（材料学专业论文）las系统微晶玻璃的制备及阳极键合性能与工艺参数关系的研究.pdf

中文摘要 近年来，随着科学技术的发展，微机电系统在越来越多的领域中得到了广 泛的应用。但作为微机电系统封装的关键技术半导体硅与玻璃的阳极键合 技术，仍然存在着许多问题。目前国内外多采用p y r e x 与s d 2 玻璃作为与硅基 片封装的阳极键合材料。这两种玻璃不但具有较低的蚀刻速率，而且随温度的 变化其热膨胀系数与硅片不甚匹配，导致封装后残余应力较大，给封装工艺带 来困难。与上述两种玻璃相比，微晶玻璃具有机械强度高、硬度大、耐磨性好； 具有良好的化学稳定性和热稳定性；电绝缘性能优良、介电损耗小、介电常数 稳定等优点。因此本课题采用微晶玻璃代替传统玻璃，以期在较低温度下 ( 3 5 0 ) 实现微晶玻璃与硅片的良好键合。 本课题选用l i 2 0 舢2 0 3 s i 0 2 ( l a s ) 系统微晶玻璃作为与硅片适配的阳极 键合基片材料。用传统的熔体冷却法制得该系统基础玻璃，利用差热分析( d t a ) 确定基础玻璃的核化与晶化温度，然后采用不同的热处理制度对基础玻璃进行 热处理。通过x 射线衍射( x r d ) 、扫描电镜( s e m ) 分析了微晶玻璃的主晶相的种 类、尺寸大小、含量与微观结构形貌，分析了热处理制度对微晶玻璃热学性能、 力学性能、电阻率以及介电性能的影响。在温度为2 0 0 - - 一4 0 0 ，电压为4 0 0 - - 一6 0 0 v 的条件下，进行了微晶玻璃与硅片的阳极键合实验，研究了电压、温度、时间 等工艺参数对阳极键合性能的影响。并通过对键合微观表面、界面的分析，进 二步探讨了微晶玻璃与硅片阳极键合的机理。获得了以下研究成果： 1 、随着核化与晶化时间的增加，微晶玻璃的主晶相均为1 3 一锂辉石不变，其热 膨胀系数增大，抗折强度先增大后减小，电阻率增大，介电常数与介电损耗 均呈减小的趋势。 2 、当热处理制度为6 7 0 3 h 、8 0 3 h 时，微晶玻璃的热膨胀系数为 3 1 1 6 x 1 0 7 * c ( 2 0 0 4 0 0 ) ，抗折强度为1 8 6 6 4 m p a ，电阻率为1 0 2 x 1 0 1 2 q m ( 2 0 ) ，介电常数为2 1 5 ( 2 0 ) ，适合与硅片进行阳极键合。 3 、键合强度随电压、温度的增加而增大，电压、温度对键合性能影响较大，时 间对键合性能影响较小。当电压为5 0 0 v 时，温度低于2 0 0 时则不能实现键 合。在电压为5 0 0 v ，温度为4 0 0 时，键合强度最大为1 0 2 5m p a 。 本研究得到国家自然科学基金( 5 0 4 7 2 0 3 9 ) 和湖北省自然科学基金 ( 2 0 0 5 a b a 0 1 1 ) 的资助。 关键词：l i 2 0 a 1 2 0 3 s i 0 2 ( l a s ) ，微品玻璃，阳极键合，硅片，热处理制度 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m ( m e m s ) h a sb e e na p p l i e d i nm o r ea n dm o r ef i e l d sw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b u ta s o n eo ft h e p a c k a g i n gt e c h n o l o g y , a n o d i cb o n d i n g o fs i l i c o n 。g l a s sh a sm a n y d e f i c i e n c i e s p y r e xg l a s sa n ds d 一2g l a s sa r eu s e da sa n o d i cb o n d i n g m a t e r i a l sw h i c h a l ep a c k a g e dw i t hs i l i c o n ，t h e yn o to n l yh a v es l o wv e l o c i t yo fe t c h ，b u ta l s oh a v e i m p r o p e rc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n ( c t e ) w i t h s i l i c o no nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e a n dg r e a tr e s i d u a ls t r e s sw h i c hh a v eb r i n gd i f f i c u l t y t o p a c k a g i n gt e c h n o l o g y c o m p a r e dw i t ht h e m ，g l a s s c e r a m i ch a sal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sh