[發明專利]基于靜電鍵合的玻璃/硅/玻璃三層結構材料的制備方法

有效

• 申請號: 201210145546.7
• 申請日: 2012-05-11
• 公開（公告）號: CN102642808A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 呂文龍;占瞻;左文佳;杜曉輝;蘇源哲;王凌云;孫道恒
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: B81C3/00
• 分類號: B81C3/00
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及一種用于制作微納器件的三層結構材料，特別是涉及一種基于靜電鍵合的玻璃/硅/玻璃三層結構材料的制備方法。

背景技術

微機電系統（MEMS）主要包括微傳感器、微執行器、微制動器等微型器件。鍵合技術作為一種典型的MEMS加工技術，廣泛應用于微器件的加工制作。鍵合是指通過物理/化學作用將硅片與硅片、硅片與玻璃等材料結合在一起的三維微加工技術。常用的MEMS鍵合技術包括金硅共晶鍵合、硅/玻璃陽極鍵合、硅/硅直接鍵合以及玻璃焊料燒結等。隨著微器件結構越來越復雜，三層甚至多層結構不斷涌現，對鍵合技術的要求也越來越高。

陽極鍵合是一種廣泛應用于微傳感器中的封裝技術。主要是針對導體與玻璃，在一定溫度和靜電力的作用下，使緊密貼合的導體與玻璃在界面上發生化學作用，形成金屬氧化鍵，最終實現導體與玻璃的永久鍵合。目前，MEMS圓片級陽極鍵合技術已經相當成熟，所選用的鍵合材料通常為硅與Pyrex7740玻璃。具體鍵合過程：對硅與玻璃施加一定壓力，確保緊密接觸的同時，對硅/玻璃施加200~1000V的直流電場，其中玻璃片接負極，硅片接正極。在電場力的作用下，玻璃中的鈉離子向負極運動，因此相對于接觸面而言，玻璃中的鈉離子耗盡形成只含有氧離子的負電荷區域，與正極相連的硅中形成相反的電荷分布區；通過系統加熱到300～400℃，氧離子與硅離子結合成Si-O鍵，進而形成永久鍵合，陽極鍵合的強度可以達到10~18MPa。

三層陽極鍵合方法是在傳統的硅/玻陽極鍵合的基礎上發展起來的，主要是為了實現交錯的硅片和玻璃的鍵合，其中典型結構為玻璃/硅/玻璃，硅作為結構層，需要通過磨削、腐蝕、拋光、刻蝕等表面/體硅加工技術制作而成。三層陽極鍵合方法可以制作玻璃/硅/玻璃三層結構，硅結構層進行封裝。

目前，基于陽極鍵合的三層鍵合方法，通常采用直接鍵合法和輔助電極鍵合法，兩者的主要區別在于實現陽極鍵合的條件。

直接鍵合法，即在操作過程中硅片與玻璃片不采用其他輔助手段，直接加載電壓進行陽極鍵合。直接鍵合法同樣可以分為兩類，一類是三層圓片單步直接鍵合，采用兩電極反接，實現在一次清洗和對準條件下金屬和夾層玻璃鍵合，但是由于第一次加電后鈉元素的積聚效應，使鈉聚集區域內發生熱特性變化，導致鍵合片在熱應力的作用下產生破壞，影響封裝效果，并且采用此方法無法保證玻璃與硅片上的圖形精密對準（張廷凱，兩電極多層陽極鍵合實驗研究，傳感器與微系統，2009，28（7））；另一類是分步陽極鍵合，即第一次鍵合時采用常規陽極鍵合條件形成硅/玻組合片，第二次通過高溫度（420℃）、高壓力（500N）、高電壓（1200V）、長時間（>30min）的方法使已鍵合的硅/玻組合片與第二片玻璃鍵合，實現玻璃/硅/玻璃三層結構，這種方法由于第二次鍵合時采用高溫條件，造成了硅與玻璃的熱膨脹失配，鍵合片翹曲嚴重，因此縮小了其應用的范圍，并且該方法存在另一個缺陷：二次鍵合時，對硅/玻璃組合片施加與此前鍵合相反的電壓，擾亂了第一次鍵合時硅/玻璃組合片內部已形成的電荷分布，導致三層鍵合片強度達不到正常標準（AML-AWB-04/AWB-04P?Aligner?Wafer?Bonder?User?Manual?May?2005）。

另一類輔助電極鍵合法，同樣采用分步陽極鍵合方式，不同點在于第二次鍵合時采用輔助手段，使硅/玻組合片中硅層與鍵合機正電極直接連接，采用常規陽極鍵合條件實現組合片與玻璃的鍵合。AML公司以及吳璟等（吳璟，基于中間硅片厚度可控的三層陽極鍵合技術，功能材料與器件學報，AML-AWB-04/AWB-04P?Aligner?Wafef?Bonder?User?Manual?May?2005）提出了硅片連接法，具體操作方法：在二次鍵合時，采用一塊與組合片中玻璃厚度相當的導電硅使正電極與硅連接，克服了直接法鍵合條件苛刻和鍵合后缺陷較多的缺點，但是硅片連接法不能滿足大規模自動化生產的要求。韓國的Moon?Chul?Lee等（Moon?Chul?Lee，Ahigh?yield?rate?MEMS?gyroscope?with?a?packaged?SiOG?process）提出通過在玻璃上的通孔結構濺射金屬使得正電極與硅層連接，但是這類方法需要在第一次鍵合的玻璃上加工有通孔結構，限制了其他加工手段的運用，例如硅/玻璃組合片的硅濕法腐蝕工藝等，很大程度上限制了該方法在MEMS加工中的應用。

發明內容