可變電壓波形應用於陽極接合速度與品質之研究

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(1)國立臺灣師範大學工業教育國立臺灣師範大學工業教育學系工業教育學系碩士論文指導教授：指導教授：楊啟榮博士可變電壓波形應用於陽極接合速度與品質之研究品質之研究 Research on speed and quality of anodic bonding using applied voltage with various waveforms. 研究生：研究生：張龍吟撰中華民國九十中華民國九十七九十七年七月.

(2) 謝. 誌. 此篇論文得以順利完成，首先要感謝我的指導教授楊啟榮老師的悉心指導，對於學術研究方面的啟發，讓我瞭解正確的研究方法與嚴謹的做事態度，並時時教導我待人處世的道理，使我在這些年中獲益匪淺。老師對學問的嚴謹更是我輩學習的典範。感謝工業技術研究院電子與光電研究所劉君愷博士、穩銀科技有限公司廖超康博士及臺師大機電科技學系主任程金保教授在論文口試時提供諸多指教與建議，使本論文更臻嚴謹與周延。同時要感謝臺師大機電科技學系薄膜暨接合工程實驗室於SEM儀器的協助及臺師大應電所於示波儀器的協助，同時也感謝昇鋐理化有限公司在實驗藥品與實驗設備的提供與協助。感謝實驗室的學長茂榕、明承、明宗、宏展、俊緯、柏翔、榆鈞以及前幾屆的學長姐，在我投入微機電領域的過程中，對於知識的建立、技術的培養與精神的鼓勵。同時也感謝同窗夥伴耀方、嘉佑、裕強與昶均，在生活中的照料與研究上的砥礪，使我的研究更加順利。此外，也要感謝學弟幸憲、俊良、偉迪與菱莉等人的幫忙，在此一併向各位致謝。最後要感謝家人對我的關心與照顧，並在求學過程中給予支持與勉勵，提供向上進取的原動力，使我能夠完成學業，僅以此論文獻給最親愛的父親、母親、二弟，以及所有關心我的師長、同學與朋友。.

