可自發熱的矽基微結構模仁的設計

所謂可自發熱模仁，就是微結構模仁表面具有加熱的效果，可針對特 定區域面積實行加熱功率控制，使表面特定位置獲得所需溫度，主要在避 免射出成形或熱壓成形脫模瞬間，因為模仁與塑膠彼此不一致的冷卻收縮 使製品的微結構產生剪斷或拉扯的行為，導致成形品的缺陷，它可有效運 用在微成形加工的表面收縮應力釋除。

本研究以矽晶片為基材當作模仁，採用矽質模仁的主要理由為：一、

可藉由對矽基摻雜磷或硼，以提高其導電性和控制電阻值範圍；二、摻雜 磷的電熱線存在模穴的表面下，並不會影響模穴的尺寸和形狀精度；三、

可利用已經相當成熟的半導體製程技術，以進行模仁的各種微細加工；

四、在成形收縮應力可被釋除的情況下，矽的強度已可支撐使模仁具有可 重複使用的實用性。

本研究使用磷、硼為摻質元素，利用摻雜濃度的控制來製作特定區域 的電導特性，當電路的兩端通上電流，電子因為跳躍移動而釋放熱能，使 模仁表面產生電阻發熱的效應，只要控制矽晶片的摻雜阻值和施加功率，

即可在數秒內達到所需發熱溫度及發熱速率。本實驗將探討導電區域的阻 值在溫度與壓力同時作用下的彼此關係，以正確的獲知電阻受外力作用的 變化，釐清外加功率所產生的響應。當成形過程可即時監控表面溫度及壓 力時，對於研究收縮機制具有相當的幫助。圖 53 為可自發熱模具初始的 設計概念。

圖53 可自發熱模具初始的設計概念。

Metal mold insert

Silicon mold insert Insulation material

Metal mold insert

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在晶片模仁的製程設計方面，其製作流程如圖 54；模仁的光罩設計概 念如圖 55，而圖 56，圖 57 和圖 58 則分別為第一道、第二道及第三道光 罩圖形。乾式蝕刻主要用來作薄膜圖案轉移（pattern transfer），過程中的 保護層為光阻；濕式蝕刻則用來進行線寬1.5μm 以上的結構的蝕刻，其保 護層以 Si3N4和 SiO2為主。濕式蝕刻的保護層的設計原則是在各層光罩圖 形轉移完成後再完全去除，中途並無清除再沉積等動作，可防止已做過的 結構因為再次做保護層而變成絕緣和尺寸變更等問題，另一方面亦可有效 提升良率和縮減製程浪費。在圖形設計上，初步設定使用UV 光源為主，

光罩穩定製作之最小線寬為2µm，微溝槽深寬比製作有四倍和八倍兩種。

圖形的微溝槽與電熱線必須彼此不相交錯，以防止電性短路；當執行離子 植佈時，只在裸露矽基材的部分電路圖案受到電性植佈，其他皆以光阻保 護。電熱線摻雜源採磷離子，將使用熱擴散法和離子植佈法比較其加工特 性。完成後，使用離子植佈法者必須進行回火活化以消除應力缺陷。為了 防止接點與導線可能的斷路，在凹槽接點濺鍍導電金屬 Pt/Pa 合金於晶片 接點電極後。依此，即完成可快速加熱的矽基模仁。

在晶片輸出入接點方面，由於實驗所需的電壓和電流範圍的考量，利 用無氧銅漆包線配合使用銀膠接合。然而，導線本身自重所產生的彎矩和 表面剪切力常超過接合附著力，所以在容許功率範圍下，使用直徑0.14mm 的漆包線做為輸出入導線，且長度取8cm 可有效防止脫落。

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Si

圖54 可自發熱模仁的製作流程。

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2μm

2300 μm(position) 2400 μm

圖55 可自發熱模仁的光罩設計概念。

圖56 第一道光罩之設計：用以產生電極槽。

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圖57 第二道光罩之設計：用以產生微溝槽陣列。

圖58 第三道光罩之設計：用以定義電熱線。

4.3 可自發熱模仁的製程步驟