i g hm e c h a n i c a l s t r e n g t ha n dr i g i d i t y , g o o dc h e m i c a la n dt h e r m a ls t a b i l i t y , g o o di n s u l a t i o n ，s m a l l d i e l e c t r i cl o s s ，s t e a d yd i e l e c t r i cc o n s t a n ta n ds oo n s og l a s s - c e r a m i cw a sc h o s et o r e p l a c et r a d i t i o n a lg l a s st ob o n dw i t hs i l i c o na tt h et e m p e r a t u r eu n d e r 3 5 0 c i nt h i sp a p e r , l i 2 0 一a 1 2 0 3 一s i 0 2 ( l a s ) s y s t e mg l a s s - c e r a m i cw a sc h o s et o a s a n o d i cb o n d i n gm a t e r i a lw h i c hw a sm a t c h e dt os i l i c o n t h eb a s i cg l a s sw a sp r e p a r e d b ya d o p t i n gc o n v e n t i o n a l m e l tq u e n c h i n gt e c h n o l o g y a n dt h et e m p e r a t u r eo f n u c l e a t i o na n dc r y s t a l l i z a t i o nw e r ed e t e r m i n e db yu s i n gd t a a n dt h e nt h eb a s i c g l a s sw a sh e a t e da c c o r d i n gt od i f f e r e n th e a t - t r e a t m e n ts c h e d u l e t h em a i nc r y s t a l p h a s ea n dm i c r o s t r u c t u r e w e r er e s e a r c h e db yx r da n ds e m t h ee f f e c to f h e a t t r e a t m e n ts c h e d u l eo np e r f o r m a n c eo fc t e ，m e c h a n i c a ls t r e n g t h ，r e s i s t i v i t ya n d d i e l e c t r i cc o n s t a n th a db e e ns t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lo fa n o d i cb o n d i n g w a sd o n ea t t h et e m p e r a t u r er a n g ef r o m2 0 0 ct o4 0 0 c ，v o l t a g ef r o m4 0 0 vt o6 0 0 v t h ee f f e c t o ft e c h n i c a lp a r a m e t e ro fv o l t a g e ，t e m p e r a t u r ea n dt i m eo nb o n d i n gp e r f o r m a n c ew a s 。 d i s c u s s e d a n dt h em e c h a n i s mo fa n o d i cb o n d i n go fg l a s s - c e r a m i ca n ds i l i c o nw a s s t u d i e db ya n a l y z i n gt h em i c r o s t r u c t u r eo fb o n d i n gs u r f a c ea n di n t e r f a c e t h er e s u l t s h a v eb e e ng o ta sf o l l o w s ： 1 w i t ht h ei n c r e a s et i m eo fc r y s t a l l i z a t i o na n dn u c l e a t i o n ，t h em a i nc r y s t a lp h a s e so f t h eg l a s s - c e r a m i c sw e l e8 - s p o d u m e n e s t h ec t ea n dr e s i s t i v i t yo fg l a s s c e r a m i c i n c r e a s e d ，m e c h a n i c a ls t r e n g t h i n c r e a s e df i r s ta n dt h e nd e c r e a s e d ，d i e l e c t r i c c o n s t a n ta n dd i e l e c t r i cl o s sd e c r e a s e d 2 w h e nt h eh e a t t r e a t m e n ts c h e d u l ew a s6 7 0 。