我們主要是用磁電阻量測的方式來探討微米尺度下的Co及表面氧化的平板 線。本章中，將會介紹製程上需用到的微影技術和各種量測所用到的儀器，圖3-1 是我們樣品製作及量測的流程圖，圖3-2微影技術所做出來的樣品圖。
光微影製程 熱蒸鍍法製作微米的電極(10 nm Ti 60 nm Au)
電子束微影第一道
利用濺鍍製做Co平板線(約30 nm) Au 3 nm 防氧化 利用濺鍍製做Co平板線不鍍Au
放置在空氣中做氧化，最後再鍍Au防氧化
利用熱蒸鍍法製作連接Co平板線與微米尺度電極的 Au跨線
低溫系統 降樣品降溫到10 K
外加平行膜面的磁場做
磁電阻量測 轉動樣品台的軸改變外加磁場與樣品長軸的角度
0
0(LMR)~90
0(TMR) 電子束微影第二道
圖 3-1 樣品製做及量測的流程圖。
圖 3-2 SEM 不同倍率下拍出的兩張樣品俯視圖。右圖則為虛線方框部分樣品 的放大圖，灰色直線為 Co 樣品，亮白色跨線為金電極。
3-1 微影技術
微影技術是一項重要的製成技術，被普遍應用於製作奈米或是微米尺度的元 件上，我們的樣品製作主要是利用光微影(photolithography)及電子束微影(e-beam lithography, EBL)來完成。光微影的解析度與光源的波長有關，目前大量使用的 是深紫外光(deep ultra violet, DUV)，而我們實驗室使用的則是i-line(利用汞燈所 產生的)；電子束微影的解析度則與電子的波長有關，而電子束的波長很短，所 以繞射效應很小，能達到很高的解析度。但是在製作大尺度的電極時，為了節省 時間及考慮產量和良率，因此在微米尺度的電極製作上，會使用光微影技術。則 在製作更小尺度的Co線，則使用電子束微影技術。
3-1. 1 電子束微影技術
電子束微影技術需用到掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM )的電子束為曝光源。本實驗所使用的掃描式電子顯微鏡為HITACHI S-3000H，透過加熱鎢絲，當到達足夠溫度時，發射出電子束，並以柵極給予電 子20 kV 的加速電壓，之後電子束經過數個線圈及電磁透鏡，我們知道加速的電 子在磁場中會受到Lorentz force，使電子束聚焦，最後到達樣品台時，電子束的 孔徑大小(spot size)約為10 nm。
我們在製作需要的圖形，將基板塗上一層電子阻劑(PMMA)，並利用阻劑受 到高能量電子束照射時會產生化學變化可溶於顯影液(MIBK)中，因此我們可以使 用繪圖設計軟體(Design Cad)設計需要的圖形，並使用Nanometer Pattern
Generation System (NPGS) 透過beam-blanker 控制電子束照射在設計的區 域，之後便可顯影出電子阻劑上的圖形；最後利用濺鍍系統鍍上金屬材料Co，用 丙酮溶解電子阻劑並舉離掉不需要的部份，便能製作出我們所設計的結構。本實 驗樣品所使用的基板為一表面鍍上SiN的Si(100)基板(silicon wafer)。而在電子阻 劑方面，我們選用的方式有單層和雙層兩類方式：
單層阻劑：製作方式使用的是495的PMMA
6
%雙層阻劑：製作方式是使用乙酸丙酯、A5 PMMA5%組合的double layer
我們Co系列的樣品，可能由於實驗上使用的阻劑方式不一樣，而使結果有所 差異，我們一開始使用的是雙層阻劑的方式來做樣品，但是後來發現使用單層阻 劑方式製作出的樣品較符合我們所預期的量測結果，所以我們的樣品大多數是用 單層阻劑的方式，除了A1系列(見4-1分類表)的樣品是用雙層阻劑方式，我們的金 跨線部分也是使用單層阻劑的方式來製作。
以下介紹電子束微影製程的基本步驟，分為單層阻劑和雙層阻劑的方式來做 介紹。
