交大材科系 林鵬教授

1.何謂電子陶瓷？電子陶瓷與一般陶瓷有什麼不同？電子陶瓷最重要的應用有哪些？

2.何謂薄膜技術？薄膜技術有哪些應用？

3.被動元件佔了手機裡面很多空間，對於被動元件”小型化”、”積體化”，有什麼材料可以符合這個需求？

4.由於無線的頻譜越來越擁擠，使得無線通信的使用頻率越來越高，對於”高速化”的射頻元件的開發，有那些材料技術可以克服？

5.生醫材料與其他材料應用的相異處有哪些？

6.未來半導體材料最需要突破的關鍵是什麼？

7.半導體產業的需求對於材料技術的進步有什麼影響？

1.何謂電子陶瓷？電子陶瓷與一般陶瓷有什麼不同？電子陶瓷最重要的應用有哪些？

 工業用的科技陶瓷，可分做結構陶瓷和電子陶瓷，結構陶瓷強調他的機械強度，電子陶瓷則是利用它的光、磁、熱、電化學這些特性的無機陶瓷材料，比較特別的是它的多樣化，像金屬通常僅以它的強度或磁性來做應用，而陶瓷一般都是無機物，單晶是透明的，在光電方面就有很多應用，可做波導，做成元件以後，可用到很多電子產品裡面，可形成關鍵性的功能。例如電容，其實這是各種電器用品最常應用到的，後來發展到多層電容，為什麼會用到陶瓷？因為陶瓷可提供高介電的特性，金屬當然不能，自然界唯一可以找到就是陶瓷，一般陶瓷都可以做到數千的介電常數，跟一般電容比起來可高達數千倍。從鈦酸鋇（BaTiO3）衍生出來，像是華興或是飛利浦都有做多層電容。若是做成薄膜就用在IC方面，其他就是變阻器（利用特殊製程，可使陶瓷材料一開始只有很小的電流，改變電壓後，突然上升到很大的電流或是以溫度控制其電阻的改變，這可以應用到高壓電的安全裝置）、PTCR（一般譯為「熱敏電阻」，溫度升高，電阻變高，例如吹風機，溫度一過高，電流變小，就不熱了），氣體感測器（可以偵測氧氣或CO2）還有像是壓電或是鐵電等薄膜元件。

2.何謂薄膜技術？薄膜技術有哪些應用？

 1個micrometer以下，在真空環境中，去做熱蒸渡、濺渡、cvd、mocvd、比較精密的mbe。過去材料都是大塊大塊，功能都是固定的，若做成薄膜，則可得到新的功能，因為薄膜的性質跟整塊差別很大，應用像是做IC或電子元件，在機械方面，像是在磚頭外表渡一層TIN或是TIC，很硬的外層，可增加磚頭的強度。大部分的材料都可以在適當的條件下，做成不同用途的薄膜，這是現代高科技產業的一個特點，這都是為了達到輕薄短小。

3.被動元件佔了手機裡面很多空間，對於被動元件”小型化”、”積體化”，有什麼材料可以符合這個需求？

 以高介電材料厚膜製做濾波器震盪器，這也可以說是電子陶瓷的應用。由於電磁波在空氣中的波長很長，在介電質的波長會縮小，我們利用這個特性，當一個高頻的訊號進來，要在共振腔形成共振，若用高介電材料做成，因為波長縮小了，就不需要做那麼大，可節省空間。在手機裡面的微小化就是用高介電材料，除了做的小外，還需要積體化，因為做的小的話，中間還是會有空隙，還有傳輸、連接和可靠性的問題，做成一個整體或是一個模組化，那麼體積則可以更進一步縮小。

4.由於無線的頻譜越來越擁擠，使得無線通信的使用頻率越來越高，對於”高速化”的射頻元件的開發，有那些材料技術可以克服？

 以主動元件來講，用GaAs來做的話，其mobility比矽還要高，因為當加一個電場在GaAs的時候，電子很快就可以上去，用矽的話，電子會慢慢上去，就會消耗掉比較多的能量，所以用GaAs的話就會消耗比較少的能量，而且速度比較快。而下一代的材料，可能用到InP，具會有更好的特性，像這種化合物半導體材料，頻率都可以用到10G到50G Hz以上，另一方面，還是有人在用SiGe這種結合來做出通訊元件，因為它的介面可以做到很薄，所以電子在傳輸的時候，時間可以變得很短，雖然在矽裡面，電子運動速度比較慢，如果距離很短，時間還是可以縮短，大約估計頻率在10G以下都可以適用，而且比較便宜。

