求量很大，不過，以現代的電腦容
量，已不成問題。
二、與其它顯微鏡之比較
目前常用的顯微鏡中，光學顯微鏡為最普遍且最方便使用的顯微鏡，但其解析度
（resolution）受限於光波長的限制頂多只能達到0.2um。而掃描式電子顯微鏡解析度雖然可以達到數個
nm卻只能在真空系統中使用，但是我們生活週遭的環鏡卻大多是發生在大氣中與溶液中，尤其如一般生物的系統或許多化學系統都是發生在水溶液的環境中，所以
並不能以電子顯微鏡來觀察這些系統。而掃描式穿隧電子顯微鏡除了具有比電子顯微鏡更高的解析度之外，更可以突破真空的限制，可以在超高真空、大氣、以及液
體環境中所使用。
9-3-3 掃描穿隧顯微鏡之應用
(一)
表面動態學 (Surface Dynamics) 的研究：
近年來主要的研究是在表面動態學，尤其是表面原子分子擴散行為、結構變化、磊晶成長及表面化學反應幾方面。
下圖是鉛原子在鍺 (111)
表面呈現的擴散現象，較亮的是鉛原子，連續STM的影像可以顯示哪些鉛原子移動了距離，由一連串這類影像讓我們統計出鉛原子移動的速率。此實驗亦可在不同
溫度中進行，再由移動速率對溫度的關係圖可以得到鉛原子移動的活化能等參數，而活化能的高低與鉛跟鍺的鍵結有關。
下圖顯示是幾張鉛在鍺(111)表面的連續 STM
影像，在標［*］記號的鉛原子左右兩邊，我們可以清楚的看到鍺原子的結構產生變化，但最後又回復到最初的結構。90Ǻ X 90Ǻ ，四張連續 STM
影像，每張時間間隔約為一分鐘，樣品溫度45˚C，［*］記號的鉛原子及其兩旁鍺原子結構的變化。［A］為起始的結構，［B］顯示該鉛原子右邊兩排鍺原子
由原先矩形結構變成菱形結構。［C］圖顯示該鉛原子右邊又回復到矩形結構，但左邊變成矩形結構。［D］顯示回復到［A］結構。
(二) 原子操縱術 ：
在穿隧時，STM的針尖與樣品表面的距離
很近(約10埃)，針尖跟表面的偏壓雖不大，但所產生的電場可不容忽視。前述原子的搬動，就是故意將針尖更拉近表面，如下圖所示，使善原子受到針尖電場的
吸引而略被拉離表面，此時即可將善原子沿表面移至想要的位置，再將針尖縮回，善原子則停在新的位置。
圖8是在金表面上製作的台灣外型圖，它是外加電脈衝於針尖，使針尖上的金
原
子團落在表面所形成。圖9則是在矽(111)表面上所製成的台灣地圖，原先是
7X7重構，在針尖施以電脈衝繪出台灣的外形，所施加的位
置，矽原子會剝離。
下圖則是以針尖輕微撞進矽(111)表面後拉起，表面形成一坑洞，此坑洞會隨時間漸漸縮小，最後完全消失，此乃因高溫時表面矽原子有一些動態現象出現，會
自動填補形成得坑洞而讓表面回復到最穩定的7X7重構。
260Ǻ X 260Ǻ ，在矽 (111) 7X7
重構上，將針尖輕輕撞進表面形成一坑洞，表面溫度530˚C，事後坑洞內亦重組成 7X7 結構，其較原先表面低
3.2Ǻ，此坑洞面積逐漸縮小，最後消失。
9-4-1 前言
為了滿足人類對微小世界好奇心,使得許多掃瞄探針顯微術探討微小世界的顯微技術相繼而生。當然,如何描述或顯示觀看的畫質及解析度要高是非常重要。掃瞄探
針顯微術廣汎的應用在物理、化學、生物科技、生物體的微細構造。這些掃瞄探針顯微術包括掃描穿隧顯微鏡(STM,
電流)、近場光學顯微術(SNOM,光強度)、原子力顯微鏡(AFM,原子力吸力斥力)、磁力顯微鏡(MFM，磁力)、靜電力顯微鏡(EFM，電力)
尤其是原子力顯微鏡(AFM)具有高解析能，三維成像的效果可用於觀察細胞三維構造。
9-4-2 原子力顯微鏡的原理
圖(1)
如上圖(1)所示，原子力顯微鏡
的原理是利用微小探針(長約2U米，直徑小於10負8次方米) ，置於懸臂末端如圖(2)所示