(3) 摘. 要. 陽極接合技術常被應用於微機電元件的組裝，是目前微機電製程中相當倚重的一種接合技術，其主要藉由離子鍵結的方式來達到接合的目的，故兩接合表面平整度要求非常高，屬於無介質的接合方式。在接合過程中，輸出電壓大小、溫度高低、電極形式等，皆是影響接合率和品質的重要因素。在不同的電壓輸出形式上，亦可造成不同的接合效果，原因是當通入一般常用定電壓輸出時，其所產生的接合電流瞬間達到最高峰，此狀態亦將隨著時間的增加而產生遞減現象。若選用可變電壓波形輸出時，將可促使瞬間最大接合電流，重覆維持在一高峰值，進而大幅提升接合率與接合品質。實驗結果證實，利用輻射狀電極在方波可變電壓波形之平均電壓 250 V、週期時間 8 s、溫度 400 °C、接合時間 200 秒，進行四吋全片接合時，接合良率可達 99.2 左右%。其次本研究也研發一種新型的圓錐截頭體電極，搭配可變電壓波形輸出形式，除了可使接合電流維持在一高峰值，縮短其所需接合時間外，也可在較低電壓輸出的條件下，達到快速接合，且擁有與定電壓輸出形式相同的接合品質。實驗結果證實，利用圓錐截頭體電極搭配定電壓輸出，設定平均電壓 800 V、溫度 400 °C 條件下，進行四吋全片接合時，接合時間約 15 秒，且接合良率可達 99.89 %左右。利用圓錐形電極搭配方波可變電壓波形輸出，設定平均電壓 250 V、週期時間 8 s、溫度 400 °C 條件下，進行四吋全片接合時，接合時間約 15 秒，接合良率可達 72.93 %。利用方波可變電壓與定電壓波形，搭配圓錐截頭體電極進行實驗時，因為受硬體設備之限制，導致實驗過程中，輸出電壓均無法到達設定值，但其實驗結果仍達到預期的目標。. 關鍵詞：關鍵詞：陽極接合、可變電壓波形，電極形狀。. I 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(4) Abstract Anodic bonding technique is important and is often used in package of MEMS components. It uses ionic bond to obtain bonding results. Surface level of silicon and glass need to be very serious, and the technique belong to non-media bonding. There are important factors of bonding ratio and quality in bonding process, such as applied voltage, temperature, and type of electrode etc. In different forms of applied voltage, it causes different bonding results. The reason is described as follow: the maximum of bonding current by using direct voltage waveform would be decayed when the bonding time is increasing, but it will be kept at a high value by using variable voltage waveform and to improve bonding ratio and quality widely. The research improves that using radiate-line electrode with square voltage waveform to bonding 4 inch wafer, bonding ratio can reach 99.2% when the average voltage is 250 V, period is 8 sec, temperature is 400 ºC, and bonding time is 200 sec. In this research, we develop a novel conical frustum electrode to co-operate variable voltage waveform for anodic bonding. It not only can keep bonding current at a high value to decrease bonding time, but also can have the same bonding quality with the results of applied direct voltage. The research improves that using novel electrode with direct voltage waveform to bonding 4 inch wafer, bonding ratio can reach 99.98% when the average voltage is 800 V, temperature is 400 ºC, and bonding time is 15 sec. Using the novel electrode with square voltage waveform to bonding 4 inch wafer, bonding ratio only can reach 72.93% when the average voltage is 250 V, period is 8 sec, temperature is 400 ºC, and bonding time is 15 sec.The efficiency of bonding system is limited when using square or direct voltage waveforms to co-operate the conical frustum electrode. Although it causes output voltage can not reach the setting value in bonding process, the research still can achieve the expecting purpose. Keywords: anodic bonding, variable voltage waveform, electrode shape. II 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(5) 總. 目. 錄. 摘要 ................................................................................................................ Ⅰ 總目錄 ............................................................................................................ Ⅲ 圖目錄 ............................................................................................................ VI 表目錄 .............................................................................................................. Ⅹ. 第一章. 緒論 .................................................................................................. 1. 1.1 微機電系統 ..................................................................................... 1 1.2 晶片接合技術 .................................................................................. 2 1.3 研究動機與目的 .............................................................................. 6 第二章. 文獻回顧與理論探討 ....................................................................... 7. 2.1 陽極接合技術 ............................................................................... 7 2.1.1. 接合原理說明 .................................................................... 7 2.1.2. 接合電流說明 .................................................................... 8 2.2 文獻回顧 ..................................................................................... 12 2.2.1. 脈衝電壓技術應用於陽極接合技術 ................................. 12 2.2.2. 電極陣列應用於陽極接合技術 ......................................... 13 2.2.3. 電弧放電應用於陽極接合技術 ......................................... 13 2.3 陽極接合對準技術 ..................................................................... 22 2.3.1. 玻璃與矽晶片對準技術 ................................................... 22 2.3.2. 矽晶片與矽晶片對準技術................................................. 22 2.4 陽極接合強度測試方法 ............................................................... 25 2.4.1. 撞擊試驗 .......................................................................... 25 2.4.2. 拉伸試驗 .......................................................................... 25 2.4.3. 表面能試驗 ...................................................................... 25 III 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(6) 2.5 陽極接合的應用 ......................................................................... 29 2.5.1. 微流道系統 ..................................................................... 29 2.5.2. 加速度計 ......................................................................... 29 2.5.3. 壓力感測器 ..................................................................... 30 2.5.4. 陀螺儀 ............................................................................. 30 2.5.5. AFM 探針........................................................................... 30 第三章. 實驗規劃與準備 ............................................................................. 36. 3.1 實驗規劃 ..................................................................................... 36 3.2 實驗設備與檢測 ......................................................................... 40 3.3 接合試片準備 ............................................................................. 49 第四章. 實驗結果與討論 ............................................................................. 51. 4.1 試片準備與前處理 ....................................................................... 51 4.2 不同電壓輸出波形之接合電流、接合率比較 ............................ 51 4.2.1. 不同波形之接合電流比較 ................................................ 52 4.2.2. 不同波形之接合率比較 .................................................... 53 4.3 方波與定電壓之接合率比較........................................................ 62 4.3.1. 方波與定電壓在不同輸出電壓之接合率比較 ................. 62 4.3.2. 方波與定電壓在不同溫度之接合率比較 ......................... 63 4.3.3. 方波於不同週期之接合率比較 ........................................ 64 4.4 方波與定電壓之 4 吋全片接合率與品質比較 ............................ 71 4.4.1. 方波與定電壓 4 吋全片接合電流、接合率比較 ............. 71 4.4.2. 方波與定電壓 4 吋全片之接合強度比較 ......................... 72 4.5 新型圓錐截頭體電極之設計與相關實驗 .................................... 79 4.5.1. 方波與定電壓在不同放電間隙之接合率比較 ................. 79. IV 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(7) 4.5.2. 圓錐截頭體電極設計與製作 ............................................ 80 4.5.3. 圓錐截頭體電極 4 吋全片之接合率比較 ......................... 81 4.5.4. 方波與定電壓 4 吋全片接合強度比較............................. 83 4.5.5. 圓錐截頭體電極電流與放電間隙之探討 ......................... 84 第五章. 結論與未來展望............................................................................. 101. 5.1 結論 .......................................................................................... 101 5.2 未來展望 ................................................................................... 102 參考文獻 ...................................................................................................... 103. V 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(8) 圖. 目. 錄. Figure 1-1. Classification of bonding technologies and materials................... 5. Figure 2-1. Anodic bonding setup ................................................................ 10. Figure 2-2. The bonding process: (a) silicon and Pyrex are put in contact by an electrostatic force; (b) as a result of heating an ion current is generated in the glass created a depleted zone; (c) when the depleted zone becomes too large the process stops; (d) a typical current progress during bonding............................. 10. Figure 2-3. Diagram of equivalent circuit for anodic bonding ...................... 11. Figure 2-4. Schematic curve diagram of exp(-t) for bonding current .............. 11. Figure 2-5. Schematic diagram of waveform by pulse-voltage ....................... 15. Figure 2-6. Pictures of the bonded: (a) 60% and (b) 100% bonding ............... 16. Figure 2-7. Plot of the bonding time versus Peak voltage Vp and fixed times............................................................................................ 16. Figure 2-8. Plot of the bonding time versus duration of the tp = 30 s .............. 17. Figure 2-9. Sketch of the current profile during the anodic bonding process......................................................................................... 17. Figure 2-10. Diagram of radiate-points electrode ............................................. 18. Figure 2-11. Diagram of radiate-line electrode................................................. 18. Figure 2-12. Diagram of spiral-points electrode ............................................... 19. Figure 2-13. Schematic diagram of experimental equipments .......................... 19. Figure 2-14. Lateral view of finished radiate-line electrode ............................. 20. Figure 2-15. Image of non-contact bonding by radiate-line electrode ............... 20. Figure 2-16. Image of anodic bonding ............................................................. 21. Figure 2-17. Conversion to binary-valve image ............................................... 21. Figure 2-18. Alignment technology of glass and silicon................................... 23 VI 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(9) Figure 2-19. Alignment technology (I) of silicon and silicon ........................... 23. Figure 2-20. Alignment technology (II) of silicon and silicon .......................... 24. Figure 2-21. Alignment technology (III) of silicon and silicon......................... 24. Figure 2-22. Burst test ..................................................................................... 27. Figure 2-23. Tensile test .................................................................................. 27. Figure 2-24. Surface energy test....................................................................... 28. Figure 2-25. Micro-fluid system ...................................................................... 32. Figure 2-26. Accelerometer ............................................................................. 32. Figure 2-27. Piezoresistive pressure sensor ...................................................... 33. Figure 2-28. Capacitive pressure sensor ........................................................... 33. Figure 2-29. MEMS gyroscope........................................................................ 34. Figure 2-30. Microfabrication processes of AFM probe................................... 35. Figure 2-31. Bond-and-transfer probe array of AFM........................................ 35. Figure 3-1. Schematic framework diagram of experimental equipments ........ 38. Figure 3-2. Flow chart of research ................................................................. 39. Figure 3-3. Dicing saw machine..................................................................... 43. Figure 3-4. Function generator ....................................................................... 43. Figure 3-5. DC power supply......................................................................... 44. Figure 3-6. Power amplifier ........................................................................... 44. Figure 3-7. Oscilloscope ................................................................................ 45. Figure 3-8. Heater .......................................................................................... 45. Figure 3-9. Electrode positioning platform..................................................... 46. Figure 3-10. Thermal sensor ............................................................................ 46. Figure 3-11. Desktop computer........................................................................ 47. VII 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(10) Figure 3-12. Scanner........................................................................................ 47. Figure 3-13. Micro-computer Universal testing machines ................................ 48. Figure 3-14. Dicing to Pyrex 7740 glass .......................................................... 49. Figure 3-15. Dicing to silicon wafer................................................................. 50. Figure 4-1. Schematic diagram of different waveforms.................................. 55. Figure 4-2. Schematic diagram of waveform by pulse voltage ....................... 56. Figure 4-3. Schematic diagram of contact bonding by circular electrode........ 56. Figure 4-4. Variation of current in contact bonding with plane electrode ....... 58. Figure 4-5. Bonding ratio against applied voltage under different waveform..................................................................................... 61. Figure 4-6. Bonding ratio against average voltage under different waveform..................................................................................... 66. Figure 4-7. Bonding ratio against temperature under different waveform....... 68. Figure 4-8. Bonding ratio against cycle under different voltage ..................... 70. Figure 4-9. Lateral view of finished radiate-line electrode ............................. 73. Figure 4-10. Schematic diagram of radiate-line electrode................................. 74. Figure 4-11. Variation of current in contact bonding with radiate-line electrode by different waveforms................................................. 75. Figure 4-12. Image of contact bonding with square waveform by radiate-line electrode ................................................................... 76. Figure 4-13. Image of contact bonding with direct waveform by radiate-line electrode ...................................................................................... 77. Figure 4-14. Image bonding strength of different waveform by tensile test ...... 78. Figure 4-15. Schematic diagram of arc discharge by single-point electrode ..... 84. Figure 4-16. Bonding ratio against arc discharge under different experiment conditions .................................................................................... 87. VIII 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(11) Figure 4-17. Lateral view of finished conical frustum electrode....................... 89. Figure 4-18. Schematic diagram of contact bonding by conical frustum electrode ...................................................................................... 90. Figure 4-19. Current diagram of contact bonding with different waveform by conical frustum electrode ........................................................ 93. Figure 4-20. Image of contact bonding with different waveform by conical frustum electrode ......................................................................... 95. Figure 4-21. Image bonding strength of different waveform by tensile test. ..... 96. Figure 4-22. Current diagram of contact bonding with different voltage and gap by conical frustum electrode................................................ 100. IX 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(12) 表. 目. 錄. Table 1-1. Micro-fabrication technologies in MEMS.................................... 4. Table 2-1. Experiment parameter of waveform by pulse-voltage ................ 15. Table 3-1. Experimental facilities ................................................................. 42. Table 4-1. Specifications of silicon wafer ..................................................... 54. Table 4-2. Specifications of Pyrex 7740 glass............................................... 54. Table 4-3. Max of bonding current by different experiment conditions......... 57. Table 4-4. Bonding ratio under different experiment conditions ................... 59. Table 4-5. Bonding ratio under different experiment conditions ................... 65. Table 4-6. Bonding ratio under different experiment conditions ................... 67. Table 4-7. Bonding ratio under different experiment conditions ................... 69. Table 4-8. Bonding current under different experiment conditions ............... 74. Table 4-9. Bonding ratio of arc discharge by different gap ........................... 85. Table 4-10. Bonding ratio of arc discharge by different gap ........................... 86. Table 4-11. Experimental results of contact and non-contact bonding under different electrodes ...................................................................... 88. Table 4-12. Bonding ratio of different voltage by conical frustum electrode... 90. Table 4-13. Bonding current of different voltage and gap by conical frustum electrode ......................................................................... 99. X 國立臺灣師範大學工業教育學系.

