試片前處理之比較

本研究所使用之試片為玻璃與矽晶片，其面積大小均為 2 cm × 2 cm，

而本實驗之架構主要是利用常壓電漿系統之噴頭作為上電極(接負極)，且利 用不鏽鋼板作為下電極(接正極)的方式進行陽極接合試驗，其接合示意圖如 圖 3-1 所示。

陽極接合屬於一種無介質之接合技術，故試片表面的清潔度對接合結果 與效率有很大的影響。本實驗所採用之試片均以硫酸(H₂SO₄)與雙氧水(H₂O₂) 體積比在 3：1，溫度在 80-85 °C 之間進行時間約為 15 分鐘的清洗製程，此 時的表面清潔效果最為彰顯。若使用有效之試片清洗方式，可以將試片表面 之污染物去除乾淨，其接合效果也會相對的提升許多。從量測接觸角可觀察 清洗與否之差異，在清洗前之試片表面接觸角約為 32.02 ，而清洗後可得到 試片表面之接觸角約為 4.84 ，由此結果得知，經過上述清洗步驟，可使得 試片表面具有超親水(<10 )的特性，如圖 4-1 所示。

Table 4-1 Specifications of silicon wafer.

Items Specifications

Grade Test

Diameter 100  0.2 mm

Thickness 525  25 m

Orientation 100

Type/Dopant P/Boron

Resistivity 1-20 Ohm-cm

Thermal expansion coefficient 30.9  10^-7 C

Table 4-2 Specifications of borofloat glass.

Items Specifications

Diameter 4 inch

Thickness 500  25 m

Thermal expansion coefficient 32.5  10^-7 C

Table 4-3 Specifications of AAO template.

Items Specifications

Diameter 3 cm

(a) Before (32.02 )

(b) After (4.84 )

4.2 常壓電漿陽極接合不同實驗參數之影響

本節主要探討利用不同製程氣體、上電極與試片接合距離及接合電壓之 參數，並利用本實驗所開發之二值化分析軟體，以及委託工研院進行剪應力 之量測的數據，來尋找最佳接合品質的處理參數，以利於後續常壓電漿陽極 接合(atmosphere pressure plasma anodic bonding, APPAB)之應用性。

4.2.1 不同製程氣體對接合效果之影響

(1) 實驗方法

本小節研究一開始將先對三種不同之製程氣體 O₂、N₂及 CDA，進行火 焰長度與溫度之量測及比較，接著利用已清洗完成之 borofloat 玻璃試片(面 積大小為 2 cm × 2 cm)，放置於自行設計之 x-y 移動平台上。接合間距與接 合電壓分別固定於 3 mm 及 1 kV，且每組之接合時間皆為 3 分鐘，接合後將 接合將試片切割成 2.5 mm × 2.5 mm 之大小，並委託工研院進行剪應力之量 測，觀察及探討在不同製程氣體下對接合效果之影響。

(2) 實驗結果

本實驗所使用之常壓電漿系統，其機台功率固定為 300 W 且不可調整 之情況下，對於不同製程氣體的種類，所能激發之電漿能量也有所不同，故 對試片之接合效果也會有所不同，如表 4-4 所示。

由表 4-4 之結果發現，CDA 之製程氣體的火焰溫度最高，其次依序是

製程是很重要的要素之一，從表面上來看，O₂ 的火焰溫度最高，故其接合

(2) 實驗結果

2.5 kV，且完成 100%接合之試驗後，再量測不同接合電壓下之接合時間， MPa、36 MPa、35 MPa 及 32 MPa。根據剪應力曲線的趨勢變化，本研究將 其分成兩個部分進行探討，前半部 0.5 kV 至 1 kV 的部分，雖然 0.5 kV 的接

結，使鍵結更完全而達到更佳之接合力品質。

本研究最後將選用 2 kV 作為後續研究之接合電壓參數，主要原因是此 參數之接合時間僅需要 36 秒，即可將面積為 4 cm²的試片接合完全，且其 接合剪應力也可達到 35 MPa，雖然比 1.5 kV 之接合剪應力小約 1 MPa 左右，

但接合時間卻快了 30 秒以上，所以相對來說，選用 2 kV 會比 1.5 kV 還要來 的有效率。然而，2.5 kV 接合時間更短，僅需 30 秒即可接合完全，且接合 剪應力也有 32 MPa，但不選用此參數的原因，是因為如果使用的接合電壓 太大，很容易因為電場太大而造成短路跳電的情況，不僅無法順利完成接 合，也很容易造成玻璃試片產生破損，故本研究不考慮以 2.5 kV 作為接合 電壓之參數。

Table

4-4 Characteristics of APP anodic bonding under different process gases.

Process gas Photo of plasma Temperature of plasma

Length of plasma

Bonding stress (average)

CDA 450 C 23 mm 30.98 Mpa

O₂ 400 C 25 mm 39.83 Mpa

N2 423 C 28 mm 43.51 Mpa

Figure 4-3 Bonding ratio with different bonding distances (1kV).