圖(2)
如上圖(2)所示，當探針尖端與
樣品表面接觸時，依其作用力作用(吸力或斥力)，使得懸臂彎曲，再以一低功率的雷射射在懸臂末端上，再藉由一組感光二極體偵測器量測入射雷射光反射角度的
變化，依據變化的角度，使感光二極體上雷射光斑造成變化造成二極體電流改變，由測量電流的變化可得知懸臂彎曲程度，輸入電腦產生樣品表面三維影像。所以不
論絕緣體、半導體、導體都一樣可以獲得三維空間影像。
圖(3)
原子力顯微鏡的種類
(1)接觸式原子力顯微鏡
如圖(3)所示，由於是接觸式。探針尖端懸在一低彈性係數的懸臂末端，
懸
臂的有效彈性係數比樣品原子還低，當探針掃瞄樣品表面時，當原子的距離變近，會彼此產生微弱的吸引力，這些吸引力會不斷增加，直到太靠近時它們的電子雲產
生靜電排斥。當原子間的作用力達到平衡約一個化學鍵的長度(幾埃) 。當總凡得瓦力變成零，那些原子保持接觸。
除了上述的凡得瓦力，在接觸式原子力顯微鏡如周圍環境被薄水層圍繞，會產生毛細管力量發生，為探針與樣品間的吸引力約為10負8牛頓，此力量識探針與樣品
間的距離而定。
圖(4)
如上圖(4)所示，恆定高度模式
-因為高度被限定，懸臂歪斜的空間變化可以直接地被用來產生地形上數據的組合，一般用於平坦的原子平面的原子刻度影像，具有較快的掃瞄速度。恆定力量模式
-懸臂歪斜可以當做z軸上下移動掃瞄的電路輸入。使懸臂歪斜保持恆定值，樣品的力量總是被固定，常被大家使用。
(2)
非接觸式原子力顯微鏡
原子顯微鏡懸臂，是以振動的方式量測，當探針尖端靠近樣品表時偵測其共振頻率或振動振幅的變化。此時架設靈
敏AC偵測架構俱有小於埃的垂直解析度。 由於探針尖端與樣品之間的總力非常小約為(10負2次方牛頓)
，所以常用於樣品的材質較軟或彈性較佳的材質且因其是非接觸式所以可以量測
導體、非導體、半導體。
比較兩者接觸與非接
觸的差異:
接觸:如果堅硬樣品表面部份有濃縮的水層，如(圖6)所示，接觸式會穿透液體層，會破壞樣品表面。
非接觸:
如(圖5)所示，並不會穿透液體層，所以也不會破壞樣品表面。
(圖5)
(3)間歇
接觸式原子力顯微鏡
間歇接觸原子顯微鏡相似非接觸式原子力顯微鏡，由於探針較非接觸式接近樣品，有時探針尖端會輕打擊樣品表面。
其原理當間歇接觸原子顯微鏡懸臂的振動振幅的變化反映，也就是振動振幅的形狀相當探針尖端到表面距離，且相較非接觸式原子力顯微鏡的優點，它可量取樣品表
面起伏較大的掃瞄影像。
9-4-3 原子力顯微的應用
原子力顯微鏡之用途相當廣泛，包括：利用探針量測物吅表面及在微表面雕刻。圖7(左)為清華大學精密儀器中心利用原子力顯微鏡探針在氧化矽表面所得到的清
大材料系徽，其氧化層高度為3nm，最小線寬為50nm。圖7(右)為利用AFM探針在金薄膜上雕刻出清大材料系創立30週年紀念，其中最小字為
0.5x0.5um2，線寬為50nm，深度為10nm。
圖7
運用原子力顯微鏡探針在樣品表面 (a) 雕刻及(b)量測表面形狀
9-4-4 結論
原子力顯微鏡微影開啟了一個全新的
微影技術，提供以幫助現代科技朝向奈米世界發展。未來原子力顯微鏡微影勢必成為一個被廣泛應用的工具。原子力顯微鏡的解析度很高，且不必在真空下操作，就
能得到較高的倍率，應用在生物分子、細胞的觀察的應用，必定有蓬勃發展。未來使原子力顯微鏡結合光學顯微鏡，使其探針位置偵測加強，提升原子力顯微鏡發展
的潛力。
9-5 掃描電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM)
9-5-1
前言
