我們是利用磁電阻量測來探討微米線寬的 Co 平板線以及 Co 與 CoO 的兩層結構的 平板線的磁區變化。所以在本章節裡，我們將詳細地介紹實驗過程中所用到的製程技術，
包括光微影製程以及電子束微影製程；薄膜沉積的部分有濺鍍系統和熱蒸鍍系統；最後 介紹的是量測時所使用的低溫系統以及量測系統。
以下是整個實驗的流程圖:
圖 3-1 實驗流程圖。
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3-1 光微影製程技術
在現今的半導體工業中，光微影製程是一項不可或缺的技術，主要是利用光罩將設 計好的元件轉移到晶圓上以達到量產的目的。而在本實驗中，我們利用此技術來製作我 們樣品最外層微米尺度的電極。我們樣品最外圍的用來打線的電極寬度為200μm，而用 來與我們的樣品線做接觸的部分最小線寬是5μm，如下圖所示：
圖 3-2 左圖是光微影完成品利用 SEM 倍率 45 倍下所拍的照片；右圖是左圖在紅色圈圈 部份在倍率 1k 下的放大圖。
光微影製程實驗步驟如下：塗佈→預烤→曝光→反轉烤→全曝→顯影→蒸鍍→舉離。
接下來會對各步驟做細部的說明。
(1) 塗佈
在 SiN/Si 基板上滴上光阻劑 AZ5214E，利用旋轉塗佈機設定前 10 秒 1000 r.p.m.及 40 秒 5000 r.p.m.，塗佈完成的光阻厚度約為 1μm 左右，塗佈完需確認光阻是否均勻，
或者有無附著雜質，若發現有上述情況發生，則用丙酮將光阻劑清洗掉重新塗佈。塗佈 完成後，在機板最外圍的光阻厚度會較厚，如下圖 3-3，所以我們利用棉棒沾丙酮將其 擦拭，否則在曝光時會因為光阻厚度不均勻而造成影響。
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圖 3-3 光微影塗佈示意圖。
(2) 預烤
將塗佈好的基板放到加熱板上，以 90oC 預烤 90 秒，將光阻劑中的溶劑蒸發掉。
(3) 曝光 光罩使用前要先用丙酮擦拭並吹乾才可放上光罩對準機(Mask aligner)，將光罩 上的圖型對準我們的基板，本實驗是使用接觸式曝光(contact exposure)，將基板與光 罩間的空氣抽走，使光罩跟基板緊密貼和，以波長 365nm，光源強度為 20mW/cm2 的紫外光曝光 0.8 秒，如圖 3-4。
接觸式曝光的優點是在圖型轉移的過程中因為直接與樣品接觸，所以解析度較 高；缺點是光罩跟光阻劑直接接觸，容易對光罩造成汙染，過程中要隨時注意光罩 清潔，若是光罩髒了則必須重新擦拭，使用一段時間後則必須替換光罩。
圖 3-4 光微影曝光示意圖。
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(4) 反轉烤
光阻經過曝光後，放在加熱器上以 120oC 烤 90 秒；因為本實驗所使用的光阻劑 AZ5214E 為正光阻，此種光阻的特性為經過曝光後的部分在 120oC 的溫度下會改變 其結構，使其不溶於顯影液，以達到圖型反轉的效果，所以稱做反轉烤。
(5) 全曝
將反轉烤後的基板，以光源強度為 20mW/cm2的紫外光曝光 20 秒，此步驟會將 原本未曝光的光阻經過曝光，溶於顯影液。
(6) 顯影
將完成上述步驟之基板泡入顯影液(AZ400K:DI Water＝1:4)中，放入超音波震盪 器震洗 20 秒，再拿出來浸泡 5 秒後，放入去離子水浸泡 30 秒再用氮氣吹乾，如圖 3-5。
圖 3-5 光微影顯影示意圖。
(7) 蒸鍍
利用蒸鍍系統蒸鍍 10nm 厚的鈦與 70nm 厚的金，如圖 3-6。
圖 3-6 光微影蒸鍍示意圖。
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(8) 舉離
將蒸鍍完的樣品泡入丙酮以超音波震盪器震洗 20 秒，在放入去離子水內 10 秒
，即可完成我們的微米尺度電極，如圖 3-7。
圖 3-7 光微影舉離示意圖。
3-2 電子束微影製程
電子束微影是用來製作我們的樣品線，以及與外層微米電極接觸的跨線，其原理與 光微影類似，但因為我們的樣品線的尺度更小(最小到 0.2μm)，已超過我們光微影所能 達到的極限，所以利用電子束微影的方式來製作。
