實驗技術與原理

對(electron-hole pairs)形成的結合放光機制【22】。光電元件的操作多數都 以電子電洞對的形成(generation)與復合(recombination)為基礎，電子電洞對

結合放光的機制，一般而言可分輻射放射(radiation)和非輻射放射 (non-radiation)兩種方式。在非輻射放射的放光過程中，因為結合而釋放出 的多餘能量通常以聲子(phonon)或是熱的形式消失；而在輻射性的過程中，

多餘能量則是藉光子的形式消散，而且通常此光子能量會等同於能隙大 小，利用E=hν 公式，即可推算出樣品之能隙。而材料內含的雜質及缺陷會

在能隙中形成各種能階，而其對應能量會由輻射再復合過程產生放射或是 經由非輻射再復合過程產生吸收。

光激螢光(Photoluminescence)光譜使我們可以快速分析材料中能階結構 與載子躍遷的行為，從光激螢光光譜的特徵可分辨材料的摻雜雜質成分、

晶格缺陷、計算材料能階大小、分析奈米結構中載子傳輸路徑與生命週期 等。若搭配適當激發光源、準確的光譜儀器、快速精準的光偵測器及樣品 掃描系統等，將會讓螢光光譜量測技術成為研究半導體材料非常有力的方 法。

圖2-1 光激螢光的機制

2-2 共軛焦顯微量測系統

共軛焦，指的是顯微鏡物鏡(Objective lens)的焦點和收光鏡(collector lens)的焦點，兩者的焦點位置相互對稱，使得兩個焦點有共軛的關係，因 此被稱作共軛焦顯微鏡(Confocal Microscopy)。

在1955年終於由美國數學家兼電腦科學家的Marvin Minsky 所發明的 共焦掃瞄顯微鏡(Confocal scanning microscope)，其特色在於透過「共焦」

的理論可以有效提升光學顯微鏡的解析力【23】。共焦顯微系統在經過漫 片(Beam splitter)，最後再由收光鏡接收到偵測器(Detector)中，進行光譜分 析。因為雷射光源在激發聚焦平面(Focus plane)樣品的同時，也會照射到物 鏡聚焦平面以外的區域(Reference plane)並且會產生訊號，不過，因為在光 路中設置了共焦針孔(Confocal pinhole)的裝置，會將這些聚焦平面以外區域 的訊號排除掉，因此偵測系統只會接收到聚焦平面附近的訊號，如圖2-2 所 示。

在本篇研究中，我使用了國立交通大學奈米科技中心的共軛焦顯微

鏡，其型號是LabRAM HR800，是由法國HORIBA JOBIN YVON公司所生 產的，內建633nm He-Ne雷射，並可以外掛532nm固態半導體雷射(DPSS)配 合低溫chamber(ST-500H)和LakeShore 321 溫控儀以量測低溫PL。

圖2-2 共軛焦顯微鏡原理

2-3 半導體微影技術

在半導體元件的製程上，包含了幾種主要的單元製程，分別是氧化 (Oxidation) 、 微 影 (Lithography) 、 蝕 刻 (Etching) 、 擴 散 (Difussion) 、 沉 積 (Deposition)，其中微影製程在半導體製程上，佔有了重要的地位。如何在 有限的晶元大小，縮小線寬以寫下更多的圖案(Pattern)，以提高元件的密度，

進而提高產能產值，一直都是各家半導體公司努力的目標，所以微影技術 的提升將影響整個半導體產業發展。

一般來說， IC的密度越高，操作速度越快、平均成本也越低，因此半 導體廠商無不絞盡腦汁要將半導體的線寬縮小，以便在晶圓上塞入更多電

晶體。然而，光學微影術所能製作的最小線寬與光源的波長成正比，因此

但景深(Depth of Focus,DOF)

 

電子束(Electron beam)微影、聚焦離子束(Focus Ion beam, FIB)微影、奈米壓 印(Nanoimprint)微影等技術，表2-1所示。

