多功能键合仪研制及在教学中的应用

王 蔚， 封 迪， 田 丽

(哈尔滨工业大学 航天学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

实验技术与方法

多功能键合仪研制及在教学中的应用

王 蔚， 封 迪， 田 丽

(哈尔滨工业大学 航天学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

对硅/玻璃阳极键合进行了实验技术研究,阐述了实验设计思路;确定了实验的内容和方法,据此研制出能直观显示硅/玻璃界面键合情况以及键合电流-时间曲线的多功能键合实验仪。通过键合操作、现象观察和深入分析，使学生更加深入了解键合机理、掌握影响键合效果与效率的主要因素。该实验技术有助于提升学生的动手能力、分析能力以及综合素质。

阳极键合； 教学实验； 键合仪； 电流监测

键合技术是微电子机械系统 (micro- electromechanical systems, MEMS)领域的关键技术之一，已被广泛应用于MEMS微结构制造、芯片封接和系统装配之中[1]。所谓“键合”是指质地相同或不同的固体材料，通过外加热、电、微波、超声等的作用，使紧密接触的两种材料界面形成化学键而结合为一体的加工技术。常用的键合方法主要有硅/玻璃的阳极键合[2]、硅/金的共晶键合[3]、硅/硅的直接键合[4]等。

阳极键合是在一定温度、较高电场作用下，将硅与玻璃这两种材质芯片键合为一体的技术,它是研究最早、应用最广的MEMS键合技术[5]。在压力传感器[6]、加速度传感器[7]、微泵[8]等器件的芯片封接，以及微流控系统[9]等系统的装配中已被普遍采用。近年来，其发展主要在开发新型材料[10]、结构[11]的键合方法，通过表面活化处理来降低键合温度、电压[12]，从而拓展应用范围。将键合技术作为MEMS关键技术，开设相应的实验教学项目势在必行。因此，本文对硅/玻璃的阳极键合进行了实验技术研究,提出了综合型教学实验的设计思路，研制了适合实验室使用的多功能键合实验仪，确定了实验的具体内容和方法,开出了4学时的综合型实验。

1 实验设计思路

硅/玻璃阳极键合是将硅(芯)片与玻璃片贴合，并加热到300～500 ℃，在硅片一侧接电源正极，玻璃片一侧接负极，当施加700～1 100 V的高压电场时，高阻玻璃中的可动Na+正离子向负极板方向漂移，在与硅接触的玻璃片表面形成O-、OH-离子耗尽层(也称空间电荷区)，而硅在超过300 ℃时的本征电离使得导电性能与金属相当，因此在与玻璃接触的硅片表面感应出带正电荷的Si+离子。这样在硅/玻璃界面存在较大的静电引力，使二者紧密接触。与此同时，在硅-玻璃界面会发生如下电化学反应：

Si++ O--Si → Si—O—Si

Si++OH-→ Si—OH Si—OH+HO—Si→Si—O—Si+H2O

形成的Si—O和Si—OH使硅和玻璃牢固地结合为一体，如图1所示。

图1 阳极键合机理示意图

阳极键合本质上就是电致化学过程，是在电场作用下，在硅/玻璃两种材料界面形成化学键的加工技术。所以，阳极键合又被称为静电键合或场助键合。在键合过程中硅/玻璃界面阴、阳离子的结合(形成O—Si、Si—OH)是键合电流的主体，而且是随着键合时间而变化的。图2为键合电流密度ρ与时间t关系曲线，电流密度从零瞬间上升到最大值，然后快速下降，逐渐降速变缓，直至基本不变化。整个键合过程只几分钟甚至几十秒就已完成。键合电流的变化趋势可以适时地反映出阳极键合的进程。

图2 硅/玻璃阳极键合电流密度-时间曲线

为加深学生对阳极键合本质是电化学反应过程的理解，基于阳极键合机理设计的实验应能充分展示键合过程中硅/玻璃界面的变化，以及与之对应的键合电流的变化(ρ-t曲线)。而且，实验应涵盖在不同键合电压、温度等工艺条件下，以及不同样品表面情况时，进行键合实验的内容。使学生通过观察、记录、分析键合界面现象及ρ-t曲线特点，了解影响阳极键合的主要因素，掌握具体的键合操作方法，从而提升学生的动手能力、分析能力，以及综合素质。

