多閘極奈米結構製作與其量子抽運傳輸

國立交通大學

電子物理研究所

碩士論文

多閘極奈米結構製作與其量子抽運傳輸

Fabrication and Quantum Pumping Transport of

Multiple-Gate Modulated Nano-Channel Devices

研究生:姚銘峻

指導教授:許世英 副教授

多閘極奈米結構製作與其量子抽運傳輸

Fabrication and Quantum Pumping Transport of

Multiple-Gate Modulated Nano-Channel Devices.

研究生：姚銘峻 Student：Ming-Jiun Yao

指導教授：許世英 Advisor：Shih-Ying Hsu

國立交通大學

電子物理研究所

碩士論文

A Thesis

Submitted to Institute of Electrophysics

College of Science

National Chiao Tung University

In Partial Fulfillment of the Requirements

For the Degree of

Master of Science

In

Electrophysics

July 2004

Hsinchu, Taiwan, Republic of China

多閘極奈米結構製作與其量子抽運傳輸

學生：姚銘峻 指導教授：許世英 副教授

國立交通大學電子物理研究所

中文摘要

在本論文中，我們研究了在 GaAs/AlGaAs 異質結構中利用分離閘極定義一 維窄通道的量子傳輸性質，除了在單純窄通道之元件觀察到了量子化電導 (quantized conductance)的現象，也在窄通道上製作指狀閘極，藉以外加一位能對 窄通道造成額外的靜電侷限，並觀察此造成電子傳輸的影響。 在樣品製作方面，我們成功地利用微影製程在 GaAs/AlGaAs 異質結構上定 義出一些不同幾何結構的雙層次(bi-layer)金屬閘極，利用電子阻劑 PMMA 作一 電絕緣層隔離分離閘極層與指狀閘極層，使不同層次的金屬閘極能獨立控制。外 加負偏壓於金屬閘極來驅趕(deplete)底層的二維電子氣體，並藉由控制不同的金 屬閘極，可以使得二維電子氣形成一窄通道(narrow channel)或量子點(quantum dot)，進而觀察電子傳輸的性質。 在製程過程，我們發現淺式蝕刻(shallow etching)可避免樣品與閘極間漏電流 (leakage current)發生，另外，以遠紅外光在低溫下照射樣品，可提升載子濃度與 遷移率。這兩個關鍵技術是量測到低雜訊且高重複性數據的重要因素。 我們先量測了二維電子氣體的磁電阻Rxx與霍爾電阻RH，以決定其遷移率μ 及電子密度ns，並估算電子平均自由路徑le。利用分離閘極外加負偏壓，造成其 有效電位障對二維電子氣形成窄通道結構，並觀察到似一維的量子化電導現象。 此外，又在分離閘極上層的指狀閘極外加負偏壓，造成額外進出窄通道的位障， 我們藉由調變此指狀閘極的負偏壓，觀察窄通道與外界耦合的強弱所導致的電子 傳輸特性變化。

Fabrication and Quantum Pumping Transport of

Multiple-Gate Modulated Nano-Channel Devices

student：Ming-Jiun Yao Advisor：Dr. Shih-Ying Hsu

Institute of Electrophysics

National Chiao-Tung University

Hsinchu,30010 Taiwan

ABSTRACT

In this thesis, we have studied the quantum transport properties of one dimensional channels defined by split-gates in GaAs/AlxGa1-xAs heterostructures. In

addition to the observation of the usual quantized conductance plateaus in the clean narrow channels, other interesting transport properties have been investigated with the additional electrostatic confinements via overlaying finger-gates in the channel.

In the aspect of nano-pattern fabrication, we have successfully produced different geometric bi-layer metal gates on GaAs/AlGaAs heterostructures by electron beam lithography. A layer of PMMA between split-gate and finger-gate layers was made to be an insulator, so that all gates can be independently controlled. When a negative voltage is applied to split-gate, the underlying two dimensional electron gas is electrostatically squeezed into a one dimensional channel. Finger-gates on the top layer can be used to deplete electrons within the channel. Moreover, they can introduce QPCs in both ends of the channel to act as the entrance and exit barrier to a dot.

Through the processing, we also learned that shallow etching can prevent the electric leakage between mesa and gates. In order to increase the carrier density and mobility of the samples, they were first illuminated with the far infrared light at low temperature upon the measurement.

Magnetoresistance Rxx and Hall resistance RH have been measured to determine

the carrier density and mobility of the two dimensional electron gas, and estimate the mean free path of electrons. The conductance measurements as a function of split-gate voltage demonstrate conductance plateaus at multiples of 2e2 h consistent with theoretical prediction for 1D channel. Applying a negative bias to one finger-gate atop the channel causes extra channel width confinement and dominate mainly the transport when its defined width is less than the original channel width. We also present the conductance measurements for a dot configurations with different coupling strengths between dot and its environment by controlling both finger-gates that affect the entrance and exit barriers.

誌謝

此篇碩士論文得以順利完成，要感謝的人很多。首先要感謝許世英老師兩年 來的指導與照顧，從老師身上學習到正確的實驗態度與解決問題的能力，這些能 力的培養使我更有信心來面對未來的種種挑戰，在此要再一次的跟您說聲謝謝， 老師辛苦了。 感謝彰化師範大學的吳仲卿老師，在電子束微影技術方面的指導與建議，使 我能有明顯的進步，感謝吳老師實驗室裡的所有研究生(文生、騰懋學長，家旗、 怡甄、哲勤、小歐)，是你們的鼓勵陪我一同成長。 感謝朱仲夏老師在理論與實驗方面的指導，朱老師待人的態度很親切，對學 術方面的專精更是我學習的榜樣，感謝朱老師研究室的所有聰明智者，有你們在 實驗方面的討論與建議，讓我在實驗上能更加順利。 感謝與我朝夕相處的實驗室夥伴，有你們的陪伴使我度過了一段美好的研究 生生活。有了這麼棒的實驗夥伴，除了在實驗方面的討論，也在日常生活陪我一 起玩樂，讓我在實驗之餘能有舒緩壓力的休閒。廷翊、穎泰、佩真都是最照顧我 的好學長姐，嘉顯、佩蒼、凱銘都是我實驗上的好夥伴，偉仁、玉敏都是我最棒 的好幫手。有了你們，讓我在交大的這段時間，擁有最好的回憶，要跟你們說聲 謝謝，謝謝你們對我的照顧與鼓勵。 感謝我的家人，在我求學之路不斷地給我支持與鼓勵，讓我能夠心無旁鶩的 完成學業，你們的關心與打氣是讓我完成學業的最大動力。特別感謝陪我一路成 長的意純，在我心情低落的時候給予安慰，因為有你的陪伴，讓我在外地求學能 夠備感窩心，這些點點滴滴我都銘記在心，藉此機會特別跟你說聲謝謝。 要感謝的人實在太多了，再次感謝你們的幫忙與提醒，讓我在求學之路能夠 順順利利，謝謝你們。有了你們的支持，我會繼續努力，往人生的另一個階段邁 進。

目錄

中文摘要……….i 英文摘要………ii 誌謝………...iv 目錄………....v 圖目錄………..vii 第一章 緒論………..1 第二章 GaAs/AlGaAs 二維電子系統………..3 2.1 二維電子系統之結構………3 2.2 二維電子氣體的特徵物理量(ns、μ)……….…4 2.3 實驗樣品的特徵值………...11 第三章 元件製作……….…………...15 3.1 元件製作流程………..15 3.2 光罩(mask)圖形………...23 3.3 微影技術(lithography)………..24 3.4 濕式蝕刻(wet etching)………...………..35 3.5 熱蒸鍍技術(thermal evaporation).………...……….……..36 3.6 熱退火技術(annealing)..………...……….……….………..39 3.7 低溫系統(cryostat system)...………...……….….………...41 3.8 實驗量測...……….……….……….….………...42 3.8.1 四點量測法與兩點量測法...……….……….………..42 3.8.2 檢查漏電流(leakage current)....……….……….…………..44 3.8.3 電性量測....……….………....……….45 第四章 奈米結構的量子傳輸……….………....….………..48 4.1 窄通道的量子化電導(quantized conductance)...……….……….………..48 4.2 雙層閘極奈米結構之量子傳輸………..55 4.2.1 窄通道之量子化電導………...55 4.2.2 第二層之單一指狀閘極對窄通道的影響………...…60 4.2.3 第二層之一對指狀閘極對窄通道的影響………...63 4.3 實驗問題與改進………..65