Figure 4-5 Plot of bonding ratio versus bonding distance (a) before；(b) after doing binary analysis.

4.3 圖案化陽極接合

本研究所開發之 APPAB 技術，與傳統式之陽極接合(anodic bonding, AB) 技術相比，具有可圖案化定義與選區局部性接合之優點，以下將介紹此小節

一開始先利用實驗室現有光罩測試其可行性，結果如圖 4-9 所示，其中 圖 4-9(a) 為黃光微影定義後之圖案；圖 4-9(b) 為經過乾式蝕刻後之圖案，

而圖 4-9(c) 為經過陽極接合處理過後之圖案，可明顯發現接合區域會從 Si 的部分開始接合，並接合至 Si 與 Si₃N₄的邊界處，能夠有明顯的接合差異性，

主要是因為 Siglass 之接合速率大於 Si₃N₄glass 的接合速率，所以利用此差 異性，可以達到局部接合與圖案化定義之效果。其中，圖 4-9(c) Si₃N₄的部 分可發現其顏色有變化，且成不規則的區域形成，主要是因為 Si₃N₄受到電 漿的溫度所造成，並不是因為產生鍵結而使得顏色改變。

經過測試後發現此構想與實驗方式具可行性，故開始設計新光罩，如圖 4-7 所示，並進行濺鍍、黃光微影、乾式蝕刻及陽極接合等製程，結果如圖 4-10 所示，圖 4-10(a) 為黃光微影定義後之圖案；圖 4-10(b) 為經過乾式蝕 刻後之圖案，而圖 4-10(c) 為去除光阻後之圖案。由於實驗室設備故障的因 素，故陽極接合之實驗部分尚未完成，等設備修復後將完成實驗工作。

Figure 4-7 Layout of mask design for pattern definition.

(a)

Figure 4-9 Photographs of specimen finished different fabrication process: (a) photolithography, (b) reactive ions etching, (c) APP anodic bonding.

(b) (c)

Si₃N₄

PR

Si with glass (bonded area) Si

PR

Si3N4

(unbounded)

(a)

Figure 4-10 OM photographs of specimen finished different fabrication process by a new mask: (a) photolithography, (b) reactive ions etching, (c) removing PR.

(b) (c)

Si₃N₄

PR

Si Si

Si3N4

PR

4.4 常壓電漿陽極接合與傳統式陽極接合之比較

本節主要根據 4.2 節各種 APPAB 之最佳條件，分成試片載台可移動 (mobile) 與 固 定 (fixed) 兩 種 型 式 ， 並 與 固 定 式 傳 統 單 點 電 極 (single point electrode)之陽極接合(anodic bonding)，進行 100%接合率之接合時間、接合 力與接合電流與時間的比較。在傳統式陽極接合試驗中，將使用單點圓頭狀

出利用移動式 APPAB 之試片接合時間最短， 而傳統單點式陽極接合與固定

4.4.2 電流與時間曲線圖之比較

Figure 4-11 Round-shaped point electrode machined with stainless steel (R=1 mm).

Table 4-5 The bonding times of three different sizes of specimens after completing 100% bonding under different bonding methods.

Size Anodic bonding^* (Single-point)

APPAB (Fixed)

APPAB^**

(Mobile)

11 cm² 1 min 49 s 36 s 12 s

22 cm² 23 min 57s 23 min 16 s 1 min 5 s 4-inch 1 hr 25 min 19 s 1 hr 29 min 46 s 14 min 7 s

* The total time for anodic bonding should be added heating time of 10 min to 420C and cooling time of 60 min to RT.

Table 4-6 The bonding strength of three bonding specimens obtained using a shear stress test.

Measuring

4.5 常壓電漿陽極接合之應用

陽極接合技術原本就有用來進行玻璃與金屬以及金屬與金屬之接合，故 為了要提升本研究所開發之 APPAB 技術的應用性，除了進行玻璃與矽基板 (glass-Si)接合試驗外，還將進行玻璃與玻璃鍍鋁基板(glass-Al/glass)、玻璃與 矽鍍鎳基板(glass-Ni/Si)以及玻璃與陽極氧化鋁鍍鋁基板(glass-Al/AAO)之接 合試驗，先利用薄膜的方式，來觀察接合情況與效果，若接合效果佳將再利 用金屬塊材進行接合試驗並討論之，而以下將介紹本實驗之方法與結果。

4.5.1 Glass-Al/glass 的接合

(1) 實驗方法

先將尺寸大小為 2  2 cm²之玻璃進行清潔的處理，接著將一片 glass 試 片放進濺鍍系統(sputter system)，濺鍍一層厚度約 4000 Å 之 Al 金屬薄膜，

接著將另外一片清洗過之玻璃蓋在 Al 金屬薄膜上，並放置到 x-y 軸移動平

台上進行接合試驗。選用 N₂作為製程氣體，且操作電壓與距離分別固定在

2 kV 及 3 mm，接合時間為 30 分鐘。

(2) 實驗結果

圖 4-13 為 試 片 接 合 後 拍 攝 之 掃 描 式 電 子 顯 微 鏡 (Scanning Electron Microscope, SEM) 斷面圖，圖 4-13(a)為小倍率的全景圖，可以完全看到兩 個試片之接合貌，其中上下部分皆為玻璃，中間的那層薄膜則是 Al 薄膜。

