3-1 AAO 模板製備
以 p-type (100)面的矽為基材，並利用熱阻絲蒸鍍系統(thermal evaporator coater)在高真空環境下(< 4×10-6 Torr)蒸鍍 1 μm 的純鋁
運用兩階段之陽極氧化處理法(two-step anodization)製作 AAO，
如
圖 3.2
所 示 。 首 先 進 行 第 一 階 段 之 陽 極 氧 化 鋁 反 應(first洞。為使 AAO 結構更加強壯，將製備完成的 AAO 送進退火爐，在 400 oC 下退火 2 小時。最後再利用 5 wt%磷酸在恆溫 30 oC 下進行擴 孔及阻障層移除。
製作完成的 AAO 奈米孔洞直徑約為 75 nm，孔洞間距約為 100 nm。利用兩階段陽極氧化處理方式，不但節省電解拋光步驟，並且 亦具備高規則性排列的奈米孔洞，如圖
3.3(a)與(b)所示。如果把第一
階段陽極氧化處理時間延長，將可獲得更佳規則排列的AAO 奈米孔 洞。經擴孔步驟後，AAO 孔洞排列整齊地垂直於矽基材，而且孔洞 底部的阻障層於擴孔時亦順利地移除，如圖3.3(c)所示。直接在矽基
材上製備 AAO 模板，不但有利於現階段 IC 製程整合，而且對各種 應用上將會有較大之方便性與應用性。圖 3.1 AAO 製具與試片示意圖。[97]
Substrate
Al Substrate
a) 1st-step Anodization c) 2nd-step Anodization
b) 1st-step AAO Removal
Substrate Substrate
d) Pore Widening Treatment
Substrate
a) 1st-step Anodization c) 2nd-step Anodization
b) 1st-step AAO Removal Substrate
Substrate SubstrateSubstrate
d) Pore Widening Treatment
Substrate Substrate
圖3.2 兩階段陽極氧化處理過程示意圖。[97]
圖3.3 AAO之FESEM影像圖:(a)(b)平面圖，(c)橫截面圖。陽極氧化處 理條件為室溫25 oC，0.3 M草酸，40 V偏壓，孔洞直徑約為75 nm，孔 洞間距約為100 nm。[97]
3-2 ALD 沉積製程與奈米管柱陣列製作
本實驗利用南台大學鄭錫恩老師所自行設計安裝ALD-TiO2薄膜 沉積系統，在試片上進行TiO2材料沉積。以99.3％純度的TiCl4作為前 驅物，去離子水(H2O)作為反應物，並以99.999％純度的氬氣（Ar）
為沖洗（purge）氣體，在p-type矽基材上成長TiO2薄膜以及在p-type 矽基材上之AAO模板成長TiO2奈米管，進而探討其光學性質。
因為ALD為表面化學反應控制，是故會以一層一層(layer by layer) 的沉積方式將TiO2沉積至AAO模板的奈米孔洞。沉積完成之後，TiO2
將會覆蓋於AAO奈米孔洞及其表面上，如圖3.4 (b)所示。繼而利用機 械研磨方式，或是噴濺蝕刻(sputtering etching)方式進行研磨，將覆蓋 於AAO模板表面的TiO2移除，如圖3.4 (c)所示。最後將試片浸泡至0.1 wt% NaOH(aq)溶液中，將AAO模板去除，便可得到垂直排列於矽基材 之TiO2奈米管陣列，如圖3.4 (d)所示。
圖3.4 TiO2奈米管柱製程示意圖:(a)在矽基材上生成AAO模板，(b)利用 原子層化學氣相沉積在400 oC沉積TiO2，(c)經過研磨拋光之後，(d) 將試片浸泡於0.1 wt% NaOH溶液中將AAO模板去除。
3-3 量測電極製備
為了在 TiO2材料上製作歐姆接點及蕭特基接點，Ti 金屬和銦錫 氧化物(indium tin oxides, ITO)分別被選擇當作電極使用，以便紫外光 光感測研究。
首先，在已經完成 TiO2沉積的試片上，利用金屬遮罩(metal mask) 定義電極之大小與相對距離。如圖
