本研究中利用磁電阻來了解次微米尺度下的三層結構平板線內部的磁矩翻轉行為，以 及其形狀異向性能對於巨磁阻效應的影響，在此章節內將會分別介紹如何將樣品製作 出來以及實驗中的量測方法。
三層結構樣品的製作利用了微影製程搭配熱阻式蒸鍍與舉離的方式在 SiN/Si(100)基板 上做出我們要的微結構，其中電子束微影製程做出鎳鐵平板線三層結構及四點量測所 用較窄的電極，光微影製程則是提供較大線寬的電極及打線區。實驗中我們改變磁場 的大小、方向來研究三層結構樣品在變化磁場的環境下的電性傳輸變化，並研究其磁 矩翻轉行為。
3-1 微影製程
隨著半導體工業的演進，用來製造奈米結構所需的微影製程的技術日益精進，也 是半導體製造中相當重要的一道製程。本實驗用的樣品主要是利用光微影 （Photo lithography）與電子束微影（e-beam lithography），而微影製程中影響結構邊界解析度 最重要的就是曝光源的波長，目前先進的光微影製程中光源是深紫外光波段，波長在 100 至 400 奈米之間；而電子束微影中使用的曝光源為電子，其波長因加速電壓的不同 而有所改變，通常為深紫外光的數千分之一，因此可以較輕易的去製作出更細小的結 構。不過電子束在曝光時的面積（spot size）小，通常用在製作微小且單一的結構，
若拿此曝光源來曝照大面積的範圍時則會耗費許多時間；而光微影則是相反，光照射 時可以全面性的使光阻劑曝光，但受限於圖形已設定好的光罩，不能隨意更換圖形，
所以在製作樣品的過程利用這兩項微影製程的方式互相搭配來達到最大的效益。
3-1.1 光微影製程
光微影製程技術是半導體工業中相當重要的一環，其原理是將微結構轉移到基板上所 塗佈的光阻劑，利用光罩上沉積的圖形薄膜區分了透光與不透光區，曝光後使光阻照
的保護區與無保護區，藉由此步驟之後可進行蝕刻或是薄膜沉積使無保護區的基板部 分被蝕刻或是薄膜沉積上去。而我們樣品的作法是直接在顯影完之後，利用熱蒸鍍的 方式沉積金屬薄膜在無保護區的基板上，接著使用丙酮將光在保護區的阻劑舉離去除，
留下在基板上的金屬微結構。此實驗中光微影製程的主要的步驟為：基板清洗、塗佈 光阻、軟烤、曝光、反轉烤、全曝光、顯影，接下來以圖示配合來加以說明各個步驟。
1、基板清洗（substrate cleaning）
基板分別泡入丙酮與酒精並以超音波震盪機震洗 10 至 15 分鐘，接著用氮氣吹乾。
務必將基板表面清潔乾淨，若有雜質存在表面，則會影響光阻旋塗均勻性而降低圖形 轉移的成功率。
2、塗佈（spin coating）
實驗中所使用的光阻劑為 AZ5214E，其特性為正光阻，曝到紫外光的光阻會因分 子間斷裂而溶解於顯影液 AZ400K。塗佈的過程中第一階段為 1000 r.p.m.旋轉 10 秒將 光阻均勻分布在基板上，接著第二階段為 5000r.p.m.旋轉 40 秒，因離心力的關係大部 分光阻會從基板邊緣甩出，光阻剩餘基板中間區厚度約為 1.5m，但此時在基板的邊 緣處會累積較多的光阻，如圖 3.1 所示，所以需要使用丙酮清除邊緣區，否則當基板在 與光罩接觸時會無法平整的貼齊，造成結構轉移不完整。
圖 3.1 旋塗光阻後的側面示意圖。離邊緣 0.5mm 的範圍內會堆積較厚光阻。
~0.5mm
AZ5412E
SiN/Sisubstrate
3、預烤（pre-bake）
