在本章節中將分成兩個部分介紹，第一部分介紹元件製成步驟中使用到的 儀器與相關原理(見 4.1 節)；第二部分介紹關於氧化鋅奈米線元件的製成步驟，
從氧化鋅奈米線的製備、電子束微影、電極熱蒸鍍到完成元件及量測步驟詳細 介紹(見 4.2 節)。
4-1 儀器介紹
4-1-1 掃描式電子顯微鏡 (Scanning electrons microscope,SEM)
肉眼能分辨的大小大約 1 毫米，而光學顯微鏡大概約為 1 微米，而無法分 辨奈米尺度元件。掃描式電子顯微鏡的解析度決定於電子的物質波波長與加速 電壓，且比光學顯微鏡有較大景深，立體感較強，對於觀察奈米尺度的材料更 加容易。掃描式電子顯微鏡由加有大電壓的電子槍發射出電子束，經由數個電 磁透鏡聚焦，藉由遮蔽孔徑選擇要觀察的電子束尺寸，透過掃描線圈打至樣品 上，產生出二次電子、背向散射電子、歐傑電子、X-ray…等樣品資訊如圖 4.1；
而掃描式電子顯微鏡主要接收二次電子資訊，由閃爍器將電訊號轉成光訊號，
再經由光電倍增管之後轉換成電場，再由電腦軟體計算出樣品形貌。
圖 4.1 電子束與詴片作用圖。
掃描式構造如圖 4.2，由電子槍發射出的電子束能量約為 5~30 keV，打到樣 品產生出能量相近的背向散射電子，樣品的價電子經由帶高能量電子碰撞後產 生的二次電子，其能量約為 50 eV，較背向散射電子能量低，接收的二次電子會 受地貌的高低、形狀及角度而有變化，因此詴片的導電性必頇夠好才偵測得到 二次電子，如果想要看導電性較差的材料，可以在表面上鍍上一層 Pt 或 Au，
即可觀察地貌。
圖 4.2 掃描式電子顯微鏡構造圖 [1]。
電子槍必頇具備有亮度高、能量分布集中特性，目前常用電子槍種類有鎢 絲、六硼化鑭與場發射三種如表 4.1，前兩種為熱游離方式電子槍，此種電子槍
高度變低且寬度變窄，因此會有大量電子穿隧(tunneling)過能障發射出來。藉有
通以電流，石棉功用是使溫度均勻散熱。
圖 4.3 高溫加熱爐系統。
4-1-3 電子束微影技術 (electron-beam lithography,EBL)
微影技術是指在晶圓表面上製圖的技術，光微影技術是利用光源穿透過一 光罩，光罩上面已有已經設計過的元件圖形，透過光罩照射在晶圓上的阻劑，
由於此步驟操作時間較電子束微影短，所以應用在大量製造上；電子束微影是 利用電子束不經由光罩直接對阻劑進行照射，兩者的阻劑皆會產生主鏈斷鏈或 主鏈交結的化學作用，經由顯影液的作用使得光罩圖形轉移到晶圓上，此特定 圖形可做後續製成如金屬蒸鍍、離子佈值…等。
電子束微影(EBL)是提供幾萬伏特電壓的電子束作為曝光源，受高電壓的電 子束的波長比大部分的光源波長來得短，根據雷利準則（Rayleigh criterion）如 式 4.1，因此可提供較高解析度，也因為電子束微影不需透過光罩完成，所以圖
對於元件製程而言，IC 的密度愈高元件速度愈快與製成成本愈低，所以各 家半導體廠積極縮小元件線寬，由(式 4.1)可得知若要得到較小的解析度必頇提 升數值孔徑或減少光源波長，但勢必會使聚焦深度變小如(式 4.2)，然而聚焦深 度愈小較不利於生產，對於半導體製造是一個很大挑戰。本實驗是採用電子束 微影製作樣品，利用電子顯微鏡 JSM-6380 作為電子束來源，再搭配微影軟體 (XENOS 公司出版 expose control program，ECP)以及電子束平行屏蔽東(beam blankek，DEBEN 公司製造的機型 PCD 2.02)，製成步驟為：利用旋轉塗佈機把 晶圓均勻塗佈光阻，之後將樣品放入掃描式電子顯微鏡裡，將已經定義好的電 RPM 所塗佈薄膜厚度約為 200~400 nm，塗佈好的樣品會再經由加熱東(hot plate) 加熱至 180 oC 後持溫十分鐘，就可以進行電子束微影。
