Анодное соединение
Анодное соединение — это процесс соединения пластин, позволяющий герметизировать стекло с кремнием или металлом без введения промежуточного слоя; его обычно используют для герметизации стекла с кремниевыми пластинами в электронике и микрофлюидике. Этот метод склеивания, также известный как склеивание в полевых условиях или электростатическое уплотнение, [1] в основном используется для соединения кремния / стекла и металла / стекла посредством электрических полей . Требованиями к анодной сварке являются чистые и ровные поверхности пластин и атомный контакт между склеиваемыми подложками посредством достаточно мощного электростатического поля. Также необходимо использование боросиликатного стекла, содержащего высокую концентрацию ионов щелочных металлов. Коэффициент теплового расширения (КТР) обработанного стекла должен быть аналогичен коэффициенту теплового расширения склеивающего материала. [2]
Анодное соединение можно наносить на стеклянные пластины при температуре от 250 до 400 °C или на напыленное стекло при температуре 400 °C. [3] Структурированные слои боросиликатного стекла также можно наносить методом плазменного электронно-лучевого испарения. [4]
Эта процедура в основном используется для герметизации микромеханических кремниевых элементов. Герметизация стеклянной подложки защищает от воздействия окружающей среды, например, влажности или загрязнения. [2] Кроме того, для анодного соединения с кремнием используются другие материалы, например керамика низкотемпературного совместного обжига (LTCC). [5]
Обзор [ править ]
Анодное соединение кремниевых подложек делится на соединение с использованием тонкого листа стекла (подложки) или слоя стекла, наносимого на кремний с помощью такого метода, как напыление. Стеклянная пластина часто представляет собой натрийсодержащие стекла Borofloat или Pyrex. С помощью промежуточного слоя стекла также можно соединить две кремниевые пластины. [6] Слои стекла наносятся путем напыления, центрифугирования стеклянного раствора или осаждения из паровой фазы на обработанную кремниевую пластину. [3] Толщина этих слоев варьируется от одного до нескольких микрометров, при этом для навинчиваемых стеклянных слоев требуется 1 мкм или меньше. [6] Герметические соединения кремния со стеклом с использованием слоя алюминия толщиной от 50 до 100 нм могут достигать прочности 18,0 МПа. Этот метод позволяет запрятать в интерфейсе электрически изолированные проводники. [7] Также возможно склеивание термически оксидированных пластин без слоя стекла.
Технологические этапы анодной сварки подразделяются на следующие: [2]
- Контактные подложки
- Нагревание подложек
- Склеивание посредством применения электростатического поля
- Охлаждение стопки пластин
с процессом, характеризуемым следующими переменными: [8]
- напряжение связи U B
- температура соединения T B
- ограничение тока I B
Типичная прочность соединения составляет от 10 до 20 МПа согласно испытаниям на растяжение, что выше, чем прочность стекла на излом.
Различные коэффициенты теплового расширения создают проблемы для анодной сварки. Чрезмерное несоответствие может повредить соединение из-за внутреннего напряжения материала и вызвать нарушения в связующих материалах. Использование натрийсодержащих стекол, например Borofloat или Pyrex, позволяет уменьшить несоответствие. Эти стекла имеют КТР, аналогичный кремнию, в диапазоне применяемых температур, обычно до 400 °C. [9]
История [ править ]
Анодное соединение впервые упоминается Уоллисом и Померанцем в 1969 году. [1] Применяется для склеивания кремниевых пластин с натрийсодержащими стеклянными пластинами под воздействием приложенного электрического поля. Этот метод до сих пор используется для герметизации датчиков электропроводящими стеклами. [10]
Процедурные этапы анодной сварки [ править ]
Предварительная обработка оснований [ править ]
Процедура анодного склеивания позволяет одинаково эффективно склеивать гидрофильные и гидрофобные поверхности кремния. Для правильной работы процедуры шероховатость поверхности должна быть менее 10 нм и не иметь загрязнений. [8] Несмотря на то, что анодное соединение относительно устойчиво к загрязнениям, широко распространенная процедура очистки RCA для удаления любых поверхностных загрязнений применяется .
