微机电系统技术基础课件 4.ppt

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微机电系统技术基础课件 4

微机电技术基础 微机械制造技术 3.5 固相键合技术 3.5.1 技术要求 1.概述 固相键合技术是利用各种结合工艺,把若干具有平面结构的零件重叠接合在一起,构成三维结构部件。常用的键合方法有: (1)阳极键合 (2)热熔键合(3)共熔键合(4)低温玻璃键合及冷压焊接等 微机械制造技术 2.键合应满足的技术要求 (1)残余热应力尽可能小 (2)实现机械解耦,以防止外届应力干扰 (3)足够的机械强度和密封性 (4)良好的电绝缘性 微机械制造技术 机械隔离技术 为了减少外界应力的干扰,对其中的核心部件和连接的边缘支座实现机械解耦。 以硅为例,有两种隔离方案 (1)硬隔离,即把边缘支座设计的具有足够大的刚度,固有频率很高 (2)设计固体固有频率很低的软隔离结构(隔离带)。 微机械制造技术 微机械制造技术 明显隔离的条件 fh/fs≥10 , fs/fl ≥10 微机械制造技术 3.5.2 键和方法 3.5.2.1阳极键合 1.概述 阳极键合又称静电键合或场助键合。阳极键合技术可将硅与玻璃、金属及合金在静电场作用下键合在一起,中间务需任何粘接剂。 特点:键合界面具有良好的气密性和长期的稳定性。 2.硅与玻璃的阳极键合原理 条件:硅与玻璃的键合可在大气或真空环境下完成。键合温度为180-500oC,接近于玻璃的退火点,但在玻璃的熔点以下。 微机械制造技术 2.硅与玻璃的阳极键合原理与过程 把将要键合的玻璃抛光面与硅抛光面面对面地接触,玻璃的另一面接负极,整个装置由加热板控制,硅和加热板也是阳极。当在极间施加电压(200-1000V视玻璃厚度而定)时,玻璃中的Na+离子向负极方向漂移,在紧邻硅片的玻璃表面形成宽度约为几微米的耗尽层。由于耗尽层带负电荷,硅片带正电荷,所以硅片和玻璃之间存在较大的静电吸引力,使二者即刻紧密接触。在键合温度(180-500oC)下,紧密接触的玻璃与硅界面上将发生化学反应,形成牢固的化学键,促成玻璃与硅在界面上实现。键合强度可达到玻璃或硅自身的强度值甚至更高。 微机械制造技术 3.玻璃与硅阳极键合的过程 微机械制造技术 硅与硼硅酸玻璃阳极键合停止过程 在阳极键合过程中,加上电压后,即刻有一电流脉冲产生;稍候,电流几乎降为0,表明此时键合已经完成。所以可以通过观察外电路中电流的变化,判断键合是否已经完成。 微机械制造技术 硅与硅的互连 硅与硅的互连,也能用阳极键合实现,但在2片硅片间须加入中间夹层。常用的中间夹层次材料为硼硅酸盐玻璃。过程如下: (1)首先把要键合的硅片抛光 (2)在一个硅片上淀积一层厚2-4微米的玻璃 (3)阴极接在有玻璃的硅片上,阳极接在另一硅片上 结构如图: 微机械制造技术 3.5.2.2 Si-Si直接键合 1.概述 两片硅片通过高温处理,可直接键合在一起,中间勿需任何粘接剂和夹层,也勿需外加辅助电场。这种技术是将硅片加热到1000oC以上,使其处于熔融状态,分子力导致两个硅片键合在一起。这种技术称为硅熔融键合,或直接键合。 微机械制造技术 2. 硅-硅直接键合与阳极键合比较 硅-硅键合可以获得硅-硅界面,实现材料的热膨胀系数、弹性系数等的最佳匹配,得到硅一体化结构。有利于提高产品的长期稳定性和温度稳定性。 微机械制造技术 2.Si-Si或SiO2- SiO2键合的关键 Si-Si或SiO2- SiO2键合的关键是硅表面的活化处理、表面光洁度、平整度以及在工艺过程中的清洁度。 3. 硅-硅键合的工艺过程 (1)表面处理及清洗过程 (2)Si-Si键合过程 微机械制造技术 (3)硅-硅直接键合的不足 Si-Si直接键合需要在高温(700-1000oC)下才能完成,而高温处理过程难以控制,且不变操作;因此低温下实现Si-Si键合就出现,(如:氩气等离子体处理硅表面,实现低温键合)。 微机械制造技术 低温键合步骤 (1)先对要键合的一对硅片进行表面处理和清洗 (2)把清洗好的硅片放入真空装置里 (3)利用真空中的氩离子对硅表面进行处理(Ar气源的工作电压1.2kV,Ar等离子电流为20mA,Ar离子束的入射角为45o,射向硅表面的Ar压力约为0.1Pa,腐蚀时间约为1min,腐蚀深度约为4nm (4)经过Ar离子腐蚀、去污及清洁后的一对硅片表面在外加约为1MPa压力下,即可在室温条件下实现牢固的Si-Si直接键合。整个过程都在真空下进行的。 微机械制造技术 3.5.2.3玻璃封接键合 概述 用于封接的玻璃多为粉状,通常称为玻璃料。他们由多种不同特征的金属氧化物组成,不同比例的组份,热膨胀系数不同。这样的玻璃料是由玻璃厂家专门制成的,一般有两种基本形态:非晶态玻璃与晶态玻璃。 微机械制造技术 3.5.2.4 金属共熔键合 1.概念

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