第三章 實驗規劃與準備
3.1 實驗規劃
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作一新型圓錐截頭體 4 吋電極，搭配最佳的可變壓波形與定電壓輸出形式，
固定平均電壓、電壓週期、接合溫度，進行 4 吋全片接合率與品質的比較，
並切割試片部份區域，以拉伸試驗進行接合強度的測試。
第三章實驗規劃與準備 國立臺灣師範大學工業教育學系 -38-
Figure 3-1 Schematic framework diagram of experimental equipments.
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Figure 3-2 Flow chart of research.
1. Dicing radiate-line conical frustum
1. Image
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(7) 電極定位平台電極定位平台電極定位平台電極定位平台(Electrode positioning platform)
圖 3-9 為電極定位平台，主要功用為定位上電極的位置，定位平台在 XY 軸
(11) 微電腦萬能試驗機微電腦萬能試驗機微電腦萬能試驗機微電腦萬能試驗機(Micro-computer universal testing machines)
圖 3-13 為微電腦萬能試驗機，本研究主要用途為測試接合強度。經由車床 加工直徑 20 mm 的圓棒兩支，再利用黏著劑將試片貼覆在圓棒端面進行拉伸強 度測試。
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Table 3-1 Experimental facilities.
名 稱 型 號 製 造 商 代 理 商
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Figure 3-3 Dicing saw machine.
Figure 3-4 Function generator.
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Figure 3-5 DC power supply.
Figure 3-6 Power amplifier.
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Figure 3-7 Oscilloscope.
Figure 3-8 Heater.
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Figure 3-9 Electrode positioning platform.
Figure 3-10 Thermal sensor.
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Figure 3-11 Desktop computer.
Figure 3-12 Scanner.
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Figure 3-13 Micro-computer Universal testing machines.
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3.3 接合 接合 接合 接合試片準備 試片準備 試片準備 試片準備
本研究所使用試片均在北區奈米機電中心實驗室晶圓切割機進行切割，如 圖 3-14 及圖 3-15 所示，分別為切割完成的玻璃及晶片。進行試片切割之前，需 先將切割專用膠膜貼覆在切割機專用的框架上，再將晶片或玻璃試片置放在膠 膜黏著面，並將黏著介面的殘留氣泡排除;此作法主要在避免在切割時晶粒受力 不平均而造成切割品質不良並使試片能夠完全的貼緊於膠膜上。最後利用高速 旋轉的主軸馬達帶動切割刀片，配合精密視覺定位系統，將 4 吋晶片或玻璃依 照研究所需，切割成不同大小的實驗試片尺寸。
Figure 3-14 Dicing to Pyrex 7740 glass.
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Figure 3-15 Dicing to silicon wafer.
國立臺灣師範大學工業教育學系 後，容易於切割底部產生不規則破裂或毛邊。在進行接合實驗時，Pyrex 7740 是置放在矽晶片上方，故在 Pyrex 7740 大於矽晶片情況下，即可完全避開因切
探討接合率(Bonding ratio)最佳的電壓波形，是本節的核心目的。接合實驗 用的電極形式有兩種：一是半徑 1 mm 的單點圓頭形電極，另一為直徑 20 mm 厚度 3 mm 的圓板電極，分別進行接觸式放電接合；因受限於硬體設備，為利於 觀察實驗過程中電流值的變化，故增加此圓板形電極，以提升接合時產生的電 流值，達到放大的效果。藉由圖 4-1 所示之四種不同的輸出波形；方波(Square)、
正弦波(Sine)、三角波(Triangle)、定電壓(Constant)。配合調整不同電壓、波形週 期等實驗參數，以比較四者的接合電流大小和接合率，得到最佳的電壓波形；
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Table 4-1 Specifications of silicon wafer.
Items Specifications
Grade Test
Diameter 100 ± 0.2 mm Thickness 525 ± 25 µm Orientation <100>
Type/Dopant P/Boron Resistivity 1-20 Ohm-cm
Table 4-2 Specifications of Pyrex 7740 glass.
Items Specifications Diameter 4 inch Thickness 600 ± 25 µm
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Figure 4-1 Schematic diagram of different waveforms.
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Figure 4-2 Schematic diagram of waveform by pulse voltage.
Figure 4-3 Schematic diagram of contact bonding by circular electrode.
Time (s) Vb
Vp
t
pt
bSet mean voltage =
2 V VP + b
PePerriioodd = tp+tb
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Table 4-3 Max of bonding current by different experiment conditions.