第五章 結論與展望………...….66 參考文獻………..67

圖目錄

圖 2.1 GaAs/AlGaAs 異質結構之剖面圖，相對應的能帶圖如右側所示，二維電子 氣將在離表面 93nm 深處形成，虛線即為二維電子氣所形成的位置。……4 圖 2.2 磁電阻量測用之 Hall bar 結構示意圖，外加偏壓於兩端黑色區域接點 (source、drain)，外加磁場是在 z 方向，垂直基板平面。………6 圖 2.3 縱向電阻率ρxx與霍爾電阻率ρyx對磁場變化的關係圖，系統溫度 150mK 【6】。………7 圖 2.4 週期性邊界條件，kx、ky將被量子化。………8 圖 2.5 二維系統能態密度對能量關係圖。虛線部份代表在沒有外加磁場下之能態 密度(step function)，實線部份則是在外加磁場之下的能態密度(spike-like)， 且 En=Es+(n+0.5)hwc。………9 圖 2.6 Hall bar 結構示意圖，W=191μm，L=129μm。………11 圖 2.7 縱向電阻Rxx與霍爾電阻Rxy對磁場之關係圖(T=0.3K)。………12 圖 2.8 縱向電阻與磁場倒數之關係圖。右上方插圖為相隔峰值對於磁場倒數的關 係，可藉此求得 avg B⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ 1 。………13 圖 3.1 平台結構示意圖，此圖是利用光學顯微鏡所拍攝之照片。………16 圖 3.2 金屬閘極完成後之樣品圖，此圖也代表光微影製程完成後之樣品圖。…17 圖 3.3 分離閘極的電子顯微鏡影像。………18 圖 3.4 電子阻劑 PMMA 所形成之絕緣層。………18 圖 3.5(a)~(d) 分別為一對至四對指狀閘極結構，指狀閘極之線寬約為 80nm。…19 圖 3.6 跨線閘極的電子顯微鏡影像。………20 圖 3.7(a)~(d) 完成後之元件，以電子顯微鏡 SEM 照相之影像。………22 圖 3.8 光微影製程所需之光罩設計圖。由左而右依次為平台結構(mesa)、歐姆接 觸(ohmic contact)和金屬閘極(metal gate)。………23

圖 3.9 將三組光罩合併後之示意圖。………23

圖 3.10 光阻無縱向內切輪廓示意圖。 ………25

圖 3.11 光阻有縱向內切輪廓示意圖。 ………25

圖 3.12 光微影製程技術流程示意圖。 ………31

圖 3.14 砷化鎵 GaAs 在 45 度方向下，利用蝕刻液蝕刻後，電子顯微鏡之側視圖， 蝕刻深度約 600nm。………36 圖 3.15 熱蒸鍍機之示意圖。電源供應器(I)提供高電壓，使氣體游離化產生高電 漿，電源供應器(II)提供使鎢舟發熱的電壓，使鎢舟內的蒸鍍源汽化。…...39 圖 3.16 熱退火裝置圖。……… 40 圖 3.17 3 He低溫系統簡圖與工作原理。………42 圖 3.18(a) 四點量測法。 ………43 圖 3.18(b) 兩點量測法。 ………43 圖 3.19 測量漏電流裝置示意圖。 ………44 圖 3.20 量測架構示意圖。 ………46 圖 4.1(a)(b) 分離閘極 SG 電子顯微鏡影像，圖(a)顯示五對不同間距大小的分離 閘極，圖(b)為其中一對分離閘極之放大圖，尖端部份通道寬度約為 150nm。 圖 4.2(a) 電阻相對於外加負偏壓之關係圖。樣品編號 5-70o，元件區域編號 I-1， 第一次降溫，在降溫過程，對於每對金屬閘極皆外加+0.2V 之正偏壓，且 量測前樣品未照光。………50 圖 4.2(b) 電導相對於外加負偏壓之關係圖，串聯電阻 Rseries=165Ω已被扣除 ，此分離閘極結構為窄通道間距dgap=400nm，窄通道長度lchannel=150nm。 圖 4.3 電導相對於外加負偏壓之關係圖，此區域元件之分離閘極結構為窄通道間 距dgap=300nm，窄通道長度lchannel=150nm。………52 圖 4.4 分離閘極上再製作一對指狀閘極之電子顯微鏡影像。………55 圖 4.5 電導相對於外加負偏壓之關係圖，此區域之元件結構，通道長度約為 500nm，通道間距約為 300nm，通道上方之指狀閘極尚未外加位能。…56 圖 4.6 照光對於二維電子氣體傳輸特性的影響，左右曲線分別代表照光後與照光 前，電導相對於外加負偏壓之關係圖。………57 圖 4.7 溫度對於量子化電導之影響，其中曲線有經過平移(offset)以方便比較。降 溫過程對每對金屬閘極皆外加+0.2V 之正偏壓，在低溫量測前，樣品皆照 光約一分鐘。 ………59 圖 4.8 在分離閘極與單一指狀閘極(FG1)外加負偏壓之示意圖，其中分離閘極為 固定負偏壓，而指狀閘極 FG1 負偏壓可逐漸增加，以將通道封閉，電流 方向為 x 方向。虛線與實線部份分別代表分離閘極與指狀閘極因受負偏壓 影響而形成的通道位能形式，整體的位能形式類似在窄通道上再外加一窄

通道。………60 圖 4.9 次能帶數目相對於外加負偏壓之關係圖，將原始數據除 1.15 則平台出現 的位置將會較符合理論值，在分離閘極外加負偏壓約-0.8V 時，可使得通 道內僅能存有四個次能帶數目。………61 圖 4.10(a)(b) 固定分離閘極負偏壓(-0.8V)，分別對不同的單一指狀閘極(FG1 or FG2)增加負偏壓，圖中可以觀察到預期的平台結構。………62 圖 4.11 在分離閘極與指狀閘極(FG1 and FG2)外加負偏壓之示意圖，其中兩根指 狀閘極為固定負偏壓，而分離閘極負偏壓可逐漸增加，以將通道封閉，電 流方向為 x 方向。虛線與實線部份分別代表分離閘極與指狀閘極因受負偏 壓影響而形成的通道位能形式，整體位能形式類似兩窄通道串聯(in series)。………63 圖 4.12(a)(b) 指狀閘極外加負偏壓改變範圍由 0V 至-2.5V，所對應的量子化電導。

第一章 緒論 早期，Thouless認為在一維系統的閘極上控制一隨時緩變的電位，將產生電子 傳輸的抽運機制，形成電流【1】。直到 1999 年，Marcus實驗小組在閘極局域的 量子點系統，藉由兩有相位差的同步交流高頻(1~16MHz)電位調製，始觀察到這 電荷抽運現象【2】。最近Dr.C.S.Chu等提出在彈道式窄通道的Non-adiabatic量子 抽運理論【3】，藉由空間與時間的週期調變，V(x,t)=V0cos(Kx-Ωt)θ (L 2− x)， (x為source-drain方向)，預期也可觀察到Non-adiabatic抽運傳輸，也就是在二維電 子系統先以split gates加負偏壓形成一維窄通道，之後在其上端的所謂finger gates 加AC電場，並預期可從實驗數據定量分析(頻率、相位、finger gate的空間不對稱 等造成抽運電流相對變化)，更了解傳輸電子的同調非彈性散射機制(coherent inelastic scattering)。 在本論文中的元件設計，初始的構想是想利用雙層閘極結構觀察量子抽運 (quantum pumping)的現象，並與Dr.C.S.Chu所做的理論預測作一比較。在樣品製作 方面，我們成功地利用微影製程在GaAs/AlGaAs異質結構上定義出一些不同幾何 結構的雙層次(bi-layer)金屬閘極，其中我們利用電子阻劑PMMA作一電絕緣層， 使不同層次的金屬閘極能獨立控制。另外我們利用淺式蝕刻(shallow etching)克服 閘極與樣品的漏電情形，並成功地利用遠紅外光源照射，提升樣品的載子密度ns 和遷移率μ，使得量子傳輸效應可以清楚地展現。 在 1999 年 Dr.C.T.Liang 等人利用雙層閘極結構，成功地將二維電子氣侷限成量 子點(quantum dot)，並在低溫觀察到了量子點的傳輸性質【4】。其中觀察到了量 子點在磁場下的 Aharonov-Bohm-type oscillation 以及電導有週期性的震盪行為 (Coulomb charging oscillation)，並觀察當開始外加一負偏壓於指狀閘極時，外加負 偏壓與窄通道耦合的行為【5】。

我們目前先在窄通道上外加一直流負偏壓，造成進出窄通道之位能障，並觀察 窄通道與外界耦合的強弱所導致的電子傳輸特性改變，且與 Dr.C.T.Liang 等人發 表的實驗結果作一比較。我們發現當在指狀閘極與分離閘極外加一夠大之負偏 壓，將有機會使一維窄通道形成一量子點，其電導值會有震盪的行為出現，此現

象與 Coulomb charging oscillation 相似。未來，我們可更進一步在二維電子氣體形 成的量子點，觀察此量子點在磁場下的傳輸行為並對指狀閘極輸入高頻訊號，並 觀察此高頻訊號對於電子在窄通道傳輸的影響。 本論文的主要架構如下： 第一章 緒論 簡單介紹本論文之架構。 第二章 GaAs/AlGaAs 二維電子氣系統 介紹二維電子氣的結構、二維電子氣的特徵物理量(ns，μ)、實驗樣品 的特徵值。 第三章 元件製作 說明元件的製造流程、元件構造以及所使用的微影製程技術。在製程 技術方面並說明光罩的圖形、濕式蝕刻技術、熱蒸鍍技術及熱退火技 術，最後介紹低溫系統及實驗量測之架構。 第四章 奈米結構的量子傳輸 觀察不同幾何結構之金屬閘極對於二維電子氣體傳輸的影響，並對實 驗結果作一討論。其中包含比較不同窄通道間距對於平台數目的影 響、溫度對於量子化電導的影響、照光對於樣品性質的改善以及調變 指狀閘極上的負偏壓，其有效位能障對於電子在窄通道傳輸的影響。 第五章 結論與展望 將對目前的研究工作做一總結，並建議一些未來研究的方向。

