王 蔚, 封 迪, 田 麗
(哈爾濱工業(yè)大學 航天學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)
實驗技術與方法
多功能鍵合儀研制及在教學中的應用
王 蔚, 封 迪, 田 麗
(哈爾濱工業(yè)大學 航天學院, 黑龍江 哈爾濱 150001)
對硅/玻璃陽極鍵合進行了實驗技術研究,闡述了實驗設計思路;確定了實驗的內(nèi)容和方法,據(jù)此研制出能直觀顯示硅/玻璃界面鍵合情況以及鍵合電流-時間曲線的多功能鍵合實驗儀。通過鍵合操作、現(xiàn)象觀察和深入分析,使學生更加深入了解鍵合機理、掌握影響鍵合效果與效率的主要因素。該實驗技術有助于提升學生的動手能力、分析能力以及綜合素質(zhì)。
陽極鍵合; 教學實驗; 鍵合儀; 電流監(jiān)測
鍵合技術是微電子機械系統(tǒng) (micro- electromechanical systems, MEMS)領域的關鍵技術之一,已被廣泛應用于MEMS微結構制造、芯片封接和系統(tǒng)裝配之中[1]。所謂“鍵合”是指質(zhì)地相同或不同的固體材料,通過外加熱、電、微波、超聲等的作用,使緊密接觸的兩種材料界面形成化學鍵而結合為一體的加工技術。常用的鍵合方法主要有硅/玻璃的陽極鍵合[2]、硅/金的共晶鍵合[3]、硅/硅的直接鍵合[4]等。
陽極鍵合是在一定溫度、較高電場作用下,將硅與玻璃這兩種材質(zhì)芯片鍵合為一體的技術,它是研究最早、應用最廣的MEMS鍵合技術[5]。在壓力傳感器[6]、加速度傳感器[7]、微泵[8]等器件的芯片封接,以及微流控系統(tǒng)[9]等系統(tǒng)的裝配中已被普遍采用。近年來,其發(fā)展主要在開發(fā)新型材料[10]、結構[11]的鍵合方法,通過表面活化處理來降低鍵合溫度、電壓[12],從而拓展應用范圍。將鍵合技術作為MEMS關鍵技術,開設相應的實驗教學項目勢在必行。因此,本文對硅/玻璃的陽極鍵合進行了實驗技術研究,提出了綜合型教學實驗的設計思路,研制了適合實驗室使用的多功能鍵合實驗儀,確定了實驗的具體內(nèi)容和方法,開出了4學時的綜合型實驗。
硅/玻璃陽極鍵合是將硅(芯)片與玻璃片貼合,并加熱到300~500 ℃,在硅片一側(cè)接電源正極,玻璃片一側(cè)接負極,當施加700~1 100 V的高壓電場時,高阻玻璃中的可動Na+正離子向負極板方向漂移,在與硅接觸的玻璃片表面形成O-、OH-離子耗盡層(也稱空間電荷區(qū)),而硅在超過300 ℃時的本征電離使得導電性能與金屬相當,因此在與玻璃接觸的硅片表面感應出帶正電荷的Si+離子。這樣在硅/玻璃界面存在較大的靜電引力,使二者緊密接觸。與此同時,在硅-玻璃界面會發(fā)生如下電化學反應:
Si++ O--Si → Si—O—Si
Si++OH-→ Si—OH Si—OH+HO—Si→Si—O—Si+H2O
形成的Si—O和Si—OH使硅和玻璃牢固地結合為一體,如圖1所示。
圖1 陽極鍵合機理示意圖
陽極鍵合本質(zhì)上就是電致化學過程,是在電場作用下,在硅/玻璃兩種材料界面形成化學鍵的加工技術。所以,陽極鍵合又被稱為靜電鍵合或場助鍵合。在鍵合過程中硅/玻璃界面陰、陽離子的結合(形成O—Si、Si—OH)是鍵合電流的主體,而且是隨著鍵合時間而變化的。圖2為鍵合電流密度ρ與時間t關系曲線,電流密度從零瞬間上升到最大值,然后快速下降,逐漸降速變緩,直至基本不變化。整個鍵合過程只幾分鐘甚至幾十秒就已完成。鍵合電流的變化趨勢可以適時地反映出陽極鍵合的進程。
圖2 硅/玻璃陽極鍵合電流密度-時間曲線
為加深學生對陽極鍵合本質(zhì)是電化學反應過程的理解,基于陽極鍵合機理設計的實驗應能充分展示鍵合過程中硅/玻璃界面的變化,以及與之對應的鍵合電流的變化(ρ-t曲線)。而且,實驗應涵蓋在不同鍵合電壓、溫度等工藝條件下,以及不同樣品表面情況時,進行鍵合實驗的內(nèi)容。使學生通過觀察、記錄、分析鍵合界面現(xiàn)象及ρ-t曲線特點,了解影響陽極鍵合的主要因素,掌握具體的鍵合操作方法,從而提升學生的動手能力、分析能力,以及綜合素質(zhì)。
市面上已有的商用鍵合設備,如英國AML公司的AWB系列晶圓鍵合機、德國SUSS MicroTec公司推出的鍵合設備等,這類設備價格昂貴、自動化程度高,是工業(yè)化生產(chǎn)的專用大型設備,不適合實驗教學使用。為此,本文設計了適合實驗室教學使用的多功能鍵合實驗儀,它由鍵合臺(見圖3)和電器機箱組成。
圖3 鍵合臺
