108課綱-核心素養試題評量:以半導體3D封裝技術為例 / 張佑祥

星期三 , 2, 9 月 2020 3 Comments

108課綱核心素養試題評量:以半導體3D封裝技術為例

張佑祥

工業技術研究院 機械與機電系統研究所 研究員

yhchang@itri.org.tw

為符合108課綱強調的「核心素養」[1],很多專家學者們認為,若要達到核心素養的目標,不只是要從教學的角度著手,也需要從試題評量上同步進行相關的搭配[2],所以核心素養試題評量在最近教育界是一個非常熱門的話題。根據臺灣師範大學教育系陳佩英教授對素養的詮釋:素養結合知識、能力與態度,是一種持續的自我學習改變的能力[3]。綜合上述詮釋與筆者自身經驗,筆者認為若要達到「素養」的目標,除了需要給予學生足夠的空間與時間進行自我探索,同時要搭配扎實基礎科學知識學習,以及大量閱讀與動腦思考習慣的建立。更重要的是,要如何培養學生能具備國際化的視野,並建立自己的觀點與看法也是同等重要的。筆者多年來從事產業應用的技術研發,為響應素養試題評量的開發,希望透過這次拋磚引玉的素養試題評量設計,讓更多領域的專家學者與產業先進也能一同參與,畢竟教改要成功是需要每一位國民相互的配合與參與,這樣才能真正有效的翻轉教育。因此,以近年來最熱門的高科技話題,透過先進半導體封裝技術中的3D封裝(3D
packaging
)技術作為題材,設計以下素養試題評量提供給大家分享與參考。

  • 試題設計緣由與背景

截至目前為止,電子產業在台灣可說是舉足輕重的重要產業,上游從晶片設計(IC design),再到晶片製造(IC foundry)、晶片封裝與測試(Outsourced Semiconductor Assembly and Test, OSAT)、印刷電路板製造(PCB manufacturing),最後到下游的系統整合商(System integrator),可見台灣的電子產業可說是非常完整。雖然,台灣有世界級完整且垂直整合的電子產業供應鏈。但是在基本國民教育中,尤其是在科學教育的領域裡,很少深入探討基礎科學對於電子產業的重要性與關聯性。

其原因很多,很大一部分可能是因為國民教育中的老師與同學,沒有機會接觸到產業界的專家、學者或工程師。也或者是因為許多產業界的知識過於深入與專業,甚至很多知識與科技應用已經超出基本國民教育內的範疇,因此導致學生常常不太清楚基礎科學知識對於科技產業界的重要性與關聯性。所以,筆者認為若能透過適當的素養試題導引,除了使學生更深一層認識產業之外,同時也認知到基礎科學知識的重要性以及和產業之間的關聯性。這樣才更有機會使學生自覺基礎學科的重要,並提升學生的自身的學習動力與動機,以達到核心素養、終身學習的目標。因此,筆者針對高中化學科的範圍,以半導體3D封裝技術為例設計出符合高中程度與當今電子科技產業實務的核心素養評量題組。

  • 素養試題:以半導體3D封裝技術為例

半導體3D封裝3D packaging技術中,Heterogeneous Integration已是下世代半導體產業最主要的發展方向[4]。最主要的特色在於,利用中介層的大平台,同時搭配晶片堆疊技術[5],將不同功能應用的晶片整合在一起,因此稱為異質整合。並可利用矽穿孔(Through Si Via, TSV)技術,將不同晶片的訊號連結在一起,傳遞到下方的載板,如下圖1所示。然而,為了使晶片的訊號能上下傳遞連結,又要符合輕薄短小的需求以及配合材料性質上的限制,因此需要藉由TSV技術建構一個「深寬比較高的立體導線」。一般而言,TSV中的材料,會以銅為主,因為銅具有極低的電阻率,且銅可以透過電鍍填充的方式(一般電鍍銅溶液沸點:110~130),將銅由TSV底部向上沉積填入到矽穿孔中,而這種先進的電鍍技術亦稱為填孔電鍍(Via filling)。

