3-1 樣品來源及製作流程
本論文所使用的 ITO 奈米線是由清華大學開執中教授與陳福榮教授所提供。
奈米線是先利用 VLS 機制成長 In2O3奈米線後，再以加速器作離子佈植，將錫離 子摻雜到 In2O3奈米線中。利用 X-ray diffraction (XRD, Mac Science MXP-18) 和 high-resolution transmission electron microscopy (TEM,JEM-2010FX)，
我們知道成長的 In2O3奈米線結構是 cubic bixbyite 結構，為完美的單晶結構且 成長方向為[100]。由 Energy dispersive x-ray spectroscopy(EDS,JOEL JEM-2010)和 Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry (ICP-OES Perkin Elmer Optima-3000DV)可知 Sn/In 的重量比約為 4.4%。[21]
要量測奈米線電性，必頇連接奈米等級的金屬電極作，才能進行量測。我們 利用光微影技術搭配電子束微影技術來製作金屬電極，之後金屬電極再以銀膠接 接銅線作量測。金屬電極是先以光微影技術在基板上製作大電極(圖 3-2、圖 3-3)，
再把長有奈米線的基板放在氧化層的矽基上輕壓，奈米線就會因為凡徳瓦力附著 在矽基板上(圖 3-3)。最後利用電子束微影技術，鍍上小電極連接奈米線與大電 極，就完成樣品的製作(圖 3-4、圖 3-5)。
圖 3-1 光微影鍍上的大電極圖案
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圖 3-2 光微影鍍上大電極並灑上奈米線後的電子顯微鏡照片
圖 3-3 電子束微影鍍上小電極後的結果 圖 3-4 小電極壓在奈米線上的結果
3-1-1 光微影
我們把市面上買到的矽晶圓洗淨後，成長 500nm 的氧化層當作絕緣層，再 送到交大奈米中心，以光微影技術曝光出圖(3-1)的圖案，之後以蒸鍍機先鍍上 10nm 的鈦與在鍍上 60nm 的金當作電極。鈦的功用是當作黏著劑，因為金與 SiO2 黏著力不好，而鈦對兩種材質都有很好的黏著力。最後再以丙酮舉離，就可以得 到我們想要的大電極圖案(圖 3-2、圖 3-3)。
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圖 3-5 光微影技術流程
3-1-2 電子束微影
電子束微影原理和光微影原理一樣，只是光阻劑改成電子阻劑 PMMA，而曝 光過程，直接以程式控制電子束掃出希望的圖案即可。這套系統是架設在熱游離 式電子顯微鏡(electron scanning microscopy, SEM)由於電子的波長相較於光 的波長小很多，相較於光微影比較不會有繞射的情況，所以有更好的解析度，但 是缺點是電子束微影需要電子束在設計的圖案上慢慢掃過，所以比光微影要花費 更長的時間曝光。
顯影液
4.鍍膜
光罩
2.曝光 1.塗佈光阻劑
光阻劑 Si wafer
SiO2
3.顯影
5.舉離
丙酮
6.完成
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3-1-3 掃描式電子顯微鏡
掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscopy, SEM)主要是由電子槍、電 子鏡柱、真空系統、腔體偵測系統、顯示及紀錄系統所組成如圖 3-6 。 求。由旋轉幫浦(Rotary Pump)及真空擴散幫浦(diffusion Pump)組成，真空度 可達 10-6torr。此系統清潔與否直接影響到整個系統的真空度，故需經常保持這 部份之清潔，使用時任何可能污染的 sample 都不得進入，也需要定期維護保養。
˙腔體及偵測系統
腔體內需密閉並維持良好的真空度，以利電子束照射樣品。樣品置放作台有 外控之水帄、垂直、旋轉、高低之調整鈕。這裡可以增加偵測器或其他特殊功能 之組件如：EDS、 EWDS、CL、E-Beam writer。電子束照射樣品所產生之反應訊 號，可裝置不同偵測器檢收，我們常用的為：二次電子偵測器，背像散射電子偵