(13) 第一章緒論. 第一章緒論 1.1 微機電系統「微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)」，是整合光、機、電、材料、控制、化學等多重科技，將微感測器(µ-sensor)、微致動器(µ-actuator)、微處理器(µ-processor)等元件模組化於單一晶片(chip)上，提高了微機電系統的應用性與附加價值。隨著各式不同的電子化商品日漸朝向輕薄短小且包含多元化功能的目標影響，其相關機械元件的製造及設計方式，也不同於以往的傳統加工方式;如利用車床、銑床、鉗工、鑽床及磨床等，切削去除多餘材料，以及利用組裝技巧製作出各式各樣的機械元件，以現今科技而言，顯然已無法滿足輕薄短小，且批次量產的目標。然而，因科技不斷日新月異，伴隨微機電技術所帶來的微小化，電子、資訊、材料、醫學、生化、通訊、航太等各個領域的產品，也逐漸達到高精準、高效能、批次製造(Batch fabrication)等技術水準。可以預期的是經由微機電製程所製作的微系統相關產品，在未來將會成為人類生活中不可或缺的因素，因此微機電系統技術顯然已被視為各科技產業相當重要的核心製造技術。微機電製程技術包括矽基微細加工(silicon based micromachining)、非矽基微細加工(non-silicon based micromachining)等二大類技術，如表 1-1 所示【1】。矽基微細加工可分為兩類：(1)面型微細加工(surface micromachining)是以矽晶圓為基材，在表面進行薄膜沉積、微影、蝕刻等積體電路製程技術，配合犧牲層 (sacrificial layer)蝕刻技術，可在矽基材表面製作出微懸浮結構；(2)體型微細加工(bulk micromachining)是以矽晶圓為塊材，將矽晶圓做為加工材料，進行單晶矽等向性蝕刻、非等向性蝕刻、雙面對準、蝕刻終止與蝕刻幕罩保護等製程技術。在非矽基微細加工技術之中，由於深光刻電鑄模造(LIGA)(in German: -1國立臺灣師範大學工業教育學系.

(14) 第一章緒論. lithographie, galvanoformung, abformun; in English: lithography, electroforming, molding)相較於其它非矽基微細加工的微加工術，其與積體電路製程技術的相容性佳，且適用於製作高深寬比(aspect ratio)的微結構，可增加結構強度及微元件的電、磁致動特性，因此特別受到重視。. 1.2 晶片接合技術伴隨著微機電系統技術的發展，晶片接合技術(wafer bonding technology)目前已廣泛應用於商業生產上，如AFM探針、壓力微感測器、微加速計、微流道封裝、微陀螺儀與高亮度發光二極體等。近年來，無論是在半導體領域、光電領域或是微機電系統領域，除了不斷要求提高性能外(如半導體領域中要求低電壓、低耗能、高時脈等)，晶片接合技術研究的整體核心價值，是來自成本降低之強烈需求。假設能夠在晶圓級(wafer level)尺寸就達到半導體或是微機電系統元件封裝品質，不必以單區塊或單元件進行逐件封裝，使其達到以批量化(batch)製程完成量產的目標，將可使封裝成本有著大幅度的降低。晶片接合技術依接合面有無中間介質層，可略分為無介質層方法 (non-intermediate layer bonding)與有介質層方法(intermediate layer bonding) 【2】兩大類，如圖1-1所示【3】。無介質層法主要是指直接接合法(direct bonding) 【4】 (又稱融合接合法) 與玻璃－矽陽極接合法(anodic bonding) (又稱電場輔助玻璃接合法(field-assisted glass bonding)、靜電接合法(electrostatic bonding) 【5】兩者; 此項無介質接合技術，主要利用原子間所產生的接合力進行面對面的接合，經由此一純淨且無任何化學黏接物的污染，單純由原子鍵結在一起，相當符合現今光電、微電子材料的需求等級。有介質層法依中間介質層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(1)共晶接合法(eutectic bonding)與(2)玻璃介質接合法(glass -2國立臺灣師範大學工業教育學系.

(15) 第一章緒論. frit bonding)【6】等物質;此項有介質接合技術，經由另一添加的介質層以類似黏膠或原子擴散機制所產生的化合物，促使此一介質與試片間產生接合。另外，也可在此一介質層上或者介質層本身，設計一結構或流道，使其應用能更為廣泛。. -3國立臺灣師範大學工業教育學系.

(16) 第一章緒論. Table 1-1. Micro-fabrication technologies in MEMS【1】. 溼式. 矽基微細加工. 體型微細加工技術. 面型微細加工技術 LIGA 技術. LIGA-like 技術. 非矽基微細加工. 微機械加工. 高分子微加工技術. 其他低溫製程技術與材料. 蝕刻技術 ● 等向性蝕刻 ● 非等向性蝕刻 ● 蝕刻終止技術. 薄膜技術. X-ray 深光刻術. 感應耦合電漿離子蝕刻* 紫外光厚膜光阻微影準分子雷射微加工電子束光刻術. 化學蝕刻技術. 乾式. 浸漬式漬著式反應性離子蝕刻離子束蝕刻濺散蝕刻電漿蝕刻. 光蝕刻技術犧牲層結構釋放技術積體電路技術高深寬比製程接合技術精密電鑄技術: ● 純金屬電鑄 ● 合金電鑄 ● 複合電鑄. 微成形技術: ● 塑膠微結構成形熱壓成形射出成形輪壓成形紫外線硬化法 ● 陶瓷微結構成形粉末射出成形帶板鑄造. 微切削加工微鑽孔加工切削加工微銑削加工微輪磨加工微電鍍成形微壓模成形非切削加工微射出成形微沖壓成形雷射、離子束及電子束微加工原子力顯微加工術特殊加工超音波微加工微放電加工微雷射光合高分子成形(Microstereolithography, µ-SL) 軟式微影技術(Soft Lithography) 微接觸印刷術(Microcontact Printing, µ-CP) Micromolding in Capillaries (MIMIC) Microtransfer Molding (µ-TM) Replica Molding (REM) 聚對二甲苯(Parylene) 明膠(Gelatin)蛋白質鐵氟龍(Teflon) 矽膠(Silicone). * 感應耦合電漿離子蝕刻技術：一般應用於矽基體型微加工製程之非等向性、高深寬比蝕刻加工。. -4國立臺灣師範大學工業教育學系.

(17) 第一章緒論. (a) 有機介質接合融合接合矽與矽接合玻璃介質接合共晶接合. 陽極接合接合技術依接合材料分類. 矽與玻璃接合. 有機介質接合玻璃介質接合. 融合接合玻璃與玻璃接合. 玻璃介質接合有機接合. 融合接合 PMMA與PMMA接合 PMMA介質接合. (b). Figure 1-1. Classification of bonding technologies and materials【2】. -5國立臺灣師範大學工業教育學系.

(18) 第一章緒論. 1.3 研究動機與目的陽極接合技術，主要應用於矽基板與玻璃板結合，經由玻璃板接觸連接陰極的上電極，矽基板則置於連接陽極的下電極，並輔以加熱使兩者間的介面層產生一靜電場環境，形成擁有較高強度的離子鍵結。這項接合技術已是行之有年，多數學者針對此項技術的改良方法，均以陰極的電極形狀或是排列的改變為主，試圖降低接合所需時間以及殘留氣泡的驅趕，同時也期望達到符合業界使用的品質，儘管在接合率上已有相當的提昇，但始終無法達到工業生產所需。在現今科技以節約能源課題為主軸進而深入探討及研究，陽極接合技術也同樣能夠以低電壓、低溫度的封裝技術，達到降低成本、低耗能的需求。因此能在陽極接合技術上做到重大的革新，方可達到更大規模的生產，以量制價、薄利多銷。由於陽極接合可利用高溫及高電壓提供足夠的能量，加快玻璃中金屬離子 (Na+)解離並加速鍵結時間，但因高溫會產生熱應力的問題，也會影響晶片上的各種微小結構。所以如何找出可降低溫度或輸出電壓，同時也可保有相當的接合率及品質，達到節能及降低成本的目的，是本研究所追求的目標。以縮短接合所需時間來說，電極的幾何形狀可造成不同的接合效果，原因是當通入直流電壓時，首先發生接合現象是在上電極與玻璃接觸的下方。過去曾有人使用各式電極排列的方式，雖可有效的改善接合所需的時間，但降低接合所需時間及輸出電壓或溫度有限。因此本研究將針對電壓輸出的模式進行探討，預期能大幅改善陽極接合的輸出電壓並維持相當的接合品質及強度，使其在達到高產出與高品質的目標同時，也達到節能的需求。. -6國立臺灣師範大學工業教育學系.