2 多功能键合实验仪研制

市面上已有的商用键合设备，如英国AML公司的AWB系列晶圆键合机、德国SUSS MicroTec公司推出的键合设备等,这类设备价格昂贵、自动化程度高，是工业化生产的专用大型设备，不适合实验教学使用。为此，本文设计了适合实验室教学使用的多功能键合实验仪，它由键合台(见图3)和电器机箱组成。

图3 键合台

(1) 键合台。由可调基座、加热器下电极组件和上电极组件3部分组成。可调基座是整个键合台的支撑底座，具有x-y平面位移调节机构，使加热器的下电极能够沿着x轴与y轴的方向平移，使得键合样品能够实现对准操作。加热器下电极组件的加热器选用铸铝电加热平板，它可以直接作为键合下电极使用，使用陶瓷管支架将其安装在隔热板上，这样有利于空气的自然对流来给加热器散热。上电极组件是由可上下调节的上电极安装架、上电极和安装元件组成。上电极设计了点电极、环形面电极(未显示)，以及这2个电极组合构成的复合电极。

键合台结构紧凑、小巧，键合过程直观可视。在阳极键合实验中使用点电极，操作者可以透过玻璃看到硅/玻璃界面的键合过程。环形面电极和复合电极可用于实验室开发其他键合技术，以及开展MEMS器件与系统研究时的芯片键合封装等。各种电极之间的更换非常便利。

(2) 电器机箱。电器机箱是实验仪的电控系统，采取模块化设计，主要包括键合电路(见图4)、键合电流监测系统和温控系统3个模块。键合电路为阳极键合提供可调直流高压电源的组件。高压源选用0～-1 300 V的可调直流负压源。阳极键合时，摆放在键合台上的硅片是与加热器下电极——阳极接触；而玻璃片放在硅片之上，与键合上电极——负高压阴极接触。这样，即能通过玻璃看到键合过程中硅/玻璃界面的变化过程，又能将加热器下电极接地，确保实验操作者的人身安全。图4键合电路。

图4 键合电路

电流监测系统用来监测键合电路中电流随时间的变化情况。采用以ARM微控制器为核心的嵌入式系统来实现对键合电流的监测，实时显示I-t曲线，反映键合界面的成键情况，在一定程度上显示阳极键合的完成情况。温控系统是用来对键合台的加热器进行温度测量与控制，以满足键合时将样品保持在所需的温度。温度控制范围为室温至480 ℃。

研制的多功能键合实验仪与实验室原有显微系统见图5。

图5 键合实验仪与显微系统

3 阳极键合实验操作

实验样品为1 cm×1 cm单面抛光硅片和Pyrex玻璃片，玻璃片厚度为0.65 mm。

进行样品预处理：分别用5%的DZ-1#、DZ-2#电子清洗液超声清洗10 min，每次清洗后用超纯水反复漂洗干净，沥水后浸泡在无水乙醇中待用。

键合操作：开机，升温，将清洗好待用的硅片、玻璃片样品在键合台上摆放好；当温控表显示恒温后，开启高压系统，升压至键合电压；旋下点电极，与玻璃接触良好，键合开始。在键合过程中，观察硅/玻璃界面的键合现象。同时，电流监测显示屏上绘出I-t曲线。当硅/玻璃界面基本无变化，键合电流也基本不变时，键合完成，调低键合电压直至0 V，停止键合。

记录键合条件，拍摄不同时间键合界面现象照片和I-t曲线照片。

4 键合现象与结果分析

1#样品是在380 ℃、903 V下进行的键合，图6是随着键合进行硅/玻璃界面不断变化的情况，图7是在电流监测系统的显示屏上绘出的I-t曲线。

图6 1#样品键合界面变化

图7 1#样品键合电流I-t曲线

由图6可以看出：1#样品键合是从点电极位置开始，逐渐向外扩展，直至扩展到整个界面，约42 s键合完成；还可以清晰地看到空气劈尖带来的环形干涉条纹，在键合过程中环形干涉条纹也是逐步向外扩展，最后消失，键合完成。由图7的I-t曲线可知：键合电流瞬间达到最大值，约150 μA，然后逐渐下降，至接近50 μA，键合完成。

