硅-微晶玻璃陽極鍵合機理的研究.pdf

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

2、度和電壓仍然較高，鍵合時會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極鍵合機理目前并不明確。因此本課題采用微晶玻璃代替?zhèn)鹘y(tǒng)玻璃與硅片進行鍵合，以期探明微晶玻璃與硅片的鍵合機理。
　　 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，并對不同析晶程度的微晶玻璃進行了熱膨脹系數(shù)、抗折性能、導電性能等測試。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行了鍵合，通過拉伸試驗機測試了鍵合強度，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)和計算晶體的結(jié)合能，探討了晶體在鍵合中的作用。論文還對鍵合表界面進行了分析，利用XRD、EDS、SEM等測試技術(shù)探討了鍵合黑斑的形成原因及影響因素，對鍵合中間層的元素分布及形成原因進行了研究。獲得了以下研究成果：
　　 1、熱處理溫度不變，核化時間與晶化時間的延長，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，實驗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，鍵合強度先增加后減小，晶相含量過少時，不能保證熱膨脹系數(shù)，導致鍵合應力較大，降低了鍵合強度，而晶相含量過多會導致鍵合實驗難以進行，在保證一定鍵合強度的前提下，晶相含量高的微晶玻璃需要更高的鍵合溫度和電壓。
　　 3、對微晶玻璃主晶

5、相結(jié)構(gòu)和晶格能進行了分析，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，與硅片進行結(jié)合的氧主要來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，鍵合溫度對其影響較小，SEM測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電場造成樣品部分擊穿以及局部介電損耗過大造成。