掃描電子顯微鏡的發展過程，大致與穿透式電子顯微鏡相同。在
1932年，第一部穿透式電子顯微鏡發展成功之後，德國人MaxKn．oil即於1935年提出有關掃描式電子顯微鏡的理論及構想。而在穿透式電子顯微鏡
成為商品化之同時，M.von Ardenne(1938)和
V.K.Zworykin(1942)也分別理成了掃描電子顯微鏡的雛型(3)，但限於當時工業技術水準，而未能有良好的成果，其後，歷經D﹒
McMullan(1953)，K.C.A.Smith(1955)，以及C.W.Oatly(1965)等專家之研究，改進和大力推展，始於1965年
末才使掃描式電子顯微鏡成為商品問世。圖一與圖二為SEM與其它相關的儀器以其解析度、顯微分析尺寸及應用範圍所作之概略比較。
9-5-2
掃描電子顥微鏡的操作原理
在高電壓作用下，從電子槍射出來的電子束經聚光鏡和物鏡聚焦成很細的高能電子束,在掃描線圈的作用下,在試片
的表面上作用掃描，電子束與試片表層物質相互作用，產生背散電子．二次電子等各種信息（如圖三）。高能量電子射束與物質之交互作用，即電子彈性碰撞與非彈
性碰撞之效果，其結果產生了各種訊號如：二次電子、背向散射電子、吸收電子、透射電子、X射線及陰極螢光。
這些訊號經由適當之檢測器接收
後，經放大器放大，然後送到顯像管上成像。
在掃描電鏡中，主要用來成像的有二次電子，其次是背向電子及吸收電子；用來作分析的主要是X射
線(元素特徵與性質)。
探測器將這些信息接收，經放大器放大，送到陰極射線管(顯像管)的極，調製顯像管的亮度，基本結構如圖四所示。
掃描電鏡的掃描線圈與陰極射線管的掃描線圈使用同一個掃描電子源。因此，兩者的電子束做同步掃描。掃描電鏡的電子束某一瞬間在試樣上的位置，與顯像中的電
子束同一瞬間在螢光屏上的位置是完全對應的，因而試樣的表面形貌與顯像屏上的圖像完全對應。若電子束從試樣上某一點激發出的二次電子多，送到顯像管柵極的
電壓值就大。由於柵極的的多少，與試片的表面形貌有關。所以，顯像屏上的圖像，就是放大了的試片表面某一部電壓作用，射到屏上的電子數目就多，該點就是一
亮點，反之為暗點。而發射二次電子分的圖像，從這裡我們可以看出，掃描電鏡的成像原理與穿透電鏡不同，在穿透電鏡中，電子束透過試片，經物鏡，中間鏡和投
影鏡聚焦和放大，直接射在螢光屏上成像，在掃描電鏡中，透鏡將電子束聚焦成非常細的電子束，射在試樣表面上,激發出各種物理訊號，由探測器接收，輸送到陰
極射線管成像。如果說前者是直接成像的話，後者則是間接成像。
掃描電鏡的放大倍數，等於電子束在顯像上的掃描寬度與在試樣上的掃描寬度的比值。設顯像管的屏為正方形，邊長為電子束在試樣上的掃描面積也為正方形。因為
顯像屏的尺寸是固定的，要改變放大倍數，必須改變試樣上的掃描面積，例如需要增大放大倍數，必須使試樣上的掃描面積減小，
這是通過改變掃描線圈的電流來實現的。掃描電鏡的分辨率，取決於電子束，射到試樣表面上的直徑
(束斑直徑)和接收的訊號類型。束斑越小，分辨率越高。很明顯，掃描 電鏡的分辨距離不會小於束斑直徑。不同成像信號對分辨的影響將在後 面討論。
掃描電鏡的一個很大優點是，景深大，便於研究粗糙的試樣表面，或斷口的外貌，景深是指試樣上平行電子束光軸方向的長度，在這個長度範圍內，試樣上各點的圖
像均可聚焦清楚。景深取決於電子束的發散度，發散度越大，景深越小。
所以，當探針尺寸固定時，放大倍數與電子束的發射角越小，景深越小。有時為
了觀察某個形貌特徵，需要一定的放大倍數和探針尺寸，此時孔徑角是唯一可調的參數，為了增加景深，就要減少孔徑角。根據工作需要可以選擇不同的D和L，一