c 3 h 、9 8 0 。c 3 h ，t h eg l a s s - c e r a m i c o f c t e3 1 1 6 x l o 。7 。c ( 2 0 0 , - - 4 0 0 。c ) ，m e c h a n i c a ls t r e n g t h1 8 6 6 4 m p a , r e s i s t i v i t y 1 0 2 x 1 0 1 2 q m ( 2 0 。c ) ，d i e l e c t r i cc o n s t a n t2 1 5 ( 2 0 。c ) w h i c hi sm a t c h e ds i l i c o nt o a n o d i cb o n d i n g 3 t h ea n o d i cb o n d i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb o n d i n gs t r e n g t hh a d i n c r e a s e dw h e nt e m p e r a t u r ea n dv o l t a g ew e r ei n c r e a s e d ，a n dt h et i m eh a dl i t t l e i n f l u e n c eo nb o n d i n gs t r e n g t h t h ea n o d i cb o n d i n gc o u l dn o tr e a l i z ea tt h e v o l t a g eo f5 0 0 vw h e nt h et e m p e r a t u r ew a su n d e r2 0 0 。c t h eb o n d i n gs t r e n g t h i n c r e a s e dt ot h em o s ta t1 0 2 5m p aa tt h et e m p e r a t u r eo f4 0 0 ，v o l t a g eo f5 0 0 v t h ep r o j e c tw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 4 7 2 0 3 9 ) a n dt h e h u b e ip r o v i n c i a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 2 0 0 5 a b a 0 11 ) k e yw o r d s ：l i 2 0 - a 1 2 0 3 s i 0 2 ( l a s ) ，g l a s s - c e r a m i c ，a n o d i cb o n d i n g ，s i l i c o n ， h e a t t r e a t m e n ts c h e d u l e 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特另j t j l l 以标和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉 理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名： 缸兰 一日期丛! 墨：茎：f 9 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生弛杠孙挑互盘吼竺，。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 项目背景及意义 第一章绪论 微机电系统亦称微系统或微型机械( m i c r oe l e c t r o n i cm e c h a n i c a ls y s t e m ，简称 m e m s ) 是在微电子技术基础上发展起来的多学科交叉的前沿研究领域，被誉为 2 1 世纪带有革命性的高新技术，它涉及微电子、微机械、微光学、材料学、信 息与控制，以及物理、化学、生物等多种学科，并集约了当今科学技术的许多 高新技术成果。m e m s 是集微型机械、微传感器、微执行器、信息处理、智能 控制为一体的多功能、高精度微电子机械系统。