第二章 GaAs/AlGaAs 二維電子系統

隨著分子束磊晶(molecular-beam-epitaxy)技術的進步，在GaAs/AlGaAs異質接 面上，成長出高遷移率(mobility)的二維電子氣是可以達成的。高遷移率的二維電 子氣，傳導電子將會有較長的平均自由路徑(mean free path) ，因此低溫下會有 顯著的量子傳輸現象。當平均自由路徑甚大於通道長度時，電子在此通道的傳輸 為彈道傳輸(ballistic transport)，我們樣品的電子傳輸即屬於此類。以下將介紹 GaAs/AlGaAs二維電子系統的特性，從理論上介紹霍爾電阻(Hall resistance)與磁電 阻(magnetoresistance)，進而推算出二維電子氣的載子密度n e l s(carrier density)與遷移 率μ(mobility)。最後展現實驗量測得到的霍爾電阻與磁電阻，並推算我們樣品的 載子密度與遷移率。 2.1 二維電子系統之結構 二維電子氣是在 GaAs 與 AlGaAs 接面處形成，並在該接面形成一很薄的導 體層，異質結構的剖面圖如圖 2.1 所示。利用分子束磊晶(MBE)技術，在 GaAs 基板上依序長上 AlGaAs 與 GaAs，並在 AlGaAs 層內參雜了 Si 當作 n 型的參雜物 (donor)，貢獻自由電子至二維電子氣。在 AlGaAs 上覆蓋一層很薄的 GaAs 是為了 避免 AlGaAs 氧化。從能帶圖中可以發現在 GaAs 與 AlGaAs 接面處，有一三角形 位能井，此三角形位能井是因為 GaAs 與 AlGaAs 的傳導帶(conduction band)因彼此 接合而發生位移(offset)，導致能帶的彎曲。假若在費米能階(fermi level)之下，只 存在一個能階，則電子將只會存在於此能階(即電子被侷限於此能階)，此時在此 能階之電子，其垂直方向(Z 軸)的運動將被限制住，所以電子只能在接面平面(X-Y 平面)活動。因為此三角形位能井的第二個能階能量比第一個能階高出許多，所 以在一般的電子密度下，費米能階之下只存在一個能階，系統電子將僅能佔據此 一能階，因此電子具有二維傳輸的特性。 我們所使用含有二維電子氣的基板，是由以色列 Dr.Umansky 的研究群所提 供，二維電子氣在距離表面 93nm 的深度形成，如圖 2.1 右圖所示。在二維電子 氣與參雜層(doping layer)間隔了 60nm 的 AlGaAs 間隔層(spacer)，此間格層是為了 要減少因參雜層的缺陷(defect)而造成電子散射的機率。若能在磊晶過程中，減少 因晶格不匹配(mismatch)而造成的缺陷，即可得到高遷移率(mobility)的二維電子氣 系統。

從Dr.Umansky研究群所提供的數據，樣品在照光前後，載子密度ns (carrier density) 與遷移率μ(mobility)如下表所示，並估算其平均自由路徑。 ns μ l e 照光前 1.4×1011 cm-2 2.2×106 cm2 /V s 13.6μm 照光後 2.7×1011 cm-2 3.5×106 cm2 /V s 30μm 圖 2.1 GaAs/AlGaAs 異質結構之剖面圖，相對應的能帶圖如右側所示，二維電子 氣將在離表面 93nm 深處形成，虛線即為二維電子氣所形成的位置。 2.2 二維電子氣體的特徵物理量(ns、μ) 實驗上，量測二維電子氣在外加磁場下，縱向電阻率(longitudinal resistivity) 與霍爾電阻率(transverse or Hall resistivity)對磁場的關係，可進而推算載子密度ns

(carrier density)與遷移率μ(mobility)，所以量測縱向電阻率與霍爾電阻率是了解半 導體薄膜特性的一個基本方式。因此將有二維電子氣的基板製作成矩形的Hall bar 結構，並將此樣品降溫至 4K以下，外加一垂直基板平面的磁場，進行磁電阻的 量測。 （a）理論預測：杜爾模型(Drude model) 我們先從半古典的觀點，利用杜爾模型(Drude model)來討論外加磁場對於二 維電子氣系統的影響【7】。假設在二維電子氣系統的載子為自由電子，在外加電 場與磁場時，此自由粒子運動會遵守古典的羅倫茲方程式(Lorentz equation)。

則mv e

[

E v_d B m d r v v v × + = τ

]

（2.1）

其中τ_m為動量鬆弛時間(momentum relaxation time)，vv 為遷移速度_d (drift velocity) 當電子移動侷限於二維 x-y 平面時，且外加磁場方向為 z 軸， 則 Eq（2.1）可以下列矩陣形式(matrix)表示， ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − y x y x m m E E v v e m B B e m τ τ 其中vx、vy分別為x-、y-方向之遷移速度，Ex、Ey分別為x-、y-方向之電場。

且電流密度J(current density)與電子密度ns有下列關係，J=evdns

所以將矩陣利用此表示式帶入，可得 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ + − y x s y s x m m E E en J en J e m B B e m τ τ 重新整理， ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ₋ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ y x m m m s y x J J m eB m eB e n m E E 1 1 2 τ τ τ （2.2） 又電阻率張量

[ ]

ρ 定義為 ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ y x yy yx xy xx y x J J E E ρ ρ ρ ρ （2.3） 因此，比較 Eq（2.2）與 Eq（2.3），可得知 τ ρ ρ ₂ e n m s yy xx = = ， s xy yx n e B = − = ρ ρ （2.4）

其 中 ρxx即 為 縱 向 電 阻 率 (longitudinal resistivity) ， ρyx即 為 霍 爾 電 阻 率 (Hall

resistivity)。 我們可以定義σ≣∣e∣nsμ，μ≣∣e∣τm/m 所以 Eq（2.4）也可以寫成 1 ， − = =ρ σ ρ_{xx yy} s xy yx n e B B = = − = σ µ ρ ρ （2.5）

由Eq（2.5）可知，杜爾模型預測縱向電阻ρxx與磁場大小無關，將維持一常

數(constant)，而霍爾電阻ρyx將隨著磁場作線性變化。

（b）實驗結果

在實驗方面，我們在 GaAs/AlGaAs 異質結構上所做的矩形 Hall bar 結構示意 圖，如圖 2.2 所示。 圖 2.2 磁電阻量測用之 Hall bar 結構示意圖，外加偏壓於兩端黑色區域接點 (source、drain)，外加磁場是在 z 方向，垂直基板平面。 當在x方向外加一固定電流時，我們可以量測到縱向(longitudinal)電位差Vx與 橫向(transverse or Hall)電位差VH，進而可以得知縱向電阻率ρxx與霍爾電阻率ρyx 對磁場的變化，其中Vx＝V1-V2，VH＝V2-V3，並可以把縱向電阻率ρxx與霍爾電阻 率ρyx表示成 L W I V j E _x x x xx = = ρ ， I V_H yx = ρ 。 縱向電阻率ρxx與霍爾電阻率ρyx對磁場變化的關係圖，如圖 2.3 所示。

圖 2.3 縱向電阻率ρxx與霍爾電阻率ρyx對磁場變化的關係圖，系統溫度 150mK 【6】。 由圖 2.3 中，我們可以發現在低磁場時，縱向電阻率幾乎維持一常數，霍爾 電阻率則是隨著磁場變大而成線性增加，與杜爾模型理論預測的結果一致；但在 較高磁場範圍時，縱向電阻率將有明顯的震盪(oscillation)行為，而霍爾電阻率則 有階梯狀(step-like)的結構出現，無法以半古典的杜爾模型解釋。值得注意的是當 縱向電阻率震盪到最低值時，將會與霍爾電阻率出現平台的位置相對應，而最小 的縱向電阻率將會非常的接近於零，另外縱向電阻率的震盪行為與霍爾電阻率的 平台結構，在室溫(300K)甚至 77K 都還觀察不到，系統溫度需於低溫(10K 以下)， 這些特徵才會出現。在較高磁場下，縱向電阻率隨著磁場震盪的行為稱為 Shubnikov-deHaas (or SdH) oscillations，這種震盪行為不僅在二維導體可以觀察 到，早在 1930 年就首次在金屬塊材(bulk)中被發現了，只是此效應在二維的半導 體層有較明顯的震盪行為。 從低磁場範圍內量測到的縱向電阻率ρxx與霍爾電阻率ρyx，我們可以推算載 子密度ns及遷移率μ。 dB dV e I dB d e n H yx s ⎥ = ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = −1 ρ （2.6a）

L W V n e I n e s xx s x = = ρ µ 1 （2.6b） 所以可將實驗結果代入Eq（2.6a.b），進而得到樣品的載子密度ns與遷移率μ。 我們試著解釋 SdH oscillation 的震盪行為並說明如何從震盪的週期推算載子 密度【7】。首先從二維電子氣系統的能態密度(density of states)開始說明，假設週 期性邊界條件(periodic boundary condition)，如圖 2.4 所示。

