3-1 樣品製備
穿隧接點為一個金屬/絕緣/金屬的三層結構，在製備程序上分為三步驟：1.沉積第 一層金屬層，2.成長絕緣層，3.沉積第三層金屬層。
在我們的樣品中，第一層金屬為鋁(Al)，使用熱蒸鍍的方法來製作，第二層絕緣層 為氧化鋁(AlOx)，我們使用氧氣輝光放電(glow discharge)的方式來成長，第三層金屬為 釔(Y)，我們也是用熱蒸鍍的方式來製作。
以下我們先就熱蒸鍍沉積及成長氧化層的原理及方法作介紹，在本節的最後我們將 說明我們樣品的製程條件及樣品資訊。
3-1-1 熱蒸鍍
熱蒸鍍(thermal evaporation)為物理氣相沉積的一種，在薄膜製程中為一種常見的技 術。其工作原理為在高真空的環境下，使電流流過鎢舟(boat)加熱欲蒸鍍的材料(蒸鍍 源)，使之融化蒸發，而我們將基板放置於其上方適當的距離，使材料的蒸氣凝結在基 板上，冷卻後就形成此材料的膜。
在蒸鍍機腔體內有一石英震盪器偵測膜厚。其原理為石英原始的震盪頻率為 6 MHz，當我們蒸鍍時蒸氣也會同時附著於石英片上，導致其震盪頻率改變，因此我們可 以依據頻率的改變量並配合一些參數的設定而得到精準的膜厚及蒸鍍的速率。
熱蒸鍍工作流程如下：
1. 抽真空流程：抽真空的步驟有兩個目的。一是為了使腔體保持乾淨，利用抽氣系 統將腔體內的水分子或有機分子抽掉，確保在蒸鍍過程不會和材料反應。二是降 低氣體分子與材料蒸氣的碰撞機率，若腔體壓力太高，在蒸鍍過程殘餘氣體分子 與材料的蒸氣發生碰撞的頻率增加，此會帶走蒸氣的動量，造成膜不平整及無序 性增大。
2. 蒸鍍過程：對鎢舟通入電流使之加熱蒸鍍源。通入的電流越大，鎢舟就越熱，蒸
鍍的速率與蒸氣的動能就越大，所以我們可以用蒸鍍電流的大小或蒸鍍的速率來 控制膜的無序性程度。在蒸鍍源與基板之間有一擋板(shutter)，在一開始擋板先遮 住基板，等待至蒸鍍速率達要所要求且穩定時，再打開擋板開始進行蒸鍍，直到 膜厚達到要求，立刻關掉擋板，阻止蒸氣繼續沉積在基板上。
3. 冷卻過程：在做完蒸鍍後，基板與腔體會處於較高溫的狀態，此時不宜立刻破真 空或進行下一個動作，以防止樣品和其他物質發生反應。我們會等待 1 小時待其 冷卻，再進行下一個動作。
另外，若想要使膜有特定的圖形而不是均勻的覆蓋整個基板，可以在放入腔體前先用 金屬遮罩(metal mask)覆蓋基板或是在基板上作光微影的處理。
蒸鍍設備如圖 3-1。
3-1-2 成長氧化層
我們使用輝光放電(glow discharge)的技術來成長氧化層。先將腔體通入氧氣使之動 態平衡在一固定壓力，在基板與線圈間加一高電壓使氧氣游離，此時一些帶有激發電 子的氧離子就會往基板移動並與鋁反應成為氧化鋁，如圖示 3-3。
3-1-3 樣品製程條件及樣品資訊
我們使用康寧(Corning)玻璃作為基板，幾何尺寸為 9.6 mm×5.9 mm×0.5 mm，遮罩 為金屬遮罩，圖形及說明見圖 3-2。
蒸鍍所使用的鋁材為昇美達公司所生產的鋁線(Al wire)，純度為 99.999 %。蒸鍍用 的釔材為 Johnson matthey catalog company 所生產的釔片(Y chip)，純度為 99.9 %。蒸鍍 所使用的載具為鎢舟(W boat)。
在蒸鍍時基板與蒸鍍源距離大約 15 cm。抽氣系統為機械幫浦匹配渦輪幫浦，在蒸 鍍製程中腔體壓力保持在 10-6 torr。Al 膜製程蒸鍍速率約為 0.3-0.4 nm/sec，厚度為 20 nm。Y 膜製程蒸鍍速率約為 0.4-0.8 nm/sec(初始速率約為 0.4-0.6 nm/sec)，厚度為 60 nm。
在蒸鍍 Al 與 Y 膜之間需先成長ㄧ層 AlOx當作絕緣層，成長方式為輝光放電的技
術。工作時通入高純度氧氣使腔體壓力保持 0.1 torr 動態平衡，工作功率為 17 W，加在 線圈與樣品座上的電壓大約為 500 V。Al/AlOx/Y 穿隧接點樣品的氧化時間與室溫電阻 如表 3-1。
表 3-1 穿隧接點電阻與氧化時間
樣品編號 氧化層氧化時間 接點面積 室溫接點電阻
sec mm2 Ω
A 1800 0.5×0.8 170 B 1800 1.2×0.5 310 C 1800 1.2×0.5 490 D 3600 0.5×0.8 2300 E 3600 1.0×0.8 12700
