硅片键合技术的研究进展

硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片，硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法，硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合，用在MEMS的加工工艺中，常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合，硅／玻璃静电键合，硅／硅直接键合以及玻璃焊料烧结等，文中将讨论这些键合技术的原理，工艺及优缺点。     

硅牌键合技术的研究进展

硅片键合技术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片、硅片与玻璃或其它材料紧密地结合起来的方法.硅片键合往往与表面硅加工和体硅加工相结合,用在MEMS的加工工艺中.常见的硅片键合技术包括金硅共熔键合、硅/玻璃静电键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等.文中将讨论这些键合技术的原理、工艺及优缺点.     

表面有微结构的硅片键合技术

针对表面带有微结构硅晶圆的封装展开研究,以采用Ti/Au作为金属过渡层的硅—硅共晶键合为对象,提出一种表面带有微结构的硅—硅共晶键合工艺,以亲水湿法表面活化处理降低硅片表面杂质含量,以微装配平台与键合机控制键合环境及温度来保证键合精度与键合强度,使用恒温炉进行低温退火,解决键合对硅晶圆表面平整度和洁净度要求极高,环境要求苛刻的问题。高低温循环测试试验与既定拉力破坏性试验结果表明:提出的工艺在保证了封装组件封装强度的同时,具有工艺温度低、容易实现图形化、应力匹配度高等优点。     

两电极多层阳极键合实验研究

介绍了用2个电极通过一次电极反接的方式实现多层样片之间阳极键合的操作工艺和键合机理,并以玻璃-硅-玻璃三层结构为例对其进行了实验研究。结果显示：多余的玻璃对第一次键合过程的电流特性影响不大,而第一次键合的玻璃对第二次键合电流产生显著的影响,电流出现不规则的突变。而且,在第二次键合过程中,第一次键合的玻璃在键合面上会出现由于钠元素积聚而产生的黄褐色斑点。拉伸强度实验的结果表明：第二次键合过程中在第一次键合面形成的反向电压会减弱键合的强度;通过合理选择键合参数可以得到满足MEMS封装要求的键合强度。     

MEMS硅玻璃阳极键合工艺评价方法

为了得到微机电系统(MEMS)加速度计硅-玻璃阳极键合的键合强度,进行了剪切破坏测试,并结合材料力学相关理论,得到键合强度表征方法.通过对实验数据的分析,制定键合强度的失效判据,提出了一种评价硅玻璃键合工艺质量的有效方法,在工程实际中具有一定的参考价值.     

振动式微机械隧道陀螺仪的制备工艺

振动梁式微机械隧道陀螺仪是一种以悬臂梁作为换能构件,以电子隧道效应为输出敏感方式的高精度和高灵敏的角振动传感器,解决了传统机械陀螺仪因尺寸减小而导致的灵敏度降低的缺点。结合微机械隧道陀螺仪的尺寸特点:硅尖与下电极的距离为1μm,齿厚和齿间距之间的距离为4μm,梁的厚度为50μm,提出硅正面刻蚀—玻璃上电极制作—硅玻键合—硅背面减薄—硅背面刻蚀的DDSOG(DeepDrySiliconOnGlass)工艺方案,成功实现了整个器件的工艺制备。本文就DDSOG工艺中的关键工艺进行了一一论述,该工艺不仅能用于隧道陀螺仪的制备,同时也可以制作其它高深宽比传感器或执行器。     

一种圆片级硅三层键合的三明治加速度传感器

提出了一种利用体微机械加工技术制作的硅三层键合电容式加速度传感器.采用硅各向异性腐蚀和深反应离子刻蚀技术实现中间梁一质量块结构的制作,通过玻璃软化键合方法完成上、下电极的键合.在完成整体结构圆片级真空封装的同时通过引线腔结构方便地实现了中间电极的引线.传感器芯片大小为6.8 mm×5.6 mm×l.26 ITUTI,其中敏感质量块尺寸为3.2 mm×3.2 mm×0.42 mm.对封装的传感器性能进行了初步测试,结果表明制作的传感器灵敏度约4.15 pF/g,品质因子为56,谐振频率为774 Hz.     

低温阳极键合技术研究

通过键合温度220~250℃、键合电压400~600 V的硅玻璃低温阳极键合实验,分析了温度和电场分别对键合强度和键合效率的影响,并讨论了键合机理。     

圆片级叠层键合技术在SOI高温压力传感器中的应用

针对绝缘体上硅(SOI)异质异构结构特点,提出了两次对准和两次阳极键合工艺方法,实现了圆片级SOI高温压力传感器硅敏感芯片的叠层键合。采用玻璃—硅—玻璃三层结构的SOI压力芯片具有良好的密封性和键合强度。经测试结果表明:SOI高温压力传感器芯片键合界面均匀平整无缺陷,漏率低于5×10~(-9)Pa·m~3/s,键合强度大于3 MPa。对芯片进行无引线封装,在500℃下测试得出传感器总精度小于0. 5%FS。     

半导体高温压力传感器的静电键合技术

本文论述了多晶硅高温压力传感器中的硅 玻璃静电键合技术 ,包括硅 玻璃静电键合机理 ,键合强度及键合后残余应力的改善措施 .通过大批量键合封接实验 ,键合的成品率达到 95 %以上     

一种具有广泛适应性的微机械加工方法研究

研究了一种具有广泛适应性的微机械制造方法,该方法可用于制备各种不同的器件,包括硅微陀螺仪、加速度计、剪切应力传感器以及光开关等.利用该方法,制备了硅微陀螺仪,并给出了所制备的硅微陀螺仪的性能测试结果,同时分析了利用该制备方法制备各种不同器件时,工艺流程对器件性能的影响,重点讨论了硅-玻璃阳极键合、减薄工艺以及深刻蚀所形成的侧壁质量,包括侧壁垂直度、侧壁杂质等因素对器件性能的影响.     

