第三章 實驗方法
3.1 樣品製作流程及微影技術
微影技術是製做小尺寸元件時常用的方法。依據製做元件尺寸的大小，所適 用的微影製程又可分為光微影及電子束微影。本實驗中光微影技術所使用的汞光 燈源，其紫外光波長在 365nm 附近，可製做微米級大小之元件；而電子束微影 中之曝光源電子束，電子波長約在 0.008nm，可用於製作次微米級或奈米等級以 下之元件。因此在本實驗中，樣品外圍之金電極（最小線寬 5.0μm）由光微影
技術製作，內圈鎳平板線（最小線寬 0.18μm） 及連接在其上之金電極（最小 線寬 0.3μm）則以電子束微影來完成。圖 3.1 說明了樣品的整體製作流程。
圖 3.1 樣品製作流程圖。
3.1.1 光微影製程
光微影技術是半導體製程中常用標準的量產製程。將設計的微米級元件或電 路圖案，透過光罩大量轉移到晶圓上，稱做光微影。主要作法為在基板或晶圓上 塗佈光阻材料，利用光阻劑受光而改變鍵結狀況的特性，以光罩圖案選擇曝光區 域。經由與光阻材料配套的顯影劑進行顯影程序，將光罩圖案透光部分的光阻去 除，即可在晶圓上呈現所設計的微米級元件或電路圖樣。圖樣的解析度受到曝光 源波長的限制，而本實驗之曝光源為波長 365nm 之紫外光，其解析度足以用來 製作最小線寬為 5μm 之金電極。
1. 最外圍微米級 金電極
3. 連結 1. 與 2.
次微米級金電極 2. 中央微米級
鎳平板線
（1）光微影製程
（2）熱蒸鍍金＋舉離
（1）電子束微影製程
（2）熱蒸鍍鎳＋舉離
（1）電子束微影製程
（2）熱蒸鍍金＋舉離
本次研究工作中，樣品最外圍微米級金電極即使用光微影技術製作在切割成 6mm×6mm 的 SiN/Si 晶圓上。微米級金電極最外圍寬度約 200μm，中央金電極 最細部分寬度則約為 5μm，如圖 3.2。
圖 3.2 左圖為經由光微影製程製作之外圍放射狀金電極。電極中央最細線寬為 5μm。圈起部分為鎳平板線樣品及與其相連的電流接腳所在位置。右圖為樣品之 掃描式電子顯微鏡影像。位於中央的兩條平板線即為鎳平板線樣品，線寬分別為 w＝0.35μm 及 w＝0.55μm，線長 L＝60μm，厚度 t＝30nm。
光微影製程主要包含以下六個程序：塗佈光阻 → 軟烤 → 曝光 → 硬烤
（反轉烤） → 反轉曝光 → 顯影，之後再進行蒸鍍和舉離。不同的樣品有不同 的製程條件需求，以下針對本研究工作所需的金電極製程、製程目的及所需條件 進行說明。
1. 塗佈光阻
將切割好的晶圓置於光阻塗佈機中央的真空吸孔上方。滴上數滴光阻 AZ5214E，以前 10 秒 1000±5 rpm，後 40 秒 5000±50 rpm 的轉速進行旋塗。旋塗 出的光阻厚度約為 1μm，且均勻的光阻厚度可在晶圓上呈現出完整的牛頓環。
旋圖後晶圓側視圖如圖 3.3，邊緣會累積較厚的光阻。
圖 3.3 晶圓經光阻塗佈後的側視圖；在邊緣有因旋塗而累積的光阻材料。
2. 軟烤
旋塗光阻後的晶圓放到加熱器上，以 90℃軟烤 90 秒將光阻劑及晶圓上累積 的濕氣烤乾。
3. 曝光
曝光是將設計圖案印製在晶圓上的關鍵步驟。將烤乾後的晶圓送進曝光對準 機（Mask aligner）蓋上光罩，即可準備進行曝光。本實驗所使用的曝光對準系 統為 ABM Model 60 DUV/MUV/NearUV，曝光模式為「接觸式曝光」（contact mode）。系統的汞光燈源為波長約 365nm 的紫外光，以功率約 500W，約 20mW/cm2 的光源強度曝光 0.8 秒。
接觸式曝光模式的優點在於晶圓與光罩可密切貼合，使得光罩設計圖案印製 在晶圓上時不易失真。如圖 3.4 所示，曝光前用棉棒刮除晶圓邊緣凸起的光阻，
