第三章 陣列式鋅鋁合金奈米線氣體感測元件設計與製作
3.1 陣列式陽極氧化鋁奈米模板製作
3.1.1 實驗方法與流程
AAO 製備的方法為下列所述：
一、退火 : 使用 99.7%鋁板，厚度為 0.3mm 進行退火處理，條件為 570℃，時間 3 小時。
二、機械拋光 : 機械研磨拋光，砂紙號數由 80 至 4000。
三、電化學拋光 : 電解拋光，時間為 10 分鐘。
四、陽極處理 : 一次陽極處理，時間為 1 小時。
五、蝕刻處理 : 使用鉻酸移除氧化層，時間為 40 分鐘。
六、陽極處理 : 二次陽極處理，時間為 6 小時。
七、去背 : 使用氯化銅將鋁基材完全蝕刻。
八、通孔 : 最後使用磷酸將阻障層移除，經過以上流程可得到上下通孔、規則排列且具 有高深寬比的陽極氧化鋁薄膜。
3.1.2 電解拋光(Electropolishing)
本研究於製備 AAO 前所需的前製動作，必須使鋁材的表面達到完全平整，才能製 作出使後端能加以應用之陣列式且具高深寬比 AAO，實驗則依序下列步驟進行：
一、基材(Substrate)使用 99.7%鋁片(世井材料)，經過 570℃退火以後，再以 80 號至 4000 號砂紙機械研磨拋光，圖 3.2 所示。
圖 3.2 99.7%鋁片經 4000 號砂紙機械研磨後(a)實體圖，(b)OM 圖
(a)
(b)
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二、電解液(Electrolyte)以體積濃度為度量單位，比例為：
無水酒精：C2H5OH，70%；過氯酸：HClO4，15%；單丁醚乙二醇：C6H14O2，15%
(第一化工)
三、經機械研磨拋光之表面為反應面，夾持於自主開發的模具中，僅露出反應面，模具 可保護反應面除外之基材不受電解液之影響。
四、電源供應器之正極銜接模具，負極銜接鈦片，工作電壓為 40V，為了控制反應溫度，
反應槽將置入冰水機中，條件溫度為 25℃，其示意圖如圖 3.3 所示；拋光至表面呈 現鏡面效果，電解拋光時間為 10 分鐘，如圖 3.4 所示。
圖 3.3 電解拋光平台實體圖
圖 3.4 經機械研磨後電解拋光鋁片(a)實體圖，(b)OM 圖
(a)
(b)
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3.1.3 一次陽極化處理
經電解拋光後的鋁片，在其拋光面上要生成陣列式 Al2O3薄膜，需經過兩次陽極處 理，第一次陽極處理步驟為：
一、經過電解拋光後的鋁片以去離子水洗淨後，並以常溫氮氣吹至乾燥。
二、使用自製模具夾持鋁片，露出經電解拋光之表面，放置於電解液中。
三、電解液為濃度 0.3wt%的草酸(第一化工)溶液，目的為了讓管徑達 80nm。
四、負極使用鈦片置於電解液中。
五、可程式電源供應器之正極端連接模具，鈦片連接電源供應器負極端，電壓設定為 40V，電子將由電源供應器負極端出發經鈦片透過草酸電解液撞擊鋁片，再由模具 回到電源供應器正極端，第一次陽極處理時間為 1 小時。
六、反應期間為了使電解環境維持於室溫，電解槽將置於冰水機中，溫度條件固定為 25℃。
七、當陽極處理反應進行中，試片表面將會出現熱應力並出現因反應所產生的沉積物，
為解決上述問題，可在反應槽正上方架設旋轉馬達攪拌，一方面藉由攪拌電解液將 熱能傳遞至冰水機，另一方面因攪拌時能保持電解液濃度不會因長時間反應上下層 有所差異，同時能避免沉積物覆蓋於反應面上使反應效率下降，其示意圖如圖 3.5 所示。
