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研究生:謝伊芬
研究生(外文):I-Fen Hsieh
論文名稱:微陣列洩漏偵測器之研究
論文名稱(外文):Development of Micro-Array Release Sensors
指導教授:易逸波易逸波引用關係
指導教授(外文):Yet-Pole I
學位類別:碩士
校院名稱:國立雲林科技大學
系所名稱:環境與安全工程系碩士班
學門:工程學門
學類:環境工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:微陣列氣體洩漏偵測器石英晶體微天平共振頻率半導體製程技術
外文關鍵詞:semiconductor processes technology.resonance frequencyquartz crystal microbalancemicro-array gas release detector
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有鑑於半導體製程氣體如 AsH3、PH3 及 SiH4 等均含有甚強之毒性或火災爆炸特性,一旦洩漏將對人員、設備及環境造成極大傷害,而目前所使用之氣體洩漏偵測器均各有其缺點,價格昂貴、誤警頻繁,缺乏選擇性為其中之最,加上國內及未來大陸市場需求量龐大,故研發出新一代之半導體偵測器具有其必要性。
本研究嘗試開發出新型之半導體製程微陣列氣體洩漏偵測器,其原理是利用石英晶體 (Quartz Crystal) 塗覆特殊辨識能力之物質作為感測元件,利用晶體表面上固定的辨識物質與其分析物間之高度專一性結合力,配合壓電晶體共振頻率的變化與其表面質量變化所呈現之線性應答關係,進行待測物之檢測。研究中應用半導體製程技術(如微影、蒸鍍及剝離)製作多頻道石英晶體,期盼可同時對多種成份進行偵測。根據 Sauerbrey Equation 得知將石英晶體電極微小將有利於訊號靈敏度之增加,故在本先期性研究中先將其電極微小成直徑 2.5 mm 與目前一般進行石英晶體微天平所使用之電極直徑 4.5 mm 來做一區別,由實驗結果得知當前者進行 CO2 偵測時,訊號強度增加為後者訊號之兩倍左右,此研究充分顯示當電極縮小時將有利於偵測訊號之增強。
本研究為半導體製程氣體洩漏偵測器開發之先期性研究,為了證明所研發之多頻道石英晶體之可行性,直接以感測效果最佳之辨識材料 (THEED) 來針對 CO2 進行分析,由實驗結果得知,自行製作之微陣列石英晶體其感測訊號變化較一般電極之靈敏度更佳。但亦發現若石英晶體背面共地時,將使得各頻道共振所造成之能量有相互抵消之現象。
Many semiconductor making-processes employ several highly hazardous gases with poisonous, inflammable and explosive characteristics, such as arsine, phosphine and silane, etc. They will cause serious impacts on employees, equipments or environment, once these gases escape while processing. All the gas detectors serviced in the factories for the time being possess their own limitations. Lack of selectivity, frequent false alarms and high cost are most obvious. Owing to the tremendous market requirement in Taiwan and Mainland China in the near future, it is necessary to develop a new generation semiconductor gas detector.
A novel gas release detector has been used in semiconductor making-process. The theory of the detection is by using a sensible film immobilized on the surface of a quartz crystal. The detection of the target gas can be realized by utilizing the highly specific bonding force between the target gas and the sensible material immobilized on the crystal surface, with the linear relationship between the resonance frequency response and the weight variation on the surface. The study applied semiconductor processes technology (ie: photolithography, evaporation, and lift-off) to fabricate multi-channel quartz crystal, in order to detect various substances simultaneously. According to Sauerbrey Equation, to reduce the electrode of quartz crystal will increase sensitivity of detection. Thus, the electrode is reduced to diameter 2.5 mm in the preliminary study to differentiate present-used electrode of diameter 4.5 mm used in QCM. The study results show the former processed detection of CO2, the signal increase as double as the latter. The results show the signal will become stronger when the electrode reduces
The initial study stage of gas release detector was used in semiconductor process in order to prove the feasibility of developed detector. We directly use the best detector effect of recognizing material (THEED) to detect and to analysis CO2. The results show the quartz crystal made and developed by us is much stronger on message than usual electrode. However, the study shows that the energy caused by channels resonance counter-balances when crystal quartz’s back was all evaporated
目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
致 謝 iv
目 錄 v
圖目錄 viii
表目錄 x
一、緒論 01
1.1 研究動機及緣起 01
1.2 研究目的 02
1.3 研究架構........................................................................................... ..........03
二、文獻回顧 06
2.1 半導體工廠特性 06
2.1.1 半導體製程簡介 06
2.1.2 災例探討 08
2.2 化學感測器簡介 14
2.3 氣體感測器簡介 17
2.4 壓電晶體感測器介紹 21
2.4.1 壓電特性 21
2.4.2 石英振盪器特性 23
2.4.3 石英晶體微天平 25
2.5 相關文獻探討 27
2.5.1 多晶片多頻道石英晶體微天平之應用 27
2.5.1.1 氣相偵測 27
2.5.1.2 液相偵測 28
2.5.2 單一晶片多頻道石英晶體微天平之應用 29
2.5.3 辨識材料之探討 31
三、實驗方法 34
3.1 研究設備 34
3.2 實驗藥品 35
3.3 晶片設計 36
3.4 光罩選擇及製作 36
3.5 微陣列晶片製造流程 38
3.5.1 晶片清洗 39
3.5.2 光阻塗佈及微影技術 40
3.5.3 顯影、定影 41
3.5.4 金屬蒸鍍 41
3.5.5 金屬剝離 43
3.6 接線 45
3.7 薄膜塗覆 45
3.7 氣體配製 46
3.8 氣體偵測 46
四、結果與討論 51
4.1 石英晶片製作條件之探討 51
4.1.1 晶片清洗之影響 51
4.1.2 光阻厚度對石英晶片製作條件之影響 52
4.1.3 曝光對石英晶片製作之影響 52
4.1.4 金屬剝離之結果 54
4.2 偵測氣體之結果 55
4.2.1 單晶片單頻道對待測物之量測 56
4.2.2.1 檢測 CO2 之情形 56
4.2.2.2 檢測 NH3 之情形 58
4.2.2.3 檢測 H2S 之情形 60
4.2.2.4 四片石英晶體共地之影響 63
4.3 單晶片多頻道分析 65
4.3.1 電性量測 65
4.3.2 多頻道石英晶體單一電極檢測氣體之可行性 66
4.3.3 單晶片多頻道石英晶體兩電極檢測氣體之可行性....................................... 70
五、結論與建議 73
5.1 結論 73
5.2 實驗過程需注意事項 75
5.2.1 石英晶體尺寸過小 75
5.2.2 多量辨識材料之固定 75
5.2.3 所開發之石英晶體實際應用於偵測時所遭遇之困難 77
5.3 未來展望 77
參考文獻 79
參考文獻
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