清除邊緣光阻後的樣品需要擺放在加熱盤上經過 90oC、90 秒加熱，蒸發掉光阻內 部的水氣，使光阻固化達到最佳的曝光效果，且不易沾黏到光罩上。
4、曝光（exposure）
此步驟為光微影製程中最關鍵的一道步驟，安置好光罩後將烤好的樣品放置光罩對準 機（ABM mask aligner）上，實驗中的曝光系統為 ABM Model 60 DUV/MUV/ NearUV，
光源為波長 365nm 的紫外光，曝光方式為接觸式曝光，光源強度為 20mW/cm2，曝光 時間為 0.8 秒。接觸式曝光的優點在於將光罩與基板之間的空氣抽掉達到緊密貼合的情 況，可以減少照光時光程差與干涉的影響而達到良好的圖像轉移效果，其解析度的極 限約為 1 微米。而接觸式曝光的缺點在於長期使用後，光罩表面會有光阻殘留或刮傷，
容易造成光罩圖案受損亦使得曝光結果失敗，所以需經常清潔光罩表面，如圖 3.2 所示。
圖中光罩部分紅色為不透光區，空白部分光源會通過使光阻成分改變。光罩的放置方 式應使金屬面（暗紅色）朝下，減少光阻與光罩結構間的干涉影響。
圖 3.2 基板覆蓋光罩曝光時的側面示意圖。
SiN/Sisubstrate
Mask汞燈光源
AZ5412E
5、反轉烤（reversal bake）與全曝（flood exposure）
將步驟 4 曝光完的樣品經由加熱盤加熱至 120oC、90 秒，加熱之後會將曾經曝光的光 阻部分結構從正光阻改變成負光阻，所以稱之為反轉烤。而未曝光的光阻部分不受影 響仍為正光阻，如同圖 3.3（a）到（b）的變化。所以曾在步驟 4 中曝到光的部分經過 反轉烤之後已變為負光阻，在全曝光之後不會溶於顯影液，而在步驟 4 尚未曝光的光 阻劑依舊維持正光阻的特性，所以在全曝光後會溶於顯影液而形成的凹槽，如圖 3.4。
全曝光時則將基板直接用汞光光源曝照 20 秒，如圖 3.3（b）中的黃色箭頭所示。
(a)
經過 120oC、90 秒後
(b)
圖 3.3 反轉烤與全曝光示意圖（a）為圖 3.2 曝光之後，反轉烤之前的光阻狀態，圖（b）
為經反轉烤後的光阻狀態及全曝光示意圖，圖中＋號代表該區域為正光阻狀態、
－號代表該區域為負光阻狀態。
6、顯影
顯影即是使曝光的光阻經由顯影液洗掉，將光罩圖形完整轉移到光阻。將反轉曝光完 成之樣品泡入製備好的顯影液中（AZ400K:DI water= 1:4）並放入超音波震盪機震盪 20 秒後拿出後靜置 5 秒，之後再將樣品泡入去離子水（DI water）中稀釋顯影液，未泡入
汞燈光源
＋ ＋ ＋ ＋ ＋
SiN/Sisubstrate
－ ＋ － ＋ －
SiN/Sisubstrate
去離子水的樣品視為還在顯影，若秒數過長會造成線寬放大的效果；秒數過短則會顯 影不完而全造成邊界曲折，可能會導致金屬舉離後翹邊影響接下來微影製程的成功率。
如圖 3.4 所示，原正光阻被完全清除，基板上負光阻區仍保留，覆蓋於基板，因此稱此 區域為保護區，而無光阻覆蓋區為非保護區。
圖 3.4 顯影完之後光阻在基板上形成保護區與非保護區側面示意圖。
顯影之後便會將樣品放入蒸鍍機中蒸鍍金屬薄膜，薄膜沉積之後接著用丙酮把光 阻劑震洗舉離掉，使金屬只沉積在圖 3.4 中的非保護區中，有關於蒸鍍金屬薄膜原理的 介紹與相關參數說明置於章節 3-1.3。
3-1.2 電子束微影製程
