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太原理工大学硕士研究生学位论文 p y r e x 玻璃与金属阳极键合机理及界面结构和力学性能的分析 摘要 阳极键合技术( a n o d i cb o n d i n g ) 也称之为静电场连接是一种连接金 属、半导体与陶瓷材料的很重要的方法，也是m e m s 封装中常用的一种 方法，随着m e m s 器件的发展，它在m e m s 制造领域的地位越来越重 要。本文运用阳极键合技术，分别对玻璃硅、玻璃一铝以及玻璃可伐合 金的连接进行了阳极键合试验，并在以上阳极键合试验的基础上提出了 多层晶片键合技术，重点分析了阳极键合过程的键合机理及其工艺特性； 采用光学显微镜、s e m 、万能材料拉伸试验机等仪器分析了键合后界面 结合区的微观组织结构、过渡区形成的机理以及键合试样的力学性能。 研究认为，在金属与玻璃的阳极键合过程中离子扩散和阳极氧化是 实现成功键合的根本所在，在这个过程中电压、温度和表面光洁度是影 响键合反应的主要因素。温度和电压越高，在界面处的形成的化学键密 度就越大，键合质量就越高，在某种程度上电压和温度有一定的互补作 用。在金属与玻璃的键合界面处有明显的过渡层产生，通过e d s 分析发 现在界面两侧元素处呈梯度分布，元素有明显的扩散迹象。 试验发现，在玻璃与硅片的键合过程中氧离子的扩散起主导作用， 氧离子从玻璃中扩散到硅基体中并同硅结合反应形成过渡层，过渡层随 氧离子的不断沉积而加宽；在玻璃与铝箔的键合过程中氧元素向玻璃铝 太原理工大学硕士研究生学位论文 界面移动的同时，铝元素也同时向玻璃界面碱金属离子耗尽层扩散，最 终铝离子与玻璃耗尽层中的非桥键氧原子在界面发生氧化反应，形成永 久键合；在玻璃与可伐合金的键合过程中铁、钻、镍都向玻璃中扩散， 而铁元素更容易被氧化而形成化学键，可伐合金的表面光洁度和表层组 织是影响键合的关键所在。 在以上试验的基础上，本文重点讨论了多层晶片键合技术：公共阳 极法和两步法。综合运用这两种方法可以实现三层或更多层晶片的连接。 公共阳极法可以看作是两个阳极键合的并联，在键合过程中阳极两侧的 阴极材料同时发生离子移动并形成耗尽层，两侧的静电场同时产生，进 而和阳极材料反应并结合在一起。在两步法中，第二次的键合电流变化 趋势和单纯的阳极键合的电流变化趋势几乎一样。在第二次键合过程中， 钠离子仍然可以向相反的方向移动进而形成强电场并导致键合成功实 现。通过界面的微观组织分析并对比单纯阳极键合操作所形成的界面并 没有发现有什么本质的不同，因此本文认为公共阳极法和两步法是一种 可靠的键合多层晶片的技术。 关键词：阳极键合，玻璃，硅，铝，可伐合金，公共阳极 太原理工大学硕士研究生学位论文 i n v e s t i g a t i o no nt h em e c h a n i s ma n d m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s o ft h ea n o d i cb o n d i n gf o rt h ep y r e xg l a s st o m e t a l s a b s t r a c t a n o d i cb o n d i n g ，a l s oc a l l e df i e l d - a s s i s t e dd i f f u s i o nb o n d i n g ，i sak e y t e c h n i q u ef o rs e a l i n ga n df a b r i c a t i n gt h em e m s ( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a l s y s t e m ) a n dt h em i c r o i n s t r u m e n t s ，b o n d i n ga l k a l i r i c hg l a s st om e t a l so r s e m i c o n d u c t o r s a n di tb e c a m e i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i nt h em e m s p r o d u c t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eb o n d i n gt e c h n i q u ef o rg l a s st os i l i c o n ， g l a s st oa l u m i n i u ma n dg l a s st ok o v a la l l o ya r ei n v e s t i g a t e d b a s e do nt h e e x p e r i m e n t s ，c o m m o na n o d ep r o c e s sa n dt w os t e p sp r o c e s sa r eg i v e n ，a n dt h i s c a nb eu s e dt ob o n d i