阳极键合研究现状及影响因素

为了提高键合质量、优化键合材料,促进阳极键合技术在工业生产中的应用,本文以“硅/玻璃”的阳极键合为例,阐述了阳极键合作为新型连接工艺的键合机理及工艺过程,介绍了现阶段阳极键合在国内外工业生产中的应用实例及相关研究,尤其是在微电子封装领域所展现的杰出应用前景,同时结合阳极键合过程中对键合参数、材料处理等要求,给出了影响键合质量的各种因素,以及在键合过程中常出现的问题及其解决办法.本文立足于键合机理及键合工艺过程,结合不同材料特性,重点阐述了阳极键合这一新型连接工艺的国内外研究现状及影响键合的因素,为进一步提高键合质量、优化键合工艺、开发新的键合材料等提供理论依据.     

基于正交试验分析的阳极键合强度研究

采用抗拉强度作为键合质量评价的指标,对硅-玻璃阳极键合的键合温度、冷却速度、退火温度和时间等四个参数的三个位级下的键合效果进行了分析。通过采用正交试验分析法,将81组试验减少为9组并进行了试验。采用自制的抗拉强度测试机对强度进行了测试,结果发现,阳极键合后的冷却速度对强度的影响最为显著,冷却速度越低,强度越高。最后对断裂面进行了SEM分析并对试验结果进行了讨论。     

硅片键合强度测试系统研究

对现有的几种硅片键合强度测试方法进行总结。在裂纹传播扩散法测试机理分析的基础上,提出了测试系统需要得到的参数和功能,采用模块化设计思想,对测试系统中的精密定位、显微视觉、红外测试和控制系统等关键技术分别研究,最后将单元技术集成,研制成功测试系统样机,通过对多个键合硅片强度测试对比实验,证明了该系统的有效性。     

一种避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术

基于阳极键合过程中的静电吸合效应,提出了一种可避免静电黏附失效的低应力阳极键合技术.采用湿法腐蚀技术制作了梯形截面的硅梁结构和对应的Pyrex玻璃基底,理论分析了该结构的静电吸合电压并进行了实验验证.采用铝/铬作为玻璃基底的电极层,铬作为中间层,从而阻止阳极键合发生.由于在键合过程中形成的铬氧化物为导体,所以硅与玻璃之间的静电场消失,从而阻止了玻璃中的O2-等负离子向硅移动,避免了静电黏附失效;采用Al作为主要电极层,可以保证电极的电学特性.采用了逐步升压法,首先在200 V低电压条件下进行预键合,使结合面具有一定的连接强度,然后再提升键合电压至400 V进行强化键合,在充分保证键合强度的前提下,静电力作用下的结构变形仅为400 V恒压模式下的1/4,减小了静电力对键合结构产生的影响,有效改善了键合过程中产生的残余应力.     

晶圆直接键合及室温键合技术研究进展

晶圆直接键合技术可以使经过抛光的半导体晶圆,在不使用粘结剂的情况下结合在一起,该技术在微电子制造、微机电系统封装、多功能芯片集成以及其他新兴领域具有广泛的应用。对于一些温度敏感器件或者热膨胀系数差异较大的材料进行键合时,传统的高温键合方法已经不再适用。如何在较低退火温度甚至无需加热的室温条件下,实现牢固的键合是晶圆键合领域的一项挑战。本文以晶圆直接键合为主题,简单介绍了硅熔键合、超高真空键合、表面活化键合和等离子体活化键合的基本原理、技术特点和研究现状。除此之外,以含氟等离子体活化键合方法为例,介绍了近年来在室温键合方面的最新进展,并探讨了晶圆键合技术的未来发展趋势。     

直接键合硅片的三步亲水处理法及界面电特性

亲水处理是硅片能否直接键合成功的关键。基于亲水处理的微观机理分析和不同清洗要水处理的过程及效果,本文提出了独特的三步亲水处理法。这一方法既能顺利完成室温预键合,又能减少界面上非定形大尺寸ＳｉＯｘ体的生成,避免了界面对电输运的势垒障碍,结果获得了理想的键合界面。     

电子束蒸发玻璃薄膜中间层的阳极键合研究

介绍了一种用电子束蒸发Schott 8329玻璃薄膜作为中间层,实现硅-硅以及硅-SOI阳极键合的方法.调整蒸发时的工艺并且450℃退火,沉积了粗糙度9.62 nm、初始应力139 MPa、喷点较少的薄膜,从而获得了＞95%的键合面积.键合电压20 V,温度300℃～500℃下硅-硅的键合强度可达1.47 J/m2,同时分析了键合电流特性.400℃,40V下键合了Si和SIMOX SOI硅片,用TMAH溶液进行基底减薄,获得了厚介质层薄顶层硅结构,这为一些MEMS器件的制作奠定了基础.     

