硅/微晶玻璃阳极键合机理的研究

论文摘要

随着电子器件的不断复杂化、功能化和智能化,微机电系统（MEMS）在越来越多的领域中得到了应用。半导体硅具备特殊电学和可微加工性能,成为MEMS领域的主要材料,由于硅片易断裂,在使用硅片时,通常键合一层衬底材料以保证微器件的强度。阳极键合技术由于工艺简单,键合强度高,能较好的实现硅片与衬底材料的键合,因此MEMS领域广泛采用阳极键合技术对硅片和衬底材料进行键合。然而MEMS器件不断复杂化,对封装技术也提出了更高的要求,传统的阳极键合由于温度和电压仍然较高,键合时会给器件造成性能损耗。以微晶玻璃代替传统的Pyrex玻璃,能在一定范围内降低键合电压和温度,然而硅片与微晶玻璃的阳极键合机理目前并不明确。因此本课题采用微晶玻璃代替传统玻璃与硅片进行键合,以期探明微晶玻璃与硅片的键合机理。本文以传统熔体冷却法和二步热处理法制备了Li2O-Al2O3-SiO2（LAS）系统微晶玻璃,并对不同析晶程度的微晶玻璃进行了热膨胀系数、抗折性能、导电性能等测试。在设定的工艺参数条件下,采用不同析晶程度的微晶玻璃与硅片进行了键合,通过拉伸试验机测试了键合强度,研究了晶相含量与键合性能的关系,并通过分析晶体结构和计算晶体的结合能,探讨了晶体在键合中的作用。论文还对键合表界面进行了分析,利用XRD、EDS、SEM等测试技术探讨了键合黑斑的形成原因及影响因素,对键合中间层的元素分布及形成原因进行了研究。获得了以下研究成果：1、热处理温度不变,核化时间与晶化时间的延长,晶相含量逐渐增加,LAS系统微晶玻璃的主晶相均为β-锂辉石,电阻率随晶相含量的增加而升高,实验制备的微晶玻璃热膨胀系数在31～34×10-7／℃（200～400℃）与硅片匹配良好。2、晶相含量的增加,在同一键合参数下,键合强度先增加后减小,晶相含量过少时,不能保证热膨胀系数,导致键合应力较大,降低了键合强度,而晶相含量过多会导致键合实验难以进行,在保证一定键合强度的前提下,晶相含量高的微晶玻璃需要更高的键合温度和电压。3、对微晶玻璃主晶相结构和晶格能进行了分析,主晶相中的氧离子比较稳定,主晶相的晶格能高达8302.7千卡／摩尔,键合过程中很难破坏主晶相的晶格,与硅片进行结合的氧主要来自玻璃相中的非桥氧。4、键合过程中产生的黑斑密集程度主要受键合电压的影响,键合电压越高黑斑密集程度越高,键合温度对其影响较小,SEM测试表明黑斑存在的区域有明显的结构缺陷或晶相含量较少,黑斑的形成主要是由于键合形成的强电场造成样品部分击穿以及局部介电损耗过大造成。5、键合中间层主要是以Si-O-Al网络形式存在的非晶态物质。6、硅／微晶玻璃阳极键合机理的实质是电化学反应,在键合过程中强电场力的作用下,玻璃相耗尽层中的氧负离子受强电场力作用向界面迁移,与硅片发生不可逆的氧化反应,完成界面键合,形成键合中间层。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 项目背景及意义
• 1.2 常用键合技术
• 1.3 阳极键合技术简介
• 1.3.1 阳极键合的发展历史
• 1.3.2 阳极键合种类
• 1.3.3 阳极键合装置
• 1.3.4 阳极键合质量评估
• 1.3.5 阳极键合的应用
• 1.4 阳极键合材料
• 1.4.1 阳极材料
• 1.4.2 阴极材料
• 1.4.3 阳极键合用LAS微晶玻璃
• 1.5 阳极键合研究现状及趋势
• 1.5.1 阳极键合工艺的研究
• 1.5.2 阳极键合机理的研究
• 1.5.3 阳极键合发展趋势
• 1.6 本课题研究目标以及研究内容
• 1.6.1 研究目标
• 1.6.2 研究内容
• 第2章 实验与测试
• 2.1 试验流程
• 2.2 微晶玻璃的制备
• 2.2.1 微晶玻璃组成设计
• 2.2.2 基础玻璃的熔制
• 2.2.3 基础玻璃的差热分析
• 2.2.4 核化与晶化
• 2.3 微晶玻璃的微观结构及性能测试
• 2.3.1 X-射线衍射分析
• 2.3.2 热膨胀性能测试
• 2.3.3 扫描电镜分析
• 2.3.4 抗折强度测试
• 2.4 阳极键合实验
• 2.4.1 键合基片的制备
• 2.4.2 分组阳极键合实验
• 2.5 键合性能以及表界面测试
• 2.5.1 键合强度测试
• 2.5.2 键合断面及截面分析
• 2.5.3 中间层以及黑斑元素分析
• 2.5.4 中间层以及带黑斑的微晶玻璃X-射线衍射分析
• 第3章 微晶玻璃中主晶相在键合中的作用
• 3.1 微晶玻璃测试结果与分析
• 3.1.1 DTA测试结果与分析
• 3.1.2 XRD测试结果与分析
• 3.1.3 微晶玻璃显微图像
• 3.2 主晶相含量对微晶玻璃性能的影响
• 3.2.1 主晶相含量对微晶玻璃热膨胀的影响
• 3.2.2 主晶相含量对微晶玻璃导电率的影响
• 3.2.3 主晶相含量对微晶玻璃力学性能的影响
• 3.3 主晶相含量对键合的影响
• 3.3.1 键合结果
• 3.3.2 主晶相含量对键合工艺的影响
• 3.3.3 主晶相含量对键合强度的影响
• 3.3.4 晶体与键合的关系
• 3.3.5 键合结合能的计算
• 3.4 本章小结
• 第4章 阳极键合表界面的研究
• 4.1 键合片表界面以及键合黑斑的显微分析
• 4.1.1 键合后样品表面显微测试
• 4.1.2 键合中间层显微分析
• 4.1.3 键合黑斑的显微分析
• 4.2 键合中间层和斑的XRD测试结果
• 4.2.1 键合中间层的XRD测试结果
• 4.2.2 带黑斑的微晶玻璃XRD测试结果与分析
• 4.3 黑斑以及中间层EDS测试结果
• 4.3.1 微晶玻璃黑斑EDS测试结果
• 4.3.2 微晶玻璃黑斑EDS测试结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 键合机理探讨
• 5.1 键合过程离子的迁移
• 5.2 键合机理模拟
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文