圖 2.4 週期性邊界條件，kx、ky將被量子化。 計算在半徑為 k 的圓內所存在的能態數目(number of states)。 假設kx與ky將被量子化，且Lx與Ly是此系統的維度大小，則 x x x L n k = 2π ， y y y L n k = 2π ，其中nx、ny為一整數。 所以在kx-ky平面上，可被每個單一能態佔據的面積為 S L Lx y 2 4 2 2π π π = × 在半徑為k的圓內所能存在的總能態數目NT(E) NT(E)=2(for spin)× π π π 2 4 2 2 2 k S S k ₌ 且因此時總能量 m k E E _s 2 2 2 h + = ，所以NT(E)= ₂ (E Es) mS ₋ h π 此時，每單位面積、每單位能量的能態密度可得 ) ( ) ( 1 ) ( N E m₂ E Es dE d S E N ≡ _T = Θ − h π （2.7）

energy)。 由 Eq(2.7)可知，在沒有外加磁場的情況下，只要能量超過次能帶的最低臨 界能量，則二維狀態的能態密度將固定不變，維持一常數。 因為 SdH oscillation，是發生於較高磁場時的現象，所以我們需考慮在外加 磁場時，二維能態密度的改變。當外加磁場時，二維能態密度將從原本的階梯函 數分離成一連串的針扎狀(spike-like)能態密度，如圖 2.5 所示，而此時的能態密 度則可用 Eq（2.8）表示。

∑

∞ = ⎥⎦ ⎤ ⎢⎣ ⎡ _{− − +} ≈ 0 ) 2 1 ( 2 ) , ( n c s E Es n w h eB B E N δ h （2.8） 由圖 2.5 可以發現，相鄰兩峰值(peak)間，都隔一固定能量差值_hw_c，其中 m eB

w_c = 為迴旋角頻率(cyclotron frequency)。理論上，這些峰值應該是 delta functions，但實際上散射效應會使得 delta function 對能量作圖時變寬，如圖 2.5 所示，所以當我們外加一磁場時，能量將會被量子化而形成 Laudau level，即 En=Es+(n+0.5) ，且當改變磁場強度時，相對應的量子化能量(Landau level) 也會隨之改變。 c w h 圖 2.5 二維系統能態密度對能量關係圖。 虛線部份代表在沒有外加磁場下之能態密度(step function)，實線部份則是在外加 磁場之下的能態密度(spike-like)，且 En=Es+(n+0.5)hwc。

值得注意的是當縱向電阻率ρxx完成一個週期的震盪時，代表有相鄰的兩個

Landau level中心掃過費米能階，相對而言就是費米能階剛從一Landau level的中心 位置移到下一個Landau level的中心位置。 由Eq（2.8），我們可以推斷 h eB 2 為單位面積每個Laudau level所擁有的狀態，2 為考慮自旋，所以若將載子密度ns除以態密度 h eB 2 就可得知被電子佔據的Landau level數目。例如：若B=1T，則 h eB 2 =4.8×1010 cm-2 ，當樣品的ns=1.4×1011 cm-2，則 = h eB ns

2 2.9，即代表有兩個Landau level完全被電子佔據，第三個Landau level部分 被佔據，所以當我們改變磁場時，被電子佔據的Landau level數目也會跟著改變， 且當 h eB n_s 2 為半整數時，代表ρxx正處於峰值(peak)，此時費米能階恰會處在Landau level的中心位置。 若ρxx的連續兩個峰值對應到兩個不同的磁場值為B1、B2（若B1＜B2），則 1 2 2 ₁ − ₂ = h eB n h eB n_{s s} ， （2.9a） 因此 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = B h e B B h e n_s 1 1 2 1 1 1 2 2 1 （2.9b） 所以只需將任意的連續兩峰值所對應到的磁場值B1、B2代入Eq（2.9b），就可以推 算出載子密度，同時因ρxx反比於ns(由Eq.2.6b)，所以ρxx對應 1/B會展現週期振盪， 我們可以將縱向電阻率ρxx與磁場的倒數( B 1 )作圖，求得振盪週期，也就是平均 磁場倒數差距 avg B⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ 1 ，代入Eq（2.9b）就可導出載子密度。

從以上之討論，我們知道在不同磁場範圍時，載子密度可由兩種不同的公式 求得， 在低磁場範圍， 1 − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = dB d e ns yx ρ 在高磁場範圍， ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ = B h e ns 1 1 2 得到載子密度後，可進一步的推算其他物理量，如：遷移率μ、費米波函數kF、 費米波長λF、費米能量EF等。 2.3 實驗樣品的特徵值 我們在含有二維電子氣體的基板上，製作 Hall bar 結構，並利用 2.2 節所介 紹的方式量測縱向電阻率與霍爾電阻率對磁場的關係圖，以推算樣品的遷移率 (mobility)及載子密度(carrier density)。圖 2.6 為樣品上 Hall bar 結構示意圖，此圖 僅是示意圖，實際上總共有 10 個接點，包含兩側源極(source)及汲極(drain)接點 及另外八個可提供量測用之接點，圖 2.6 只畫出四個接點，而灰色區域即是歐姆 接觸(ohmic contact)，歐姆接觸區域與平台下的二維電子氣體相連通。 圖 2.6 Hall bar 結構示意圖，W=191μm，L=129μm。 我們將採用四點量測法，進行磁電阻之量測，而四點量測法將會在第三章討論。 圖 2-7 為樣品 5-70 的縱向電阻Rxx與霍爾電阻Rxy對應磁場變化的關係圖。

(a) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 Rxx (Ω ) H_perp 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000 R_XX R_XY R xy (Ω ) 圖2.7 縱向電阻Rxx與霍爾電阻Rxy對磁場之關係圖(T=0.3K)。 霍爾電阻在低磁場範圍會隨著磁場的增強而呈線性的增加，較高磁場範圍則 會有階梯狀結構出現，而縱向電阻在較高磁場範圍會隨著磁場變化而有一些震盪 的結構出現，此即為 Shubnikov-deHaas oscillation，但是在較低磁場範圍時，不同 一般預期該接近一常數反而有一點線性增加的趨勢，與一般 SdH oscillation 觀察 到的不同。另外高磁場下的霍爾電阻平台(plateau)位置與縱向電阻的溪谷(valley) 位置對應的蠻一致的。 我們可由圖2.7，計算出霍爾電阻在低磁場範圍的斜率 dB dρ_yx ，並計算載子密度ns。 11 19 1 10 21 . 1 5158 10 6 . 1 1 _{= ×} × × = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ₋ − dB d e n_s ρyx 1 2 cm 其中 =5158 dB dρ_yx T Ω (此斜率取的磁場範圍小於1 Tesla) 我們將縱向電阻Rxx對磁場倒數 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ B 1 作圖，並由此圖求出 avg B⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ 1 。

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 0 1 2 3 4 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1/ B (1/ T ) Oscillation number T=0.3K R xx (Ω ) 1/B_perp(T) 圖 2.8 縱向電阻與磁場倒數之關係圖。 右上方插圖為相隔峰值對於磁場倒數的關係，可藉此求得 avg B⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ 1 。 由 SdH oscillation 峰值位置對應的磁場倒數值，我們可以導出載子密度。 即： 11 34 19 10 74 . 1 2773 . 0 1 10 63 . 6 10 6 . 1 2 1 1 2 × = × × × × = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ = ₋− B h e n_s 1 2 cm 其中 avg B⎟⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ 1 =0.2773 T-1

我們可以稍作整理，若分別討論高低磁場範圍時，載子濃度及其他物理量之 差異： 樣品編號：5-70 (a)低磁場範圍(磁場小於 1 Tesla) 11 1 10 21 . 1 × = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = − dB d e n_s ρyx cm−2 5 11 19 3.44 10 150 10 21 . 1 10 6 . 1 1 1 _{= ×} × × × × = = ₋ sheet s n e ρ µ Vs cm2 _~150Ω sheet ρ m cm e k e n l s F e µ µ π µ 2 10 2 10 6 . 1 10 87 . 0 10 05 . 1 10 44 . 3 2 ₄ 19 6 34 5 = × = × × × × × × = = = − − − h h 進一步推算kF、λF、EF等物理量： kF= 6 11 10 87 . 0 10 21 . 1 2 2πn_s = π× × = × cm−1 nm m cm kF F 7.2 10 7.2 10 72 2 = × 6 = × 8 = = π − − λ

( )

* 2 2m k E F F h = =

(

)

4.2meV 10 6 . 1 10 1095 . 9 067 . 0 2 10 87 . 0 10 05 . 1 19 31 2 8 34 = × × × × × × × − − − (b)高磁場範圍 11 10 74 . 1 1 1 2 × = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ = B h e ns 1_cm 5 11 19 2.39 10 150 10 74 . 1 10 6 . 1 1 1 × = × × × × = = ₋ sheet s n e ρ µ Vs cm2 m cm e k e n l s F e µ µ π µ 73 . 1 10 73 . 1 10 6 . 1 10 1 . 1 10 05 . 1 10 39 . 2 2 ₄ 19 6 34 5 = × = × × × × × × = = = − − − h h 進一步推算kF、λF、EF等物理量： kF= 2πns = 2π×1.74×1011 =1.1×106 1 − cm nm m cm kF F 5.7 10 5.7 10 57 2 = × 6 = × 8 = = π − − λ

