CN102659071B - 复合阳极键合方法 - Google Patents

Abstract

一种复合阳极键合方法，该方法将介质阻挡等离子体放电键合界面预处理与阳极键合两个工序集成在同一工位上完成。该方法的步骤是：将硅片或玻璃夹持在固定工作台上、玻璃体或硅片夹持在可动工作台上，同时将两工作台加热到250-350℃，可动工作台带动玻璃体或硅片运动促使被键合面之间形成1-500μm的间隙，在DC500-2000V或者AC500-2000V/10-1000Hz放电电压的作用下间隙中产生等离子体放电，等离子放电对键合界面进行0.1-20s的活化处理；接着去掉放电电压，同时可动工作台带动玻璃体或硅片运动使键合界面相互接触并形成0.1-50g的压力，然后在DC500-2000V键合电压作用下完成阳极键合。本发明将介质阻挡等离子体放电界面活化预处理与阳极键合两个工序集成在同一工位上完成，键合可控性好、操作方便。

Description

复合阳极键合方法

技术领域

本发明属于微机电系统和集成电路封装技术领域，尤其涉及一种复合阳极键合方法。

背景技术

阳极键合技术在MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)器件的制作、组装、封装等环节中具有重要的作用，是衔接多种硅加工工艺的核心技术，是实现三维空间上交差结构、多层结构等复杂MEMS结构的基本手段之一。

目前阳极键合采用高温（400~500℃）加高电压（1000~2000V）的方法实现，其基本原理是将硅片和玻璃接在高压电源两极上，在一定温度、电压、压力的作用下键合界面发生物理化学反应，促使-OH、-O、-H、-Si等形成的化学键发生开合变化，并在界面上重新形成Si-O-Si、Si-OH等新的化学键，将硅与玻璃界面牢固的连接在一起。与其他表面键合技术相比，阳极键合具有工艺简单、对键合界面要求不高、结合强度高、密封性和稳定性良好等优点。因此在对密封、结合强度要求较高的MEMS器件组装和封装中，阳极键合是不可或缺的工艺手段。

目前的高温阳极键合技术利用高温软化玻璃界面的微观层，在一定压力作用下实现玻璃表面微观峰的蠕动滑移，促使玻璃/硅的结合界面达到静电力作用的距离，这是实现阳极键合的关键，因此高温是实现这种阳极键合的必要条件。但高温使阳极键合易产生如下问题：其一，键合效率低，在硅/玻璃的键合过程中，高温会使玻璃微孔中的气体膨胀、分解、溢出，在键合界面形成气层。气体排泄不畅就会在界面上形成孔洞缺陷。为了使气体顺利排出，目前在圆片级键合中广泛采用点电极和多点电极。采用这类电极时外部电场在键合界面上的分布是不均匀地，键合形成只能从电极位置向边缘逐渐推进。整片键合全部完成需要较长的时间（一般大于30min），键合效率低。其二，高温容易引起热应力和变形。高温长时间作用在硅/玻璃键合体上容易产生热应力，引起MEMS器件变形，严重影响MEMS器件量产的耐疲劳性、稳定性、可靠性以及一致性等性能指标。其三，高温诱发金属离子渗透。MEMS器件中硅晶体表面通常有金属结构（如铝线等），高温容易诱发这些结构中的金属离子向硅基体渗透、形成金属-硅反应等物理化学变化，而且温度越高反应越快，严重地影响了MEMS器件的性能。高温键合过程中存在的这些问题制约了阳极键合在MEMS领域的应用广度和深度。

对此，国内外学者采用分步处理键合方法来实现低温高效键合。即键合前先对键合界面进行等离子体活化或湿化学活化预处理，然后转移到键合位置上进行阳极键合。但目前的等离子活化环境条件严格且需要专用的昂贵等离子设备，湿化学活化的工艺条件严格、过程复杂，造成了这些活化方法存在工艺复杂、可控性差等问题，制约了界面活化复合阳极键合工艺的广泛应用。因此简化活化工艺过程、提高工艺的可控性是当前活化复合键合工艺方法面临的新问题。

