第三章 樣品製作與量測技術
3.1 樣品製作流程
由於我們使用閘極侷域的方式產生彈道式傳輸範疇的電子系統，表面閘 極的尺寸需小於等於二維電子氣的平均自由路徑，換句話說需要製作出次 微米等級的閘極結構。樣品結構主要是利用微影技術完成，依序先由光微 影定義 5 微米以上較大尺寸部分的元件，再由電子束微影製作小於 5 微米 的結構，以下分為兩部分介紹樣品的製作流程，微影技術將另外再做詳細 介紹。圖 3-2(左)、3-2(右)分別為光微影、及電子束微影完成影像。
圖 3-2 (左)：SEM 拍攝光微影製程完成影像，顏色最深者(a)為平台結構，最亮者 (b)為歐姆接觸，(c)為金屬打線區；中央方框圈選處由電子束微影完成微小結構。
(右)：由 SEM 拍攝電子束微影製程完成影像，中央顏色最深者為絕緣層，覆蓋於 緣層上方為控制閘極，其他為跨線閘極，最微小結構的電子聚焦閘極位於絕緣下 方。另外四周的四個方形為對準子，為每層結構的相對座標定位點。
3.1.1 光微影製作流程( photolithography )
(a) 平台結構( mesa structure )
此結構主要是為了定義出二維電子氣的最大活動範圍，使二維電子 只在獨立平台結構內，以便限制電子活動路徑。首先用光微影技術，將 圖形轉移到塗布光阻的基板上，再利用濕式蝕刻將未被光阻覆蓋處移
除，最後用丙酮把剩餘光阻清除，即完成平台結構。所使用技術細節程 將另外介紹。圖 3-3(a)黑色區域即為平台，其下方才有電子可活動區域。
(b) 歐姆接觸( ohmic contact )
歐姆接觸連接樣品表面與二維電子氣層，有約 200 μm × 200 μm 大 小可作 wire bonding，進行後續電性量測。製作上依序使光微影定義圖 形，蒸鍍上所需金屬(鎳、金、鍺、鎳)，再舉離及熱退火使金屬擴散至 二維電子氣層，即完成歐姆接觸。另外，製作歐姆接觸時，為了讓接點 導電性質更好，我們會做一些基板表面處理，避免金屬與基板間有雜質 及氧化物存在。圖 3-3(b)之白色方塊即為接點，可滲入至下方電子氣層。
(c) 金屬閘極( metal gate )
金屬閘極用以加偏壓限制電子運動，使二維電子氣內形成窄通道；
而光微影製作的閘極線寬較寬，約 5 μm，主要連接外部打線區與內部更 細小的閘極結構。使用光微影、熱蒸鍍、舉離，即完成製作。圖 3-3(c) 中白色方塊區域，有 5 μm 線寬連接至中間 mesa 即為金屬閘極區。
3.1.2 電子束微影製作流程
(a) 結構閘極( structure pattern )
此為形成閘極侷域的最小結構，兩組相對的平行成對 QPC( Quantum Point Contact )，經加上負偏壓驅趕底下二維電子氣形成窄通道，使二維 電子氣產生類一維( quasi-1D )特性。單對 QPC 寬度 W( 450 nm )，相鄰 平行兩對 QPC 相距 L( 1.0 μm )，兩組 QPC 相鄰 d( 0.5 μm )，利用電子 束微影定義圖形(電子阻劑塗佈條件為：6% PMMA，30 秒 6000 r. p.m. )，
顯影，蒸鍍 100Å 的 Ti 和 800Å 的 Au，再舉離完成此結構。圖 3-5(a) 由於電子束移動 10 μm 後移回設定座標會有些許誤差，但我們很在 意每段閘極結構的相對位置，故把電子聚焦閘極切作兩個部分，相對位 置極重要處先曝光，再寫此閘極外部，以減少移動造成的位置誤差；另 外，電子束寫圖形的先後順序也可能造成移動誤差，因此寫相對位置極 重要的圖形，需特別注意寫圖形的先後順序。
(b) 絕緣層(insulator)
為避免結構閘極與控制閘極導通，並期望獨立控制結構閘與控制閘 極偏壓大小，故在結構閘極上製作一層絕緣層。絕緣層的製作經定位點 精確的覆蓋在指定位置上，PMMA 經電子長時間曝照，將變性而無法溶 解於丙酮中形成絕緣層，此絕緣層厚度與電子阻劑濃度及塗佈厚度有 關，而絕緣層厚度與介電係數決定於電子曝照劑量，如圖 3-4。使用濃 度 6% PMMA，塗佈條件 30 秒 5000 r.p.m.，電子曝照劑量 18 nC/cm，此 條件下製作出絕緣層厚度 1500Å ，圖 3-5(b)中黑色區塊即絕緣層；由上 下層閘極作 junction IV 漏電流測量得知電阻約為 1012 Ω。
圖 3-4 曝光劑量與絕緣層厚度關係圖，絕緣層厚度由 AFM 量測取得，使 用 6% PMMA，旋轉塗佈時間 30 秒。
(c) 跨線閘極(cross-gate)與控制閘極(top-gate)
跨線閘極用以連接結構閘極與光微影製作的金屬閘極；控制閘極則 控制絕緣層下通道的電子密度。由於這兩種閘極需完整的覆蓋並連接較 厚的絕緣層與光微影製作的金屬閘極，所需蒸鍍金屬厚度較厚，由 100 Å 的 Ti 及 1400 Å 的 Au 構成，使用電子阻劑厚度也相對加厚(10% PMMA，
90 秒 6000 r.p.m.)，方可得到較佳的舉離成功率。圖 3-5(c)
圖 3-5 由 SEM 拍攝電子束微影三道製程細部圖。(a)電子束微影製程中最小結構，