般掃描電境的末級透鏡光柵直徑有100,200,300,和400um等幾種。還有大孔徑的光柵，如D=600um，用於X射線成分分析和攝取吸收電子
像，孔徑角一般在10-3rad左右。從提高分辨率看，孔徑角越小越好，即選用鏡可能小的光柵孔徑和大的工作距離。但是，這樣做的
結果導致電子束過細，電流變小，降低照射強度，激發出的信號很弱，使圖像變暗，亮度降低，反而會使分辨率下降。所以，在實際的工作中要根據研究目的，適切
地選擇各種參數，以獲得最佳的圖像。
採用LaB6陰極和場發射電子槍，可使電子束的亮度提高兩個數量級。因
而可以利用小的控鏡光柵，獲得高的分辨率。例如，掃描電鏡利用鎢絲陰極的最佳分辨率為6nm，利用場發射電子槍的分辨率目前已達到2nm，預計還會進一步
提高。
9-5-3 掃描電子顯微鏡的結構:
掃描電鏡的結構與穿透電鏡相比，有很多相似的地方。例如，他也有電子光學
系統(鏡筒)，真空系統和供電系統。所不同的是，他另外有一套信號接收，放大和顯示系統，還有使電子束在試片上掃描的系統。較先進的掃描電鏡，還會有分析
試樣成分的X射線譜儀。下面將掃描電鏡的幾個主要部分加以介紹；儀器總結構如圖五所示。
（1）鏡筒：
主要由電子槍，三
個電磁透鏡，掃描線圈以及試片室等部分所組成。電子槍的作用是形成高能量的電子束，以極細的束徑打到試片上。要求高能量，是為了或盡可能截取較深內層的信
號，要求子束極細，是為了獲得高的分辨率。
（2）電子槍：
結構與穿透電鏡一樣。普通的掃描電鏡的電子槍是由髮夾式鎢絲，
柵極和陰極組成參極式電子槍。高分辨率的掃描電鏡應用鎢絲製作的點狀鎢絲，或LaB6陰極，或發射電子槍。電子槍的陰極接地，陰極
燈絲上加上1-30kV的可調負電壓，以加速電子束。根據試片的性質和研究目的選擇負電壓。例如，對生物試品，一般小於10kV，對於緻密的物質(如金
屬，陶磁，礦石等)，或者要求獲得穿透電子像時，需要大於25kV的加速電壓。
（3）掃描電鏡中之透鏡：
作用與穿透電
鏡的透鏡不同，他不是用來成像，而是為了獲得盡可能細的電子束，以激發試樣，產生盡可能強的物理訊號。他控制的主要參數是，電子束射在斑點尺寸(束斑直徑
d)，電子束的發射角和電子束的電流。若從電子槍發射出的電子源的直徑為do，徑透鏡1和徑透鏡2分別形成像1和像2，其直徑分別
為d1和d2。透鏡3將像2聚焦在試片上，形成直徑為d 的束斑。如果透鏡1,2,3的放大倍數分別為M1,M2,M3(M1,M2,M3均
小於1，形成縮小的像，而不是放大像)，電子束在試樣上的最終尺寸d為:
d=M1M2M3do
對於分辨率6nm的掃
描透鏡，do 約為6um，M1M2M3的乘積約為千分之一。一般稱透鏡1,2為聚
光鏡，透鏡3為物鏡，應當說，稱物鏡為末級透鏡。在鏡筒內裝有兩對掃描線圈，一對使電子束作行掃描，另一對使電子束作列掃描。根據工作需要，可選擇不同的
掃描時間。行掃描時間在0.001-0.5s之間。掃描在0.1-1000s之間。試片放在試片台上，可以在鏡筒外用手柄操作試片台，使試片台作
x,y,z一個方向的移動，以及繞過三個軸轉動，便於觀察試片不同部分和角度。現代掃描電鏡，還會有試片拉伸，加熱和冷卻的功能。
（4）
掃描電鏡之真空系統：
理想的工作氣壓為10-3Pa
或更低。由於真空系統有很多密封口，不斷的向裡漏氣，實際的氣壓要高一點。不過從電子平均自由路徑和殘存氣體對熱鎢絲的影響考慮，10-2Pa
的氣壓就夠了，通常使用機械旋轉幫浦(Pump)（如圖六）。採用LaB6陰極和場發射電子槍的掃描電鏡，需要更高的真空度，需
要使用離子幫浦、分子幫浦與油擴散幫浦（如圖七），真空度可達10-6-10-8Pa。現在的真空系統均採
