Pyrex玻璃与金属阳极键合机理及界面结构和力学性能的分析

论文摘要

阳极键合技术（anodic bonding）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MEMS封装中常用的一种方法，随着MEMS器件的发展，它在MEMS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-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、SEM、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EDS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、钴、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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 微电子机械的键合操作
• 1.2.1 共晶键合
• 1.2.2 粘接键合
• 1.2.3 硅熔键合
• 1.2.4 阳极键合技术及其特点
• 1.3 阳极键合的影响因素
• 1.3.1 温度与电压
• 1.3.2 时间
• 1.3.3 电源的影响
• 1.3.4 热膨胀系数
• 1.3.5 气氛的影响
• 1.3.6 压力和表面粗糙度
• 1.4 阳极键合的应用
• 1.4.1 玻璃与硅的键合
• 1.4.2 硅-硅键合与玻璃-玻璃键合
• 1.4.3 玻璃与合金的键合
• 1.4.4 玻璃与铝的键合
• 1.4.5 玻璃和PZT陶瓷的键合
• 1.5 阳极键合的基本原理
• 1.6 阳极键合在MEMS器件中的应用实例
• 1.6.1 加速度计的封装
• 1.6.2 压力传感器
• 1.6.3 电容传感器
• 1.6.4 微机械管道的封装
• 1.6.5 流体传感器
• 1.7 阳极键合需要解决的问题
• 第二章 试验设备和实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 阳极键合试验设备和操作过程
• 2.2.1 阳极键合试验过程
• 2.2.2 阳极键合的试验方案设计
• 2.3 试验分析仪器
• 2.3.1 光学显微镜
• 2.3.2 扫描电子显微镜
• 2.3.3 INSTRON5544万能材料性能试验机
• 2.4 测试前的准备工作
• 第三章 硼硅玻璃与硅的阳极键合试验
• 3.1 试验材料
• 3.2 硼硅玻璃的结构
• 3.3 试验过程
• 3.4 试验数据分析
• 3.4.1 电流特征
• 3.4.2 温度对阳极键合的影响
• 3.4.3 电压的影响
• 3.5 键合界面的微观组织结构
• 3.6 拉伸试验
• 3.7 本章小结
• 第四章 硼硅玻璃与铝的阳极键合
• 4.1 试验材料
• 4.2 试验过程
• 4.3 电流特征
• 4.4 键合因素的影响
• 4.4.1 热膨胀系数
• 4.4.2 温度
• 4.4.3 电压
• 4.4.4 冷却速度
• 4.5 界面结构和键合机理分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 硼硅玻璃与Kovar合金的阳极键合
• 5.1 试验材料
• 5.2 合金的退火处理
• 5.3 试验过程
• 5.4 结果和讨论
• 5.4.1 电流特征
• 5.4.2 键合试样的宏观形貌
• 5.4.3 键合影响因素
• 5.4.4 Kovar合金和玻璃键合界面微观分析
• 5.5 键合机理
• 5.6 本章小结
• 第六章 多层晶片的键合技术
• 6.1 公共阳极法键合玻璃-铝箔-玻璃
• 6.1.1 试验过程
• 6.1.2 试验结果及其分析
• 6.1.3 键合界面的微观组织分析
• 6.1.4 键合机理
• 6.1.5 力学性能测试
• 6.2 公共阳极法键合玻璃硅玻璃
• 6.2.1 试验步骤
• 6.2.2 试验数据分析
• 6.2.3 界面微观组织分析
• 6.3 两步法
• 6.3.1 试验过程
• 6.3.2 试验数据分析
• 6.3.3 键合界面的微观组织分析
• 6.3.4 二步法的键合机理
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文及研究成果