其技术目标是实现信息的获取、 处理、判断、执行一体化，具有尺寸小、热容量低、易获得高灵敏度、高响应 等特征。这种系统化、多功能一体化和技术的尖端化使m e m s 成为一门跨学科 跨领域的极具生命力的新兴领域，引起人们的极大兴趣。 在材料研究方面，目前对m e m s 的研究还主要是基于硅材料l l j 。对于m e m s 的机械加工，有两种技术使用最为广泛，即表面微机械加工技术和体硅微机械 加工技术。由于表面微机械加工技术与i c 平面工艺兼容性好，因此它得到了广 泛的应用。但这种工艺加工的机械部件的纵向尺寸往往受到限制，而体硅微机 械加工技术其加工的机械部件各方向的尺寸几乎没有限制，给系统设计者极大 的灵活性，是真正意义上的三维技术。但体硅加工技术与i c 工艺兼容性不太好， 唯有键合技术才能有效地克服此问题。 近年来，我国也在大力开展微电子机械系统的研究1 2 j 。这种微机电系统的制 作也是利用常规的集成电路技术和微机械加工独有的特殊工艺的组合，因为后 者是制造微机械惯性传感器、微执行器以及微机电系统的关键技术。例如，在 传感器的制作方面，为了提高其性能，减少体积，希望将所有元器件集成在一 个芯片上。制作传感器的材料有多种，如化合物半导体、硅、陶瓷、铁电聚合 物等，但人们普遍认为制作集成传感器的最好芯片材料是半导体硅。而为了减 少电容、提高电路速度和集成度并实现三维集成，通常在硅片上键合绝缘材料 作为隔离元件用。一般说来，硅片键合主要有静电键合和热键合两种。其中， 半导体硅与玻璃的静电键合是微机电系统制作的关键技术之一。 在静电键合中，以玻璃作为硅器件的衬底，具有良好的绝缘性能和绝热性 武汉理工人学硕上学位论文 能，器件的分布电容小，热噪声小。以玻璃作为器件的封盖，不但具有透明特 征，而且具有良好的气密性，另外，将硅与玻璃牢固地连接在一起的静电键合 的操作温度远低于硅一硅热键合的温度，因此，它在微电子机械系统中的用途 也日益广泛1 3 ，4 j 。 目前，硅一玻璃阳极键合技术在3 0 0 4 5 0 和2 0 0 v 一1 2 0 0 v 的条件下发 展得很成熟。由于p v r e x 7 7 4 0 撑玻璃和硅的热膨胀系数在3 0 0 时相当，在阳极键 合过程中，通常使用p v r e x 7 7 4 0 撑玻璃和硅键合，然而，当温度超过3 0 0 时， p v r e x 7 7 4 0 捧玻璃和硅的热膨胀系数就会有所变化，温度越高，变化越大，因此， 键合完成后，会在键合处产生内应力。键合时产生的内应力对器件的耐疲劳性 有很大的影响，并且，会产生变形等不良效果。随着温度降低，键合强度与键 合效率随之降低，结合面的气泡和空洞也难以减小和消喇引。 近年来，国外有采用微晶玻璃进行阳极键合的报道，并获得了较好的键合 效果，代表了m e m s 封装研究的新动向。微晶玻璃以其系统广泛、品种繁多而 著称，特别是其热膨胀系数在较大范围内可调，因此具有一系列优异性能的微 晶玻璃应用范围极其广泛，但是目前国内将微晶玻璃应用于微机电系统的却极 少。本项目以微晶玻璃代替传统的耐热玻璃作为阳极键合的基片材料或m e m s 的封装材料，突破了微晶玻璃的传统应用领域，为构造新型微机电器件探索更 广泛的材料来源。” 1 2 键合技术及其基本原理 键合技术是微机电系统和微系统封装中的基本技术之一，所应用的领域主 要有以下3 个方面： ( 1 ) 基片之间的键合，例如将硅晶片键合到硅晶片或者是将硅晶片键合到 由玻璃、陶瓷和金属材料制成的承载晶片上。 ( 2 ) 将微元件固定到承载基片上，例如将硅片固定到由玻璃或陶瓷制成的 基板上。 ( 3 ) 微器件上转换器的输入输出引线以及导电电线的连接。 将微元件连接或键合形成新的器件结构的方法有很多种，科研人员已经对 微机电系统封装的关键技术展开了广泛和深入的研究。这罩着重介绍微机电系 统或微系统表面键合中最常见的4 种方法1 6 j 。 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 1 黏合剂表面键合 黏合剂表面键合是将两个分离的表面键合到一起的最经济的一种方法。键 合过程在键合腔体内进行，腔体可对基片进行加热，以使基片达到键合所需的 温度。键合的温度一般接近并且稍低于玻璃的转变温度t g ，黏合剂薄层由微型 分配器( m i c r od i s p e n s e r ) 涂布到基片的表面，然后将待键合的部位放黄到黏合 剂膜层上，通常可施加一个机械力来保证键合的质量。键合腔体要保持洁净， 不能含有灰尘及其他固体污染物，一般说来，这种键合操作需要在真空环境中 进行。 在微机电系统或微系统中，对器件进行键合最常用的黏合剂是环氧树脂。 许多环氧树脂黏合剂需要与固化剂混合使用，这类黏合剂的理想特征包括强抵 抗性、低黏滞性、良好的物理强度、良好的尺寸稳定性以及持久性等。 1 2 2 共晶键合 共晶键合为共晶合金原子扩散到待键合材料原子结构的一个过程，从而形 成这些材料的固态结合。为了实现共晶键合，首先必须要选择一种能与待键合 材料产生共晶合金成分的材料，与硅形成共晶合金的常用材料是金薄膜或者是 含金的合金薄膜。 