( )

* 2 2m k E F F h = =

(

)

6.8meV 10 6 . 1 10 1095 . 9 067 . 0 2 10 1 . 1 10 05 . 1 19 31 2 8 34 = × × × × × × × − − −

第三章 元件製作

本章將介紹元件的整個製作過程，從光罩的圖形(mask pattern)、微影技術 (lithography)、熱蒸鍍技術(thermo-evaporation)、蝕刻技術(etching)、熱退火技術 (annealing)到打線技術(wire bonding)等相關製程技術，皆會在本章做一說明，並將 在製程方面所遇到的問題作一討論。

我們所使用含有二維電子氣(two-dimensional electron gas，2DEG)的基板，是 以色列的 Dr.Umansky 研究群所提供，而此 GaAs/AlGaAs 異質結構在第二章有一 詳細的說明。 3.1 元件製作流程 我們所需的元件結構，依序要經過光微影技術(photolithography)及電子束微影 技術(electron-beam lithography)等兩種不同的微影技術來完成製備，且須利用打線 與接線技術(wire bonding)將樣品連接至量測系統，以進行電性之量測。以下將分 成三個部分介紹整個元件的製作流程，並以實際樣品圖配合說明。其中，此兩種 微影技術的流程和使用此兩種技術的原因將在微影技術(lithography)部分詳加說 明。 第一部份：光微影製程技術(photolithography) (1) 平台結構(mesa structure) 首先在含有二維電子氣(2DEG)的基板上，利用光微影技術定義出我們所需的 平台結構區域，經顯影之後，利用濕式蝕刻(wet etching)將平台結構之外的區域移 除，最後再將殘餘的光阻去除即可。而定義此平台結構的目的是為了劃分二維電 子氣所能存在的區域，侷限載子的活動範圍。經過濕式蝕刻後之平台結構，如圖 3.1 所示，中間較寬之區域即為平台結構，左右兩邊各銜接兩個接點平台，將作 為之後歐姆接觸處理，以從事樣品電性量測。

10μm 圖 3.1 平台結構示意圖，此圖是利用光學顯微鏡所拍攝之照片。 (2) 歐姆接觸(ohmic contact) 歐姆接觸是在打線區(bonding pad)上，蒸鍍上所須金屬(金、鍺、鎳)，再藉由 熱退火技術(annealing)，使在打線區上的金屬能滲透到半導體中與二維電子氣體 相連通，以便能順利量測到二維電子氣的特性。製作過程是利用光微影技術定義 出要形成歐姆接觸的區域(即打線區)，再經由顯影、熱蒸鍍、舉離及熱退火技術 完成之。此部份較特別的是在塗佈光阻之前，需先將基板浸入氫氧化銨與去離子 水(1:15)混合液中，將砷化鎵表面的氧化層去除，並在完成光微影後，需先將基 板放入Ozonator中，利用O2 plasma照紫外光所形成的O3將殘留於基板表面的光阻 去除，並在放入熱蒸鍍機之前，用鹽酸與去離子水(1:1)混合液，再次清洗砷化鎵 表面，以免有氧化層的形成。這些過程都只是為了讓歐姆接觸能夠更好，使接點 能有線性的電流電壓曲線。若接點不好，表面有位障絕緣層，則形成NIN junction， 穿隧效應造成非線性電流-電壓曲線，而直接影響樣品傳輸特徵的觀察。 (3) 金屬閘極(metal gate) 此部份的金屬閘極是為了提供與電子束微影技術所定義出的金屬閘極做一 連接，使我們能夠藉由此金屬閘極輸入高頻訊號或負電壓，造成二維電子氣的電 位障，影響其傳輸機制；光微影部分所定義的金屬閘極線寬較寬，約有 5μm。 製作過程是利用光微影技術定義出所需的大結構金屬電路圖形，再經由顯影、熱 蒸鍍、舉離即完成。金屬閘極完成後之光學顯微鏡影像，如圖 3.2 所示，圖中較 亮的區域即為鍍上金屬後所形成之區域。在平台結構中間，有四個圓形金屬點是 為了幫助後續電子束微影製程之對準用(alignment)，通常稱此四個金屬點為定位 點(alignment key)。

圖 3.2 金屬閘極完成後之樣品圖，此圖也代表光微影製程完成後之樣品圖。 由於金屬閘極為光微影製程的最後一道製程，所以當完成金屬閘極後，光微 影製程部分就告一段落，後續元件製作則利用電子束微影製程技術來繼續完成。 第二部分：電子束微影製程技術(E-beam lithography) (1) 分離閘極(split-gate) 首先利用電子束微影技術定義出分離閘極，再經由顯影、熱蒸鍍、舉離便可 完成此一結構，此分離閘極將與光微影所定義出的金屬閘極做一連接。定義此分 離閘極的主要目的，是想藉由在分離閘極加一負電壓，驅趕(deplete)底下的二維 電子氣，使其逐漸形成一窄通道(narrow channel)，此時二維電子氣將從原本的二 維 特 性 逐 漸 轉 變 為類 一 維 (quasi-1D) 的 特 性 ， 藉 此 量 測 量 子 化 電 導 (quantized conductance)等物理現象。分離閘極的電子顯微鏡影像，如圖 3.3 所示，最中間一 對即為分離閘極。分離閘極線寬(line width)與指狀閘極所需對數有關，即分離閘 極線寬=（單一指狀閘極線寬+彼此間距）×對數，若指狀閘極只有一對，則分離 閘極線寬約為 500nm；若需四對指狀閘極，則分離閘極線寬約為 1500nm。利用 電子束微影在影像的四個角落各定義一個十字，即所謂定位點(alignment key)，以 便後續的閘極對準動作能夠更加精確，使每一層次都能對準到正確的位置。

圖 3.3 分離閘極的電子顯微鏡影像。 (2) 絕緣層(insulator) 電子阻劑 PMMA 經過長時間的曝光，會由原本的正阻劑特性轉變成一負阻 劑的特性，而形成絕緣層，將分離閘極與上層的指狀閘極做一電絕緣分隔，使得 這些金屬閘極能獨立輸入不同的訊號，而不至於有漏電流互通形成短路(short)。 絕緣層將直接覆蓋於分離閘極之上，絕緣層電子顯微鏡影像，如圖 3.4 所示，中 心深色部分即為 PMMA 形成之絕緣層，絕緣層尺寸為 16μm×16μm，厚度約為 100nm。 圖 3.4 電子阻劑 PMMA 所形成之絕緣層。 (3) 指狀閘極(finger-gate) 此閘極為樣品製作中最細的金屬閘極(約 80nm)，難度相對的也最高，指狀閘 極需準確地對準於窄通道上，並利用底下的絕緣層將指狀閘極與分離閘極做一電

絕緣。此閘極將可輸入交流或直流訊號(AC or DC)，使得在窄通道形成後，可在 通道上多形成一位能(隨時變或不隨時變)，並觀察此位能對於窄通道量子傳輸之 影響。指狀閘極視需求可製作成 1~4 對，如圖 3.5(a)(b)(c)(d)所示，圖中最細的金 屬線(約 80nm)即為指狀閘極，而最底層的金屬閘極即為分離閘極，由於絕緣層經 電子束影像處理是形同透明，所以由圖片看似只有上層指狀閘極與下層分離閘 極，但絕緣層確實是介於指狀及分離閘極之間。 (a) (b) (c) (d) 圖 3.5(a)~(d) 分別為一對至四對指狀閘極結構，指狀閘極之線寬約為 80nm。

(4) 跨線閘極(cross-gate) 此閘極將指狀閘極與光微影定義出的金屬閘極做一連接，使我們能外加訊號 至指狀閘極。跨線閘極如圖 3.6 所示，連接指狀閘極與光微影金屬閘極部分，即 為跨線閘極(標號 A 與 B)。當完成跨線閘極後，電子束微影製程也告一段落，接 下來將利用打線與接線技術，將樣品連接到量測系統。 B A 圖 3.6 跨線閘極的電子顯微鏡影像。 第三部分：打線及接線技術(wire bonding) 將我們製作完成的樣品，用導熱膠(N-grease)將樣品貼到自製的樣品座，之 後再利用打線機(wire bonder)將樣品上的打線區(bonding pad)連接到樣品座之接 線區，自製樣品座是由黃銅片當底座，四側再貼上金的電極接點作為接線區，由 於銅(copper)是很好的導熱材料，用以作為低溫量測時的樣品台。因樣品上之打 線區尺寸很小(約 198μm×192μm)，所以需利用打線機將樣品上較小的區域連接 到外圍較大的接線區，方便之後的接線。當完成打線後，利用金線將自製樣品座 與無氧銅樣品台上的接點(pin)連接，連接完成後的樣品可先在室溫(300K)，先檢 查接點是否正常及接點電阻是否過大，等一切檢查都沒問題後，才將樣品台置於 低溫系統內進行低溫量測。 在打線過程中，有時會遇到金球無法緊密附著於打線區上，或者打線區表面 的金薄膜會因為打線的過程而剝落，使接點電阻過大或使接點無法順利連接，我

