臺灣博碩士論文加值系統

本研究採陽極接合法，將鍍有金屬膜之P-type矽晶片與Pyrex7740康寧玻璃接合。藉由田口方法針對鍍膜材料(鋁、鈦、鉻)、薄膜厚度(0.1μm-2μm)、接合溫度(250℃-350℃)、接合電壓(300V-500V)為參數，探討其對最大接合電流值、接合電荷量、接合面積比率及接合強度之影響。最大接合電流量測利用電流計，接合面積觀察利用光學顯微鏡，接合強度測試依據美國國防部微電路測試標準(Mil-STD-883E, Method 2027.2)進行拉伸試驗，接合後玻璃內元素分佈利用能量散佈光譜分析儀。經由實驗結果，可以得到鍍膜材料(鋁、鈦、鉻)均能與Pyrex 7740玻璃產生接合。且由田口方法分析得知，最大接合電流之最大因素為接合電壓，而最小之因素為接合溫度；接合電荷量最大之因素為接合電壓，而最小之因素為薄膜厚度；接合面積比率最大之因素為薄膜厚度，而最小之因素為接合溫度；接合強度之最大因素為薄膜材料，而最小之因素為接合溫度。最佳水準組合為鍍膜材料為鋁膜、薄膜厚度0.1μm、接合溫度350℃、接合電壓500V，經由田口品質預估值與實驗結果，接合面積比率之誤差為3.6%，而接合強度之誤差為5.7%。

The study aims at the anodic bonding of P-type silicon and Pyrex 7740 glass with intermedium metal film by RF magnetron sputtering. The experimental parameters included the intermedium metal materials, film thickness, bonding temperature and bonding voltage, respectively. The Taguchi method was used to find the optimum bonding condition. The target functions included the increased maximum bonding current, charge bonding quantity, bonding area ratio and bonding strength, respectively. The maximum bonding current is measured using an amperemeter. The bonding area observation is estimated using an optical microscope. The measurement of bonding strength is according to the microcircuits test standard of department of defense in USA (Mil-STD-883E, Method 2027.2). The element dispersal inside the glass is analyzed using an energy dispersive spectrometer. Based on the Taguchi analysis of the experimental results showed that the bonding voltage is a dominant factor to effect on the maximum bonding current; the bonding voltage is a dominant factor to effect on the charge bonding quantity; the film thickness is a dominant factor to effect on the bonding area ratio; the intermedium metal materials is a dominant factor to effect on the bonding strength. The optimum condition occurs at intermedium film of aluminum with 0.1μm film thickness, bonding temperature of 350℃, and bonding voltage of 500V, respectively. The optimum bonding condition was verified experimentally resulting in the bonding area ratio error of 3.6% and the bonding strength error of 5.7%.

摘要…………………………………………………………I
謝誌…………………………………………………………III
目次…………………………………………………………IV
表次…………………………………………………………VII
圖次…………………………………………………………VIII
頁次
第一章 緒論………………………………………………1
1-1研究背景……………………………………………… 1
1-2研究目的……………………………………………… 3
1-3名詞解釋……………………………………………… 4
第二章 理論分析與文獻探討……………………………6
2-1材料的選擇及特性…………………………………… 6
2-1-1選用Pyrex7740玻璃…………………………………6
2-1-2選用鋁、鈦、鉻靶材……………………………… 9
2-2陽極接合技術………………………………………… 10
2-2-1接合原理…………………………………………… 10
2-2-2接合電流模型……………………………………… 13
2-2-3陽極接合的應用…………………………………… 16
2-3陽極接合參數相關研究……………………………… 20
2-3-1接合電壓對接合面積與強度之影響接合影響…… 20
2-3-2接合溫度對接合面積與強度之影響接合影響…… 23
2-3-3接合材料對接合面積與強度之影響接合影響…… 26