CCaassee NNoo.. WWaavveeffoormrm S
Seett mmeeaann vovollttaaggee
((V))
IImamaxx
(mA)( )
BoBondndining g rraattiioo (%)( )
1 Square 250 5.1 100
2 Sine 250 4.1 100
3 Triangle 250 4.0 100
4 Constant 250 0.3 -
5 Constant 500 4.1 100
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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Time (s)
0 1 2 3 4 5 6
C u rr en t (m A )
Square Sine Triangle Constant
Figure 4-4 Variation of current in contact bonding with plane electrode.
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Table 4-4 Bonding ratio under different experiment conditions.
CaCassee NNoo.. WaWavveeffoorrmm SeSett memeaann vvoollttaaggee (V)( )
BBoonnddiinngg iimmaaggee BBoonndidinngg rraattiioo
± ± 22 ((%))
1 Square 300 7.90
2 Square 400 18.82
3 Square 500 31.31
4 Square 600 42.23
5 Sine 300 4.86
6 Sine 400 12.52
7 Sine 500 21.98
8 Sine 600 33.70
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9 Triangle 300 1.96
10 Triangle 400 8.03
11 Triangle 500 17.89
12 Triangle 600 29.90
13 Constant 300 1.20
14 Constant 400 5.05
15 Constant 500 11.39
16 Constant 600 19.94
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300 400 500 600
Set mean voltage (V)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
B o n d in g r at io ( % )
Square Sine Triangle Constatn
Figure 4-5 Bonding ratio against applied voltage under different waveform.
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電壓的 2.5 倍。
4.3.2 方波與定電壓在不同方波與定電壓在不同方波與定電壓在不同溫度方波與定電壓在不同溫度溫度溫度之接合率比較之接合率比較之接合率比較 之接合率比較 (1) 實驗方法
利用已切割、前處理完成的矽晶片和 Pyrex 7740 試片，使用直徑 1 mm 的 單點圓頭形電極接觸試片表面，並搭配圖 3-1 所示之波形產生器或直流電源供 應器、功率放大器、加熱器，以及示波器等設備，進行接合實驗。將實驗參數 設定在平均電壓 500 V、電壓週期 1 秒、溫度分別為 250 °C、300 °C、350 °C、
400 °C，以及接合時間 120 秒，進行方波與定電壓之接合率比較，其結果如表 4-6 所示。
(2) 實驗結果
根據文獻指出，溫度的高低，影響接合率甚鉅。主要因溫度能有效使玻離 基材產生解離，促使離子活化，大幅提升離子的可移性及導電性【20】。如表 4-6 的實驗結果顯示，當溫度在 350 °C 和 400 °C 時，接合率可大幅度的提升。主 要因在 400 °C 的接合環境中，促使玻璃基材中的離子得到更大的能量，並提升 其導電性，使離子獲得較佳的移動性。在電流導通後，離子隨著溫度上升獲得 活化再加上電場效應，更大幅度地產生漂移現象，進而提升了接合的速率。在 溫度 400 °C 的實驗參數下，方波與定電壓之接合率分別為 41.02 %、23.84 %，
亦即方波的接合率約為定電壓的 1.7 倍，其結果如圖 4-7 所示。
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4.3.3 方波於方波於方波於不同方波於不同不同不同週期週期週期之接合率比較週期之接合率比較之接合率比較之接合率比較 (1) 實驗方法
利用已切割、前處理完成的矽晶片和 Pyrex 7740 試片，使用直徑 1 mm 的 單點圓頭形電極接觸試片表面，並搭配圖 3-1 所示之波形產生器或直流電源供 應器、功率放大器、加熱器，以及示波器等設備，進行接合實驗。將實驗參數 設定在電壓 500 V 和 800 V、溫度 400 °C、電壓週期分別為 0.5 秒、1 秒、4 秒、
8 秒、10 秒，以及接合時間 90 秒，進行方波與定電壓之接合率比較，如表 4-7 所示。
(2) 實驗結果
根據文獻指出，當輸入電壓以脈衝形式供給時，週期的改變，足以直接影 響離子鍵結的時間充足與否。當脈衝電壓的週期時間較短時，供給離子鍵結的 時間也將縮短，導致離子間無法得到完全的鍵結，進而降低了接合率【15】。由 表 4-7 實驗結果顯示，無論電壓輸出是在 500 V 或 800 V 時，在不同的脈衝週期 下，均可達到一正比的線性關係，如圖 4-8 所示。此外，由於隨著脈衝週期的 時間增加，金屬離子產生漂移的時間也相對的提升，使得金屬離子有足夠的時 間漂移至接合界面而產生鍵結反應，故接合面積也因此逐漸加大。
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Table 4-5 Bonding ratio under different experiment conditions.
