本章將介紹實驗中所使用的樣品結(jié)構(gòu)以及說明元件之制作

1、CHAP 2本章將介紹實驗中所使用的樣品結(jié)構(gòu)以及說明元件之製作過程，最後是元件的封裝及測試。2.1樣品介紹本實驗中所使用的樣品結(jié)構(gòu)為GaAs/AlGaAs之異質(zhì)結(jié)構(gòu)(hetrostructure)，是由交通大學(xué)李建平教授所提供。此樣品是以分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy)的方式所成長，以GaAs為基板，在上面交替成長AlGaAs及GaAs之超晶格(superlattice)，再成長GaAs作為buffer layer，以減少晶格常數(shù)之不匹配。接下來成長AlGaAs作為spacer layer，以減少雜質(zhì)所增加的散射，然後是AlGaAs的doping layer，最後長G

2、aAs作為cap layer。其中在GaAs和AlGaAs的接面中(見圖2.1)，會形成二維電子系統(tǒng)，這對於我們所量測的現(xiàn)象影響很大。此樣品在溫度0.3K時的電子遷移率(mobility)為4.16 x 105cm2 / Vs，密度(density)為1.27 x 1011cm-2。2.2 元件製作元件的製作分為三個製程，首先利用光微影製程來製作出共平面波導(dǎo)(coplanar waveguide)的圖形，利用其傳輸線的性質(zhì)來傳遞高頻訊號。接下來利用電子束微影製程和濕式蝕刻在共平面波導(dǎo)的訊號線和接地端之間的gap製作出60對的island array，最後再將沒有island array結(jié)構(gòu)部份

3、的二維電子系統(tǒng)移除，便完成了元件。1.第一道光微影製程： 這道製程主要是利用光微影技術(shù)在基板上作出共平面波導(dǎo)形式的傳輸線，而這也是我們用來量測island array的工具。由於island所產(chǎn)生的訊號極小，所以必須盡可能增加island的數(shù)量以達到增強訊號的效果；在有限大小的基板上，我們使用mendering coplanar waveguide，可有效地增加作用的路徑長，以容納更多的island。以下為詳細(xì)流程。(1)清潔樣品：用鑽石筆切下4mm x 3.5mm的樣品，然後依序放入三氯乙烯(Trichloroethylene，TCE)、丙酮(Acetone)、甲醇(Methonal)中，用

4、超音波震盪機震洗約30秒，再用DI-Water清洗，最後用氮氣吹乾。以上步驟重複兩次，以確保樣品的清潔。(2)預(yù)烤：在塗佈光阻前先加熱樣品3分鐘，溫度為84度，作用是去除水氣，確定光阻可以完全附著在基板上。(3)塗佈光阻：使用的光阻為正光阻劑AZ1500，設(shè)定轉(zhuǎn)速step1為6000rpm，step2為6500rpm，塗佈後去除樣品四個角落多餘的光阻，避免多餘光阻黏著在光罩上，也確保光罩與樣品的緊密結(jié)合。(4)軟烤：主要使光阻凝固，所以不需要時間太長，溫度84度，時間1分鐘。(5)曝光：使用的機臺為OAI500，光波長為365nm， 曝光時間6秒。此處曝光時間須十分準(zhǔn)確，以確保線寬正確，使傳輸

5、線的阻抗為50W。光罩是由學(xué)長謝文興設(shè)計(見圖2.2)。(6)顯影：顯影液為氫氧化四甲銨2.38%(AZ300)，顯影時間約20秒。確定沒有殘留光阻後，用DI-water清洗，氮氣吹乾。(7)蝕刻：使用濕式蝕刻，蝕刻液的成分比例(體積比)為H2SO4：H2O2：DI-water=1：8：40，蝕刻速率每秒為180，蝕刻時間為10秒，以確定移除二維電子系統(tǒng)層。蝕刻的時候不要搖晃樣品，以確保樣品邊緣的平整，完成後用DI-water沖洗，最後用氮氣吹乾。(8)熱蒸鍍：鍍膜前先用蒸發(fā)一些Ti，除了可吸附腔體內(nèi)的雜質(zhì)，也可以覆蓋掉熔點比較低的金屬，以確保鍍膜品質(zhì)。接下來鍍上150 的Cr作為黏著層，最後

6、鍍上1700 的Au。(9)舉離：將樣品放入丙酮中，沒有曝光的地方之鍍膜會被移除，確定移除完全後，再用甲醇以及DI-water清洗乾淨(jìng)。第一道製程完成圖見圖(2.3) 第一道光微影製程做完後，需要檢查以下注意事項：1.檢查訊號線和gap的寬度分別為36um及23um，以確定傳輸線阻抗為50W。2.訊號線是否完整2.電子束微影製程： 在這邊我們使用電子束代替上一個製程的光源，並用軟體DesignCad來設(shè)計所需要的圖形。如同前面所提到的，island的訊號十分微小，所以用增加數(shù)量的方法來增強它的效應(yīng)，但是如果量子線的均一性不佳的話，仍然無法準(zhǔn)確地測量到其單一特性，因此在使用電子束微影時需要注意電