以傳統光學微影來說明製作圖案的過程，圖2-3 所示，首先在基材的

表面先塗佈一層光阻(Photo-resist,PR)，光阻又區分為正光阻和負光阻，光

圖2-3 光學微影製程

2-4 電子束微影系統(E-Beam Lithography System)

電子束微影系統，故名思義是以電子束當作光源的微影技術，根據德 布洛伊(de Broglie)物質波公式，

X

波長0.0123nm，其解析度可遠優於傳統光學微影系統。

電子束微影系統，主要的架構有四部分：電子光學柱 (electronoptical column)、腔體 (chamber)、操作系統及控制系統，如圖2-4。接下來會對各 部份做簡約的說明

(一)電子光學柱(Electron Optical Column)

電子光學柱如圖2-5為高真空狀態，主要功能為產生均勻分布的電子 束，經由適當的成像系統控制電子束大小及定位後，投射至底部的照射位 置。包含電子槍（Electron Gun）、電子束偏導裝置（Blanking）、聚焦透 鏡（Condense Lens）、像差校正器（Stigmator）、物鏡（Objective Lens）、

偏折器（Deflector）、電子偵測器（ElectronDetector）及移動平台（Stage Driver）。

電子槍(Electron Gun)產生電子束主要有兩種類型:熱電子(thermionic) 及場發射 (field emission)，前者的典型材料為六硼化鑭(LaB6)，將該材料置 於陰極並且直接加熱，而所產生的電子束經由電場加速後獲得能量；後者 常用材料為鎢絲和鋯/氧/鎢合金，由於使用形狀尖銳的材料，並置於高電場 環境下，所以非常適合產生直徑極小的電子束，且明亮度 (brightness)較高，

但製作上較為困難。

由電子槍發射出來的電子束可由開關決定是否通過電子光學柱，隨後 經由電磁線圈所組成的聚焦透鏡來將電子束的聚焦，其聚焦原理可由

Lorentz Force Equation來解釋，見圖2-6。電子束藉著繞中心軸旋轉並收斂於 柱裡還有另一重要元件控制電子束定位，即聚光鏡(Condenser Lens)，控制 電子束的偏折角，使其通過成形孔隙之適當孔洞位置。上述控制器和移動 平台的精確性，會關係到圖案製作的準確度。電子束微影系統本從掃描式 電子顯微鏡系統改裝而來，因此當電子束微影系統加裝了電子偵測器 (Electron Detector)，就可當電子顯微鏡使用。

(二)腔體(Chamber)

位於電子光學柱下方的腔體主要放置基板(substrate)，基板可為光學微 影系統所使用玻璃類光罩與晶圓，電子束微影系統可製作光罩和提供晶圓 直寫功能，由電子束作為曝光源在基板上進行圖案製作。腔體內的工作平 台可放置不同尺寸的基板托架，透過水平及垂直兩組傳動器動作，可將基

板托架作移動或旋轉，達到基板上不同位置的曝光。

(三)操作系統與控制系統

操作系統主要是透過滑鼠與鍵盤在Windows視窗下的圖形使用者介面

（Graphic User Interface，GUI）下操作，包含功能的選擇及參數的設定，

並藉由操作系統來將行程檔傳送到控制系統。控制系統主要是整合和控制 曝光系統的機械設備，以及轉換圖形資料到電子束偏折系統，並且管理電 子光學柱的繪製速率（Modulation Rate）。

在本篇研究中，我使用了國立交通大學奈米科技中心的電子束微影系 統(Electron Beam Lithography System)，型號為ELS-7500 EX，是由日本 ELIONIX Inc.製造，搭載的電子槍為氧化鋯/鎢(ZrO/W)蕭基場發射源，加速 電壓最大可達50kV，最小線寬為10nm。

圖2-4 ELS-7500 電子束微影系統圖

圖2-6 電子束聚焦原理