2-4 RF磁控濺鍍技術………………………………………28
2-4-1電漿原理…………………………………………… 28
2-4-2 RF磁控濺鍍原理……………………………………28
2-5田口式品質工程原理及說明………………………… 30
第三章 研究方法…………………………………………31
3-1實驗流程……………………………………………… 31
3-2材料與試片的準備…………………………………… 32
3-3 RF濺鍍薄膜與陽極接合實驗…………………………34
3-4接合試片測試………………………………………… 37
3-4-1接合電流量測……………………………………… 37
3-4-2觀察接合面積……………………………………… 37
3-4-3抗拉強度測試……………………………………… 39
3-5界面結構分析………………………………………… 41
3-6田口品質工程實驗…………………………………… 42
3-6-1目標函數…………………………………………… 42
3-6-2建立因子水準……………………………………… 42
3-6-3直交表與S/N比………………………………………42
3-6-4回應表……………………………………………… 46
3-6-5變異數分析………………………………………… 47
第四章 結果與討論………………………………………48
4-1接合試片測試………………………………………… 48
4-1-1接合電流量測與分析……………………………… 59
4-1-1-1最大接合電流作分析…………………………… 63
4-1-1-2接合電荷量作分析……………………………… 68
4-1-2接合面積比率作分析……………………………… 72
4-1-3抗拉強度作分析…………………………………… 73
4-1-4預測最佳水準……………………………………… 84
4-2界面結構分析………………………………………… 87
第五章 結論與未來研究…………………………………97
5-1結論…………………………………………………… 97
5-2未來研究……………………………………………… 98
參考文獻……………………………………………………99
表 次
表1 玻璃性質比較表………………………………………7
表2 玻璃化學含量表………………………………………8
表3 玻璃及矽晶片之熱膨脹係數…………………………8
表4 鋁、鈦、鉻塊材性質比較表…………………………9
表5 靶材成分資料…………………………………………32
表6 濺鍍薄膜與陽極接合控制因子及其水準……………43
表7 L9(34)直交表及因子配置……………………………44
表8 L9(34)直交表之實驗參數配置………………………45
表9 實驗參數下之最大接合電流與電荷及接合面積比率…49
表10 最大接合電流與S/N比平均值………………………65
表11 最大接合電流之S/N比平均值回應表………………65
表12 最大接合電流之S/N比變異數分析…………………67
表13 接合電荷量與S/N比平均值…………………………69
表14 接合電荷量之S/N比平均值回應表…………………69
表15 接合電荷量之S/N比變異數分析……………………71
表16 接合面積比率與S/N比平均值………………………74
表17 接合面積比率之S/N比平均值回應表………………74
表18 合面積比率S/N比之變異數分析……………………76
表19 合強度與S/N比平均值………………………………80
表20 合強度之S/N比平均值回應表………………………80
表21 合強度之S/N比變異數分析…………………………83
表22不同接合參數之接合強度與薄膜斷裂位置…………94
圖 次
圖1 極接合實驗設備裝置圖………………………………10
圖2 璃與矽之陽極接合過程及電壓示意圖………………12
圖3 極接合的接合機制……………………………………12
圖4 極接合等效電路示意圖………………………………14
圖5 exp(-t)曲線圖……………………………………… 15
圖6 矽濺鍍玻璃與矽接合…………………………………17
圖7 矽晶片與玻璃接合……………………………………17
圖8 玻璃與玻璃接合………………………………………17
圖9 玻璃與金屬接合………………………………………18
圖10 PZT陶瓷與玻璃接合…………………………………18
圖11 壓力感測器示意圖………………………………… 18
圖12 加速度感測器示意圖……………………………… 19
圖13 微流系統壓電微幫浦……………………………… 19
圖14 陽極接合技術來固定空間支撐器………………… 19
圖15 接合電壓對最大接合電流的影響………………… 21
圖16 接合電壓對未接合區域的影響…………………… 22
圖17 接合電壓對接合強度的影響……………………… 22
圖18 接合溫度對最大接合電流的影響………………… 25
圖19 接合溫度對未接合區域的影響…………………… 25
圖20 接合溫度對接合強度的影響……………………… 26
圖21 鋁膜厚度對接合最大接合電流的影響…………… 27
圖22 RF濺鍍系統示意圖………………………………… 29
圖23 實驗流程圖………………………………………… 31
圖24 矽晶片RCA清洗流程圖………………………………33
圖25 射頻磁控濺鍍系統示意圖………………………… 35
圖26 陽極接合實驗設備裝置示意圖…………………… 36
圖27 接合面積與未接合面積區域……………………… 38
圖28 未接合處的牛頓環………………………………… 38
圖29 拉力釘黏著(a)試片圖(b)示意圖(根據Mil-STD-
883E, Method 2027.2)……………………………………39
圖30 拉伸置具(a)試片固定(b)拉伸夾具(c)夾具示意圖…40
圖31 實驗1鍍鋁薄膜、薄膜厚度0.1μm、接合溫度250℃、
接合電壓300V之接合結果…………………………………50
圖32 實驗2鍍鋁薄膜、薄膜厚度1μm、接合溫度300℃、
接合電壓400V之接合結果…………………………………51
圖33 實驗3鍍鋁薄膜、薄膜厚度2μm、接合溫度350℃、
接合電壓500V之接合結果…………………………………52
圖34 實驗4鍍鈦薄膜、薄膜厚度0.1μm、接合溫度300℃