可使晶圓上的光阻材料與光罩做更緊密的貼合。
圖 3.4 晶圓曝光時的側視示意圖。光罩（Mask）灰色部分為光罩設計圖案中不 SiN / Si substrate
AZ5214E 因旋塗累積在邊緣的光阻
~0.5mm
SiN / Si substrate
Mask Mask AZ5214E
汞光燈
~0.5mm
4. 硬烤（反轉烤）
光阻經過第一次曝光反應後，放置於加熱器上以 120℃硬烤 90 秒；目的在 於將曝光後的圖案定型，以及將光阻劑極性由正轉負。
5. 反轉曝光
反轉烤後的晶圓再以相同強度及波長的汞光燈源在不加光罩的情況下曝光 20 秒。
6. 顯影
完成反轉曝光後的晶圓，泡入 AZ5214E 的顯影劑 AZ400 溶液中，以超音波 震盪器震盪 25 秒，此時不透光部分的圖案，光阻化學性質經反轉後溶於顯影液 當中，即可看見光罩設計的圖案顯現在晶圓上；取出晶圓，隨即再將其泡入去離 子水約 10 秒完成定影。定影完後的晶圓用氮氣吹乾。圖 3.5 為其側視圖。
圖 3.5 顯影步驟完成後，晶圓與光阻的側視情形。
7. 蒸鍍
將顯現元件圖案的晶圓送進熱蒸鍍系統，先後鍍上厚度 100Å 的鈦及 600Å 的金；蒸鍍後的樣品情況如圖 3.6。蒸鍍的環境條件由下表所示：
蒸鍍金屬材料 鈦（Ti） 金（Au）
真空腔壓力 ~1.5×10-6 torr ~3.4×10-6 torr 鍍率 ~0.5 Å /s ~5 Å /s
通過鎢舟電流 ~125 A ~110 A 金屬厚度 100±0.5 Å 600±5 Å 表 3.1 樣品熱蒸鍍金屬時使用的環境條件。
SiN / Si substrate
AZ5214E AZ5214E
圖 3.6 在晶圓上蒸鍍 100Å 厚的鈦及 600Å 厚的金之後的側視圖。
8. 舉離
熱蒸鍍完成，待樣品冷卻後由腔體取出。泡丙酮以超音震盪器震盪約 10 秒，
洗除晶圓上的光阻，即可看見晶圓上鍍金的電極圖案。再將其泡入去離子水將晶 圓上的丙酮洗除後用氮氣吹乾，樣品側視情況如圖 3.7。
圖 3.7 晶圓經過舉離過程洗除光阻後，剩下表面設計圖案的金屬電極。
經過上述步驟，章節初流程圖中的 1. 最外圍微米金電極即告完成。
3.1.2 電子束微影製程
電子束微影技術和光微影目的皆為透過特定的波源和配套的阻劑材料反 應，將元件圖案轉移至晶圓上。其做法和製程原理與光微影相同，主要包含三個 程序：塗佈 → 曝光 → 顯影，之後再進行蒸鍍和舉離。而電子束微影的曝光源 為電子束，配套電子阻劑為 Polymethyl Methacrylate, PMMA。
本實驗的曝光源電子束使用掃描式電子顯微鏡（Scanning electron
Microscope, SEM)）來產生，其電子束源為鎢絲。經電流加熱的鎢絲發射出電子，
經由外加 25KV 的電壓，可使電子加速經過數個線圈組合成的電磁透鏡，藉由羅 倫茲力 （Lorenz force）進行聚焦。經過聚焦後的電子束，打在樣品上的直徑大 小(spot size)約為 10nm。掃描式電子顯微鏡電子波長約為 0.008nm，解析度遠高
SiN / Si substrate
AZ5214E AZ5214E
SiN / Si substrate
600Å 金 100Å 鈦
電極 1µm
受光微影技術限制的次微米級元件圖案可利用電子束寫出，本實驗研究之鎳平板 線樣品（最小線寬0.18μm）及其和外圍微米金電極連結的電流腳（最小線寬 0.3μm）皆由專題生柯昇利用電子束微影技術製作。
顯影後的樣品，經過蒸鍍與舉離步驟可使設計的圖案鋪上金屬材料。其中金 電極厚度為 1200 Å ，主要磁性材料鎳平板線厚度則為 300 Å ，另外鍍上 30 Å 的 金防止樣品線氧化。