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13D封裝技術、TSV結構和填孔電鍍缺陷種類示意圖。

TSV技術是一種在矽晶圓上製作立體導線的技術。在製作流程中需要整合很多尖端的半導體製程技術,如圖2所示。首先,必須先將TSV設計圖形透過黃光微影(Photolithography)製程,將設計好的電路圖案定義在矽晶圓上,再利用深反應性離子蝕刻(Deep Reactive Ion Etching, DRIE)製程,將TSV的結構蝕刻製作出來,後續以化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD),將介電材料(SiO2)沉積在具有TSV結構的晶圓上,接續再以物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition, PVD)將以鈦(Ti)材料為主的擴散阻擋層和以銅為主的晶種層(導電層)沉積在具有介電材料的TSV結構晶圓上,之後再利用填孔電鍍製程,將銅填充到TSV的結構中,透過化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing, CMP)製程,將多餘的晶圓表面上的金屬材料去除,最後再透過晶圓薄化等相關後續製程技術完成 TSV立體導線的製作。

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2TSV製程流程示意圖。

但由於深寬比較高,填孔電鍍容易產生缺陷,如空洞或裂縫,如圖1所示。一般而言,在工程上通常會盡量避免這樣的缺陷產生,若有這些缺陷存在,通常在進行有關溫度衝擊或高溫存放/操作試驗(升溫速率:40/min;最高溫度為150並持溫1小時)的可靠度測試時,會因為這些缺陷的存在,會導致電子產品可靠度下降的風險。因此如何避免這些缺陷產生,在工程上是一大挑戰。

了解TSV的基本製造流程後,聰明的小平想到一個好方法,他想利用課本有機化學中檢驗醛官能基的方法。透過斐林試劑Fehling’s reagent)含醛的有機化合物,在水溶液中產生的銅鏡反應(亦稱為無電鍍銅反應),來製作銅晶種層(導電層),如化學反應方程式()所示。來取代目前現有且昂貴的晶種層製程技術。與專家學者討論後,小平發現若想要在具有以鈦(Ti)為主材料(擴散阻擋層)的矽基板上產生銅鏡反應,需要再透過特殊化學表面的改質技術,將催化劑吸附在基板上方,經過強烈水柱清洗乾淨後,將試片放入化學反應槽內以利銅鏡反應的進行,如圖3所示。但是,若沒有催化劑吸附在基板上方,則銅鏡反應無法發生。順帶一提,在進行銅鏡反應時,在TSV的洞口常會有大量的氣體產生。此外,此催化劑為一種奈米金屬的水溶液且照光後會產生廷得耳效應,被稀釋後可呈現布朗運動的現象。而且,若將少量的明礬(KAl(SO4)212H2O)加入到催化劑中,則催化劑會產生凝析沉澱的現象。

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3小平與專家討論後的新製程流程示意圖。

一般而言,因電負度差異,使成鍵電子雲在原子鍊上被推向某一方向偏移的效應,稱為誘導效應(Inductive effect)。有趣的是,含醛有機化合物的結構上,其碳鍊(烷基)的長度(R)不同,則使無電鍍銅的銅離子還原反應機制也同樣受到誘導效應的影響,其詳細反應方程式如下所示。[提示:烷基為較弱的推電子(官能)基,如圖4所示]。在一般情況下,無電鍍銅反應算是一種無法停止的反應。換言之,它會不斷地進行化學反應,所以亦稱為自催化反應(Autocatalytic reaction)。

²  化學反應方程式()

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²  化學反應方程式()(銅鏡反應)

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4:推電子基示意圖。

  •  素養評量題組:

1.      試問題幹中,所謂Heterogeneous的意思,與下列哪一個選項最接近?

(A) 不勻的物質相態。

(B) 不同的功能應用。

(C) 不同的成份組成。

(D) 不同的化學結構。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生從題目的字裡行間中,歸納、了解並推測出其中Heterogenous的涵義。並同時了解Heterogeneous這個字不同領域所代表的意思不同。在化學領域,Heterogeneous稱為不勻的物質相態,但在半導體領域,Heterogeneous代表的意思異質,也可說是不同功能應用的意思

Ø  參考答案:(B)

2.      試問題幹中,「深寬比較高的立體導線」意思,與下列哪一個選項最接近?

