量測結果與討論 - 垂直轉移矽奈米線陣列及其熱傳導係數量測技術開發研究

6-1 樣品製備結果

試片經過蝕刻溶液氫氟酸(HF, 6 M)和硝酸銀(AgNO3, 0.026 M)蝕刻 1 小時 20 分鐘後，結果利用掃描式顯微鏡(SEM)觀察，由 SEM 圖可以發現聚合物完整均勻填滿整個矽奈米線陣列如圖 6-1(a)，但頂端有些不平整是因為蝕刻結果造成矽奈線長短有些誤差。圖 6-1(b)為矽奈米線陣列底部局部放大。

由圖可以看出矽奈米線底端，也是均勻完整填滿，並無孔洞產生，有些斷裂情形為切試片剖面拍照而造成的。圖 6-1(c)、圖 6-1(d)為矽奈米線頂端傾斜一個傾斜角(tilted view)拍攝，可以看到表面並無缺陷或孔洞，有些不平整也是因為奈米線長短不一造成，可能在量測上造成些微影響。但在量測放在銅板平台時，有均勻塗上散熱膠，所以量測時接面地方並不會有空隙，可以減少量測上的誤差。圖 6-1(e)、圖 6-1(f)為大範圍區域傾斜角度與剖面圖拍攝 SEM 圖，證實試片均勻填滿沒有空隙。

圖 6-2(a)為金屬加熱線(heater) SEM 圖，由圖可以看出線寬約 50 m。由圖可以看出試片在 Lift-off 製程的丙酮掀離金屬的步驟，金屬並未被完全去除，原因可能是為了使黃光微影後的圖案解析度更高，因此在塗佈光阻之前，進行了大氣電漿處理的步驟，所以提高了光阻與試片的結合性。圖 6-2(b) 為三條金屬線 SEM 圖。中間為加熱金屬線，左右兩側為量測溫度金屬線。

圖 6-2(c) 為區域金屬線圖案。

圖 6-1 (a)量測試品 SEM 剖面圖；(b)試片矽奈米線陣列底端 SEM 圖；(c)試片矽奈米線陣列底端 SEM 圖；(d)不同區域矽奈米線陣列底端 SEM 圖；(e)

試片大範圍區域傾斜角度 SEM 圖；(f)試片大範圍區域 SEM 剖面圖

(a) (b)

(e) (f)

圖 6-2 (a)為金屬加熱線(heater) SEM 圖；(b)三條金屬線 SEM 圖；

(c)為區域金屬線圖案 SEM 圖 (a)

(b)

(c)

表 6-1 矽奈米線的熱傳導係數對應

Si_k(W/mK) ΔT (℃) kxy (W/mK) ΔT (℃) kz (W/mK) 90 25.80 0.1225 7.6 26.32 100 25.80 0.1225 6.9 28.99 110 25.80 0.1225 6.3 31.75 120 25.80 0.1225 5.8 34.48 130 25.80 0.1225 5.4 37.04 140 25.80 0.1225 5.0 40.00 150 25.80 0.1225 4.7 42.55 160 25.80 0.1225 4.4 45.45

圖 6-3 xy 方向模型切面等溫線圖

圖 6-4 z 方向模型切面等溫線圖

) /

(m²K W ，因此與矽結合性較差的聚合物，其介面熱阻落在數量級約為~10^-5 )

(m²K W ，表示量測結果在合理的範圍之內。

圖 6-5 量測聚合物熱傳試片：(a)聚合物厚度 6m；(b)聚合物厚度 9m；

(c)聚合物厚度 11m (a)

(b)

(c)

圖 6-6 熱阻-聚合物厚度曲線關係圖

圖 6-7 聚合物熱傳量測裝置設備圖

6-4 模擬矽奈米線陣列之熱傳導係數結果

模型模擬的基本參數如圖 6-8。且假設熱通量為 10⁶ W/A。雖然 k_xy為一定值，但經由模擬結果發現改變 kxy，對兩側金屬線(sensor 1、sensor 2)所量得之溫度差異幾乎沒有變化，因此可以推論 z 方向的熱傳導係數主導了整個熱傳特性。而藉由改變等效模型 z 方向的熱傳導係數，由矽奈米線熱傳 90

K m

W/  ~ 160 W/mK所對應的 kz(表 6-1)一一代入模型中計算。

由模擬計算可以取得 heater 到右側水平距離 200 m 的溫度分布曲線，

由此曲線可以求得此直線上的距離到 heater 的溫度差。因為金屬線(heater) 長度為 7.5 mm，寬度為 50 nm，因此通過 heater 熱量為 10⁶W/A × 0.0075 m

× 0.00005 m = 0.375 W。由上述曲線求得的溫度差除以熱量 0.375 W 即可得到此兩點的熱阻差。由於此模型為左右對稱，因此溫度也是為左右對稱，所以可以將 sensor 1 和 sensor 2 看成在同一邊。因為數據龐大，所以距離取以 sensor 1 為中心往右邊 70 m~135 m，取這段距離對 sensor 1 的溫度差，做成距離與熱阻差的曲線關係式，如圖 6-9。示意圖如圖 6-10。而 sensor 2 在 sensor 1 為中心往右邊 100 m 處，接下來 6-5 節所量測出來的熱阻差將會與圖 6-9 做比對，即可求出矽奈米線陣列熱傳係數。圖 6-11 為 heater 到 sensor 2 溫度分佈模擬結果，擷取範圍為圖 6-10 虛線方框示意圖。

圖 6-8 模型模擬的基本參數圖

圖 6-9 距離與熱阻差曲線關係圖

圖 6-10 sensor 1 為中心往右邊 70~130m 距離示意圖

圖 6-11 heater 到 sensor 2 溫度分佈模擬結果

6-5 製作與量測矽奈米線陣列結果

求出三條金屬線的 TCR 曲線之後，利用 Keithley 2400 在 heater 通入電流源 80 mA ~ 105 mA，間隔 5mA，共測量 6 次，測量出所對應的電壓值(V)，

經由公式 P=IV、R=V/I，即可以算出所對應的功率(P)和電阻(R)。而 Sensor 1 和 Sensor 2 因為 heater 的加熱而產生溫度的變化，經由 Keithley 2700 可以測

圖 6-12 量測試片照片

圖 6-13 量測數據與模擬數據比較圖

在文檔中垂直轉移矽奈米線陣列及其熱傳導係數量測技術開發研究 (頁 85-99)