静电键合影响因素.docx

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静电键合影响因素

提高温度和提高电压对键合质量的提高的影响却不一样，不同学者的研究结果都表明键合温度对键合质量的影响更大。

1.温度影响（200~450℃）

a）在350--360℃之间进行键合时，键合速度和键合引起的应力和变形是最好的折中。

（9.16cm，525um厚）。

b）温度超过200℃时，在直流电场的作用下钠离子能摆脱玻璃内部晶格的束缚，向阴极移动。

c）膨胀系数:

PYREX7740玻璃在3.3xl0-6/℃左右，硅2.33×10-6/℃左右。

第一个交点20℃左右；第二个相交点在280℃左右；第三个相交点在540℃左右。

在20~280℃时，玻璃比硅的膨胀系数大，而在280~540℃时，硅比玻璃的热膨胀系数大一些。

PYREX7740玻璃

软化点

820℃

短期使用<10h

550℃

长期使用≧10h

450℃

2.电压影响（200~1000V）

键合电压的上限是玻璃不发生击穿，下限则要保证静电吸引力能够引起键合材料的弹性或塑性变形，使键合界面发生紧密接触，从而产生键合。

3.电极影响

a）.采用点电极进行键合，键合质量好但速度慢。

键合区域由电极处向外扩展，可以避免键合界面空洞的产生，提高键合质量，但时间较长。

b）.板电极进行键合，速度快。

键合界面处容易产生的空洞等缺陷。

4.实例

a）.10mm*10mm*0.5mm薄片。

温度：

400℃，电压：

750V，键合压力：

0.1MPa。

b）.15mm×15mm×400um硅片,15mm×15mm×350umpyrex7740#玻璃。

采用平板阴极方式键合，温度：

350℃，电压：

400V。

c）.20mm×20mm×2mm薄片。

温度：

250～450℃，电压为200～750V，压力为0．05～lMPa。

时间5～10min。

d）.直径9.16cm，厚度525um。

温度：

350--360℃；电压：

200~1000V；压力：

3*10-3Kpa~100Kpa。

e）..玻璃环尺寸为外径8mm，内径6mm，高2mm。

温度360℃，电压：

1100V。

国内外主要用Pyrex玻璃及SD-2玻璃作为...

Si熔点1410℃

2mmPYREX7740玻璃片

BOROFLOAT®33基本参数：

肖特耶拿玻璃公司利用微浮法工艺和最新的技术生产而成莫氏硬度：

7

技术参数：

化学成分：

密度（25℃）

2.2g/cm2

膨胀系数（ISO7991）

3.25´10-6k-1

透光率

91%

软化点

820℃

短期使用<10h

550℃

长期使用≧10h

450℃

折射率（587.6nm）

1.47140

努氏硬度

480

机械强度高，绝缘性能优良，介电损耗少，介电常数稳定，热膨胀系数可在很大范围调节，耐化学腐蚀，耐磨，热稳定性好，使用温度高。

微晶玻璃具有比一般玻璃更为优良的特性，主要表现为：

1、具有更加稳定的化学性能：

抗水合，抗水化能力，抗阳离子交换能力；

2、具有更高的机械强度；

3、具有更优良的电学性能：

介电损耗率最低；

4、具有良好的热学性能：

热膨胀系数低，热振稳定性能好，高温软化的温度点高。

1

阳极键合用微晶玻璃的制备及键合影响因素研究曹欣武汉理工大学2007

.本实验中采用的仪器具体参数如下:

a、高压电源:

采用HBF一202一2AC型高压电源，其电压的控制范围为

一2000V到OV

b、加热板:

采用德国肖特生产的SLK一2T型加热板，其温度控制范围为

0一500℃。

c、电极:

本实验中选用板电极，材质为石墨。

d、超声波清洗机:

采用KQ一100KD型数控高功率超声波清洗机。

微晶玻璃有一定的

击穿电压，而所选择的微晶玻璃片的击穿电压比较低，在加载电压为SOOV的时

候，就已经有击穿现象发生。

玻璃在常温下是一种绝缘体，并不导电，但是如果将玻璃放置于一个强电场中（两端施加电压高于500v），并且给玻璃加热（使其表面温度高于200℃），玻璃中间的碱金属离子（Na+，K+）就会具有很强的移动性，并向阴极迁移，然后聚集在玻璃一硅表面，玻璃的下表面呈负电性。

现在多选用Pyrex玻璃，其原因有二:

（l）该种玻璃中含有足够的碱金属离子，能

够保证键合过程的顺利完成;

（2）此种玻璃的热膨胀系数在33xl0-7/℃左右，（石英玻璃=5.98x10’7/℃（o一400℃））与硅的热膨胀系数2.62×10^（－6）／℃2.33×10^（－6）／℃（材料教材）相近，这使两者之间在键合时产生的热应力比较小，能够达到比较好的键合效果

