王 蔚， 封 迪， 田 麗

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法

多功能鍵合儀研制及在教學(xué)中的應(yīng)用

王 蔚， 封 迪， 田 麗

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

對(duì)硅/玻璃陽極鍵合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究,闡述了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路;確定了實(shí)驗(yàn)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(shí)間曲線的多功能鍵合實(shí)驗(yàn)儀。通過鍵合操作、現(xiàn)象觀察和深入分析，使學(xué)生更加深入了解鍵合機(jī)理、掌握影響鍵合效果與效率的主要因素。該實(shí)驗(yàn)技術(shù)有助于提升學(xué)生的動(dòng)手能力、分析能力以及綜合素質(zhì)。

陽極鍵合； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)； 鍵合儀； 電流監(jiān)測(cè)

鍵合技術(shù)是微電子機(jī)械系統(tǒng) (micro- electromechanical systems, MEMS)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，已被廣泛應(yīng)用于MEMS微結(jié)構(gòu)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(xué)鍵而結(jié)合為一體的加工技術(shù)。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(chǎng)作用下，將硅與玻璃這兩種材質(zhì)芯片鍵合為一體的技術(shù),它是研究最早、應(yīng)用最廣的MEMS鍵合技術(shù)[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(jié)構(gòu)[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(yīng)用范圍。將鍵合技術(shù)作為MEMS關(guān)鍵技術(shù)，開設(shè)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目勢(shì)在必行。因此，本文對(duì)硅/玻璃的陽極鍵合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究,提出了綜合型教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，研制了適合實(shí)驗(yàn)室使用的多功能鍵合實(shí)驗(yàn)儀，確定了實(shí)驗(yàn)的具體內(nèi)容和方法,開出了4學(xué)時(shí)的綜合型實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

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(fù)極，當(dāng)施加700～1 100 V的高壓電場(chǎng)時(shí)，高阻玻璃中的可動(dòng)Na+正離子向負(fù)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(shí)的本征電離使得導(dǎo)電性能與金屬相當(dāng)，因此在與玻璃接觸的硅片表面感應(yīng)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(shí)，在硅-玻璃界面會(huì)發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

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(jié)合為一體，如圖1所示。

圖1 陽極鍵合機(jī)理示意圖

陽極鍵合本質(zhì)上就是電致化學(xué)過程，是在電場(chǎng)作用下，在硅/玻璃兩種材料界面形成化學(xué)鍵的加工技術(shù)。所以，陽極鍵合又被稱為靜電鍵合或場(chǎng)助鍵合。在鍵合過程中硅/玻璃界面陰、陽離子的結(jié)合(形成O—Si、Si—OH)是鍵合電流的主體，而且是隨著鍵合時(shí)間而變化的。圖2為鍵合電流密度ρ與時(shí)間t關(guān)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(gè)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(shì)可以適時(shí)地反映出陽極鍵合的進(jìn)程。

圖2 硅/玻璃陽極鍵合電流密度-時(shí)間曲線

為加深學(xué)生對(duì)陽極鍵合本質(zhì)是電化學(xué)反應(yīng)過程的理解，基于陽極鍵合機(jī)理設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)能充分展示鍵合過程中硅/玻璃界面的變化，以及與之對(duì)應(yīng)的鍵合電流的變化(ρ-t曲線)。而且，實(shí)驗(yàn)應(yīng)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(shí)，進(jìn)行鍵合實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。使學(xué)生通過觀察、記錄、分析鍵合界面現(xiàn)象及ρ-t曲線特點(diǎn)，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(xué)生的動(dòng)手能力、分析能力，以及綜合素質(zhì)。

2 多功能鍵合實(shí)驗(yàn)儀研制

市面上已有的商用鍵合設(shè)備，如英國AML公司的AWB系列晶圓鍵合機(jī)、德國SUSS MicroTec公司推出的鍵合設(shè)備等,這類設(shè)備價(jià)格昂貴、自動(dòng)化程度高，是工業(yè)化生產(chǎn)的專用大型設(shè)備，不適合實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用。為此，本文設(shè)計(jì)了適合實(shí)驗(yàn)室教學(xué)使用的多功能鍵合實(shí)驗(yàn)儀，它由鍵合臺(tái)(見圖3)和電器機(jī)箱組成。

圖3 鍵合臺(tái)

(1) 鍵合臺(tái)。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(gè)鍵合臺(tái)的支撐底座，具有x-y平面位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，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(duì)準(zhǔn)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(duì)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(shè)計(jì)了點(diǎn)電極、環(huán)形面電極(未顯示)，以及這2個(gè)電極組合構(gòu)成的復(fù)合電極。

