Анодное соединение - это процесс соединения пластин для герметизации стекла либо кремния, либо металла без введения промежуточного слоя; он обычно используется для герметизации стекла и кремниевых пластин в электронике и микрофлюидике. Этот метод соединения, также известный как полевое соединение или электростатическая герметизация [1], в основном используется для соединения кремния / стекла и металла / стекла через электрические поля.. Требования к анодному склеиванию - чистые и ровные поверхности пластины и атомный контакт между склеиваемыми подложками через достаточно мощное электростатическое поле. Также необходимо использование боросиликатного стекла, содержащего высокую концентрацию ионов щелочных металлов. Коэффициент теплового расширения (КТР) обрабатываемого стекла должна быть аналогичны тем , которые связующего партнера. [2]
Анодное соединение может применяться к стеклянным пластинам при температуре от 250 до 400 ° C или к стеклу с напылением при температуре 400 ° C. [3] Слои структурированного боросиликатного стекла также могут быть нанесены путем плазменного испарения электронным пучком. [4]
Эта процедура в основном используется для герметичного капсулирования микромеханических кремниевых элементов. Инкапсуляция стеклянной подложки защищает от воздействия окружающей среды, например, влажности или загрязнения. [2] Кроме того, для анодного соединения с кремнием используются другие материалы, например низкотемпературная керамика со спеканием (LTCC). [5]
Обзор
Анодное соединение кремниевых подложек делится на соединение с использованием тонкого листа стекла (пластины) или стеклянного слоя, который наносится на кремний с использованием такой техники, как напыление. Стеклянная пластина часто представляет собой натрийсодержащие стекла Borofloat или Pyrex. С помощью промежуточного стеклянного слоя также можно соединить две кремниевые пластины. [6] Слои стекла наносятся путем распыления, навинчивания стеклянного раствора или осаждения из паровой фазы на обработанную кремниевую пластину. [3] Толщина этих слоев колеблется от одного до нескольких микрометров, при этом толщина накладываемых стеклянных слоев составляет 1 мкм или меньше. [6] Герметичные соединения кремния со стеклом с использованием алюминиевого слоя толщиной от 50 до 100 нм могут достигать прочности 18,0 МПа. Этот метод позволяет закапывать электрически изолированные проводники в интерфейс. [7] Также возможно склеивание термически окисленных пластин без стеклянного слоя.
Процедурные этапы анодного соединения делятся на следующие: [2]
- Контактные подложки
- Нагрев подложек
- Склеивание путем приложения электростатического поля
- Охлаждение стопки пластин
с процессом, характеризуемым следующими переменными: [8]
- напряжение связи U B
- температура склеивания T B
- ограничение тока I B
Типичная прочность соединения составляет от 10 до 20 МПа согласно испытаниям на растяжение, что выше, чем прочность стекла на излом.
Различные коэффициенты теплового расширения создают проблемы для анодного соединения. Чрезмерное несоответствие может повредить склеивание из-за внутреннего натяжения материала и вызвать разрушение склеивающих материалов. Использование натрийсодержащих стекол, например Borofloat или Pyrex, помогает уменьшить несоответствие. Эти стекла имеют такой же КТР, что и кремний, в диапазоне рабочих температур, обычно до 400 ° C. [9]
История
Анодное соединение впервые упоминается Уоллисом и Померанцем в 1969 году. [1] Оно применяется как соединение кремниевых пластин с натрийсодержащими стеклянными пластинами под действием приложенного электрического поля. Этот метод используется до сих пор в виде герметизации сенсоров электрически проводящими стеклами. [10]
Процедура анодного склеивания
Предварительная обработка основания
Процедура анодного соединения может одинаково эффективно связывать гидрофильные и гидрофобные кремниевые поверхности. Шероховатость поверхности должна быть менее 10 нм и на ней не должно быть загрязнений, чтобы процедура работала должным образом. [8] Несмотря на то, что анодное соединение относительно устойчиво к загрязнениям, применяется широко распространенная процедура очистки RCA для удаления любых поверхностных загрязнений.
Стеклянная пластина также может быть подвергнута химическому травлению или пескоструйной очистке для создания небольших полостей, в которых могут быть размещены устройства MEMS. [11]
Другими механизмами, поддерживающими процесс связывания не полностью инертных анодных материалов, могут быть выравнивание или полировка поверхностей и удаление поверхностного слоя электрохимическим травлением. [8]
Свяжитесь с подложками
Пластины, отвечающие требованиям, подвергаются атомному контакту. Как только контакт впервые устанавливается, процесс соединения начинается вблизи катода и распространяется спереди к краям, причем процесс занимает несколько минут. [12] Процедура анодного соединения основана на стеклянной пластине, которая обычно помещается над кремниевой пластиной. Электрод контактирует со стеклянной пластиной либо через иглу, либо через катодный электрод полной площади.
