時間 :11/28/2005 地點 : 教務處會議室指導教授 : 蔡榮輝教授報告者 : 游本源

時間 :11/28/2005 地點 :教務處會議室

指導教授 :蔡榮輝教授報告者 :游本源

電子科實習教師游本源 2005 .11 .28

NATIONAL WUFENG AGRICULTURAL & INDUSTRIAL VOCATIONAL HIGH SCHOOL

報告大綱半導體基本介紹無塵室的簡介半導體的奈米技術奈米技術在生活上應用



半導體基本介紹

一、何謂導體 (conductor) 、半導體 (semiconductor) 、絕緣體 (insulator) ？



二、半導體的組成與分類（一）元素半導體（ element semiconductors ）：1. 鍺（ Ge ）：一九五零年代初期，鍺是最主要半導體材料，第一個製造電晶體的材料，熱穩定性較差，稀有元素。2. 矽（ Si ）：一九六零年初期，矽成為半導體主要材料，矽元件在室溫下有較佳的特性，藏量豐富佔地表的百分之二十五，價格低廉，製造容易。（二）化合物半導體 (compound semiconductors) ：1. 砷化鎵（ GaAs ）：適合光電元件材料（ LED ）、高頻微波元件。2. 磷化銦（ InP ）：適合光纖傳輸的光源。3. 氮化鎵（ GaN ）：適合藍光 LED 。



無塵室的簡介Clean Room 亦即潔淨室、無塵室或無菌室，半導體工業、醫學、生

物化學、食品界等不可或缺之重要設施；無塵環境除了為產業界之必要條件，對醫院手術室、加護病房、燙傷病房、嬰兒室等等。

（一） Clean Room 之定義將一定空間範圍內之空氣的微塵粒子、有害氣體、細菌…等污染物排

除，並控制室內的溫度、溼度、潔淨度、室內壓力、氣流速度與氣流分布、噪音、震動、照明、靜電與磁場在一範圍內，且給予特殊功能之設計的室內空間謂之潔淨室。



（二）潔淨室之等級以直徑 0.5 微米的塵粒作為比較標準

Class 1 ：在 1 立方英吋的空間中，大於 0.5 微米的塵粒少於一個。

Class 10 ：在 1 立方英吋的空間中，大於 0.5 微米的塵粒少於十個。 Class 1000 ：在 1 立方英吋的空間中，大於 0.5 微米的塵粒少於一千個。

目前半導體積體電路產品都是在 Class 1 的潔淨室中製造。電子科實習教師游本源 94 .11 .28


美國聯邦標準 209D 潔淨室規格



（三）潔淨室控管之項目（ 1 ）能除去空氣中飄游之微塵粒子。（ 2 ）能防止微塵粒子之產生。（ 3 ）溫度和濕度之控制。（ 4 ）壓力之調節。（ 5 ）有害氣體之排除。（ 6 ）結構物與隔間之氣密性。（ 7 ）靜電之防制。（ 8 ）電磁干擾預防。（ 9 ）安全因素之考慮。（ 10 ）節能之考量。



（四）潔淨室的種類（ 1 ）亂流式 (Turbulent Flow)

（ 2 ）層流式 (Laminar)

1 、水平層流式 2 、垂直層流式

（ 3 ）複合式 (Mixed Type)



（ 1 ）亂流式 (Turbulent Flow) 空氣由空調箱經風管與潔淨室內之空氣過濾器 (HEPA) 進入潔淨室，並由潔淨室兩側隔間牆板或高架地板回風。氣流非直線型運動而呈不規則之亂流或渦流狀態



（ 2 ）層流式 (Laminar)1 、水平層流式：水平式空氣自過濾器單方向吹出，由對邊牆壁之回風系統回

風，塵埃隨風向排出室外，一般在下流側污染較嚴重。2 、垂直層流式：空氣由上往下吹，可得較高之潔淨度，在製程中或工作人員所

產生的塵埃可快速排出室外而不會影響其他工作區域。



（ 3 ）複合式 (Mixed Type)

複合式為將亂流式及層流式予以複合或併用，可提供局部超潔淨之空氣。



潔淨室的種類比較表



半導體的奈米技術一、奈米的由來

始於一九五九年由諾貝爾物理獎得主李察費曼（ Richard Feynman ）所提出操控原子的構想。

以現在的科學觀點來看，只要縮小四千萬倍就行了。



二、何謂奈米？奈米奈米 (nanometer) (nanometer) 是度量單位是度量單位 nnanometer (nm)anometer (nm) 的譯名，指的是的譯名，指的是