電子束微影製程絕大部分的步驟原理都與光微影製程雷同，比較大的差別在於電子束 微影中的曝光源為電子顯微鏡所發射的電子。實驗室中使用的是熱激發式掃描電子顯 微鏡，其原理大致上為電流加熱鎢燈絲產生電子發射源，透過兩萬伏特的電壓差形成 加速電場使電子往腔體下方加速前進，其腔體真空度約為 5 x 10-6torr 以提高電子的平 均自由徑（electron mean free path）當帶有速度的電子通過電磁透鏡的磁場時會產生羅 倫茲力使電子束收束聚焦，並調整直徑 20m 的孔鏡 （aperture plate） 選取電子束最 中央的部分以降低成像時的球面像差，最後在利用最底下的物鏡調整焦距與工作距離 來得到想要的成像方式。
而電子束微影的製程中是使用 NPGS（Nanometer Pattern Generation System）搭配 電子顯微鏡來操作，首先在基板上旋塗電子阻劑（PMMA）後放入電子顯微鏡的腔體
SiN/Sisubstrate
blanker 關住電子束，將電子束開啟之後會照射的位置移至樣品上要曝光的座標後，用 NPGS 的掃描線圈控制電子束在樣品上曝光出 Design Cad 內所設計的圖案，最後將樣 品泡入甲基異丁酮的稀釋液中顯影，將曝到電子束的電子阻劑部分洗掉形成未保護區，
接著再將樣品蒸鍍金屬後舉離即完成電子束微影製程。此實驗中電子束微影製程的主 要的步驟為：基板清洗、塗佈電子阻劑、烘烤、曝光、顯影，接下簡單介紹各個步驟。
1、基板清洗
基板分別泡入丙酮與酒精並以超音波震盪機震洗 10 至 15 分鐘，接著用氮氣吹乾。
由於製作樣品的過程中，電子束微影之前通常都會搭配光微影，在清洗的過程中務必 將前面製程中可能殘留的光阻劑洗淨，以免影響到電子束曝光的結果。
2、塗佈
實驗中所使用的電子阻劑 PMMA 為正光阻，若以電子束照射過後會使其化學結構 改變，泡入顯影液後會顯影掉。其中樣品部分的製程中塗佈的電子阻劑為重量濃度 5%
的 PMMA 經由 30 秒 6000 r .p. m 旋塗出約 200nm 厚的電子阻劑，金跨線的部分則是使 用 6%的 PMMA 經由 55 秒 3000 r .p. m 旋塗出約 300nm 厚的電子阻劑。
3、烘烤
旋塗過電子阻劑的樣品需在加熱盤上以 180oC 烘烤 5 分鐘，將電子阻劑固化後，接下 來電子束的對於阻劑的曝光才會穩定。
4、曝光
烘烤過的樣品確定對準點的位置後放入 SEM 中，待燈絲一小時穩定後再開始執行 NPGS 的檔案。先將電子束移至樣品下方，確定光微影所定義的區域後，倍率放大至 2 千倍後由最下方的光微影製程區邊框聚焦後，倍率調至 1 萬倍向內移入至光微影接腳 變直處再次聚焦，接著使用 blanking 擋掉電子束，倍率調至 700 倍移進光微影中間空 白區域，對準 alignment key 後再將倍率調至 1 千倍執行 design CAD 圖形之曝光步驟。
5、顯影
顯影液為 MIBK 加入 IPA 稀釋後的溶液，體積比為 MIBK：IPA = 1：3，將曝光後的樣 品泡入此顯影液 75 秒顯影之後再泡入 IPA 中定影 25 秒，最後再用去離子水洗淨。
3-2 金屬薄膜沉積與舉離
本實驗室的薄膜沉積系統分為熱阻式蒸鍍機與金屬濺鍍機，本實驗中的三層結構
本實驗室的薄膜沉積系統分為熱阻式蒸鍍機與金屬濺鍍機，本實驗中的三層結構