n gm u l t i p l el a y e r so fw a f e r s t h eb o n d i n gm e c h a n i s m a n db o n d i n gp a r a m e t e r sa lea n a l y z e d t h es e m ，e d sa n di n s t r o n5 5 4 4 m a c h i n ea r ea p p l i e dt oi n v e s t i g a t et h ei n t e r f a c i a ls t r u c t u r e ，t h eb o n d i n g m e c h a n i s ma n dt h et e n s i l es t r e n g t ho f t h eb o n d e ds a m p l e s i ti ss h o w nt h a tt h eb o n d i n gt e c h n i q u em a i n l yr e l i e do nt h ei o n sd i f f u s i o n a n dt h ea n o d eo x i d i z e ，t h ev o l t a g e ，t e m p e r a t u r ea n dr o u g h n e s so ft h es u r f a c e i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a r et h ei m p o r t a n tf a c t o r st oi n f l u e n c et h eb o n d i n gr a t i oa n dt h eb o n d i n g s t r e n g t h t h eh i g h e rt h ev o l t a g ea n dt h et e m p e r a t u r e ，t h ed e n s e rt h ec h e m i c a l b o n di nt h ei n t e r f a c ew i l lb e t h ev o l t a g e a n d t e m p e r a t u r e h a v ea c o m p l e m e n t a r ye f f e c tw i t he a c ho t h e r s ot h eb o n d i n gp a r a m e t e r ss h o u l db e d e c i d e da c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h es a m p l e s t h e r ei sav e r yo b v i o u s t r a n s i t i o n a ll a y e ri nt h eb o n d i n gi n t e r f a c e t h ee d sr e s u l t si n d i c a t et h a ti o n d i f f u s i o ne x i s t si nt h eb o n d i n gi n t e r f a c ea n dt h ee l e m e n t sd i s t r i b u t e si nt h e p a a e m o fg r a d i e n t i ti sf o u n di nt h ee x p e r i m e n t st h a ti nt h eb o n d i n gp r o c e s so fg l a s st o s i l i c o n ，i ti st h e0 2 d i f f u s e di n t ot h es i l i c o na n dr e a c tw i t ht h es i l i c o nt h a t r e s u l tt h es u c c e s s f u lb o n d i n g ；f o rt h ec a s eo fg l a s st oa l u m i n i u m ，a l u m i n u mi s m o t i v a t e da n dd r i f t e di n t ot h eg l a s s ，a tt h es a m et i m et h eo x y g e ni o n sd i f f u s e d i n t ot h eb o n d i n gi n t e r f a c e t h es o d i u md e p l e t i o nr e s u l t si nt h ed i f f u s i o no f a l u m i n u mi n t ot h eg l a s sw h e r et h ed i f f u s e da l u m i n u mr e a c t sw i t ht h e n o n b r i d g i n go x y g e n a n d t h e np e r m a n e n tb o n d i n gi sa c h i e v e d ；a st og l a s st o k o v a ra l l o y , t h ef ei nt h ea l l o yw a so x i d i z e dp r e f e r e n t i a l l yb yt h e0 2 。