阳极键合强度及其评价方法

　　0　引　言

　　复杂的微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)中,经常需要封装基片结构,因此,封装技术是MEMS的关键,封装质量的好坏将直接影响MEMS的使用寿命和应用范围,而键合技术又是各类封装方法中最为重要的一类。目前,键合技术包括阳极键合、熔融键合和共晶键合等。其中,阳极键合是由Wallis G和Pomerantz D I^[1]于1969年提出的封装工艺,具有工艺简单、键合强度高、密封性好等优点,可以在不使用任何粘结剂的情况下对金属、硅片、陶瓷、形状记忆合金等材料进行键合。BrooksA D和Donovan R D^[2]于1972年首次用溅射沉积方法将硼硅酸盐玻璃沉积在被键合硅片的表面,然后,和另一硅片进行键合。现在利用阳极键合技术对硅片和硅片以及硅片和玻璃进行键合已经达到了比较成熟的阶段,并且,得到了大范围的应用,但是,随着科学技术的不断发展,对阳极键合技术和阳极键合的基片材料又提出了新的要求。

　　1　阳极键合的原理

　　1.1　硅片与硅片的间接键合原理^[3]

　　用适当的薄膜制备方法在硅片表面沉积玻璃膜。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—硅表面,玻璃的下表面呈负电性。该负电荷区与被键合的硅基片的表面正电荷区形成极化区域产生很强的静电场,从而将两硅片拉紧。同时,在强电场的作用下,玻璃下表面的氧离子在高温下与另一接阳极的硅基片上表面的硅粒子化合从而生成了一层薄的SiO₂层,将两硅片键合。如图1所示,现在的玻璃与硅片的键合原理与此相似。

　　1.2　硅片与硅片的直接键合原理

　　硅片与硅片的直接键合分为2种情况: 1)亲水性表面:该种硅片的表面存在有本征氧化物SiO₂和单一的—OH基团。在键合时, 2个表面的基团互相接触,通过氢键将两者结合起来。在室温时该过程是可逆的,—OH基团的可移动性随温度的增高而增加。但当温度升高到200℃以后,氢键会逐渐被Si—O—Si键取代。随着温度的继续升高,本征氧化物SiO₂的粘度降低,将产生粘滞性流动,从而使接触的原子间相互反应,完成键合过程;2)疏水性表面:其表面不存在有大量的本征氧化物,主要存在Si—H和Si—Hx基团,其键合机理分为2个阶段。在室温到200℃之间,两硅片之间主要通过范德华力结合,在接近200℃时少量的氢键开始吸引两表面。温度在200~400℃之间时,少量的—OH键开始脱水,氢键将Si—O—Si键取代,而温度达到400℃后,非常强的Si—Si共价结合键形成,完成键合过程。