第三章 實驗步驟
3.1 實驗材料
3.1.2 靶材
本實驗鍍膜所使用的的靶材是由 PURE TECH 公司所生產。铱(Ir)純 度為 99.95%，直徑 1 英吋，厚度 2 英吋，密度 21.8 g/cc，與相同大小 的銅背板壓製而成。五氧化二鉭 (Ta2O5)，純度 99.99%，直徑 2 inch，
厚度 1/8 inches，密度 6.91g/cc。
3.1.3 氧化銥與五氧化二鉭濺鍍光罩的製作方式
1) 將一厚不銹鋼片(約１mm 厚)先以丙酮、DI Water 清洗乾淨。
2) 再將不銹鋼片裁剪成 1cm * 1cm 的方形(如圖 Figure 3.1b)，並以 針尖在中央刺一個孔洞(氧化銥光罩孔徑 0.4 mm)以及(五氧化二鉭 孔徑 0.5 mm)，且將孔洞周圍不齊的不銹鋼鏟平，以此製作出所需 要的圓形孔洞，即完成氧化銥與五氧化二鉭的濺鍍模罩。
氧化銥濺鍍光罩(mask)
3.1.4 微電極晶片的製作
整個晶片的製程是由本實驗室設計，交由交通大學半導體中心代工 製成。晶片首先放在溫度 75~85oC 的 H2SO4和 H2O2 (3:1)混合液中煮 20 分 鐘，然後以 DI Water 沖洗 5 分鐘，接著放入氧化/擴散系統(高溫爐)中，
以濕氧方式長氧化矽(SiO2)2000Ao，再放入低壓化學氣相沉積系統 (LPCVD)中，長氮化矽(Si3N4) 4000Ao，藉此使基材矽晶片跟鍍在其上的 白金微電極達到絕緣效果，以防止元件漏電流發生。接下來做剝落製程 (Lift-Off)，在晶片上面塗佈光阻，由罩幕對準系統(Aligner)做光罩 對準，曝光顯影出我們所需要的微電極陣列圖形，以雙電子槍(Dual E-GUN)鍍 Cr 50Ao及白金(Pt)1200Ao，因為白金薄膜跟氮化矽無法緊密結 合，因此在中間先鍍一層鉻來增強附著力，最後洗去光阻，即完成陣列 型白金微電極，如圖 Figure 3.1a，整個電極結構由下而上是，矽/氧化 矽/氮化矽/鉻/白金。
3.1.5 固態電解質的製備步驟
用電子天平秤 1.6 克的聚乙烯醇(Poly vinyl alcohol)，PVA，平 均分子量 133.0 (g/mole) 粉末放入 200ml 的 DI Water 中，加熱 80oC，
並攪拌製完全溶解，使其成為無色透明液體，並靜置於室溫中，讓溶液 維持常溫。PVA 溶液凝固後為無色的纖維質，且纖維質會殘留水分。再 秤 0.0020 克的碳酸氫鉀(KHCO3)溶於 10ml 的聚乙烯醇溶液中攪拌至完全 溶解。如此可得，濃度為 0.06mM 的聚乙烯醇，2mM 的碳酸氫鉀溶液，即
第三章 實驗步驟
完成固態電解質的製備。
3.1.6 其他材料
(a) 8-pin 的 IC 腳座，為一般矩形腳座，選擇 8-pin 腳做是可以與微 電極晶片可有足夠的腳對應。
(b) 所使用的封裝膠為南寶樹脂 906 epoxy AB 膠 與 CONAP 的 K-22 epoxy AB 膠
3.2 感測元件製作
3.2.1 微電極晶片的清洗步驟
1)先以鑽石刀切割晶圓成 4.5 mm * 3 mm 的晶方，如圖 Figure 3.1a。
2)將切割好的微電極晶片靜置於培養皿中，並以 DI Water 滴入培養 皿，直到整個液面覆蓋住晶片表面，然後將其放入超音波震盪清潔 器(Ultra-Sonic cleanner)，震盪約２０分鐘左右，再從清潔器中 取出培養皿，並以氮氣槍吹去晶片表面上的水分，這樣就完成第一 步驟清洗過程。
3) 將上述以 DI Water 清洗完成的晶片置入培養皿中，並以( 30% H2O2):
( 95% H2SO4 ) = 1 : 4 的比例滴在晶片表面上面。仍然置入超音 波震盪清潔器中，震盪約１０分鐘後取出，以 DI Water 清洗晶片 表面，使用氮氣槍吹去晶片表面上的水分，並靜置於培養皿中，即 完成清洗感測晶片的步驟，接著放入８０o烤箱中，烤乾水分備用。
3.2.2 剝落製程(Lift-off)