我們所用到的機台是 HITACH S-3000H 的掃描式電子顯微鏡(Scanning electron microscope ,簡稱 SEM)，是一種熱阻式電子顯微鏡，通過一電流來加熱鎢絲，當達到特 定溫度會發射電子束，之後外加一個 20 kV 的加速電壓，經過一連串的電子透鏡聚焦後 打在我們的電子阻劑上造成曝光。
3-2.1 電子束微影實驗步驟
電子束微影的實驗步驟如下：塗佈→預烤→曝光→顯影→鍍膜→舉離。接下來會對 各步驟做詳細說明。
(1) 塗佈
將基板放上塗佈機並滴上 6%的 PMMA，以 55 秒 3000 r.p.m.塗佈，塗佈出來的
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電子阻劑厚度約 330nm；或製作樣品線實，以 55 秒 2000 r.p.m.塗佈，塗佈出來的電 子阻劑厚度約 380nm。
(2) 預烤
將塗佈好的基板放在加熱板上，以 180oC 的溫度烘烤 5 分鐘，其目的是為了將 阻劑中的溶劑蒸發掉。
(3) 曝光
與光微影不一樣的地方在於電子束微影並不是使用光罩，而是使用電腦中的 Design-CAD 將我們的圖型設計好，搭配 NPGS 系統做定位以及自動掃描，過程中經 由 Beam blanker 來控制電子束的開關，將電子束按照我們所設計的圖形照射在電子 阻劑上來完成曝光。
(4) 顯影
將曝光完的基板放入顯影液(MIBK:IPA=1:3)中浸泡 75 秒，在泡入定影液(IPA) 中 25 秒，最後在泡入去離子水 20 秒將定影液洗掉，即可完成顯影
(5) 鍍膜
製作樣品線時是利用濺鍍機濺鍍 Co 及 CoO，若是製作跨線則是利用蒸鍍機蒸 鍍 140nm 厚的銀及 10nm 厚的金。
(6) 舉離
將完成鍍膜的樣品放入丙酮中，將阻劑洗掉即可完成舉離。樣品完成圖如下
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圖 3-8 右圖為我們電子束微影樣品完成圖，正中心兩條橫線為我們的第一道樣品線，
外圍部分是我們第二道跨線；左圖為紅色圈圈部分的放大圖。
3-2.2 參數與舉離方法對樣品線製作的影響
當我們再製作 Co 的樣品線時，發現到有翹邊的情形發生，如圖 3-9 所示，翹邊容 易造成樣品線與跨線的接觸不良，所以我們藉由改變幾項參數與舉離方法來解決翹邊的 問題，以下將會討論各參數對樣品線的影響。
圖 3-9 兩邊圖形皆是設定 0.3μm 的線寬，左圖為有翹邊的情況發生的樣品線；右圖為我 們經由改變參數所得到的樣品線。
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(1) 劑量
劑量表示單位面積所照射的電子束濃度，劑量太大會造成圖形膨脹，且較容易 發生翹邊的情形；劑量不夠會造成樣品線有缺陷，不同線寬需對應到不同的劑量，
以 0.3μm 的樣品線為例，左圖的劑量為 1.2 nC/cm，右圖為 1.0 nC/cm。
(2) 阻劑厚度
旋轉塗佈的轉速以及阻劑的濃度會影響電子阻劑的厚度，我們使用 5%PMMA 製作樣品線時發現無論再任何劑量下都會有翹邊的情形發生，最後是利用 6%PMMA，
以 55 秒 2000 r.p.m.塗佈，塗佈出來的電子阻劑厚度約 380nm，所以阻劑較厚較不容 易出現翹邊。
(3) 舉離方法
原本我們在舉離時僅將濺渡好的樣品浸泡在丙酮中 30 min，但發現較溫和的舉 離方式無法完全的舉離乾淨，於是我們改為將樣品浸泡在60oC 左右的丙酮並放入超 音波震盪器內震洗 10 min，可以解決我們舉離不乾淨的問題。
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3-3 濺鍍系統
直流濺鍍系統主要利用在沉積金屬薄膜，我們實驗中是使用直流濺鍍來沉積我們的 Co 以及其氧化物的樣品線。
直流濺鍍的工作原理為在真空腔體內通入氬氣後，在濺鍍槍的正負極間外加一高電 壓，此高電壓會使得腔體內的氬氣游離形成帶正電的 Ar+ plasma，經過電場加速後的 Ar+ 離子撞擊 Co 靶材後，Co 原子得到一能量擺脫靶材而濺射出來，最後在我們的基板上沉 積出一層 Co 的薄膜。
我們實驗所使用的濺鍍機的腔體內有兩個部分，一個是濺鍍系統，用來沉積我們的 Co，而另一部分是蒸鍍系統，用來蒸鍍一層薄薄的金來防止 Co 表面與空氣接觸造成氧 化，圖 3-10 是我們的濺鍍細統的示意圖，接下來會詳細介紹濺鍍機的操作流程