用自動化操作，通過一套電磁真空洞閥和邏輯線路，只要按一下真空"啟動"按鈕，便可自動變換各種操作狀態，整個抽氣過程自動運行。停機時，按"停機"按
鈕，便可以自動按一定的程序關機。真空系統中有斷電和斷水的保復措施。如果突然停電，有關閥門變自動關閉，如果突然停水，便自動切斷油擴散幫浦的加熱電
源。此外，還有真空-電源連鎖裝置。例如，如果真空度不夠，便加不上高壓，如果在電鏡的使用過程中鏡統的真空度突然變壞，便自動切斷加壓電源【3】。
（5）
掃描電鏡：
與透射電鏡一樣，有高壓電源，透鏡電源，電子槍加熱電源和真空系統電源。所不同的是，掃描電鏡有掃描線圈電源和圖像顯示系統電
源。入射電子束射經試片表面，產生不同的物理訊號，不同信號的圖像通過不同的方式顯出來。背反射電子像和二次電子像的顯示過程是，探測器放在試樣的斜上方
接收這些電子。探測器一般為閃爍計數器。電子打在閃爍體上，閃爍體產生螢光，經過導管將其傳達到光電倍增管，轉換成電信號，經過放大器放大，輸送到顯像管
的柵極，調製顯像管的亮度。吸收電子像是直接由試片引出吸收電流，經放大後，將其輸送到顯像管，得到圖像即為吸收電子像。對薄試片，欲獲得穿透電子像，可
將探測器放在試樣的下面，期顯示過程與二次電子像相同。掃描電鏡配兩個顯像管:一個適用作觀察圖像用，一個是用作拍攝圖像用的，在其前方裝依照相機，用作
拍攝屏上的圖像。
（6）LaB6陰極電子槍的結構：
陰極是採用截面為1mm2的LaB6固
定，發射電子的陰極尖端的曲率半徑為10um，陰極位於鎢絲繞成的線圈內，線圈通電加熱，通過熱輻射加熱LaB6。為了提高熱效
率，在鎢絲外有一雙屬熱屏閉罩，多餘的熱量傳道真空系統外的散熱槽內，在高電壓作用下，從LaB6的尖端發射出高電流密度的電子
束。這種結構的電子槍稱為旁熱式電子槍。近年來，LaB6陰極在結構設計上作了不少的改進，同時發展出一種直接插入燈絲座的直熱式
陰極電子槍。LaB6為細杆狀單晶，長度約為1mm，截面積約0.5mm2。LaB6的
主要優點為功函數Ew小，多晶體的Ew=2.4eV，單晶體在最佳取向(110)晶向的Ew=2eV(鎢
的Ew=4.5eV)。因此與鎢絲相比，能在較低的溫度獲得很高的發射電流密度，從而獲得很高的亮度與更細的電子束。同時，由於工
作溫度低，使用壽命長，電子槍燈絲發射電子束之示意圖如圖八所示。目前大多數用鎢絲作為陰極的掃描電鏡的分辨率為5~6nm。要進一步提高分辨率，需要在
縮小電子數的直徑，這必然降低電子束亮度。為了提高分辨率，必須尋找新的高亮度電子源。現在發展的兩種新的電子源:LaB6作陰極
的電子槍和場發射電子槍。他們不但亮度高，而且壽命常，不過需要更高的真空度。
9-5-4 掃描電子顯微鏡的應用:
掃描
式電子顯微鏡（SEM）對於研究物品表面結構是最有效的工具。不但可以用以檢查金屬或非金屬的斷口，磨損面，塗覆面，粉末，複合材料，切削表面，拋光以及
蝕刻表面等等，並可以物體表面迅速作定性與定量上的分析。同時，亦廣泛的應用於生物學及醫學上的應用。例如：用機械研磨法製備的掃描式電子顯微鏡試片，箭
頭所示的鋁線剖面非常平整，這種研磨法常被應用在定點橫截面結構觀察和小尺寸的W栓塞(W-Plug)金屬接觸孔的橫截面觀察（如圖九）、觀察奈米碳管
（如圖十）等。
9-5-5 結語：
目前掃描式電子顯微鏡（SEM）很普遍的使用在非導電性樣品的觀測上，因為一般掃描式
電子顯微鏡乃是利用高壓電子束撞擊在樣品表面時，接收產生的多種訊號電子中的二次電子來形成二次電子影像（SEI），而藉以觀察樣品；所以為了避免標本所