当两个键合表面( 例如硅晶片) 与金等共晶合金成分材料的组合结构被加 热到共晶温度以上时，会发生共晶键合。共晶温度是合金熔化的最低温度，这 个温度低于合金中各成分材料形成的任何其他混合物的熔点。在共晶温度时， 界面材料原子( 例如金原子) 开始快速地扩散到所接触的硅晶片中，当足量的 金原子进入硅晶片表面后它们将形成共晶合金，例如金一硅合金。当温度继续 上升超过共晶温度时，会有更多的共晶合金形成，这个过程将一直持续到交界 面的共晶合金成分原子( 如金原子) 消耗殆尽为止。在交界面处新产生的共晶 合金可以作为许多微机电系统和微系统应用中的固态键合以及真空密封结构。 1 2 3 阳极键合 阳极键合是在键合不同材料晶片时最普遍采用的一种键合技术，也被称为 静电键合或电场辅助热键合。由于阳极键合的装置相对简单，而且使用的设备 便宜，该方法在微系统封装中的应用非常广泛。阳极键合可提供可靠的真空密 3 武汉理t 大学硕上学位论文 封性能，这对于微流体网络中的微阀门和微流体管道以及微型压力传感器膜片 的应用是十分重要的。这种键合技术还有另一个主要的优点，键合过程可以在 稍低于高温的1 8 0 5 0 0 范围进行，这样可以减弱键合后材料残余应力和应 变的影响。 阳极键合方法已经在以下材料的晶片键合中得到应用： 玻璃与玻璃； 玻璃与硅； 玻璃与硅氧化物，如砷化镓( g a a s ) ； 玻璃与金属； 硅与硅。 ，然而，阳极键合方法最广泛的应用是硼硅酸盐玻璃( p y r e x 玻璃) 或石英晶 片与硅晶片的键合。 1 2 3 1 玻璃与硅晶片之间的阳极键合 图l l 给出了富含钠元素的晶片( 例如p y r e x 7 7 4 0 玻璃) 与硅晶片阳极键 合的结构示意图。通常将一个质量适度的物体施加在耐热玻璃之上以确保晶片 之间具有良好的接触压力，并对系统施加一个2 0 0 v - - - 1 0 0 0 v 的直流电压电场。 夹在两个电极之间的绝缘p y r e x 7 7 4 0 玻璃和半导体硅基片形成了一个有效的平 行板电容器，加载在两个电极上的电压产生的静电力使两块晶片紧密地结合在 一起。 电压 2 0 0 1 0 0 0 v ( d c ) 图l 一1 硅与玻璃之间的阳极键合 硅与玻璃的键合过程实际上是在施加电场的作用下在交界面形成了一层极 4 武汉理工人学硕l 学位论文 薄的s i 0 2 来实现的。在施加电场的影响下，玻璃中的钠离子( n a + ) 在电场的作 用下向带负电荷的阴极移动，形成钠离子耗尽层而只含0 2 离子的负电荷区域。 通过对系统加热，这些0 2 负离子将与接触的s i + 离子产生化学结合，并在界面处 形成约2 0 n m 的非常薄的s i 0 2 膜，这层薄膜即是硅和玻璃晶片之间的结合层。 由于p y r e x 7 7 4 0 这种特别的玻璃含有丰富的钠，所以经常用作键合到硅基片上的 玻璃晶片。 与传统的玻璃相比，微晶玻璃具有机械强度高、硬度大、耐磨性好；具有 良好的化学稳定性和热稳定性，能适应恶劣的使用环境；电绝缘性能优良、介 电损耗小、介电常数稳定等优点。另外微晶玻璃的热膨胀系数可调整范围大， 可以适合与很多材料的键合。目前已经有同本学者成功实现了l i 2 0 砧2 0 3 s i 0 2 型微晶玻璃与硅片的键合川。 1 2 3 2 玻璃晶片之间的阳极键合 采用阳极键合技术对两块玻璃晶片进行键合不如硅晶片与玻璃晶片的键合 那么直接。首先用1 2 3 1 节简述的技术将玻璃晶片键合到硅晶片上去，然后将 已经键合到玻璃片上的硅晶片用刻蚀的方法除去，得到带有s i 0 2 薄层的玻璃晶 片。接下来，用阳极键合的方法将s i 0 2 玻璃晶片与另一块玻璃晶片键合。很明 显，由于这种方法在刻蚀除硅时需要一定的时间以及过分浪费材料，使其远远 不如玻璃一硅晶片的键合那样有吸引力。因此，该技术在微机电系统和微系统 中并不常用。 1 2 3 3 硅晶片之间的阳极键合 阳极键合方法同样也应用于硅晶片之间的键合，然而，其键合过程同样不 如1 2 3 1 节所述的硅晶片与玻璃晶片的键合那样直接。n a + 离子和0 2 。离子的迁 移是阳极键合的首要因素，因此，在待键合硅晶片表面进行特定处理后，就有 可能使用这种方法实现硅晶片之间的键合。 首先在两块硅晶片的键合表面都生长。层薄的s i 0 2 ，然后将其中一块硅晶 片的氧化表面放入富含钠的腔室中添加钠元素。再将两片硅晶片叠放在一起进 行阳极键合，富含钠的硅品片与阳极连接。硅晶片间的键合过程需要在1 7 0 0 v 直流电压以上的电场和5 0 0 以上的温度下进行，键合两块直径为1 0 0 m m 的硅 武汉理t 大学硕l j 学位论文 晶片通常需要5 h 。 1 2 4 硅融合 硅融合( s i l i c o n f u s i o nb o n d i n g ，s f b ) 是微机电系统和微系统封装中经常采 用的另一种键合技术。对硅晶片而言，这种键合是一种相对简单和经济的过程。 s f b 已经应用于硅与硅、氧化硅与硅、氧化硅与硅等晶片组合的键合中l 羽。与阳 极键合不同，s f b 的键合过程不依赖于电场，而是主要利用界面的化学力，在 “氧化环境下“自发 完成键合的，之后需要进行高温退火。 