基板的選擇與表面的乾淨度，對薄膜、電性、元件品質有決定性的影 響。為了配合目前半導體製程，本實驗採用的基板為 Si-Tech Inc 公司生產 之 n-type 之四吋矽晶圓。
3 . 1 茶葉黑色素非晶態薄膜、自組裝結構的製作
茶葉黑色素薄膜成膜、或自組裝結構形成前，須先清潔基板上殘餘的 各種雜質，為除去基板表面在物理或化學的研磨及拋光時留下來的有機 物、化學氧化物、微小粒子、鹼金族離子等等，必須使用 RCA clean，以獲 得乾淨的基板表面，而清洗徹底的程度，對未來即將附著在其上的茶葉黑 色素的型態與性質有決定性的影響。清洗步驟如下：
每一步驟「前」、「後」與「之間」均需使用 D.I. water 清洗五分鐘。
用加熱器（Hot plate）加熱十到二十分鐘(75~85℃)，以除去基板上的有
吸取定量溶液，如此可在有限面積形成許多不同條件的薄膜；或利用玻璃 培養皿浸泡晶片，如此可得大範圍厚度均勻的薄膜。
3 . 1 . 2 非晶態薄膜成膜過程
將尚未乾燥之晶片，放入培養箱（Incubator）進行乾燥成膜處理，使溶 劑揮發消失，形成非晶態薄膜。在此過程中，薄膜特性的好壞與否大多取 決於乾燥時間的長短。黑色素薄膜在乾燥時間過長時，會因體積收縮太快 而導致薄膜裂縫的生成。本實驗選擇恆溫 37℃，以濃度決定乾燥時間，不 同濃度配合不同持溫時間，高濃度時間短，低濃度時間長，一但薄膜形成 即立刻將晶片取出培養箱。以濃度 1%、體積 100µL 的溶液為例，所需要的 時間約為 20 分鐘，而 0.125%、相同體積的溶液約需要 30 分鐘。
3 . 1 . 3 自組裝結構形成過程
將尚未乾燥之晶片，放入培養箱（Incubator）進行乾燥成膜處理，使溶 劑揮發消失，形成非晶態薄膜。將已經覆蓋非晶態薄膜的晶片，以噴灑器
為 10 cm，接著將晶片上的液體去除，放置在室溫下等待晶片自然乾燥。因 外界濕度、溫度等影響，均會造成結構的破壞，因此乾燥後所得之自組裝 結構須妥善保存，避免儲存於溼熱的場所。
3 . 2 . 非晶態薄膜性質分析
3 . 2 . 1 光學顯微鏡 ( Optical Microscopy，OM ) 分析
利用光學顯微鏡 ( Optical Microscopy，OM ) 分析，可以觀察各種 成膜條件下薄膜的表面形態(Surface morphology)。
3 . 2 . 2 掃瞄式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）分析
利用掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscopy, SEM)可以觀察各 種鍍膜條件下薄膜表面的組態(Surface morphology)，使用機型為國家奈米元 件實驗室 HITACHI S-4000 型之掃描式電子顯微鏡，操作時加速電壓為 30 KV，以冷陰極場發射成像觀察薄膜表面型態。
3 . 2 . 3 半導體元件參數量測系統 ( Semiconductor Electrical Parameter Measurement ) 分析
利用半導體元件參數量測系統 ( Semiconductor Electrical Parameter Measurement )可以觀察各種成膜條件下，薄膜導電的特性。使用機型為國 家奈米元件實驗室，半導體元件參數量測系統，型號為 HP 4156，以 Diode mode 操作，利用奈米圖形，60 nm 和 80 nm nanogap，來測試茶葉黑色素 非晶態薄膜的電流—電壓曲線圖。
如無機半導體利用摻雜改良電性一般，有機半導體則是利用氧化的方 式進行摻雜。本實驗利用通氧方式進行茶葉黑色素溶液的氧化，並且利用 nanogap 進行電性量測。
3 . 2 . 4 光學密度(Optical density，OD)分析
利用光學密度(Optical density，OD)分析儀，我們可以取得茶葉黑色素 薄膜的吸收光譜，再藉由 Tauc model 換算得到薄膜的 Energy gap。
內加溫至 37℃進行乾燥，接著使用的光學密度分析儀進行分析。
3 . 3 自組裝結構性質分析
3 . 3 . 1 掃瞄式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscopy，SEM）分析
利用掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscopy, SEM)可以觀察自 組裝結構的表面形貌(Surface morphology)。使用機型為國家奈米元件實驗室 HITACHI S-4000 型，操作時加速電壓為 30 KV，以冷陰極場發射成像。
3 . 3 . 2 X 光繞射（X-Ray Diffraction，XRD）分析
Ｘ光射線繞射法(X-ray diffraction, XRD)為一種簡單、直接、非破壞性 的分析方法，可用在製程開發的早期階段分析薄膜。布拉格（W. L. Bragg）