硅片与微晶玻璃的键合与传统的玻璃相比，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。

目前已经有日本学者成功实现了Li20一A12O3一5102

型微晶玻璃与硅片的键合[28]

玻璃与金属的键合

在MEMS系统中所应用的基片材料很多为金属，所以用金属与玻璃进行键

合也成为研究的热点之一。

现在国外已经有学者成功地运用硼硅酸盐玻璃与可

伐（kover）铁镍钻合金在键合温度613K，键合电压500v下进行了键合[29]。

但是

并没有见到玻璃与其他金属（如玻璃与不锈钢）之间成功键合

现在也有学者考虑用微晶玻璃代替传统的玻璃与硅片[30，31

和金属[3z]进行键合。

1、提高键合温度及电压

但是提高温度和提高电压对键合质量的提高的影响却不一样，不同学者的研究结果都表明键合温度对键合质量的影响更大，有时仅需把键合温度提高30℃，其键合强度就会相差一倍左右[32]。

但是键合温度的提高不仅会增加基片材料的变形程度，不利于大规模的生产和应用，也会使键合后基片材料间的热应力增加，并且会增加键合过程中的能耗，增加键合成本。

因此在降低键合温度的同时提高键合强度就成为了现在研究的又一热点问题。

2表面处理

（i）控制两基片材料表面的粗糙程度，选取相应的精密磨片仪器即可完成

（ii）对基片材料表面进行清洗，使其表面具有亲水性，则其界面的电化学反应更易于发生，

从而达到提高键合强度的作用。

例如将基片材料置于120℃时放入表面活性

H2504:

HZOZ=10:

l的溶液中巧min，然后用去离子水清洗后用N:

烘干，其键合面积将达到总面积的95%以上，并且键合时间大大缩短，键合强度得到提高[33]

3、合理选用电极

传统的阳极键合电极一般选用点电极和板电极。

如果采用点电极进行键合，

键合区域由电极处向外扩展，可以避免键合界面空洞的产生，提高键合质量，

但时间较长。

如果运用板电极进行键合由于其表面的起伏不平导致其基片材料

各部分的键合质量会现较大不同。

因此如果能合理的选用电极对提高键合质量、

缩短键合时间是十分有利的。

现在国内外也有不少学者对此方面展开研究。

例

如就有吴登峰等[34]提出采用线阴极能够提高键合的速度，并且键合样品中也没

有看到明显的空洞。

与此同时，Jung一TangHuang等也提出将点电极进行螺旋型

的排列将大大提高样品的键合质量[35〕。

1.2.5键合强度评价方法

4.4.1选择合适的键合电压

击穿电压还于其表面积有一定的关系。

不同的微晶玻璃系统，会有不同的击穿电压，所以应该找到适合于本系统微晶玻璃的键合电压，然后进行键合实验。

4.4.2提高键合温度

能够使粒子的活性加大，有助于在提高在键合过程中的粒子交换程度，提高两者的键合质量，有文献表明，在温度相差10℃时，其键合强度有可能相差3倍左右。

在常温下的键合实现中，温度是一个存在很大的问题。

其一:

往往在上下两个基片之间就会有20一30℃的温差，使得基片受热不均。

当其受热不均时，两者会因为处于不同的温度段而使得热膨胀系数不相匹配，影响两者的键合效果。

其二:

现使用的实验设备的最高加热温度最高只有400℃左右，并且还受外界的影响较大，难以实现在一个较长的时间段内保持一个比较稳定的温度。

目前的实验表明，加载在微晶玻

璃样品上的电压不能够太大，否则微晶玻璃样品会被击穿。

这时温度的影响将变的尤其重要。

可以设想，如果基片能够在较高的温度下进行键合，其也就能够在使用低于击穿电压的情况下达到良好的效果。

4.4.3适当改变键合时所采用电极的形状

采用的是石墨材质的板电极。

板电极的键合速度较慢，但是键合的质量会比较高

4.4.4改善键合样品的表面的状态

表面就必须要干净与平整。

可以在键合时在基片上加载一个比较大的机械荷载，以帮助其接触。

4.4.5改善样品的键合环境

[4]张生才,赵毅强,刘艳艳.半导体高温压力传感器的静电键合技术[J].传感技术学报.2002,

（2）:

150-151.

铜电极（板）

玻璃接电源负极,硅片接电源正极.并加温等待电流稳定.这个过程中,透过玻璃表面,能看到空气隙中常出现的牛顿环逐渐消失.当硅-玻璃界面变成同体硅一样的灰黑色,说明键合完成.