十億分之一公尺。十億分之一公尺。1 nm = 10- 9m 1 nm = 10- 9m

11 奈米大約是奈米大約是 22 ～～ 33 個金屬個金屬原子排列在一起的長度。原子排列在一起的長度。

或「或「 1010 個氫原子」排列在一起個氫原子」排列在一起的”寬度”。一般「病毒」的直的”寬度”。一般「病毒」的直徑約徑約 6060 ～～ 250 250 奈米，「紅血奈米，「紅血

球」的直徑約球」的直徑約 2,0002,000 奈米，「頭奈米，「頭髮」的直徑則約髮」的直徑則約 30,000 ~50,0030,000 ~50,00

00 奈米。奈米。



三、自然界的奈米效應



蓮花效應 (Lotus effect ) 蜜蜂的導航功能蜜蜂的導航功能

荷葉表面有奈米尺寸纖毛，若透過電子荷葉表面有奈米尺寸纖毛，若透過電子顯微鏡觀察葉子表面，發現葉子表面纖顯微鏡觀察葉子表面，發現葉子表面纖毛形成凸起，會使葉子表面不容易被水毛形成凸起，會使葉子表面不容易被水粒子及污泥沾附，而達到自潔的功效，粒子及污泥沾附，而達到自潔的功效，這就是「蓮花出淤泥而不染」的原因。這就是「蓮花出淤泥而不染」的原因。

蜜蜂體內存在磁性奈米粒子，這些蜜蜂體內存在磁性奈米粒子，這些粒子具有羅盤的作用，這是蜜蜂飛粒子具有羅盤的作用，這是蜜蜂飛行的導航系統。行的導航系統。

四、奈米三大領域（一）奈米元件

以分子、原子為起點，製造具特殊功能的元件。為製造具特殊功能的元件，大體有兩種方法： " 由上而下 "(Top Down)或 " 由下而上 "(Bottom Up) ， " 由上而下 "技術係利用微加工等方法，將元件不斷微小化，而 " 由下而上 " 技術操控分子、原子，按照人類的意願進行設計與組裝。



「由上往下」的奈米科技



半導體製程的發展蝕刻技術

1. 電子蝕刻2. 光光蝕刻

HDP

電子蝕刻



「由下往上」的奈米科技



原子操控

「由下往上」奈米科技



C

碳原子可組成的各種東西

碳

鑽石

奈米碳管

蛋白質

藥

（二）奈米材料奈米材料是指材料的幾何形狀達到奈米尺度，並具有特

殊功能的材料，其主要類型包括：奈米粒子、奈米管、奈米薄膜、奈米塊材等。奈米材料的製作亦可分為兩種方法，由下而上的次微米組合法，而另一種則是由上而下將大結構鑿刻為小結構以創造出實體的方法。

（三）奈米檢測與表徵技術為了在奈米尺度上研究元件和材料的結構與性質，必須

建立奈米檢測與表徵技術，以研究各種奈米結構的力、光、電、磁等性質。



五、奈米科技在生活上應用（一）奈米光觸媒：

（ 1 ）何謂觸媒：是一種化學物質，本身能降低化學反應所需要的能量 (活化能 ) 而促進化學反應的發生或加速反應的速率，但本身卻不發生變化，這種促進反應的發生或是加速反應的效應就稱觸媒。

（ 2 ）光觸媒 (TiO2) ：鈦為地殼元素中的第四大元素，二氧化鈦即為其氧化物之一。二氧化鈦本身即是一種催化劑，觸媒本身能降低化學反應的能量，而促使化學反應或加快其反應速度，但本身卻不因化學反應而產生變化或破壞本體結構，因為具有強大的氧化還原能力。



表面效應 - 光觸媒



光觸媒 :以光線 (如紫外線 ) 為驅動源，增進物體氧化還原的物質。

光觸媒 (TiO2)受到光線 (紫外線 ) 照射，會產生表面電子空穴效應，使大氣存在的 H2O 分解為‧ OH ( 游離基 )及 H(氫 ) ，其‧ OH ( 游離基 ) 會與有機化合物起氧化反應，致使有機化合物改變特性。一般的細菌 (霉菌、病毒 )及臭味主要結構均為有機化合物，故此能除臭抗菌 /抗病毒。

（二）奈米光觸媒應用（ 1 ）光觸媒的功用目的：

１、殺菌、防霉、除臭；提昇居住環境生活品質。２、抑制傳染病原，減輕因過敏原、花粉症、結核病產生的病狀。３、提倡環保觀念，減少空氣污染。４、提供清新舒爽的居家及辦公環境。



