實驗的章節中，分成二大單元分別為儀器介紹以及實驗步驟。首先在儀器介 紹中，將實驗使用到儀器的原理及操作方式概略說明，而在實驗步驟中，從奈米 線的生成、元件製造過程以及量測步驟逐一的介紹。
4-1 儀器與技術
（a） 掃描式電子顯微鏡(Scanining Electrons Microscope，SEM)
光學顯微鏡之放大倍率受到光源波長的限制，反觀電子顯微鏡，電子的波長 僅與加速電壓有關，且具有較大的景深，因此可大幅提高放大倍率以及解析度，
而更方便觀察奈米刻度下的微觀世界。
掃描式電子顯微鏡是由電子槍（Electron Gun）發射電子束，經加速電壓透 過多個電磁透鏡（Condenser Lens）的聚焦，利用遮蔽孔徑（condenser Aperture）
選擇適當的電子束尺寸（Beam Size），透過控制電子束的掃描線圈經過物鏡聚焦 後打至樣品上，電子束打至樣品時產生大量的二次電子、背向散射電子、歐傑電 子…等，接收器接收集二次電子，再經由放大器和精密電子儀器計算出樣品的表 面形貌，而大致上掃描式電子顯微鏡的結構如圖 4.1 所示。
其中電磁透鏡是由線圈繞著鐵心產生強磁場，因此具有將通過的電子束聚焦，
如同一般玻璃透鏡將光線聚焦的功能。當電子束打至樣品上，產生能量分佈廣的 電子，而二次電子為電子束與樣品作用後，將傳導帶的電子擊出，其能量約小於 50 eV，屬於低能量電子，並且二次電子的數量會受到樣品表面起伏的狀況所影 響，因此收集並且計算二次電子的數量可得知樣品的形貌，所以掃描式電子顯微 鏡採用此種電子來觀察樣品表面的形貌。
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圖 4.1 掃描式電子顯微鏡結構圖[1]。
根據電子槍發射出電子束原理的不同可分為二大類，分別為熱氲離及場發射。
熱氲離的發射原理是利用加熱燈絲，在高溫下使得電子擁有足夠的能量克服材料 功函數（work function）能障，而釋放出熱電子。燈絲外圍為陽極的金屬帽所蓋 住，因此產生的熱電子皆為陽極所吸引，在加速電壓的影響下，加速的熱電子會 由陽極底端的開孔射出形成電子束。在操作電子槍時希望能以最低溫度來使用，
以減少材料的發揮，因此燈絲材料選擇就採用低功函數的材料來提高發射電流密 度。目前有鎢燈絲（W）及六硼化鑭(LaB6)二種熱氲離式電子槍，其中又以鎢燈 絲價錢較為便宜而使用普遍。
場發射電子槍的發射原理為金屬置於高電場中，電場使得電子的能障寬度變 窄，高度變低，因此電子可直接穿隧通過此能障離開金屬表面，形成自由電子，
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再經過加速電壓形成電子束。電子是由很尖銳的陰極尖端所發射出來，所以可得 到極細且電流密度高的電子束，而亮度為熱氲離式的百倍甚至千倍。金屬材料的 選擇上，需要承受高電場加諸在陰極尖端的高機器應力，因此鎢金屬就成為較佳 的選擇。要從極細的鎢針尖場發射電子，表示金屬表面必頇完全乾淨，因此場發 射電子槍必需維持超高真空度，來保持鎢針表面的潔淨。
本實驗室有二台掃描式電子顯微鏡，分別為 JSM-6380(熱氲離式)和
JSM-7000F(場發射式)。實驗的過程中，因為二台機器的解析度及操作方式有所 不同，因此分別運用在不同的實驗步驟上；JSM-7000F 為場發射式其解析度較高，