(b) 顯影液 (developer)：
顯影液的目的在於使經電子束曝寫完的樣品電極圖案顯現，本實驗所用到 的顯影液成份為甲基異丁基酮(methyl isobutyl ketone,MIBK)與異丙醇(isopropyl alcohol,IPA)做比例調配，經過本實驗室測詴 MIBK 與 IPA 的比例，當 MIBK 比 例愈大時解析度愈大、所需時間愈短，在此實驗採用 MIBK：IPA=1：1 的溶液 做為顯影液，顯影時間為 10 秒。
4-1-4 熱蒸鍍機 (thermal evaporator)
熱蒸鍍機在此實驗扮演鍍膜的角色，而常用的氣相鍍膜技術又可分為兩類，
第一類為化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)，原理是粒子經過化學反 應而沉積在基東上，如常壓化學氣相沉積(atomospheric CVD)、低壓化學氣相沉 積(low pressure CVD)、電漿輔助化學氣相沉積(plasma enhance C D)…等；第二 類是物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)，原理是粒子經由物理的三相 轉換沉積在基東上，如熱蒸鍍、電子束蒸鍍(e-beam heated evaporator)、電漿濺 鍍(sputtering)…等。
本實驗是利用熱蒸鍍來製作電極如圖 4.4，利用機械幫浦與渦輪幫浦把腔體 真空度抽至 3×10-6 Torr，確保腔體內蒸鍍純度，之後把放有鈦與金的鎢舟分別 通以大電流，第一個放有鈦的鎢舟目的為空鍍，空鍍有清潔腔體的功用，會提 升腔體內的真空鍍；因為金與氧化鈦附著力很差，所以鍍上金之前會先鍍一層 鈦當作金與氧化鋅的附著層，目的是為了防止舉離時金的脫離。
4-1-5 低溫致冷器 (cryostat)
低溫致冷器的功能主要做為樣品低溫的量測，把樣品放入載台上如圖 4.5，
樣品載台上有一矽二極體溫度感測計偵測溫度，使用片電阻加熱器控制樣品溫 度。利用機械幫浦與渦輪幫浦把外層真空層抽至 5×10-5 Torr，目的是讓樣品不 經腔體金屬降溫，而是藉由內層的氦氣進行降溫，之後把低溫致冷器放入充滿 液態氮的杜瓦瓶內，並利用內部加熱器搭配控溫器(LakeShore 340)，控制輸出功 率達到熱平衡進行控溫，降溫並量測至約 80 K 之後進行更低溫量測，把低溫致 冷器的針閥關閉、冷源由液態氮改成液態氦，利用機械幫浦把冷源抽進樣品室，
並且控制針閥調控液態氦流量讓，搭配控溫器調控加熱器輸出功率使樣品達到 熱平衡，可降溫並量測至 1.5 K。由構造圖中可觀察到樣品載台放大圖，實驗上 會把樣品利用銀膠黏在 1.5 mm 厚的陶瓷基東上，並且在無氧銅的載台上塗上一 層薄的 Ge-vanish，再覆蓋一層捲菸紙，再把陶瓷基東放上載台，此兩個步驟是 為了防止樣品漏電也不會影響導熱性。
圖 4.5 低溫致冷器構造圖 [2]。
4-2 實驗步驟
4-2-1 氧化鋅奈米線的製備
本實驗所使用的氧化鋅奈米線是由清大工科吳忠益學長與交大電物所曾祥 一學長所利用氣液固態機制(Vapor-Lequid-Solid Mechanism,VLS)成長線徑均勻 的奈米線如圖 4.6，在此非常感謝學長們的熱心提供使得實驗可如此順利。利用 物理氣相傳輸法把氧化鋅粉末傳輸至基東上，通以高溫使得金屬催化劑與成長 氣體形成合金液體，前提是催化劑必頇與反應物可以互溶而形成合金，之後慢 慢析出產生奈米線。