而在给玻璃加热（键合时温度在370~420℃）,加高直流电压（键合时直流电压控制在

1000~1500V）时,玻璃中的正离子（如钠、钾、钙离子）就会在强电场的作用下向负极运动,同时玻璃中的偶极子在强电场作用下,产生极化取向（如图3）.在界面形成电子的积聚过程中,玻璃也显现导电性.

即使在玻璃熔融的高温下（高于500℃）,Si-O键也不会被破坏,因此静电封接用于多晶硅高温压力传感器的芯片封接是完全可行的.

可见在键合中电压越高,耗尽区越窄,键合强度越大.

多晶硅高温压力传感器芯片的静电封接实验.选取芯片封接面积约为23mm2,玻璃环尺寸为外径8mm,内径6mm,高2mm.玻璃环经精抛,光洁度达到50nm.选取外加电压1100V,加热温度360℃下进行静电封接,成品率已经达到95%以上.一般在2min之后.随后,由于界面处Si-O键的形成,耗尽区的电压降逐步加大,使键合电流逐渐下降,并最终趋于一稳定值

采用线阴极的快速阳极键合方法

吴登峰1,邬玉亭1,褚家如1,张淑珍2

采用厚400μm电阻率为8~12Ω·cm的P型（100）硅片,厚350μm的pyrex7740#玻璃。

另外通过在一块pyrex7740#玻璃上镀了一层蒸发铝,然后用掩模、光刻、显影等工艺,制作出覆盖铝膜十字电极

。

样品1（15mm×15mm）采用平板阴极方式键合,温度约350℃,键合电压为400V。

键合1080s后,电路中的电流下降为17.8μA结束键合。

观察发现,在键合界面出现空气孔洞

样品2采用点阴极方式键合,键合时的峰值电流为400μA,峰值电流在35s后下降为100μA,以后逐渐衰减,630s时的电流为15μA,键合区在630s时扩展到整个样品。

样品3采用十字线阴极方式键合,键合时的峰值电流为10mA,5s后衰减为4mA,84s后键合区扩展到整个样品,键合电流随之大幅度下降,从50s到80s仅30s时间内,从电路电流1.5mA衰减到130μA

平板阴极键合方式,由于硅片、玻璃键表面存在凸凹不平,键合时会在键合界面处容易产生的空洞等缺陷。

点阴极键合方式,键合质量好但速度慢。

线阴极键合方式,继承了点阴极键合方式的键合区逐渐扩展的优点,速度快而且没有空洞。

综上所述,线阴极键合方法是一种速度快、键合质量高的键合方法。

MEMS中的静电一热键合技术

王蔚，陈伟平，刘晓为，霍明学，王喜莲，鞠鑫，张颖

键合采用哈尔滨工业大学MEMS中心研制的HG一l型静电键合机进行.先Si/Class静电键合，再Si/Au热键合.

HG一l型静电键合机

温度:

300一400℃，电压:

700一l000v时，玻璃中的Na+向负极方向漂移，和硅接触的玻璃表面形成耗尽层，其宽度约为几um.由于耗尽层带负电荷，硅片带正电荷，硅片和玻璃之间存在较大静电力使二者紧密接触，瞬间电流密度达最大值.在此瞬间Si/Class界面有Si—O键生成.Si/Class键合牢固，构成压力腔[s].

北方无线电一厂生产的检漏设备，充氮加压，加压至0.3MPa，并维持40min，放气，取出的传感器芯片立即放人盛有无水乙醇的液体容器中，液面高出传感器表面约1一2cm，仔细观察有无气泡出现，如无气泡再将容器放人低气压台，盖上真空罩，开始抽气检漏，真空度直至0.02M5Pa.键合与检漏结果如表l所示.

第一次静电键合是在370℃、sooV，压力芯片与玻璃的键合.第二次静电键合是将玻璃的加热电阻面和硅杯元件的键合，由于在玻璃的另一面已键合有压力芯片，这次键合的界面又有Au电阻引线通过，故键合难度大，提高键合条件:

在430℃，looov下进行键合;另外，为保证键合部位玻璃的内部电场、温度场均匀，阴极采用中空的方框形电极，键合时压力芯片放在方框内进行.静电电键合完成后，传感器芯片放在键合台上退火:

400℃，保温2h，使加热器引线金和硅热键合三次键合实现了Si/Au一Glas/Si结构的封装.

