第五章 總結
經由實驗結果，可以發現在濺鍍五氧化二鉭與氧化銥薄膜後使 用固定邊界製作出的氫離子感測電極，電位測量上具有高度的穩定 性、電位再現性與電位獨特性。實驗也成功利用五氧化二鉭薄膜來隔 絕氧氣對氧化銥薄膜造成的反應，由於五氧化二鉭薄膜對氫離子的篩 選，使得感測元件更具實用性。
本實驗室製作出的氫離子感測電極，應用了半導體技術製作白金 電極、RF 高頻濺鍍氧化銥薄膜與五氧化二鉭薄膜。
我們比較了覆蓋五氧化二鉭薄膜與否的結果，可以看出五氧化二 鉭對於保持氧化銥薄膜的氧化還原態，與隔絕氧氣的干擾，有很好的 效果。五氧化二鉭這種絕緣的陶瓷材料，在能夠具有導通氫離子的特 殊條件下，能夠適應酸性與鹼性環境中。實驗室所製作出來的五氧化 二鉭-氧化銥氫離子感測電極，比 ISFET 更穩定的特性，因為五氧化 二鉭薄膜，能使氧化銥薄膜單獨對氫離子感應，成功利用氫離子濃度 會改變氧化銥本身的 Fermi Level，使得氫離子感測元件具有良好的 電位穩定性，對相同氫離子濃度有極佳的電位再現性與獨特性。
實驗結果顯示，此氫離子感測電極電位是具有再現性，特定的 pH 值對應固定的電位差，當量測待測溶液的電位值可以推得其酸鹼
第五章 總結
非常微小，並且在 pH 值由 2 至 12 都是元件的線性工作區，且五氧 化二鉭薄膜的確在酸鹼溶液中不會有溶膜現象。然而，我們所加上的 五氧化二鉭薄膜可能會些微阻擋氫離子與氧化銥接觸，致使最後得到 的電位低於理論值。
我們採用固定邊界的製程改良元件結構，消除矽基板與白金基板 中間有高度落差生成的“階梯狀”，此問題會使濺鍍的氧化銥也跟著會 有階梯狀而使五氧化二鉭薄膜可能無法完全覆蓋住氧化銥。如此可以 使改良後的元件電位維持在一固定值達四個月，所以我們成功的把元 件壽命由一個禮拜提升至四個月。
接著我們討論了元件的反應速度，均勻 Ta2O5結構比丘狀 Ta2O5
結構有更快的平衡時間。另外，元件對酸性溶液的 pH 變化，會有快 速的反應時間平均為 20 秒，而對鹼性溶液的 pH 變化有較遲緩的反 應，判斷是因為在鹼性溶液中大部份的氫離子已離開 Ta2O5薄膜，所 以重新穿入薄膜需要較長的時間。
第六章 未來展望
第六章 未來展望
在奈米尺度下科學家觀測到新的物理現象，並進而實際應用在 新的半導體元件中。然而，這些奈米科技將會需要用到基本物理學，
量子力學，半導體元件。最近奈米科技發展的材料，電子元件，或光 電元件將會大幅改善我們未來的生活，尤其在奈米電子元件中，半導 體界面的氧化層決定了物質的特性與元件好壞，因此氧化層是很重要 的議題。五氧化二鉭為高介電常數（High k）的材料，當使用一般金 屬當做導線連接，此金屬電極會被氧化，但是對於我們的元件卻不會 有這個困擾，因為連接五氧化二鉭薄膜的材料，已經是一層金屬氧化 物，即氧化銥薄膜。
我們經由實驗中的經驗觀察到元件生命期，我們製作的氫離子 感測電極將有兩類常見的損毀方式，包括五氧化二鉭 ⁄ 氧化銥薄膜 的剝落造成永久性損害以及元件電位的永久性下降，經由本實驗的研 究，已經完全解決薄膜剝落的問題而使元件壽命由一星期提升至兩個 月，現在元件只會因為電位下降而永久失效，扣除良率的問題，即使 是製程上成功的元件也會隨著時間出現電位慢慢降低的情形，如果我 們能找出使元件電位下移的原因(目前猜測是氧化銥已被還原)，或許 就能再解決第二個問題，使這個固態氫離子感測電極的壽命再大幅提
第六章 未來展望
另外希望提升薄膜的品質，例如嘗試不同的濺鍍條件，使電位能 更穩定且阻隔氧氣的能力再提升，如此將使元件的良率增加而成功的 元件電性也會更好，關於元件反應方面，希望能找到氫離子通過五氧 化二鉭的機制，以考慮理論上的參數來改進元件的反應速度，並了解 在鹼性中反應較慢的關鍵。
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圖表
Fig. 2-1 介面間離子交換示意圖
Fig. 2-2 氫離子感測電極工作原理
圖表
Fig. 2-3 氫離子感測電極剖面圖
Fig. 3-1 晶片佈局
圖表
Quartz cylinder shield Magnetron Sputter source
In line regulator RotaMeters Glass cylinder
(ψ=21cm)
Substrate Holder
Cooling water in
ThermoCouple Gauge
Heater power Supply Matching
Box
Fig. 3-2 濺鍍系統裝置圖
圖表
Fig. 3-3 氧化銥濺鍍系統
圖表
(a) 清洗過的晶片
(b)將 0.5mm 圓形孔徑光罩對準方形大面積電極
(c)放入氧化銥濺鍍系統
(d)氧化銥薄膜
Fig. 3-5 使用不鏽鋼遮罩濺鍍氧化銥薄膜
圖表
(a)附有氧化銥薄膜的晶片
(b) 將光罩遮住電極接點端的圓形電極
(c)放入五氧化二鉭濺鍍系統
(d)五氧化二鉭薄膜
圖表
(a) 使用砂紙將銅線表面的氧化銅磨除
(b) 在背面塗上一層 Epoxy
圖表
(c) 將 Ta2O5/IrO2/Pt 晶片黏附在銅線基板上
(d) 搭上銀線，使銅線基板與晶片電極導通
圖表
(e) 套上玻璃管，使用 Epoxy 將整個元件封裝，只外露感測電極 Fig. 3-7 氫離子感測電極製作流程
Fig. 3-8 測量氫離子感測器電位實驗裝置
圖表
Fig. 3-9 氫離子感測器電位和 pH 值關係實驗裝置
圖表
圖表
圖表
圖表
圖表
圖表
圖表
0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00
0 Linear Fit
Potential vs. SCE (mV)
pH
Fig. 4-3(b) 電位對 pH 值關係為斜率-56.30mV/pH
Fig. 4-4(1) 具有邊界固定的新結構
圖表
Fig. 4-4(2) 舊結構元件薄膜損壞剝落
圖表
Fig. 4-4(a) 無邊界固定的元件其薄膜易剝落
Fig. 4-4(b) 使用邊界固定的元件其薄膜不會剝落
圖表
圖表
Fig. 4-6 丘狀 Ta2O5與均勻 Ta2O5各達平衡態的時間
Fig. 4-7(a) 背景溶液 pH＝7 下注入酸性溶液(pH＝4)
圖表
Fig. 4-7(b) 背景溶液 pH＝7 下注入鹼性溶液(pH＝10)