傳統微米捲管製程

傳統微米捲管製程以光學微影(Optical lithography) 定義矩形檯面(mesa)圖 案，並以硫酸：雙氧水：水 = 1：8：80 溶液來蝕刻，使得下方 AlAs 犧牲層露 出，接著浸泡入氫氟酸(Hydrofluoric acid, HF) 溶液中，發生選擇性蝕刻以達到自 發捲曲的效果。

實驗結果符合理論[11] 預測，不論矩形 mesa 定義的方向為何，微米捲管都 是沿<100> 方向捲起，不過為了之後的研究，必須得到如蛋捲般均勻又多圈的 微米捲管，所以選擇將矩形mesa 沿著<100> 方向蝕刻，也就是與 GaAs (100) 基 板的平邊相夾45 度角，之後的實驗皆為如此。我們更發現沿著<100> 方向的矩 形 mesa，長寬比愈大，越傾向自二個長邊捲起，反之，對於沿著<100> 方向的 正方形mesa 而言，微米捲管陷入兩難情況，成功率極低。

關於選擇性蝕刻，測試了許多不同濃度的HF 溶液，自 50%到 5% 等不同濃 度的HF 溶液，由實驗結果發現使用 10% HF 溶液，捲管形成的成功率最高，溶 液濃度太濃或太稀都不利於成功率的增進，再參考一些文獻[16] 後，選擇 10%

HF 溶液作為此研究的不變變因。此外，文獻中建議於 HF 溶液選擇性蝕刻 AlAs 犧牲層時，添加表面活性去泡劑( Surfactant and antifoaming agent) [17][18] 於 HF 溶液中，能讓蝕刻的過程更順利進行，使蝕刻終點較晚達到。因為添加劑會連同 HF 溶液抵達 AlAs 層，能將蝕刻後的生成物帶走，特別是會阻礙蝕刻劑流入和 蝕刻生成物移除的氫氣。

研究中使用的表面活性去泡劑為Benzalkonium chloride，簡稱 BKC；其中文 名稱為氯化苯二甲烴銨，簡稱四級胺，化學結構式如圖4.2.2.1。於 HF 水溶液中 加入少量BKC 後，使得蝕刻速率大幅降低，緩和的蝕刻將有助於多圈的捲管形 成。此外，AlAs 選擇性蝕刻速率與時間並非線性關係，影響蝕刻速率的因素相 當複雜且多元，推測與起始短邊寬度、雙層應變薄膜厚度、內建初始應力和薄膜 品質等因素有關。

為改善微米捲管形成的成功率，於是著手設計不同的光罩圖案，首先，如圖 4.2.1.2，為夾角 45 度的平行四邊形 mesa 製作微米捲管，平行四邊形的長邊沿著

<100>方向，短斜邊沿著<110>方向，實驗結果發現沿著<110>方向的斜邊完全不 會捲起，並得到成功率極高的微米捲管。

接著，為使用雙內凹圓弧長直mesa 來製作微米捲管，圖 4.2.1.3，得到高成 功率又表面平滑、均勻的微米捲管，此外，位於雙內凹圓弧二端的捲管層層分明，

而且被中間部分撐起，與GaAs 基板沒有接觸，此結構能應用於光性量測與分析 研究每一捲層的物理特性。

圖4.2.1.1 表面活性去泡劑的化學結構式

圖4.2.1.3 雙內凹圓弧長直 mesa 製作微米捲管【樣品 Lm4848】

(a)光罩圖案 (b)和(c) 不同倍率下光學顯微鏡圖 (d)SEM 圖

(a) (b)

(c) (d)

(b)

圖4.2.1.2 平行四邊形 mesa 製作微米捲管【樣品 Lm4848】

(a)光學顯微鏡圖 (b) SEM 圖

(a)

最後，垂直相鄰的二個 mesa 同時自邊緣捲起，利用 mesa 設計的小巧思產 生了捲起過程中些微時間差，使得其中一根微米捲管重疊於另一根微米捲管上，

形成特殊的十字交叉結構，如圖4.2.1.4，我們更發現，即使二根微米捲管已互相 重疊，捲的過程卻仍持續進行，絲毫不受彼此的限制，且不損傷自身結構。可想 而知，上下二根微米捲管的軸向各處，都受到不同程度的壓縮和形變，能加以分 析研究應變量和光學性質，甚至令人好奇的是，一根微米捲管到底能承受多大的 壓力而不損壞。

圖4.2.1.4 垂直相鄰 mesa 製作十字形微米捲管組【樣品 Lm4848】

(a)和(b)光罩圖案，箭號為捲起方向，圓圈部分為微米捲管抬起微米捲管的 發生處 (c)為光學顯微鏡圖 (d)為 SEM 圖

(a) (b)

(c) (d)

此外，微米捲管形成之後，若受到適當的外力作用，將使得微米捲管彎曲變 形，如圖4.2.1.5，但微米捲管的整體卻不斷裂，可看出微米捲管本體具有非常出 色承受外力的能耐。圖4.2.1.6 為特殊設計的 mesa 圖案形成的微米捲管，圖 4.2.1.6 (a)為四葉幸運草形圖案，圖(b)為扁舟形圖案，其中扁舟形 mesa 圖案產生了圓弧 狀微米捲管，而且並無斷裂的情況，再次驗證了微米捲管超強可塑性的優勢。若 將以上特殊形態的微米捲管組加以發展，將大有可為，其可能用途為微量溶液的 容器、承載微生物的載具或是曲道的微流量管等。

圖4.2.1.6 特殊 mesa 圖案形成之微米捲管【樣品 Lm4892】

(a)幸運草形 (b)扁舟形

(a) (b)

圖4.2.1.5 外力作用而形變的微米捲管【樣品 Lm4848】 (a)翹起(b)傾倒

(a) (b)