阳极键合工艺与设备的分析

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1、±里壁兰丝查查兰塑!兰些兰————————————————～第一章绪论1．1键合的基本概念和主要方法关于键合，到目前为止尚未发现有人下过确切的定义。作者解释为，所谓键含，就是指通过一定的手段将两种相同或者不同材料接合在一起的过程。它可能怂一个物理过程，也可能是一个化学过程。键合的种类很多，比较常见的宵超声键合、激光焊接、胶粘、低温玻璃烧结、打散踺合、阳极键合以及硅～硅直接键合等。I：艺。其中，阳极键合与硅一硅键合又相互包含，冈为阳极键合不仅包括金属一玻璃、硅一玻璃的键合，还包括硅一玻璃膜一硅的阳极键合：向硅一硅键合又叮以分为加电

2、场的和不加电场的硅一硅键合。对十硅一硅键合来说，按照其键合温度的不同又口J分为高温键合和低温键合，高温键合和低温键合之间没有严格的界限，～般认为键合温度在700。C以上的为高温，500。C以下的为低温，例如前面提到的硅一玻璃膜一硅的阳极键合就是一种低温键合。目前研究较多的也比较热f]的就是硅一硅直接键合和阳极键合，下面就对它们的发展历程作一个简要的回顾。1．2键合工艺的发展情况阳极键合技术是美国人Pomerantzj二1968年偶然发现的。当它把叠合在⋯起的玻璃和金属加热后，在直流电场的作刖下，金属竞能牢川的粘到玻璃．1．，其键

3、合温度比不加电场叫低得多。这是一项很有希挈的技术，冈此他申报了专利。接着他又试图将硅与石英进行阳极键合，在温度高十300。C时由十本征激发m使硅的电阻率降到0．1Q·cm，然而由十石英的热膨胀系数与硅的热膨胀系数有很大差异，并且在加热的情况下石英不导电，冈而他的实验没有成功。曾与他一起I。作的wallis提出_L}j淀积在硅衬底上的s～0与硅进行阳极键台，然而实验结果1E未见发表。几乎同时，Brooks，Dorlovail和Hardesty通过在硅片上溅射一层硼谴玻璃然后再同另一块硅片进行阳极键仑，实验结果十分成功。这是圉为硼硅

4、玻璃中含有大量的碱金属离予，这些金属离了在nU热和电场的作州下nr移动，从ffIj使硼硅玻璃导电。在以后的几十年中，人们对阳极键合技术进行了深入的研究，逐渐卉清了它的机理，并将其广泛应用到各个领域。阳极键合的绝缘材料包括硼硅玻璃、钠钙玻璃、石英、光学纤维以及陶瓷等；所键含的金属材料和半导体材料包括铝、钛、锗、pj伐合金、铁镍钴合金、砷化镓和硅等。阳极键合的工艺参数要求不太严格，温度、直流电压以及酬间的变化范罔比较宽，因而发展比较快。近年来出现了大量的关于其机理、T艺、J衄川等方面的文章。．7一!璺型堂丝查=!=；堂!!!!!!：

5、皇些堡苎——至于硅一硅直接键合，它比阳极键合早出现几十年。当时人们仅把它当成缺点而努力加以克服，口本电气公司(NEC)首次利川硅一硅直接键合将分离的晶体管集成块集成在～起，这才引起了人们的注意。到了上世纪七十年代，rBM公司的研究人员开展对这一现象的研究：F作，并且在1985年的国际电子器件大会(IEDM)上，他们发表了一篇创新的用硅一硅直接键合技术制造SOl的文章。几乎同时，东芝公司的研究人员也透露出他们删硅片直接键合(SOB)技术制作功率器件的信息。1985年10月，NovaSensor成立，其宗旨就是将硅一硅键合技术作为商

6、业口J行的丁艺进行发展并将其用于硅的微细加工中去。1986年，J．B．Lasky首次提出硅一硅键合的原理，在被～些试验证实以后，Lasky原理逐渐为人们所接受，它给人们的研究丁作提供了一定的直到作心。在1988年的《Solid-8tateSensors》和《ActuatorsWorkshop》上，NovaSensor开始发表_I{；』硅一硅直接键合工艺进行研究的工作成果，这些研究成果，极大地激起了人们_E}j此工艺作硅微细加工的兴趣。在此领域一些新的工作也已扩展到好几个研究中心，各大学和研究所也纷纷开展了研究。此后不断有人提出新

7、的键台丁=艺，除硅一硅直接键台以外，其它较为常见的，也比较有代表性的还何热生长Si0：层的硅～硅热键合、加电场的Si—SiO=-Si热键合、低温玻璃熔焊等等。尽管研究人员对阳极键合研究已经有一段时间，然而其二r=艺过程仍然不很成熟。比如低温阳极键合、最优参数控制等方面有待更深层次的研究。阳极键合技术尤其是低温阳极键合技术在囤际上仍属空白，这就需要我们去研究和探索，寻求最佳T艺条件和最低温度的阳极键合。发展低温、低电压阳极键合可以避免由于高电压、高温引起的材料击穿、电了7i件损坏、材料氧化、产生热应力等不良影响：发展最简化的阳极键

8、合I‘艺nJ以避免阳极键合与其它加TT艺的不衔接，从而可将阳极键合鹿Hj到更广泛的领域；将类似玻璃性质的材料做阳极键合，^口J以加丁结构更复杂、性能更完善的器件。1．3几种主要键合技术简介键合技术种类很多，在MEMS领域常用的有阳极键合技术、硅～硅直接键合技术，