含的水分、流質在高真空下揮發而影響觀察，必須先加以固定、脫水等處理；最後又因非導電性標本無法導電傳熱，為了避免標本在電子束掃描時因高溫而遭到破壞
及增加二次電子的產生來得到更清晰的影像，必須在標本的表面覆蓋一層金屬或碳的薄膜。
目前掃描示電子顯微鏡（SEM)
9-6
穿隧式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscope, TEM)
9-6-1 前言
隨
著材料科學的進步，微結構在材料本身的性質上影響甚鉅，因此欲瞭解材料本身的性質，就必須能夠有良好的顯微分析技術及工具。首先於1934年Ruska製
作出第一台穿透式電子顯微鏡（Transmission Electron
Microscope；TEM），第一部商業化TEM也早在1938年即已問世，比第一部商業化掃描式電子顯微鏡（SEM）要早了二十六年。然而早期的
TEM由於解像能（resolving
power）較差，試片製備技術亦未成熟發展緩慢。直到1950年代中期之後，由於技術上的突破，使TEM逐漸成為一門學問，並被科學研究者廣泛的使用。
9-6-2 穿透式電子顯微鏡之原理：
TEM是利用電磁透鏡（electromagnetic
lens）來偏折、聚焦經加速的電子，使電子撞擊材料產生穿透電子束與彈性散射電子束，若是晶體材料則後者形成繞射電子束。這些電子束再經過電磁透境放
大、聚焦，最後形成影像（image）或繞射圖形（diffraction pattern；DP）【6】。穿透式電子顯微鏡分析時,
通常是利用電子成像的繞射對比, 作成明視野像或暗視野像, 並配合繞射圖樣來進行觀察作一般的影像觀察時,
應用最普遍算是雙電子束繞射狀況(two-beam, 2B,doffraction condition), 不過為了作深入的結構分析,
針對特殊的材料結構或缺陷,通常試片座會配備傾斜（tilting stage）的功能, 可以作成微弱電子束繞射狀態(weak beam, WB,
diffraction condition), 或多重電子束繞射狀態(multi-beam WB,diffraction
condition),來改善成像的品質或加強對比。
◎解析度：
＊像差(lens
aberration)：球差(spherical aberration)。
○改善方法--電子全像術 (electron
holography)。
--理論模擬輔助--球差修正器。
＊色差：(chromatic aberration)：
○
改善方法--濾能(energy filtering)TEM。
◎TEM影像對比的種類有：原子序、繞射、相位、振幅。
◎TEM
光源：鎢絲（如圖十一）、LaB6、場發射。場發射電子探測尺寸可縮小到0.3nm以下；目前趨勢為採用場發射來產電子束。
9-6-3
穿透式電子顯微鏡之分類與結構：
穿透式電子顯微鏡，在真空系統下利用電子槍產生之電子束通過一晶体薄膜，平行於入射線之晶面會產生繞射在
繞射圖中繞射束與直接穿透電子束點間之距離剛好反比於某晶面間距，由不同之繞射圖形，可精確決定晶格常數及晶体格子結構，是研究材料內部結構很有利之工
具。一般基本穿透式電子顯微鏡(TEM)的結構分為：燈絲、電子槍、加速電場、聚束透境、物鏡、試片座、中間透鏡、投射透鏡、螢幕與照相室等（如圖十
二）。另外，還可加裝X光能量發散光譜儀（x-ray energy dispersive
spectrometer；XEDS）和電子能量損失光譜儀（electron energy loss
spectrometer；EELS）。目前較大眾常用的為STEM與HRTEM，因為分析功能強且解析度高【7】。