玻璃与铝在不同层数结构下的阳极键合界面力学性能

运用共阳极法实现不同层数玻璃／铝的阳极键合,采用MARC非线性有限元分析软件,对三层、五层、七层、九层玻璃／铝键合试件的界面力学性能进行比较分析,探讨结合处残余应力随层数增加的变化趋势,分析结果表明,由于多层结构的对称性,最大的等效应力发生在中心处的过渡层。研究结果为MEMS器件在多层封装结构的设计提供了理论依据。     

Pyrex玻璃／铝多层阳极键合界面结构与力学分析

采用公共阳极法实现了Pyrex玻璃与铝多层晶片的静电键合,对玻璃/铝/玻璃阳极接舍界面的组织结构及其连接机理和力学特征进行了重点研究.分别利用微拉伸测试设备和ANSYS软件分析了连接区的力学性能和残余应力分布特征.分析认为键合区由玻璃一过渡层一铝组成,过渡层为Al2O3-SiO2复合氧化物.玻璃/铝界面的微观组织和元素分布均以铝为对称轴呈对称分布.在玻璃/铝/玻璃多层连接区,键合界面附近的残余应力和应变呈对称分布,多层结构的对称性有利于缓解接头应变和应力,表明应用公共阳极法可实现多层玻璃/铝/玻璃的良好键合.     

硼硅玻璃与硅阳极键合界面形成机理分析

对硼硅玻璃与硅进行了阳极键合实验,通过扫描电镜对键合界面的微观结构进行分析表明:玻璃/硅的键合界面有明显的中间过渡层生成;分析认为电场力作用下玻璃耗尽层中的氧负离子向界面迁移扩散并与硅发生氧化反应是形成中间过渡层的主要原因,而界面过渡层的形成是硅/玻璃界面键合实现永久连接的直接原因.     

AAO模板为基底CVD法合成孔径可控的碳微球

1000℃下两段炉中裂解乙炔,第一段炉中不放催化剂,第二段炉中放入孔径约为50nm的AAO模板并将炉温设定为700℃,反应时间为10min。产物通过扫描电子显微镜和高分辨透射电子显微镜进行了表征。结果表明:AAO模板表面沉积了很多直径约为50nm的碳微球,碳微球的结构为断断续续的石墨片层组成的波纹状结构,石墨片层的层间距约为0.3~0.35nm。     

Stability of chromium diffusion barriers during anodic bonding in silicon resistor devices

In this work, the stability of chromium diffusion barriers during anodic bonding in silicon resistor devices was investigated. In particular, temperature–voltage–time conditions for failure were identified. It was found that temperatures of 400 °C regardless of voltage and times above 11.5 min were enough to promote failure. Failure was identified by SEM in the form of a line of hills across the device surface where the silicon resistor was underneath. In contrast, temperatures of 300 °C did not promote failure for all the voltages considered and anodization times of up to 1580 min. Hence, the device failure was attributed to electrothermal migration with the thermal component being dominant.     

基于低温直接键合的血细胞计数芯片结构制备

研究了一种新颖的微流管道血细胞计数器的结构及其工作原理,采用流体动力学对其液体分层流动特性进行了仿真分析,结合图形制备和低温直接键合工艺制作了硅基微流体管道血细胞计数器结构,并采用红外透射方法对微流体管道结构进行了检测.对封闭管道的流通性及结构的键合强度也进行了测量.研究分析表明,采用上述工艺制备的微流体芯片结构与电子器件兼容性好,具有良好的化学惰性和热稳定性,而且管道结构规则,精度高,键合界面层薄,具有较好的应用前景.     

Direct bonding of recessed-structure SAW filter on silicon substrate

A procedure for fabricating a recessed surface acoustic wave (SAW) device coupled with silicon substrate is reported. The recessed structure is stable and rugged enough against the bonding process, and it can be applied to integrate a semiconductor device into one chip by a direct bonding technique. In this paper, the tensile strength of silicon (Si)-to-recessed-SAW filter is measured, and the performance of the device is discussed.     

Fabrication of highly ordered anodic aluminium oxide templates on silicon substrates

The controlled fabrication of highly ordered anodic aluminium oxide (AAO) templates of unprecedented pore uniformity directly on Si, enabled by new advances on two fronts - direct and timed anodisation of a high-purity Al film of unprecedented thickness (50 mum) on Si, and anodising a thin but pre-textured Al film on Si, has been reported. To deposit high-quality and ultra-thick Al on a non-compliant substrate, a prerequisite for obtaining highly ordered pore arrays on Si by self-organisation while retaining a good adhesion, a specially designed process of e-beam evaporation followed by in situ annealing has been deployed. To obtain an AAO template with the same high degree of ordering and uniformity but from a thin Al film, which is not achievable by the self-organisation alone, pre-patterning of the thin Al surface by reactive ion etching using a freestanding AAO mask that was formed in a separate process was performed. The resultant AAO/Si template provides a good platform for integrated growth of nanotube, nanowire or nanodot arrays on Si. Template-assisted growth of carbon nanotubes (CNTs) directly on Si was demonstrated via a chemical vapour deposition method. By controllably removing the AAO barrier layer at the bottom of the pores and partially etching back the AAO top surface, new CNT/Si structures were obtained with potential applications in field emitters, sensors, oscillators and photodetectors.     

从壁垒型氧化膜生长过程研究PAA的生长机制

为研究PAA的生长机理,设计了铝在3种电解液中的阳极氧化,通过SEM和阳极氧化曲线详细分析了规则圆柱形孔道和表面不规则孔洞产生的原因.电解液中阴离子使氧化膜变成了壁垒层和污染层两层.雪崩电子电流导致了在壁垒层/污染层界面上O2的析出.PAA中圆柱形孔道的形成是氧气析出的结果,传统的"酸性场致溶解"只在表面形成不规则的孔洞.当电解液中磷酸含量减少后,氧气析出持续的时间降低,O2析出停止后,多孔孔道被新生成的氧化铝封堵,最后PAA膜转变成BAA膜.