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研究生： 戴信一
論文名稱： 氧化鎂與奈米鑽石微晶複合薄膜在鐵鎳合金上之二次電子產生率的研究
指導教授： 戴念華
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 材料科學工程學系
Materials Science and Engineering
論文出版年： 2006
畢業學年度： 94
語文別： 中文
論文頁數： 99
中文關鍵詞： 二次電子 、氧化鎂 、奈米鑽石微晶
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    • 摘要
    氧化鋁薄膜、氧化鎂薄膜、鑽石薄膜被廣泛的應用在工業界和學
    術的研究上，因為它們有不活潑、高穩定性、高電阻率的特性。
    而它們可應用在二次電子放大管中，又因為它們都具有相對高的
    二次電子放大係數，目前微結構技術的進步，dynodes 可做得非常細
    緻，所以可做出性能佳的光電倍增器，dynodes 的形狀可經過微影、
    蝕刻…等技術目前可做出不同形狀如三角錐狀(pyramid hole type)
    和歪斜狀(slanting hole type)
    的dynode，以讓電子擴大現象更明
    顯。
    基於奈米碳管顯示器的瓶頸，在於像素的亮度與發光源的均勻
    性，所以假如把dynodes 置於在電子源跟螢光幕之間，讓二次電子
    數目在多次撞擊 dynodes 後增加，而使分布範圍更為寬廣，因而讓
    像素變的比較亮比較均勻。
    本研究裝置一台二次電子放大係數量測系統，dynode(電子放大
    極板)材料為鐵鎳合金，將待測物鍍在dynode 片上，然後在二次電
    子放大係數量測系統做偵測，本研究的目的就是找出可以鍍在dynode
    片上，又有不錯的二次電子放大係數的材料，目前實驗出氧化鋁薄
    膜、氧化鎂薄膜、鑽石薄膜都有不錯的放大係數，而在表面層鍍上薄
    層導體Al，有克服電荷累積提升二次電子放大係數的現象。

    總目錄 頁次 摘要......................................................I 誌謝.....................................................II 總目錄..................................................III 圖表目錄...............................................VIII 第一章 緒論...............................................1 1.1 簡介...............................................1 1.2 二次電子放大係數...................................2 1.3 二次電子能量的分布.................................2 1.4 金屬與絕緣體二次電子的差別.........................3 1.5 主電子束垂直入射靶材與二次電子的分布之關係.........3 1.6 二次電子產生率的影響因子...........................3 1.6.1 入射電子束的能量.............................3 1.6.2 靶材.........................................4 1.6.3 入射電子束的入射角...........................4 1.6.4 溫度.........................................4 1.6.5 電子束撞擊對二次電子產生率的改變.............5 1.6.6 二次電子速度的回應...........................5 1.6.7 二次電子的穿透...............................5 1.6.8 場加強發射...................................6 1.6.9 二次電子脫逃縱深.............................6 1.7 二次電子的量測方法.................................7 1.7.1 Burinig type 二極體法........................7 1.7.2 歐傑光譜儀法.................................7 1.7.3 電子微探針儀法...............................8 1.8 材料的二次電子產生率...............................9 1.9 二次電子的應用.....................................9 1.9.1 奈米碳管平面顯示器的應用......................9 1.9.2 電子倍增管X 光的偵測器的應用.................11 1.9.3 電子檢測器的應用.............................12 第二章 文獻回顧..........................................21 2.1 氧化鋁的二次電子放大係數..........................21 2.2 氧化鎂的二次電子放大係數..........................22 2.3 鑽石薄膜的二次電子放大係數........................22 2.4 中間介層對鑽石薄膜二次電子放大係數的影響..........24 2.5 鑽石鬚晶結構抑制二次電子放大係數..................24 2.6 表面處理對二次電子放大係數的影響..................26 2.7 二次電子產生機制..................................27 第三章 組裝二次電子量測系統儀器..........................37 3.1 組裝二次電子量測系統..............................37 第四章 二次電子的量測結果與討論..........................49 4.1 第1 組試片:Dynode 材料的表面處理...................49 4.1.1 第1 組試片的處理............................49 4.1.2 Dynode FeNi 基版的AFM 與SEM 圖...............49 4.1.3 第1 組試片的二次電子量測....................50 4.2 第2 組試片:在FeNi 表面鍍鋁膜並探討在空氣中加熱氧化對 二次電子影響.....................................50 4.2.1 第2 組試片的處理............................50 4.2.2 第2 組試片的SEM 和EDS 圖....................50 4.2.3 第2 組試片的二次電子量測....................51 4.3 第3 組試片Al2O3 鍍層膜厚對二次電子影響.............51 4.3.1 第3 組試片的準備............................51 4.3.2 第3 組試片的X-ray...........................51 4.3.3 第3 組試片的二次電子量測....................52 4.4 第4 組試片MgO 鍍層膜厚對二次電子影響..............52 4.4.1 第4 組試片的準備............................52 4.4.2 第4 組試片的X-ray..........................53 4.4.3 第4 組試片的二次電子量測....................53 4.5 第5 組試片先鍍Mo 再鍍MgO 對二次電子的影響..........53 4.5.1 第5 組試片的準備............................54 4.5.2 第5 組試片的X-ray...........................54 4.5.3 第5 組試片的二次電子量測....................54 4.6 第6 組試片:Al2O3 熱處理改變表面對二次電子的影響......55 4.6.1 第6 