这种键合过程所涉及的第一步是通过水合作用在键合界面上引入氧原子 ( 0 ) 和氢原子( h ) 的o h 键，称为硅烷醇键。将两块表面含有o h 键的晶 片紧密接触，在接下来的高温下退火过程中，水蒸气将会在界面处形成并逸散 到周围环境中去，即发生脱水。剩下过多的氧原子在界面形成硅氧烷网络，因 而在两块晶片表面产生牢固的键合。这个过程的化学反应如式( 1 1 ) 所示【8 l ： ( s i - o h ) + ( o h - s i ) - 7 h 2 0 + ( s i - o - s i )式( 1 1 ) 在水合过程中，首先将两块氧化的硅晶片在酸性( h 2 0 2 h 2 s 0 4 ) 溶液中浸 润，然后从酸溶液中将晶片取出并放入去离子水中漂洗，这时o h 键将在晶片 氧化表面生成。在很多情况下，会采用氧等离子体溅射的方式增加o h 键中的 氧离子：之后即可将两块晶片叠放在一起进行键合。对叠在一起的晶片进行加 热将使相互接触的o h 键中的氧分子和氢分子形成水汽逸出，从而形成两块晶 片间新的s i o s i 键。 1 2 5 导线键合 导线键合方法为微机电系统和微系统核心元件提供了输入或输出的电路连 接。常用的导线材料为金和铝，在一些特定应用中还有铜、银和钯，导线的直 径尺寸为2 0 - 8 0 z m 。集成电路和微机电系统工业中3 种常用的导线键合技术为 热压缩键合、楔形一楔形超声波键合和热声导线键合1 9 , 1 0 l 。 在热压缩导线键合过程中，需要将导线端头急剧加热使之形成球状，并用 一种端部为半球形状的毛细工具将导线球形头往下压到电路连接上实现键合。 楔形一楔形键合需要一种平头的导线携带工具，它将导线降低并压到电路连接 上进行键合。这种键合所需要的能量来自超声波，通过引导工具传递给待键合 6 武& 理f 人学颂l 。学位论z 到电路连接上的导线。热声键合所用的工具与楔形楔形键台方法的基本一样 只是在超声波能量的基础上再进行加热来加强键台的强度。 1 3 键合技术在m e m s 领域的应用 131 用键合技术形成s o l 材料 到目前为止，s o l ( s i l i c o n o n i n s u l a t o r ) l 乜路的批量生产及大规模商品化的 主要障碍就是制备s o l 材料导致的总成本过高。王见在仍具竞争力的s o l 材料制 备技术分别是s l m o x ( s 8 p e r a t j o nb yi m p l a n t e do x y g e n ) “l 、b e s o i ( b o n da n d e t c h b a c k ) ”2 啪新近发展的s m a r t c u t 技术i 。 b e s o i 技术自1 9 8 6 年l a s k y 等人提卅硅片键合技术发胜至今已同趋成熟。 其主要优点是工艺简竹，硅膜质龟好，s i o ! 层性能良好且厚度容易控制。为了 得到厚度均匀的薄层顶层硅，现在已发展了多种自停止挂术。缺点是每一个键台 埘部需要耗赀两块硅片，较难获得均匀超薄的硅膜如图1 2 所示。 l i d * r 月_ _ _ _ _ ：j i ：然笛南：然l 曲 停止i 艺 艟 * 刘 “” - a ”ru t * m t e ! 星曼要! 刍 图1 - - 2b e s o i 技术示意图 基于硅片键合和离子注入技术的智能剥离技术是一种新近发展起来的技 术，其原理是存块硅片上注入氢离子，然后和另一块硅片进行低温键合，经 过5 0 0 丘冉的热处理后在氯离子注入射程处形成连续的窄腔层，进而剥落形 成s o l 结构。它兼具s i m o x 和b e s o i 技术的优点，所得的s o l 薄层厚度均匀， 被剥离的另一块硅片可以循环利用如罔l 一3 所水。 圈邕 武汉理工大学碘j 学位论文 斯蚺硅片 讯圯 s m # n c u if # 健奇 智能靶岛 口1 8 瞳 芒翼 o 鳃“ 业! 她t i i 一，r 摹一盹l i 吐h；l h - 触橱复 f ： 丑。髑 i j ：j 一竹 p：j 帅n j 幢埔啦剐慢口岔 曲羔粥 ) j 。j t - t m * t 。一 ! ；t 工l 己 ”l 4 “”4 。鼻。 。蒜纠离 i 聃刈蚀j 机体 n ，”t d l i i i i i i i 叫 日q 口l 一 盈明 武汉理t 人学il ：学也论 132 用键台技术形成m e m s 结构和三维器件 用于形成m e m s 结构的键合方法t 要有阳极键台技术和融合键合技术。m 极键合技术在m e m s 中的应用已经有2 0 多年的历史，可用r 集成压力传感器、 微传感器和微执行器等。用融合键合法能形成些m e m s 结构如超微压力传 感器、悬壁加速计等，也可以形成复杂的多层和三维器件，但融台键合法是在 高温下进行，限制了它的一些应用。而低温阳极键合法山于可以减少不同材料 的热失配问题，冈此应用更加广泛。图14 所示的足制作真空度测量传感器的 操作程序图。它是通过刻蚀工艺与i 次阳极键合j u 工h 需要的结构i “j 。 