晶片接合技術

隨著微機電系統的發展，晶片接合技術(wafer bonding technology)目前已廣 泛應用於商業及工業生產，如SOI晶片、壓力微感測器、3DIC、AFM探針、微 加速計、微陀螺儀、場發射顯示器(field emission display, FED)、燃料電池與微流 道封裝，以及高亮度發光二極體等多項產品。近年來，無論是在半導體領域、 (non-intermediate layer bonding)與有介質層方法(intermediate layer bonding) 【3】

兩大類。無介質層法主要是指直接接合法(direct bonding) (又稱融合接合法 (fusion bonding)【4】與陽極接合法(anodic bonding) (又稱電場輔助玻璃接合法 (fieldassisted glass bonding)【5】兩者。有介質層法又依中間介質層種類可區分 為有機跟無機兩種材料，有機介質的材料如環氧樹脂(epoxy)、光阻(photoresist) 等黏性物質，而無機介質主要包括共晶接合法(eutectic bonding)與玻璃介質接合 法(glass frit bonding)【6】等物質，如圖11所示【7】。

接合技術，以電場的方式便可取代高溫，而將接和溫度降低至約400C左右來進 行接合試驗，其主要原理是因為玻璃中的正離子被負電極驅動，因而在接合面 上形成強大的電場，將兩界面連結在一起。但為了要減少熱變形之效應，選用 熱膨脹係數相近之材料是相當重要，且在進行玻璃和矽晶片接合時，通常需加 入直流電壓(300 V1200 V)及高溫(300 C400 C)。1995年Rogers與Kowal以 Corning系列之玻璃進行陽極接合相關試驗與性能探討【8】，發現Corning 7740 此玻璃之熱膨脹係數與矽晶片相當接近，受熱過後產生的熱應力較小，不易在 升溫或降溫階段產生試片彎曲，故大多人都使用此玻璃進行陽極接合，或者是 熱膨脹係數與矽晶片相近的玻璃，如Borofloat 33或Schott Desag AG，以避免受 熱應力而影響接和品質。

相較於其它所提到之接合方式，由於陽極接合易於達到氣密性接合，且具 有低接合溫度、無介質及製程簡易等優勢，故本研究主要採用陽極接合技術，

來進行矽玻璃陽極接合之研究。

Figure 1



1 Classification of bonding technologies and materials 【6】

1.3 奈米結構模板 輔助成長 (template-assisted growth)，來取代以光微影製作出具奈米結構之製程。

現今用來成長奈米結構之模板有許多種，包括多孔質氧化鋁 (porous anodic

1.4 熱電材料簡介 化合物 (rare earth compounds)以及碳化硼 (boron carbidies)等種類。

現今，熱電材料依使用溫度可分成以下三類，第一類是指在低於 200 C 使 用的材料，以鉍碲 (Bi-Te) 為主；第二類是指在溫度 400 C 左右使用的材料，

是以鉛銻 (Pb-Te) 為主；而第三類是指溫度於 800 C 以上的使用範圍，是以矽 鍺 (Se-Ge)為主。其中第一類主要應用於熱電致冷器，對熱電材料通以電流時，

會產生冷端及熱端，而將冷端貼附於散熱之熱源，熱端加上散熱片或風扇，即 可產生致冷的效果。後兩類則是應用於熱電產生器 (thermoelectric generator)，

發電效應則是在熱電材料兩端給予一溫度差，即可產生出電流以提供使用。

Table 1-2 Development history of thermoelectric material【20】.

Table 1-2 (continued) Development history of thermoelectric material【20】 (Phonon-glass-electron-crystal, PGEC) 1997 年 T. Caillat Ze₄Sb₃其 ZT 值在 670 K 時可達 1.3

(a) Single layer.

Figure 1-3 Automotive waste heat power generation【22】

(a)

1.5 研究動機與目的

了對陽極接合技術進行改良外，欲提升其應用性，故將利用此技術與熱電材 料及奈米模板結合，開發出具奈米結構之微型致冷元件。

由於科技的進步，3C 電子產品不斷朝向高速及小型化之方向發展，發 熱密度會越來越高，使元件處於高溫的狀態下並產生熱應力，因而降低元件 的壽命，所以熱管理的問題成為很重要的關鍵之一。若將微型熱電致冷晶片 與微電子元件結合，將有助於進行散熱的動作，延長微電子元件的操作壽命。