(19) 第二章文獻回顧與理論探討. 第二章文獻回顧與理論探討文獻回顧與理論探討本章首先介紹說明何謂陽極接合技術及相關基礎原理，其次是本研究相關文獻的回顧，最後則是介紹陽極接合技術的檢測方法，及目前此項技術的實際應用。. 2.1 陽極接合技術陽極接合技術(Anodic bonding technology)於 1969 年由 Wallis 及 Powerantz 首先發現，在矽基板與玻璃間加一靜電場，可以使其製程溫度低於有介質接合之融合接合(Fusion bonding)，同時具一定強度的鍵結接合效果【5】。此項接合技術在微機電系統之元件封裝中，是相當受到廣泛應用及重視，圖 2-1【7】，即為玻璃-矽陽極接合裝置之示意圖。. 2.1.1 接合原理說明陽極接合技術亦稱之為電場輔助接合技術 (Field-assisted bonding technology)，主要是利用高溫提供玻璃能量，使玻璃內部中的氧化鈉(Na2O)物質活化解離成氧離子與鈉離子，受到活化的金屬離子具有導電的特質，當溫度活化玻璃內部的金屬離子後，此時於玻璃與矽基板兩端通入適當電壓值，玻璃內部被解離後帶正電的鈉離子(Na+)受到電場作用，被負電吸引而漂移至玻璃表面與空氣中的水氣反應，逐漸形成一層白色粉末狀的氫氧化鈉物質。玻璃中被解離後帶負電的氧離子(O−)，則移動至玻璃與矽基板的接合面上，使兩材料受靜電場相互吸引作用後，逐漸形成矽與氧的鍵結反應，使其產生 SiO2 的接合效果【8】，其最初的接合反應是從陰極電極與玻璃接觸的區域開始發生，再藉由緩慢的擴散至整個接合面。 -7國立臺灣師範大學工業教育學系.

(20) 第二章文獻回顧與理論探討. 圖 2-2 為陽極接合的接合機制圖【9】，主要的接合反應可由下列兩個方程式來表示【10】：. Cathode ： 4 Na + + 4e − → 4 Na. (2-1). Anode：Si + 2O 2− → SiO2 + 4e −. (2-2). 由於接合過程中，必須藉由溫度將玻璃內部的金屬離子活化，因而玻璃之熱膨脹係數必須與矽基板配合，以降低殘留應力及翹曲現象的發生。 2.1.2 接合電流說明在陽極接合製程中，外加電壓在接合面上形成一電荷空乏層 (Depleted zone)，使此接合面產生靜電力作用，而靜電力與電荷的關係，主要由下列兩個方程式來表示【11】：. σ = ε 0V d P0 = σ. (2-3). 2. (2-4). 2ε 0. 其中σ為電荷密度，εο為介電常數，d 為間隙距離，V 為外加電壓，Pο為靜電力大小。圖 2-3 為陽極接合的等效電路示意圖【12】，將一電容(C)與電阻(R2)並聯可用來代表空間電荷區，而電阻(R1)即代表玻璃材料的電阻值大小，由 Kirchoff’s rule 可得下列方程式【13】：.  R1 R2 C  d 2 q c dq c  R2 C  dV − =0   2 +  dt  R1 + R2  dt  R1 + R2  d t. -8國立臺灣師範大學工業教育學系. (2-5).

(21) 第二章文獻回顧與理論探討. 由上式解微分方程式可得：.   R + R2 q c = cos(ω × t ) − exp − 1  R1 R2 C .   ωR1 R2 C  + sin (ω × t )  R1 + R2 . (2-6). 電壓隨時間變化 V = V0 cos(ω × t )，再假設 R2 >> R1，此時有 ω → 0 (直流)和 ω >>1(交流)的影響，直流電荷方程式如下：.   − t   ; ω → 0 , R2 >> R1 q c = V0 C 1 − exp  R1C  . (2-7). 在交流時電荷方程式如下：. qc =. V0 sin (ω × t ) ; ω >>1, R2 >> R1 ωR1C. (2-8). 電流為單位時間內，直流電荷通過導體截面積的電荷數量，故實際電流值的變化，如下列方程式所示：. I=.  −t  dq c V0  = exp dt R1  R1C . (2-9). 由上述方程式，可清楚的發現接合電流是呈指數函數 exp(-t)的形式作衰減。由 exp(-t)作圖，發現當時間 t = 0 時 I = 1 ；當 t → ∞ 時 I → 0 ，代表接合電流會隨著時間的變化而逐漸遞減，最後電流會隨著時間的增加而趨近於零，如圖 2-4 所示【14】。. -9國立臺灣師範大學工業教育學系.

(22) 第二章文獻回顧與理論探討. DC voltage source +. -. A-D converter. Computer. Plate electrode Glass Silicon. Hot plate. Figure 2-1 Anodic bonding setup【7】.. Figure 2-2 The bonding process: (a). silicon and pyrex are put in. contact by an electrostatic force; (b) as a result of heating, an ion current is generated in the glass, created a depleted zone; (c) when the depleted zone becomes too large, the process stops; (d) a typical current progress during bonding【9】. -10國立臺灣師範大學工業教育學系.

(23) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-3 Diagram of equivalent circuit for anodic bonding【12】.. 1.2. exp(-t). 0.8. 0.4. 0. Figure 2-4 Schematic curve diagram of exp(-t) for bonding current【14】.. -11國立臺灣師範大學工業教育學系.

(24) 第二章文獻回顧與理論探討. 2.2 文獻回顧本章節主要以國內外學者，如何有效改善陽極接合的接合電壓、溫度及接合率進行文獻的回顧。改善的方法有將定電壓輸出改變為脈衝電壓輸出，以縮短接合所需平均電壓，以及改變不同電極形狀，成功進行試片界面殘留氣泡的驅趕，提升接合品質，更有突破一般傳統接觸式陽極接合技術的限制，以電弧放電的機制，縮短接合所需時間。 2.2.1 脈衝電壓技術應用於陽極接合技術 2000 年 Thomas 等人利用脈衝電壓輸出方式，如圖 2-5 所示，在改變不同的電壓頻寬及週期時，可相對得到不同的接合效果。當試片大小 2×2 cm2 、溫度 300℃、VP ＝ 400 V、Vb＝300 V，tb＝tP＝10 s-30 s 的實驗參數下，接合時間可較直流電壓縮減 30 %。此一研究首先以調變脈衝電壓的重要實驗參數 VP、Vb、 tb、tP 等進行規畫，獲得如表 2-1 之實驗參數組合。其次是針對接合面積的判定進行探討，由於接合面積及時間難以精準掌控，僅能採以單一參數多次實驗的方式進行，以提高實驗結果的準確度。當試片接合面積分別達到 60 及 100 %時，將如圖 2-6 所示。在電壓脈衝的實驗過程中，首先針對固定週期時間 tb 與 tP 在 30 s 以及電壓 VP＝400 V 的條件下，進行 Vb = 100-400 V 的調變，實驗結果如圖 2-7 所示。當獲得電壓的最佳值後，接續針對 tb 與 tP 週期時間進行探討，以固定 tP = 30 s、VP = 400 V、V b = 300 V，調變 tb = 5-60 s 的方式，實驗結果當週期時間 tb 與 tP 在相同的條件下，接合時間最為迅速，如圖 2-8 所示。經由改變電壓波形，在相同溫度及電壓輸出條件下，比較一般定電壓供電方式，可用較低的輸出電壓即可達到同等的接合率，接合強度也高達 15 MPa。一般定電壓供電方式，其接合過程中的電流值均從接合起始的瞬間，產生最大. -12國立臺灣師範大學工業教育學系.

