元件製備儀器

本節介紹實驗所需的儀器，樣品表面形貌的掃描式電子顯微鏡以及熱蒸鍍系統以 及量測系統。

4.1.1 掃描式電子顯微鏡(Scanning electron

microscope,SEM)

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熱游離式，顧名思義是由熱能使電子游離來產生電子源，常見燈絲材料:鎢絲、六 硼化鑭。

以鎢絲來說，鎢是熔點最高的金屬達到 3415℃，而另一優點是蒸汽壓不高，且 真空度要求不高，僅十萬分之一 Torr 的壓力下即可操作，美中不足的地方在於約 1700℃更高溫度下鎢絲會再結晶而產生晶粒易使燈絲變脆，且使用中燈絲的直徑 會隨著鎢絲的蒸發而變小，鎢的功函數約為 4.5eV 比六硼化鑭(LaB6)2.4eV 還 高，因此鎢絲需要更高的溫度(2700K)來達到操作溫度。

六硼化鑭(LaB6)燈絲的功函數較鎢絲為低，因此相同的電流密度，使用六硼化鑭 只要在 1500K 即可工作，而且亮度更高，使用壽命上比鎢絲高。缺點在於六硼化 鑭高溫下活性很強，必須操作在良好的真空環境下，因此儀器價錢較高。

圖 4.1 掃描式電子顯微鏡 JSM-6380 結構示意圖

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場發射式電子槍則比鎢燈絲和六硼化鑭燈絲的亮度又分別高出 10 - 100 倍，同時 電子能量散佈僅為 0.2 - 0.3 eV，所以目前高解析度掃描式電子顯微鏡都採用場發 射式電子槍，可解析到 1nm 以下。

4.1.2 高溫加熱爐 (Annealing system)

高溫加熱爐為 Lindberg 公司 1100 度管型爐，高溫加熱爐系統主要由三部分組 成，玻璃石英管、高溫加熱爐、真空系統，玻璃石英管在高溫下不易溶化，而高 溫加熱爐下方的石棉可均勻傳導熱能，真空系統由粗抽的機械幫補，以及渦輪提 供高真空環境，工作原理使樣品保持真空環境下加熱，真空可確保不與外界空氣 交互作用。在製作奈米線過程中，會使用真空高溫爐進行熱退火動作，這個製程 步驟有兩個目的

一、可以將樣品上的雜質氣化掉，來增加奈米線的導電性

二、來高溫環境下奈米線中晶體結構有機會重組來降低晶體中的缺陷。

4.1.3 電子束微影技術(Electron Beam Lithography，

EBL)

一般光學微影受限於光波長所導致的繞射極限，而電子束微影的波長可提供一較 好的解析度，因此可將線寬製程往下推向 1xnm。利用電子顯微鏡中的加速電 壓，對 Wafer 直接進行曝光，這種方式不同於需先作好光罩在隔著光罩對樣品曝 光，因此可直接跳過此步驟，缺點是因為每一次都必須逐一對目標進行曝寫所以 花費時間較長，而電子曝寫到阻劑中有可能會因在內部散射，造成散射效應，或 者因線寬過窄因干涉效應及鄰近效應，引起曝光區域失真。

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4.1.4 熱蒸鍍機(Thermal evaporator)

本實驗使用熱蒸鍍來製作為微電極，利用真空環境下高電流通過鎢舟產生高熱來 加熱靶材，使靶材的蒸發成氣體，氣體分子接觸到上方基板後凝結成薄膜，這其 中無須經過化學反應，只有相變化稱為物理氣相沉積(PVD)，因蒸鍍過程中為了 避免大氣與高溫鎢舟產生反應，因此需在高真空環境下，本實驗室的真空環境由 前級機械幫浦以及後級擴散幫浦，

由於擴散幫浦的真空原理為加熱真空油，高溫則真空油的分子具有高速度的運動 速度，因此擴散幫浦都會有一加熱器。透過擴散幫浦的底部加熱器，真空油被煮 沸後隨著蒸氣壓往內部煙囪跑，到頂部後由噴嘴噴出，到幫浦內部會形成液態回 流到底部，而為了使真空油容易凝結成液體，在儀器上方都會安裝水路冷卻，另 一個值得提出的問題是真空油回流的問題，為了避免回流儀器都會附帶一個 baffle 組件置於擴散幫浦上方即可將油氣擋下，另外加裝 cold trap 可以避免當油 氣吸附到 cold trap 內部時可以立即凝結下來，即可避免油分子到達內部。

圖 4.2 擴散幫浦示意圖

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4.1.5 低溫致冷器變溫系統

低溫致冷器為控制樣品溫度並量測電性的系統，基本工作原理為將整個系統外側 放在低溫環境中，並在系統內側放置樣品與加熱器，藉由輻射的方式來達到熱平 衡，其中樣品透過訊號線連接到外部電性量測系統。量測時低溫環境一般為液氮 裝放在杜耳瓶內，而外部溫度控制器連接到內部加熱器進行控溫，首先透過渦輪 幫浦抽外層至高真空，如此可避免系統外側透過直接傳導或對流的方式對內側降 溫，造成加熱器無法對樣品提供足夠的熱能，而無法平衡溫度在控制的位置，內 層由加熱器控制輸出功率來與外界冷源形成穩定動態平衡，內外層的溫定穩定情 況下進行電性量測，一般由室溫 300K 量到 80K。

圖 4.3 低溫致冷器圖

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