，t h e r o u g h n e s sa n dc o n s t i t u t i o no ft h es u r f a c eo ft h ea l l o y c a ni n f l u e n c et h e b o n d i n gp r o c e s sd r a m a t i c a l l y b a s e do nt h ee x p e r i m e n ta b o v e ，t h eb o n d i n gm e t h o d so fc o m m o na n o d e a n dt w os t e p sa r eg i v e n u s i n gt h et w om e t h o d s ，m u l t i p l el a y e r sc a r lb e b o n d e dt o g e t h e r t h ec o m m o na n o d em e t h o dc a nb ec o n s i d e r e dt w op a r t so f i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ea n o d i cb o n d i n gi n p a r a l l e l i nt h i sp r o c e s s ，t h ei o nm o v e m e n t s ，t h e i n t e r f a c i a lr e a c t i o na n de l e c t r o s t a t i cf i e l di nb o t hs i d e so ft h ea n o d ew i l lo c c u r a tt h es a m et i m e f o rt h em e t h o do ft w os t e p s ，t h ec u r r e n tv a r i a t i o ni nt h e s e c o n ds t e ph a sn od i f f e r e n c ew i t ht h ef i r s ts t e p i nt h eb o n d i n gp r o c e s s ，t h e n a + c a na l s om o v ei nt h eo p p o s i t ed i r e c t i o n c o m p a r e dt h em i c r o s t r u c t u r e b o n d e di nt h ef i r s t s t e p a n ds e c o n d s t e p ，i ti s a l m o s tt h es a m ew i t ht h e m i c r o s t r u c t u r eb o n d e dw i t ha n o d i cb o n d i n gm e t h o d k e yw o r d s ：a n o d i cb o n d i n g ， g l a s s ，s i l i c o n ，a l u m i n i u m ，k o v a r a l l o y ，c o m m o na n o d e v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文。是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外。本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：当! i 堑! i 壶：日期：坦2 ：堕兰立 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：益! i 查蔓查e i i t t l ：丝2 ：芏：2 生 导师签名：日期： 太原理： 大学硕士研究生学位论文 1 1 前言 第一章绪论 随着现代高性能功能材料和电子工业的发展，工业中各种金属与非金属、非金属 与非金属材料连接结构的应用越来越多，焊接性能要求也越来越高，因而对非金属材 料之间的连接技术提出了更高的要求。由于陶瓷材料的延展性和冲击韧性低，耐热冲 击能力弱，加工性能差，以至于使其制造尺寸复杂的零件较为困难。通常需要与金属 材料组成复合结构或功能组合结构来满足应用要求。因此，实现陶瓷与金属之间的可 靠连接是陶瓷材料能够发挥其作用的关键。目前，陶瓷与金属成熟的连接技术主要有 钎接、扩散连接和粘接。扩散连接适用于各种金属与陶瓷的连接，接头强度高、耐高 温性能及抗蚀性能好，尤其适于精密器件和仪表的制造。对于非金属材料的连接，传 统方法( 钎焊、热压扩散焊) 一般都有焊接温度高、工艺过程复杂、焊接条件苛刻( 如 要求真空或保护气氛) 等特点。