(25) 第二章文獻回顧與理論探討. 接合電流，隨著接合時間的增加而形成指數函數 exp(-t)的遞減。然而，此一脈衝電壓卻可使接合電流維持在一高峰值，主要因素來自於供給電壓瞬間所產生的最大電流值，可利用脈衝電壓的供給方式，使其平均電流值高於定電壓供給方式，如圖 2-9 所示【15】。 2.2.2 電極陣列應用於陽極接合技術陽極接合是屬於一項無介質的封裝接合技術，試片雖可經由完善的前處理製程進行表面清潔，但在接合過程中，更需注意因氣體的殘留而導致接合的品質的影響。依據 1996 年德國兩項專利 DE 4423264 A1【16】和 DE 4426288 A1 【17】，分別解決了氣泡殘留的問題，此兩項專利主要是改變上電極的形狀，兩者均是以輻射狀由內往外延伸，主要目的皆是針對殘留氣泡的驅趕，差別在於其一的排列方式以連續線如圖 2-10 所示，另一則是點電極的設計如圖 2-11 所示【18】。依據中華民國專利發明第 164313 號【19】，此為一種陽極接合電極分佈的方式，如圖 2-12 所示，主要為改善輻射狀電極在試片的邊緣接合速度快於內部; 因空氣與試片邊緣可能參與反應，進而加快了試片邊緣的接合速度，所以經由此一螺旋的點電極設計，即可避免試片邊緣接合速度快於內部【18】。 2.2.3 電弧放電應用於陽極接合技術傳統陽極接合技術主要是以電極直接接觸試片的方式下進行接合，然而，此一文獻是以電弧放電的機制，突破傳統的限制【20】;放電係指在陰極與陽極之間產生直接跳電(Tripping)的行為，並藉由放電所引發的放電衝擊壓力與電場靜電力的作用，使其兩材料之間產生電子互相流通的現象，進行非接觸式的陽極接合技術，其設備架構示意如圖 2-13 所示。此研究最佳實驗參數為使用輻射 -13國立臺灣師範大學工業教育學系.

(26) 第二章文獻回顧與理論探討. 狀線電極，如圖 2-14 所示、放電間隙 120 µm、溫度 400 ℃、定電壓 900 V，進行 4 吋晶片接合時，接合率達 99.98 %，如圖 2-15 所示，接合強度約 15 MPa 以上，接合時間約為 17 秒完成。此一文獻也於文中提及關於利用 Borland C++程式，所撰寫出一套適用於陽極接合的影像處理分析程式「二值化程式」(Binary formula)，此軟體主要利用影像的色差，將其轉換為黑白兩種顏色。由於經陽極接合後的區域與未接合區域會有明顯的影像色差，如圖 2-16 所示，因此可利用此程式進行接合面積的分析，如圖 2-17 所示【20】。. -14國立臺灣師範大學工業教育學系.

(27) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-5 Schematic diagram of waveform by pulse-voltage【15】.. Table 2-1 Experiment parameter of waveform by pulse-voltage【15】.. -15國立臺灣師範大學工業教育學系.

(28) 第二章文獻回顧與理論探討. (a). (b). Figure 2-6 Pictures of the bonded: (a) 60% and (b) 100% bonding【15】.. Figure 2-7 Plot of the bonding time versus Peak voltage Vp and fixed times【15】.. -16國立臺灣師範大學工業教育學系.

(29) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-8 Plot of the bonding time versus duration of the tp = 30 s【15】.. Figure 2-9 Sketch of the current profile during the anodic bonding process 【15】.. -17國立臺灣師範大學工業教育學系.

(30) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-10 Diagram of radiate-points electrode【16】.. Figure 2-11 Diagram of radiate-line electrode【17】.. -18國立臺灣師範大學工業教育學系.

(31) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-12 Diagram of spiral-points electrode【18】.. Figure 2-13 Schematic diagram of experimental equipments【20】.. -19國立臺灣師範大學工業教育學系.

(32) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-14 Lateral view of finished radiate-line electrode【20】.. Figure 2-15 Image of non-contact bonding by radiate-line electrode【20】.. -20國立臺灣師範大學工業教育學系.

(33) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-16 Image of anodic bonding【20】.. Figure 2-17 Conversion to binary-valve image【20】.. -21國立臺灣師範大學工業教育學系.

(34) 第二章文獻回顧與理論探討. 2.3 陽極接合對準技術陽極接合對準技術在進行陽極接合前，必須利用接合對準技術將欲接合之兩片基板對準，接著利用特殊的夾具固定，再送入基板接合機進行接合。又因為基板的透明與否、元件位置、對準記號的位置不同，而有不一樣的對準方式。一般使用的設備脫離不了紅外線對準機、雙面對準機以及接合對準機。 2.3.1 玻璃與矽晶片對準技術因為玻璃基板本身可以透光，所以對準方式如圖 2-18 所示，首先對準矽晶片之對準記號，再移動玻璃對準記號的位置，使其對準記號重疊，如此便完成玻璃與晶片的對準動作。 2.3.2 矽晶片與矽晶片對準技術矽晶片與矽晶片對準技術如接合的兩基板都是矽晶片，且對準記號剛好相對。首先必須完成矽晶片一的對準動作，之後固定並記錄晶片一的對準記號影像於顯微鏡顯示螢幕上，其次再慢慢移動晶片二，使晶片二的對準記號與顯微鏡螢幕上的記錄重疊，如此晶片一與晶片二的對準記號就會在同一個位置上，如圖 2-19 所示。另一種情況是對準記號都不在欲接合的那一面，則必須利用底視顯微鏡配合頂視顯微鏡進行對準。首先將底視顯微鏡與頂視顯微鏡設定為同步移動，亦即兩者之 x、y 座標都移動到同一點，接著將晶片一的對準記號移動到與底視顯微鏡吻合，固定晶片一與顯微鏡，再移動晶片二的對準記號與頂視顯微鏡吻合，即完成兩個晶片的對準，如圖 2-20 所示。最後一種情況是對準記號都位於欲接合的那一面，首先必須將兩個顯微鏡放在晶片一與晶片二中間來進行對準，如圖 2-21 所示。不過這種對準方式比較特殊，因機台設計上的限制問題，故此對準方式較不被普遍採用【20】。 -22國立臺灣師範大學工業教育學系.

(35) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-18 Alignment technology of glass and silicon【20】.. Figure 2-19 Alignment technology (I) of silicon and silicon【20】.. -23國立臺灣師範大學工業教育學系.

(36) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-20 Alignment technology (II) of silicon and silicon【20】.. Figure 2-21 Alignment technology (III) of silicon and silicon【20】.. -24國立臺灣師範大學工業教育學系.