При использовании игольчатого электрода связка распространяется радиально наружу, что делает невозможным захват воздуха между поверхностями. Радиус склеенной области приблизительно пропорционален квадратному корню из времени, прошедшего во время процедуры. При температурах ниже 350–400 ° C и напряжении связи от 500 до 1000 В этот метод не очень эффективен и не надежен. [13]
Использование катодного электрода с полной площадью поверхности показывает реакции связывания по всей поверхности раздела после включения потенциала. [8] Это результат однородного распределения электрического поля при температуре около 300 ° C и напряжении связи 250 В. [13] Использование тонких осажденных слоев стекла позволяет значительно снизить необходимое напряжение. [4]
Нагревание и соединение с применением электростатического поля
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/30/B-a-schemeanodicbondprocess.png/330px-B-a-schemeanodicbondprocess.png)
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/a2/B-a-iondriftinglass.png/330px-B-a-iondriftinglass.png)
(1) Формирование зоны истощения (серый цвет) из-за дрейфа Na + .
(2) Дрейф ионов O - в зоне обеднения.
Пластины помещаются между зажимным патроном и верхним инструментом, используемым в качестве связующего электрода, при температурах от 200 до 500 ° C (сравните с изображением «Схема процедуры анодного соединения»), но ниже точки размягчения стекла (температуры стеклования). [11] Чем выше температура, тем выше подвижность положительных ионов в стекле.
Приложенный электрический потенциал между ними устанавливается равным нескольким 100 В. [8] Это вызывает диффузию ионов натрия (Na + ) из границы раздела на обратную сторону стекла к катоду. В результате в сочетании с влажностью образуется NaOH. Высокое напряжение помогает поддерживать дрейф положительных ионов в стекле к катоду. Диффузия согласно распределению Больцмана экспоненциально зависит от температуры. Стекло (NaO 2 ) с оставшимися ионами кислорода (O 2- ) имеет отрицательный объемный заряд на поверхности соединения по сравнению с кремнием (сравните с рисунком «дрейф ионов в стекле связующего» (1)). Это основано на истощении ионов Na + .
Кремний не похож, например, на алюминий, на инертный анод. В результате ионы не дрейфуют из кремния в стекло во время процесса соединения. Это влияет на положительный объемный заряд в кремниевой пластине на противоположной стороне. [12] В результате на барьере связи в стеклянной пластине возникает область истощения с высоким импедансом толщиной в несколько микрометров. В промежутке между кремнием и стеклом напряжение связи падает. Начинается процесс связывания как комбинация электростатического и электрохимического процесса.
Напряженность электрического поля в обедненной области настолько высока, что ионы кислорода дрейфуют к границе раздела связей и выходят, чтобы вступить в реакцию с кремнием с образованием SiO 2 (сравните с рисунком «дрейф ионов в стекле связи» (2)). Основываясь на высокой напряженности поля в обедненной области или в зазоре на границе раздела, обе поверхности пластины прижимаются друг к другу при определенном напряжении соединения и температуре соединения. Процесс осуществляется при температуре от 200 до 500 ° C в течение примерно 5-20 минут. Обычно время соединения или герметизации увеличивается при снижении температуры и напряжения. [14] Давление прикладывается для создания тесного контакта между поверхностями и обеспечения хорошей электропроводности пары пластин. [15] Это обеспечивает тесный контакт поверхностей партнеров по склеиванию. Тонкий сформированный оксидный слой между склеиваемыми поверхностями, силоксан (Si-O-Si), обеспечивает необратимое соединение между склеивающими партнерами. [8]
При использовании термически окисленных пластин без стеклянного слоя диффузия ионов OH - и H + вместо ионов Na + приводит к сращиванию. [12]
Охлаждение субстрата
После процесса склеивания необходимо медленное охлаждение в течение нескольких минут. Это может быть поддержано продувкой инертным газом. Время охлаждения зависит от разницы КТР для склеиваемых материалов: чем выше разница КТР, тем дольше период охлаждения.
Технические характеристики
Материалы |
|
Температура |
|
Напряжение |
|
Преимущества |
|
Недостатки |
|
Исследовать |
|
Рекомендации
- ^ а б Уоллис, Джордж; Померанц, Даниэль I. (1969). «Стекло-металлическое запечатывание в полевых условиях». Журнал прикладной физики . 40 (10): 3946–3949. Bibcode : 1969JAP .... 40.3946W . DOI : 10.1063 / 1.1657121 .
