硅-微晶玻璃陽(yáng)極鍵合機(jī)理的研究.pdf

1、隨著電子器件的不斷復(fù)雜化、功能化和智能化，微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。半導(dǎo)體硅具備特殊電學(xué)和可微加工性能，成為MEMS領(lǐng)域的主要材料，由于硅片易斷裂，在使用硅片時(shí)，通常鍵合一層襯底材料以保證微器件的強(qiáng)度。陽(yáng)極鍵合技術(shù)由于工藝簡(jiǎn)單，鍵合強(qiáng)度高，能較好的實(shí)現(xiàn)硅片與襯底材料的鍵合，因此MEMS領(lǐng)域廣泛采用陽(yáng)極鍵合技術(shù)對(duì)硅片和襯底材料進(jìn)行鍵合。然而MEMS器件不斷復(fù)雜化，對(duì)封裝技術(shù)也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的陽(yáng)極鍵合由于溫

2、度和電壓仍然較高，鍵合時(shí)會(huì)給器件造成性能損耗。以微晶玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Pyrex玻璃，能在一定范圍內(nèi)降低鍵合電壓和溫度，然而硅片與微晶玻璃的陽(yáng)極鍵合機(jī)理目前并不明確。因此本課題采用微晶玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃與硅片進(jìn)行鍵合，以期探明微晶玻璃與硅片的鍵合機(jī)理。
　　 本文以傳統(tǒng)熔體冷卻法和二步熱處理法制備了Li2O-Al2O3-SiO2(LAS)系統(tǒng)微晶玻璃，并對(duì)不同析晶程度的微晶玻璃進(jìn)行了熱膨脹系數(shù)、抗折性能、導(dǎo)電性能等測(cè)試。在設(shè)定的工藝參

3、數(shù)條件下，采用不同析晶程度的微晶玻璃與硅片進(jìn)行了鍵合，通過拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了鍵合強(qiáng)度，研究了晶相含量與鍵合性能的關(guān)系，并通過分析晶體結(jié)構(gòu)和計(jì)算晶體的結(jié)合能，探討了晶體在鍵合中的作用。論文還對(duì)鍵合表界面進(jìn)行了分析，利用XRD、EDS、SEM等測(cè)試技術(shù)探討了鍵合黑斑的形成原因及影響因素，對(duì)鍵合中間層的元素分布及形成原因進(jìn)行了研究。獲得了以下研究成果：
　　 1、熱處理溫度不變，核化時(shí)間與晶化時(shí)間的延長(zhǎng)，晶相含量逐漸增加，LAS系統(tǒng)微晶

4、玻璃的主晶相均為β-鋰輝石，電阻率隨晶相含量的增加而升高，實(shí)驗(yàn)制備的微晶玻璃熱膨脹系數(shù)在31～34×10-7/℃(200～400℃)與硅片匹配良好。
　　 2、晶相含量的增加，在同一鍵合參數(shù)下，鍵合強(qiáng)度先增加后減小，晶相含量過少時(shí)，不能保證熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致鍵合應(yīng)力較大，降低了鍵合強(qiáng)度，而晶相含量過多會(huì)導(dǎo)致鍵合實(shí)驗(yàn)難以進(jìn)行，在保證一定鍵合強(qiáng)度的前提下，晶相含量高的微晶玻璃需要更高的鍵合溫度和電壓。
　　 3、對(duì)微晶玻璃主晶

5、相結(jié)構(gòu)和晶格能進(jìn)行了分析，主晶相中的氧離子比較穩(wěn)定，主晶相的晶格能高達(dá)8302.7千卡/摩爾，鍵合過程中很難破壞主晶相的晶格，與硅片進(jìn)行結(jié)合的氧主要來(lái)自玻璃相中的非橋氧。
　　 4、鍵合過程中產(chǎn)生的黑斑密集程度主要受鍵合電壓的影響，鍵合電壓越高黑斑密集程度越高，鍵合溫度對(duì)其影響較小，SEM測(cè)試表明黑斑存在的區(qū)域有明顯的結(jié)構(gòu)缺陷或晶相含量較少，黑斑的形成主要是由于鍵合形成的強(qiáng)電場(chǎng)造成樣品部分擊穿以及局部介電損耗過大造成。