(37) 第二章文獻回顧與理論探討. 2.4 陽極接合強度測試方法陽極接合強度測試方法由於陽極接合是以離子鍵結的方式進行接合，故有非常高的接合強度，目前文獻分別有撞擊試驗、拉伸試驗與表面能試驗等三種方式，來量測其接合強度。 2.4.1 撞擊試驗 test) 撞擊試驗(Burst 試驗此方法在量測強度之前，必須加工出一個適當的撞擊面積，再外加適當的力量或壓力，使得兩接合面因外力的作用，達到分離的效果，如圖 2-22 所示【21】。因為此方法量測準備較為複雜，故比較少被採用。 2.4.2 拉伸試驗(Tensile test) 拉伸試驗接合強度的量測中，一般都認為拉伸試驗最為簡單方便且可以直接得到結果，如圖 2-23 所示【22】。但因陽極接合是屬於離子接合的方式，故本身的接合強度超過基板的結構強度【23】，所以此方法並不適用於高接合強度之接合技術。 2.4.3 表面能試驗(surface energy test) 表面能試驗表面能試驗方法是將接合後的試片，以銳利的刀鋒由接合面插入，此時兩接合面將會因刀鋒而分離開來，如圖 2-24 所示。經由裂開之距離帶入表面能公式，當接合的材料不同時，帶入(2-10)，在接合材料為相同，厚度 tw2>tw1 時，帶入(2-11)，而接合材料與厚度均相同則帶入(2-12)【24】：. 2. (γ 1 + γ 2 ) =. 3. 3. 3. 3. 3t b E1t w1 E 2 t w 2. 8 L4 ( E1t w1 E 2 t w 2 ). -25國立臺灣師範大學工業教育學系. (2-10).

(38) 第二章文獻回顧與理論探討 2. γ =. 3Et b t w1 16 L4 2. 3Et b t w γ = 32 L4. 3. (2-11). 3. (2-12). 其中 γ 為表面能大小， E 為材料之楊氏係數， L 為刀片邊緣與剝裂前端之距離 t b 為刀片厚度， t w1 為接合材料厚度。. 在陽極接合過程中，當計算後的表面能值越大者，其代表接合強度也越大，不同的接合參數會造成不同的接合強度，不同的強度其表面能也不完全相同。. -26國立臺灣師範大學工業教育學系.

(39) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-22 Burst test【21】.. Figure 2-23 Tensile test【22】.. -27國立臺灣師範大學工業教育學系.

(40) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-24 Surface energy test【24】.. -28國立臺灣師範大學工業教育學系.

(41) 第二章文獻回顧與理論探討. 2.5 陽極接合的應用陽極接合的應用除了有保護元件的功能外，更重要的是基於製程的需要，將兩片或兩片以上的基板以各種方式接合在一起，或將製作好之各個基板組合成具特定要求或功能的元件。如製作壓力感測器、微加速計等許多微機械元件的組裝，都必須利用陽極接合技術。又如在玻璃或矽晶片上，藉由濕式蝕刻或其他各種加工方式的運用，使其形成微流道溝渠，最後再藉由陽極接合將晶片與玻璃做組裝，製作出潛埋式微流道系統。. 2.5.1 微流道系統 system) 微流道系統(Micro-fluid 系統如圖 2-25 所示【21】，其主要是將矽晶片以濕式蝕刻技術，蝕刻出所需的微流道結構圖案，再利用雷射穿孔技術在特定的位置上，將玻璃基板做貫穿的動作。其次要進行接合之前，必須利用接合對準技術將欲接合之晶片與玻璃基板對準，最後再使用陽極接合的製程，如此便完成微流道系統的製作，而此微流道系統可提供微流體混合及生醫檢測等功能。. 2.5.2 加速度計(Accelerometer) 加速度計如圖 2-26 所示【25】，為一微加速度計結構圖，其製備方法如下述。首先將矽晶片送進爐管中加溫，使矽晶片表面生成一層氧化層，再經由微影蝕刻技術定義出所需圖形，並藉由蒸鍍或濺鍍的方式，在表面上沉積一層鋁層薄膜。接著利用蝕刻技術將矽晶片蝕刻出所需的質量塊結構，最後利用陽極接合的方式與玻璃接合，如此便完成加速度計的製作。其作用原理為當物體的慣性被改變時，可量測電容的變化而得到加速度值。加速度計已廣泛被應用在地震儀、車用安全氣囊、遙控設備等領域。. -29國立臺灣師範大學工業教育學系.

(42) 第二章文獻回顧與理論探討. 2.5.3 壓力感測器(Pressure sensor) 壓力感測器近年來陽極接合最常應用在壓力感測器的結構組裝，圖 2-27 為壓阻式壓力感測器結構圖【26】，首先在矽晶片表面佈植一層壓阻材料，經由體型微細加工方式，將矽基板與玻璃基板蝕刻出所需結構形狀，最後使用陽極接合技術將其組裝。當壓力感測器接收到外部壓力變化時，會與內部壓力形成一壓差值，藉由內外壓力的差異性，便可感測出壓力值的大小。圖 2-28 為電容式壓力感測器結構圖【27】，主要是利用矽晶片上的薄膜變形方式，造成電容值的改變，再將訊號做轉換後便可得到所需的壓力值，常被應用於工業或汽機車氣體壓力的監控。 2.5.4 陀螺儀(gyroscope) 陀螺儀圖 2-29 為陀螺儀的結構圖【28】。首先使用 SOI 矽晶片定義出蝕刻視窗，利用感應耦合離子電漿蝕刻技術(ICP-RIE)蝕刻出所需微結構形狀，再與微細加工後之玻璃做接合。將接合後的試片，放置在蒸鍍或濺鍍設備的真空腔體中抽至預定的真空值，並在玻璃上方蒸鍍或濺鍍一層金屬薄膜，使結構內部形成真空封裝，即完成陀螺儀的製作。陀螺儀為導航系統感測的基本元件，在航空與航海領域上應用十分廣泛，如飛機、飛彈、火箭、潛艦等之導航應用。 2.5.5 AFM 探針(AFM probe) 探針圖 2-30 為 AFM 探針的製程示意圖。首先使用經雙面研磨、拋光後的矽晶片蝕刻出探針的尖端，接續沉積一層 SiN;此為探針主體，再利用微影技術定義出陣列的探針結構。已經蝕刻完成的 Pyrex 7740 與已完成探針結構的矽晶片，利用陽極接合技術進行接合，最後再將矽晶圓去除，達到探針轉移到 Pyrex 7740 上的動作，完成陣列狀的探針結構如圖 2-31【29】。. -30國立臺灣師範大學工業教育學系.

(43) 第二章文獻回顧與理論探討. 上述之微流道系統、壓力感測器、加速度計、AFM 探針及陀螺儀上結構的組裝與接合，皆需利用陽極接合技術才得以完成，由此可見陽極接合在微機電系統封裝技術中佔有極重要的地位，而如何提升接合的速度與製程中的良率，是目前技術上急需克服的目標。. -31國立臺灣師範大學工業教育學系.

(44) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-25 Micro-fluid system【21】.. Figure 2-26 Accelerometer【25】.. -32國立臺灣師範大學工業教育學系.

(45) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-27 Piezoresistive pressure sensor【26】.. Figure 2-28 Capacitive pressure sensor【27】.. -33國立臺灣師範大學工業教育學系.

(46) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-29 MEMS gyroscope【28】.. -34國立臺灣師範大學工業教育學系.

(47) 第二章文獻回顧與理論探討. Figure 2-30 Microfabrication processes of AFM probe【29】.. Figure 2-31 Bond-and-transfer probe array of AFM【29】.. -35國立臺灣師範大學工業教育學系.

(48) 第三章實驗規劃與準備. 第三章實驗規劃與實驗規劃與準備本論文實驗設備架構示意如圖 3-1，以 P 型矽晶片及 Pyrex 7740 玻璃作為實驗基材，以電極與試片進行接觸式接合為主，調變電壓波形及週期，以不同波形、不同週期以及電壓大小、溫度高低等，尋找出最適當的接合參數。將尋找出最佳的電壓波形，經由調變週期變化，降低接合所需電壓以及提升接合率，預期在相同的參數條件下，可變電壓波形較定電壓波形接合率提升 30 %。實驗後期將使用脈衝電壓以非接觸式放電接合，以固定電壓、溫度，調變不同的放電間隙，尋找出最適當的接合週期及間隙，並依照最佳放電間隙，設計圓錐截頭體(conical frustum)電極進行實驗，針對其接合率與品質探討。. 3.1 實驗規劃本論文實驗流程為圖 3-2 所示，主要可分為以下四大部分： (1) 以圓板形電極、單點圓頭電極接觸試片、固定電壓週期、接合溫度，分別使用四種可變電壓波形輸出的方式，針對試片進行接合電流、接合率的比較，尋找出最佳的可變電壓波形。 (2) 以單點圓頭電極接觸試片，使用最佳的可變電壓波形與定電壓輸出形式，分別進行在不同平均電壓大小、接合溫度、電壓週期實驗條件下，試著比較兩者接合率的優劣差異。 (3) 以直徑 100 mm 的輻射狀電極接觸試片，使用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。 (4) 使用單點圓頭電極以非接觸式的放電接合方式，固定平均電壓、接合溫度、電壓週期進行實驗，以獲取接合率最佳的放電間隙。利用最佳放電間隙，製 -36國立臺灣師範大學工業教育學系.