圖 3.5 陽極處理平台實體圖
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3.1.4 鉻酸蝕刻
第一次陽極處理後，以去離子水將試片洗淨並使用酒精潤濕，再以室溫氮氣吹至乾 燥，待其完全乾燥後反應表面會形成一層米黃色薄膜(Al2O3)，為了讓 AAO 薄膜具有高 度陣列性質，需先將其上層 Al2O3蝕刻移除，圖 3.6 所示，蝕刻溶液使用濃度 3%鉻酸 (CrO3)+60%磷酸(H3PO4)，蝕刻溫度保持 60℃，維持 40 分鐘。
：Aluminum ：Alumina 圖 3.6 鉻酸蝕刻示意圖
3.1.5 二次陽極化處理
經鉻酸蝕刻的鋁片，在其形成凹洞面上的鋁片要再次生成陣列式 Al2O3薄膜，需經 過第二次陽極處理，第二次陽極處理步驟為：
一、經過鉻酸蝕刻後的鋁片用去離子水洗淨後，並以常溫氮氣吹至乾燥。
二、使用自製模具夾持鋁片，裸露經電解拋光之表面，放置於電解液中。
三、電解液為濃度 0.3wt%的草酸(第一化工)溶液，目的為了讓管徑達 80nm。
四、負極使用鈦片置於電解液中。
五、電源供應器之正極端連接模具，鈦片連接至電源供應器負極端，電壓設定為 40V，
電子將由電源供應器負極端出發經鈦板透過草酸電解液撞擊鋁片，再由模具回到電 源供應器正極端，第二次陽極處理時間為 6 小時，目的為了讓管長達 50μm。
六、反應期間為了使電解環境維持於室溫，電解槽將置於冰水機中，溫度條件固定為 25℃。
七、當陽極處理反應進行中，試片表面將會出現熱應力並出現因反應所產生的沉積物，
為解決上述問題，可在反應槽正上方架設旋轉馬達攪拌，一方面藉由攪拌電解液將 熱能傳遞至冰水機，另一方面因攪拌時能保持電解液濃度不會因長時間反應上下層 有所差異，同時能避免沉積物覆蓋於反應面上使反應效率下降，實驗平台同一次陽
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極處理，經二次陽極處理試片如圖 3.7 所示。
圖 3.7 二次陽極處理 AAO 實體圖
3.1.6 去背蝕刻與薄膜通孔
經陽極處理過後，多孔性 AAO 模板已經達到本實驗的規格要求，孔徑為 80nm、模 厚 50μm 且具有高度陣列性排列，但此時 AAO 薄膜仍與未反應的鋁片仍結合再一起，
為了取得通孔之 AAO 薄膜，仍需依序下列步驟操作：
一、使用自製模具夾持鋁片，經二次陽極處理之背面裸露，置於蝕刻液中。
二、蝕刻液為 10%鹽酸(HCl)+氯化銅(CuCl2) (第一化工)溶液，直至 AAO 透明薄膜完整 裸露即可，如圖 3.8 所示。
圖 3.8 經去背的 AAO 試片實體圖
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三、不需將 AAO 試片從模具取出，連同模具以去離子水清洗，以酒精潤濕後待其陰乾 不宜用氣體吹乾，因為薄膜與鋁片僅剩周圍連接非常脆弱，故不須將 AAO 取出需 連同模具一起做清潔動作。
四、蔭乾後連同模具至於濃度 5%磷酸(H3PO4)蝕刻液中，溫度為 25℃，時間 60 分鐘，
即可將 AAO 薄膜底部阻障層完全移除。
五、最後使用自製模具，將 AAO 上下夾持，施一瞬間力迫使 AAO 薄膜延外圍銜接處 脫離鋁材，則完成奈米模板之製作，如圖 3.9 所示。
圖 3.9 AAO 薄膜實體圖
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