特别是高的焊接温度，容易带来许多问题，如对热膨胀 系数不匹配更为敏感、引起变形等。阳极键合技术( a n o d i cb o n d i n g f i e l d a s s i s t e d b o n d i n g ) 可以在某种程度上部分克服这些方法存在的问题，因而在微电子机械系统的 制造中具有较高的研究和应用价值。 1 2 微电子机械的键合操作 键合操作在微电子机械( m e m s ) j j n i 中广泛应用。它可以把相同的或不同的衬 底，相同的或不同的元件以及衬底和元件通过机械作用( 有时通过电作用) 永久地连 接成一体。从衬底之间的共价键键合到商业用的胶水形成的中间粘结层，可用的键合 操作有多种。在多数情况下，器件要求密封，这在腔的键合用于微电子机械器件的封 装时尤为重要。 1 2 1 共晶键合 共晶键合是利用能形成共晶金属的两种金属之间的原子的扩散原理来完成的共 太原理工大学硕士研究生学位论文 晶键合必须要求要键合的两种金属之间能够形成共晶合金在与硅片键合的过程中我 们一般选择金来形成共晶合金在键合过程中，温度必须达到两者的共晶温度，以便 使而者融合在一起形成固态键合。这个温度小于任何一个金属组分的熔点。共晶键合 主要依赖于组成两种晶片的组分。在与硅的键合过程中金是一种比较常用的材料，金 和硅的熔点都在一千摄氏度以上，然而它与硅的共晶温度是3 6 3 ( 2 合金成分金为 9 7 0 7 ，硅为2 8 3 。与硅键合的基片首先应该形成一层金的薄膜，这样在高温状态 下金与硅紧密的接触并迅速的扩散到硅基体里面并形成a u s i 合金，这个过程会持续 下去，直到所有的金都耗完为止。它的具体焊接方法有手工焊接法和超声波摩擦焊接 法。除了h u - s i 合金以外，另外一种常用的共晶合金是p b s n 合金，通过溅射p b 、 s n 薄膜可以实现晶片之间的键合，它的价格要低廉的多，由于p b 的污染性，已经不 再在晶片键合中使用”1 。 1 2 2 粘接键合 通过胶水实现键合是最早应用的一种键合技术，也是一种最低廉的键合方法。它 的键合温度通常低于但是接近玻璃的转化温度。键合环境要求达到一定的清洁度，通 常首先把粘接剂通过一种微机械喷嘴装置均匀的涂在基片上面，要键合的部分放置在 粘接剂的上面，然后再施加一个机械压力，使其紧密接触。这种键合对粘接剂的要求 比较高，一般要求它具有以下的特点：( 1 ) 能够承受机械冲击、震动、热循环冲击、 高温、化学腐蚀。( 2 ) 低的流动性。( 3 ) 良好的抗拉、抗剪强度。( 4 ) 能够粘接大多 数的塑料、金属和玻璃。这种键合方法多依赖于良好粘接剂的开发，目前已经广泛应 用的粘接剂主要有：高温粘接剂、低热膨胀系数的粘接剂、导热粘接剂、导电粘接剂。 导电粘接剂一般含有银，它的电阻率小于1 0 1 q c m ，可以在一5 0 1 3 5 c 的环境下使 用另外，在m e m s 键合过程中只需要微量的粘接剂，开发高精度的机械装置以保证 粘接剂用量的合理也对键合质量有重要的影响。过量的粘接剂会导致微电子器件尺寸 的变形，这会严重影响m e m s 器件的精确性，同时粘接剂的溢出也会损坏m e m s 器件， 而少量的的粘接剂又不可能形成牢固的键合。在粘接键合中，粘结剂的用量一般在纳 升数量级的范围内，所以把握用量是至关重要的，实际上粘结剂的喷嘴装置一般与喷 墨打印机的喷嘴很相似0 1 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 3 硅熔键合 熔键合( s i l i c o nf u s i o nb o n d i n g ) t 艺包含硅与硅的直接键合，它在工业中具 有广泛应用，可制造多种微机械结构。两片硅晶片，有或没有热s i o , 层都可，可以 直接键合在一起。键合成的复合结构几乎没有热应力，这是因为两个硅片的热膨胀系 数是使相同的，另外键合的机械强度也是与实际硅一样的，这是一种在晶片之间形成 空腔、通道等结构的很好方法。 硅熔键合的基本原理是两基片表面必须有大量的氢 氧基( 这可通过用煮沸的硝酸来处理来实现) 。这一步使晶片非常亲水。开始时，两 晶片是由接触时形成的氢键键合在一起的，一直到键合反应发生 s i o 一h + h - _ c 卜- s i - - s i o s i + h 2 0 这种键合反应发生的温度为3 0 0 8 0 0 c ，为了加强键合，有时要在8 0 0 1 1 0 0 c 在氧 气或氮气中退火。另外一种方法可以不用这一水合工序中所要求的高温( 大约i 0 0 0 ) 和静电能量，但必须在两晶片的表面必须有s i 仉。 与阳极键合不同的是，硅熔键合不需要电场的辅助，它是利用界面处产生的化学 力来自动完成的。它对界面的光洁度比阳极键合有更高的要求。界面的平整度应达到 l u m 。它的键合强度可以高达2 0 m p ，接近单晶硅的基体强度。它的键合过程如下图卜1 所示： is i o ： ：丁l l _ l u n 、 一i一 = ：一i _f f w b o 。n k d n e d d e h y d r a t i o n 图1 - 1 硅镕键合示意图 f j g 1 1 s i l i c o n f u s i o nb o n d i n g b yh y d r a t i o n 退火处理在硅熔键合完成后是必不可好少的，退火温度在3 0 0 c 以下键合强度并 没有实质性的变化，但是当退火温度提高以后，键合强度会有明显的提高。