們會採用銦球(indium)當作金球與打線區表面之黏著劑。 我們先用打線機結金球，並設法在金球頂端沾黏些許的銦，再將頂端附有銦 球之金球連接至打線區，由於銦與金屬膜的黏附性很好，所以可以幫助金球與金 屬膜之連接，以完成打線之動作，其中打線機是利用高電壓，在金線的頂端形成 一小金球，並利用下壓力量及超音波振盪摩擦，將金球附著於打線區上之金屬膜。 打線技術在樣品的製作過程中是很重要的，若已經完成了整個元件的製備，但卻 因打線時的接點不好而造成樣品無法量測，這樣是很可惜的，所以在整個元件的 製作流程中，每一個細節都不可輕忽。

圖 3.7 為元件完成後之結構示意圖，圖 3.7(a)~(d)為逐漸放大倍率所看到之電 子顯微鏡影像，圖(a)打線區上顆粒狀結構為銦球沾附後之形狀，圖(d)為四對跨 過分離閘極間距之指狀閘極，僅為測試之用。 (a) (b) (c) (d) 圖 3.7(a)~(d) 完成後之元件，以電子顯微鏡 SEM 照相之影像。

3.2 光罩(mask)圖形

圖 3.8 為光微影(photolithography)製程所需之光罩圖形，由左而右依次為平 台結構(mesa)、歐姆接觸(ohmic contact)和金屬閘極(metal gate)，圖中白色區域代 表此區域允許紫外光穿透(clear)，而黑色區域則是遮蔽區(dark)。實驗上製作樣品 時，當完成曝光及顯影之後，黑色區域部份的光阻將被保留下來，而白色區域的 光阻將溶於顯影液中，對平台結構而言，白色區域將利用濕式蝕刻(wet etching) 將此區域移除，而對歐姆接觸及金屬閘極部分而言，白色區域將利用熱蒸鍍機， 蒸鍍上所需金屬。圖 3.9 是三組光罩合併的設計圖。每個元件之實際尺寸為 1.19mm×1.07mm。 圖 3.8 光微影製程所需之光罩設計圖。由左而右依次為平台結構(mesa)、歐姆接 觸(ohmic contact)和金屬閘極(metal gate)。

3.3 微影技術(lithography) 在元件製作部分，我們使用到了兩種不同的微影技術，分別為光微影製程技 術(photolithography)及電子束微影製程技術(e-beam lithography)。此兩種微影技術的 步驟及原理很相似，較大的差別在於所使用的曝光光源不同，因此製成的尺寸大 小大大不同；在進行微影的過程中，每一個步驟皆不可馬虎，每一個細節是決定 樣品是否能成功完成的重要因素，所以在進行微影時，要特別注意每一流程。因 光 微 影 技 術 所 能 達 到 之 最 小 線 寬 受 限 於 入 射 光 的 波 長 及 其 繞 射 極 限 (Diffraction)，而電子束微影技術在製程方面所需花費的時間較長，所以我們將此 兩種微影技術配合作用。因光微影技術可同時且大範圍的曝光(可節省製程的時 間)，所以我們可先用光微影技術定義出較大尺寸的結構，之後再利用電子束微 影技術來製作更微小的結構。這樣我們就能各取此兩種微影技術的優點，在有限 的時間內完成所需的結構。 一、光微影製程技術(photolithography) 此技術是利用曝光機(mask aligner)將光罩上的幾何狀圖案，轉移至晶片表面 光阻層的一種方法。曝光機的光源大部分採用紫外光(λ≒0.2~0.4μm)，當所需 線寬越來越小的情況下，一般光微影技術將越來越難達成所需線寬，所以光微影 技術可配合其他不同的微影技術(如：電子束微影技術)，來達到製作微小樣品的 目的。我們在光微影部分所使用的光阻為 AZ5214E，此光阻不但具有一般正阻劑 的特性，且可經由反轉烤(reversal bake)與全面曝光(flood exposure)，使其光阻特性 由正轉變成負阻劑，且當其轉變成負阻劑時，會有一縱向內切(undercut)的特性， 此一特別的性質，對於我們所需的製程有極大的幫助。一般而言，正阻劑擁有較 好的解析度(resolution)，而負阻劑則有較好的縱向內切特性。若阻劑能有縱向內 切的特性，則在樣品進行蒸鍍之後，所附著在基板表面的金屬，將會與鄰近光阻 有一距離，不會直接附著於光阻側邊，這將會增加後續舉離(lift-off)動作的成功 率，並減少金屬線翹邊情況的發生。光阻無/有縱向內切特性，對於舉離動作的 影響，如圖 3.10 及圖 3.11 所示。

圖 3.10 光阻無縱向內切輪廓示意圖。 圖 3.10 左為一般無縱向內切特性的光阻，經顯影後之側視圖，圖 3.10 右為 此類型之光阻層蒸鍍上金屬後之側視圖，基板表面的金屬會同時附著於基板與光 阻側邊，所以當我們進行舉離，光阻被掀離時有可能會將基板表面的金屬層一併 掀除，這將會造成圖形轉移失敗。 圖 3.11 光阻有縱向內切輪廓示意圖。 圖 3.11 左是有縱向內切特性的光阻，經顯影後之側視圖，圖 3.11 右為此類 型之光阻層蒸鍍上金屬後之側視圖。如圖 3.11 右所示，基板表面之金屬並不會 附著於光阻側邊，當我們進行舉離時，將不會影響到所需的金屬層，使得圖形能 夠成功轉移至基板表面。 在光微影部分，我們使用Karl Suss MJB-3 曝光機，曝光強度固定在 5mW/cm2 ， 以下將介紹光微影技術的製作流程，而＊代表我們所測試之條件。 (0)清洗基板(clean substrate): 將基板依序放入丙酮(acetone)、酒精(ethanol)中，並放入超音波震盪器中隔水 震盪數分鐘，之後用氮氣吹乾。

(1) 塗佈(spin coating): 利用光阻塗佈機(spinner)，使光阻均勻的黏附於基板表面。光阻附著的均勻 度，將對於後續的曝光動作有很大的影響，所以若光阻附著的不均勻(可檢查光 阻膜顏色是否一致)或光阻膜表面有微粒，我們會將此光阻膜洗去(可重複(0)之步 驟)，並重新塗佈直到光阻膜能夠均勻地附著於基板。一般而言，為了使光阻能 夠更均勻的附著，塗佈機通常會設定成兩種不同轉速的階段(step)，第一階段大 部分為較低轉速，此階段主要是讓光阻能平均分佈於基板表面，第二階段為較高 轉速，此一階段決定了光阻層厚度。塗佈機轉速與光阻液的粘滯性將是影響光阻 厚度的重要因素，旋轉的轉速越快，形成的光阻膜將越薄；而粘滯係數大者，在 同轉速下形成的光阻膜則越厚。 ＊塗佈： 光阻液：AZ5214E 塗佈機轉速： step1：10sec 1000rpm step2：40sec 5000rpm 光阻厚度：約 1.6μm (2) 預烤(pre-bake): 此步驟是為了將光阻層內的溶劑烤乾，使光阻能夠更緊密的附著於基板表 面，一般常用平台加熱板(hotplate)或溫控封閉式烤箱(oven)進行預烤。我們是將基 板置於平台加熱板上進行預烤，所以接近基板表面的光阻溶劑會先被蒸發，然後 逐漸往光阻表面移動。若是以溫控封閉式烤箱，則恰好相反，光阻層表面的溶劑 會先被蒸發，再逐步往基板表面移動。預烤的時間與溫度都須準確的控制，以平 台加熱板為例，若預烤的時間過久或溫度過高，則會使光阻過於緊密的附著於基 板，以致進行顯影與舉離時，不易將光阻移除；相反地，若預烤時間太短或溫度 太低，則會使光阻層過於鬆軟，使進行接觸式曝光(contact exposure)時，光阻容易 黏附在光罩上，污染光罩。預烤時間與溫度等參數，則須配合所選用之光阻，做 一調整使其能達最佳條件。 ＊預烤： 平台加熱板溫度：900 C 預烤時間：90sec

(3) 曝光(exposure):

在光微影製程部分，曝光的方式大致可分成兩種，一種為影印式曝光(shadow printing)，另一種是投影式曝光(projection printing)，而影印式曝光又可分為兩種， 一為接觸式曝光(contact printing)，另為近距式曝光(proximity printing)。

