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第 十 二 卷 第 三 期 奈 米 通 訊以氫電漿乾式蝕刻法製作準直矽
奈米草陣列
楊閔智、謝健、許瓊姿、鄭宗杰
國家奈米元件實驗室
摘要
許多製造一維奈米材料的方法已經被 提出，但製作這些材料使其均勻地分佈於 大面積基板上仍舊相當困難。本研究不需使 用催化劑或是硬質罩幕，經由單純的氫電漿 蝕刻，可製作準直排列的一維奈米結構於6 吋矽晶圓之上，同時僅需調整蝕刻時間就可 以改變矽奈米草的高寬比。經由掃描式及穿 透式電子顯微鏡的分析，歐傑電子的縱深分 佈，以及在二氧化矽基板上的實驗，我們提 出了一個蝕刻的機制可以解釋矽奈米草的成 因。當我們調整偏壓的狀況所得到的結果同 樣的也支持這假設的機制。同時控制不同的 偏壓大小亦可以造成不同表面形貌的矽奈米 結構。這個方法可以被延伸以製作量子點。 沉積鍺薄膜於二氧化矽上再經短時間的蝕刻 製程後，經由掃描式電子顯微鏡可觀察到鍺 量子點的形成。前言
ㄧ維的奈米材料已經藉由各種的方法合 成出來，同時在各方面的應用如：場效電晶 體1、雷射2、化學感應器3、場發射顯示器4 亦 得到證實。除了實際的應用之外，一維的奈 米材料對於量子基礎理論的闡明亦可提供相 當的幫助。 對於一維結構的奈米材料而言最常見的 製造方法是使用由下而上 (bottom-up) 的化學 方法製作，這些方法使用金屬5 或是氧化物6 的催化劑經由氣-固-液相 (vapor-liquid-solid) 之成長機制成長。使用這些方法製作出來 的奈米材料雖然能夠很容易的形成單晶的結 構，但是尺寸分佈的均勻性以及無法製作於 大尺寸基板上為其最大的缺點。 由於光學微影的限制，另外一種由上而 下 (top-down) 的方法對於製作真正的奈米等 級的硬質罩幕有其根本上的困難。為了尋找 奈米尺寸之硬質罩幕，多孔陽極氧化鋁7、 奈米粒子8 以及奈米球9 已被使用為硬質罩 幕或是模板來創造奈米尺度之圖案。例如 Chen 等人發展了一個新的方法：利用電子 迴旋共振化學氣相沉積法 (electron cyclotron resonance chemical vapor deposition)，藉由氣 相反應形成奈米團簇於基板上來製作一維的 奈米材料，此奈米團簇可被視為一硬質罩幕 10。這個方法可以製造垂直排列的奈米尖端 於不同的材料上，但是這個方法仍有一些缺 點，包括需要另一個額外的步驟來製造硬質 罩幕，且殘存的硬質罩幕及不純物也必須被 移除，此外硬質罩幕分佈不均勻也是一個嚴 重的問題。 在缺少催化劑的清況下，氧化鋅奈米線 已經被報導可以藉由自我催化的奈米粒子11 或是氫氣12 的處理來促進特別晶面優選方位 的成長。對於矽基板而言，Bai 等人使用熱 阻絲化學氣相沉積法 (hot-flament chemical vapor deposition) 在缺少催化劑的情況下製作 奈米尖端的陣列13，但是這些奈米尖端的高 度以及分佈並不均勻，同時奈米尖端的基底 部份屬於次微米的尺度。更嚴重的是這個製 程必須在極高的溫度下才能進行，同時到目 前為止這個奈米尖端形成的機制都還無法了 解。 在本研究中我們提出了一個新的單一步 驟方法製作矽奈米草：經由氫電漿的蝕刻而 不需要任何的硬質罩幕或是催化劑。我們採48
第 十 二 卷 第 三 期 奈 米 通 訊 程製作的奈米粒子多少少帶著結晶的特質， 一般而言難以製作非晶質的奈米粒子。而本 方法是非常有價值的，因為其還提供了一種 可能的途徑製作非晶質的奈米粒子。結論
我們已經證實了具有均勻的高度及直徑 分佈之準直矽奈米草可以單純地經由氫氣電 漿乾式蝕刻而製造於大尺寸矽基板上。這個 方法在許多的應用上都是非常有吸引力的， 例如場發射顯示器以及太陽能電池。我們期 待這個方法不僅僅可以應用於製作一維材料 的奈米材料，當我們使用薄膜做為基板來蝕 刻，零維結構之量子點亦可被製作。誌謝
本研究由國科會所支持，我們感謝楊忠 諺博士的討論，以及謝忠益協助製作二氧化 圖六 鍺薄膜經蝕刻 5 min 後之掃描式電子顯 微鏡影像及鍺量子點製作方法示意圖。 矽微影圖案。參考文獻
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果。
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