◎掃描穿透電子顯微
鏡主要分為三類：
（1）傳統型 TEM（conventional transmission electron
microscope；CTEM）。
（2）分析型 TEM（analytical electron microscope；AEM）。
（a）專用的STEM電鏡：無中間鏡、投影鏡，物鏡位於樣品與電子源之間。
（b）改裝式STEM電鏡：常規TEM上加裝
掃描線圈、探測器、信號處理、 顯示系統（如圖十三）。
l
TEM利用物鏡光圈來選擇試片後方的直射電子束或繞射電子束，直接並利用這些電子束在觀察螢幕或底片上以振幅對比形成明視野像或暗視野像。
l
STEM 是利用不同收集角的偵測器，收集穿過試片的各種電子，接收到的掃描訊號經過處理後在顯示系統上同步掃描成像（如圖十四）。
l
在STEM 取自大角度彈性散射電子訊號所成的像叫暗視野像；小角度非彈性散射電子訊號所成的像叫明視野像（如圖十五）。
l
彈性散射電子分佈在較大的散射角，多數在10 mrad；非彈性散射電子的分佈角則較小，在幾個 mrad。
l
入射電子與該物質發生彈性散射或非彈性散射的機率和該物質組成原子的原子序有關。對輕元素，電子容易發生非彈性散射；重物質則容易發生彈性散射【8】。
l
原子序越大的原子與入射電子之間的交互作用越大，造成電子偏折在大角度的機率也越大，在試片後方可利用環狀暗視野偵測器（40 mrad）。
l
原子序對比成像是目前最佳的解析度，可達0.2nm以下。且較不受到物鏡焦距與試片厚度的大小變化而影響。
（3）高解像型
TEM（high resolution transmission electron microscope；HRTEM）。
9-6-4
穿透式電子顯微鏡之特點與限制：
由於TEM具備超高解像能力,在一般影像觀察上即比其他分析工具優越許多,
而依實際操作時可放大的倍率範圍來看,TEM也具有相當大的彈性,應用到半導體材料研究。
◎TEM分析具有以下的優點：
1. 在形象觀察方面, 對材料有敏銳的分析力：
(1) 晶粒方向
(equi-axial/columnar/texture/epitaxial)。
(2) 同質異型結構
(amorphous Si/poly-Si/single crystalline Si)。
(3) 異質異型結構
(nitride/oxide/amorphous Si)。
(4) 同質同型結構
(BPSG/USG/SOG/thermal oxide)。
2. 原子結構的觀察--晶格影像：
3.
搭配試片基座的傾斜功能，可以進行結構性缺陷(structural defects)的特性分析:
(1)
離子佈值後的殘餘缺陷(residual defects by ion implantation)。
(2)
製程的損傷(process induced damage: over etch, subtrate loss)。
(3)
結構性加強的缺陷增長(structural enhanced defects multiplication: FOX/AAedge
defects)。
4. 藉著電子繞射圖樣分析，在試片觀察時擁有方向感(sense of wafer
orientation)可以確認：
(1) 晶體結構 (FCC, BCC, HCP, ...etc.)。
(2)
化學組成。
5. 在有限厚度內的多層次結構具有透視能力(see-through
capability)，能得到重疊影像--商用產品分析的逆向工程(reverse engineering)。
6.