这是因为 高温状态下脱水过程会进行的更加彻底。通常所用的退火温度为i 1 0 0 c 1 4 0 0 c 太原理工大学硕士研究生学位论文 硅熔键合一般用于以下几种材料之间的键合操作：( 1 ) 硅硅键合，( 2 ) 硅与氧化 硅，( 3 ) 氧化硅与氧化硅，( 4 ) 砷化镓与硅，( 5 ) 石英与硅，( 6 ) 硅与玻璃。 1 2 4 阳极键合技术及其特点 阳极键合自1 9 6 8 年由p o m e r a n t z m l 首创以来，至今已有三十年历史。它最初是将 一片碱性硅酸盐玻璃放在两金属片之间，将其中一片金属连接到直流电压的高压端 ( 阳极) ，另一片连接到低压端( 阴极) ，组成一个回路。然后将金属片与玻璃的温度 升高到几百摄氏度，电压升高到几百伏，经过一段时间就会发现接阳极的那片金属已 与玻璃粘接，而与阴极相接的那片不会粘住，故称为“阳极键合”。它是一种利用电 和热联合作用实现异质材料固态连接的方法。早期阳极键合用于金属或半导体对玻璃 的封接，后来t r i c k 与c a w l y 。1 又将这种方法推广到陶瓷与金属的连接。目前，阳极键 合技术较多地用于电子、电真空、航空航天等领域的半导体器件、微型传感器、太阳 能电池及集成芯片等结构器件的制造中。据报道，该法己被用于多种非金属材料与 k o v a r 、f e n i 、a 1 、c u 、t i 等合金和金属及s i 、g a 、a s 等半导体的封接即1 阳极键 合的工艺过程如下见图1 - 2 ：( 1 ) 将玻璃片置于硅晶片或氧化硅晶片表面。( 2 ) 加热 到约4 0 0 。( 3 ) 给硅和玻璃之间加电，玻璃接阴极，硅保持正极。电源一般为3 0 0 1 0 0 0 v 。硅硅之间的键合也可以通过阳极结合键合的工艺，但需要一个玻璃中间层。 它通过溅射、蒸镀或沉积玻璃的方法得到的。沉积之后，膜片上观察到很大的压力。 需要在5 0 0 时退火十分钟，压力或减少很多 硅衬 图1 2 典型的阳极键合设备 f i g 1 2t h es c h e m a t i cd i a g r a mo ft h ea n o d i cb o n d i n g 高 压 电 源 阳极键合技术的特点是键合温度低( 远远小于固体的熔点) ，工件变形小，机械 太原理工大学硕士研究生学位论文 强度高，密封性好，工艺简单，键合可在真空中进行，也可在保护气氛下进行，有时 也可以在空气中进行。阳极键合技术低温的特点缓解了传统焊接方法中的材料物理性 能不匹配问题，也保证了材料的某些性质( 如玻璃的光学性质或器件的电学特性) 不 受破坏。由于以上特点，阳极键合技术正被越来越多的人所关注，应用也越来越广。 袁1 - 1 各种键舍方法 t a b l e 卜1t h eb o n d i n gm e t h o d s 键合方法温度气密性稳定性 粘接键合低 差 不确定 共晶键合 中 好不确定 阳极键合 由 好好 熔化键合很高好好 摩擦键合很高好 好 通过上面表1 - 1 可以看出阳极键合同其他方法相比有无可比拟的优越性，因此引起了 大家的广泛关注m 。 1 3 阳极键合的影响因素 1 3 1 温度与电压 阳极键合技术是电与热共同作用的结果，因此电压与温度时影响阳极键合的主要 因素，高的温度可以产生更多的碱金属离子，而高的电压会产生高的电场力，这些都 会影响电流的大小嗍。 1 3 2 时间 尽管界面的形成是在瞬间完成的，但是焊接质量仍然可以得到通过延长时间来得 到提高。因为离子的完全移动和化学反应不可能在极短的时间内完成。键合过程是 s i 0 ：在硅基体上沉积的过程，s i 0 ：的沉积和生长也需要一定的时间来完成。界面的形 成和连接强度与电流并不是绝对的，结合密度仍然可以通过延长时间来得到改善，所 以可以得出这样一个结论：时间越长，过渡区的宽度就越宽，连接质量也就越好“”。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 3 电源的影响 传统的方法是利用直流电源进行阳极键合，而实际上通过改变电源和电极的特性 可以很好的提高键合之量。采用脉冲电源并选择合适的频率可大大缩短键合的时间 1 e - 1 3 ) o 在s i g l a s s - s i 的键合过程中通过交流电并调整适合的频率可以使玻璃与两侧的 硅片交替同时键合在一起，但是它的键合强度要低于s j g l a s s 的键合强度。这种方 法主要取决与交流电频率的选择“”。 另外，电极也是影响键合质量的因素之一，在小面积键合时使用单点接触就可以 达到键合目的，但是在大面积键合时就必须通过多个点电极的方法改变键合的质量， 这也使得键合所需时间大大的减少“”。 1 3 4 热膨胀系数 选择热膨胀系数相匹配的材料是实现良好键合的关键所在，由于金属的热膨胀系 数一般都比较大，因此在与金属的键合中，一般选择金属箔来消除热膨胀系数的差异。 在玻璃与硅片的键合过程中控制键合的温度以使其的热膨胀系数相近，再通过加大电 场就可以大大提高键合的质量“”。 1 3 5 气氛的影响 阳极键合可以在真空中进行，也可以在气体保护气氛中进行。