(1) 鍵合臺。由可調(diào)基座、加熱器下電極組件和上電極組件3部分組成??烧{(diào)基座是整個鍵合臺的支撐底座,具有x-y平面位移調(diào)節(jié)機構,使加熱器的下電極能夠沿著x軸與y軸的方向平移,使得鍵合樣品能夠?qū)崿F(xiàn)對準操作。加熱器下電極組件的加熱器選用鑄鋁電加熱平板,它可以直接作為鍵合下電極使用,使用陶瓷管支架將其安裝在隔熱板上,這樣有利于空氣的自然對流來給加熱器散熱。上電極組件是由可上下調(diào)節(jié)的上電極安裝架、上電極和安裝元件組成。上電極設計了點電極、環(huán)形面電極(未顯示),以及這2個電極組合構成的復合電極。
鍵合臺結構緊湊、小巧,鍵合過程直觀可視。在陽極鍵合實驗中使用點電極,操作者可以透過玻璃看到硅/玻璃界面的鍵合過程。環(huán)形面電極和復合電極可用于實驗室開發(fā)其他鍵合技術,以及開展MEMS器件與系統(tǒng)研究時的芯片鍵合封裝等。各種電極之間的更換非常便利。
(2) 電器機箱。電器機箱是實驗儀的電控系統(tǒng),采取模塊化設計,主要包括鍵合電路(見圖4)、鍵合電流監(jiān)測系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)3個模塊。鍵合電路為陽極鍵合提供可調(diào)直流高壓電源的組件。高壓源選用0~-1 300 V的可調(diào)直流負壓源。陽極鍵合時,擺放在鍵合臺上的硅片是與加熱器下電極——陽極接觸;而玻璃片放在硅片之上,與鍵合上電極——負高壓陰極接觸。這樣,即能通過玻璃看到鍵合過程中硅/玻璃界面的變化過程,又能將加熱器下電極接地,確保實驗操作者的人身安全。圖4鍵合電路。
圖4 鍵合電路
電流監(jiān)測系統(tǒng)用來監(jiān)測鍵合電路中電流隨時間的變化情況。采用以ARM微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)對鍵合電流的監(jiān)測,實時顯示I-t曲線,反映鍵合界面的成鍵情況,在一定程度上顯示陽極鍵合的完成情況。溫控系統(tǒng)是用來對鍵合臺的加熱器進行溫度測量與控制,以滿足鍵合時將樣品保持在所需的溫度。溫度控制范圍為室溫至480 ℃。
研制的多功能鍵合實驗儀與實驗室原有顯微系統(tǒng)見圖5。
圖5 鍵合實驗儀與顯微系統(tǒng)
實驗樣品為1 cm×1 cm單面拋光硅片和Pyrex玻璃片,玻璃片厚度為0.65 mm。
進行樣品預處理:分別用5%的DZ-1#、DZ-2#電子清洗液超聲清洗10 min,每次清洗后用超純水反復漂洗干凈,瀝水后浸泡在無水乙醇中待用。
鍵合操作:開機,升溫,將清洗好待用的硅片、玻璃片樣品在鍵合臺上擺放好;當溫控表顯示恒溫后,開啟高壓系統(tǒng),升壓至鍵合電壓;旋下點電極,與玻璃接觸良好,鍵合開始。在鍵合過程中,觀察硅/玻璃界面的鍵合現(xiàn)象。同時,電流監(jiān)測顯示屏上繪出I-t曲線。當硅/玻璃界面基本無變化,鍵合電流也基本不變時,鍵合完成,調(diào)低鍵合電壓直至0 V,停止鍵合。
記錄鍵合條件,拍攝不同時間鍵合界面現(xiàn)象照片和I-t曲線照片。
1#樣品是在380 ℃、903 V下進行的鍵合,圖6是隨著鍵合進行硅/玻璃界面不斷變化的情況,圖7是在電流監(jiān)測系統(tǒng)的顯示屏上繪出的I-t曲線。
圖6 1#樣品鍵合界面變化
圖7 1#樣品鍵合電流I-t曲線
由圖6可以看出:1#樣品鍵合是從點電極位置開始,逐漸向外擴展,直至擴展到整個界面,約42 s鍵合完成;還可以清晰地看到空氣劈尖帶來的環(huán)形干涉條紋,在鍵合過程中環(huán)形干涉條紋也是逐步向外擴展,最后消失,鍵合完成。由圖7的I-t曲線可知:鍵合電流瞬間達到最大值,約150 μA,然后逐漸下降,至接近50 μA,鍵合完成。
2#樣品是在360 ℃、903 V下進行的鍵合,圖8是鍵合進行中硅/玻璃界面變化情況,圖9是鍵合電流I-t曲線。
圖8 2#樣品鍵合界面變化情況
圖9 2#樣品鍵合電流I-t曲線
由圖8可以看出:2#樣品與1#樣品不同,鍵合沒有從點電極的位置開始,而是從邊緣緩慢開始,而后逐漸向外擴展,23~60 s鍵合界面擴展較為緩慢,最后也沒有全部鍵合。從圖9的I-t曲線形狀也能看出鍵合樣品表面情況對鍵合進程帶來的影響:鍵合電流相比于1#樣品上升得緩慢得多,最大值約130 μA,然后緩慢下降,至接近50 μA,鍵合區(qū)域不再發(fā)展。出現(xiàn)這種不正常鍵合現(xiàn)象的原因是在未鍵合區(qū)域可能有塵埃,或者是硅(或玻璃)表面有突起不平整,造成硅與玻璃貼合的不夠緊密,無法形成Si—O鍵(Si—O鍵長為0.164 nm)。因此,鍵合樣品清洗是否徹底、環(huán)境是否清潔、表面平整度情況都將影響鍵合效果。
