3.2 製程流程
3.2.1 製程一
要實現 top-down 的製程，首要步驟是樣品的製備，我們利用了實驗室既有 的分子束磊晶設備，來成長懸臂樑所需的結構。圖 3.8 為樣品結構圖，樣品編號 為 LM5167。我們在砷化鎵基板(GaAs substrate)上，成長鋁比例為 0.9 的砷化鋁 鎵(Al0.9Ga0.1As)作為犧牲層，以及未摻雜砷化鎵(undoped GaAs)作為懸臂樑的材 料，其中犧牲層厚度為 1 m，懸臂樑厚度為 0.2 m。
圖 3.8、樣品結構圖，樣品編號為 LM5167
接著是金屬壓阻器及厚金屬墊的部分，我們先以光學微影的方式開出欲鍍上 金屬的窗口，再以電子束金屬蒸鍍機(E-Gun metal evaporation)來鍍上 Ti/Au，並 控制其厚度。
再者是選擇如何蝕刻懸臂樑 mesa 的圖案，我們嘗試了兩個方式，一是電感 耦合電漿反應離子蝕刻(inductive coupled plasma reactive ion etching, ICP-RIE)，是 為乾蝕刻；二是硫酸雙氧水蝕刻液(H2SO4:H2O2:H2O=1:8:80)，是為乾蝕刻。圖 3.9 為使用 ICP-RIE 蝕刻懸臂樑圖案的結果，可發現側壁確實因為非等向性蝕刻 的關係非常陡直，但是抵擋電漿離子撞擊的光阻表面卻已變質，無法單純以浸泡 丙酮的方式剝離，須以超音波震盪器才有辦法去除，而懸臂在 release 後是承受 不住這樣的震盪的，因此我們轉向用蝕刻液的方式來製作。圖 3.10 為使用硫酸 雙氧水蝕刻液，可發現側壁雖為斜面，但當初設計的懸臂樑厚度只有 0.2 m，因 此側蝕的距離很短，尚為可接受的範圍，故硫酸雙氧水蝕刻液為我們最後定案的 蝕刻方式。
Al
0.9Ga
0.1As
GaAs substrate
undoped GaAs
beam layer~0.2 m sacrificed layer~1 m26
圖 3.9、ICP-RIE 蝕刻 mesa 的結果 (a)側面照 (b)正面照
圖 3.10、硫酸雙氧水蝕刻液蝕刻 mesa 的結果 (a)側面照 (b)正面照
最後是 release 所使用的蝕刻液，我們選擇了對 undoped GaAs/Al0.9Ga0.1As 有高選擇比的稀釋氫氟酸溶液(diluted hydrogen fluoride, DHF)，但在測試條件時 發現 DHF 的蝕刻速率過快且不均勻，蝕刻終點不易控制，並易在邊緣及狹縫中 有蝕刻副產物的堆積，使得 release 的成功率變得很低，如圖 3.11。參考文獻[31]
以及學長姐作掏空製程的經驗，我們在 DHF 中添加表面活性去泡劑(surfactant and antifoaming agent) 來 幫 助 蝕 刻 ， 本 文 用 的 去 泡 劑 為 氯 化 苯 二 甲 烴 胺 (benzalkonium chloride, BKC)，其作用主要為使蝕刻速度變慢且均勻，協助帶走 阻礙蝕刻液流入蝕刻副產物，其成果如圖 3.12。
另外，為了預防懸臂樑沾黏(sticking)於基板的情況發生，在 release 完之後，
我們使其於不離開液面的狀況下，泡入丙酮溶液中，並直接用烤盤以 100 ℃將 丙酮迅速烤乾。利用丙酮較去離子水蒸氣壓高，能快速汽化的性質，避免液體的 表面張力拉垮懸臂樑。
(b) (a)
斜面 直面
(b) (a)
10 m 1 m
3 m 200 m
27
圖 3.11、不含 BKC 的 DHF 作 release 的結果
圖 3.12、含 BKC 的 DHF 作 release 的結果
綜合上述，圖 3.13 為製程一流程，步驟說明如下：
(a) 首先在圖 3.8 所示的樣品上，以光學微影的方式，定義出金屬壓阻器的圖案，
再鍍上 Ti/Au (5/20 nm)，最後剝離光阻以及光阻上的金屬，完成金屬壓阻器 迴路。
(b) 以光學微影定義出厚金屬墊的圖案，使其與(a)中的方塊部分交疊，再鍍上 Ti/Au (30/300 nm)，最後同樣剝離光阻以及光阻上的金屬，完成厚金屬墊。
(c) 同樣以微影定義出懸臂樑 mesa 的圖案，並將光阻保留用來保護金屬，以硫 酸雙氧水蝕刻液(H2SO4:H2O2:H2O=1:8:80，蝕刻速率約 9 nm/sec)向下略為吃 穿 undoped GaAs/Al0.9Ga0.1As 介面。
(d) 將樣品泡入含 BKC 的 DHF(BKC:HF:H2O2=1:10:100，蝕刻速率約 0.8 m/min) 中，待 release 完成後，在不離開液面的情況下，用去離子水沖洗，並放入 丙酮溶液中剝離光阻，最後用烤盤直接將丙酮迅速蒸發烤乾。其中箭頭指示 處為懸空處。
(e) 完成後剖面圖如圖示，其中箭頭指示處為底切。
200 m 200 m
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圖 3.13、製程一流程 (a)壓阻器 (b)厚金屬墊 (c)mesa (c)
(a)
(b)
金屬壓阻器 Ti/Au=5/20 nm
厚金屬墊 Ti/Au=30/300 nm
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(d)release (e)成品剖面圖
圖 3.14 為兩種型式懸臂樑的 OM 照及 SEM 照，比對兩者照片，利用薄膜干 涉，我們判斷 OM 下看到的紅色為懸空，藍色為下方是犧牲層或是沾黏在基板 上。元件製作的結果為不論是 C-Beam 或 D-Beam，目前可重複成功的都只有前 三短的懸臂樑，也就是編號 c-1~3(見表 3-1)以及編號 d-1~3(見表 3-2)。
另外可以看到所有懸臂樑固定端的邊緣，都有一層紅色區塊，代表邊緣也是 被掏空的，這是由於我們在最後 release 時，光阻只有覆蓋住 mesa 的上面，並沒 有特別保護側壁，且 DHF 蝕刻 Al0.9Ga0.1As 是等向性的，故在 mesa 邊緣產生了 底切。由於 C-Beam 及 D-Beam 設計的寬度分別為 15
m 以及 9 m，所以側蝕
距離至少是寬度的一半，我們挑成功懸空的元件實際測量取平均得到，C-Beam 及 D-Beam 側蝕量分別是 15m 以及 9 m，而製作成功的元件長度與側蝕量是
接近的，造成懸臂樑等效長度顯著增加，這會大幅改變預期的共振頻率，亦使得 應力最大的位置不如預期，因此改善底切是製作元件上重要的議題，下一節我們 將討論如何改善這個問題。(d)
(e)
懸空處
5/20 nm
底切~15m 底切~9 m
5/20 nm
30
圖 3.14、製程一元件 OM 與 SEM 照 (a)C-Beam (b)D-Beam (a)
(b)
底切邊緣
10 m 10 m 10 m
10 m 10 m 10 m
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