、接合電壓500V之接合結果………………………………53
圖35 實驗5鍍鈦薄膜、薄膜厚度1μm、接合溫度350℃、
接合電壓300V之接合結果…………………………………54
圖36 實驗6鍍鈦薄膜、薄膜厚度2μm、接合溫度250℃、
接合電壓400V之接合結果…………………………………54
圖37 實驗7鍍鉻薄膜、薄膜厚度0.1μm、接合溫度350℃、
接合電壓400V之接合結果…………………………………56
圖38 實驗8鍍鉻薄膜、薄膜厚度1μm、接合溫度250℃、
接合電壓500V之接合結果…………………………………57
圖39 實驗9鍍鉻薄膜、薄膜厚度2μm、接合溫度300℃、
接合電壓300V之接合結果…………………………………58
圖40 鍍鋁薄膜在不同參數下所得之電流曲線………… 60
圖41 鍍鈦薄膜在不同參數下所得之電流曲線………… 61
圖42 鍍鉻薄膜在不同參數下所得之電流曲線………… 62
圖43 最大接合電流控制因子對S/N比平均值回應圖……66
圖44 接合電荷量控制因子對S/N比平均值回應圖………70
圖45 接合面積比率控制因子對S/N比平均值回應圖……75
圖46 鍍鋁薄膜在不同參數下所得之拉伸曲線圖……… 77
圖47 鍍鈦薄膜在不同參數下所得之拉伸曲線圖……… 78
圖48 鍍鉻薄膜在不同參數下所得之拉伸曲線圖……… 79
圖49 接合強度控制因子對S/N比平均值回應圖…………81
圖50 製程最佳化參數鍍鋁薄膜、薄膜厚度0.1μm、
接合溫度350℃、接合電壓500V之接合結果…………… 85
圖51 製程最佳化參數拉伸曲線圖……………………… 86
圖52 實驗2陽極接合後牛頓環圖…………………………88
圖53 實驗3接合玻璃表面氫氧化鈉圖……………………88
圖54 實驗6陽極接合試片(a)500x時接合良好界面之
掃描式電子顯微鏡圖 (b)500x時未接合界面之掃描
式電子顯微鏡圖……………………………………………89
圖55(a)實驗1玻璃與鋁薄膜接合上表面區域的EDS光譜圖
(b)氧及鈉元素光譜放大圖……………………………… 90
圖56 (a)實驗1玻璃與鋁薄膜接合面區域的EDS光譜圖
(b)氧及鈉元素光譜放大圖……………………………… 91
圖57 實驗1陽極接合後玻璃中離子的分佈圖……………92
圖58 Pyrex7740玻璃基板破斷面能量散佈光譜圖………95
圖59 矽基板破斷面能量散佈光譜圖…………………… 96

1. T. Rogers and J. Kowal, Selection of glass anodic bonding conditions and material compatibility for silicon-glass capacitive sensors, Sensors and Actuators, A40-47, 1995, pp.113-120.
2. J. M. Rusin, Notes on Glass, http://www.nwlink.com/~ceramist.
3. 陳力俊，微電子材料與製程，中國材料科學學會，2000.
4. S. Shoji, H. Kikuchi and H. Torigoe, Low-temperature anodic bonding using lithium aluminosilicate-β-quartz glass ceramic, Sensors and Actuators, A64, 1998, pp.95-100.
5. G. Wallis and D. I. Pomerantz, Field assisted glass-metal sealing, Journal of Applied physics, 40, 1969, pp.3946-3949.
6. E. T. Enikov and J. G. Boyd, A finite-element formulation for anodic bonding, Smart Mater. Struct., 9, 2000, pp.737-750.
7. K. B. Albaugh, Rate processer during anodic bonding, J. Am. Ceram. Soc, V75, 1992, pp.2644.
8. M. Despont, H. Gross, F. Arrouy, C. Stebler and U. Staufer, Fabrication of a silicon-pyrex-silicon stack by a.c. anodic bonding, Sensors and Actuators, A55, 1996, pp.219-224.
9. M. A. Morsy, K. Ikenchi, M. Ushio and H. Abe, Mechanism of enlargenment of intimately contacted area in anodic bonding of kovar alloy to borosilicate glass, Material Transaction JIM, V37, 1996, pp.1511.
10. T. R. Anthony, Anodic bonding of imperfect surfaces, J. Appl. Phys., 54, 1983, pp.2419-2428.
11. T. L. Floyd, Electric circuits fundamentals, Columbus : Merrill Pub. Co., c1987.
12. K. B. Albaugh and P. E. Cade, Mechanisms of anodic bonding of silicon to pyrex glass, IEEE, 88, 1988, pp.109-110.
13. A. Hanneborg, M. Nese and P. Ohlckers, Silicon-to-silicon anodic bonding with a borosilicate glass layer, J. Micromech. Microeng., 1, 1991, pp.139-144.