接合有缺陷之區域，明顯看到中間 Al 薄膜與上層之玻璃有產生空隙之缺 陷，表示兩者並沒有接合在一起。雖然此試驗之接合時間高達 30 分鐘，但 是接合品質卻沒有 glass-Si 來的好，可能是因為在切割試片時，某些區域受 到的應力較大，而造成已接合完成的區域產生缺陷，所以才會有些區域接合 完整，而有些區域產生缺陷。或者是 Al 膜本身的品質就不佳，因而影響接 合效果，詳細的原因還須更深入的探討與分析。

(a)

(b) (c)

glass

glass Al

glass

glass Al glass

Al

glass

defect

4.5.2 Glass-Ni/Si 的接合 Microscope, SEM) 斷面圖，圖 4-14(a)為小倍率的全景圖，可以完全看到上 下兩片試片之接合貌，其中上部分是玻璃，下部分為矽晶片，而中間那層即

而破壞了接合試片。因此，若要提升接合品質，除了要想辦法改善熱效應對 材料的影響，或是尋找更適當之材料來進行接合試驗外，也要找到較適當切 割試片的方法，才不會破壞接合試片，因而影響接合品質與拍攝效果。

(a)

(b) (c)

Figure 4-14 SEM images of glass-Ni/Si specimen bonded using an APPAB technique.

glass

Si Ni

glass Ni Si

Ni glass

defect

4.5.3 Glass-Al/AAO 的接合

(1) 實驗方法

將尺寸大小為 2  2 cm²之玻璃進行清潔的處理，並將陽極氧化鋁(anodic alumina oxide, AAO)薄膜試片放進濺鍍系統(sputter system)，濺鍍一層厚度約 4000 Å 之 Al 金屬薄膜，接著將玻璃蓋在 Al 金屬薄膜上，並放置到 x-y 軸移 生的痕跡影響拍攝時之效果。圖 4-15(a)為 glass-Al/AAO 接合完全後之試片，

而圖 4-15(b)則是試片進行冷鑲埋後之結果。

APPAB 接合之試片放置於室溫下一天，隔天 AAO 與玻璃是會有脫落分離的 現象產生。因此，此實驗現階段所使用的實驗參數，並無法讓 AAO 與玻璃 形成鍵結，而最佳實驗參數則需要再進行研究與探討。

(a) (b)

Figure 4-15 Photographs of (a) glass-Al/AAO specimen bonded with APPAB, (b) cold mounting of bonded specimen.

(a)

(b) (c)

Figure 4-16 SEM images of glass-Al/AAO specimen bonded using an APPAB technique.

AAO

glass Al

AAO

Al glass AAO

Al glass

4.6 微型熱電致冷晶片之研製

本研究將利用新開發之常壓電漿陽極接合技術，接合陽極氧化鋁於玻璃 基板上，再使用電化學沉積(electrochemical deposition)之技術，將熱電材料 (thermoelectric materials)電鑄於 AAO 孔洞中，製作出具奈米結構之微型熱電 致冷晶片(micro thermoelectric cooler, TEC)，其製作流程圖如圖 3-4 所示，

以下將分成小節介紹其製程與結果。

圖 4-18 為 n-type (Bi₂Te₃)熱電材料電鑄於 AAO 孔洞中之 SEM 圖，圖

由圖 3-4 可知道致冷晶片之製作流程，第一部分須先在 AAO 上定義出

(a) (d)

(b) (e)

(c) (f)

Figure 4-18 SEM images of n-type Bi₂Te₃ electroformed into AAO template (a)

(b) (d)

(c) (e)

(a) (b)

Figure 4-19 (a) Dimension design of bottom electrode; (b) Shielding mask of bottom electrode.

(a) (b) (c)

Figure 4-21 Glass-Al/AAO specimens after APPAB for fabricating TEC device.

第五章 結論與未來展望

5.1 結論

本研究開發出創新性常壓電漿陽極接合(atmosphere pressure plasma anodic bonding, APPAB )技術，利用常壓電漿系統之噴頭作為陽極接合的上 電極，將藉由電漿本身具有的溫度，來取代傳統式陽極接合需由試片底部

3. 上電極距離試片越近時，其接合面積與效果會越好，而當固定噴頭與

8. 利用 APPAB 接合技術，已成功進行 glass-Al/glass 接合，而 glass-Ni/Si 與 glass-Al/AAO 兩組試驗，則需再找尋較適當之接合參數，與其他熱 膨脹係數相接近之材料進行實驗工作。

5.2 未來展望

3. 本研究利用 APPAB 技術進行 glass-Al/glass、glass-Ni/Si 與 glass-Al/AAO 之接合試驗，除了需再找出最佳之接合參數，以達到完全接合之目的

在文檔中 常壓電漿輔助之陽極接合技術開發與應用 (頁 105-0)