討論:
一個好的穿隧接點的關鍵在於絕緣層，在成長絕緣層時，難免會有漏洞(pinhole)出 現，這些漏洞會使兩邊金屬直接接觸，造成漏電流。若漏電流過大時，樣品的微分電導 行為就不再是由穿隧機制所主導。減少絕緣層漏洞降低漏電流有以下辦法：1.縮小接點 面積，2.絕緣層增厚，3.使用緻密材料製作絕緣層。在我們的情況，我們使用金屬遮罩，
所以蒸鍍圖形的大小有一定的限制，所以接點面積就無法做的太小。而絕緣層厚度若是 太厚，穿隧電流會過小，在實驗量測訊號解析會有困難。氧化鋁本質上是一種緻密的物 質，且以我們的情況製作上方便，所以我們選用氧化鋁來做我們的絕緣層。
TP
MP V4
V2
V1 V3
高真空計 Ar
基板座 擋板 膜厚計
電極 蒸鍍材料 鎢舟
粗真空計
粗真空計 DC power supply.
17 W; ~ -500 V Plasma 線圈
0 V
TP
MP V4
V2
V1 V3
高真空計 Ar
基板座 擋板 膜厚計
電極 蒸鍍材料 鎢舟
粗真空計
粗真空計 DC power supply.
17 W; ~ -500 V Plasma 線圈
0 V
圖 3-1 熱蒸鍍系統示意圖。工作流程：1.封上腔門後，起動機械幫浦(MP)待其穩定，
先開 V2 閥門使用 MP 粗抽腔體至 5×10-2 torr 以下。2.關 V2 開 V1，將渦輪幫浦 (TP)管路抽至 5×10-2 torr 以下，啟動 TP，打開 V3，開始抽腔體。3.待至腔體壓 力到達 3×10-6 torr 以下(以我們的熱蒸鍍系統之 MP、TP 的匹配，時間大概需要 4-5 小時)，進行蒸鍍及氧化過程。4.完成蒸鍍及氧化過程後，等待 1 小時使腔 體與樣品冷卻。5.關掉 V3，關掉 TP，保持 MP 持續抽 TP 的空間與管路。此時 因為腔體壓力很低，腔門是無法開啟的，若要開腔門取樣品則開 V4 導入氬氣 使腔體回壓。6.TP 關閉兩小時後，則可關掉 V1，關掉 MP。工作完成。
Al/AlOx Y Al/AlOx
Y
(a) (b) (c)
Al/AlOx Y Al/AlOx
Y
(a) (b) (c)
圖 3-2 穿隧接點製成時所用之金屬遮罩圖形。(a) 蒸鍍 Al 膜及成長 AlOx所以用之遮 罩圖形。(b) 蒸鍍 Y 膜所使用之遮罩圖形。(c) 樣品完成後之示意圖。
Al AlO
x~ -500 V;
17 W
O2-ex
O2-ex
O2-ex O－ O－
O2-ex
O＋ O＋
O＋
O－ O＋
: An excited O2molecule
: An O－ion : An O+ion
P
O2~ 0.1 torr
Al AlO
x~ -500 V;
17 W
O2-ex
O2-ex
O2-ex O－ O－
O2-ex
O＋ O＋
O＋
O－ O＋
: An excited O2molecule
: An O－ion : An O+ion
P
O2~ 0.1 torr
圖 3-3 輝光放電示意圖。[23]
3-2 低溫系統
本節我們將介紹量測需用到的低溫系統。我們的穿隧接點樣品量測溫度範圍為 60K - 0.25 K，外加磁場到 4 T。依據量測上的需求我們需要用到兩種低溫系統，4He cryostat 及 3He refrigerator。以下將依序就這兩種系統做介紹。
3-2-1 4He cryostat(cryo)
我們所以用的為 Cryo Industries 所 製造之 4He cryostats(Model SVT-1572-SDI Insertable Storage Dewer Cryostat)。此系統可提供的溫度環境為 300-1.2 K。
3-2-1a 構造說明
構造示意如圖 3-5。Cryostat 主要為雙層結構，外層為真空夾層(insert insulating vacumm)，內層為樣品空間(sample space)。真空夾層的功用是防止熱由曝露在杜瓦瓶 (Dewar flask)外的部分導入樣品空間。內層樣品空間為放至樣品的地方，樣品座由一根 不銹鋼棒連接至上方的置入口。樣品空間連接了兩條管路，一個在上方可連接機械幫浦 抽氣，一個在下方連接針閥，液氦可經由針閥流入樣品空間。Cryostat 內有兩顆溫度計 (sensor)及兩顆加熱器(heater)，此部分會在稍後說明。