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表面的二次電子被擊出時，其能量約 < 50eV。由於是低能量電子，所以只 有在距離試片表面約 50~500 埃深度範圍內所產生之二次電子，才有機會逃離試 片表面而被偵測到。由於二次電子產生的數量，會受到試片表面起伏狀況影響，
所以二次電子影像可以觀察出試片表面之形貌特徵。
當二次電子脫離試片表面時，二次電子偵測器(E-T detector)表面上的金屬 網會通以 250V 正電壓，藉以吸引二次電子進入偵測器內撞擊閃爍器。因為閃爍 器上含有 Eu 可將電子轉換成光子，這些光子經過光電倍增導管傳送並轉換放大 成電子脈衝訊號(約放大 105-106倍)後再經 PC 處理後顯示在螢幕上，即完成二 次電子成像。
圖 3-6 電子顯微鏡示意圖。結構主要分成：
1. 電子槍 2. 電子鏡柱 3. 真空系統 4. 腔體 5. 偵測系統 6. 顯示及記錄系統
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3-1-4 電子鎗蒸鍍系統
電子鎗蒸鍍系統是物理氣相沉積的一種，藉由電子束加熱固態材料使其氣化，
然後再使蒸氣在基板表面上凝結，形成固態的薄膜。我們利用電子鎗蒸鍍系統，
在樣品上連續鍍上鈦和金的薄膜當作電極。電子鎗蒸鍍系統的基本構造如下：
圖 3-7 電子鎗蒸鍍系統的基本構造
蒸鍍前我們必頇以丙酮酒精仔細清潔腔體，以確保蒸鍍的過程中，不會有太 多雜質從腔體逸散出來，影響鍍膜的品質。另外為了鍍膜品質，腔體必頇維持在 高真空(2x10-6 torr)的條件，為了維持這樣的真空度，抽氣端必頇以機械幫浦串 接渦輪幫浦。
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3-2 量測方法與低溫量測技術介紹 3-2-1 四點量測
一般量測電阻都是用兩點量測，這樣的方法對於精密量測存在很大的問題。
兩點量測得到的電阻會包含導線電阻與接點電阻，導線電阻對於小電阻的量測時，
是不能忽略的，而低溫下接點電阻會隨著溫度降低而急遽上升，有些樣品的接點 電阻甚至可達 MΩ 等級。我們就採用四點量測的方法來避開問題(圖 3-8)，透過 這樣的量測方法，就能量到樣品真正的電阻值。
圖 3-8 四點量測接法示意圖
圖中是送 I 量 V 的四點量測，由於流經電壓計的 Sense Current 甚小，所以 VM=VR，又 Test Current>>Sense Current，電流計所顯示的電流，約等於實際流 過樣品的電流，因此待測的樣品電阻就會等於 VM/I。
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3-2-2 雜訊隔離
對於樣品作精密量測，我們常使用很小電流、電壓作測量，因此所得到的訊 號也會很小，這時候外界的雜訊和訊號比較，是不能被忽略的，我們必頇把外界 的雜訊隔離，才能得到乾淨的數據。此外，對於敏感的樣品，外界的雜訊干擾也 有可能會影響樣品的特性，這我們也要特別注意。以下介紹雜訊的來源，以及如 何有效地隔絕雜訊。
1. 量測儀器配有獨立的不斷電系統(Uninterruptible Power Supply, UPS) 其電源波形和原先電力公司送來的不同，且 UPS 有濾波的功能，相較於電力
公司，他能提供很穩定的電源。然而 UPS 帄常為開啟充電的狀態，但是在實 驗的過程，此電池為一強大的雜訊源，因此我們在實驗過程中，會將此 UPS 改 為不充電狀態。
2. 注意實驗室中與量測系統共用相同接地的儀器
當很多儀器共用相同的接地時，會在地下形成一個迴路（Ground loop）， 造成每個儀器互相干擾，尤其是在儀器剛開啟時的突波更為明顯。其中頻率 相近的電表也開著的時候，對訊號也有一定程度的干擾，所以在量測的過程 中，頇避免這些儀器的影響。
3. 注意元件製程的細節並確定樣品與儀器的接觸良好
雜訊的來源有時來自電子隨機被某些散射點散射所導致，所以在製程中要注 意製程的環境是否乾淨，避免雜質進到元件裡，譬如蒸鍍過程中的真空度夠 低、鍍電極前是否清除乾淨。此外，樣品與儀器的接觸包含了樣品和銅線間 的銀膠還有銅線和樣品座的接觸是否牢固。
