Анодное соединение

Анодное соединение — это процесс соединения пластин для герметизации стекла с кремнием или металлом без введения промежуточного слоя; он обычно используется для герметизации стекла с кремниевыми пластинами в электронике и микрофлюидике. Этот метод соединения, также известный как соединение с помощью поля или электростатическое уплотнение, [1] в основном используется для соединения кремния / стекла и металла / стекла через электрические поля . Требования к анодному соединению — чистые и ровные поверхности пластин и атомный контакт между связующими подложками через достаточно мощное электростатическое поле. Также необходимо использование боросиликатного стекла, содержащего высокую концентрацию щелочных ионов. Коэффициент теплового расширения (КТР) обработанного стекла должен быть аналогичен коэффициенту партнера по соединению. [2]

Анодное соединение может применяться со стеклянными пластинами при температурах от 250 до 400 °C или с напыленным стеклом при 400 °C. [3] Структурированные слои боросиликатного стекла также могут быть нанесены методом плазменного электронно-лучевого испарения. [4]

Эта процедура в основном используется для герметичной инкапсуляции 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 совместно обожженная керамика (LTCC). [5]

Обзор

Анодное соединение на кремниевых подложках 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 промежуточным стеклянным слоем также возможно соединение двух кремниевых пластин. [6] Стеклянные слои наносятся распылением, центрифугированием стеклянного раствора или осаждением из паровой фазы на обработанную кремниевую пластину. [3] Толщина этих слоев составляет от одного до нескольких микрометров, при этом центрифугирование стеклянных слоев требует 1 мкм или меньше. [6] Герметичные уплотнения 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 соединение термически окисленных пластин без стеклянного слоя.

Процедурные этапы анодного соединения делятся на следующие: [2]

  1. Контактные субстраты
  2. Нагрев субстратов
  3. Склеивание путем приложения электростатического поля
  4. Охлаждение стопки пластин

с процессом, характеризующимся следующими переменными: [8]

  • напряжение связи U B
  • температура связи T B
  • ограничение тока I B

Согласно испытаниям на растяжение, типичная прочность сцепления составляет от 10 до 20 МПа, что выше прочности стекла на разрыв.

Различные коэффициенты теплового расширения создают проблемы для анодного соединения. Чрезмерное несоответствие может повредить соединение через внутренние напряжения материала и вызвать нарушения в связующих материалах. Использование натрийсодержащих стекол, например, Borofloat или Pyrex, служит для уменьшения несоответствия. Эти стекла имеют КТР, аналогичный кремнию в диапазоне применяемых 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 воздействием приложенного электрического поля. Этот метод используется и по сей день как инкапсуляция датчиков с электропроводящими стеклами. [10]

Этапы процесса анодного присоединения

Предварительная обработка оснований

Процедура анодного соединения способна склеивать гидрофильные и гидрофобные кремниевые поверхности одинаково эффективно. Шероховатость поверхности должна быть менее 10 нм и не иметь загрязнений на поверхности, чтобы процедура работала должным образом. [8] Несмотря на то, что анодное соединение относительно устойчиво к загрязнениям, широко распространенная процедура очистки RCA применяется для удаления любых поверхностных загрязнений.

Стеклянную пластину можно также подвергнуть химическому травлению или порошковой струйной обработке для создания небольших полостей, в которых можно разместить устройства МЭМС. [11]

Дополнительными механизмами, поддерживающими процесс соединения не полностью инертных анодных материалов, могут быть выравнивание или полировка поверхностей, а также абляция поверхностного слоя электрохимическим травлением. [8]

Свяжитесь с субстратами

Пластины, которые соответствуют требованиям, вводятся в атомный контакт. Как только контакт впервые устанавливается, процесс связывания начинается вблизи катода и распространяется фронтами к краям, процесс занимает несколько минут. [12] Процедура анодного связывания 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 связь распространяется радиально наружу, что делает невозможным захват воздуха между поверхностями. Радиус области связи приблизительно пропорционален квадратному корню времени, прошедшего во время процедуры. Ниже температур от 350 до 400 °C и напряжения связи от 500 до 1000 В этот метод не очень эффективен и надежен. [13]

Использование катодного электрода полной площади показывает реакции связи по всему интерфейсу после подачи напряжения. [8] Это является результатом однородного распределения электрического поля при температуре около 300 °C и напряжении связи 250 В. [13] Используя тонкие осажденные слои стекла, необходимые напряжения могут быть значительно снижены. [4]

Нагрев и склеивание путем применения электростатического поля

Схема процедуры анодной сварки. Верхний инструмент работает как катод, а патрон как анод.
Дрейф ионов в стекле под действием электростатического поля. [8]
(1) Формирование зоны обеднения (серого цвета) посредством дрейфа Na +
. (2) Дрейф ионов O − в зоне обеднения.