3-2-1b 降溫原理
在我們量測溫區的需求(60-2.2 K)，依溫度區間降溫方法可分為兩部分。1. 60- ~4.2 K。在此溫區內，降溫方法為利用機械幫浦使液氦流過針閥抽進樣品空間，因為此時樣 品空間的溫度高於液氦(L4He)的沸點溫度(4.2 K，1 bar)，所以瞬間蒸發成為 4.2K 的冷氦 氣，而我們就利用這種 4.2 K 的冷氦氣來跟我們的樣品作熱交換，帶走樣品上面的熱使 樣品冷卻至~4.2 K。2. ~4.2-1.2 K。在此溫區內，因為期望達到的溫度已經比液氦的沸點 還要低，所以上述的方法無法達到冷卻的效果。在此溫區我們使用減壓降溫的方式來冷 卻。我們知道液氦的沸點會與飽和蒸氣壓有關，壓力降低，沸點降低，如圖 3-4。在這 時候因為樣品空間的溫度已經達到 4.2 K 或以下，所以液氦會被抽進樣品空間，我們將
針閥關小或全關，機械幫浦保持抽氣，使樣品空間的壓力降低，此時在樣品空間內的液 氦所蒸發出來的冷氦氣其溫度就會低於 4.2 K，因此可冷卻我們的樣品使溫度降至1.2 K。工作示意如圖 3-6。
3-2-1c 溫度計與加熱器
4He cryostat 搭配有兩顆溫度計(sensor)及兩顆加熱器(heater)。兩顆溫度計都為 silicon diode，工作範圍為 1.2-325 K，其中一顆又經過校正，校正溫度範圍為 1.4-325 K；兩顆 溫度計一顆在靠近無氧銅樣品座附近，一顆在接近針閥管路與樣品空間的連接處。加熱 器有兩種類型。一顆加熱器為 Ribbon，電阻為 60 Ω，位於靠近無氧銅樣品座附近的位 置；另一顆加熱器為 Cartridge，電阻為 50 Ω，位置在接近針閥管路與樣品空間的連接處。
溫度計及加熱器位置如圖示 3-5。
圖 3-4 4He 與3He 蒸氣壓與溫度之關係。
圖 3-5 4He cryostat 構造圖。
抽氣
樣 品 座
針閥 冷氦氣
液化氦 L-4He
真空夾層 4He cryostat
Dewar flask 抽氣
樣 品 座
針閥 冷氦氣
液化氦 L-4He
真空夾層 4He cryostat
Dewar flask
圖 3-6 4He cryostat 工作示意圖。
3-2-2 3He refrigerator
我們所使用的3He refrigerator 為 Oxford 所製造之3He refrigerator(HelioxVL)。此系 統可掛載一 4T 超導磁鐵，提供量測時所需的外加磁場。此系統在超導磁鐵使用時建議 工作溫度範圍約 70 K-base trmperature(~0.25 K)。在實驗量測上，我們使用的溫度為 30 K -base temperature(~0.25 K)，外加磁場至 4 T。
3-2-2a 構造說明
3He refrigerator 構造如圖 3-7 所示。主要可分為三個部分，第一部份為儀器最上方，
我們稱為 A 段，包含有3He dump 及其上方的針閥電動馬達、訊號線接頭、超導磁鐵電 極、1K plate pumping line and valve 及 IVC pumping line and valve。。第二部分在儀器的 中間，我們稱為 B 段，外觀為一根中空的不鏽鋼管，其內部為連接第一段與第三段的訊 號線。第三部分在儀器的最下方，我們稱為 C 段，此為一個腔體 IVC(inner vacuum chamber)，拆下 IVC 後就是核心部分，其中有3He sorb、1K plate、3He pot、樣品座、五 顆溫度計及三顆加熱器。封上 IVC 後會有一個不銹鋼小管漏在外面，為 1K plate 管路，
其作用是將液氦(L4He)抽進 IVC 內的管路，管路內有一針閥，以 A 段的針閥電動馬達控 制此針閥大小，管路會從 IVC 上方進入 IVC 內，繞過3He sorb 及 1K plate，最後連接 A 段的 1K plate pumping line。超導磁鐵套在 IVC 的最下方，位置平行且正對著樣品座。
3He 平時儲存在3He dump，有一條管路接出通過 B 段到達 C 段，3He sorb 被包覆在
3He 平時儲存在3He dump，有一條管路接出通過 B 段到達 C 段，3He sorb 被包覆在