（ 2 ）光觸媒的特性：抑菌、殺菌、無毒性、脫臭（分解有機氣體）、自淨性。



（ 3 ）光觸媒可應用之場所範圍：１、居家場所：家中客、餐廳、房間、廚房、浴

室、天花板及牆壁。２、公共場所：醫院、學校、餐廳、公共浴廁、Ｋ

ＴＶ等相關營業場所。３、交通工具：計程車、自用小客車、貨卡車、火

車、公車、大眾捷運交通車及飛機。



（三）奈米光觸媒應用實例（ 1 ）殺菌方面：二氧化鈦可鍍在建築物內的玻璃、壁紙或磁磚上，當二氧化鈦

吸收足夠的光能以後便可產生氫氧自由基，因此吸附在建築材料表面的細菌或是病毒便可被殺死



（ 2 ）防霧方面：鍍在玻璃表面的二氧化鈦，經照射紫外光後可增加其親水性。因為玻璃表面之所以會形成霧氣，主要是水分子在玻璃表面成顆粒，而增加玻璃表面之親水性。



（ 3 ）抗菌性方面：

抗菌 ( 醫院內塗裝 ) 消臭 ( 醫院內塗裝 )



TiO2 在吸收太陽光中紫外線或照明燈中的紫外線光後所產生類似植物光合作用原理（稱為光觸媒作用） ,其強大的氧化作用可以輕鬆分解空氣中的細菌（有效除去病菌：大腸菌、黃葡萄球菌、綠膿菌…抑制病原的傳播 ,如腸病毒、流行性感冒等濾過性病毒傳染源）臭味（煙臭、腥臭、廁所臭味、寵物臭味 , 可徹底去除）殺菌率達 99.997%!!





試驗菌名被塗物材料試驗開始時 3 小時後滅菌率

大腸菌

壁紙 3.5x105 個 <10 個 99.9%以上

地毯 3.5x105 個 <10 個 99.9%以上

無塗裝比較材 3.5x105 個 2.0x107 個 ﹣

黃色葡萄球菌

壁紙 1.9x105 個 <10 個 99.9%以上

地毯 1.9x105 個 <10 個 99.9%以上

無塗裝比較材 1.9x105 個 9.0x104 個 ﹣

綠膿桿菌壁紙 1.9x105 個 9.0x104 個 99.9%以上

奈米口罩、光觸媒口罩1. 光觸媒的口罩，較傳統口罩多了一至兩層保護措施，包括有二氧化鈦和親膚層，透過強氧化能力使病毒萎縮分解。

2. 可清洗，使用時間最長－光觸媒處理時效可長達一年。



光觸媒口罩與其他口罩比較



奈米科技的產業應用



1.1.傳統傳統產業的奈米化2.高科技奈米產業3.未來的奈米產業

傳統傳統產業的奈米化



1.相關產業

塑膠、紡織、塗料、建材、造紙、機械、化工等工業

2.關鍵材料

奈米微粒、奈米高分子、材料奈米孔隙 /塊材 /混成材料等

3.機能應用

介電、導電、耐磨、加工抗菌、低活化能、防水、防油、防火、紫外光吸收、遠紅外發光等

4.相關產品

電氣 /機械 :研磨拋光、導電鍍膜、螢光、感測元件、磁記錄媒体、陶瓷電容、光纖、太陽電池等

生醫 /日常生活 :抗菌、除臭、防水 /油、防曬衣料、顏料、運動器材、生化檢測、藥物傳輸等

能源 /觸媒 : 隔熱、導熱、燃料、光觸媒、電池電極等

高科技奈米產業



奈米電子自旋電子元件、磁性存取記憶體、高 K值材料元件、奈米碳管電子元件、單電子電晶體等

奈米光電半導體量子點光電元件、光晶體元件、奈米碳管場發射元件、有機發光元件等

資訊儲存近場儲存寫讀技術、奈米級刻版技術、超高密度光碟技術

能源應用微小型奈米燃料電池、高效能儲電元件、光化學換能系統、多孔性奈米結構電極等

生物技術生物晶片、診斷試劑、生物感測器、人工視網膜等

未來的奈米產業



分子馬達

奈米機器

奈米電腦

量子資訊

謝謝指教





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時間 :11/28/2005 地點 : 教務處會議室 指導教授 : 蔡榮輝 教授 報告者 : 游本源

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