(A) 指立體導線的結構,又高又細。

(B) 指立體導線的結構,又矮又粗。

(C) 指立體導線的結構,又矮又細。

(D) 指立體導線的結構,又高又粗。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過題幹中的資料,加以推測並圖像化題幹所描述內容,並同時放入工程上無因次群的概念,讓同學了解工程上無因次群所帶來的涵義與方便性。

Ø  參考答案:(A)

3.      試問為何在進行高溫存放/操作的可靠度測試時,填孔電鍍製程中產生的缺陷,會造成電子產品可靠度下降,其可能的原因為何? (嘗試利用高中化學所學習到的知識進行回答) (簡答題)

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過題幹中的資料,利用學會的知識加以融會貫通,並推測出可能的原因。以訓練學生在思考問題時的邏輯性與科學性。

Ø   參考答案:由題幹可知,可靠度測試的升溫速率為40/min且最高溫度為150且持溫1小時,所以主要原因是因為缺陷中的電鍍殘留的液體被快速汽化(因升溫速率過快且最高溫度>電鍍銅溶液沸點)。同時,根據理想氣體方程式(PV=nRT),當體積不變的情況下,溫度上升,壓力會隨之變大,因此有可能因TSV內部壓力過大,造成導線破裂的問題,進而導致電路斷路,因此導致電子產品的可靠度下降。

4.      試問此催化劑溶液的狀態,與下列何者較為接近?

(A) 食鹽水。

(B) 酒精。

(C) 豆漿。

(D) 糖水。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過題幹中的資料(廷得耳效應、布朗運動以及加入少量的明礬因電荷中和而產生的凝析沉澱的現象),並判斷出液態催化劑屬於膠體溶液,透過對於膠體溶液的認知選擇較為接近的答案。

Ø  參考答案:(C)

5.      試問此催化劑吸附在基板上,可能是以下列何種方式進行? (複選題)

(A) 共價鍵

(B) 氫鍵。

(C) 離子鍵。

(D) 金屬鍵。

(E) 倫敦分散力。

Ø  試題解析:

(1)       關於選項(C)離子鍵:本試題主要目的在於,希望學生透過前一題的答案(帶電荷的膠體溶液)與題幹中的資料(再經過強烈水柱清洗乾淨後),可進一步由題幹的論述中,推測出催化劑與基板之間有化學鍵的生成,並思考題幹背後的涵義,嘗試猜想可能的反應機制,因此離子鍵是可被推測出來的。

(2)       關於選項(A)共價鍵:若矽基板上最表層具有NH2的官能基,同時奈米金屬外圍具有COOH的官能基,可脫水產生醯胺鍵,所以共價鍵也是可能的方式之一[6]。另外,奈米金屬外圍的COOH官能基,經過水解後會產生COO,同樣屬於帶電荷的膠體溶液,因此同樣符合題幹描述的內容[6-7]

(3)       綜合解析:對於程度中上的學生而言,選出離子鍵應該並不困難。可是對於多數學生而言,能夠共價鍵還是極為困難的。雖然在高中有機化學中有提及醯胺鍵生成的原理與機制,所以嚴格來說共價鍵的選項並無出範圍。因此若學生能選出共價鍵,則必須對於溶液、化學鍵以及有機化學等內容與知識已有充分的理解。換言之,這或許也暗示學生可能在化學領域中,已具備極高的天賦與想像力。

Ø  參考答案:(A)(C)

6.      小平在進行銅鏡反應時,為了使反應不要太過劇烈,試問以下何種方法比較有機會達成目標?

