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）。 圖1：3D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。 圖2：TSV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)與含醛的有機化合物，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(二)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)2‧12H2O）加入到催化劑中，則催化劑會產生凝析沉澱的現象。 圖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(一)： ²  […]