臺灣化學教育

新世紀的化學工程：
電子材料與電子特用化學工程

竇維平

國立中興大學化學工程學系
dowwp@dragon.nchu.edu.tw

n  前言

化學工程之所以在「工程」之前寫上「化學」，表示這樣的專業是在大學工程學院裡，唯一具備廣泛化學背景的工程學科。因此，化學工程常被稱為「工業之母」，便是這個道理。人類的食、衣、住、行、娛、樂等，都需要「製造業」才能產生出相對應的物質或功能，這些製造的過程，在化學工程中被稱之為「製程」（process）。換言之，人類所需的任何東西，都要有一定的製程步驟，才能獲得最終的「產品」。

在所有產品的生產過程中，需要各式各樣的化學物質，產生各種材料[1]，以便符合人類最終的功能需求，其中電子產品便是現代較具代表性的物品，如電腦、顯示器、智慧型手機、數位相機、數位電視機等。這些電子產品在生產的過程中，需要大量的化學物質與材料[1]，因此，化學工程與材料科學便息息相關、密不可分。本文將以電子材料為代表，闡述材料科學在化學工程學科裡的重要性及相關性。

n  化工與材料

在化學的世界裡，主要是以原子與分子來看這個世界[1]。但是，在化學工程的世界裡，是以原子、分子、化合物、反應工程及材料工程來看這個世界。換言之，化學工程是將週期表上的所有元素，經由一定的程序與製程，產生特有的材料，製造出有用的產品。化學工程的熱力學，可以告訴化學工程師，哪些化學反應是會發生的？哪些化學反應是不可能發生？藉由這樣的熱力學計算，化學工程師可以事先預測材料的可行性與穩定性，進而找出可行的化合物質與材料，然後置入產品的生產製程當中。

任何材料，如高分子材料、塑膠材料、陶瓷材料、金屬材料等，都具有特定的化學鍵結，如共價鍵、離子鍵、金屬鍵、配位鍵等，化學工程師在瞭解這些化學的基礎之後，才能選擇適當的材料，作為可靠度較佳的電子產品。在化學反應工程中，不是單單只有同相的（homogeneous）化學反應，產生同相的化學產品；也常常會有異相的（heterogeneous）化學反應，產生相變（phase change）之後，如液體變成固體，才是化學工程師要的材料。例如：原本是液相的電解質，經過通電過程，可以將溶於水中的金屬離子，轉變（還原）成金屬原子，沈積出特定的金屬圖案於特定電子元件上的特定區域，進而變成電子產品中的導線。這樣的製程，吾人稱之為電化學沈積（electrochemical deposition）製程，或是俗稱的電鍍（electroplating）製程。

n  電子材料與特用化學工程

以電子產品中的智慧型手機為例（見圖一），其中吾人常會需要用到的電子材料與元件有：（1）中央處理器，以半導體與金屬材料為主（見圖二、三）；（2）晶片封裝，以高分子材料為主；（3）觸控面板，以透明導電玻璃材料為主；（4）訊號傳輸天線，以金屬材料為主；（5）主機板，以樹脂、玻璃纖維、金屬復合材料為主等等。

圖一：智慧型手機之內觀（圖片來源：http://goo.gl/eJq876, Public domain）

這些電子材料與元件，都需要經過複雜的特用化學製程，才能將其生產出來，如無機元素摻雜矽材料製程，氣相沈積製程，化學機械研磨製程，有機化學合成製程、化學鍍製程、電鍍製程等等。圖二、三便是12吋晶圓以及中央處理器所需要的半導體矽材料、金屬材料與介電材料等。

 

圖二：12吋矽晶圓（左）；32奈米中央處理器之9層金屬導線電子切片影像（右）[2]（Copyright permission）

圖三、以電鍍銅金屬當導線之邏輯晶片[2]（Copyright permission）

隨著電子產品日新月異，功能越來越強大，因此，電子元件的記憶體容量也隨之被迫提昇。因此，動態隨機讀取記憶體（DRAM）便水漲船高，但是，由於此電子元件之電路設計或是製程方法之門檻不是非常高，因此，售價一直沒有起色，甚至多家廠商因此經營不下去。但是，一個電子產品若是沒有DRAM，幾乎無法運作，所以，三維（3D）空間之DRAM晶片堆疊製程技術便開始大展生手，如圖四所示。這樣的晶片3D堆疊封裝技術，主要是利用電鍍銅技術，將晶片與晶片之間的線路予以垂執導通，大幅縮短導線的距離，同時縮小封裝元件所佔據的面積，因此可以獲得功能強，但輕薄短小的電子產品。在這樣的電鍍銅製程技術中，會用到電子特用電鍍配方，俗稱「功能性電鍍」配方，其中包含無機化學藥品、有機電鍍添加劑。此技術的開發，早在2003年，便有學者提出可行的學術論文研究成果[3]，如圖五所示。

圖四：三維半導體記憶晶片堆疊封裝示意圖[2]（Copyright permission）

圖五：利用電鍍銅製程以及電子特用化學品，將微米尺寸的矽基材深孔洞予以填滿金屬銅，用來連接上、下晶片的線路[3]（Copyright permission）

電子產品都需要電源，近年來，鋰電池已經成為電子產品之電源主流，因為充電快、蓄電力強大，而且輕薄，因此，幾乎成為電子產品的最佳電源供應器。圖六顯示，要製造鋰電池的銅箔電極金屬材料，亦需要利用電鍍銅製程，同時亦需要添加特用的無機、有機化學藥品，才能使得鋰電池之電極銅箔具備光澤性，同時具備特有的金屬結晶結構。如此才能獲得良好的電力。這些電子特用化學品，在電子產品生產或是在其周邊配備生產中，都具有不可或缺的一席之地，否則將無法產出特有的電子產品之功能或是性能。

圖六：電鍍銅箔表面電子影像，（a）沒有添加電鍍添加劑，（b）添加抑制劑、加速劑、平整劑以及氯離子[4]（Copyright permission）

n  結語

化學工程中的電子材料工程與科學，是現今化學工程學學科的重點專業知識之一。由於近年來電子產品的發展快速，功能又五花八門，因此，材料科學在化學工程師的養成教育中，漸漸轉變成一項主流。因為化學工程是大學工學院當中，唯一具備化學與工程雙專業科技的學科，最特別的是，「製程」又是化學工程的專業之一，因此，從最基本的化學元素，一直到最終的實用產品，化學工程無所不在。

n  參考文獻

[1] 林文雄、林孫基、劉仁煥、李國興、竇維平、劉秀齡，化學，臺灣培生教育出版股份有限公司，臺北市，2009。

[2] T.P. Moffat, D. Josell, Electrochemical Processing of Interconnects, Journal of The Electrochemical Society, 160 (2013) Y7-Y10.

[3] J.-J. Sun, K. Kondo, T. Okamura, S. Oh, M. Tomisaka, H. Yonemura, M. Hoshino, K. Takahashi, High-Aspect-Ratio Copper Via Filling Used for Three-Dimensional Chip Stacking, Journal of The Electrochemical Society, 150 (2003) G355-G358.

[4] K. Kondo, R.N. Akolkar, D.P. Barkey, M. Yokoi, Copper Electrodeposition for Nanofabrication of Electronics Devices, Springer, New York Heidelberg Dordrecht London, 2014.