(A) 加入極少量的氫氧化鉀(KOH)水溶液。

(B) 升高反應槽的溫度。

(C) 加入極少量的硫酸(H2SO4)水溶液。

(D) 加入大量的甲醛(HCHO)水溶液。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過化學反應方程式,訓練學生思辨能力與邏輯思考,判斷出銅鏡反應只有鹼性下才會發生,因此若加入極少量的硫酸(H2SO4)水溶液,因酸鹼中和,所以pH值會開始下降,造成反應活性會下降,導致反應速率會變慢,進而使銅鏡反應趨向緩和。

Ø  參考答案:(C)

7.      小平在做銅鏡反應時,他會不斷用手搖晃正在進行銅鏡反應的試片,試問小平做這個動作,最主要原因可能為何?

(A) 增加反應低限能,以利反應進行。

(B) 降低反應活化能,以利反應進行。

(C) 使反應快速達到平衡狀態,以利反應進行。

(D) 使產生在TSV開口處的氣體快速消失,以增加反應物質在TSV內的傳遞速率,有效進行銅鏡反應,並形成連續的晶種層。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過題幹中的敘述(在進行銅鏡反應時,在TSV的洞口常會有大量的氣體產生),測試學生是否對於化學反應有足夠的認知以及實驗細節的觀察,並推測出可能的答案。

Ø   參考答案:(D)

8.      試問在化學反應方程式()()中,(C4H4O6)24-(aq)扮演何種角色?

(A) 氧化劑。

(B) 錯合劑。

(C) 還原劑。

(D) 酸鹼中和劑。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過化學反應方程式的觀察,測驗學生對於斐林試劑的了解與認知,並由化學反應方程式中判斷出酒石酸根((C4H4O6)24-
(aq))
為錯合劑。

Ø   參考答案:(B)

9.      含醛有機化合物的結構上,因其碳鍊長度(R)不同,則銅鏡反應的機制也有所不同。試問下列哪一項比較接近可能的原因?

(A) 碳鍊長度越長,其還原力越弱,所以氧化數變化量較小。

(B) 碳鍊長度越短,其還原力越強,所以氧化數變化量較大。

(C) 碳鍊長度越長,其還原力越強,但還原力與氧化數變化量沒有直接關係。

(D) 碳鍊長度越短,其還原力越強,但還原力與氧化數變化量沒有直接關係。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過化學反應方程式,觀察出氧化數的變化,並同時測驗學生是否了解氧化還原的能力和氧化數的變化量是沒有直接的關係。藉此判斷學生對於氧化還原的觀念是否清楚熟稔。

Ø   參考答案:(D)

10. 請平衡上述兩個化學反應方程式。 (簡答題)

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生學習平衡化學反應方程式,並同時測驗學生對於斐林試劑的了解與認知,並判斷出酒石酸根((C4H4O6)24-(aq))為錯合劑並不會參與氧化還原反應

Ø  參考答案:

(1)  方程式()

clip_image015[4] 

(2)  方程式()

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11. 若今天你身為無電鍍銅製程(銅鏡反應)的工程師,請問下面哪一項舉動是絕對不可以發生的? 並且寫下你認為的主要理由。

(A) 在機台旁調整參數。理由:                                   

(B) 在機台旁抽菸。理由:                                        

(C) 在機台旁看韓劇。理由:                                     

(D) 在機台旁查詢資料。理由:                                    

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過化學反應方程式的觀察,並測試學生是否了解化學反應的產物和工業安全是息息相關。

Ø   參考答案:(B)。理由:因為銅鏡反應會產生氫氣,若氫氣濃度過高,在機台旁抽菸將有可能爆炸的風險

12. 若你是無電鍍銅(銅鏡反應)的工程師,經過長時間後,往往會發生一些製程問題,問題如下。 (簡答題)

問題1經過長時間後,銅鏡反應的化學鍍液,其pH值會上升還是下降? 並請說明原因。

問題2:為了增加銅鏡反應槽的槽液壽命,試問可透過何種方式可能可以提升槽液壽命。並請說明原因。

Ø  試題解析:本試題主要目的在於,希望學生透過化學反應方程式,判斷出醛會被氧化成酸,因此pH值會下降。還有反應物銅離子和含醛的有機化合物會不斷被反應。藉此引導學生,推測出可以提升槽液壽命的方式。同時,本試題的次要目的在於,希望透過本題,使學生對於化學學科知識在實際工程應用上留下深刻印象,使學生逐漸了解學科知識要如何學以致用。

