本研究的實驗內容分成兩個主軸，其一是以射頻磁控濺鍍鈀以及氧化 鈀薄膜製備裂隙型電極。其二是以側壁氧化層犧牲法製作奈米級裂隙，以 將低功函數的氧化鈀[3]應用於此電極結構。
第一部份係以 320 nm 微影製程配合濺鍍探討不同沉積參數所得濺鍍薄 膜對於場發射特性之影響，並改變靶材距離、沉積溫度、沉積時間…….等 參數，沉積表面結晶性或是粗造度及化性物性不同的鈀金屬電極，並改變 不同電漿氣氛以期得到功函數較小之氧化鈀以利電子穿隧效應形成。
第二部份乃是開發側壁氧化層犧牲法製作奈米級裂隙電極結構，可區 分為三大步驟，第一步驟為於矽單晶基材上成長氧化矽、多晶矽及氮化矽 多層膜，經過黃光微影及活性離子蝕刻機台製作出單側電極；第二步驟為 製作側壁氧化層，做為控制兩電極間奈米級裂縫寬度；第三步驟為沉積第 二電極材料與成型。
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3-2 磁控電漿濺鍍薄膜特性與電子場發射特性研究
本實驗流程以圖 3-1 所示，其基材係以六吋矽單晶晶圓，經過標準 RCA clean 後利用垂直爐管進行 100 nm 氧化矽成長，續以國家奈米元件實驗室 (National Nano Device Laboratories, NDL)所屬 I-Line 光學步進機進行電極區 域定義，而後以交通大學奈米中心之 E-gun 進行電極部份之沉積，所沉積 電極以 10 nm 的 Ti 當作附著層，由於白金活性較低不易氧化且不易與其他 元素產生化合物，故於 Ti 上沉積 40 nm 的白金當作電極，將光阻利用光阻 去除液撥的同時，一併撥離光阻上方之金屬層，即可定義出電極區域，如 圖 3-1(b)所示。
將已經定義出電極區域的六吋晶圓再次進行 I-Line 製程，利用其曝光 光源波長較短的優點可於左右兩電極間定義出長約 500 µm、寬約為 3 µm 之 長方形空白區域，並於此長方形中間具有一個寬度為 320 nm 的次微米裂縫 如圖 3-1(c)，圖中長方形空白區域乃是進行後續鍍膜所沉積的區域，而兩電 極間的 320 nm 裂隙即為電子產生穿隧效應之區域。
將前兩步驟完成後之晶圓使用真空電漿濺鍍系統進行鍍膜，經由 1 小 時的抽氣過程達到初始壓力 4×10-6 Torr，通入氬氣後調控抽氣速率將壓力調 整至 3×10-3 Torr 後，開啟射頻電漿至 100 W 進行兩分鐘的預打過程，目的 是去除靶材表面附著之氧化物與其他汙染物，而後調整抽氣速率至腔體達 到實驗所設定壓力值後，開啟射頻產生器進行射頻磁控濺鍍金屬鈀膜。如
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元件多層膜沉積
定義第一電極
第一電極成型
定義第二電極 側壁氧化層成長
真空電漿濺鍍第二電極
氧化矽遮蔽層蝕刻 3-3 奈米級裂隙電極元件製備流程
氧化矽絕緣層、氮化矽保護層、
蝕刻終點層、多晶矽第一電極、
氧化矽遮蔽層
NDL I-line
奈米中心 ICHDP-RIE
NDL TEL-5000、TCP9400SE
奈米中心 氧化擴散系統 NDL 高溫垂直爐管
NDL I-line
金屬鈀 射頻磁控濺鍍
氧化鈀 反應性射頻磁控濺鍍
稀釋氫氟酸(DHF)
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3-4 製程儀器
3-4-1 薄膜成長機台
本實驗使用國家奈米元件實驗室的化學氣相沉積系統進行薄膜製程，
機台分別為高溫及低壓水平爐管(ASM/LB45 Furnace system)、垂直爐管 (ASM Vertical Furnace system)用以進行製程中 TEOS oxide、Nitride 以及 N+Polysilison 薄膜成長。其薄膜成長原理為利用熱阻絲將爐管分成三段加熱，
以確保爐管內部溫度均勻性，並控制溫度、壓力及通入氣體流量進行薄膜 沉積製程。薄膜成長步驟為晶粒成核、晶粒成長、晶粒聚集、縫道填補後 形成膜結構。
氧 化 矽 製 程 乃 是 利 用 通 入 加 熱 至 40 οC 的 四 氧 乙 基 矽 酯 (tetra-ethyl-ortho-silicate, TEOS)氣體於低壓化學氣相沉積系統(LPCVD)內進 行溫度為 700 οC、壓力為 300 mTorr 所得。此製程所得到氧化矽具有極佳絕 緣性，於半導體產業界中廣泛應用於各種介電質層。