133 用低温阳极键合技术形成光电子器件 光电子器件对所需要的材料在性能上有一定的要求，通常部需要有大的带 宽差和在材料的折射指数上要有很人的变化。不幸的是，般没有天然的这种 材料。用同质外延生长技术一般都不能形成所需要的带宽差和折射指数差，而 用通常的异质外延技术，如在硅片上外延g a a s 和l n p 等，不仅成本较高，而且 结合界面的位错密度也非常高，很难形成商质量的光电子焦成器件。由f 低温 键合技术可以大大减少不同材料之问的热失配问题，减少鹿力和化锚，冈此能 形成高质量的器件。 134 用键合方法形成特殊器件和结构 随着对键合机理的逐渐认识和键台工艺技术的逐渐成熟，多种不同材料f l 勺 品片之间已经能够实现互相键合，从而可能形成。些特殊用途的材料和器件。 如在硅片l 彤成硅化物层再进行键合就w 以形成一种新的结构i ，如图15 所 s u l 暑 w s jl ，_ f j ( ，s 吖。? ，i 罔l o 川1 畦化物键合形成f i j i 。丰f = | 武汉理t 人学硕i 二学位论文 示。由于硅化物的电导率很高，因此可以代替双极型器件中的隐埋层，从而减 小r c 常数。 1 4 阳极键合用微晶玻璃的研究现状 硅一玻璃问的静电键合技术始于1 9 6 8 年p o m e r a n t z 所作的丌创性工作【1 6 l 。 在1 9 6 8 年，p o m e r a n t z 发现金属与玻璃能在比热键合低得多的温度下通过静电 作用而牢固键合，并提出将硅与石英通过静电力结合起来的构想。由于硅与石 英的热膨胀系数相差较大，以及石英在键合条件下不良的导电性，因而未获得 实际上的成功键合。 继此之后的几十年，人们围绕着如何获得优异键合性能的元件器而进行了 广泛的研究，用于键合的玻璃是研究开发的重点之一。研究系统包括熔融石英 玻璃、n a 2 0 c a o s i 0 2 玻璃、k 2 0 c a o p b o 玻璃、铝酸盐玻璃和硼硅酸盐玻璃 ( p y r e x ) 。研究重点在于硅一玻璃的牢固键合以及硅一玻璃在宽的温度范围的热、 力学性能的相匹配等方面。在众多的玻璃系统中，与硅的热学性能及力学性能 相匹配并能满足封装工艺要求的玻璃主要是含少量碱金属离子的硼硅酸盐玻璃 ( p y r e x ) 1 6 】，国外将该种玻璃用于与硅片的封装已获得满意的结果。而目前国内 的同类型玻璃主要存在与硅的热、力学性能不匹配的问题，不能满足电子行业 的需求。不论是国外的玻璃还是国内的玻璃，都存在室温电阻率高的问题，这 决定了必须采用较高的封装温度和电压才能实现封装所要求的牢固化学键合。 而且因封装温度高，、产生的热应力也大，封装成品率受到限制。为了克服硅一 玻璃封装中存在的问题，国外有人提出用微晶玻璃代替玻璃的科学构想，并经 试验表明，采用微晶玻璃有许多优越性： 1 微晶玻璃的热膨胀性能的可调性比常用的硼硅酸盐玻璃( p y r e x ) 宽，也就 是说用微晶玻璃与硅片进行键合时，二者热膨胀性能的匹配更容易实现。在一 个很宽的玻璃组成范围内，通过控制具有低热膨胀系数甚至是负的热膨胀系数 的微晶相与具有正膨胀系数的玻璃相的比例，将微晶玻璃的热膨胀系数调整到 与硅片近似匹配。 2 微晶玻璃的室温电阻率较低，可以在温度低于1 8 0 ，施加直流电压5 0 0 v 左右的情况下，就能顺利的完成与硅片的键合1 1 刀。同时由于热膨胀系数匹配， 键合温度较低，使得键合之后的热残余应力较小，大大改善了键合质量，提高 1 0 武汉理1 = 人学硕上学位论文 了封装成品率。 3 微晶玻璃具有比普通玻璃更好的物理化学性能，如较高的机械强度、较 好的耐酸碱腐蚀性能等，使采用键合技术封装的晶片或者器件能够在恶劣的环 境下工作，扩大了键合技术的应用范围。 目前国内外学者对阳极键合用微晶玻璃以及微晶玻璃与硅片的键合工艺与 原理的研究尚不多见。中南工业大学的常鹰、卢安贤等人采用传统熔体冷却法 制备l i 2 0 舢2 0 3 s i 0 2 系统透明微晶玻璃，其主晶相为a 1 2 0 3 t i 0 2 ，次晶相为 z n s i 0 3 1 8 l 。微晶玻璃与硅片有相近的热膨胀系数，且电阻率较低，适合与硅片 进行阳极键合。日本的s h u i c h is h o j i 等学者将l a s 系统微品玻璃用于阳极键合， 在低于1 8 0 ( 电压5 0 0 v ) 的条件下成功实现了硅片与l a s 微晶玻璃的阳极键 合，并指出键合需要碱金属离子在低温下有高的迁移率，需要通过控制微晶玻 璃的成分使微晶玻璃的热膨胀系数与硅片匹配。 1 5i _ a s 系统微晶玻璃的结构性能及其制备方法 1 5 1i _ a s 系统微晶玻璃的结构 锂铝硅微晶玻璃为架状硅酸盐结构，是t 3 石英( 高石英) 固溶体和1 3 锂 辉石( k 石英固溶体) 的填充衍生物，其结构相对致密。相对于纯的石英晶体 而言，b 石英的稳定存在温度区间是5 7 3 - - 8 6 7 ，当温度低于5 7 3 时，1 3 石英会转变成低温相q 一石英。然而，在l a s 微晶玻璃中，当1 3 石英中大于2 0 m 0 1 的s i 4 + 被舢3 + 取代时，l i + ，m 9 2 + ，z n 2 + 等离子将填充在结构的空隙中保持 电中性。