在金属与陶瓷的 键合过程中，为防止金属在键合之前被氧化必须要通过惰性气体保护键合如果需要 真空密封的器件还要考虑键合炉中温度的均匀性，因为温度不均匀可能会导致键合界 面化学键密度的降低进而影响键合的质量，这时候可以通过在玻璃表面溅射一层金属 薄膜或改进加热装置来改善键合操作“_ ”1 1 3 6 压力和表面粗糙度 要想实现连接，晶片必须紧密接触。由于晶片不可能绝对的光滑，表面光洁度越 高，键合质量也就越高。在外在压力和高温作用下，玻璃发生粘性流动而与金属紧密 地接触，这是实现初步键合的前提条件“”。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 阳极键合的应用 阳极键合主要用于m e m s 器件中的陶瓷材料与金属或半导体材料之间的连接： 1 4 1 玻璃与硅的键合 由于硅是一种常用的半导体材料，在微电子领域中应用很广泛，所以大家对硅的 研究比较多。太原理工大学的孟庆森等人研究发现在玻璃与硅的连接过程中界面处形 成了以s i o 。为主的柱状过渡层，0 ，n a ，s i 元素呈梯度分布陋“。西安交通大学的 喻萍、曹宗杰等人对影响k 4 玻璃与s i 的连接因素：电压、温度、时间进行了系统得 分析，并提出了一种新的检测方法：超声波检测方法，它是一种非破坏性的检测方法， 通过测定晶片之间的键合率来检测键合质量，这在工业生产中有重要的意义。华 中科技大学m x c h e n 等人对连接的可靠性进行了系统得分析，进行了一系列的热 冲击、热循环试验，并制定了一系列的晶片封装规范。挪威的m m v i s s e r 等人 系统研究了在阳极键合中碱金属离子的分布状况“7 。 1 4 2 硅硅键合与玻璃玻璃键合 硅一硅键合与玻璃一玻璃键合基本是玻璃与硅阳极键合的延伸，因为玻璃与硅的键 合工艺日渐成熟，因此采用玻璃或者硅作为中间层是实现硅一硅键合与玻璃一玻璃键合 首选手段，形成中间层的主要手段是磁控溅射、蒸镀或物理气相沉积等方法，新加坡 的j w e i 和韩国的d u c k j u n gl e e 等人通过在玻璃表面上形成一层无定型的非结晶 硅成功的实现了玻璃与玻璃的键合，键合强度最高可以达到2 5 p a 。并对键合过程中 的静电场力作了详细的分析。分析认为静电场力在4 0 0 时高达8 0 x1 0 ”k n m 2 ，器 件气密性良好，这在场发射显示器和等离子平板显示器中有重要的应用4 。 1 4 3 玻璃与合金的键合 k o v a r 合金是一种在电真空中常用的一种金属材料，由于它具有良好的焊接性和 同玻璃相匹配的热膨胀系数而广泛用于作为微电子领域的封装材料。研究金属材料与 玻璃的键合机理在芯片封装中仍然具有重要的意义，k o v a r 合金的使用大大的提高了 太原理工大学硕士研究生学位论文 芯片的机械强度，可以使其在更苛刻残酷的环境下使用。而钛的使用可以使器件具有 更好的生物相容性。在玻璃与k o v a r 合金的键合过程中，玻璃的弹性变形和粘性流动 是使得玻璃和金属紧密地结合在一起的作用。f e 的扩散在键合过程中起到了关键的 作用，因为相比较c 0 2 + 和n i ”，f e 2 更容易与0 2 + 发生反应。通过加反电场可以使使键 合界面发生破坏，利用这一特点可以分离回收微电子装置。可以同玻璃形成键合的金 属还有i n v o r ，钛，镍等，d a n i c kb r i a n d ，p a t r i cw e b e r 等对各种的金属的键合特 性作了系统详细的报道。“”。 1 4 4 玻璃与铝的键合 铝是一种最常用的导电材料，因此对铝的研究报道比较多”。日本的x i n g q i n g f e n g 等人认为在铝与玻璃的键合过程中，铝原子的扩散起到到了决定性的作用， 并没有发生阳极氧化反应，是铝原子的扩散导致了键合的成功实现。而英国的 a n t o n i u st j 等人通过投射电子显微镜观察发现在键合界面处有树枝状的纳米b - a 1 。0 ，生成，这种树枝状的纳米b - a 1 ：0 3 象钉子一样把玻璃和铝箔钉在一起，b - a 1 ：嘎 是形成牢固键合的原因所在。美国的n i t e s hd n i m k a r 等人用此技术设计了一种电子 测试表面设备，该设备的散热器结构由硅玻璃铝玻璃硅五层组成( 如图卜3 ) ， 就是通过多次运用阳极键合技术实现其五层结构的连接“2 1 。 7 5 c n 玻璃晶片l o c m 玻璃晶片 、 州、 ，1 器i 一_ 夕舳觥艏 j 一1 _ uu 图i - 3 在玻璃基体上对称键合的散热器结构图 f i g i - 3 h e a ts i n k g e o m e t r y , a s y m m e t r i ca r r a n g e m e n t o na9 1 螂 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 5 玻璃和p z t 陶瓷的键合 玻璃和p z t 陶瓷的键合是通过在p z t 陶瓷表面溅射一层铝来实现的，所它们之间 的键合最终是玻璃与铝之间的键合问题“”。 