- ^ а б в М. Вимер; Й. Фрёмель; Т. Гесснер (2003). "Trends der Technologieentwicklung im Bereich Waferbonden". В W. Dötzel (ред.). 6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik . 6 . Technische Universität Chemnitz. С. 178–188.
- ^ а б Герлах, А .; Maas, D .; Зайдель, Д .; Bartuch, H .; Schundau, S .; Кашлик, К. (1999). «Низкотемпературное анодное соединение кремния с кремниевыми пластинами с помощью промежуточных слоев стекла». Микросистемные технологии . 5 (3): 144–149. DOI : 10.1007 / s005420050154 .
- ^ а б Лейб, Юрген; Хансен, Улли; Маус, Саймон; Фейндт, Хольгер; Хаук, Карин; Зошке, Кай; Топпер, Майкл (2010). «Анодное соединение при низком напряжении с использованием тонких пленок микроструктурированного боросиликатного стекла». 3-я Конференция по технологиям интеграции электронных систем ESTC . С. 1–4. DOI : 10.1109 / ESTC.2010.5642923 . ISBN 978-1-4244-8553-6.
- ^ Хан, MF; Гаванини, Ф.А.; Haasl, S .; Löfgren, L .; Persson, K .; Rusu, C .; Schjølberg-Henriksen, K .; Энокссон, П. (2010). «Методы определения характеристик инкапсуляции на уровне пластины, применяемой на кремнии для анодного соединения LTCC». Журнал микромеханики и микротехники . 20 (6): 064020. Bibcode : 2010JMiMi..20f4020K . DOI : 10.1088 / 0960-1317 / 20/6/064020 .
- ^ а б Quenzer, HJ; Dell, C .; Вагнер, Б. (1996). «Кремний-кремний анодное соединение с промежуточными слоями стекла с помощью навинчиваемых стекол». Материалы девятого международного семинара по микромеханическим системам . С. 272–276. DOI : 10.1109 / MEMSYS.1996.493993 . ISBN 0-7803-2985-6.
- ^ Schjølberg-Henriksen, K .; Poppe, E .; Moe, S .; Storås, P .; Такло, ММВ; Wang, DT; Якобсен, Х. (2006). «Анодное склеивание стекла с алюминием». Микросистемные технологии . 12 (5): 441–449. DOI : 10.1007 / s00542-005-0040-8 .
- ^ Б с д е е г С. Мак (1997). Eine vergleichende Untersuchung der Physikalisch-Chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (Диссертация). Йена, Германия: VDI Verlag / Институт Макса Планка. ISBN 3-18-343602-7.
- ^ Т. Гесснер; Т. Отто; М. Вимер; Й. Фромель (2005). «Соединение пластин в микромеханике и микроэлектронике - обзор» . В Бернд Мишель (ред.). Мир электронной упаковки и системной интеграции . DDP Goldenbogen. С. 307–313. ISBN 978-3-93243476-1.
- ^ Плёсл, А. (1999). «Прямое соединение межфланцевых пластин: адаптивная адгезия между хрупкими материалами». Материаловедение и инженерия . 25 (1–2): 1–88. DOI : 10.1016 / S0927-796X (98) 00017-5 .
- ^ а б М. Цзяо (2008). «Упаковка (и соединение проводов)». В Д. Ли (ред.). Энциклопедия микрофлюидики и нанофлюидики . Springer Science + Business Media.
- ^ а б в Г. Герлах; В. Дётцель (2008). Рональд Петинг (ред.). Введение в микросистемную технологию: руководство для студентов (Wiley Microsystem and Nanotechnology) . Wiley Publishing. ISBN 978-0-470-05861-9.
- ^ а б Nitzsche, P .; Lange, K .; Schmidt, B .; Григулл, С .; Kreissig, U .; Thomas, B .; Херцог, К. (1998). "ХимИнформ Аннотация: Процессы ионного дрейфа в щелочно-боросиликатном стекле типа пирекс при анодном соединении". ХимИнформ . 145 (5): 1755–1762. DOI : 10.1002 / chin.199830293 .
- ^ Уоллис, Джордж (1975). «Запечатывание стекла с помощью полевых операций» . Электрокомпонентная наука и технологии . 2 (1): 45–53. DOI : 10.1155 / APEC.2.45 .
- ^ С. Фарренс; С. Суд (2008). «Упаковка на уровне пластин: требования к балансировочному устройству и свойства материалов». IMAPS . Международное общество микроэлектроники и упаковки.