7、流的穩(wěn)定度以及圖形的設(shè)計。由於所使用的蝕刻是等向性蝕刻，所以蝕刻之後的圖形會比原本設(shè)計略大，因此設(shè)計圖形時要將等向性蝕刻所造成的影響估計進去。以設(shè)計一個大小為2um8.5um的island為例，沒有照射電子束的部分就是最後2DES會留下來的地方，所以這個部分必須比所需要的尺寸大一些，假設(shè)預(yù)計蝕刻的深度為1500，那不需照射電子束的地方就要設(shè)計成2.3um8.8um；相反地，要照射電子束的部分則要設(shè)計比所需要的尺寸小一點，如圖(2.4)。而電子束的劑量部分務(wù)必要將光阻完全反應(yīng)，不能在底部有殘留，否則會影響蝕刻的平整度，所以劑量會比使用鍍膜製程略大一些。在這邊我們使用的劑量是190uC/cm2。以

8、下是詳細(xì)流程。(1)清潔樣品：依序放入三氯乙烯、丙酮、甲醇中，用超音波震盪機震洗約30秒，再用DI-Water清洗，最後用氮氣吹乾。以上步驟重複兩次。(2)塗佈光阻：所使用的光阻是自行調(diào)配，成分比例(重量比)為 PMMA 350K：chloroform = 4%：96%，塗佈機轉(zhuǎn)速為5500rpm，25秒。(3)硬烤：為了使未曝光的地方可阻擋蝕刻液，所以要把光阻烤硬。溫度154度，12分鐘。(4)曝光：首先用DesignCad來設(shè)計出所需要的圖形，見圖(2.4)。使用的機臺為TOPCOM SM-350，結(jié)合控制軟體NPGS(Nanometer Pattern Generation System

9、)來達到控制電子束曝光。(5)顯影：顯影液為MIBK：IPA=1：3，顯影時間75秒，接下來用IPA定影，時間為20秒。(6)蝕刻：蝕刻液的比例(體積比)為H2SO4：H2O2：DI-water=1：8：50，蝕刻速率為每秒150 ，蝕刻時間為15秒。之後用DI-water沖洗。(7)去除光阻：將樣品放入丙酮中，確定光阻移除完全後，再用甲醇以及DI-water清洗乾淨(jìng)。在第二道製程中，由於採用的是濕式蝕刻而非鍍膜，因此在電子束的曝光劑量部分，會比一般來的大，以確保能夠?qū)⒐庾柰耆磻?yīng)，避免底部及邊緣光阻之殘留，以避免產(chǎn)生邊緣不平整的現(xiàn)象，影響其均一性。完成後可用光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡檢查尺寸是否

10、正確以及邊緣是否平整。圖(2.5)為完成第二道製程後利用SEM拍攝的圖片。 3.第三道光微影製程： 這個製程主要是將沒有製作island的二維電子系統(tǒng)層移除，只剩下有製作island結(jié)構(gòu)部份的二維電子系統(tǒng)層，這才是所要量測的部分。(1)清潔樣品：依序放入三氯乙烯、丙酮、甲醇中，用超音波震盪機震洗約30秒，再用DI-Water清洗，最後用氮氣吹乾。以上步驟重複兩次。(2)預(yù)烤：在塗佈光阻前先加熱樣品3分鐘，溫度為84度。(3)塗佈光阻：使用的光阻為AZ1500，設(shè)定轉(zhuǎn)速step1為6000rpm，step2為6500rpm，塗佈後去除樣品四個角落多餘的光阻，以確保光罩與樣品的緊密結(jié)合。(4)軟烤

11、：溫度84度，時間1分鐘。(5)曝光：使用的機臺為OAI500，光波長為365nm， 曝光時間6秒。，光罩為謝文興學(xué)長設(shè)計，見圖(2.6)(6)顯影：顯影液為AZ300，顯影時間約20秒。確定沒有殘留光阻後，用DI-water清洗，氮氣吹乾。(7)蝕刻：使用濕式蝕刻，蝕刻液的成分比例(體積比)為H2SO4：H2O2：DI-water=1：8：40，蝕刻速率每秒為180，蝕刻時間為10秒。(8)去除光阻：將樣品放入丙酮中，確定光阻移除完全後，再用甲醇以及DI-water清洗乾淨(jìng)。2.3樣品封裝及測試 整個實驗量測系統(tǒng)都是設(shè)計阻抗50匹配以達到減少雜訊的效果，所以在所有的傳輸部分都盡可能要與50匹

12、配。在氦三系統(tǒng)裡面所使用的bounding pad是由碩士班同學(xué)張峰榮所設(shè)計，為一grounded coplaner之傳輸線，材料為陶瓷(Al2O3，ceramic)。在打線之前先在bounding pad上待會要焊接的地方先上一層薄薄的銲錫，以避免焊接訊號線時銲錫濺出污染樣品。將清潔過後的樣品利用GE-vanish固定在bounding pad，然後用打線機接上金線。接出來金線的數(shù)量越多越好，有助於降低量測時的電感效應(yīng)。圖(2.7)為封裝完成圖。 封裝完畢後，先測試樣品的訊號，檢查是否有兩端訊號線為通路，與兩邊的接地為短路，電阻值越高越好。檢查完之後，測量樣品的穿透及反射訊號。在這邊使用VNA(Vector Network Analyzer，Anristsu 37325A)來作測量，接線圖如圖(2.8)。在作測量之前，要先對外部線路作校正，以扣除掉同軸纜線所造成的影響。確定port1與port2對接之後，檢查其穿透訊號在0dB附近，才可使用。 測試主要觀察除了檢查樣品本身是否運作，還可以從穿透訊號中觀察各頻段之衰減程度，來了解哪些頻寬是可以用來測量的。另外比較室溫及低溫的訊號變化，也是可以參考的地方。測試圖見圖(2.9)。 圖2.1 樣品