Bond-quality characterization of silicon-glass anodic bonding

A simple testing method is presented that allows the comparison of the bond quality for anodically bonded wafers. An array of parallel metal lines of predetermined thickness is formed on a glass wafer. The estimation of the bond quality can be performed by visual inspection after the bonding. This method enables comparison of the anodic-bonding process performance for different glasses, for intermediate layers and various bonding conditions. The optimization of silicon-glass anodic bonding with an intermediate phosphosilicate glass (PSG) layer is shown using this technique.     

一种扭摆式硅微机械加速度传感器

介绍了一种基于体硅微机电系统(MEMS)工艺制作的扭摆式硅微机械加速度传感器,对制作过程的一些工艺问题进行探讨,并提出相应的解决办法,主要涉及到硅-玻璃阳极键合、结构释放等关键工艺。对测试结果进行了初步分析,分辨力可以达到1mgn,测试±1gn范围内线性度可以达到99.99%。     

基于SOI-MEMS工艺的谐振式压力传感器研究

提出了一种电磁激励、差分检测的谐振式MEMS压力传感器,该器件采用低电阻率的SOI器件层单晶硅制作“H”型谐振梁,并作为激励和检测电极。根据对传感器数学模型的分析,利用有限元分析方法优化了传感器结构设计。采用等离子深刻蚀制作传感器结构,并用湿法腐蚀SOI二氧化硅层的方法释放。利用硅-玻璃阳极键合技术,实现了传感器的圆片级真空封装。采用开环扫描检测和闭环自激振荡方式,测定压力传感器的特性。实验结果表明：传感器一致性良好,在500~1100hPa的检测范围内,差分检测灵敏度为14.96Hz/hPa,线性相关系数为0.999996。     

碳化硅直接键合机理及其力学性能研究

随着碳化硅(SiC)材料的MEMS器件在恶劣环境测量中的应用前景和迫切需求,进行了碳化硅的直接键合实验.研究了工艺条件对键合样品力学性能的影响,同时借助激光共聚焦扫描显微镜(CLSM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)和拉曼光谱仪等对碳化硅键合样品界面的微观结构进行了分析.结果表明:退火温度和加载压力是影响键合效果的关键性因素.当退火温度为1 300℃,加载压力为3 MPa和退火时间为3 h时,此时键合样品的气密性非常好,力学性能达到最佳,键合强度2 MPa.最后通过样品微观界面分析表明碳化硅直接键合的机理为界面氧化硅过渡层的形成及粘性流动与碳化硅和碳化硅的熔融直接键合.     

基于金硅原电池保护电容加速度计的制作

提出并实现了一种利用SoI结合金硅原电池保护和反熔丝制作电容式加速度计的新工艺方法。该工艺用SoI顶层硅制作梁和上电极,用衬底制作质量块。采用DRIE从正面刻蚀形成释放孔,TMAH腐蚀实现质量块的释放,在TMAH腐蚀过程中利用金硅原电池保护实现梁和表面极板的保护。在TMAH腐蚀完成前,反镕丝保持断开状态,腐蚀完成后,击穿反镕丝形成导通状态。通过测量金和硅的极化曲线得到60℃25%TMAH中实现原电池保护的金硅面积比不小于5∶1。成功制作成电容式加速度计结构,释放前后梁宽度均在9.4～10μm范围内,表明原电池保护有效。击穿后反熔丝并联导通电阻为5～25 kΩ之间。     

A Rapid and Low-Cost Procedure for Fabrication of Glass Microfluidic Devices

In this paper, we present a simple, rapid, and low-cost procedure for fabricating glass microfluidic chips. This procedure uses commercially available microscopic slides as substrates and a thin layer of AZ 4620 positive photoresist (PR) as an etch mask for fabricating glass microfluidic components, rather than using expensive quartz glasses or Pyrex glasses as substrates and depositing an expensive metal or polysilicon/amorphous silicon layer as etch masks in conventional method. A long hard-baking process is proposed to realize the durable PR mask capable of withstanding a long etching process. In order to remove precipitated particles generated during the etching process, a new recipe of buffered oxide etching with addition of 20% HCl is also reported. A smooth surface microchannel with a depth of more than 110 mum is achieved after 2 h of etching. Meanwhile, a simple, fast, but reliable bonding process based on UV-curable glue has been developed which takes only 10 min to accomplish the efficient sealing of glass chips. The result shows that a high bonding yield (~ 100%) can be easily achieved without the requirement of clean room facilities and programmed high-temperature furnaces. The presented simple fabrication process is suitable for fast prototyping and manufacturing disposable microfluidic devices.     

几种基于MEMS的纳米梁制作方法研究

特征尺度在纳米量级的梁结构是多种纳机电器件的基本结构.提出了几种基于MEMS技术的纳米梁制作方法,通过利用MEMS技术中材料与工艺的特性实现单晶硅纳米梁的制作.在普通(111)硅片上,利用各向异性湿法腐蚀对(111)面腐蚀速率极低的特性,通过干法与湿法腐蚀相结合制成厚度在100 nm以下的纳米梁.该方法不使用SOI硅片,有效控制了成本.在(100)SOI硅片上,通过氧化减薄的方法得到厚度在100 nm以下的多种纳米梁,由于热氧化的精度高,一致性好,该方法重复性与一致性均较好.在(110)SOI硅片上,利用硅的各向异性腐蚀特性以及(110)硅片的晶向特点,制作宽度在100 nm以下的纳米梁,梁的两个侧面是(111)面.