<1> 曝光顯影
1) 將清潔好的微電極晶片放置到黃光室準備開始塗佈正光阻，我 們以細針均勻塗佈正光阻在晶面上，並置於 90oC 的烤箱中軟烤 15 分鐘。
2) 將軟烤過後的微電極放在顯微鏡下準備曝光階段，以所製的不 锈鋼圓孔光罩對準要濺鍍的氧化铱的一個微電極，可以在四對微電 極中任選兩個相鄰的微電極進行接觸式曝光，將對準好的微電極放 置於 100 瓦功率波長的紫外燈下曝光五分鐘。
3) 將經過曝光過程的晶方放入顯影液中，將所要的圖樣顯影出 來。顯影數秒後，將晶方取出並以 DI Water 沖洗晶面，接著以氮 氣槍來吹乾晶片含有的水份，然後放進烤箱開始硬烤 20 分鐘。
<2> 氧化铱濺鍍 (SIROF，Sputtered Iridium Oxide Film)
1) 將硬烤完成的晶方自烤箱中取出，先把氧化銥濺鍍腔破真空，
接著放入氧化铱濺鍍腔內，在腔內中靶材距離基板是 4 公分。此時 讓真空幫浦抽氣，再來將基板加熱至 85oC，目的是為了在濺鍍時能 讓氧化铱薄膜可以更緊密的覆著在白金微電極上。接著開始純化過 程，直到幫浦抽氣至 2~3 mTorr，關閉幫浦的閥門停止抽氣，並放 入氬氣進入濺鍍腔內，直到壓力大於 10 Torr 為止，此時關閉氬氣，
並打開幫浦閥門繼續抽氣，反覆抽放氣動作三次以降低濺鍍腔內的 水氣，並純化氬氣。
2) 調整微氣體流量計，控制氬氣與氧氣的流量，使兩氣體的流 量比維持在 30 mTorr : 30 mTorr 。
3) 打開冷卻水(水溫設定在 18oC)，將 RF 產生器的濺鍍功率調至 49W，RF 的反射功率都由自動匹配系統保持於 0 瓦，開始濺鍍，
濺鍍時間為 1 小時 30 分。
4) 將濺鍍完成的晶方放進裝有丙酮的燒杯中，以超音波清潔器震 盪 3 分鐘，再將丙酮換新後在震盪個 3 分鐘，接著以 DI Water 來 清洗晶方，之後用氮氣槍吹乾晶方所含的水份，放入 80oC 烤箱烤 乾。即完成氧化铱濺鍍程序。薄膜厚度約為 100 nm。
5) 整個剝落製程流程圖可見圖 Figure 3.4
<3> 濺鍍五氧化二鉭
第三章 實驗步驟
將製備好的固態聚合物電解質(PVA，KHCO3)的水溶液中包含 Si Substrate
第三章 實驗步驟
3.3 二氧化碳感測實驗
3.3.1 小流量的二氧化碳感測實驗 (含有氧化銥薄膜電 極)
(a) 本實驗氧化铱微感測元件的二氧化碳調變電位差特性是使 用一台 KEITHLEY 617，以電壓計的工作方式用簡單的二端子結構 來量測兩微電極間的電位差。另外，隨時間改變的電位差信號輸 出是由一台 KIPP & ZONEN 的 Chat Recorder 來即時追蹤及紀錄。
由圖形紀錄器繪製出電位差對時間的紀錄圖。 的運輸氣體(Carrier gas)。
(e) 整個實驗裝置圖可見圖 Figure 3.6
3.3.2 檢測五氧化二鉭是否可以有效的擋住氧氣的感測 實驗 (含有氧化銥薄膜電極跟五氧化二鉭薄膜電 極)
(i) 注射含有 0.5ml CO2氣體
(ii) 注射含有 0.5ml CO2氣體 + 0.5ml O2 氧氣 (iii) 注射含有 0.5ml CO2氣體 + 0.5ml H2 氫氣
(a) 本實驗氧化铱微感測元件的二氧化碳調變電位差特性是使用 一台 KEITHLEY 617，以電壓計的工作方式用簡單的二端子結構來 量測兩微電極間的電位差。另外，隨時間改變的電位差信號輸出 是由一台 KIPP & ZONEN 的 Chat Recorder 來即時追蹤及紀錄。由 圖形紀錄器繪製出電位差對時間的紀錄圖。
(b) 至於氣體的注射方式，此次實驗的注射方式是以手動方式將 針筒快速注射進去感測元件的動作區域，其中 CO2 / N2 in excess
= 1% ，所以此注射方式並不會造成對實驗數據有影響。
(c) 對水氣的反應實驗