組試片的準備............................55 4.6.2 第6 組試片的二次電子量測....................55 4.7 第7 組試片MgO 熱處理改變表面對二次電子的影響.......55 4.7.1 第7 組試片的準備............................55 4.7.2 第7 組試片的X-ray...........................56 4.7.3 第7 組試片的二次電子量測....................56 4.8 第8 組試片:奈米鑽石微晶薄膜.................../....56 4.8.1 第8 組試片的製程............................56 4.8.2 第8 組試片的Raman...........................57 4.8.3 第8 組試片的二次電子量測....................57 4.9 第9 組試片:奈米鑽石微晶薄膜鍍在FeNi................58 4.9.1 第9 組試片的製程............................58 4.9.2 第9 組試片的二次電子量測....................59 4.10 第10 組試片:在MgO 薄膜上鍍一層Al 薄膜導體的影響...59 4.10.1 第10 組試片的製程.........................59 4.10.2 第10 組試片的二次電子量測.................60 4.11 第11 組試片:在奈米鑽石微晶薄膜上鍍一層Al 薄膜導體的影 響................................................60 4.11.1 第11 組試片的製程.........................60 4.11.2 第11 組試片的二次電子量測.................61 第五章 結論.............................................90 第六章 References.......................................96 圖表目錄 頁次 表1.1 純元素的二次電子產生率的表.........................13 表1.2 化合物二次電子產生率的情況.........................15 圖1-1 二次電子的能量分布圖主電子束能量185 eV............16 圖1-2 二次電子能量分布圖HW 為半高寬......................16 圖1-3 多晶靶材二次電子的量與角度的關係圖.................16 圖1-4 入射電子的能量跟二次電子產生率的關係圖.............17 圖1-5 電子脫逃縱深關係圖.................................17 圖1-6 Bruinig type 二極體量測圖示.........................17 圖1-7 歐傑光譜儀量測圖示................................18 圖1-8 電子微探針儀法.....................................18 圖1-9 韓國三星公司所發表CNT-FED 之原型機.................18 圖1-10 dynodes 產生二次電子對一各像素的電子分布圖........19 圖1-11 電子擴大管的操作示意圖............................19 圖1-12(a)複級電子倍増器..................................20 圖1-12(b)電子倍増管......................................20 圖2-1 SEM 圖(a)未蝕刻的試片(b)蝕刻30 分的試片(c)蝕刻50 分的 試片.....................................................31 圖2-2 (a)低能量電子數轟擊鬚晶時的模型 (b) 低能量電子數轟擊 鬚晶時的模型.............................................31 圖2-3 鑽石薄膜表面處理對放大係數變化比較.................31 圖2-4 鑽石薄膜二次電子放大係數跟時間的關係...............32 圖2-5 鑽石薄膜暴露在氫一小時的二次電子比較圖.............32 圖2-6 鑽石薄膜暴露在氫氣氛的二次電子放大係數圖...........32 圖2-7 鑽石薄膜退火處理的二次電子放大係數圖...............33 圖2-8 類石墨結構的鑽石薄膜的放大係數圖...................33 圖2-9 鑽石薄膜表面鍵結氫跟脫氫的二次電子係數比較圖.......34 圖2-10 電子束轟擊到試片的電荷分佈圖......................34 圖2-11 電子束轟擊到試片的電場分佈圖......................34 圖2-12 電子束轟擊到試片產生二次電子個數分佈圖............35 圖2-13 電子束轟擊到試片吸引下來二次電子個數分佈圖........35 圖2-14 最大的入射深度跟產生二次電子的關係圖..............36 圖2-15 Si 基板上鍍上MgO 主電子束轟擊的示意圖.............36 圖2-16 缺陷能階捕捉二次電子的示意圖......................36 表3.1 奈米微晶薄膜試片的二次電子放大係數測量data........42 圖3-1 二次電子量測系統...................................43 圖3-2 二次電子量測系統的實際設備.........................43 圖3-3(a)試片承載台跟試片裝置圖3-3(b) 試片承載台軸跟電子槍 軸距.....................................................44 圖3-4 試片承載台的真實裝置...............................44 圖3-5 石墨電子收集器的結構的剖視示意圖...................45 圖3-6 石墨電子收集器的真實結構...........................45 圖3-7 真實電子槍.........................................46 圖3-8 二次電子量測系統量測示意圖.........................46 圖3-9 電子束模擬.........................................47 圖3-10 二次電子量測系統量測實際狀況......................47 圖3-11 電子束打到螢光粉的亮點............................48 圖3-12 奈米微晶薄膜試片二次電子放大係數測量..............48 圖3-13 電子束打到試片電子流的流向........................48 表4.1 拋光的處理參數.....................................62 表4.2 第2 組試片的參數...................................62 表4.3 第3 組試片的參數...................................62 表4.4 第4 組試片的參數...................................63 表4.5 第5 組試片先鍍150 nm Mo 的參數.....................63 表4.6 第5 組試片後鍍150 nm MgO 的參數....................63 表4.7 第6 組試片先鍍150 nm Al2O3 的參數....................63 表4.8 第7 組試片先鍍150 nm MgO 的參數....................64 表4.9 第8 組試片Si 基板預先處理程序參數..................64 表4.10 第8 組試片成長奈米鑽石微晶薄膜參數................64 表4.11 為鍍200 nm Mo 的參數..............................64 表4.12 為鍍奈米鑽石微晶薄膜的參數........................64 表4.13 鍍薄層Al 的參數...................................65 圖4-1 拋光流程...........................................66 