表 1-1 文獻回顧
Year Author Geometry Parameters Remarks
1997
1998 1993
2000
A A
1999
Silicon Chip Pyrex #7740
X.F. Peng et al.
HC
W L N T I V
To determine the heat transfer characteristics and cooling
performance of rectangular-shaped microgrooves into stainless steel plates.
T.M.ADAMS et al.
D V Re
Pr Nu
f Dh
N Q Re
Th Nu
dp w
p Kn Re T H q A Dh Hc
Re vL vG
dp
To investigate
turbulent, single-phase forced convection of water in circular microchannels.The Nusselt numbers here are larger than before.
Both single and multiple systems are tested. The working fluid is D.I. water.
173<Re<12900 Area = 2.5cm 2.5cm Depth =1 mm
An experimental investigation of micro channel is performed.
3 different channels:
1) CNC machined 2) chemically etched 3) commercial capillary Methanol was used as the working fluid and flowed through
microchannels with different hydraulic diameter ranging from 0.057~0.267 mm.
T.M. Harms et al.
Cheng et al.
Kang et al.
Variety of Thin Film Manufacturing Process 薄 膜 種 類 Thermal Oxidation 二氧化矽
Hot Wall
氮化矽薄 膜、高溫氧 化膜、多晶
矽、
LPCVD
Cold Wall 硼矽酸玻璃 Thermal
CVD
APCVD (Atmospheric) 二氧化矽 Parallel Sheet CVD 氮化矽膜 CVD
PECVD
High Density PlasmaCVD 二氧化矽
PVD Sputtering
鋁、鈦、氮 化鈦 表 2-1 三種主要薄膜製程
性 質 L P C V D P E C V D
沉 積 溫 度 700-800 250-350
密 度 2.9-3.2 2.4-2.8
薄 膜 品 質 優良 不佳
相 對 介 電 常 數 6-7 6-9
電 阻 1018 108-1015
折 射 率 2.01 1.8-2.5
蝕刻率(濃縮氫氟酸) 200A/min NA
蝕刻率(沸騰氫氟酸) 5-10A/min NA
P o i s s o n ’s r a t i o 0.27 NA
楊 氏 模 數 385 NA
熱膨脹係數,ppm/℃ 1.6 NA
表 2-2 Si3N4之沉積性質比較表
參 數 乾 蝕 刻 濕 蝕 刻
定 向 性 大部分材料皆宜 只有單晶材料
產 品 自 動 化 良好 不佳
對 環 境 的 衝 擊 低 高
遮罩薄膜的附著性 不要求 極要求
選 擇 性 不佳 良好
蝕 刻 對 象 特定材料 皆可
潔 淨 度 視情況而定 須要非常好
精 確 尺 寸 控 制 極佳(<0.1um) 不佳
設 備 費 用 不斐 不貴
蝕 刻 速 率 0.1-6 um/min 1 um/min 以上
操 作 參 數 較多 較少
蝕 刻 率 的 控 制 容易 不易
表 2-3 乾蝕刻與濕蝕刻之綜合比較表
共晶接合 Eutectic Bonding 玻璃介質接合 Glass Medium
Bonging
有接著介質
有機介質接合 Organic Medium Bonding
陽極接合 Anodic Bonding 融熔接合 Fusion Bonding
無接著介質
直接接合 Wafer Direct Bonding
表 2-4 接合技術(依介質有無分類)
共晶接合 直接接合 融熔接合 玻璃介質接合
Si-Si
有機介質接合 陽極接合 玻璃介質接合
Si-Pyrex
有機介質接合 直接接合 融熔接合 玻璃介質接合 Pyrex-Pyrex
有機介質接合 融熔接合 PMMA-PMMA
PMMA 介質接合 表 2-5 接合技術(依接合材料分類)
化學成份 比重( %wt ) SiO
279.6 B
2O
312.5 Al
2O
32.4 Fe
2O
30.05
Na
2O 3.72 K
2O 0.02
表 2-6 Pyrex#7740® 玻璃的成份
品名 比較項目
矽晶圓(110) Pyrex #7740 玻璃
直徑 4" 4"
厚度 525μm 1±0.05mm