(49) 第三章實驗規劃與準備. 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。. -37國立臺灣師範大學工業教育學系.

(50) -38國立臺灣師範大學工業教育學系第三章實驗規劃與準備. Figure 3-1 Schematic framework diagram of experimental equipments..

(51) 第三章實驗規劃與準備. Start. Sample preparation. Facilities setup. Bonding. Results analysis. No. Request Yes. Finish. Figure 3-2 Flow chart of research.. -39國立臺灣師範大學工業教育學系. 1. Dicing 2. Pre-treatment Setting waveform: square triangle sine constant Electrode: single radiate-line conical frustum 1. Image 2. Strength.

(52) 第三章實驗規劃與準備. 3.2 實驗設備與檢測實驗設備與檢測本論文實驗過程使用之儀器設備，除了晶圓切割機為北區奈米機電中心、微電腦萬能試驗機為國立台灣師範大學薄膜暨接合工程實驗室，其餘都在國立台灣師範大學機電科技學系「微光機電系統實驗室」完成，如表 3-1 所示。以下分別針對所需的實驗設備加以說明： (1) 晶片切割機(Dicing saw machine) 片切割機圖 3-3 為晶圓切割機，主要是利用不同材質刀具，配合高速旋轉的主軸馬達及精密視覺定位系統，將 4 吋晶片依照研究規畫所需，切割適合於實驗用的試片尺寸。 (2) 函數訊號產生器(Function generator) 函數訊號產生器圖 3-4 為函數訊號產生器，主要功用為提供適當的電壓訊號及不同的電壓波形、頻率與振幅給功率放大器。 (3) 直流電源供應器(DC 直流電源供應器 power supply) 圖 3-5 為直流電源供應器，主要功用為提供適當的定電壓訊號給功率放大器。 (4) 功率放大器(Power amplifier) 功率放大器圖 3-6 為功率放大器，可將電壓訊號放大，並將放大後的電壓訊號送至上、下電極兩端。 (5) 示波器(Oscilloscope) 示波器圖 3-7 為示波器，主要功用為觀察接合電壓與電流在不同時間情況下的變化，如波形、大小、頻率與振幅等，並經由 RS-232 連接線，可將訊號及影像傳 -40國立臺灣師範大學工業教育學系.

(53) 第三章實驗規劃與準備. 輸至電腦。 (6) 加熱器(Heater) 加熱器圖 3-8 為加熱器，主要功用為提供玻璃熱能將其內部的金屬離子活化，經活化後的金屬離子，會具有導電的特性。 (7) 電極定位平台(Electrode positioning platform) 電極定位平台圖 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 軸上各有一個傾角微調器，以利於電極做接觸與懸空接合。Z 軸上有一百分錶，可調整懸空接合間隙大小。 (8) 溫度感測器(Thermal sensor) 溫度感測器圖 3-10 為溫度感測器，主要功用為量測試片與加熱板表面溫度值，判斷接合溫度是否有達到預設值，及接合試片表面溫度是否分佈均勻。 (9) 桌上型電腦(Desktop computer) 桌上型電腦圖 3-11 為桌上型電腦，利用 RS-232 連接線與示波器做連結，可擷取示波器螢幕上顯現之圖形及訊號。 (10) 掃瞄機(Scanner) 掃瞄機圖 3-12 為掃瞄機，用於擷取接合試片的影像，與電腦影像工具做結合，可分析接合區域與表面氣泡分佈。 (11) 微電腦萬能試驗機(Micro-computer universal testing machines) 微電腦萬能試驗機圖 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。 -41國立臺灣師範大學工業教育學系.

(54) 第三章實驗規劃與準備. Table 3-1 Experimental facilities. 名. 稱. 型. 號. 製. 造. 商. 代. 理. 直流電源供應器. GPC-6030D. Instek. 函數信號產生器. AFG-3021. 太克科技股份有限公司. 加熱器. MODEL-1203. Jenway. 溫度感測器. MODEL-N200. Thermolyne. 尚偉股份有限公司. 功率放大器. MODEL-609E. Trek. 德技股份有限公司. 示波器. TDS-1012. 太克科技股份有限公司. 掃描機. MODEL-2400. Mustek 汎達科技有限公司. 電極定位平台微電腦萬能試驗機. HT-8503. 弘達儀器股份有限公司. -42國立臺灣師範大學工業教育學系. 商. 洛克儀器股份有限公司. 鴻友科技股份有限公司.

(55) 第三章實驗規劃與準備. Figure 3-3 Dicing saw machine.. Figure 3-4 Function generator. -43國立臺灣師範大學工業教育學系.

(56) 第三章實驗規劃與準備. Figure 3-5 DC power supply.. Figure 3-6 Power amplifier.. -44國立臺灣師範大學工業教育學系.

(57) 第三章實驗規劃與準備. Figure 3-7 Oscilloscope.. Figure 3-8 Heater.. -45國立臺灣師範大學工業教育學系.

(58) 第三章實驗規劃與準備. Figure 3-9 Electrode positioning platform.. Figure 3-10 Thermal sensor. -46國立臺灣師範大學工業教育學系.

(59) 第三章實驗規劃與準備. Figure 3-11 Desktop computer.. Figure 3-12 Scanner.. -47國立臺灣師範大學工業教育學系.

(60) 第三章實驗規劃與準備. Figure 3-13 Micro-computer Universal testing machines.. -48國立臺灣師範大學工業教育學系.

(61) 第三章實驗規劃與準備. 3.3 接合試片準備接合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.. -49國立臺灣師範大學工業教育學系.

(62) 第三章實驗規劃與準備. Figure 3-15 Dicing to silicon wafer.. -50國立臺灣師範大學工業教育學系.

(63) 第四章實驗結果與討論. 第四章實驗結果與討論實驗結果與討論本研究採用 P 型矽晶片與 Pyrex 7740 玻璃作為陽極接合實驗，試片的相關參數如表 4-1、4-2 所示。. 4.1 試片準備與前處理本研究在試片使用上，除了 4 吋全片外，一律均採用 2 cm × 2 cm 的矽晶片，以及 2.2 cm × 2.2 cm 的 Pyrex 7740；Pyrex 7740 較矽晶片大，主要因試片經切割後，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，即可完全避開因切割毛邊所造成的影響。陽極接合屬於一項無介質接合技術，故在試片表面清潔度對接合表現的影響極為重要。本實驗所採用的試片一律均以硫酸與雙氧水體積比在 3：1，溫度在 80-85 °C 之間進行清洗製程，此時的表面清潔效果最為彰顯，使用有效的試片清洗方式，可以將接合面的污染物去除乾淨，其接合效果也相對的得到提升。. 4.2 不同電壓輸出波形之接合電流、不同電壓輸出波形之接合電流、接合率比較探討接合率(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；. -51國立臺灣師範大學工業教育學系.