用在辦別奈米線在基板上的位置、奈米線線徑的粗略觀察以及奈米元件表面的觀 察；JSM-6380 則是運用在電子束微影技術，作為曝寫電子阻劑的電子束來源。
圖 4.2 熱氲離（a）與場發射；（b）的電子槍結構圖。
（b）高溫加熱爐
為了研究氧化鋅奈米線於不同退火條件下的電性與減少奈米元件因接點所 造成的接點電阻，利用高溫加熱爐和真空系統構成一個退火環境。高溫加熱爐的 結構如下圖 4.3 所示，石棉中有熱線圈，通電流至線圈而使熱線圈加熱，線圈中 間有溫度感測器，可藉由控制電流量來調控加熱溫度及速率，而石棉有使溫度均 勻的功能，因此能使加熱環境的溫度差減少。將樣品放置在石英管中，石英管連 接真空系統，其中的真空系統是由機械幫浦與渦輪幫浦所組成，利用機械幫浦粗
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抽至低真空（約 1×10-2 mbar），再開啟渦輪幫浦抽至高真空（約 1×10-5 mbar）， 經由電子介面版設定升降溫速率、溫度和時間，則可組成退火系統。本實驗所用 的高溫加熱爐最高可加至 1200 ℃，依據不同實驗用途而設定不同的溫度及時間，
例如增加氧化鋅奈米線中的氧空缺，其條件設定是將溫度加熱至 500 ℃後停留 6 小時或 24 小時，若使金屬薄膜與奈米線的接觸變好以減少接點電阻，而條件為 溫度加熱到 400 ℃ 時間停留 10 分鐘。
圖 4.3 高溫加熱爐的結構圖。
（c）電子束微影技術
半導體製成過程中，微影技術為重要的一環，微影技術是一種將 A 之圖案 複印至 B 上的技術，實際運作時使用光源照射在光罩，光罩上面已有設計的電 路圖形，而光線透過光罩將圖案轉印在光阻上，經過顯影、鍍膜等製成步驟，可 得到所設計的積體電路版。在一般半導體廠中所用的製成大多為光微影，其優點 為大量製造，但因自然界中的雷利準則的限制
(
解析度） 2
（ )
R NA
（式 4.1）37
得知解析度與光波波長有正比關係，因此圖案的解析度會受到微影光源波長的限 制，若要得到高解析度的圖案可改選擇電子束當成曝光光源。電子的波長僅與加 速電壓有關，調整不同的加速電壓可得到不同波長的電子，因此可大大提高解析 度，而本實驗採用掃描式電子顯微鏡 JSM-6380 提供電子束，在配合微影軟體
（XENOS 公司出版 expose control program，ECP）以及電子束開關平板(Beam Blanker)控制電子曝光在光阻上的區域，利用這些儀器來完成微影，加上製成的 一些標準程序，如章節 4-2（b）氧化鋅奈米線元件之製成，則可完成樣品的製作。
在曝寫圖案時，曝寫的時間、劑量與電子束電流大小、光阻劑和顯影時間息 息相關，而這些實驗的劑量需找到互相配合的參數，才能得到品質較好的曝寫圖 案。一般光阻可分為正光阻劑與負光阻劑，以正光阻劑來說，曝光時電子束打至 光阻上，使其光阻劑分子鍵結斷裂，而曝光過的光阻劑可溶於顯影液中，可轉印 設計的圖案於光阻劑上；而負光阻劑則是光阻劑分子變更堅固，而顯影劑將沒曝 光的部份溶出。本實驗室用的光阻劑為電子阻劑 950 PMMA A5 成分為聚甲基丙 烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)，擁有高解析度(20 nm)、為正電子阻 劑、對白光反應差並且可在室溫存放很久。跟據上述的電子阻劑會找尋到搭配的 顯影液(developer)，其顯影液成分為甲基異丁基酮(methyl isobutyl ketone, MIBK）