另外,在390 ℃、不同電壓下進行了多個樣品的鍵合實驗,對正常鍵合樣品(起點在點電極位置,且界面全部鍵合)進行分析。各樣品的I-t曲線形狀均與1#樣品相似,只是電流大小和鍵合時間有較大差距。鍵合電壓-最大電流曲線、鍵合電壓-鍵合時間曲線見圖10。
圖10 溫度對鍵合電流和時間的影響
由圖10可知:鍵合電壓越高,最大鍵合電流就越大,而需要的鍵合時間就越短。這是因為陽極鍵合時電場增大一方面增加了硅、玻璃之間的吸引力,也就使得鍵合界面緊密接觸面積增加,另一方面Na+離子密度和遷移率也有所增加。這都導致開始瞬間鍵合形成的Si—O數(shù)量會大增,最大電流也就迅速增大,鍵合也就在較短時間完成。
當鍵合電壓較低(低于700 V)時,采用點電極就難以由一點實現(xiàn)整個樣品界面的全部鍵合,而電壓過高則出現(xiàn)玻璃被電擊穿現(xiàn)象。
鍵合溫度的變化對鍵合電流、時間的影響與鍵合電壓變化的影響有同樣的趨勢。這主要是因為溫度升高也會使高阻玻璃內(nèi)的Na+離子密度和遷移率都增高,鍵合電流也就增大,鍵合時間也就縮短了。在教學實驗中可要求學生在實驗中選擇繪制壓力或者溫度對鍵合最大電流與鍵合時間的影響曲線。
學生通過陽極鍵合實驗的學習對鍵合機理的理解將更加深入,對影響鍵合效果與效率的因素更加了解,并能掌握鍵合操作方法。該實驗除了有助于提升學生的動手能力、分析能力以及綜合素質(zhì)之外,也有利于啟發(fā)學生思維和創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。該多功能鍵合實驗儀,除了可用于陽極鍵合實驗之外,也可用于共晶鍵合等實驗。該鍵合儀是一款新穎的開放式鍵合設備,配合多種電極及顯微系統(tǒng),還可在研制MEMS器件時用于芯片的鍵合封裝和新型鍵合技術的研發(fā)。該實驗儀及實驗有推廣價值。
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Development of multifunctional bonding instrument and its application in teaching
Wang Wei, Feng Di, Tian Li
(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)
The research on experimental technology for the silicon and glass anodic bonding is carried out, the design idea of the experiment is expounded, and the content and method of the experiment are determined. Based on this, a multifunctional bonding experimental instrument which can directly display the silicon and glass interface bonding and the bonding current-time curve is developed. Through the bonding operation, phenomenon observation and in-depth analysis, students can better understand the bonding mechanism and master the main factors that influence the bonding effect and efficiency ratio. This experimental technology is helpful to improve students’ hands-on ability, analytical ability and comprehensive quality.
anodic bonding; teaching experiment; bonding instrument; current detection
10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.010
TN405
A
1002-4956(2017)11-0035-04
2017-05-10
黑龍江省自然科學基金項目(E200917);哈爾濱工業(yè)大學教學實驗室建設項目
王蔚(1960—),女,上海,博士,教授級高級工程師,哈工大微電子技術實驗室主任,從事微電子科學與技術領域的教學與科研工作.
E-mailwangweihit@hit.edu.cn