5.生醫材料與其他材料應用的相異處有哪些？

 生醫材料主要應用在人體方面，不過基本上還是要以材料背景為主，再加上一些生理方面的知識，而不是以醫學院的人為主。生醫材料的關鍵在於放進身體內不能有毒，沒有刺激性，本身的密度要跟身體有相容性，甚至能在上面長出身體組織，我們交大也成立了一個新的生物科技系，也會涵蓋到生醫材料的領域，將來我們會和他們合做，可說是相當方便。

6.未來半導體材料最需要突破的關鍵是什麼？

 嚴格來定義半導體的話，要討論的就是矽這個材料，不過矽只是做一個基板，廣義來說的話，當然包括了在基板上面的材料，像是金屬這方面。而需要突破的問題，以近程來看，當電路越來越密集，ULSI這種密集度的發展來看，目前大家開發的主題就在於低介電的材料，希望介電常數越低，可使介電層所引發的訊號延遲效應越少，訊號的傳遞就越快，現在的瓶頸在於，當材料尺度越做越小，所需要的介電常數就要求越低，而產業和學術界也慢慢的在往下推進更低的介電常數。

像是做Dram也要求密度越來越高，而剛剛也提過，記憶體裡面有一個很小的薄膜電容，那電容是用來儲存0101用的，電容量不能太小，縮小面積之後，電容量不能太小，所以介電常數就要提高。遠程來看，當半導體元件微小化到奈米級尺寸時，將會失去半導體特性，這時候就不能在以電子電洞的運作來進行，目前看好以磁性薄膜來接替半導體工業，不過磁性薄膜並不是完全獨立的，仍然要以矽做為基板，在上面長出磁性薄膜，它的電流是以電子的自旋正反方向來運作。

最近交大材料和電工系聯合起來，提出一個研究磁性薄膜材料製程、元件、系統的大型前瞻卓越計劃，也會加入台大、清華、中研院…等單位，將會產生革命性的影響，其實這方面，國外已經進行蠻久了，我們考慮到台灣在世界半導體佔很大的比重，要是以後半導體走到盡頭那台灣該怎麼辦，這個計劃就是考慮到這個問題，所因應的新想法，像園區裡已有廠商投入開發。

在製程方面，先做成記憶元件，在矽板上先做ic設計，上面再去長磁性薄膜，磁性薄膜的材料是用鐵、鈷、鎳的合金來生成多層膜，其中訊號也是先通過下面的IC來連接到上面的電路。或是利用磁性薄膜材料來做新的邏輯線路，因為製程比較簡單，將可以做的更細。或是利用這種薄膜做成許多感測器，可用以感測磁場變化，像是防盜器、全球定位系統、信用卡…也可以做通訊元件。長程來講的話，磁性薄膜可以算是一種突破，因為跟用了40幾年的矽是不一樣的，但我要強調這並不是完全取代，因為仍要以矽做為基板。

7.半導體產業的需求對於材料技術的進步有什麼影響？

 從前面我們可以知道，業界進步的時候一定會有一些新的挑戰，這挑戰通常是電路的設計、製程的改善，也會牽涉到新材料的引進，像剛剛提到的高／低介電材料，那種問題就必須引進新材料來解決，而不是可以用電路設計來解決，比如做Dram的電容來講，過去幾年，為了縮小電容面積，若使用原本SiO2的材料，只好把平板做成凹洞來減小有效面積，或做成多層式的，這畢竟有極限。若是引進新材料，則可以將介電常數提到1、200倍。

當然這包括很多新的問題要研究，像是溫度的穩定性、製程的蝕刻，還有一些電極是否能與新材料相容，這都是材料背景同學將來必須去挑戰的問題，因為ic設計的人就不懂這些問題。有時候一個突破並不是某一年某一月就突破，常常是經年累月不斷的研究，直到各方面都相當成熟之後，IC產業才會將這各材料引進來用，過去他們很習慣用SiO2來做材料，會產生惰性，像是怕會有污染之類的，能夠用現有的材料去做變更就好了，可是最後會有極限，等到這個時候，他們才會去引進新材料，而在引進之前，材料界早就開始在做研發，總不能等到產業遇到瓶頸才來著手，那肯定是來不及的。