鍵合臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊、小巧，鍵合過程直觀可視。在陽極鍵合實(shí)驗(yàn)中使用點(diǎn)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(fù)合電極可用于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)其他鍵合技術(shù)，以及開展MEMS器件與系統(tǒng)研究時(shí)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(jī)箱。電器機(jī)箱是實(shí)驗(yàn)儀的電控系統(tǒng)，采取模塊化設(shè)計(jì)，主要包括鍵合電路(見圖4)、鍵合電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和溫控系統(tǒng)3個(gè)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(fù)壓源。陽極鍵合時(shí)，擺放在鍵合臺(tái)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(cè)系統(tǒng)用來監(jiān)測(cè)鍵合電路中電流隨時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)鍵合電流的監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)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(duì)鍵合臺(tái)的加熱器進(jìn)行溫度測(cè)量與控制，以滿足鍵合時(shí)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(shí)驗(yàn)儀與實(shí)驗(yàn)室原有顯微系統(tǒng)見圖5。

圖5 鍵合實(shí)驗(yàn)儀與顯微系統(tǒng)

3 陽極鍵合實(shí)驗(yàn)操作

實(shí)驗(yàn)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(jìn)行樣品預(yù)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(fù)漂洗干凈，瀝水后浸泡在無水乙醇中待用。

鍵合操作：開機(jī)，升溫，將清洗好待用的硅片、玻璃片樣品在鍵合臺(tái)上擺放好；當(dāng)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(diǎn)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(shí)，電流監(jiān)測(cè)顯示屏上繪出I-t曲線。當(dāng)硅/玻璃界面基本無變化，鍵合電流也基本不變時(shí)，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(shí)間鍵合界面現(xiàn)象照片和I-t曲線照片。

4 鍵合現(xiàn)象與結(jié)果分析

1#樣品是在380 ℃、903 V下進(jìn)行的鍵合，圖6是隨著鍵合進(jìn)行硅/玻璃界面不斷變化的情況，圖7是在電流監(jiān)測(cè)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(diǎn)電極位置開始，逐漸向外擴(kuò)展，直至擴(kuò)展到整個(gè)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(kuò)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(dá)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(jìn)行的鍵合，圖8是鍵合進(jìn)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(diǎn)電極的位置開始，而是從邊緣緩慢開始，而后逐漸向外擴(kuò)展，23～60 s鍵合界面擴(kuò)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(duì)鍵合進(jìn)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(jìn)行了多個(gè)樣品的鍵合實(shí)驗(yàn)，對(duì)正常鍵合樣品(起點(diǎn)在點(diǎn)電極位置，且界面全部鍵合)進(jìn)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(shí)間有較大差距。鍵合電壓-最大電流曲線、鍵合電壓-鍵合時(shí)間曲線見圖10。

圖10 溫度對(duì)鍵合電流和時(shí)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(shí)間就越短。這是因?yàn)殛枠O鍵合時(shí)電場(chǎng)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(dǎo)致開始瞬間鍵合形成的Si—O數(shù)量會(huì)大增，最大電流也就迅速增大，鍵合也就在較短時(shí)間完成。

當(dāng)鍵合電壓較低(低于700 V)時(shí)，采用點(diǎn)電極就難以由一點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(duì)鍵合電流、時(shí)間的影響與鍵合電壓變化的影響有同樣的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)闇囟壬咭矔?huì)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(shí)間也就縮短了。在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中可要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中選擇繪制壓力或者溫度對(duì)鍵合最大電流與鍵合時(shí)間的影響曲線。

5 結(jié)語

學(xué)生通過陽極鍵合實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)對(duì)鍵合機(jī)理的理解將更加深入，對(duì)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(shí)驗(yàn)除了有助于提升學(xué)生的動(dòng)手能力、分析能力以及綜合素質(zhì)之外，也有利于啟發(fā)學(xué)生思維和創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)。該多功能鍵合實(shí)驗(yàn)儀，除了可用于陽極鍵合實(shí)驗(yàn)之外，也可用于共晶鍵合等實(shí)驗(yàn)。該鍵合儀是一款新穎的開放式鍵合設(shè)備，配合多種電極及顯微系統(tǒng)，還可在研制MEMS器件時(shí)用于芯片的鍵合封裝和新型鍵合技術(shù)的研發(fā)。該實(shí)驗(yàn)儀及實(shí)驗(yàn)有推廣價(jià)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(xué)基金項(xiàng)目(E200917)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目

王蔚(1960—),女，上海，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，哈工大微電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)室主任，從事微電子科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的教學(xué)與科研工作.

E-mailwangweihit@hit.edu.cn