低温阳极键合技术研究

姓名：

王多笑

咖rex牟7740硼硅玻璃，这种玻璃内部含有大量的钠离子。

在常温下钠离子不可以移动，然而当温度超过200℃时，在直流电场的作用下钠离子能摆脱玻璃内部网格的束缚，向阴极移动，在阴极还原成金属析出，而在阳极则留下钠离子的耗尽层，耗尽层中主要是非桥氧离子。

键合温度基本上都是在350*（2左右，造成键合样品产生内应力。

因此，阳极键合技术同时需要向低温甚至常温阳极键合、低电压阳极键合等方向发展。

本文作者在对阳极键合机理的研究基础上，通过两种方法实现低温阳极键合：

第一种是对样品进行亲水处理后，在220℃完成低温阳极键合；第二种是对样品表面进行氧等离子体处理，在200℃完成低温阳极键合。

阳极键合实验需要的条件：

真空度几Pa，温度范围是200。

C～450。

c，电压范围是200V～1200V，加压范围是0．5MPa～4MPa；表面活化键合在4×101Pa的真空度下，样品在键合前需用等离子体活化，对两样品施压，压力范围为0．5MPa～4Mpa，在室温下键合。

为了能让两种键合实验能在同一个实验平台上使用，特提出以下要求。

硼硅玻璃与硅阳极键合机理分析米

宋永刚，秦会峰，胡利方，鲁晓莹，孟庆森

和玻璃分别切成20mm×20mm×2mm薄片，结合面研磨和机械抛光，使其表面粗糙度Ra<1um。

用标准的RCA溶液清洗，清洗温度为60—80℃，RCA溶液配比为（NH40H：

H202：

H：

0=025：

1：

5），去离子水清洗并用氮气吹干。

试验温度为250～450℃，直流电压为200～750V，压力为0．05～lMPa，时间5～10min。

加热炉升温速度为10℃／min。

试件键合后随炉冷却，冷速为4℃／min。

硼硅玻璃与硅键合界面区的SEM、EDX微观分析

阳极键合工艺与设备的研究

姓名：

吴登峰

阳极键合中键合强度及键合变形的研究

蒋军彪，王小斌，樊红安，魏芳林，冯培德

，根据图3所给的PYREX7740#玻璃和硅片的线热膨胀温度曲线可以看出，他们并不是完全重合，第一个相交点在20℃左右，在这个温度下很显然不可能完成键合；第二个相交点在280℃左右，在这个温度下键合，由于温度较低，键合时间长，键合强度非常低（也就是不能完全键合），所以在这个温度下键合也是不可能的；第三个相交点在540℃左右，我们都知道PYREX玻璃在温度大于450℃时会发生相变，并发生不可恢复的塑性变形，在这个温度下键合也是不可能的。

因此，对于PYREX玻璃和硅的阳极键合，要实现完全没有应力的键合是不可能的，但是，在键合条件下寻找一个最佳的键合温度参数却是可能的，这就需要进行大量的工艺实验来实现。

在20-,280℃时，玻璃比硅的膨胀系数大，而在280—540℃时，硅比玻璃的热膨胀系数大一些。

晶片厚度盔。

=d。

／as；=0．525mm，

9.16cm，525um厚

在350--360℃之间进行键合时，键合速度和键合引起的应力和变形是最好的折中。

当温度高于某一个值时，随着电压的升高，空穴数量趋向于饱和，因此，在某一温度下（如425℃），随着电压的升高，键合强度没有明显的增大。

所加电压太大，有可能将玻璃激穿。

因此，根据不同的玻璃片厚度和表面状况，应选择不同的键合电压。

（200~1000V的实验都做了，有压力3*10-3Kpa~100Kpa）

a.在200~500V的范围内,随着键合电压的提高键合强度增强,键合电压低于200V时,难以键合,达到500V后进一步提高电压,键合强度变化较小。

b.在200~400℃键合强度几乎与键合温度成正比例关系,继续升高温度,键合强度增加。

c.延长键合时间和增大键合压力,键合强度均得以提高,但当压力增大到0.4MPa后,继续增压,键合强度变化不大;键合时间达到10min后,继续延长时间,键合强度变化较小。

d.LAS系统微晶玻璃可以代替传统的硼硅酸盐玻璃与硅片实现良好键合。

较适宜的键合条件为250℃、500V、10min和0.5MPa,此时微晶玻璃和硅片之间形成大约10μm的中间层,键合强度达到5MPa。

（微晶玻璃）

10mm*10mm*0.5mm薄片，结合面研磨和机械抛光，在溶液（HCI:

HZOZ:

H20=l:

1:

6）中保温（60一80℃）十分钟并清洗，用去离子水清洗并吹干，将硅片与玻璃叠放并夹持于键合试验炉中平台的正负极之间，硅片接正极。

键合温度为400℃，键合压力为0.IMPa，恒流电压为750V，脉冲电压VP为750V，VR为50OV，周期Tp=TR=205，键合时间10分钟，键合后试件随炉冷却。