與異丙醇(isopropyl alcohol, IPA)依照一定的比例調整成的混合液。不同甲基異丁 基酮和異丙醇比例會得到不同的解析度，如下圖 4.3 所示，則可得知 MIBK：IPA
= 1：3 的比例將會有最高解析度，因此本實驗採用此種比例的顯影劑，來得到較 高解析度的曝寫圖案[2]。
圖 4.4 甲基異丁基酮與異丙醇不同比例下解析度的情況[2]。
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（d）熱蒸鍍機（thermal evaporatoe）
鍍膜技術上有很多種類，例如熱蒸發蒸鍍、電漿濺鍍、離子濺鍍、化學氣相 沈積…等，而本實驗室所採用的鍍膜方法為熱蒸發蒸鍍之中的電阻加熱式。把預 鍍膜的靶材放置在鎢舟上，通電流至鎢舟，就如同通電流至電阻的情況相同，而 電阻產生熱能而溫度升高，靶材吸收熱能融化，再經過些許時間蒸發成氣態，形 成小顆粒的氣態分子往上飄，至樣品表面時凝結且形成薄膜。熱蒸鍍機的結構如 下圖 4.5 所示，而真空系統由機械幫浦與渦輪幫浦所構成，主要目的為提高腔體 的潔淨度，使鍍膜純度與品質提高。此實驗主要為鍍金膜，而金與二氧化矽的附 著力較差，因此在中間鍍上一層鈦膜，其作用類似黏著劑的角色，以提高金膜在 樣品上的附著力。而在鍍鈦膜和金膜前，先會鍍鈦，但此時基板用擋板蓋住，避 免鍍膜在基板上，此步驟的目的為鈦的活性大可吸附腔體內的雜質，使腔體更為 潔淨。
圖 4.5 熱蒸鍍機腔體結構。
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（e）低溫致冷器（cryostat）
本實驗所使用的低溫致冷器如下圖 4.6 所示，主要的功能是讓樣品降至低溫 測量其電性的儀器。量測時會搭配杜瓦瓶和溫度控制器（本實驗採用
LakeShore430），而杜瓦瓶的內部裝滿液態氮，液態氮的溫度約為 77 K；外殼夾 層利用機器幫浦和擴散幫浦抽至高真空（約為 1×10-5 mbar），載台內層充滿氦氣。
低溫致冷器樣品載台部份浸泡至液態氮中，如同將樣品放置在冷庫中，利用外部 冷庫的熱輻射和載台內部加熱器的熱傳導達到能量的熱平衡，藉由控制加熱器的 輸出功率，達到不同溫度下的熱平衡，因而控制在不同溫度下測量樣品的電性。
若量測至更低的溫度，把杜瓦瓶內部的液態氮替換成液態氦，液態氦的溫度約為 4.2 K，懸掛氣球的部份更換成機械幫浦，將機械幫浦與針閥打開，使載台內部 通入液態氦，並且控制液氦流量，讓低溫的液氦與內部加熱器的熱能達成動態平 衡，進而控制溫度。
外殼夾層抽真空的目的為減少熱傳導與熱對流，以免外部冷庫輻射熱能太快，
以致內層樣品溫度急速下降，無法與加熱器輸出的能量達到熱平衡，使得溫度控 制不住；樣品載台為無氧銅材料所製，在載台上包覆一層捲菸紙並塗上 Ge-vanish，
讓載台為良好的導熱體但卻不導電。
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圖 4.6 低溫致冷器結構圖[3]。
4-2 實驗步驟
（a）圓柱型氧化鋅奈米線之製備
本實驗的氧化鋅奈米線是由清大工科吳忠益學長和交大物理所曾祥一學長 製造成長得到，在此非常感謝他們的熱心提供。物理氣相傳輸法是在高溫環境下，
本實驗的氧化鋅奈米線是由清大工科吳忠益學長和交大物理所曾祥一學長 製造成長得到，在此非常感謝他們的熱心提供。物理氣相傳輸法是在高溫環境下，