本實驗在4-1節介紹在實驗過程中所需的儀器，然後在4-2節說明我們製作的元 件結構，先有初步的了解，再敘述元件的製程與量測方式。
4-1 儀器介紹
4-1-1 高溫加熱爐系統 (Annealing Furnace System)
使用高溫加熱爐目的是我們可進行對樣品或是電極做高溫熱退火的製程方式，
實驗上之用途可增加氧化鋅錫奈米線的氧空缺以及奈米線與電極間的接觸更好，藉 此提高導電效果。
高溫加熱爐的加熱原理是將石棉中的線圈通入電流，以加熱線圈，且石棉具有 溫度均勻性的功能，能穩定地控制溫度。
操作高溫加熱爐系統的方式，會先將要加熱的樣品放置在石英載台上，再將其 置入石英管內，然後使石英管連通真空系統，因此樣品在高真空環境下加熱，然而 真空系統是採用機械幫浦(Mechanical Pump)與渦輪幫浦(Turbo Pump)，先用機械 幫浦粗抽(約10-2 托)，再使用渦輪幫浦抽至高真空(約10-5 托)，加熱前，須先確認 樣品置於石棉中的加熱點上，以及在加熱爐上的控制面板設定升降溫速率、加熱溫 度與時間。
4-1-2 掃描式電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope,SEM)
為了清楚觀察氧化鋅錫奈米線與金奈米線交疊的情形與位置，因此使用掃描式 電子顯微鏡來觀察，其比光學顯微鏡具有更高的放大倍率與解析度，是因為光波長 的限制，無法得到高放大倍率，而電子具有物質波動性，電子波長與加速電壓有關，
當加速電壓愈大，電子波長愈小，所以可得到高放大倍率與解析度，廣泛適用於奈 米檢測技術上。
掃描式電子顯微鏡的原理是由電子槍產生電子束，經電磁透鏡聚焦後，照射在
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試片表面，電子束與試片作用後，而產生二次電子、背向散射電子與歐傑電子等訊 號，再經由二次電子檢測器收集二次電子，以及訊號處理放大後，即可得到試片的 表面形貌。
拍攝影像主要是使用冷場發射掃描式電子顯微鏡，因高電場作用下，電子脫離 針狀金屬表面而發射出高密度的電子束，其電子束徑小且亮度高，因而有較佳的解 析能力，我們使用的機台是JSM-6700。
4-1-3 電子束微影技術 (Electron-Beam Lithography,EBL)
為了製作奈米線兩端的電極，因此需使用到微影技術，微影就是將設計好的圖 案轉印到基板上的光阻，再經由顯影的過程中，移除電子束(光)曝寫過的光阻區域，
可觀察出所設計的圖案。微影技術分為光微影與電子束微影，一般半導體產業需要 大量製造，所以使用光微影技術，以光為曝光源， 而本實驗室採用電子束微影，
以電子為曝光源，具有較高解析度，但缺點是不適合大量製作。
電子束微影是使用熱游離掃描式電子顯微鏡(Hitach S-3000H)，是利用加熱燈 絲的方式發射電子束，其解析度比場發射的差，所以適合電子束微影。而實驗方式 是用Designcad軟體來設計圖案，再搭配NPGS軟體以及屏蔽檔板(Beam Blanker)
，將圖案曝寫光阻上，經顯影後，即完成微影步驟，另外，因奈米線的線長限制，
能將設計圖案精準寫入到正確的位置上是極為重要的一個環節。
4-1-4 熱蒸鍍系統 (Thermal Evaporation)
本實驗我們使用熱蒸鍍機來沉積鈦/金薄膜，以製作鈦/金電極連線之用途，而 熱蒸鍍是物理氣相沉積(PVD)中的一種方式。藉著大電流通過鎢舟，利用電阻生熱 方式加熱鎢舟，使得欲鍍材料融化，然後欲鍍材料開始轉變為氣態，當氣體分子接 觸到溫度較低的試片，就會凝結在試片上形成一層薄膜。在沉積金屬薄膜的過程中，