圖 3-10 濺鍍系統示意圖。
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33 啟前置閥(Foreline valve)以及主閥(Gate valve)，啟動渦輪幫浦(Turbo pump)，將腔體 抽到 1×10-6 torr 左右，才可開始進行蒸鍍。
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3-5 低溫系統
本次實驗所是用的使用我們實驗室的 He4低溫系統，整個腔體類似一個杜瓦瓶的結 構，其量測溫度範圍從 300K~1.3K，以下分做兩個部份介紹，第一部份先介紹整個低溫 系統的構造；第二部份詳細介紹整個低溫系統的操作流程。
圖 3-11 低溫系統內部構造示意圖 [22] 。
a. 整個腔體的基本構造如圖所示，最外層有一層真空夾層，用來防止與系統與外界產 生熱對流；接下來 C 部份為液氮夾層(jacket)，為一保溫層，我們會在裡面填充液態 氮來減少中間的主容器內的液氮或液氦消耗，量測其間大約 12 個小時要補充一次;B 部份為 container，用來存放液態氦或液態氮，主要利用輻射的方式來冷卻我們的樣 品。
A 部份為 Sample space，用來放置我們的 Sample rod 以及 Sample，其底端有一 毛細管與 Container 做結合，可經由 Needle valve 來做開關；Sample rod 用來連結我 們的樣品跟量測系統。
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b. 接下來開始介紹低溫系統的操作
(1) 將樣品放上 Sample rod 並放入 Sample space，利用機械幫浦清理氦氣管線及 Sample space，再將氦氣管線以及 Sample space 充滿氦氣，這步驟是為了放止 Sample space 裡面有空氣殘留，使得 Needle valve 結冰。
(2) 將 Container 裡灌入所要降溫的液體，本次實驗是在 100K 左右量測，所以我們 在 Container 內灌入液態氮(若是要在更低溫下量測，則在此層灌入液態氦)，利 用 NbTi 棒來估計液態氮的高度，NbTi 為一種超導材料，所以當腔體內的液態 氮越多，其電阻值會越小；之後在將 Jacket 內灌滿液態氮。
(3) 待樣品自然降溫到 100K 左右，我們在 Sample rod 底端以及毛細管靠近 Sample space 的各裝了一個 GaAlAs diode 以及 Silicon diode 的溫度感應器，連結到溫控 器 LTC-11，藉由溫控器給予兩個 diode 一個定電流並且量測其電壓值，即可得
36 表面)或者是 out-of-plane(磁場垂直樣品表面)，本次實驗是採用 in-plane 的方式，在 Sample rod 正上方有兩個 180o的量角器，可以用來決定我們通過要樣品的電流與磁場方向的夾 腳，角度誤差大約再一度左右。
磁電阻量測部份我們透過電腦中設計好的 Labview 程式，在程式中我們可以設定從 +2600 Oe 到-2600 Oe 各個量測區間取點的密度，電腦透過 Ni-488.2 的 GPIB USB 以及 GPIB 線將指令傳送到我們的 Power supply，Power supply 會按照我們所設定的區間而改 變磁場強度；而每改變一次磁場，我們的數位三用電表 Keithley2000 會經過 GPIB 線去 讀取 LR750 的電阻值以及溫控器 LTC-11 的溫度，並重複讀取 5 次，在經由 GPIB 線傳
磁電阻量測部份我們透過電腦中設計好的 Labview 程式，在程式中我們可以設定從 +2600 Oe 到-2600 Oe 各個量測區間取點的密度，電腦透過 Ni-488.2 的 GPIB USB 以及 GPIB 線將指令傳送到我們的 Power supply，Power supply 會按照我們所設定的區間而改 變磁場強度；而每改變一次磁場，我們的數位三用電表 Keithley2000 會經過 GPIB 線去 讀取 LR750 的電阻值以及溫控器 LTC-11 的溫度，並重複讀取 5 次，在經由 GPIB 線傳