密度 2.33g/cm3 2.23g/cm3
表面 單面拋光/蝕刻 雙面拋光
平坦度 (111)±1° 32.5±2.5mm 熱膨脹係數 2.6x10-6K-1 2.9x10-6K-1
表 2-7 矽晶圓與 Pyrex#7740 玻璃特性比較表
Q(m3/s) dP(Pa) V(m/s) Re 6.67E-07 52280 25.3 3400 7.00E-07 56070 26.5 3570 7.33E-07 53450 27.8 3740 7.83E-07 51990 29.7 4000
Cp f Cf R(Pa/m3/s) 0.16 0.008 28 7.84E+10 0.16 0.008 29 8.01E+10 0.14 0.007 26 7.29E+10 0.12 0.006 24 6.64E+10
表 4-1 微渠道晶片之實驗數據
Q(m3/s) dP(Pa) V(m/s) Re 7.83E-06 4527 7.83 7820 9.75E-06 5257 9.75 9734 1.16E-05 6863 11.67 11647 1.18E-05 7740 11.83 11814
Cp f Cf R(Pa/m3/s) 0.15 0.007 57.7 5.78E08 0.11 0.006 53.8 5.39E08 0.10 0.005 58.7 5.88E08 0.11 0.006 65.3 6.54E08
表 4-2 壓克力之實驗數據
流況 雷諾數範圍 流體特性 高黏滯層流 0<Re<1 潛變運動(creeping)
層流 1<Re<100 強烈地決定於雷諾數 層流 100<Re<103 邊界層理論可予應用 過渡區 103<Re<104 過渡至紊流
紊流 104<Re<106 中等地決定於雷諾數 紊流 106<Re<無窮大 輕微地決定於雷諾數
表 4-3 管流的分類
圖 2-1 量測系統示意圖
Constant temperature Pump bath
Bypass valve
Needle valveAccumulator
PG
Rotameters
3-way valve
PG
Pressure gage
Differential pressure transducer
Test section DPT
圖 2-2 微渠道循環示意圖
圖 2-3 載具與微渠道示意圖
l
m n
(abc) Surface
N = (1/l, 1/m, 1/n) = (a,b,c)
LCM
(100) (110) (111)
(100) (110) (111)
圖 2-4 (100)、(110)、(111)之晶格方向圖解
(110)
(100) Cleave
LPCVD SiN
Under cut (111)
(111)
(111)
(111)
(100) (110) (111)
Si (100)
(111) (111)
Cleave
54.7
°
(100)
圖 2-5 (100)非等向性蝕刻示意圖
(100) Cleave
(100) (110) (111)
Cleave
Cleave
圖 2-6 (110)非等向性蝕刻示意圖
流道寬度:0.1mm 流道數目:5 流道深度:0.1mm
圖 2-7 單晶矽晶圓矩形流道
圖 2-8 Pyrex#7740® 玻璃基板
流道寬度:1mm 流道數目:5 流道深度:1mm
圖 2-9 壓克力板模擬流道示意圖
圖 2-10 壓克力板上壓力感測器與入出水端之示意圖
Exhaust Boat Wafer
圖 2-11 薄膜成長裝置-低壓化學氣相沉積(LPCVD)
Heater
Exhaust Boat Wafer
NH
3圖 2-12 旋轉塗佈機
圖 2-13 SUSS RC8 旋轉塗佈機
Photoresist
Wafer
Vacuum Chuck
Spin
圖 2-14 旋轉光阻塗佈示意
圖 2-15 轉速與光阻膜厚之關係
圖 2-16 Karl Suss® SUSS MJB 3 UV400 光罩對準機
圖 2-17 CTP-5 噴霧顯影機
Sprayer
Developer solution
Wafer
Vacuum Chuck
Spin
圖 2-18 顯影機之剖面示意圖
圖 2-19 加熱盤 Vacuum Chuck
Spin
Developer Solution Wafer
Sprayer
Plasma with
ions and reactive neutrals N
N N N
N N
N N + +
+ + +
Ions
Reactive neutrals
Mask Mask
RIE-etched substrate
圖 2-20 RIE 非等向性蝕刻反應機制
圖 2-21 RIE 乾蝕刻機- µP
反應物
主溶液
化學反應
邊界層 光阻
底材 薄膜
生成物
圖 2-22 濕蝕刻反應機制
光阻 薄膜 底材
圖 2-23 薄膜蝕刻之反應流程
(a)開始薄 膜蝕刻
(b)結束薄 膜蝕刻
(c)去光阻
圖 2-24 濕蝕刻用之恆溫槽
圖 2-25 濕蝕刻 KOH 槽
圖 2-26 黃光微影流程示意圖
Si SiNx
UV
Mask Si
Si
Si
Si
Spin P.R SiNx
Spin P.R SiNx
SiNx
SiNx
一、成長 SiNx: 5000?
