剪力試驗

剪力試驗(shear test)係於量測接合強度之前，需依照欲量測的試片，先行加 工出一適當之保持器(holder)。將試片置入保持器內，再外加適當之推力，使得 兩接合界面因外力的作用，達到分離的效果，如圖 2-24 所示【51】。接合強度可 由公式(2-17)計算，其中為剪切強度，V 為剪切力，A 為接合面積。

A

V

 (2-17)

Figure 2-22 Schematic diagram of tensile test【48】.

Figure 2-24 Schematic diagram of shear strength test【51】.

2.5 陽極接合的應用 後續元件開發之需求。2010 年 Biedermann 等人利用高溫及高電場，將石墨稀轉 移至玻璃表面，如圖 2-25 及 2-26 所示【52】。由於石墨烯材料本身具有良好之 電子傳輸特性，2010 年 Balan 及 Kumar 等人將其應用於場效電晶體(field effect transistor, FET)之元件開發，並進行石墨烯轉移特性之檢測，如圖 2-27 所示【53】。

2.5.2 場發射顯示器

場發射顯示器(field emission display, FED)主要結構可區分為陽極板、間格物 (spacer)以及陰極板三層，陰陽極板間需保持一定的真空度(<10^-6 torr)，如圖 2-28

所示【54】。陽極接合技術於場發射顯示器之元件封裝主要有兩種用途，一為應

極接合技術應用於場發射顯示器之封裝，能夠使其具有一定之穩定度【56】。 (fluorescein isothiocyanate, FITC)進行測試，可成功製作出具奈米等級之流體系 統，如圖 2-35 所示【59】，而微流道系統可提供微流體混合及生醫檢測等功能。

2.5.4 陀螺儀

圖 2-36 為陀螺儀之結構圖【60】，其製作程序首先使用 SOI 晶片定義出蝕 刻窗口，並利用感應式耦合離子電漿蝕刻技術(inductively coupled plasma reactive ion etching, ICP-RIE)蝕刻出所需之微結構，再與微細加工後之玻璃進行陽極接 合。將接合後之試片，放置在蒸鍍或濺鍍設備的真空腔體中抽至預定的真空值，

動作，完成圖 2-38 所示之陣列探針結構【61】。

上述之利用轉移技術製備石墨烯材料、場發射顯示器、奈/微流體系統、陀 螺儀，以及掃描探針顯微鏡之掃描探針，皆需利用陽極接合技術才得以完成。

因此，陽極接合在微機電系統封裝技術中佔有相當重要的地位，但如何提升接 合的速度、品質及製程中的良率，是目前技術上急需克服之目標。

Figure 2-25 A schematic diagram of the electrostatic method shows the patterned epitaxial graphene pressed against the acceptor glass sbustrate【52】.

Figure 2-26 AFM and optical images of multilayer graphene transferred to Pyrex

【52】.

(a)

(b)

Figure 2-27 Resistance as a function of top gate voltage for devices pictured in the

Figure 2-28 Structure of field emission display【54】.

Figure 2-29 Photograph of spacer formed by the anodic bonding on the anode plate 【55】.

Figure 2-30 The FED panel with spacers formed by the anodic bonding【55】.

Figure 2-31 Geometrical structure of packaged panel by glass-glass bonding【56】.

Figure 2-32 Light emission (a) and current variation of one line for 26 days; (b) for

Figure 2-33 Fabrication process of a thin film planer stack for micro fuel cells【57】.

Figure 2-34 AFM image of a 30 m-long, 20 nm-deep nanochannel【58】.

Figure 2-35 Fluoroscopic images of fabricated fluidic chip after flowing FITC test 【59】.

Figure 2-36 The figure of MEMS gyroscope【60】.

Figure 2-38 Bond-and-transfer probe array【61】.

2.6 陽極氧化鋁

現今科技日新月異，積體電路等元件皆朝向微小化發展，奈米等級將成為 微小元件之主流，雖成長奈米結構之模板有許多種技術及方法，但因為陽極氧 化鋁(anodic alumina oxide, AAO)之奈米孔洞結構品質良好，製程方式容易且製 作成本低，故利用陽極處理所製作之陽極氧化鋁，為目前最常被用來製作奈米 結構的模板。以下將介紹陽極氧化鋁之形貌、形成機制以及實際運用。

2.6.1 陽極氧化鋁之形貌

1953 年 Keller 等人提出陽極氧化鋁之形貌，指出理想的陽極氧化鋁應由最 密六方堆積之單元格(single cell)所組成，且每個單元格的中央均具有一星型孔 洞，如圖 2-39 所示

【62】

。然而，後續陽極氧化鋁之相關文獻指出，最理想之

陽極氧化鋁其單元格的中央孔洞應為圓形，且每個單元格接近正六方型

。

陽極

氧化鋁的結構主要可分成三個區域，第一部分是六角型蜂窩狀結構，稱之為多 孔氧化薄膜 (porous film)，主要是以六角形之單元結構組成；第二部分則是蜂窩 狀結構之下方的半圓形結構，稱之為阻障層 (barrier layer)，而阻障層不同於第 一部分之多孔氧化薄膜屬於純氧化鋁，是介於鋁及氧化鋁之間的非晶形氧化鋁 (amorphous contaminated alumina)，而第三部分即為鋁基板，如圖 2-40 所示【63】。 當陽極處理於定電壓下達到穩定狀態時，其 AAO 之阻障層厚度會維持定值，而 多孔氧化薄膜之厚度會隨著時間增加而變大。

Figure 2-39 Structure of anodic aluminum oxide【62】.