4. 外界電磁波的干擾
通常來自日常生活的環境和實驗室中某些儀器所產生，良好的接地並且將量 測儀器屏蔽起來有助於防止這類的雜訊干擾。
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5. 使用雜訊隔離器（Isolator）
在電表和溫控計連接到電腦之間，使用雜訊隔離器 ISO488，利用光學訊號來 代替電表與電腦之間傳遞的訊號，防止電腦的電子訊號對電路有所干擾，消 除接地迴路的產生，此外還能濾掉較高頻的雜訊。
3-2-3 靜電防護
由於我們量測的奈米線，相較於一般導線是相當脆弱的，一般人體產生得靜 電就足以燒毀奈米線，所以從製作樣品到量測過程都必頇作好靜電防護，以保護 樣品。
以下列出我們常做的防護措施：
1.實驗全程佩帶靜電手環，隨時將身上的電荷導掉。
2.任何探針或電表在接上樣品之前頇先接地，避免可能累積的電荷進入，尤其是 尖狀的物品特別容易有電荷的累積。
3.樣品製作完成後的基板，放在導電的樣品盒內，整個盒子中等電位，且不容易 有電荷的累積。
4.儀器所使用的任何接頭插拔時不可太快，避免可能因摩擦產生的電荷影響。
5.實驗過程中，將樣品的外殼接地，導掉可能累積的電荷。
6.任何電表在測量先都先開好，避免測量開始時產生的突波進入樣品。
3-3 低溫致冷器與降溫原理
低溫致冷器依照不同的原理與設計方式，可以達到不同的降溫條件。我們使 用的是 Oxford 公司的3He cryostats，型號是 HelioxVL，3He cryostats 的特色 是，利用密閉式的3He 輔助液態氦(4He)，作降溫的動作，可以比一般單純使用4He 的 cryostats 降到更低的溫度。接著先介紹 HelioxVL 的結構，然後介紹降溫的 過程。最後再加上超導磁鐵的介紹。
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3-3-1 HelioxVL 結構說明
如圖 3-16 所示，HelioxVL 基本形體為一長管狀，主要構造分為三個部分，
第一部分位於儀器最上方，如圖 3-16 的Ａ段，包含存放3He 的3He dump 及其上 方的針閥電動馬達、超導磁鐵電極、訊號線接頭、1K plate pumping line and valve、IVC pumping line and valve。
第二部分在儀器的中間，如圖 3-16 的Ｂ段，外觀為中空的不鏽鋼管，內部 連結了第一段到第三段的訊號線。此部分的長度甚長，和外殼為不鏽鋼，都有一 樣的原因︰減少到 IVC 的熱源。當此低溫儀浸入液態氦時，Ａ部分還是在室溫 300 K，300 K 的熱會由導線傳到樣品，若此導線從 300 K 到樣品所走的路徑很 長，那麼熱阻就會變大，其導熱和導電都不容易，因此Ｂ部分以不鏽鋼做外殼也 可減少 IVC 的熱源。
第三部分在儀器的最下方，如圖 3-16 的Ｃ，此為一個腔體，我們稱它 IVC
（Inner Vacuum Chamber），控制 C 部分抽氣的閥門、測量樣品的電子訊號、磁 鐵的電流輸入端…等，即此低溫儀對外的接點皆位於Ａ部分。拆下 IVC 後就是核 心的部分(如圖 3-16 右)，其中有3He sorb、3He pot、1K plate、樣品座、五顆 溫度計及 3 顆加熱器，IVC 封上後會有一根不鏽鋼管路在外頭，為 1K plate 管 路，它的功用是將外面的液氦抽進 IVC 內的管路，管子末端接到針閥（needle valve）且可以由Ａ區的步進馬達控制針閥的大小，也就是控制液氦進出的量，
（Inner Vacuum Chamber），控制 C 部分抽氣的閥門、測量樣品的電子訊號、磁 鐵的電流輸入端…等，即此低溫儀對外的接點皆位於Ａ部分。拆下 IVC 後就是核 心的部分(如圖 3-16 右)，其中有3He sorb、3He pot、1K plate、樣品座、五顆 溫度計及 3 顆加熱器，IVC 封上後會有一根不鏽鋼管路在外頭，為 1K plate 管 路，它的功用是將外面的液氦抽進 IVC 內的管路，管子末端接到針閥（needle valve）且可以由Ａ區的步進馬達控制針閥的大小，也就是控制液氦進出的量，