3.5
所示。並在高真空環境下(< 4 × 10-6 torr)，使用雙電子槍蒸鍍系統(dual e-gun evaporation system)依序 蒸鍍200 nm Ti 金屬和 40 nm Pt 金屬作為電極使用。Ti 金屬工作條件 為: 50 mA 電流，0.5 Ǻ/sec 沉積鍍率；Pt 金屬工作條件為: 100 mA 電 流，0.3 Ǻ/sec 沉積鍍率。在 Ti 金屬上額外蒸鍍一層 Pt 金屬，是為避 免Ti 金屬暴露於空氣中遭受氧化。而ITO 電極製作是利用真空濺鍍系統(sputtering system)在高真空 環境下(< 4 × 10-6 torr)，以 ITO 為靶材，在試片上濺鍍 200 nm ITO 作
連接劑，將試片黏貼於另一空白矽試片上，放進烤箱(oven)在 100 oC 下烘烤 30 min。如此便完成背電極之製作，如圖
3.6
所示。圖3.5 Ti 金屬電極示意圖。
圖 3.6 背電極結構示意圖。
3-4 量測與分析儀器設備
3-4-1 紫外光/可見光光譜儀(UV-Visible Spectroscopy)
利用紫外光與可見光波長之穿透與吸收能力，定義待量測物之吸
適用材料：為可透光的待測物：ITO, Glass, Quartz, liquid 量測範圍：波長為200-1000 nm
實驗參數：
3-4-2 光激發螢光量測
spot size：100 um實驗參數：
起始波長設定：350 nm 終止波長設定：800 nm 掃描速度：Auto
掃描間距：1 nm
3-4-3 X光粉末繞射儀 (X-RAY Power Diffractometer, XRD）
廠牌型號：Rigaku（Japan）_ TTRAX Ⅲ
重要規格：18 KW Rotating Anode Cu Target（CuKα射線, λ = 1.5418 Å）
3-4-4 場發射掃瞄式電子顯微鏡 (Field Emission Scanning
Electron Microscopy, FESEM)
器偵測表面反射之二次電子的能量，再將偵測二次電子能量經過電腦
3-4-5 穿透式電子顯微鏡 (Transmission Electron Microscopy, TEM)
適用於固體奈米材料、半導體電子材料、陶瓷礦物材料、金屬材
成份、mapping分佈及原子鍵結組態分析。可作高角度多方位繞射分 析及高品質之明、暗視野影像。兼具解析及高解像顯微多重功能，是 微觀世界中研究分析材料不可或缺的利器。因為電子束的穿透力有 限，因此量測前必須先將試片薄化。首先利用研磨機研磨試片至可透 光程度，再利用離子減薄機(precision ion polishing system) 削薄欲觀 察的區域，使電子束能夠穿透試片薄區到達顯影板，顯現薄膜微結構
離 子 源 ：Ar氣 體 操作壓力： 5 × 10-2 Pa
Ion Current Density： 10 mA/cm2 Peak
3-4-6
光電特性量測 和上對下(up to down)量測，分別如圖3.11和圖3.12所示。上對上量測 即是金屬-半導體-金屬(metal-semiconductor-metal, MSM)結構，將探討 TiO2材料本身對紫外光吸收轉換之能力；上對下量測即是異質接面 (hetero-junction)結構，將探討異質接面對紫外光吸收轉換能力之影響。
電流-電壓(I-V)實驗參數：
偏壓： -10 V ~ 10 V -1 V ~ 1 V 電壓間距： 0.1 V 0.01 V 掃描次數：4 次
電流-時間(I-T)實驗參數：
偏壓：0 V ~ 10 V
時間：視實驗所需而定 掃描次數：1 次/每一偏壓 資料擷取：1 次/sec
圖3.7 電子躍遷圖。
圖3.8 電子躍遷圖。[98]
圖3.9 X光繞射量測示意圖。[76]
圖3.10 光電流量測架構圖。
圖3.11 上對上之光電特性量測示意圖。
圖 3.12 上對下之光電特性量測示意圖。