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3-4-2 活性離子蝕刻系統
本實驗使用交通大學奈米中心所屬感應耦合式高密度電漿活性離子蝕 刻機台(inductively coupled high density plasma reactive etching, ICHDP-RIE) 進 行 四 吋 晶 圓 多 層 膜 蝕 刻 ， 六 吋 晶 圓 氧 化 矽 的 蝕 刻 是 利 用 NDL 的 TE-5000(Tokyo electron Limited, 漢民科技代理)進行蝕刻，多晶矽的蝕刻則 是以 TCP-9400SE(LAM RESEARCH CO., LTD. 科林研發代理)進行。活性 離子蝕刻乃是一種物理、化學複合性的蝕刻法，利用通入 Ar、O2、CF4 及 CHF3 等氣體，使其氣體電漿化後進行濺擊蝕刻(sputter etching)及電漿蝕刻 (plasma etching)。濺擊蝕刻乃是將惰性的氣體分子如氬氣施以電壓，利用衍 生的二次電子將氣體分子解離或激發成各種不同的粒子，包括分子、原子 團、電子、正離子……等，正離子被電極板間的電場加速後濺擊基板，對 於被蝕刻物具有非常好的方向性，可呈現較為準直的形貌，但濺擊蝕刻對 於材料的選擇性較差，故無法對單一種材料進行濺擊蝕刻。電漿蝕刻則是 利用電漿將蝕刻氣體解離產生帶電離子、分子、電子以及反應性強、高活 性之原子團，此原子團與薄膜表面反應形成揮發性產物，經由真空幫浦抽 離腔體以進行蝕刻。電漿蝕刻的性質類似濕蝕刻，利用化學反應產生等向 性蝕刻，由於電漿離子和晶片表面的有效接觸面積較濕蝕刻溶液分子大，
因此蝕刻效率較佳。
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3-4-3 真空電漿濺鍍系統
本實驗使用聚昌科技代理型號為 Psur-100HC 雙靶材磁控濺鍍系統進行 金屬及金屬氧化物電漿濺鍍，其機台簡圖如圖 3-2 所示，可分成真空系統及 濺鍍系統兩部分。真空系統包括低真空壓力計與熱燈絲高真空壓力計分別 測量腔體真空度，腔體真空則是採用機械幫浦將腔體粗抽至 5×10-2 Torr 後，
利用分子渦輪幫浦將腔體抽至高真空(10-6 Torr)，並以此為實驗所定義的初 始壓力值。進行濺鍍時主抽氣閥門關閉，而通入純度為 99.999 %的氬氣(Ar) 及氧氣(O2)進入腔體內，分別以兩個質量流量控制器(mass flow controller) 控制導入腔體的氣體流量。此時利用較小口徑管路連通腔體及分子渦輪幫 浦，並於其中具有手動閥門(HvB)可調控抽氣速率來控制腔體內壓力，通常 將壓力調控於 10-2至 10-3 Torr 環境下以進行不同的濺鍍製程。濺鍍系統包 括兩個磁控濺鍍源，分別為直流及射頻電壓(13.56 MHz)使氣體解離成電漿 態後進行濺鍍製程，並分別於靶材後方放置磁鐵以施加磁場於靶材表面，
以增加電漿密度。此時濺鍍槍周圍氣體解離成電漿態，需導入冷卻水避免 磁鐵及靶材過熱，以免造成系統的損傷。
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Turbo
Pump MP
Hv Hv B
RF DC
MFC
MFC
Ar O
2N
2Vent
Rv
Fv
Substrate
Ion Gauge
GA
Turbo
Pump MP
Hv Hv B
RF DC
MFC
MFC
Ar O
2N
2Vent
Rv
Fv
Substrate
Ion Gauge
GA
圖 3-2. 真空電漿濺鍍系統示意圖
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3-5 分析儀器
3-5-1 掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)
使用型號為JOEL JSM 6500-F掃描式電子顯微鏡。掃描式電子顯微鏡是 利用電子槍產生電子束，經過電磁透鏡光學系統使電子束聚焦於試片表面 而激發二次電子，利用偵測器偵測此二次電子透過訊號處理放大後，即可 觀察試片表面形貌。因此，SEM主要用來觀察物體的表面狀態，特點為影 像解析度極高，放大倍率可達一萬倍以上，並且具有較長的景深，可以清 晰觀察如破斷面這類起伏程度較大的物體。