Figure 2-40 Ideal structure of anodic aluminum oxide【63】.

2.6.2 陽極氧化鋁孔洞形成機制

解液有較集中的電場，故此處的氧化鋁膜會快速被溶解，會與底部形成阻障層 之速度達到一動態平衡，因此孔洞底部的阻障層會維持一固定厚度，而氧化鋁 膜其他部分會繼續生長，即形成多孔的陽極氧化鋁膜，如圖 2-41(d)所示。

陽極氧化鋁膜在穩定成長下，若電壓及溫度等條件皆維持固定，氧化膜之 結構即固定，若處理時間越久，底部的六角蜂窩狀結構排列將越趨近規則化，

此狀態即為孔洞間自我組織調整所致。

Figure 2-41 The electric field distribution diagram of anodic bonding【64】.

b a

c d

2.6.3 陽極氧化鋁膜之應用

Figure 2-42 Schematic diagram of CNT filed emitters fabrication process【65】.

Figure 2-43 Schematic diagram of microchannel fabrication process【66】.

Figure 2-45 (a) High magnification SEM image of the Pd-Fe nanowires in the AAO

Figure 2-46 Schematic diagram of nanoimprint【68】.

Figure 2-47 (a) Top view of the imprinted pattern, (b) 3-D view of the imprinted pattern【68】.

Figure 2-49 SEM images of TiO₂ NT on AAO template;(a) top view and (b) side view. TEM images and electron diffraction patterns of TiO₂ NT after (c) 400 C (d) 550 C【71】.

Figure 2-50 (a) SEM images of WO₃ NT on AAO template, (b) TEM images of WO₃ NT with 400 nm pore diameter, (c) polycrystalline SAE image and (d) HRTEM image of WO₃ NT【71】.

Figure 2-51 Scheme illustrating the fabrication of the NPG-NWAs electrode (A) a custom-made batch cell for the fabrication NPG-NWAs consists of two parts: the top part with the plating (measuring) chamber and the base used to support the electrode, (B) a disposable gold electrode was placed on the base of the batch cell with a piece of AAO membrane on the surface where a diameter of 0.3 cm was exposed to the solution (C) the top part with an o-ring was tightly fixed to the base with screws and the Ag/AgCl reference electrode and a Pt wire counter electrodes were placed inside the chamber. Inset, a step by step of the fabrication procedure of the NPG-NWAs, (a) a piece of AAO membrane used as a template, (b) gold was first electrodeposited through the pores of the AAO membrane onto the gold electrode surface, (c) gold and silver was then co-deposited to form the gold and silver alloy NWAs inside the pores, on top of the gold section, (d) the AAO membrane was dissolved

Figure 2-52 SEM images of the fabricated electrodes. The samples were prepared by placing the gold and silver alloy NWAs electrode onto carbon tape and SEM operated at an accelerating voltage of 20 kV SEM images to detect the AAO membrane after various dissolving time with 3.0 mol l−1 NaOH (a) 0 min, (b) 15 min, (c) 30 min, (d) 45 min, (e) 60 min, and (f) 75 min【72】.

2.7 熱電效應

於 19 世紀初期時，即有物理學家發現具有熱電(thermoelectric)特性之材料；

所謂的熱電特性，意指其材料無任何外力的協助下，即可將熱能與電能兩種不 同型態之能量相互轉換。1821 年，德國物理學家 Thomas Johann Seebeck 發現熱 能轉換成電能之原理，即稱之為席貝克效應(Seebeck effect)，此效應即為熱電偶 (thermocouple)量測溫度原理，亦為熱電產生器(Thermoelectric generators)之工作 原理。1834 年時，法國科學家 Jean Charles Athanase Peltier 發現利用電能可以產 生溫度差，稱為帕耳帖效應(Peltier effect)，此現象即為熱電致冷器(Thermoelectric cooler)之工作原理。另外在 1851 年時，William Thomson 發表了一電流通過具有 溫度差異的均質導體，即可在導體上產生吸熱及放熱的效應，稱之為湯姆森效 稱為席貝克電動勢(Seebeck emf)【73】。此物理效應由Thomas Johann Seebeck發

B T

2.7.2 帕耳帖效應

其中

(a)

(b)

Figure 2-53 Seebeck effect (a) schematic chart; (b) energy band【73】.

Figure 2-54 Schematic chart of Peltier effect【73】.