目前有許多研究團隊希望透過不同方式來提高熱電優質(figure of merit, ZT)，根據目前文獻探討，美國麻省理工機械系教授 Hicks 與 Dresselhaus 等 人提出量子井(quantum-well)之理論【24】。主要是因為奈米結構對聲子 (phonon)進行有效散射(scattering)，因而降低其晶格熱傳導率，且又因為奈 米的一維結構所產生之界面，在費米能階(Fermi level)附近產生很高的電子 能階密度，可過濾低能量之電子作用，可以有效提升熱電材料之席貝克係 數，因而提升材料之 ZT 值【25】。

因此，本研究將利用陽極氧化鋁(anodic aluminum oxide, AAO) 作為沉 積熱電材料之奈米結構模板，但由於 AAO 是屬於易碎性質的材料，不易直 接將 AAO 進行電化學沉積等製程處理，故本研究將結合新開發之常壓電漿 陽極接合技術，將 AAO 模板與玻璃進行接合，即可克服材料易碎之特性，

並製作出具奈米結構之微型致冷元件。

第二章 文獻回顧與理論探討

本章首先介紹大氣電漿、陽極接合技術以及相關基礎原理，再來是本研究 相關文獻之回顧，以及陽極接合技術之檢測方式與實際應用。其次介紹陽極氧 化鋁之反應機制、形貌以及應用。最後，再介紹熱電效應之相關原理。

2.1 電漿

1929 年，Langmuir 與 Tonks 使用電漿(plasma)來說明離子化氣體之現象

【26】。若對一物質施加加速電子、加速離子等能量，其中性物質會透過激發、

解離、離子化等反應而產生原子(atmos)、電子(electrons)、正離子(positive ion)、

負離子(negative ion)、分子(molecules)、自由基(free radical)及激發態(excited specices)的物質，將以上這些物質混合再一起的狀態即稱之為電漿。因為電漿不

(1) 離子化反應：指氣體分子(G₂)遭電子(e^)撞擊而失去電子，產生帶有正電荷

(1) 湯遜放電(Townsend discharge) 正常輝光放電(normal glow discharge)。此區域不需由外界不斷提供初始自由電 子，屬於自恃放電(self-discharge)，在陰極表面附近會有亮光產生。同時可觀察

Figure 2-1 Diagram of plasma generator【28】

.

600 800

400 200 1000

10^-6

10^-10 10^-2 10²

放 電 電 壓 (V )

湯遜放電 正常放電 異常放電 電弧放電

放電電流(A)

(Townsend region) Normal glow (Arc discharge)

(Abnormal glow)

2.1.2 常壓電漿

常壓電漿(atmospheric pressure plasma, APP)也稱為大氣電漿，顧名思義就是 能於常壓下(1 atm)操作電漿。此種電漿之優勢為無低壓環境限制，因此能大幅 度節省真空設備相關設施之成本花費，操作與維護設備都較為容易。此外，常 壓電漿相較於真空電漿設備，不論是在試片處理速度、試片種類、試片大小與 形狀之接受度都顯得較為優異。

目前常壓電漿之相關種類可歸納為以下四種形式：電漿火炬(plasma torch)、

電暈放電(corona discharge)、介電質放電(dielectric barrier discharge, DBD)及噴射 電漿(plasma jet)。

(1) 電漿火炬

電漿火炬主要採用高電流之電源(數百至數千伏特，數十至數千安培)，使電 極與製程氣體達到高溫(>10000 C)，使電漿於常壓環境下產生，缺點是消耗能 源頗巨，並非符合經濟效應。

電漿火炬大致可分為電感耦合電漿火炬(inductively coupled plasma torch, ICP torch)、交流電漿火炬(AC plasma torch)及直流電漿火炬(DC plasma torch)三 種，而其中直流電漿火炬具有設備要求相較於其他兩者低、電極幾何設計較無

(2) 電暈放電 優勢。最成熟且常見的例子為介電屏蔽板式常壓輝光電漿(atmospheric pressure glow discharge plasma, APGD)，基本裝置示意如圖 2-6 所示【30】，主要關鍵在

(4) 噴射電漿

噴射電漿之裝置原理與介電質放電極為相近，如圖 2-7 所示【33】。外層是 由一圓管狀金屬電極包覆著另一金屬電極於管中央，為同心管狀結構。兩電極 皆披覆介電質材料，同心管中央之金屬電極接至交流電源供應器，另一接地端 則與外管狀金屬電極接上，放電後藉由高流速氣體流經圓管內將電弧噴出產生 穩定之電漿。其特色為電漿能量集中、處理效率高、產生之臭氧濃度較低、靜 電累積效應較小。噴射電漿則可並排多個噴射頭以處理大面積之試片，也可小

型化為筆狀式之迷你電漿【34】，其應用相當廣泛如表面改質、光阻之去除、電

漿蝕刻、組裝貼合、生醫材料殺菌及印刷前處理等。如何提高電漿密度與降低 氣體溫度，是未來之發展方向，如冷電弧噴射電漿化學氣相沉積系統，系統架 構示意如圖 2-8 所示【35】。

Figure 2-3 Structures of plasma torch (left), non-transferred (mid) and transferred (right)【30】.