RIE ICP
KOH
二、黃光(圖案)
三、RIE(開口) Dry Etching
四、KOH
Wet Etching
圖 2-27 晶圓切割機(單軸式)
(a)
(b)
圖 2-28 裁切後之晶片(a)與 CNC 加工之微渠道(b)
圖 2-29 儲水槽與微渠道
圖 2-30 微渠道剖面
圖 2-31 渠道的表面輪廓
圖 2-32 表面粗操度
圖 2-33 表面輪廓儀-Alpha Step 500
V - +
Silicon Pyrex
Cathode
Hot Plate
Anode
圖 2-34 陽極接合示意圖
Hot Plate
V
V (b)
V (c)
(mA/cm )
(d)
電流密度靜電吸引力
Na+ Na+
Na+ Na+
Na+
Na+ Na+ Na+
O2- O2- O2 - O2-
消耗區
Na+ Na+
消耗區 Si-O 鍵
0.02 2 30 接合時間(s)
2
圖 2-35 陽極接合機制流程圖
圖 2-36 微渠道測試段之載具
圖 2-37 將微渠道晶片置於壓克力載具內
圖 2-38 壓力感測器
圖 2-39 水泵浦
GAIN
WGI-300C
DP
INSTRUMENTATION AMPLEIFIER
CAL 0.5mV/V ZERO ADJ
COMP
COMP
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 BV FUSE
COMP
UPPER - LOWER
!
0.5A
~90-110V LINE IN
4 3 2 1
OFF
5V 2V
圖 2-40 訊號放大器 WGI-300C 之前端、後端
Y
Z X
h
L
圖 3-1 微渠道之座標示意
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
5E-07 5.5E-07 6E-07 6.5E-07 7E-07 7.5E-07 8E-07 Q(m3/s)
dp(kPa)
圖 4-1 微渠道之流量與壓力降關係圖
0 5 10 15 20 25 30
3200 3400 3600 3800 4000 4200 Re
Cf
圖 4-2 微渠道之雷諾數與摩擦係數關係圖
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
3200 3400 3600 3800 4000 4200 Re
dp(kPa)
圖 4-3 微渠道之雷諾數與壓力降關係圖
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 2E-06 4E-06 6E-06 8E-06 1E-05 1E-05 1E-05 Q(m3/s)
dp(kPa)
圖 4-4 壓克力之流量與壓力降關係圖
0 10 20 30 40 50 60 70
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Re
Cf
圖 4-5 壓克力之雷諾數與摩擦係數關係圖
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 Re
dp(kPa)
圖 4-6 壓克力之雷諾數與壓力降關係圖
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009
0 5000 10000 15000
Re
f
矽 質 微 渠 道 壓 克 力 流 道
圖 4-7 雷諾數與摩擦因子關係圖