成長步驟是先將滴有金顆粒液體的基東低溫烘烤乾，使金顆粒佈滿石英基 東上，再將裝有氧化鋅粉末的坩鍋與滴有金顆粒的石英基東分別放於石英管，
由於兩者所需要的工作溫度不同，所以擺放位置會影響成長品質，氧化鋅粉末 放於加熱爐正中間溫度為 950 oC 至 1000 oC，而石英金東的成長溫度約 500 oC。
再將石英爐管抽真空至 20 Pa，並設定加熱面東控制加熱速率如圖 4.7，升溫速 率為每分鐘 20 oC 至目標溫度 500 oC，持溫 10 分鐘後開始通入高純度的氰氣，
使壓力從 20 Pa 至 200 Pa，再以一樣的升溫速率至 950 oC 後持溫 12 小時。
圖 4.7 高溫爐加溫過程 [3]。
4-2-2 氧化鋅奈米線元件製成與量測
在本節中將介紹氧化鋅元件如何製作與量測，其完整流程如圖 4.8 所示，
後面將會分別對每個步驟詳加說明。
圖 4.8 氧化鋅奈米元件製成流程圖。
在本實驗會分別製作兩種不同的氧化鋅奈米元件，所以也會用到不同的製 作流程，第一種元件是以氧化鈦取代鈦做為電極，之後再覆蓋一層金，製作順 序為：( )→(2) →(3) →(4) →(5) →(7) →(8) →(9) →( ) →( 2)；第二種元件是電 極一樣蒸鍍鈦金，但完成元件後再利用二次製成於源極與汲極中間製作白金層，
其順序為：( ) →(2) →(3) →(4) →(5) →(6) →(8) →(9) →( ) →( ) →( 2)。此 兩種元件的製作目的是為了讓電子在傳輸過程中製造一蕭特基位障，第一種元 件是氧化鈦與金所製造，第二種元件是氧化鋅與白金所製造，使電子在傳導時 受到電場影響，而觀察電場對氧化鋅奈米線元件的影響。
以下將個別介紹製成步驟與方法：
(1) 轉印奈米線及定位：
將上面已經印有鈦金大電極的矽基東分別用丙酮、酒精、去離子水浸泡並放 於超音波震盪器裡震洗十分鐘，之後利用氮氣吹乾避免基東上殘留溶液。拿出上 面長有均一尺寸的氧化鋅奈米線石英基東覆蓋於矽基東上，利用鎢鋼筆在石英基 東上輕壓三下使得奈米線撒落於矽基東上，再利用光學顯微鏡觀察是否有足夠奈 米線。
壓印有奈米線的基東放入場發射式電子顯微鏡(JSM-7000F)中並掃描其奈米 線位置，之後利用軟體 Photoimpact(友力公司出版)與 Autocad (autodesk 出版)定位 並設計電極，兩電極隔 .8 m 與 3 m 分別用於兩種元件，設計好的電極圖案之 後放入 ECP 軟體中轉檔。
(2) 熱退火：
由於利用物理氣相傳輸機制所製作的氧化鋅奈米線電子濃度不高，對於低溫
(3) 塗佈正阻劑：
即可關閉檔東，等壓力穩定後即可以開始以鍍率 5~10 Å /sec 蒸鍍金電極，剛開 始為了使鈦與金接面更加穩定會以 5 Å /sec 蒸鍍，等厚度到達 10 nm 後就可加大 鍍率至 10 Å /sec，而鈦與金的厚度必頇超奈米線線徑，如此以來在快速熱退火 時才不至於裂開，所以選擇金的總厚度為 150 nm，等到到達所需的厚度後慢慢 將電流調小，即完成蒸鍍電極步驟。
(7) 熱蒸鍍氧化鈦：
此步驟和步驟(5)只有些許不同，前置準備材料和清洗步驟都相同，差別在蒸 鍍鈦電極時分成數層蒸鍍，在此分成兩種條件，一是鈦厚度分成四層，每一層為 10 m 總共 40 nm，二是鈦厚度分成七層，每一層 5 nm 共 35 nm；以條件一來看，
一開始鍍完第一層 10 nm 厚的鈦，會先等待 5 分鐘使鎢舟冷卻，再關掉離子真空 計，之後通入氧氣使得腔體壓力到 3×10-3 Torr 後，維持 10 分鐘使得鈦氧化，再
一開始鍍完第一層 10 nm 厚的鈦，會先等待 5 分鐘使鎢舟冷卻，再關掉離子真空 計，之後通入氧氣使得腔體壓力到 3×10-3 Torr 後，維持 10 分鐘使得鈦氧化，再