Figure 2-4 Diagram of corona discharge【31】.

Figure 2-5 The discharge situation of corona【32】.

Figure 2-6 Diagram of dielectric barrier discharge【30】.

Figure 2-7 Atmospheric pressure glow discharge plasma jet【33】.

Figure 2-8 The schematic of cold arc plasma jet【35】.

2.2 陽極接合技術

陽極接合技術(anodic bonding technology)最早是在 1969 年由 Wallis 及 Powerantz 所提出，其主要特徵是不需使用任何接合劑，直接在玻璃與金屬間施 加一靜電場，且製程溫度主要操作於玻璃軟化點(glass softening point)以下，可 達到一定強度之鍵結接合效果【5】。此技術是屬於無介質之接合技術，因為兩 (field-assisted bonding technology)，主要利用高溫提供玻璃活化能量，使其內部 中的氧化鈉(Na₂O)物質解離成氧離子與鈉離子，活化後之金屬離子是具有導電

Cathode：4Na^ 4e^ 4Na (2-5)

Kirchoff’s rule 可得下列方程式【41】：

2 0

0

+ _- Computer

Hot plate DC voltage

source

A-D converter

Glass Silicon Plate electrode

Figure 2-9 The schematic diagram of anodic bonding setup【29】.

Figure 2-10 The schematic diagram of anodic bonding mechanism【37】.

V C R

²

R

¹

I

Figure 2-11 Diagram of equivalent circuit for anodic bonding【40】.

0 0.4 0.8 1.2

ex p (- t)

0

t

∞

2.3 局部性接合之探討 晶片之局部性接合，稱之為局部選擇性雷射陽極接合(locally selective bonding with laser, SBL)。其中玻璃因受 CO₂雷射的照射後，迅速活化解離，可以使接合 工作溫度降至約 200 C 左右，其實驗設備及實驗方法如圖 2-13 及圖 2-14 所示

【43】，此文獻以雷射輔助陽極接合，的確可以有效的達到局部加熱及局部接合

之效果，但其玻璃仍然需由底部加溫至 200~300 C。

2002 年 Mescheder 等人提出了另一種雷射輔助的方式，來進行玻璃與矽晶 片之局部性共晶接合。此文獻提出之接合方式不需在底部進行加溫，直接利用 雷射的能量及溫度，使中間之介質層達到共晶溫度以進行共晶接合，並可達到 約 40 Mpa 的接合強度，其實驗方法及實驗結果如圖 2-15 及圖 2-16 所示【44】。

2.3.2 中間介層之局部接合

1999 年 Liwei Lin 等人利用 Phosphosilicate glass (PSG)或 Indium Solder 材料 作為中間介層以進行局部接合技術【45】。圖 2-17 表示其主要製程是先在矽基板 上鍍上一層氧化層，再植入微型加熱器並沉積 PSG 或 Indium Solder，其微型加

1 Mpa 之壓力於試片表面，等加熱至 1100 C 時即可形成鍵結；另外在 Indium Solder 與 Pyrex 接合試驗中，只需通入 20 mA 與 0.2 Mpa 的壓力，並加熱至 300

C 即可形成鍵結。

2002 年 Liwei Lin 則利用鋁材料做為介質層，於一真空腔體內進行局部接合 試驗【46】。本試驗需通以 3.4W 的功率給微型加熱器，並施以 0.2 Mpa 之壓力，

以及 25 mtorr (~3.33 pa)的真空度，即可達到局部接合的效果，而圖 2-18 為製作 流程圖。雖然這兩篇文獻所提出之接合方式，的確可在短時間內達到局部接合 的效果，但此方法需進行多道製程以製作出其結構，也需要有設計優良的微型 加熱器輔助，故製作過程需花較多時間及成本。

2.3.3 利用電磁感應線圈局部接合

2004 年 Hsueh-An Yang 等人利用感應線圈達到局部加溫與局部接合之效 果，當磁性材料經過電磁感應時會急速升溫，若將欲接合處鍍上磁性材料，即

2004 年 Hsueh-An Yang 等人利用感應線圈達到局部加溫與局部接合之效 果，當磁性材料經過電磁感應時會急速升溫，若將欲接合處鍍上磁性材料，即

在文檔中 常壓電漿輔助之陽極接合技術開發與應用 (頁 21-0)