Ø   參考答案:

問題1pH值會下降,由化學方程式可知,醛會被氧化成酸,同時OH(aq)會下降,因此在經過長時間後,化學鍍液的pH值會開始下降。

問題2

(1)  由問題1的答案可知,因為醛會被氧化成酸,同時OH(aq)會下降,所以pH值會下降,因此若要提升槽液壽命,應要將pH值往上調整至原始狀態,才能提升槽體壽命。

(2)  除了pH值外,因為反應物銅離子和含醛的有機化合物會不斷被反應(自催化反應Autocatalytic
reaction
),因此若適時添加反應物,銅離子與具有醛官能基的有機物質,槽液壽命也可有機會被提升。

  • 結語

本題組的內容包含氣體、化學鍵、溶液、化學反應速率與平衡、氧化還原、有機化學、無電電鍍實驗、工業安全、奈米材料和先進半導體封裝技術等,屬於一份研發中的素養試題,可以再進行試題的優化。透過本題組設計,除可測驗學生對於化學原理和實驗的認知外,同時也帶入科學邏輯與工程思維的實務,並可測驗學生解決問題的能力。雖然本題組題幹約為1400多的字,因融合多種內容並以多層次的方式出題,且題與題之間相關性極高。此外,本題組出題方向乃由基礎的高中化學科知識出發,再到電子特用化學技術實務開發,以及高科技產業的應用,所以字數上乃在可接受範圍。實務使用上可以藉由相關內容教學之後,選擇相關題組內容進行應用。最後,筆者期盼透過這份素養試題評量的導引,連結高科技產業尖端技術與高中化學科,啟發學生學習基礎科學的動力與明白基礎科學的重要性,並給素養試題開發者作為素養試題開發上的參考。

由於筆者才疏學淺、學識淺薄,尚有許多部分待精進與提升,也期盼各位先進、前輩、同行與同學們能給予此題組相關建議與指教,讓素養試題日益茁壯,也讓我們下一代具有更高的視野與競爭力。一起共好,創造同贏!

  • 致謝

感謝國立玉里高中化學科洪敬明老師詳細且用心的校閱與建議。同時,也感謝工研院的同事們以及評審委員給予專業的建議與指導。

  • 參考文獻

[1]  國家教育研究院(201811)。十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校(自然科領域)。國家教育研究院網站。取自https://is.gd/Mtn4Rc

[2]  楊吉水 (20207)。素養導向評量:化學科素養導向命題之我見。臺灣化學教育38。取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=38456

[3]  王惠英 (20186)。看懂新課綱關鍵字:素養,是什麼?怎麼學?未來Family 教育特刊。取自https://reurl.cc/odD4yq

[4]  Lau, J.H. (2019). Heterogeneous integrations. Springer Singapore.

[5]  Hou, S.Y., Chen, W. C., Hu, C., Chiu, C., Ting, K. C., Lin, T. S., … & Wang, C. T. (2017). Wafer-level integration of an advanced logic-memory system through the second-generation CoWoS technology. IEEE Transactions on Electron Devices, 64(10), 4071-4077.

[6]  竇維平、張佑祥(2013)。化學接枝的奈米金屬。中華民國發明專利第I400245號。取自https://reurl.cc/Oq0LG3

[7]  張佑祥(2011)。新穎的奈米銅粒子合成方法及其在矽通孔晶種層催化觸媒上的應用(學位論文)。取自臺灣博碩士論文系統網址:https://hdl.handle.net/11296/5478zk

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3 Comments
  • 張博士:謝謝您的指㸃獲益良多。有関超導体臨界温度,我自己演化了一个方程式,可以根据材料元素的 electron affinity 之表面能宻度為基礎,算得隂離子和陽離子的表面能宻度之差 等於热力學中nRTc / 中性超導体球面積 求得Tc. 藉此引証实測数据,非常有趣。
    有机会待我找到您說的資料仔细㳟讀後再向您請教您的專長,在此先謝々您的耐心,並祝您教學相長中為半導体工兿技术拓展 picometer (皮米) 範畴。李寶慶 博士敬上 (1010109)