14. M. L. Dunn, S. J. Cunningham and P. E. W. Labossiere, Initiation toughness of silicon/glass anodic bonds, Acta Materialia, 48, 2000, pp.735-744.
15. A. Berthold, L. Nicola, P. M. Sarro and M. J. Vellekoop, Glass-to-glass anodic bonding with standard IC technology thin films as intermediate layers, 82, 2000, pp.224-228.
16. M. Chiao and L. W. Lin, Hermetic wafer bonding based on rapid thermal processing, Sensors and Actuators, A91, 2001, pp.398-402.
17. G. Sasaki, H. Fukunaga, T. Suga and K. Tanaka, Mechanism of the anodic bonding between PZT ceramics and silicon wafer, Materials Chemistry and Physics, 51, 1997, pp.174-177.
18. M. A. Schmidt, Wafer-to-wafer bonding for microstructure formation, Proceedings of the IEEE, 86, 1998, pp.1575-1585.
19. P. W. Bath, F. Pourahmadi, R. Mayer, J. Poydock and K. Petersen, A monolithic silicon accelerometer with integral air damping and overrange protection, IEEE, 88, 1998, pp.35-38.
20. H. Andersson, W. V. D. Wijngaart and P. Nilsson, A valve-less diffuser micropump for microfluidic analytical systems, Sensors and Actuators, B72, 2001, pp.259-265.
21. S. Park and M. Kim, Process of spacer with high aspect ratio for field emission display, J. Micromech. Microeng., 10, 2000, pp.410-414.
22. A. Cozma and B. Puers, Characterization of the electrostatic bonding of silicon and pyrex glass, J. Micromech. Microeng., 5, 1995, 98-102.
23. 黃嘉銘，矽與玻璃陽極接合技術之研究，國立清華大學電機工程學碩士論文，1998.
24. D. J. Lee, B. K. Ju, J. Jang, K. B. Lee and M. H. Oh, Effects of a hydrophilic surface in anodic bonding, J. Micromech. Microeng., 9, 1999, pp.313-318.
25. D. J. Lee, Y. H. Lee, J. Jang and B. K. Ju, Glass-to-glass electrostatic bonding with intermediate amorphous silicon film for vacuum packaging of microelectronics and its application, Sensors and Actuators, A89, 2001, pp.43-48.
26. J. Wei, Z. P. Wang, H. Xie and N. F. Lan, Role of bonding temperature and voltage in silicon-to glass anodic bonding, IEEE, 2, 2002, pp.85-90.
27. J. S. Go and Y. H. Cho, Experimental evaluation of anodic bonding process based on the Taguchi analysis of interfacial fracture toughness, Sensors and Actuators, 73, 1999, pp.52-57.
28. J. Wei, H. Xie, M. L. Nai, C. K. Wong and L. C. Lee, Low temperature wafer anodic bonding, J. Micromech. Microeng., 13, 2003, pp.217-222.
29. D. Briand, P. Weber, N. F. de Rooij, Bonding properties of metals anodically bonded to glass, Sensors and Actuators, 2004, pp.1-7.
30. Z. X. Xiao, G. Y. Wu, D. Zhang, G. Zhang, Z. H. Li, Y. L. Hao and Y. Y. Wang, Silicon/glass wafer-to wafer bonding with Ti/Ni intermediate bonding, Sensors and Actuators, A71, 1998, pp.123-126.
31. 陽學安，快速與局部加熱於陽極接合品質的研究應用，國立臺北科技大學製造科技系碩士論文，2002.
32. R. J. Goldston and P. H. Rutherford, Introduction to plasma physics, Institute of Physics Publishing, 1995.
33. M. Konuma, Film deposition by plasma techniques, Springer-verlag Berlin Heidelberg, 1992.
34. K. Wasa, and S. Hayakawa, Handbook of sputter deposition technology, Noyes publications, 1992.
35. M. Oring, The materials science of thin films, Academic press, 1992.
36. 田口玄一，開發、設計階段的品質工程，中國生產力中心，1990.
37. 黎正中譯著，穩健設計之品質工程，台北圖書有限公司，1993.
38. 蘇朝墩，產品穩健設計，中華民國品質學會，1997.
39. C. F. Jerez-Hanckes, D. Qiao and S. S. Lau, A study of si wafer bonding via methanol capillarity, Materials chemistry and physics, 77, 2002, pp.751-754.
40. Department of Defense, Military Standard 883E Method 2027.2, Test Method Standard Microcircuits.