配備冷卻/加熱/可變電性(cooling/ heating/ variable electrical
stressing)的試片基座，即可在顯微鏡內同步觀察材料結構的變化。
◎TEM分析也有其限制，缺點包括：
1.
試片的大小必須在3mm以下。
2. 基於電子束有限的穿透力，通常理想的觀察厚度在500-1000埃之間。
3.
試片製備的難度頗高，薄區有限。
4. 精準的定點觀察時，試片製備困難度高，成功率相對降低，例如:
(1)
晶粒邊緣封閉結構的研究(chip seealing)。
(2) 單一晶胞故障(single bit failure)的橫截面分析。
(3) 單一接觸窗(contact hole)的橫截面分析。
5.
與其他分析方法比較，TEM分析是一種破壞性分析。
9-6-5穿透式電子顯微鏡之應用:
主要的用途即在辨明各種訊號以作
晶體結構、微細組織、化學成份、化學鍵結和電子分佈情況分析。在材料科學上的應用，其中最顯著者有: (1)差排理論(dislocation
theory) 【9】 (2)機械性質(3)點缺陷(4)輻射損傷(radiation damage) (5)離子佈植(ion
implantation)(6)相變化(7)動力學研究(kinetic studies)(8)表面層結構 (9)界面結構【10】
(10)電子元件製程控制與失效分析(11)磁性(12)像對比理論【11】(13)非彈性散射理論(14)電子光學系統(15)表面位像
(surface topography)(16)微區域成份分析。
圖一：SEM與其它相關儀器之比較圖【1】。
圖二：SEM與光學顯微鏡之比較圖【1】。
圖
三：各種電子訊號產生之區域示意圖【1】。
圖四：SEM之基本構造圖【1】。
圖五：SEM之各部儀器結構圖【2】。
圖六：機械旋轉pump【2】。
圖七：油擴散pump【2】。
圖八：電子槍燈絲發射電子束之示意圖【2】。
圖九：IC、線寬量測、斷面、結構觀察【4】。
圖十：SEM之奈米碳管【5】。
圖十一：電子槍之示意圖【7】。
圖十二：基本
穿透式電子顯微鏡(TEM) 之結構圖【7】。
圖十三：STEM結構示意圖。
圖十四：明視與
暗視之示意圖【8】。
圖十五：入射電子偏折路徑之示意圖【8】。
9-7 結論
奈量測技術對於未來發展奈米科技的各項基礎及應用領域都具有關鍵性的重要地位。其中以掃描穿隧顯微鏡、原子力顯微鏡和近場光學顯微鏡等為奈米級量測的代表
性顯微技術工具。新的顯微技術除了具有原子級表面形狀量測，並可檢測多種奈米級表面特性如力學特性、電性、磁性、熱性等。其優點為儀器體積小、樣品無需特
殊處理、可在任何環境下進行測量。應用範圍廣泛包括：顏色分析(color
analysis)、光碟片與硬碟片品質檢測、半導體元件品質檢測、矽晶圓／玻璃基板／鋁基板之超精密表面粗糙度量測、掃瞄探針顯微加工及DNA修整與結
構驗證。新的顯微技術不僅可以幫助人們認識米世界，而且還可以用來操縱原子分子、製造奈米新的材料、進行奈米微影及微加工等，甚至可作為超高密度的資料儲
存技術研發工具。
近年來世界各國奈米技術的快速發展，奈米產品也相繼問世，主要歸功於奈米量測與操控技術的不斷開發，尤其對未來發展奈米
科技的各項基礎及應用領域都具有關鍵性的重要地位，因為奈米量測與操控技術，猶如人的雙眼及雙手般，能使研發人員運用這些工具來開發新結構、觀察新的現象
及拓展新的方向。因此當人們在享受奈米科技產品所帶來的好處時，理應涉獵有關奈米科技之相關訊息報導，對未來可能引發第四波工業革命的奈米技術應用產品，
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