本機台所使用的電子槍系統是熱場發射式，其操作溫度為1800 K，可 避免大部份氣體分子吸附在電子槍表面，所以不需要flashing的步驟(短暫加 熱至2500 K)以去除所吸附的氣體分子。因此其電子槍壽命長、發射電流穩 定以及可於較差之真空度下使用。
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3-5-2 原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)
使用交通大學奈米所許鉦宗教授實驗室型號為 JEOL JSPM 5200 的 AFM 系統。AFM 可分為接觸式、非接觸式與輕敲式三種量測方式，接觸式 AFM 運作原理為利用探針貼近試片表面，探針與試片表面間將會具有凡德 瓦爾作用力，固定此反德瓦爾作用力來調整 Z 軸壓電材料的伸縮來控制探 針與懸臂樑在垂直方向的移動，此時藉由導入雷射光束探測懸臂形變量，
將訊號傳送至回饋控制電路處理並輸出到 Z 軸掃描器，可得等作用力之高 度輪廓，並且加以 X-Y 兩軸掃描器數據做探針與試片間之平面位移，即可 描繪出試片微區的表面形貌，做為紀錄試片表面型貌起伏的數據，由於凡 德瓦爾作用力為極小的力量(10-6至 10-10 N) 故可達到原子級的解析力。非 接觸式與輕敲式則是固定懸壁樑上下振動的頻率，當試片突起亦即探針與 試片表面距離縮短時，頻率會有所改變，藉由固定此頻率來量測試片表面 高低起伏，此為非接觸式與輕敲式的量測原理。借由 AFM 的分析可得到試 片表面型貌以及表面粗糙度、粒徑大小等參數。
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3-5-3 低略角 X 光繞射儀(grazing incident angle X-ray diffraction, XRD) 使用交通大學奈米科技中心的高解析度 X 光繞射儀(Bede，D1)進行薄 膜結晶結構分析，其光源為 Cu 靶的 Kα輻射線，光波長為 1.5418 Å。X 光 繞射儀的原理是利用 X 光進入晶體後會被原子晶面反射而在某些特定角度 產生繞射行為，利用這個繞射出來的峰值及峰值半高寬可解析出晶體的原 子結構以及其成分。採用入射 X 光為低略角的優點乃是當沉積薄膜厚度較 薄時，由於 X 光入射角較小使其穿透薄膜的距離增長可獲得較明顯的 X 光 繞射訊號。
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3-5-4 化學分析電子儀(electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA) 本實驗使用交通大學貴重儀器中心所屬化學元素分析電子儀進行鈀與 氧化鈀之鑑定，化學分析電子儀的原理乃是利用 Mg 靶所產生的 X 光與原 子產生反應，假若 X 光的能量(1253.6 ev)大於該原子內電子束縛能時，X 光 會激發該電子脫離原子而成為自由電子，經由電子能量分析器檢測出具有 不同動能電子之數量，則可分析出該試片中元素的成分以及濃度，故可稱 為 X 光光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)。假若試片中元 素乃是以化合物方式存在，則該元素對電子束縛能則會有改變，而於 ESCA 能譜中則會有束縛能位移的現象發生，稱為化學位移，經由化學位移的能
3-5-4 化學分析電子儀(electron spectroscopy for chemical analysis, ESCA) 本實驗使用交通大學貴重儀器中心所屬化學元素分析電子儀進行鈀與 氧化鈀之鑑定，化學分析電子儀的原理乃是利用 Mg 靶所產生的 X 光與原 子產生反應，假若 X 光的能量(1253.6 ev)大於該原子內電子束縛能時，X 光 會激發該電子脫離原子而成為自由電子，經由電子能量分析器檢測出具有 不同動能電子之數量，則可分析出該試片中元素的成分以及濃度，故可稱 為 X 光光電子能譜儀(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)。假若試片中元 素乃是以化合物方式存在，則該元素對電子束縛能則會有改變，而於 ESCA 能譜中則會有束縛能位移的現象發生，稱為化學位移，經由化學位移的能