1 5 阳极键合的基本原理 阳极键合过程实质是固体电化学反应过程，其键合过程如图卜4 所示，在高温高 压下，玻璃中的碱金属氧化物电离，通电后施加于两极板之间的电场使玻璃中的碱金 属离子( 主要是n a + ) 从阳极附近迅速向阴极移动，一部分n 0 被中和并在阴极表面析 出，在玻璃与阳极界面附近形成约几胁厚的碱金属离子耗尽层，负电荷主要聚集在 该耗尽层；同时在阳极硅表面产生相等数量的正电荷，这就形成了一个类电容器的结 构，使得在玻璃耗尽层与硅界面产生高强电场，电压降主要集中在耗尽层区域，非耗 尽层区域电压降较小( 电场分布如图1 - 5 所示) ，据报道耗尽层附近电场高达1 0 6 v c m ， 电场在阳极硅和阴极玻璃界面产生了巨大的静电场吸引力使得玻璃与硅紧密接触， 耗尽层中氧负离子向阳极硅界面移动，同硅发生了不可逆的氧化反应；反应的过程就 是s i 0 ：在硅基体上沉积的过程，在通电初期，受静电力作用，碱金属氧化物迅速的 分解并向相反地方向移动，因此起始电流很大，而后在玻璃中形成碱金属离子耗尽层， 随着耗尽层的增大，内外电场达到平衡，整个过程是在瞬间形成的，因此电流下降很 快并且很快达到一个稳定值。硅玻璃阳极键合机理如图1 - 4 所示，通电后，电压降 集中于键合界面处，氧负离子受电场力作用，迁移至界面，键合界面前沿的s i + 、旷 离子相键合形成硅四面体结构，随着键合时间的延长，界面处形成一层硅的氧化层， 部分氧原子受电场力作用，通过扩散迁移穿过氧化层进入硅基体，最终玻璃耗尽层的 氧负离子与硅形成硅氧复合氧化物，此观点在其它文献中也有相似报道：氧离子向硅 界面迁移扩散了约4 n m ，在非晶硅与玻璃阳极键合时，其键合温度为3 5 0 c ，键合电 压5 0 0 v ”。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( a ) 玻璃与硅通过静电力紧密接触 电吸引力 lf n a + + n a + f n 8 n a 叶 0 1 1eo 、6o2 y 7 0 v2 - eo 鹳o2 + - 1 易7，矧， 切包歹s ，l 离子电流，使玻璃产生了耗尽层氧 阴离子受静电力作用迁向界面并与硅 表面反应，形成s i - o 键 ，耗尽区 ( c ) 当耗尽层大到一定程度，反应停止 ( d ) 阳极连接中电流过程，表明了一些典型的 数值过程a ) - o ) 的电流在x 轴上标出 图i - 4 阳极键合过程示意图 f i g i - 4s c h e m a t i cp r o c e s so f a n o d i cb o n d i n g 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 v 图1 5 硅玻璃阳极键合电场分布及键合机理示意图 f i g 1 5t h em e c h a n i s mo f a n o d i cb o n d i n ga n dd i s t r i b u t i o n o f e l e c t r i c a lf i e l db e t w e e ns i l i c o na n dg l a s s 1 6 阳极键合在m e m s 器件中的应用实例 1 6 1 加速度计的封装 加速度计分为有源加速度计和无源加速度计两种：前者是靠是弹性效应( 通常由 柔性部件产生) ，而后者是利用闭环力产生机构使检测质量块保持不动( 因而产生平 衡力所需要的信号与质量块的加速度成正比) 。 人们可以研制测量线加速度的加速度仪，根据定义 a = 窘= 面d v其中俨百d x ( 1 - 1 ) 式中，x 是角位移，单位是r a d ，v 是线速度，单位是m s 。 一般来说，加速度计是利用检测块或震动块来测量加速度的，外部加速度对质量 块发生作用，然后通过测量质量块的位移、质量块对框架的作用力或保持其位置不变 所需要的力( 对后者，即有源加速度计，需要一个闭环控制系统) 来得到加速度值。 这些设计是基于测量加速度直接或间接作用在质量块上所产生的力。此力可以简单的 表示为f = m a 。 害sula 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 应变加速度计 微机械压阻应变式加速度计是用一块7 7 4 0 p y r e x 玻璃片与硅片阳极键合而成，由 此形成了质量块的封闭腔。要对玻璃进行各向同性腐蚀以形成空腔。在连接质量块与 硅支撑边缘的可弯曲梁上有一个扩散形成的压敏电阻，质量块的位移就是通过它来检 测的。在这里玻璃起到了封装的角色。见图i - 6 ： 气隙 引线 导电环 硅梁皋检测质量块 图i - 6 微机械压阻加速度计的整体结构 f i g 1 - 6 t h ec o n f i g u r a t i o n o f t h e m i c r o a c c e e r o m e t e r 2 体微机械应变加速度计 体微机械应变加速度计与上例大体相同，也是由玻璃同硅阳极键合形成封闭腔。 但它增加了许多改进之处，例如在硅片上面多了一层硅熔融键合的使用，还有过载与 阻尼的设计以及应变片定位的变化硅熔融键合用来精确键合上下两层硅片，上层硅片 与下层硅片之间有预制的空腔。