(64) 第四章實驗結果與討論. 為使本研究在比較電壓參數時統一，均以平均電壓輸出表示，如圖 4-2 所示之 VP + Vb 2 可變電壓波形，其 tp+tb 週期內之平均電壓為。以直流電源供應器或波形. 產生器，提供不同的電壓波形輸出；波形產生同時，會供給 0.1-1.5 V 的電壓，再搭配功率放大器將電壓放大，以達到本實驗所需電壓。實驗方法與結果，如下所述： 4.2.1 不同波形之接合電流比較 (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 20 mm 厚度 3 mm 的圓板形電極接觸試片表面，並配合圖 4-3 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。將實驗參數設定在溫度 400 °C、電壓週期 8 秒、平均電壓 250 V、500 V，以及接合時間 35 秒，進行不同波形之接合電流比較，結果如表 4-3 所示。 (2) 實驗結果一般定電壓供電方式，電流會依據接合時間的增加，形成指數函數 Exp (-t) 的遞減【14】。然而，另有文獻指出，當供給電壓改成脈衝供給方式時，可將其電流值維持在一高峰；主要原因為供給電流最大值，是發生在供給電壓的瞬間，而利用脈衝供電所獲得的平均電流值，可大於一般定電壓供給方式【15】。本節進行四種波形之接合電流比較，而比較的原則是所有波形均在設定的接合時間內，達到接合面積 100 %情形下，所獲得的最大電流，其結果如表 4-3 所示。依實驗結果顯示，初步研判在定電壓平均輸出 250 V 時，雖有接合電流及接合現象產生，但因接合電壓及電流偏低，導致無法在設定接合時間內，達到 100 % 的接合面積，故此項實驗條件並未進行接合電流之比較。為了深入比較定電壓 -52國立臺灣師範大學工業教育學系.

(65) 第四章實驗結果與討論. 與其他三種可變波形之關係，故另增設一平均輸出 500 V 的定電壓以進行實驗；此參數設定主要依據所有可變波形之最高輸出電壓。在此實驗結果中，因方波產生的最高電流峰值區，維持的時間較其他三種波形久，而根據文獻指出，電流的瞬間高低，影響接合率甚鉅。故從圖 4-4 中可預期得知，方波的瞬間最大接合電流較優於正弦波、三角波、定電壓，其電流值分別為 5.1 mA、4.1 mA、 4.0 mA 及 4.1 mA。 4.2.2 不同波形之接合率比較 (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。將實驗參數設定在溫度 400 °C、電壓週期 1 秒、最高平均電壓輸出分別為 300 V、400 V、 500 V、600 V，以及接合時間 90 秒，進行不同波形之接合率比較，結果如表 4-4 所示。 (2) 實驗結果本節使用四種波形進行接合率比較，其結果如圖 4-5 所示。實驗結果顯示，在相同的溫度、輸出電壓、接合時間條件下，四者接合率關係分別為方波>正弦波>三角波>定電壓波形。方波之接合率優於正弦波、三角波與定電壓三種波形，主要原因在於接合期間，其所產生的瞬間最大電流較高，且維持在電流高峰值區的時間也較其餘兩者長，故此接合電流大小影響了接合率【20】。因此，實驗結果形成方波的接合率比正弦波與三角波快約 20-30 %，而比較定電壓波形則快約 50 %。. -53國立臺灣師範大學工業教育學系.

(66) 第四章實驗結果與討論. 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. -54國立臺灣師範大學工業教育學系.

(67) 第四章實驗結果與討論. Figure 4-1 Schematic diagram of different waveforms.. -55國立臺灣師範大學工業教育學系.

(68) 第四章實驗結果與討論. Set mean voltage =. tp Vp. VP + Vb 2. Period = tp+tb. tb Vb Time (s). Figure 4-2 Schematic diagram of waveform by pulse voltage.. Figure 4-3 Schematic diagram of contact bonding by circular electrode.. -56國立臺灣師範大學工業教育學系.

(69) 第四章實驗結果與討論. Table 4-3 Max of bonding current by different experiment conditions.. Case No.. Waveform. Set mean voltage (V)). 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. Imax (mA)). Bonding ratio (%)). -57國立臺灣師範大學工業教育學系.

(70) 第四章實驗結果與討論. 6 Square Sine Triangle Constant. 5. Current (mA). 4. 3. 2. 1. 0 0. 2. 4. 6. 8. 10. 12. 14. 16. 18. 20. Time (s) Figure 4-4 Variation of current in contact bonding with plane electrode.. -58國立臺灣師範大學工業教育學系.

(71) 第四章實驗結果與討論. Table 4-4 Bonding ratio under different experiment conditions. Case No.. Waveform. Set mean voltage (V)). Bonding image. 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. -59國立臺灣師範大學工業教育學系. Bonding ratio ± 2 (%).

(72) 第四章實驗結果與討論. 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. -60國立臺灣師範大學工業教育學系.

(73) 第四章實驗結果與討論. 45 40. Square Sine Triangle Constatn. 35. Bonding ratio (%). 30 25 20 15 10 5 0 300. 400. 500. 600. Set mean voltage (V) Figure 4-5 Bonding ratio against applied voltage under different waveform.. -61國立臺灣師範大學工業教育學系.

(74) 第四章實驗結果與討論. 4.3 方波與定電壓之接合率比較本節主要針對較佳的方波可變電壓波形與定電壓輸出，進行接合率比較。經由調變不同的電壓、溫度、週期，尋找出最佳的接合參數。以直流電源供應器或波形產生器，提供不同的電壓波形輸出；波形產生同時，會供給 0.1-1.5 V 的電壓，再搭配功率放大器將電壓放大，以達到本實驗所需電壓。實驗方法與結果，如下所述： 4.3.1 方波與定電壓在不同輸出電壓之接合率比較 (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。將實驗參數設定在溫度 350 °C、電壓週期 1 秒、平均電壓輸出分別為 200 V、350 V、500 V、 650 V，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 4-5 所示。 (2) 實驗結果根據文獻指出，當輸入電壓改成脈衝供給時，可促使瞬間最大電流維持在一高峰值，所獲得的平均電流值，可大於一般定電壓供給方式【15】。然而，定電壓輸出方式，則使電流會依據接合時間的增加，形成指數函數 Exp (-t)的遞減【14】。由表 4-5 的實驗結果顯示，隨著輸出電壓增加，方波與定電壓的接合率逐漸增大，且兩者接合率差異也在電壓的提升下愈趨明顯，如圖 4-6 所示。在平均電壓 600 V、溫度 350 °C，以及接合時間 2 分鐘的條件下，定電壓接合面積僅達到 10.40%，而方波可達到 26.54 %的接合面積，亦即方波的接合率是定. -62國立臺灣師範大學工業教育學系.

(75) 第四章實驗結果與討論. 電壓的 2.5 倍。 4.3.2 方波與定電壓在不同溫度方波與定電壓在不同溫度之接合率比較溫度之接合率比較 (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。. -63國立臺灣師範大學工業教育學系.

(76) 第四章實驗結果與討論. 4.3.3 方波於不同方波於不同週期不同週期之接合率比較週期之接合率比較 (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。. -64國立臺灣師範大學工業教育學系.

(77) 第四章實驗結果與討論. Table 4-5 Bonding ratio under different experiment conditions. Case No.. Waveform. Set mean voltage (V)). Bonding image. 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. -65國立臺灣師範大學工業教育學系. Bonding ratio ± 2 (%)).

(78) 第四章實驗結果與討論. 30 Square Constant. Bonding ratio (%). 25. 20. 15. 10. 5. 0 200. 300. 400. 500. 600. 700. Average voltage (V) Figure 4-6 Bonding ratio against average voltage under different waveform.. -66國立臺灣師範大學工業教育學系.

(79) 第四章實驗結果與討論. Table 4-6 Bonding ratio under different experiment conditions. Case No.. Waveform. Temperature (°C)). Bonding image. 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. -67國立臺灣師範大學工業教育學系. Bonding ratio ± 2 (%)).

(80) 第四章實驗結果與討論. 40. Square Constant. Bonding ratio (%). 30. 20. 10. 0. 200. 250. 300. 350. 400. 450. Temperature (oC) Figure 4-7 Bonding ratio against temperature under different waveform.. -68國立臺灣師範大學工業教育學系.

(81) 第四章實驗結果與討論. Table 4-7 Bonding ratio under different experiment conditions. Case No.. Waveform. Voltage (V)). Period tp + tb (s)). 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. -69國立臺灣師範大學工業教育學系. Bonding ratio ± 2 (%)).