本章将介绍实验中所使用的样品结构以及说明元件之制作

1、CHAP 2本章將介紹實驗中所使用的樣品結構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構為GaAs/AlGaAs之異質結構(hetrostructure)，是由交通大學李建平教授所提供。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，以減少晶格常數之不匹配。接下來成長AlGaAs作為spacer layer，以減少雜質所增加的散射，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，這對於我們所量測的現象影響很大。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(coplanar waveguide)的圖形，利用其傳輸線的性質來傳遞高頻訊號。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結構部份

3、的二維電子系統移除，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在基板上作出共平面波導形式的傳輸線，而這也是我們用來量測island array的工具。由於island所產生的訊號極小，所以必須盡可能增加island的數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，設定轉速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：使用的機台為OAI500，光波長為365nm， 曝光時間6秒。此處曝光時間須十分準確，以確保線寬正確，使傳輸

5、線的阻抗為50W。光罩是由學長謝文興設計(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180Å，蝕刻時間為10秒，以確定移除二維電子系統層。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：鍍膜前先用蒸發一些Ti，除了可吸附腔體內的雜質，也可以覆蓋掉熔點比較低的金屬，以確保鍍膜品質。接下來鍍上150 Å

6、;的Cr作為黏著層，最後鍍上1700 Å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。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，所以用增加數量的方法來增強它的效應，但是如果量子線的均一性不佳的話，仍然無法準確地測量到其單一特

7、性，因此在使用電子束微影時需要注意電流的穩定度以及圖形的設計。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計略大，因此設計圖形時要將等向性蝕刻所造成的影響估計進去。以設計一個大小為2um×8.5um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，假設預計蝕刻的深度為1500Å，那不需照射電子束的地方就要設計成2.3um×8.8um；相反地，要照射電子束的部分則要設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必要將光阻完全反應，不能在底部有殘留，否則會影響蝕刻的平整度，所以劑

8、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。以下是詳細流程。(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配，成分比例(重量比)為 PMMA 350K：chloroform = 4%：96%，塗佈機轉速為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來設計出所需要的圖形，見圖(2.4)。使用的機台為TOPCOM SM-350，結合控制軟體NPGS

9、(Nanometer Pattern Generation System)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 Å，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。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，以確保能夠將光阻完全反應，避免底部及邊緣光阻之殘留，以

10、避免產生邊緣不平整的現象，影響其均一性。完成後可用光學顯微鏡或電子顯微鏡檢查尺寸是否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的二維電子系統層移除，只剩下有製作island結構部份的二維電子系統層，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，設定轉速step1為6000rpm，step2為65

11、00rpm，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合。(4)軟烤：溫度84度，時間1分鐘。(5)曝光：使用的機台為OAI500，光波長為365nm， 曝光時間6秒。，光罩為謝文興學長設計，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180Å，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。2.3樣品封裝及測試

12、整個實驗量測系統都是設計阻抗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匹配。在氦三系統裡面所使用的bounding pad是由碩士班同學張峰榮所設計，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。接出來金線的數量越多越好，有助於降低量測時的電感效應。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