避免欲鍍材料在高溫下與氧或水氣反應，所以需要在一個高真空環境下鍍膜，本實 驗室採用機械幫浦(Mechanical Pump)與擴散幫浦(Diffusion Pump)進行抽真空，先
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使用機械幫浦粗抽腔體壓力至約1×10-2托以下，再使用擴散幫浦細抽腔體壓力至約 3×10-6托以下，而擴散幫浦需要添加液態氮，才能使腔體達到高真空的環境。
4-1-5 探針系統 (Probe system)
本實驗採用探針系統來量測樣品的電性，其系統除了在室溫量測外也可在低溫 下量測，室溫量測方面，搭配光學顯微鏡與螢幕，能夠精確控制探針位置，同時能 在真空環境下進行操作，另外在低溫量測方面，可利用液氮(77 K)或液氦(4.2 K)來 進行降溫，本儀器操作的溫度範圍為4.2 K至475 K，此系統主要是靠溫控器 (LakeShore 336)內部加熱器與液氮(或液氦)的流量之間的抗衡來穩定控制溫度，而 通入腔體的液氮(或液氦)流量是透過傳輸線(Transfer Line)上的腳閥(Foot Valve)開 關或是氮氣(或氦氣)的流量大小來控制，等待溫度穩定後，並且針與接觸電極間達 熱平衡，方可量測。
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4-2 實驗步驟
4-2-1 交叉奈米線元件結構
以氧化鋅錫奈米線來作為導電通道，上方交疊金奈米線作為上閘極，而在氧化 鋅錫奈米線兩端與金線一端鍍上鈦/金電極，作為金屬連線用途，其中氧化鋅錫奈 米線兩端電極分別為汲極與源極，當施加電壓於汲極(VDS)，電子會從源極流到汲 極，則另一端金線與氧化鋅錫奈米交疊面會形成奈米蕭特基接面(Nano-Schottky diode)，元件上半部分結構會形成奈米線金半場效電晶體(NW MESFET)，而下半部 分是由矽與二氧化矽作為基板，基板底部作為背閘極，形成奈米線金氧半場效電晶 體(NW MOSFET)結構。
圖4-1 交叉奈米線元件結構示意圖
4-2-2 交叉奈米線元件製程與量測
本實驗使用邊長為6.5 cm的正方形基板，其結構分別是矽和300 nm的氧化矽所 組成的，還有我們利用光微影技術設計出電極圖形，並製作出鈦/金電極，作為與 探針量測所需之外接電極。
製程方法與量測依序為清洗基板、壓印氧化鋅錫奈米線、高溫退火、滴金奈米 線、SEM定位、塗佈光阻、電子束微影、顯影、鍍膜、舉離、探針系統量測，如下 為每個步驟逐一詳細說明，交叉奈米線元件製程流程圖如圖4-2。
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(1) 清洗基板
因為基板表面存有雜質，在壓印奈米線時，可能會汙染到原材料，也會影響到 元件的製作，所以需先進行清洗基板，清洗步驟依序使用丙酮、乙醇和去離子水，
將基板放入超音波震盪器分別震洗五分鐘以上，清洗完後使用氮氣槍吹乾，並用光 學顯微鏡觀察基板以清洗乾淨。
(2) 壓印氧化鋅錫奈米線
將清洗完成的基板翻轉至充滿氧化鋅錫奈米線的基板上，使用鎢鋼筆在基板背 面施力，因此氧化鋅錫奈米線會隨機分布在基板上。
(3) 高溫退火
將樣品放入石英爐管中，真空度抽至5 × 10 以下，並設定所需溫度與時間，
方可開始加熱。
(4) 滴金奈米線溶液
將金奈米線溶液隔水放入超音波震盪器震10分鐘，使得金線均勻分布在溶液中，
再用滴管將金線溶液滴在灑滿氧化鋅錫奈米線的基板上，等待金線溶液快乾後，浸 泡在去離子水中以將溶劑去除，然後用氮氣槍吹乾。