單層阻劑：
1. 塗佈(Spin)：
首先將基板用丙酮、酒精清洗乾淨，用氮氣吹乾後，利用旋轉塗佈機(spinner) 在基板塗上一層電子阻劑PMMA
6
%，使用3000 rpm持續轉55秒，旋轉完後阻劑厚 度約300 nm，如圖3-3(a)。2. 烘烤(Bake)：
將塗佈後的基板放置在180℃的加熱板上烘烤5分鐘，使電子阻劑內的有機溶 劑揮發而固化。烘烤完後可以藉由PMMA的反光顏色判斷是否有灰塵掉在上面而 造成spin出來的厚度不均勻，如有需要則重新清洗及塗佈。
3. 曝光(Exposure)：
使用由Design-CAD 設計好的圖形，之後將塗上電子阻劑的基板放入掃描式 電子顯微鏡的樣品台上，藉由NPGS及beam blanker與掃描式電子顯微鏡的連接，
電子束就會依照我們所設計的圖形打在電子阻劑上，此過程稱為曝光，如圖 3-3(b)。
4. 顯影(Development)：
電子阻劑被電子束照射過後，其原子鍵結被電子束打斷而產生化學變化，使 其可溶解在顯影液中；我們使用的顯影液為MIBK(methyl isobutyl ketone) : IPA(isopropyl alcohol) 1：3 的比例配製的溶液，先將樣品泡在顯影液內75秒，
再將樣品泡在定影液(IPA)內25秒，之後迅速用ＤＩ－ｗａｔｅｒ做清洗，然後 用氮氣吹乾。顯影過後，電子阻劑被電子束打過的地方會被顯影液溶解掉，形成 一個凹槽。如圖3-3(c)。
5. 濺鍍
將樣品放入濺鍍系統裡製作我們所需的材料，如圖3-3(d)。(濺鍍請參考 3-3 )
6. 舉離(Lift-off)：
電子阻劑會溶解在丙酮，所以最後將樣品泡在丙酮內去除樣品上剩餘的電子 阻劑，將履蓋其上的材料也一併去除，如圖3-3(e)。我們便可把Design-CAD所繪 的圖形轉移到基板上。
(a)塗佈
(c)顯影後
(d)濺鍍
(e)舉離過後
圖 3-3 電子束微影製程的流程圖。
SiN PMMA
SiN PMMA
SiN PMMA
(b)電子束照射
PMMA Co
SiN
SiN
雙層阻劑方式：
1. 塗佈(Spin)：
首先將基板用丙酮、酒精清洗乾淨，用氮氣吹乾後，利用旋轉塗佈機(spinner) 在基板塗上一層乙酸丙酯，使用3000 rpm持續轉55秒。
2. 烘烤(Bake)：
將塗佈後的基板放置在180℃的加熱板上烘烤5分鐘，使乙酸丙酯內溶劑揮發 而固化，在基板上形成一層PMMA，具有該有的烘烤完後反光顏色。
3. 再次塗佈(re-spin)：
將烤好乙酸丙酯的基板再次放到旋轉塗佈機(spinner)上，將基板塗上 PMMA5%，使用3000 rpm持續轉55秒。
4. 再次烘烤(re-bake)：
將塗了PMMA5%的基板放置在180℃的加熱板上烘烤5分鐘，使PMMA溶劑揮 發而固化，在基板上形成一層PMMA，具有該有的烘烤完後反光顏色。
5. 之後曝光、顯影、濺鍍、舉離均同單層阻劑的製作方式。
兩種阻劑方式的差別：
如圖3-4，雙層阻劑底部的乙酸丙酯與電子會有較多的反應，底部電子阻劑 被顯影掉的較多；單層阻劑底部電子阻劑被顯影掉的部分比較小。
SiN SiN
乙酸丙酯 PMMA 6%
電子束 電子束
SiN SiN
顯影過後 顯影過後
PMMA 5%
圖3-4 雙層阻劑與單層阻劑製做示意圖。
除此之外，如圖3-5，我們也明確在SEM影像看到兩方式做出來的Co線差異，
左圖做出的Co線明顯有兩層的現象，而右圖做出的Co線看起來沒有外層淺色的 包覆層。
圖3-5 SEM下的Co平板線影像，左圖為雙層阻劑做出的Co線，
右圖為單層阻劑做出的Co線。
3-1. 2 系統參數對樣品製程的影響
我們做出來的樣品，其形狀和大小並非如我們所設計的完全一樣，主要因素 如下做探討：
a.