见图1 - 7 ： 传感电阻 弯曲梁 间隙2 支撑框架 玻璃衬底检测质量块 图1 - 7 现代应变式的加速度计的截面图 f i g 1 7t h es e c t i o nc o n f i g u r a t i o no f t h ea c c e l e r o m e t e r 载和阻尼 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 6 2 压力传藩器 压力传感器可用来测量与一个密封的参照空腔相对的压力( 例如，腔内为真空) 或测量两个端口输入的压差。对于密封的空腔来说必须注意到，真空是首选的，因为 其参照压力不会随温度而变化。具体见图1 - 8 对于周边固定的圆形薄膜，中心挠度与 压力p 以及其他物理设计参数的关系为 一一p i n p u t l a 曹封测量 p i n d u “ 菲密葑测量 p i n p u | l 一一 气。7砷，”锡，9 。曝乏：习f7 。，臻j 秀翮厂i 虿虿习 包釜：竺逸蒸：篷笙羔。盏；jl 鍪竺：五翻匕；i 逐垒翌 密封测量：差分测量 图1 - 8 常见的微机械压力传感器类型 f i g 1 - 8t h em o s tc o m m o nt y p eo f t h ep r e s s u r es e n s o r 器= 煮c 钞南c 耖 m z ， 式中p ：施加的压力，单位：p a ；r = 薄膜半径，单位：m ，e = 杨氏模量，单位，p a ， h = 薄膜厚度，单位，m ，u = 泊松比； y = 薄膜中心挠度，单位：m 。 通过以上公式可以计算压力的大小。 压力传感器就是利用硅片腐蚀出空腔再通过玻璃用阳极键合连接起来形成的。压 租式压力传感器它是由电化学或选择性搀杂各向异性腐蚀体微加工技术制成的平面 薄膜。压敏电阻放置在薄膜的边缘附近，在其线性工作范围内，提供一个与薄膜挠度 和压力成正比的电输出，通过测量电输出就可以测量压力的大小。祥见图卜9 、图 1 1 0 ： 奎堕望三盔兰堡圭堕塞生兰垡堡苎 聚酰亚胺 牺牲层( 腐蚀部分) 聚酰亚胺薄膜 薄膜释放 图卜9 采用牺牲层工艺制造波状薄膜的过程 f i g i 9 t h e m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s o f t h e w a v e f i l mb yc o r r o s i o n 键合盘( a l y 图卜1 0 典型压租式微机械体硅加工薄膜压力传感器简图 f i g 1 1 0t h et y p i c a lm i c r o - m e c h a n i c a lp r e s s u r ep i c k u pb a s e do n t h es i l i c o ns u b s t r a t e 1 6 3 电容传感器 我们在实验中用到的电容般是平板电容器。电容的大小与电压与电量有关 c ：垒 u ( i - 3 ) 电容器的电容决定于电容器本身的结构，即两导体的形状、尺寸以及两导体的 种类等，而与它所带的电量无关，对于平板电容器它的电容由以下公式决定 蓊剃 太原理工大学硕士研究生学位论文 c ：盥 d ( 1 - 4 ) 岛是真空介电常数，占，是电介质相对介电常数。当两电极板的距离以及电介质 变化时电容的大小就会变化。 1 电容式触觉传感器 电容传感的方法可以很容易的用于触觉传感器。在这类器件中电极板相互间的变 形、介电质在极板间的移动可以改变电容的大小。通过测量传感器上固定极板与测量 对象之间的电容可获得待测的量。见图1 - 1 1 ： 电解质薄膜 龟容问 底层金属板 图1 - 1 1 微机械电容式魁觉传感器的一个元件 f i g 1 - 1 1o n ep a r t o f t h e m i c r o - m e c h a n i c a lc a p a c i t a n c e t y p es e n s o r 2 机械电容红外传感器 该传感器通过传感器内气体膨胀来调节空气为介质的电容器两电极间的间距。 如图卜1 2 所示器件的基本设计是利用一个2 0 0 n m 厚的l p c v d 氮化硅作为平行板电容 器的可动部分；通过红外线加热使吸收层变热，气体腔内气体受热膨胀使气体腔变形。 两1 5 n m 厚的金电极间的间隙变窄( 两电极中可动电极在薄膜上，固定电极在阳极键 合的7 7 4 0 p y r e x 玻璃层上) 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 入射辐射 图1 - 1 2 微机械红外传感器 f i g 1 1 2t h em i c r o m e c h a n i c a li n f r a r e ds e i l s o r 1 6 4 微机械管道的封装 1 微机械管道 流体和气体的管道是微型流体系统的最基本的构成模块，图1 - 1 3 是一流体通道， 它是先在硅片上通过各向异性腐蚀出一定的形状，再和玻璃通过阳极键合连在一起。 卜与 ii 图1 - 1 3 各向异i 生腐蚀硅片的微机械流体通道硅片与玻璃采用阳极键合密封 f i g 1 - 1 3t h em i c r oc h a n n e lm a d eb ya n o d i cb o n d i n g 6 奎堕堡王查兰堕圭堑窒竺兰鱼堡奎 图卜1