当s i 0 2 被( l i 2 0 a 1 2 0 3 ) ( m g o a 1 2 0 3 ) ( z n o a 1 2 0 3 ) 所取代时，1 3 石英固 溶体在室温也可以相对稳定存在，这种1 3 石英固溶体是亚稳相。在较高温度， 1 3 石英将转变成更稳定的1 3 锂辉石晶相，并且1 3 石英、1 3 锂辉石还可以同 m g o 、z n o 、p 2 0 5 和s i 0 2 等形成固溶体。因此，在很大的组成范围内，锂铝硅 微晶玻璃中均存在1 3 石英、1 3 锂辉石两种固溶体结构。 1 3 石英是由四面体的六元环或者八元环组成的六方晶体，空间群为 p 6 2 2 2 ( 或p 6 4 2 2 ) ，螺旋链状四面体通过初始单胞的6 螺旋轴形成平行于c 轴的通 道。其中，l i + 占据通道中氧原子四面体配位的位置【1 9 l 。 1 3 锂辉石属于四方晶系，空间群为p 4 3 2 1 2 ( 或p 4 1 2 1 2 ) ，是由t i 0 4 ( s i 0 4 、a 1 0 4 ) 四面体的五元环或七元环组成，t i o 币键相互连接成五元环结构，从而形成在 武汉理t 大学硕l j 学位论文 a b 轴延伸的五元环结构，u + 占据通道中氧原子四面体配位的位置。 尽管两种结构的对称性和环的尺寸不一样，1 3 石英、1 3 锂辉石的结构有许 多相似之处，1 3 石英单胞的晶体常数为a l ，a 2 ，c ，定义一种新的单胞a l - - a l + a 2 - i - e ， a 2 = a l + a 2 c ，c = a l - a 2 。这个新的单胞为伪四面体结构，与1 3 锂辉石的结构非常 相近，两相间的转变从本质上来看不是位移转变，而是键的断开和重构1 1 9 l 。 1 5 2l a s 系统微晶玻璃的性能 1 5 2 1 。l a s 系统微晶玻璃的透明性能 低膨胀i a s 系统透明微晶玻璃具备有两种重要的性能特征，一是热膨胀系 数接近于零；二是在可见光范围内具有很好的透明性1 2 0 , 2 1 , 2 2 l 。 微晶玻璃在可见光范围内的透光度，主要受晶粒对可见光散射效应的影响。 当晶体颗粒尺寸小于可见光波长时，其散射率较小，就可以得到较好的透明度。 根据r a y l e i g h g a n s 模型【2 3 】： ， 仃p 一詈舭4 口3 ( n a n ) 2 式( 1 - 2 ) j 仃。为试样的混浊度；n 为颗粒密度；v 为颗粒体积；k = 吲；n 为折射率a 为 ， 颗粒直径；，l 为玻璃相和晶相的折射率之差。实际应用时，玻璃相和晶相的折 射率之差，l 应该小于0 1 。 a n d r e e v 2 4 】和h o p p e r l 2 5 】散射模型研究了细小颗粒在玻璃相中透光度，要求晶 相颗粒间距应不小于颗粒半径，至少为晶粒半径的6 信。 c ，。 ( 詈，c 1 。一3k 4 日3 】( ，z 。咒) 2 式( 1 3 ) 口，为试样的混浊度；口为平均相间距，其值为( 口+ w 2 ) ，a 为颗粒直径， w 为相间距；颗粒尺寸( 直径) 应该小于3 0 n m ，玻璃相和晶相的折射率之差，l 可以为0 3 。 从以上公式可以发现，散射光强度主要由晶粒尺寸以及晶相与玻璃相的折 射率之比来决定。锂铝硅透明微晶玻璃的主晶相1 3 一石英固溶体的晶粒尺寸一 般为5 0 1 0 0 n m ，是可见光波长的1 1 0 左右，并且，其晶相的折射率与玻璃的折 射率相近，因而在可见光和红外光的范围内透光性能良好。当锂铝硅系统微晶 玻璃在0 0 - - 1 0 0 0 较高温度处理后，得到b 一锂辉石固溶体，其晶粒一般为 武汉理t 人学硕l 学位论文 0 5 2 4 t m ，由于晶粒尺寸较大，产生了强烈的光散射，使得微晶玻璃变为乳白 色，成为不透明微晶玻璃【2 6 捌。 1 5 2 2l a $ 系统微晶玻璃的电学性能 ( 一) 介电常数 介电常数是指在介电材料中和在真空中建起的两个电场的电能比率。许多 微晶玻璃在室温下的介电常数处于5 - - 6 之间，而且这些数值不太受测试时频率 的影响。在低频下，介电常数随温度( 1 5 0 以前) 的升高而缓慢加大；在高频 下，温度升高到4 0 0 , - - , 5 0 0 ，介电常数几乎没有受到影响。在低频下，介电常 数的加大，和离子的迁移率以及晶体的缺陷迁移率有关。以堇青石 ( 2 m g o 2 a 1 2 0 3 5 s 1 0 2 ) 为主晶相的微晶玻璃在高频下的介电常数较低，e = 5 0 5 5 1 1 9 1 。 ( 二) 介电损耗 如果在电介质中建立起一个电场，则在此材料中就储存了电能，当去掉电 场后，电能完全恢复。但是通常只有部分能量可以恢复，失掉的那部分电能就 表现为热。所以在一个交流电场中，绝缘材料就出现了电能损耗。电能的不能 恢复部分和可恢复部分的比率，用介电损耗角正切( t a n d ) 来表示。 微晶玻璃的显微结构，特别是晶相的平均尺寸及体积分数对介电损耗影响 方面的研究结果表明，晶相尺寸对介电损耗的影响不大。但晶相种类不同，介 电