電子束的電子濃度在NPGS系統中，我們可以設定劑量(dose)來調整電子束打在所設計的圖形 上，劑量的設定可分為三種方式：Area dose、Line dose、Point dose，如圖3-6。Area dose主要是計算每單位面積要打多少電量的電子束下去；Line dose主要是計算每 單位長度要打多少電量的電子；Point dose則是計算一個點要打多少電子束的電 量。三種方式可以互相做換算。
Area dose
Line dose
Point dose
圖3-6 三種方式電子束劑量及打在繪製圖形上的示意圖。
電子阻劑所接受到的電子愈多，被顯影掉的部份會愈大，產生的圖形可能會 比原先設計的寬；電子過少的情形，顯影後產生的圖形不僅比原先設計的圖形來 得窄小，更甚者，會使金屬無法緊貼基板表面，可能造成舉離後金屬與電子阻劑 一起被舉離而殘留破碎的圖形。
b.
Design-CAD 所繪製的圖形雖然在Design-CAD 我們所繪的圖形有固定的長寬，但實際製作出樣品的線 會依劑量數的不同長寬略有不同，這時可將設計線寬與劑量做搭配來得到想要的 寬度。根據實驗結果，如果想要製作出寬度為0.7 μm，長度為30 μm 的線，固定 劑量為1.2 (nC/cm)的情況下，在Design-CAD設計一個寬度為0.6 μm，長度為28 μm 的線，製作出來的線寬會最接近我們要的需求。
結果，一般金屬薄膜厚度需大約為電子阻劑厚度的三分之一以下，被視為較理想 的情況，在此狀況下舉離較不容易有翹邊及失敗的問題(實際上還是要看鍍的金 屬，不同的金屬有不同的最佳厚度比)。
3-2 光微影技術
此技術是先在光罩上做出我們所需要的圖形，再利用曝光機將光罩上的圖形 轉移至基板表面的方式，基本製程包含spin光阻劑、軟烤、曝光、顯影、硬烤，
大致上跟電子束微影技術的原理是差不多的，曝光源由電子束改為紫外光，電子 阻劑換成光阻劑；實驗使用的紫外光波長大約365 nm，所以目前製作最小線寬大 約2 μm，若要製作次微米的線寬，則必須用到波長254 nm DUV或更短波長的光 源。本實驗光微影所使用的曝光方式為接觸式曝光(contact printing)。接觸式曝光 的優點是圖形在轉移的過程中較不易失真(解析度會較好)；缺點則是因為光罩直 接蓋在光阻上面，光罩容易沾上光阻或其他污染物，所以必須隨時注意做必要的 清洗，當多次使用後的圖形邊邊接角剝落，則必須更換光罩。
我們主要利用光微影技術在基板上製作圖上較粗的金電極以連接樣品的粗 跨線和電性量測系統，圖3-8為光微影完成後的樣品，靠近中央部份電極寬度 5 μm，外圍電極寬200 μm，其中央部為電子束微影製作樣品的地方，ABCD為電 子束微影的定位點，外圍方塊等區塊則是之後打線量測用。光微影部份主要是由 王惠潔及學弟沈書文、簡駿帆製作。
A B
C D
圖 3-8 左圖為 SEM 放大的光微影圖一區的完整圖形(約 2.5 mm×2.5 mm)，灰色是 金接腳，而外圍方塊的亮原點為打線殘留金點；右圖為中間方框部分的放 大圖。
3-3 濺鍍系統(sputtering)
濺鍍技術在半導體產業中應用非常廣泛，主要使用在生成金屬薄膜。一般濺 鍍的方法為直流濺鍍及射頻濺鍍，我們主要使用直流濺鍍來鍍我們的磁性材料 Co 和其有關氧化的樣品。
直流濺鍍的原理是在一個真空腔體內通入氬氣(Ar)，之後在濺鍍槍的兩極間 施加一高電壓，使周圍的氬氣被游離成帶正電的離子(Ar+)，眾多的正離子束被電 場加速撞擊靶材表面的原子，使表面的原子獲得氬離子的能量而濺射出來，之後 在基板上鍍出一層鈀材材料的膜層。不同於熱蒸鍍方法(之後會介紹)，電漿狀態 的氬離子衝撞及濺鍍鈀材材料才是濺鍍的主要機制。而我們實驗使用的濺鍍機如
直流濺鍍的原理是在一個真空腔體內通入氬氣(Ar)，之後在濺鍍槍的兩極間 施加一高電壓，使周圍的氬氣被游離成帶正電的離子(Ar+)，眾多的正離子束被電 場加速撞擊靶材表面的原子，使表面的原子獲得氬離子的能量而濺射出來，之後 在基板上鍍出一層鈀材材料的膜層。不同於熱蒸鍍方法(之後會介紹)，電漿狀態 的氬離子衝撞及濺鍍鈀材材料才是濺鍍的主要機制。而我們實驗使用的濺鍍機如