認為 X 光在進入晶體中時，會被原子所組成之晶面所反射，如圖 3 . 1 所示。
θ
d
圖 3 . 1 布拉格繞射圖
當入射光被兩相臨晶面所反射，兩反射光束會有一光程差，由布拉格 繞射定律（Bragg’s Law）：
2d sinθ= nλ （3 - 1）
其中 d 為晶面距離，θ 為入射光與晶面夾角。
當光程差為光源波長 λ 之整數倍時，各光波之振幅會有加成之效果，
而形成建設性干涉。由於 X 光波長遠較可見光或紫外光短，可視晶格為三 度空間光柵，用來從事材料內部原子結構的分析工作。X 光繞射儀（X-ray diffractometer，XRD） 之原理，即為固定 X 光波長 λ，改變入射角 θ，用 以求得晶體之面距，如圖 3 . 1 所示。
使用的機型為清華大學貴儀中心 Rigaku XRDＸ光繞射分析儀，來研究
下：
X 光源為銅靶（Cu K, λ=1.54056Å），繞射角度 2θ 為 60º~80º，掃瞄速 率為 4.000 deg/min，操作電壓為 30kV，電流為 20mA。
3 . 3 . 3 半導體元件參數量測系統 ( Semiconductor Electrical Parameter Measurement ) 分析
為了進一步了解茶葉黑色素非晶態薄膜與其自組裝結構的性質差異，
我們利用半導體元件參數量測系統 ( Semiconductor Electrical Parameter Measurement )來取得自組裝結構的電性數據。
3 . 4 元件製作
3 . 4 . 1 熱蒸鍍（Thermal Evaporation）
利用直接加熱的阻抗源（resistance source）︰通常是由像鎢般具有高電 阻係數材料所製成，將這些材料壓成薄片而中間深凹，以使蒸鍍的材料放 置其中。當電流通過時，凹槽受熱而使得欲蒸鍍材料熔解蒸發，以蒸鍍於 晶圓上，其主要限制是鎢的熔點約 1400℃，可適用於金，鋁及鎂等較低熔 點的金屬，而鉻的熔點較高，在其溫度限制邊緣。此方法基本上屬於蒸氣 凝結過程，所以基體本身的溫度會影響膜的變形與否。
3 . 4 . 2 剝離成形（Lift-off patterning）
光阻是一種感光的材料可分為正光阻及負光阻，正光阻經曝光顯影 後，會得到與光罩相同的圖案；反之，負光阻則得到反相的圖案。由於正 光阻的解析度較佳，且顯影及去除都較負光阻簡單，因此常被用於小線寬 的微影製程中。本研究依製程的需求使用正光阻 FH6400，FH6400 為薄膜 光阻，厚度在 1µm 左右。
顯影是利用曝光部分及未曝光部分之光阻在顯影液中溶解度的差別，
將溶解度高的部分去除，來進行圖形的定義。如正光阻曝光後其鍵結被打 斷，可將之溶解，未曝光部分則存留，使圖形出現。微影製程完成後就可 進行薄膜的成膜或蝕刻工作，當光阻的利用結束後，利用丙酮（Acetone）
來去除光阻。
而剝離成形（Lift-off patterning）製程則是利用需有金屬區域之光罩，
黃光製程後，蒸鍍金屬上去，再利用蝕刻方式將犧牲層溶解以剝離其他區 域的金屬附著。此種方法對於無法利用蝕刻達成之金屬圖樣特別有用。步 驟如圖3 . 2所示。
1. 旋塗上光阻，進行光罩曝光。
2. 定義光罩圖案。
3. 蒸鍍上金屬。
4. 藉由 ACE 溶去光阻，帶走光阻 上的金屬，留下所需金屬圖案。
圖 3 . 2 lift–off 流程圖
3 . 4 . 3 元件製作流程
我們所採用的基板規格如下：n-type 的 4 英吋矽晶圓。
1. 所有製程均依據 RCA clean 清洗並去除水分。
2. 使用爐管進行濕式氧化法，成長 5000Å 二氧化矽（SiO2）作為電性隔絕 層。
3. 第一道光罩：
(a) 將晶片置入烤箱，以 150℃烘烤 30 分鐘，以確實除掉表面水份。
(b) 上 HMDS，以確保正光阻 FH6400 在表面的附著。
(c) 旋塗上正光阻 FH6400，第一階段轉速 1000 rpm，10 sec，第二階段轉 速 5000 rpm，30 sec。
(d) 軟烤（soft bake）：80℃，3 分鐘。
(e) 曝光：使用 Karl Suss 曝光機，不加濾鏡，曝光時間為 8 秒。將金電極 的圖案先定義於基板上。
(f) 顯影加定影：浸入顯影液 AZ300 中大約 60 秒後，等待至晶片停止溶出 紅色水煙。再浸入純水中 30 秒定影，以氮氣吹乾。
(g) 硬烤（hard bake）：120℃，3 分鐘。
(h) 金屬化：以熱蒸鍍機（Thermal coater），於晶片上先蒸鍍上 200 Å 厚的 鉻（Cr），再在其上蒸鍍上 2000Å 厚的金（Au）。蒸鍍鉻當作黏著層
（adhesion layer），以增加金與晶片的結合度。
(i) lift-off 製程；將鍍好金的晶圓置入丙酮（Acetone）中，使蒸鍍於光阻 上的金和鉻隨光阻的溶解而脫落，為確定完全脫落，可將丙酮振盪。如 此一來，即可將光阻上方的金屬層一併剝離，只留下金電極的圖案於基 板上。
本論文將以上各節所述各部分加以整合，初步建立一套元件系統，並 利用此系統做茶葉黑色素特性分析的工作，獲得良好的實驗結果。