Пластины помещаются между патроном и верхним инструментом, используемым в качестве связующего электрода, при температурах от 200 до 500 °C (сравните с изображением «Схема процедуры анодной сварки»), но ниже точки размягчения стекла (температуры стеклования). [11] Чем выше температура, тем лучше подвижность положительных ионов в стекле.

Приложенный электрический потенциал между устанавливается на уровне напряжения в несколько сотен В. [8] Это вызывает диффузию ионов натрия (Na + ) из интерфейса связи на заднюю сторону стекла к катоду. Это приводит, в сочетании с влажностью, к образованию NaOH. Высокое напряжение помогает поддерживать дрейф положительных ионов в стекле к катоду. Диффузия согласно распределению Больцмана экспоненциально связана с температурой. Стекло (NaO 2 ) с его оставшимися ионами кислорода (O 2− ) имеет отрицательный объемный заряд на поверхности связи по сравнению с кремнием (сравните с рисунком «дрейф ионов в стекле связи» (1)). Это основано на истощении ионов Na + .

Кремний в отличие от, например, алюминия, является инертным анодом. 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 соединения в стеклянной пластине образуется область обеднения с высоким импедансом толщиной в несколько микрометров. В зазоре между кремнием и стеклом падает напряжение соединения. Начинается процесс соединения как комбинация электростатического и электрохимического процесса.

Напряженность электрического поля в обедненной области настолько высока, что ионы кислорода дрейфуют к интерфейсу связи и выходят, чтобы вступить в реакцию с кремнием, образуя SiO 2 (сравните с рисунком «Ионный дрейф в стекле связи» (2)). На основе высокой напряженности поля в обедненной области или в зазоре на интерфейсе обе поверхности пластины прижимаются друг к другу при определенном напряжении связи и температуре связи. Процесс реализуется при температурах от 200 до 500 °C в течение примерно 5–20 мин. Обычно время соединения или герметизации увеличивается при снижении температуры и напряжения. [14] Давление применяется для создания тесного контакта между поверхностями, чтобы обеспечить хорошую электропроводность через пару пластин. [15] Это обеспечивает тесное контакт для поверхностей партнеров по связи. Тонкий сформированный слой оксида между поверхностями связи, силоксан (Si-O-Si), обеспечивает необратимое соединение между партнерами по связи. [8]

При использовании термически окисленных пластин без стеклянного слоя к связыванию приводит диффузия ионов OH− и H + вместо ионов Na + . [12]

Охлаждение субстрата

После процесса склеивания необходимо провести медленное охлаждение в течение нескольких минут. Это можно обеспечить продувкой инертным газом. Время охлаждения зависит от разницы КТР для склеиваемых материалов: чем выше разница КТР, тем дольше период охлаждения.

Технические характеристики

Материалы
  • Си-Си
  • Si-стекло
  • Si-LTCC
  • керамика Si-стекло-PZT
  • Металл-стекло (Al, Cu, Ковар, Мо, Ni, Инвар, ...)
Температура
  • Кремниевое стекло: > 250 °C
  • Si-Si (с промежуточным слоем стекла): > 300 °C
  • Металл-стекло: 200 - 450 °C
Напряжение
  • Si-стекло: 300–500 В (макс. < 2000 В)
  • Металл-стекло: 50 - 1500 В
Преимущества
  • Простые технологические процессы
  • Создание стабильных связей
  • Создание герметичных соединений
  • Склеивание при температуре ниже 450 °C
  • Низкие ограничения для поверхности Si
Недостатки
  • Допустимая разница КТР в склеенных материалах ограничена
Исследовать
  • Интеграция производственного процесса
  • Si-LTCC