  • 張研究員惠鑒:
    㳟讀大作,十分佩服。感謝您言教,身教之餘,把我這亇八十多歳的老者,教得學心澎湃,不虛此身。
    您所説的銅鏡反應,原先在教科書中大概和銀鏡製作類比,仍在鏡子作坊中使用。
    方程式中的OH_ , 大概仍是氨水。在实際工作銀鏡中,我們會得到氧化銀(黑色)的不純物。在您的一个方程式中所得是氧化亞銅,(紅色)相信這不是反应中所要求的結果,也可能有利於下述工作。
    您的方法可能把髙温超導材料,(123)Yttrium Barium Copper Oxide YBa2Cu3[O]7- 提供叧類思考Tc. 如有欠当,敬请指正為感。

    • yhchang表示:

      尊敬的李博士您好,

      首先,感謝您給予此篇文章高度的肯定與評價! 後學深表感謝,能讓您有『學心澎湃,不虛此生。』的感觸是後學最大的榮幸!

      其實,這是一篇無心插柳的文章,後學只是單純希望學生在學習基礎科學知識的時候,能明白基礎科學的重要性與關鍵性。後學曾受過許多大師與前輩的指導,所以開始思索,若回到最初的階段,會如何看待基礎科學的學習歷程呢? 要如何引起學生的學習動力? 這也就是,後學會寫這篇文章的緣由之一。所以,後學花了兩個的晚上,構思高科技的先進半導體封裝技術與高中化學科之間的關係,嘗試將兩個看似不同層級(level)的領域做一個橋樑,將它們連結在一起。

      回復您的問題:

      銅鏡反應和銀鏡反應的化學方程式有所差異,銀鏡反應會利用多倫試劑(Tollens’ reagent),也就是您所提到的氨水和銀離子錯合物,作為銀離子與鹼性環境提供的來源。其目的除了提供鹼性的來源,更重要的是氨水中的(NH3)可以與銀離子產生錯合物,避免氫氧化銀(AgOH)的沉澱產生。另外,關於會得到氧化銀的原因。一般來說,無電鍍反應無法獲得完全純金屬成分的薄膜,就如同無電鍍鎳一樣,通常會有其他元素參雜或氧化的原因造成,金屬膜的性質在純度上有所影響。
      同理,題目中所提的酒石酸根(C4H4O6)24-(aq))之目的,主要也是避免產生氫氧化銅(Cu(OH)2)的沉澱生成。可是在銅鏡反應,其鹼性環境的來源,一般會使用氫氧化鈉(NaOH)或是氫氧化鉀(KOH)來取代氨水。主要理由是因為實際上銅鏡反應的溶液是一種多成分混合物(包含:銅離子來源、pH調整劑、配位體、加速劑、安定劑、光亮劑、增韌劑…),所以相當複雜。若加入氨水,可能會發生不想要的副反應(side reaction)並產生有問題副產物(by-product),而且還會有大量刺鼻的味道產生,所以大部份工業應用不會用氨水當作鹼提供的來源。
      最後關於高溫超導,這個主題已經在物理學界研究多年。一般所謂的高溫超導,以後學粗淺的認知,應該都是講35K~100K的溫度範圍。但銅鏡反應與銀鏡反應的溫度基本上高於100K許多,它們溫度往往會坐落在室溫(25℃)到60℃左右。所以,基本上無電鍍反應與高溫超導應該算是不同溫度量級的反應。當然,後學對於高溫超導應該算是外行人,所以您所提及的問題,後學可能無法給您完整且正確的回答,建議您若想知道更多,可以去問問研究高溫超導的物理學專家們,後學相信您應該可以得到滿意的回答。

      若您想了解更多資訊,建議您可以參考下方的參考資料。

      Mallory, G. O., & Hajdu, J. B. (Eds.). (1990). Electroless plating: fundamentals and applications. Cambridge University Press.
      Paunovic, M., & Schlesinger, M. (1998). Fundamentals of electrochemical deposition. New York.

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