圖4-2 FeNi 基材的AFM.....................................66 圖4-3 FeNi 基板的SEM(a) X1000(b) X10000..................67 圖4-4 FeNi 基板拋光20 min 的SEM(a) X1000(b) X10000.......67 圖4-5 FeNi 基板拋光40 min 的SEM(a) X1000(b) X10000.......67 圖4-6 第1 組試片的二次電子放大係數.......................68 圖4-7 FeNi 基板鍍Al340 nm 的SEM(a) X10000(b) X50000......68 圖4-8 FeNi 基板鍍Al340 nm 加熱30 分的SEM(a) X10000(b) X50000 .........................................................68 圖4-9 FeNi 基板鍍Al340 nm 加熱60 分的SEM(a) X10000(b) X50000 .........................................................69 圖4-10 340nmAl/FeNi 的EDS 圖.............................69 圖4-11 340nmAl/FeNi 500℃加熱60min 的EDS 圖..............69 圖4-12 第2 組試片的二次電子放大係數......................70 圖4-13 50 nm Al2O3/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X10000............70 圖4-14 100 nm Al2O3/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X10000...........70 圖4-15 150 nm Al2O3/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X10000...........71 圖4-16 150 nm Al2O3/FeNi 的EDS............................71 圖4-17 第3 組試片的X-ray................................72 圖4-18 第3 組試片的二次電子放大係數測量..................72 圖4-19 濺鍍系統..........................................73 圖4-20 MgO 鍍1 小時的膜厚40 nm...........................73 圖4-21 50 nm MgO/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X50000.............74 圖4-22 100 nm MgO/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X50000............74 圖4-23 150 nm MgO/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X50000............75 圖4-24 150 nm MgO/FeNi 的EDS.............................75 圖4-25 第4 組試片的X-ray.................................76 圖4-26 第4 組試片的二次電子放大係數......................76 圖4-27 150 nm Mo/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X10000.............77 圖4-28 150 nm MgO/150 nm Mo/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X10000..77 圖4-29 150 nm MgO/150 nm Mo/FeNi 的X50000 SEM............78 圖4-30 第5 組試片的X-ray................................78 圖4-31 Mo 的晶相.........................................78 圖4-32 第5 組試片的二次電子放大係數......................79 圖4-33 150 nm Al2O3/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X10000...........79 圖4-34 150 nm Al2O3/FeNi 加熱 450℃30 minSEM(a)X1000(b)X10000 .........................................................80 圖4-35 第6 組試片的二次電子放大係數測量..................80 圖4-36 150 nm MgO/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X50000............81 圖4-37 150 nm MgO/FeNi 加熱 450℃ 60 minSEM(a)X1000(b)X50000 .........................................................81 圖4-38 150 nm MgO/FeNi 加熱 450℃ 120minSEM(a)X1000(b)X100000 .........................................................81 圖4-39 第7 組試片的X-ray 圖..............................82 圖4-40 第7 組試片的二次電子放大係數......................82 圖4-41 奈米鑽石微晶薄膜X10000 的SEM.....................83 圖4-42 奈米鑽石微晶薄膜X100000 的SEM....................83 圖4-43 奈米鑽石微晶薄膜X50000 的cross-section SEM........84 圖4-44 第8 組試片的Raman.................................84 圖4-45 第8 組試片的二次電子放大係數測量..................85 圖4-46 50 nm UNCD/200 nm Mo/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X100000..85 圖4-47 100 nm UNCD/200 nm Mo/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X100000 .........................................................86 圖4-48 500 nm UNCD/200 nm Mo/FeNi 的SEM(a)X1000(b)X100000 .........................................................86 圖4-49 500 nm UNCD/200 nm Mo/FeNi 的cross-section SEM X50000 .........................................................86 圖4-50 50 nm UNCD/200 nm Mo/FeNi 的EDS...................87 圖4-51 50 nm UNCD/200 nm Mo/FeNi 裂膜EDS.................87 圖4-52 第9 組試片的二次電子放大係數測量..................88 圖4-53 第10 組試片的二次電子放大係數測量.................88 圖4-54 第11 組試片的二次電子放大係數測量.................89 表6.1 二次電子量測系統所量測的放大係數...................94

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