(5) SEM 定位
為了確定氧化鋅錫與金奈米線交疊的位置，以便設計微影用的圖案，因此使用 場發射掃描式電子顯微鏡(JSM-6700)進行倍率1700倍的拍攝，再藉由影像圖片，來 設計所需電極圖案。
(6) 塗佈光阻
本實驗使用正光阻(PMMA A5)，利用旋轉塗佈機(Spin Coater)，使得樣品上滴灑 的光阻塗佈均勻，轉速與時間分別是先每秒1500轉15秒後，再繼續以每秒5500轉35 秒，為了將光阻中的溶劑蒸發，凝結成固體薄膜，以增強光阻對基板的附著力，所 以再把樣品放在加熱器上，軟烤180度1分鐘。
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(7) 電子束微影
將 設 計好 的圖 案 轉移 到基 板上 ， 是採 用熱燈 絲 掃描 式電 子 顯微 鏡 (Hitach S-3000H)。先開啟燈絲電流，將法拉第杯的放大倍率調至最大倍率，慢慢提高燈絲 電流至飽和電流，然後調整焦距、像差和物鏡孔徑位置，使得影像畫面達到最清晰。
要開始曝寫前，需先屏蔽檔板(Beam Blanker)，同時配合NPGS軟體，即可曝寫，此 時正光阻會被電子束轟擊，使得光阻與基板間的分子鍵結斷裂。
(8) 顯影
光阻經曝寫完後，浸泡至顯影液中(甲基異丁酮MIBK:異丙醇IPA=1:3)，時間約 為30 秒，再用IPA沖洗基板，去除殘留顯影液，最後再用氮氣槍吹乾，即顯影完成，
此時曝寫區域的分子鍵結都溶於顯影液中，且在光學顯微鏡下觀察可顯現出電極圖 案，另外在進行顯影時，必須精準控制顯影液的濃度、溫度，以及顯影時間，否則 顯影出的圖案會過顯，造成圖案變形，進而影響鍍膜。
(9) 鍍膜
本實驗使用熱蒸鍍機沉積20 nm鈦和100 nm金薄膜。操作方法分前段與後段步驟，
前段步驟，蒸鍍前先清潔腔體，使腔體更為潔淨，有助於幫浦抽氣速率，接著將鎢 舟夾置銅柱兩側上，分別放上鈦與金錠，再蓋上檔板，以擋住高溫熔化的銅蒸氣，
然後將欲鍍基板放進腔體內，再將石英震盪器至於欲鍍源的正上方45 鍍以偵測膜 厚，最後檢查銅柱與檔板間是否導通，造成短路，再蓋上腔體，並檢查傳輸電流之 電極是否與腔體導通。後段步驟，先使用機械幫浦將腔體真空度抽至3×10-2 托以下，
再用擴散幫浦將腔體抽至10-6 托以下，使用擴散幫浦抽氣前，需先熱油30 分鐘，
熱油完後每30分鐘要加液態氮，以達高真空度；在準備鍍膜前，膜厚計需設定欲鍍 物的密度與電阻率，之後開始慢慢升高電流來加熱鎢舟，融化欲鍍源，當鍍率穩定 後，開始沉積欲鍍源至基板上，同時石英震盪器也會開始偵測膜厚，到達所需膜厚，
即完成鍍膜製程。
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(10) 舉離
將蒸鍍完成的樣品放進丙酮浸泡，丙酮會慢慢溶解光阻，使得光阻上的鈦/金薄 膜會脫離試片表面，留下沒有光阻的鈦/金薄膜電極，即完成鈦/金電極的製作。
(11) 探針系統量測
探針系統分為室溫與低溫量測，以下分為(a)、(b)部分詳細的介紹:
(a) 室溫量測
將製作完成的樣品放進探針系統的腔體內，使用機械幫浦粗抽腔體，在真空環 境下進行量測，先將探針移動到要量測樣品的正上方3~4 mm，以免探針刮壞樣品 表面，同時用光學顯微鏡和螢幕來觀察探針與樣品的位置，藉由調整焦距來判斷探
將製作完成的樣品放進探針系統的腔體內，使用機械幫浦粗抽腔體，在真空環 境下進行量測，先將探針移動到要量測樣品的正上方3~4 mm，以免探針刮壞樣品 表面，同時用光學顯微鏡和螢幕來觀察探針與樣品的位置，藉由調整焦距來判斷探