CaCassee NNoo.. WaWavveeffoorrmm SeSett memeaann vvoollttaaggee (V)( )
BBoonnddiinngg iimmaaggee BBoonndidinngg rraattiioo
± ± 22 ((%))
1 Square 200 3.91
2 Square 350 8.07
3 Square 500 14.96
4 Square 650 26.54
5 Constant 200 1.16
6 Constant 350 5.21
7 Constant 500 6.00
8 Constant 650 10.40
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200 300 400 500 600 700
Average voltage (V)
0 5 10 15 20 25 30
B o n d in g r at io ( % )
Square Constant
Figure 4-6 Bonding ratio against average voltage under different waveform.
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Table 4-6 Bonding ratio under different experiment conditions.
CaCassee NNoo.. WaWavveeffoorrmm TTeemmppereraattuurree ((°C))
BBoonnddiinngg iimmaaggee BBoonndidinngg rraattiioo
± ± 22 ((%))
1 Square 250 1.00
2 Square 300 4.76
3 Square 350 15.68
4 Square 400 41.02
5 Constant 250 -
6 Constant 300 1.43
7 Constant 350 5.94
8 Constant 400 23.84
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200 250 300 350 400 450
Temperature (oC)
0 10 20 30 40
B o n d in g r at io ( % )
Square Constant
Figure 4-7 Bonding ratio against temperature under different waveform.
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Table 4-7 Bonding ratio under different experiment conditions.
CaCassee NNoo.. WaWavveeffoorrmm VVoollttaaggee ((V))
PePerriiood d ttp ++ ttb
((s))
BBoonndidinngg rraattiioo
±
± 22 ((%))
1 Square 500 10 18.87
2 Square 500 8 15.23
3 Square 500 4 12.45
4 Square 500 1 11.00
5 Square 500 0.5 9.02
6 Square 800 10 41.40
7 Square 800 8 42.75
8 Square 800 4 37.42
9 Square 800 1 36.51
10 Square 800 0.5 33.62
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0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
tp + tb (sec)
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
B o n d in g r at io ( % )
800 V 500 V
Figure 4-8 Bonding ratio against cycle under different voltage.
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電壓電流，則因玻璃中的鈉離子、氧離子不斷的析出，隨時間的增加而趨向飽 和，電流也隨之降低。因此隨著接合時間的增加，方波輸出電壓即便僅有定電 壓輸出的 50 %，仍可依其電壓脈衝優勢，將電流維持在一定的高峰值，達到相 同的接合面積，如圖 4-12、4-13 所示。
4.4.2 方波與定電壓方波與定電壓方波與定電壓 4 吋全片之方波與定電壓 吋全片之吋全片之吋全片之接合接合接合強度接合強度強度強度比較比較比較比較 (1) 實驗方法
經由 4.4.1 節方波與定電壓兩種輸出波形，搭配輻射狀電極而完成接合的四 吋全片，利用晶片切割機將試片切割成 10 mm × 10 mm 大小，使用膠黏劑 (Adhesive)把切割後的試片黏著固定在拉伸試棒上，以進行拉伸強度測試。
(2) 實驗結果
圖 4-14 即為拉伸試驗機拉伸接合試片後的影像圖。由影像圖可清楚看出，
無論是經由方波或定電壓波形輸出而完成接合的試片，其拉伸後的試片破裂處 絕大部份均發生在 Pyrex 7740 玻璃，而此玻璃強度約在 15 MPa 左右，故經實驗 結果初步研判，兩種輸出波形之接合強度，均高於玻璃基材本身，皆具有一定 的可靠度。
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Figure 4-9 Lateral view of finished radiate-line electrode.
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Figure 4-10 Schematic diagram of radiate-line electrode.
Table 4-8 Bonding current under different experiment conditions.
Case No. Waveform
Set mean
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Figure 4-11 Variation of current in contact bonding with radiate-line electrode by different waveforms.
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Figure 4-12 Image of contact bonding with square waveform by radiate-line electrode.
Non-bonding
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Figure 4-13 Image of contact bonding with direct waveform by radiate-line electrode.
Non-bonding
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(a) Square wave by radiate-line electrode
(b) Constant wave by radiate-line electrode
Figure 4-14 Image bonding strength of different waveform by tensile test.
Glass on silicon Silicon on glass
Glass on silicon
國立臺灣師範大學工業教育學系 的圓錐截頭體(Conical frustum)電極，使用方波與定電壓波形輸出，進行 4 吋全
國立臺灣師範大學工業教育學系 的圓錐截頭體(Conical frustum)電極，使用方波與定電壓波形輸出，進行 4 吋全