Стеклянную пластину также можно подвергнуть химическому травлению или порошковой очистке для создания небольших полостей, в которых можно разместить устройства MEMS. [11]
Другими механизмами, поддерживающими процесс соединения не полностью инертных анодных материалов, могут быть планаризация или полировка поверхностей, а также абляция поверхностного слоя электрохимическим травлением. [8]
Свяжитесь с субстратами [ править ]
Пластины, соответствующие требованиям, подвергаются атомарному контакту. Как только контакт впервые устанавливается, процесс склеивания начинается вблизи катода и распространяется спереди к краям, причем процесс занимает несколько минут. [12] Процедура анодного соединения основана на использовании стеклянной пластины, которая обычно размещается над кремниевой пластиной. Электрод контактирует со стеклянной пластиной либо через иглу, либо через катодный электрод по всей площади.
При использовании игольчатого электрода соединение распространяется радиально наружу, что делает невозможным захват воздуха между поверхностями. Радиус области склеивания примерно пропорционален квадратному корню времени, затраченного во время процедуры. При температурах ниже 350–400 °C и напряжении соединения 500–1000 В этот метод не очень эффективен и не надежен. [13]
Использование катодного электрода по всей площади показывает реакции связи по всему интерфейсу после подачи напряжения. [8] Это результат однородного распределения электрического поля при температуре около 300 °C и напряжении связи 250 В. [13] Используя тонкие слои осажденного стекла, необходимое напряжение можно значительно снизить. [4]
склеивание с помощью электростатического поля Нагрев и
(1) Образование зоны истощения (серого цвета) за счет Na + дрейфующий.
(2) Дрейф O − ионы в зоне обеднения.
Пластины помещаются между патроном и верхним инструментом, используемым в качестве связующего электрода, при температуре от 200 до 500 ° C (сравните с изображением «схема процедуры анодной сварки»), но ниже температуры размягчения стекла (температуры стеклования). [11] Чем выше температура, тем лучше подвижность положительных ионов в стекле.
Приложенный электрический потенциал между ними установлен на напряжение несколько 100 В. [8] Это вызывает диффузию ионов натрия (Na + ) от границы раздела к задней стороне стекла к катоду. В результате в сочетании с влажностью образуется NaOH. Высокое напряжение помогает поддерживать дрейф положительных ионов в стекле к катоду. Диффузия осуществляется согласно распределению Больцмана, экспоненциально связанному с температурой. Стекло (NaO 2 ) с оставшимися ионами кислорода (O 2− ) имеет отрицательный объемный заряд на связующей поверхности по сравнению с кремнием (сравните с рисунком «дрейф ионов в связующем стекле» (1)). Это основано на истощении Na + ионы.
Кремний, в отличие, например, от алюминия, является инертным анодом. В результате во время процесса склеивания ионы не выходят из кремния в стекло. Это влияет на положительный объемный заряд кремниевой пластины на противоположной стороне. [12] В результате на связующем барьере в стеклянной пластине образуется обедненная область с высоким импедансом толщиной в несколько микрометров. В зазоре между кремнием и стеклом напряжение связи падает. Начинается процесс соединения как комбинация электростатического и электрохимического процесса.
Напряженность электрического поля в обедненной области настолько велика, что ионы кислорода дрейфуют к границе раздела связей и выходят из строя, вступая в реакцию с кремнием с образованием SiO 2 (сравните с рисунком «дрейф ионов в связующем стекле» (2)). Благодаря высокой напряженности поля в обедненной области или в зазоре на границе раздела обе поверхности пластины прижимаются друг к другу при определенном напряжении связи и температуре связи. Процесс реализуется при температуре 200–500 °С в течение примерно 5–20 мин. Обычно время склеивания или герметизации увеличивается при снижении температуры и напряжения. [14] Давление применяется для создания плотного контакта между поверхностями и обеспечения хорошей электропроводности по паре пластин. [15] Это обеспечивает плотный контакт поверхностей склеиваемых партнеров. Образующийся между склеиваемыми поверхностями тонкий оксидный слой силоксана (Si-O-Si) обеспечивает необратимое соединение между партнерами по склеиванию. [8]
При использовании термически оксидированных пластин без стеклянного слоя диффузия ОН − и Х + ионы вместо Na + ионы приводят к образованию связи. [12]
Охлаждение субстрата [ править ]
После процесса склеивания должно произойти медленное охлаждение в течение нескольких минут. Этому можно способствовать продувкой инертным газом. Время охлаждения зависит от разницы КТР склеенных материалов: чем выше разница КТР, тем дольше период охлаждения.