實驗裝置與上述(a)相同結構，所不ㄧ樣的地方是我們將流經 含水的氣泡產生器關掉，讓二氧化碳感測元件處於無水狀態，重 複做(i)(ii)(iii)注射步驟，藉此觀察在無水狀態下時二氧化感 測器會有什麼動作反應。
(d) 注射實驗裝置圖如圖 Figure 3.7
3.4 濺鍍系統簡介
(a) 濺鍍系統
本系統為交流式濺鍍系統，濺鍍過程通入氧氣與氬氣。為了避 免氧氣還沒反應時就直接被真空幫浦抽出，所以本系統利用一個圓 環型的玻璃管將氧氣引入濺鍍腔的上方，使得游離的氧分子存在於
第三章 實驗步驟
真空濺鍍腔內的機率增大。濺鍍系統如圖 Figure 3.2，其中真空腔 體為一玻璃中空圓柱環，而整個濺鍍腔體是石英玻璃中空圓柱與不 銹鋼罩所構成。加熱基板則位於真空腔體的中央位置。濺鍍槍為 Reactive Magnetron RF System，作用在藉由所產生出來的電磁場 而能將游離態的氧氣與氬氣侷限在基板和靶材的中間，此時在適當 的電磁場作用下，在靶材附近就會有電漿形成。本系統是由 RF Rnerator 所產生，最大輸出功率為 550 瓦、工作頻率 13.56Mhz，
靶材距離基板 5 公分，並且藉由匹配系統使得 RF 的反射功率維持 0 瓦。濺鍍靶材：銥 (Ir) 金屬，純度 99.95%，直徑 1 inch，厚度 1/8 inches；五氧化二鉭 (Ta2O5)，純度 99.99%，直徑 2 inch，厚 度 1/8 inches，密度 6.91g/cc。
第四章 結果與討論
第四章 結果與討論 的指標。其中有ㄧ點我們可以發現到此實驗數據比液態 Severinghaus 的二氧化碳感測器所預期的靈敏度來的少。這是因為與離子所處的環境
現象相當合理，因為氧化銥的表面積與體積的比值較大，可在小範圍內
第四章 結果與討論
(iii) 注射含有 0.05ml CO2氣體 + 0.05ml H2 氫氣
我們可以由圖 Figure 4.10 中看出被(i)(ii)(iii)三種不同組合的 氣體注射後，所得到峰值電位差都相同，因此我們可以推論在氧化 銥薄膜上面再多濺鍍一層五氧化二鉭薄膜的確對抵抗氧氣的干擾 有顯著效果。所以在此感測器裡面注射氧氣或氫氣都不會對感測器 的峰值電壓差有所改變。
4.5 無通水氣時對元件感測性質的影響實驗
圖 Figure 4.11 是無水狀態下的對感測器對氣體感測響應圖，從圖 中我很可以看到在無水狀態下的感測器不僅對二氧化碳反應的即時性 差，而且大大拉長反應平衡的時間。但是對於氧氣與氫氣仍無反應，這 也顯示多鍍上ㄧ層五氧化二鉭來當作阻擋層，即使在無水狀態下也不會 造成它對二氧化碳發生感測上的影響。我們可由反應式來發現此無水狀 態對固態電解質是不利的。無水反應式如下所示
CO2 + H2O ÍÎ H2CO3 ÍÎ H+ + HCO3- ÍÎ 2H+ +CO32-
所以對於此固態型二氧化碳感測器最重要的機制就是要水來參與反 應。若是無水加入反應，此感測器根本是不可能動作的。但是為了得到 無水狀態時感測器會發生怎樣變化，所以我們是採用先通含水氮氣進去 感測元件的動作區讓固態電解質薄膜能殘留部分水份，之後再關掉含水 的氣泡產生器，以此來完成此實驗步驟。
第五章 結論
成功的把會受氧氣干擾的因素解決，這對此二氧化碳感測器有很大的 助益。由於本感測器目前還處於實驗室使用階段上，因為此電位式二 氧化碳感測器在感測氣體時需要有水氣通過才能發揮感測能力。對於 此研究方面仍有很大發展性，像是我們可以在固態電解質裡面添加適 當保濕的材料進去，讓水氣分子可以保留在固態電解質薄膜內，而不 會影響到對二氧化碳感測，這樣就可以解決需要通水氣的問題。
本感測元件經過改良不僅不影響本身感測能力而且對於氧氣又 能有抵抗干擾的能力。再加上本感測器又是電位式訊號，如此搭配上 數位電子電路的設計便可將感測訊號即時顯現在顯示面板上，將之製
本感測元件經過改良不僅不影響本身感測能力而且對於氧氣又 能有抵抗干擾的能力。再加上本感測器又是電位式訊號，如此搭配上 數位電子電路的設計便可將感測訊號即時顯現在顯示面板上，將之製