Ссылки

  1. ^ ab Wallis, George; Pomerantz, Daniel I. (1969). "Field Assisted Glass-Metal Sealing". Journal of Applied Physics . 40 (10): 3946–3949. Bibcode : 1969JAP....40.3946W. doi : 10.1063/1.1657121.
  2. ^ abc М. Вимер; Дж. Фремель; Т. Гесснер (2003). «Тенденции технологий в Bereich Waferbonden». В В. Дётцеле (ред.). 6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik . Том. 6. Технический университет Хемница. стр. 178–188.
  3. ^ ab Gerlach, A.; Maas, D.; Seidel, D.; Bartuch, H.; Schundau, S.; Kaschlik, K. (1999). "Низкотемпературное анодное соединение кремния с кремниевыми пластинами с помощью промежуточных стеклянных слоев". Microsystem Technologies . 5 (3): 144–149. doi :10.1007/s005420050154. S2CID  111280889.
  4. ^ ab Leib, Juergen; Hansen, Ulli; Maus, Simon; Feindt, Holger; Hauck, Karin; Zoschke, Kai; Toepper, Michael (2010). "Анодное соединение при низком напряжении с использованием микроструктурированных тонких пленок боросиликатного стекла". 3-я конференция по технологиям интеграции электронных систем ESTC . стр. 1–4. doi :10.1109/ESTC.2010.5642923. ISBN 978-1-4244-8553-6. S2CID  28061938.
  5. ^ Хан, М. Ф.; Гаванини, ФА; Хаасл, С.; Лёфгрен, Л.; Перссон, К.; Русу, К.; Шёльберг-Хенриксен, К.; Энокссон, П. (2010). «Методы характеризации инкапсуляции на уровне пластины, применяемой на кремнии для анодного соединения LTCC». Журнал микромеханики и микроинженерии . 20 (6): 064020. Bibcode : 2010JMiMi..20f4020K. doi : 10.1088/0960-1317/20/6/064020. S2CID  111119698.
  6. ^ ab Quenzer, HJ; Dell, C.; Wagner, B. (1996). "Анодное соединение кремния с кремнием с промежуточными слоями стекла с использованием спин-он стекол". Труды Девятого международного семинара по микроэлектромеханическим системам . стр. 272–276. doi :10.1109/MEMSYS.1996.493993. ISBN 0-7803-2985-6. S2CID  317049.
  7. ^ Шьёльберг-Хенриксен, К.; Поппе, Э.; Мо, С.; Сторос, П.; Такло, ММВ; Ван, Д.Т.; Якобсен, Х. (2006). «Анодное соединение стекла с алюминием». Микросистемные технологии . 12 (5): 441–449. дои : 10.1007/s00542-005-0040-8. S2CID  109085293.
  8. ^ abcdefg С. Мак (1997). Eine vergleichende Untersuruchung der Physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (Thesis). Йена, Германия: VDI Verlag / Институт Макса Планка. ISBN 3-18-343602-7.
  9. ^ T. Gessner; T. Otto; M. Wiemer; J. Frömel (2005). "Wafer bonding in micromechanics and microelectronics - an overview". В Bernd Michel (ред.). The World of Electronic Packaging and System Integration . DDP Goldenbogen. стр. 307–313. ISBN 978-3-93243476-1.
  10. ^ Плёсль, А. (1999). «Прямое соединение пластин: настройка адгезии между хрупкими материалами». Materials Science and Engineering . 25 (1–2): 1–88. doi :10.1016/S0927-796X(98)00017-5.
  11. ^ ab M. Chiao (2008). "Упаковка (и соединение проводов)". В D. Li (ред.). Энциклопедия микрофлюидики и нанофлюидики . Springer Science+Business Media.
  12. ^ abc G. Gerlach; W. Dötzel (2008). Ronald Pething (ред.). Введение в микросистемную технологию: руководство для студентов (Wiley Microsystem and Nanotechnology) . Wiley Publishing. ISBN 978-0-470-05861-9.
  13. ^ ab Nitzsche, P.; Lange, K.; Schmidt, B.; Grigull, S.; Kreissig, U.; Thomas, B.; Herzog, K. (1998). "ChemInform Abstract: Ion Drift Processes in Pyrex-Type Alkali-Borosililicate Glass During Anodic Bonding". ChemInform . 145 (5): 1755–1762. doi :10.1002/chin.199830293.
  14. ^ Уоллис, Джордж (1975). «Герметизация стекла с помощью поля». ElectroComponent Science and Technology . 2 (1): 45–53. doi : 10.1155/APEC.2.45 .
  15. ^ S. Farrens; S. Sood (2008). "Упаковка на уровне пластины: балансировка требований к устройствам и свойств материалов". IMAPS . Международное общество микроэлектроники и упаковки.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Анодное_склеивание&oldid=1220234836"