分析接觸式曝光與近距式曝光，此兩種曝光方式最大的差異在於光罩是否直 接緊貼於光阻層表面，接觸式曝光是指光罩直接緊貼光阻層，而近距式曝光則是 指光罩與光阻層約有 10~50μm 的間距。我們在實驗上所採用的是接觸式曝光， 接觸式曝光的優點是解析度高(~1μm)，但缺點是由於每次曝光時，光罩都需與 光阻層直接接觸，經過幾次曝光後，光罩上會沾附光阻或其他污染物，造成不乾 淨的圖形轉移，所以我們在進行曝光之前，都會檢視光罩的潔淨程度，並不定時 的清洗光罩。 由於我們在元件的製造過程中，會使用到多次微影技術，所以也必須考慮到 對準(alignment)問題，而對準的目的是為了能保持圖形轉移的精準度。在光罩設 計時，在每個元件區塊的四個角，皆有不同形狀的對準點(alignment keys)，這些 對準點將是進行圖形轉移時的參考點。 當我們將光罩確實對準之後，必須確定光罩與光阻層已經緊密貼合，再進行 曝光動作，若光罩與光阻層尚未緊密貼合就進行曝光，則曝出來的圖形將會有鋸 齒狀結構(因光繞射造成)或轉移後的光阻層圖案不陡峭。通常只要達到所需之曝 光劑量(dosage)，就能使曝光區域的光阻層進行光化學轉換，並使曝光區與未曝 光區對於特定的顯影液有溶解度上的差異，進而將光罩上的圖形轉移至光阻層， 而曝光時間、入射光強度及光阻層厚度，此三者是影響曝光劑量的重要參數。簡 單的說，若固定同一曝光劑量，當入射光強度越強時，所需的曝光時間就越短， 但當入射光強度越強時，紫外光通過光罩圖案邊緣繞射的現象將會越明顯，所以 需適當的調整入射光之強度，並配合曝光時間，使其能達所須之劑量。若曝光劑 量不足，光阻底層的光化學轉換則不完全，這將使該移除的光阻還殘留在基板表 面，使得後續製程的動作失敗，所以剛開始時，我們需先測試所需之曝光劑量， 直到符合想要之線寬要求。 ＊曝光： 曝光機：Karl Suss MJB-3 曝光強度：5mW/cm2 曝光時間：約 65sec

(4)反轉烤(reversal bake): 將曝光過後之基板，放到平台加熱板上加熱，光阻受熱後，會改變其化學結 構，使得原本該溶於顯影液區域的光阻，反而不溶於顯影液，較特別的是反轉烤 並不會影響未曝光區域之光阻特性，並在全面曝光(flood exposure)之後，使未曝 光區之光阻作光化學轉換。 ＊反轉烤： 平台加熱板溫度：1200 C 反轉烤時間：90sec (5)全面曝光(flood exposure): 將反轉烤之後的基板，再進行一次曝光，此次曝光將不需光罩，使紫外光全 面的照射光阻層，並使原本未曝光區光阻進行光化學轉換，並溶於顯影液中，而 原曝光區則不受影響，依然不溶於顯影液。經由反轉烤及全面曝光後，會使原本 曝光區域反而不溶於顯影液，即光阻(AZ5214E)由原本的正光阻性質轉變成負光 阻性質，並使其具有縱向內切的特性。 ＊全面曝光： 曝光機：Karl Suss MJB-3 曝光強度：5mW/cm2 曝光時間：約 98sec (6)顯影(develop): 將基板放入顯影液中，因曝光區與未曝光區的光阻層，對於顯影液有溶解度 上的差異，所以我們將能區隔曝光區與未曝光區，並將光罩上的幾何圖形轉移至 光阻層。顯影液溫度與顯影時間也是影響顯影速率的重要因素，所以在顯影過程 中，要特別注意顯影液的溫度，並固定顯影時間。通常基板在顯影過後，會接著 浸入定影液中，以避免顯影液殘留在光阻層。在光微影部分，我們所使用的顯影 液為 AZ400 與去離子水混合液(1：4)，所使用的定影液為去離子水(DI water)。 ＊顯影：

顯影時間：35sec 顯影液溫度：約 250

基板經過顯影之後，依所需的目的不同，製程方式也有所不同。第一道光微 影是要定義出平台結構，所以在顯影過後需繼續進行蝕刻製程，而第二道與第三 道光微影是需在基板表面蒸鍍上金屬，所以在顯影過後則需將基板放到熱蒸鍍機 中進行蒸鍍。光微影製程技術之流程圖，如圖 3.12 所示

1.塗佈與預烤(spin coating & pre-bake)

PR

substrate

Hot plate

2.曝光(exposure)

UV light

substrate

PR

PR

mask

3.反轉烤(reversal bake)

substrate

Hot plate

4.全面曝光(flood exposure)

UV light

PR

substrate

5.顯影(develop)

substrate

圖 3.12 光微影製程技術流程示意圖。

二、電子束微影製程技術(electron beam lithography)

電子束微影術是利用掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope)來進行 微影製程的技術，而電子顯微鏡主要是由電子槍、電磁透鏡以及光學聚焦系統所 組成。其觀測原理是以加熱鎢燈絲的方式來產生電子，再利用高電壓(約 30kV) 把電子往樣品台方向加速，產生高能量的電子群，經過一連串的電磁透鏡聚焦， 最後以二次電子偵測器來收集打到樣品後的二次電子，組合成我們所看到的影 像。 由電子顯微鏡構造可知，電子束是由電子槍由真空中射出，細小的電子束再 經過電磁透鏡系統，形成一直徑極小的電子束而照射在樣品上。而此細小的電子 束也可以進一步應用，當作電子阻劑的曝光源，這就是以下將詳細介紹的電子束 微影技術。此技術乃 利 用 帶 高 能 量 的 電 子 群，經 電 磁 線 圈 控 制 方 向 後，直 寫 於 塗 上 電 子 阻 劑 的 基 板 上，入 射 電 子 將 改 變 電 子 阻 劑 之 化 學 結 構，再 經 過 顯 影 步 驟 後，將 阻 劑 內 有 ／ 無 電 子 束 反 應 的 區 域 得 以 區 隔，阻 劑 圖 案 因 而 顯 現 出 來 。 電子束微影術之所以能夠曝出比光微影術（photolithography）更細的線寬， 是因為光微影術受限於光的繞射極限(與曝光光源波長有關)，而電子束微影術以 高能電子直接照射到樣品，因其入射波長為深紫外光的數千分之一，所以擁有焦 距深度大，且不需經由光罩直接由聚焦的電子束進行曝光，所以能製作出次微米 (sub-micron)的光阻幾何圖形。 電子束微影技術所需的軟硬體主要為掃描式電子顯微鏡(SEM)及電腦介面控 制軟體 NPGS(Nanometer Pattern Generation System)，此套電腦介面控制軟體 NPGS 可用來控制遮黑平板(beam blanker)(控制電子束的開/關)與偏角線圈(可決定電子 束的偏折角度)，所以經由此套介面控制軟體可直接將聚焦的電子束掃描於基板 上的任意位置。

電子束微影技術的流程簡單介紹如下: (0)清洗基板(clean substrate): 將基板依序放入丙醇(acetone)、酒精(ethanol)中，並利用超音波震盪器隔水震 盪數分鐘後，再用N2(g)吹乾。 (1)塗佈電子阻劑(spin coating)： 將清洗過後的基板，利用光阻塗佈機(spinner)使電子阻劑均勻附著於基板， 電子阻劑是一種高分子聚合物，與一般的光阻特性類似，即曝光區域會產生化學 變化。我們使用的電子阻劑為聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate 簡稱 PMMA），此電子阻劑具有 0.1μm 或更小的解析度。PMMA 是屬於正型阻劑 (positive resist)，即當電子入射電子阻劑時，電子阻劑內的聚合物化學鍵結將被打 斷，而形成較小分子的聚合物，所以曝光區將會溶於適當的顯影液中，進而能將 圖形轉移至阻劑層。PMMA 也具有良好的縱向內切特性(undercut)，這對於後續的 舉離工作，將有一定程度的幫助。 (2)預烤(pre-bake)： 將塗上電子阻劑的基板放在平台加熱板(hotplate)上烘烤，此步驟是為了將電 子阻劑裡的溶劑烤乾，使其能夠更緊密的附著在基板上。我們預烤時的條件為平 台加熱板設定成 180。 C，烘烤 5 分鐘左右。 (3)曝光(exposure)： 將烘烤後的基板移入掃描式電子顯微鏡內，並先在電腦輔助設計軟體(NPGS) 上設計好所需轉移的圖案後，透過介面控制，就可驅使聚焦電子束掃描出相對應 之圖案。在進行曝光之前，需先將電子顯微鏡的各項參數調整到最佳的狀態，以 達到最好的曝光條件。 (4)顯影(develop)： 將基板浸入適合的顯影液中，曝光區域與未曝光區域因在顯影液中會有不同 的溶解速率，所以可以選擇性的將光阻移除或保留，進而達成圖形的轉移。曝光 區域光阻的移除或保留與使用的阻劑有關，視其為正光阻或負光阻而有所不同。 我們所使用的顯影液為MIBK(methyl isobutyl ketone):IPA=1:3 比例混合的溶液，顯