2.8 熱電優值

的相依關係，而費米能階又依序受載子濃度、載子有效質量、溫度所影響。所

圖 2-56 及圖 2-57 為 n-type 與 p-type 材料之工作溫度相對於熱電優值的對

應圖【73】，圖中之溫度為材料兩端溫度梯度差。由圖中可以看出，目前各材料

最佳之熱電優值約為 1 左右，且在許多溫度範圍內，並沒有適合之熱電材料。

圖 2-58 為絕緣體、半導體與金屬間之熱電特性比較圖【74】，由圖中顯示，絕緣 體材料雖然擁有較高之席貝克係數及較低之熱傳導係數，但其導電率也相對較 低，因此造成功率因子 PF (power factor)隨之降低。金屬材料擁有較高之導電率 及較佳之功率因子，但其熱傳導係數也相對過高，使其熱電優值下降。半導體 材料之功率因子表現最為優異，熱傳導係數介於金屬及絕緣體之間，故目前熱 電材料幾乎以半導體材料為主流。

Figure 2-56 Performance of the established n-type thermoelectric materials【73】.

Figure 2-57 Performance of the established p-type thermoelectric materials【73】.

Figure 2-58 Materials dependence of electrical conductivity, Seebeck coefficient, power factor, and thermal conductivity【74】.

第三章 實驗設計與規劃

本論文實驗分為兩部分，第一部分為新型陽極接合技術開發，其設備架構 示意圖，如圖 3-1 所示。試片主要以 borofloat 玻璃與矽晶片作為實驗基材， 先 利用硫酸加雙氧水進行試片前處理，再以常壓電漿(atmospheric pressure plasma, APP )進行試片接合試驗，調變常壓電漿之處理氣體、噴頭與試片之間距以及操 作電壓，以找尋出最適當之接合參數。整合接合之最佳參數後，再將傳統式之 陽極接合(anodic bonding, AB)與本研究開發之常壓電漿陽極接合(atmospheric pressure plasma anodic bonding, APPAB)進行接合時間及接合強度之比較與探 討。除了找出最佳參數及與傳統式的比較外，本研究將利用 APPAB 技術來進行 不同實驗基材的陽極接合與圖案化定義之接合試驗，以提升該技術之應用性。

第二部分將利用本研究所開發之 APPAB 技術，接合陽極氧化鋁(anodic alumina oxide, AAO)於玻璃基板上，再使用熱電材料(thermoelectric materials)與 電化學沉積(electrochemical deposition)技術，電鑄 n-type 碲化鉍(Bi₂Te₃)及 p-type 碲化銻(Sb2Te₃)之熱電材料於 AAO 孔洞中，使熱電材料與 AAO 做結合，製作出 具奈米結構之微型熱電致冷晶片(micro thermoelectric cooler, TEC)，將利用熱電 材料之奈米結構(nano structures)來提升其熱電特性，其設備架構示意圖如 3-2 所 示。

3.1 實驗規劃

圖 3-3 為實驗流程圖，主要可分為新型陽極接合技術開發及微型熱電致冷 晶片製作兩大部分，以下將進行細項說明：

2與 500

12 mm)與不同接合電壓 (0.5 kV、1 kV、1.5 kV、2 kV、2.5 kV)，並利用剪 應力 (shearing stress)量測接合面之強度，以及利用本實驗所開發之二值化分 析軟體進行接合率的分析與比較，以找尋出最佳之接合參數。

(2) 找出最佳接合參數後，將利用四吋大小之矽晶片與 borofloat 玻璃，進行選 區圖案化定義之試驗。此外，還將與傳統式陽極接合進行接合時間與接合力 之比較。另外，本研究除了找出矽與玻璃之陽極接合的最佳參數外，還將提 升其應用性，將進行玻璃與矽鍍鎳基板(glass-Ni/silicon)、玻璃與玻璃鍍鋁基 板(glass-Al/glass)以及玻璃與 AAO 鍍鋁基板(glass-Al/AAO)之陽極接合試驗。

(3) 本研究除了將開發創新性陽極接合技術外，還將以此技術結合奈米模板與熱 電材料，製作做出具奈米結構之微型致冷晶片。表 3-1 與 3-2 為本實驗固定 之電鍍液配方，在一公升容積之小型電鍍槽中進行電化學沉積，電鑄 n-type Bi2Te3及 p-type Sb2Te3之熱電材料於 AAO 孔洞中，圖 3-4 為製作微致冷晶片 之流程圖。另外，本電化學沉積之研究所使用之藥品相關資料，整理如表 3-3 所示。

Silicon

Figure 31 Schematic framework diagram and practical equipments for APPAB.

Amplifier

Figure 3 2 Schematic framework diagram of electroforming equipment.

TEC device fabrication Atmospheric pressure plasma

assisted anodic bonding

Measurement of

thermoelectric characteristics Sample preparation

Request

Bonding strength analysis

1. Shearing stress test 2. Bonding ratio

1. Process gas: CDA, N2, Ar, O2

2. Bonding distance: 0.3~1.2 cm 3. Bonding voltage

4. Bonding time

5. patterned of definition

1. Specimen: silicon and boro-float 2. Solution: H2SO4:H2O2 (3:1) 3. Time: 15 min

1. Specimen: silicon and boro-float 2. Solution: H2SO4:H2O2 (3:1) 3. Time: 15 min

在文檔中 常壓電漿輔助之陽極接合技術開發與應用 (頁 55-0)