2#样品是在360 ℃、903 V下进行的键合，图8是键合进行中硅/玻璃界面变化情况，图9是键合电流I-t曲线。

图8 2#样品键合界面变化情况

图9 2#样品键合电流I-t曲线

由图8可以看出：2#样品与1#样品不同，键合没有从点电极的位置开始，而是从边缘缓慢开始，而后逐渐向外扩展，23～60 s键合界面扩展较为缓慢，最后也没有全部键合。从图9的I-t曲线形状也能看出键合样品表面情况对键合进程带来的影响：键合电流相比于1#样品上升得缓慢得多，最大值约130 μA，然后缓慢下降，至接近50 μA，键合区域不再发展。出现这种不正常键合现象的原因是在未键合区域可能有尘埃，或者是硅(或玻璃)表面有突起不平整，造成硅与玻璃贴合的不够紧密，无法形成Si—O键(Si—O键长为0.164 nm)。因此，键合样品清洗是否彻底、环境是否清洁、表面平整度情况都将影响键合效果。

另外，在390 ℃、不同电压下进行了多个样品的键合实验，对正常键合样品(起点在点电极位置，且界面全部键合)进行分析。各样品的I-t曲线形状均与1#样品相似，只是电流大小和键合时间有较大差距。键合电压-最大电流曲线、键合电压-键合时间曲线见图10。

图10 温度对键合电流和时间的影响

由图10可知:键合电压越高，最大键合电流就越大，而需要的键合时间就越短。这是因为阳极键合时电场增大一方面增加了硅、玻璃之间的吸引力，也就使得键合界面紧密接触面积增加，另一方面Na+离子密度和迁移率也有所增加。这都导致开始瞬间键合形成的Si—O数量会大增，最大电流也就迅速增大，键合也就在较短时间完成。

当键合电压较低(低于700 V)时，采用点电极就难以由一点实现整个样品界面的全部键合，而电压过高则出现玻璃被电击穿现象。

键合温度的变化对键合电流、时间的影响与键合电压变化的影响有同样的趋势。这主要是因为温度升高也会使高阻玻璃内的Na+离子密度和迁移率都增高，键合电流也就增大，键合时间也就缩短了。在教学实验中可要求学生在实验中选择绘制压力或者温度对键合最大电流与键合时间的影响曲线。

5 结语

学生通过阳极键合实验的学习对键合机理的理解将更加深入，对影响键合效果与效率的因素更加了解，并能掌握键合操作方法。该实验除了有助于提升学生的动手能力、分析能力以及综合素质之外，也有利于启发学生思维和创新意识的培养。该多功能键合实验仪，除了可用于阳极键合实验之外，也可用于共晶键合等实验。该键合仪是一款新颖的开放式键合设备，配合多种电极及显微系统，还可在研制MEMS器件时用于芯片的键合封装和新型键合技术的研发。该实验仪及实验有推广价值。

References)

[1] 张东梅, 叶枝灿, 丁桂甫,等. 用于MEMS器件的键合工艺研究进展[J]. 电子工艺技术, 2005, 26(6):315-318.

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Development of multifunctional bonding instrument and its application in teaching

Wang Wei, Feng Di, Tian Li

(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The research on experimental technology for the silicon and glass anodic bonding is carried out, the design idea of the experiment is expounded, and the content and method of the experiment are determined. Based on this, a multifunctional bonding experimental instrument which can directly display the silicon and glass interface bonding and the bonding current-time curve is developed. Through the bonding operation, phenomenon observation and in-depth analysis, students can better understand the bonding mechanism and master the main factors that influence the bonding effect and efficiency ratio. This experimental technology is helpful to improve students’ hands-on ability, analytical ability and comprehensive quality.

anodic bonding; teaching experiment; bonding instrument; current detection

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.010

TN405

A

1002-4956(2017)11-0035-04

2017-05-10

黑龙江省自然科学基金项目(E200917)；哈尔滨工业大学教学实验室建设项目

王蔚(1960—),女，上海，博士，教授级高级工程师，哈工大微电子技术实验室主任，从事微电子科学与技术领域的教学与科研工作.

E-mailwangweihit@hit.edu.cn