靜電鍵合理論模型與過程仿真研究.pdf

1、隨著MEMS(micro-electro-mechanical system)技術(shù)的迅速發(fā)展和其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,MEMS技術(shù)正發(fā)展成為一個(gè)巨大的產(chǎn)業(yè)。作為最常用MEMS工藝,硅/玻璃靜電鍵合技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用。雖然近年來對靜電鍵合的研究和開發(fā)取得了一定進(jìn)展,但還為未形成完善的理論體系,在分析鍵合機(jī)理的過程中也多是使用定性的方法來解釋,少數(shù)的定量模型由于可計(jì)算性較差等原因還不能對整個(gè)鍵合過程進(jìn)行準(zhǔn)確描述。一些問題諸如靜電鍵合的時(shí)間

2、特性、點(diǎn)電極擴(kuò)展規(guī)律、電流-時(shí)間特性等問題還沒有理論模型,有待進(jìn)一步研究。本文通過靜電鍵合機(jī)理的分析建立了靜電鍵合的理論模型,經(jīng)實(shí)驗(yàn)得到與工藝條件相關(guān)的參數(shù),并最終得到了鍵合電壓與鍵合溫度及臨界鍵合時(shí)間之間關(guān)系的理論模型、平板電極與點(diǎn)電極鍵合的電流模型、單點(diǎn)電極的擴(kuò)展模型。同時(shí)根據(jù)三個(gè)理論模型,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了靜電鍵合工藝仿真軟件。軟件可對平板電極臨界鍵合時(shí)間進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測;對靜電鍵合電流進(jìn)行仿真,得到其點(diǎn)電極鍵合及平板電極鍵合電流曲線;可對

3、帶有腐蝕結(jié)構(gòu)的鍵合材料進(jìn)行點(diǎn)電極及多點(diǎn)電極靜電鍵合仿真。
　　本文首先對鍵合時(shí)間與鍵合強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析,得到了鍵合完全時(shí)鍵合界面的強(qiáng)度大于玻璃本身強(qiáng)度的結(jié)果。依據(jù)玻璃的強(qiáng)度為參考給出了判斷鍵合成功的判據(jù),即以鍵合界面強(qiáng)度達(dá)到玻璃的抗張強(qiáng)度為鍵合成功的標(biāo)志。在該判據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)固體物理中填隙原子的擴(kuò)散系數(shù)公式并利用愛因斯坦關(guān)系,通過理論推導(dǎo)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法得到了臨界鍵合時(shí)間與鍵合電壓及鍵合溫度之間的理論模型。結(jié)果表明:理論曲線

4、與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的均方根誤差小于5％。相比較原來通過經(jīng)驗(yàn)觀測電流變化的方法,可給出合理的鍵合工藝時(shí)間。
　　通過與平板電極鍵合機(jī)理的比較,對點(diǎn)電極鍵合過程采用了微分的分析方法進(jìn)行建模。通過將鍵合區(qū)域進(jìn)行極限劃分為多個(gè)微分環(huán)完成擴(kuò)展規(guī)律的推導(dǎo),經(jīng)驗(yàn)證模型可對鍵合擴(kuò)展的全過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。該模型改變了通常的僅僅通過觀察鍵合材料的顏色來判斷鍵合過程的方法。在采用點(diǎn)電極陣列、線電極及對帶有腐蝕結(jié)構(gòu)的材料鍵合時(shí),通過該模型可以在鍵合前判斷鍵合電極

5、的分布是否合理。
　　論文討論了靜電鍵合耗盡層形成過程中鍵合電流變化的規(guī)律。通過將鍵合界面耗盡層抽象為可變電容,耗盡層的鍵合被視為該電容充電的過程,故鍵合電流為關(guān)于時(shí)間的函數(shù)。靜電鍵合的進(jìn)程也可用其指示。并通過硅-玻璃-硅三層鍵合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電流模型?；谠撐锢砟Ｐ?建立了平板電極靜電鍵合電流與點(diǎn)電極鍵合電流的數(shù)學(xué)模型,給出了測定模型中與工藝相關(guān)系數(shù)的方法。通過該模型可對靜電鍵合的工藝過程進(jìn)行定量計(jì)算和準(zhǔn)確模擬。
　　在理論分

6、析模型的基礎(chǔ)上，完成了靜電鍵合工藝仿真軟件的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中使用RUP(Rational Unified Process)的設(shè)計(jì)方法對仿真工具進(jìn)行了建模。仿真工具可以對平板電極、單點(diǎn)電極及多點(diǎn)電極進(jìn)行靜電鍵合過程仿真,在仿真過程中可同時(shí)仿真鍵合電流變化。實(shí)現(xiàn)了基于貪心策略的八方向擴(kuò)展水波繞障點(diǎn)電極擴(kuò)展拓?fù)渌惴坝?jì)算鍵合面積的圖形疊加面積算法。通過繞障拓?fù)渌惴ń鉀Q了對帶有腐蝕結(jié)構(gòu)晶片的點(diǎn)電極鍵合路徑預(yù)測問題,使得基于靜電鍵合模型的仿真軟件的實(shí)