Технические характеристики [ править ]
| Материалы |
|
| Температура |
|
| Напряжение |
|
| Преимущества |
|
| Недостатки |
|
| Исследовать |
|
Ссылки [ править ]
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Уоллис, Джордж; Померанц, Дэниел И. (1969). «Сварка стекла и металла в полевых условиях». Журнал прикладной физики . 40 (10): 3946–3949. Бибкод : 1969JAP....40.3946W . дои : 10.1063/1.1657121 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с М. Вимер; Дж. Фремель; Т. Гесснер (2003). «Тенденции развития технологий сварки пластин». В В. Дётцеле (ред.). 6-я Хемницкая конференция по микромеханике и микроэлектронике . Том 6. Технологический университет Хемница. стр. 178–188.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Герлах, А.; Маас, Д.; Зейдель, Д.; Бартуч, Х.; Шундау, С.; Кашлик, К. (1999). «Низкотемпературное анодное соединение кремния с кремниевыми пластинами с помощью промежуточных стеклянных слоев». Микросистемные технологии . 5 (3): 144–149. дои : 10.1007/s005420050154 . S2CID 111280889 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Лейб, Юрген; Хансен, Улли; Маус, Саймон; Файндт, Хольгер; Хаук, Карин; Зошке, Кай; Топпер, Майкл (2010). «Анодное соединение при низком напряжении с использованием тонких пленок микроструктурированного боросиликатного стекла». 3-я конференция по технологиям интеграции электронных систем ESTC . стр. 1–4. дои : 10.1109/ESTC.2010.5642923 . ISBN 978-1-4244-8553-6 . S2CID 28061938 .
- ^ Хан, МФ; Гаванини, ФА; Хаасл, С.; Лёфгрен, Л.; Перссон, К.; Русу, К.; Шьёльберг-Хенриксен, К.; Энокссон, П. (2010). «Методы определения характеристик инкапсуляции на уровне пластины, нанесенной на кремний, для анодного соединения LTCC». Журнал микромеханики и микроинженерии . 20 (6): 064020. Бибкод : 2010JMiMi..20f4020K . дои : 10.1088/0960-1317/20/6/064020 . S2CID 111119698 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Квенцер, HJ; Делл, К.; Вагнер, Б. (1996). «Анодное соединение кремний-кремний с промежуточными слоями стекла с использованием навинчиваемых стекол». Материалы девятого международного семинара по микроэлектромеханическим системам . стр. 272–276. дои : 10.1109/MEMSYS.1996.493993 . ISBN 0-7803-2985-6 . S2CID 317049 .
- ^ 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 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж г С. Мак (1997). Сравнительное исследование физико-химических процессов на границе раздела прямо- и анодно-связанных твердых тел (дипломная работа). Йена, Германия: VDI Verlag / Институт Макса Планка. ISBN 3-18-343602-7 .
- ^ Т. Гесснер; Т. Отто; М. Вимер; Дж. Фремель (2005). «Сварка пластин в микромеханике и микроэлектронике – обзор» . В Бернде Мишеле (ред.). Мир электронной упаковки и системной интеграции . ДДП Гольденбоген. стр. 307–313. ISBN 978-3-93243476-1 .
- ^ Плёсль, А. (1999). «Прямое соединение пластин: адаптация адгезии между хрупкими материалами». Материаловедение и инженерия . 25 (1–2): 1–88. дои : 10.1016/S0927-796X(98)00017-5 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б М. Цзяо (2008). «Упаковка (и проволочное соединение)». В Д. Ли (ред.). Энциклопедия микрофлюидики и нанофлюидики . Springer Science+Business Media.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Г. Герлах; В. Дётцель (2008). Рональд Петинг (ред.). Введение в микросистемные технологии: Руководство для студентов (микросистемы Wiley и нанотехнологии) . Издательство Уайли. ISBN 978-0-470-05861-9 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Ницше, П.; Ланге, К.; Шмидт, Б.; Григулл, С.; Крейсиг, У.; Томас, Б.; Херцог, К. (1998). "Химинформ Реферат: Процессы ионного дрейфа в щелочно-боросиликатном стекле типа пирекс при анодном склеивании". ХимИнформ . 145 (5): 1755–1762. дои : 10.1002/chin.199830293 .
- ^ Уоллис, Джордж (1975). «Запечатывание стекла в полевых условиях» . Электрокомпонентная наука и технология . 2 (1): 45–53. дои : 10.1155/APEC.2.45 .
- ^ С. Фарренс; С. Суд (2008). «Упаковка на уровне пластин: баланс требований к устройствам и свойств материалов». ИМАПС . Международное общество микроэлектроники и упаковки.