奈米世纪的新契机.DOCVIP

奈米材料的製程及其潛在的應用 文/李思毅、李佳穎、曾俊元 在著名的物理學家費曼(Richard P. Feynman)對未來的詮釋下“There’s plenty of room at the bottom.“，我們所能明瞭與確切掌握的世界不斷的向前延伸。近年來，諸多領域隨著科學技術的進展而突飛猛進，藉著向下縮減(Top down)與向上組裝(Bottom up)兩個主要製作技術的相輔相成，導致諸如電子、材料、物理、化學、生物等領域的發展，急劇地邁入了奈米世紀，向更深遠的原子領域邊緣前進，幾個重大突破性的相關研究，更使得奈米技術在二十一世紀獨領風騷。現今的奈米技術跳脫了傳統的單調製程技術演進過程，邁入了要知道如何操控與講求精確的需求，這樣的進展，值得我們充分的了解。在本文中，我們將對於奈米製程技術的演進過程加以敘述，包括零維、一維、二維結構及材料，並介紹他們的特性及可能的應用。 次微米世代 次微米製程是一個微米製程的向前延伸，其所面臨的技術密集層面較微米時代的製程為繁複，其中最大的演進就在於新一代的黃光技術與精確的各式蝕刻技術的導入(圖二)，在堆疊各式不同性質薄膜的技術上，也做了很大的突破與改進，各種化學氣相沉積的技術取代了傳統的物理沉積方式，此時八吋晶圓製程被推進至十二吋的先進製程，以更大的面積，更小的元件尺寸以及更高的良率來達到各式消費性電子產品的廣大需求。 奈米世紀 根據摩爾定律的推算，元件製程的向下縮減程度與製程複雜度相當，現今的先進半導體製程將目標大約放在65奈米甚至35奈米左右，這樣的製程條件已經相當的嚴苛，不是一般傳統的向下縮減製程技術所能輕易達到的(圖三)，最後終將會採用何種製程做為標準化的依據還難已決定，但是已經有許多研究單位與工業界的領先者，投入大量的資金與人力，試圖為往後的半導體製程技術謀求新的突破。 三、向上組裝與自我組裝 在向下縮減製作過程遭遇到瓶頸之後，以探討材料基本性質為主的幾個製作方式陸續被提出研究，根據材料的不同性質，精確的控制成長的方式與型態，來達到應用所需的電學、光學及物理特性。現今廣泛應用的技術可以依照所需的型態不同而加以區分，以下就針對不同維度的製作方式與應用來說明。 現今的奈米尺度製作與應用技術，是以泛稱一百奈米以下的領域為主，而以維度上的奈米尺寸來區分，若一個維度的尺寸沒有被限制在奈米尺度時稱之為一維奈米結構，這樣的應用領域多為一些奈米尺度的奈米棒或是奈米線，以這樣的定義推之，產生了二維的奈米結構如奈米薄膜或積層膜，與零維的量子點或奈米粒子等奈米結構(圖四)。 零維奈米結構 零維奈米結構是在空間中的三個方向均受到奈米尺度的限制所形成的一種奈米結構包括有奈米粒子和量子點。 量子點(quantum dot)是維的奈米材料，由少量的原子所構成。粗略地說，量子點三個維度的尺寸都在100奈米(nm)以下，並非小到100以下的材料就是量子點，是由電子在材料內的費米波長來決定。內部電子在各方向上的運動都受到侷限，所以量子侷限效(quantum confinement effect)特別顯著。由於量子侷限效應會導致類似原子的不連續電子能階結構，因此量子點又被稱為人造原子(artificial atom)。科學家已經發明許多不同的方法來製造量子點，並預期這種奈米材料在二十一世紀的奈米電子學(nanoelectronics)上有極大的應用潛力。量子點可視為電子物質波的共振腔，電子在量子點內會有類似電磁波在一般共振腔中的共振現象。當侷限位能壁(potential wall)較薄時，量子點中的電子可因穿隧效應(tunneling effect)而逃離，我們稱之為開放式量子點(open quantum dot)，其類似一開放式共振腔(open cavity)，此時電子能階不再是穩態(stationary state)而是一種準穩態(quasi-stationary state)；電子停留在準穩態約一個生命週期(lifetime)後，就會逃離量子點。這類量子點在光電方面有許多應用潛力，例如：可用於藍光雷射、光感測元件、單電子電晶體(single electron transistor, SET)、記憶儲存、觸媒以及量子計算(quantum computing)等，在醫療上更利用各種發光波長不同的量子點製成螢光標籤，成為生物檢測用的「奈米條碼」。量子點是目前理論與實驗上的熱門研究題目，世界各國無不積極投入研究，主要領先的有美國、日本、歐盟及俄羅斯等，臺灣也正在急起直追中。，，，，，，，早在半個世紀前就已經，晶體(如半導體)中的電子由於受到晶格的週期性位勢(periodic potential)散射，部份波段因破壞性干涉而形成能隙(energy gap)，導致電子的色散關係(dispersion rela