影過程為將樣品放於顯影液中約 75 秒，維持顯影溫度約為 25。 C，之後再放入IPA 中 25 秒，再用氮氣吹乾即可。 (5)蒸鍍金屬(deposition)： 利用熱蒸鍍機(thermo-evaporator)在圖案化的基板上，依需要而鍍上不同種類 之金屬。其中，蒸鍍上的金屬厚度，最好不要超過光阻層厚度的三分之一，以增 加後續舉離過程的成功率。因為鈦(Ti)與半導體間有良好的黏附力，所以我們在 蒸鍍其他金屬之前，會先在樣品表面鍍鈦，使金屬薄膜能更緊密的附著於基板， 並防止金屬薄膜脫落。 (6)舉離（Lift-off）: 將完成蒸鍍程序之基板泡在丙酮(acetone)中，以去除不需要的金屬膜與光阻 區，達到圖形轉移的目的。之後再將基板放入酒精中，最後用氮氣吹乾即可。 經過這一連串的過程後，就能將圖形轉移到基板上，利用此技術可以直寫出 微米(micron)、甚至到奈米(nanometer)等級的尺寸大小。 從以上討論可以發現，光微影製程技術與電子束微影製程技術在製程方面， 有相當程度的雷同。光微影製程技術的解析度受限於光的繞射，而電子束微影技 術 的 解 析 度 則 是 受 限 於 因 電 子 散 射 (scattering) 而 造 成 的 鄰 近 效 應 (proximity effect)。當高能量的電子群入射光阻並到達基板時，期間電子會與這些介質產生 碰撞，而這些碰撞將造成入射電子能量耗散與行進路徑改變，並在入射點附近將 會有散開的現象(直至電子能量完全消失或離開此介質)，所以實際的曝光區域會 比原先預計的區域大很多。由此可知，電子束在某一位置的曝光，將會影響到鄰 近區域的曝光，此現象即稱為鄰近效應(proximity effect)，此效應會影響到電子束 微影術所能達到之最小解析度。電子束微影製程技術之流程圖，如圖 3.13 所示。

1.塗佈與預烤(spin coating & pre-bake)

PMMA

substrate

Hot plate 180 °C

2.曝光(exposure)

Electron Beam

PMMA

substrate

3.顯影之後(after develop)

substrate

4.蒸鍍(deposition)

substrate

e

metal

5.舉離之後(after Lift-off)

metal

substrate

e

圖 3.13 電子束微影技術流程示意圖。

3.4 濕式蝕刻(wet etching) 在第一道光微影完成曝光及顯影後，需要將部份基板區域移除掉，以形成平 台結構，而移除方式則是將有光阻當遮罩(mask)之樣品放入蝕刻液(etchant)中進 行蝕刻，所用的蝕刻液必須要能與基板產生化學反應，進而將與蝕刻液反應區域 移除。我們採用的蝕刻液成分為硫酸、雙氧水及去離子水混合液(H2SO4：H2O2： DI water=1：8：160)，蝕刻速率約為 2600Å/min，蝕刻深度則由基板與蝕刻液的 反應時間來決定，通常在蝕刻含有二維電子氣之基板前，會先用砷化鎵(GaAs) 基板進行蝕刻測試，確定蝕刻速率及深度後再進行正式樣品之蝕刻。 蝕刻深度對於樣品的影響很大，我們嘗試過兩種方法，一種是蝕刻深度超過 二維電子氣的深度，以確保電子只能在平台結構範圍內活動，但此方式須配合基 板的晶格方向，在特定的方向進行蝕刻，平台結構才會有明顯的縱向內切輪廓 (undercut profile)，若平台結構無法形成縱向內切，則當金屬閘極跨到平台結構上 時，很有可能會與二維電子氣接觸，造成漏電流(leakage current)，這將會影響到 我們的量測結果。另一方法是蝕刻深度較淺，只需蝕刻到參雜層(doping layer)， 我們若把二維電子氣上的參雜層蝕刻掉，底下就無法誘導電子形成二維電子氣， 這樣也可以達成將電子氣限制在特定區域活動的目的，利用淺蝕刻(shallow etching)的方式，相對的漏電流的情況可以改善，平台結構也不需要形成縱向內 切輪廓。圖 3.14 為砷化鎵 GaAs 在與平台結構方向夾 45 度下，利用蝕刻液蝕刻 後，電子顯微鏡之側視圖。 在進行濕式蝕刻時，要特別注意蝕刻液的溫度，因為溫度將會影響蝕刻液反 應的速率，進而影響蝕刻的深度，通常剛泡好的蝕刻液溫度很高，反應很劇烈， 所以並不會馬上進行蝕刻，等蝕刻液稍微冷卻後才將樣品放入，另一方面蝕刻液 內含有之雙氧水，會隨著時間揮發，而改變蝕刻液成分的比例，造成蝕刻速率改 變，所以樣品的蝕刻，要於適當的時間內完成。

圖 3.14 砷化鎵 GaAs 在 45 度方向下，利用蝕刻液蝕刻後，電子顯微鏡之側視圖， 蝕刻深度約 600nm。 3.5 熱蒸鍍技術(thermal evaporation) 在樣品製作過程中，須多次在樣品表面覆蓋所需之金屬，所以我們利用熱蒸 鍍機(thermal evaporator)將金屬薄膜沉積(deposit)至樣品表面，藉此完成圖形的轉 移。熱蒸鍍機主要是由一套可以提供高真空(約 10-6 torr以下)之真空系統所組成， 這套系統包含真空腔(chamber)及抽真空所需之各式幫浦(pumps)。 一般而言，一套真空系統至少需要兩個在不同真空度工作的幫浦，一個幫浦 負責在較低真空度時粗抽(rough evacuate)真空腔，另一幫浦則是在高真空範圍讓 真空腔保持高真空度，而我們所用來粗抽的幫浦為機械幫浦(mechanical pump)， 高真空範圍工作的幫浦為渦輪幫浦(turbo pump)，利用這兩個幫浦可使真空腔到 達 3×10-6 torr以下之真空度，圖 3.15 為蒸鍍系統之示意圖。 在蒸鍍機的真空腔裡，有四對可承受大電流之電極，這四對電極可鎖上高溫 材料鎢所製成的鎢舟(boat)或鎢籃(coil)，並藉由通過大電流使得鎢舟發熱，進而 將放置於鎢舟上的固態蒸鍍源(source)汽化，汽化後之蒸鍍源將會以球面波之形 式，向四面八方擴散，並沉積在離蒸鍍源上方約 20 公分遠的樣品表面，其中樣 品與蒸鍍源的相對位置需格外注意，儘量使汽化後的蒸鍍源能夠垂直附著於樣品 表面。在樣品座附近有一石英震盪器(crystal monitor)，此震盪器是利用石英片震 盪頻率因石英片附著蒸鍍材料，質量增加而造成的衰減，進而推知附著到石英片 上的金屬膜厚度，我們即是利用此方法得知在同一蒸鍍條件下，樣品表面沉積金 屬的厚度，所以石英震盪器所擺放的位置要盡量靠近樣品，以得到正確的膜厚值。

我們在真空腔外接三條氣體管線，分別為氮氣(N2)、氬氣(Ar)及氧氣(O2)， 其中氮氣主要用來破真空(vent)之用，而將氬氣及氧氣通過高電壓可產生游離化 之電漿(plasma)。將氬氣通入真空腔中，並利用高壓線圈將氬氣游離化(ionized)， 產生高能電漿，轟擊樣品將顯影不完全部分之光阻移除，因為顯影過後，部分該 溶於顯影液之光阻可能還會殘留於基板表面，所以須藉由電漿將此部分之光阻移 除。由於高能電漿會與光阻進行反應，並將反應過後的光阻分子移除，所以需特 別注意反應的總時間，若反應的時間過久，可能會使光阻厚度變的太薄，若光阻 層厚度太薄，將會影響到後續舉離(lift off)的成功率，以下將簡單介紹整個蒸鍍 的過程。 (1)事前準備動作 (a) 在將蒸鍍源(source)及鎢舟(boat)放入真空腔之前，要先用丙酮、酒精清洗並 用氮氣吹乾，避免雜質附著。 (b) 將清洗後之鎢舟，緊鎖於真空腔內之電極處，並將蒸鍍源放置於鎢舟內。 (c) 將樣品貼至樣品台上，調整樣品台與蒸鍍源之相對位置，利用檔板(shutter) 先將樣品台與蒸鍍源隔開，避免剛開始汽化的蒸鍍源內含雜質直接沉積於樣 品表面，利用檔板遮蔽可以先預鍍一陣子，等蒸鍍速率穩定後，再將檔板打 開，進行金屬沉積。 (d) 在真空腔關閉之前，要先檢查石英震盪器擺放的位置是否恰當，儘量使石英 震盪器靠近樣品位置，並檢查石英片的震盪頻率是否正常，避免在蒸鍍過程 中，讀不到正確之數值。 (e) 檢查氬氣管路壓力，並確定管內沒有其他氣體。 (2)將真空腔關閉，先以機械幫浦粗抽真空腔直到壓力降至 5×10-2torr後，開啟渦 輪幫浦，直到壓力降至 10-5 torr以下，才可通入氬氣，進行光阻移除的動作。 (3)將高真空的氣動閥關閉，通入約 8.5m torr 之氬氣，利用高電壓(800V)將氬氣 游離化，並打開檔板進行光阻之移除。在此條件下，光阻移除之速率約為 60Å/min，所以當我們進行光阻移除時，僅會打開檔板 10~15sec，移除光阻厚度 約為 10~15 Å。