因此，针对上述现有技术中存在的问题，有必要提供一种复合阳极键合方法，以克服上述缺陷。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新的复合阳极键合方法，将介质阻挡等离子体放电表面处理技术应用于阳极键合的键合界面预处理工序，并与阳极键合复合在一个工位上完成，实现低温高效阳极键合。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种复合阳极键合方法，该方法包括预处理工序及阳极键合工序，所述预处理工序为介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序，所述介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序与阳极键合工序集成在同一工位上，该复合阳极键合方法的具体步骤包括：

（1）设置工作台温度；

（2）设置介质阻挡放电参数，所述介质阻挡放电参数包括放电间隙、放电电压、放电时间；

（3）设置阳极键合参数，所述阳极键合参数包括键合电压、键合时间、键合压力；

（4）按照阳极键合要求将硅片或玻璃夹持在一固定工作台上，并将玻璃体或硅片夹持在一可动工作台上；

（5）可动工作台带动玻璃体或者硅片运动在键合界面形成放电间隙，施加放电电压完成对被键合界面的放电等离子体预处理工序；

（6）去掉放电电压的同时可动工作台带动玻璃体或者硅片运动达到键合要求，施加键合电压进行阳极键合；

（7）键合完成后拆下被键合件。

优选的，在上述复合阳极键合方法中，所述工作台加热的温度范围为250-350℃。

优选的，在上述复合阳极键合方法中，所述介质阻挡放电参数中放电间隙的范围为1-500μm。

优选的，在上述复合阳极键合方法中，所述介质阻挡放电参数中放电电压的范围为DC500-2000V或者AC500-2000V/10-1000Hz。

优选的，在上述复合阳极键合方法中，所述介质阻挡放电参数中放电时间的范围为0.1-20s。

优选的，在上述复合阳极键合方法中，所述阳极键合参数中键合电压的范围为DC500-2000V。

优选的，在上述复合阳极键合方法中，所述阳极键合参数中键合时间的范围为1-1000s。

优选的，在上述复合阳极键合方法中，所述阳极键合参数中键合压力的范围为0.1-50g。

从上述技术方案可以看出，本发明实施例的复合阳极键合方法中用到的复合阳极键合装备将介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序与键合工序集成在同一工位上完成，具有工艺参数调节简单、键合可控性好、操作方便、易于实现低温高效阳极键合效果等特点。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）不需要转移，单工位上直接实现预处理和键合，整个键合工艺易于实现，预处理和键合参数一体化控制，参数易于调节，键合性能可控性好；

（2）利用介质阻挡放电作为阳极键合的界面预处理方法，无需复杂的等离子体发生装置，控制放电电压和放电间隙就能方便地控制等离子的能量；

（3）复合键合装备实现简单，系统易于集成，介质阻挡放电与阳极键合都利用高电压对绝缘介质作用，不同的是前者利用间隙放电，而后者利用的是间隙静电力，两种工艺在空间和实现条件上都具有很好的相容性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明复合阳极键合方法的工艺流程图；

图2是本发明复合阳极键合方法中介质阻挡放电的示意图；

图3是本发明基于介质阻挡放电的复合阳极键合的示意图。

其中：100、电极；200、玻璃器件；300、等离子放电；400、硅器件；500、加热处理；600、可变高压电源；700、可动电极；800施加压力。

具体实施方式

现有技术中，常规阳极键合键合效率低。在硅/玻璃的键合过程中，高温会使玻璃微孔中的气体膨胀、分解、溢出，在键合界面形成气层，气体排泄不畅就会在界面上形成孔洞缺陷，为了使气体顺利排出，目前在圆片级键合中广泛采用点电极和多点电极。采用这类电极时外部电场在键合界面上的分布是不均匀地，键合形成只能从电极位置向边缘逐渐推进。整片键合全部完成需要较长的时间，键合效率低。

目前现有技术中采用的分步预处理阳极键合的设备复杂，工艺实现困难；而且，预处理和键合两个工序不在同一工位上，预处理工序完成后需要转移后才能进行键合工序，如此，使得表面预处理的性能可控性变差；再则，现有技术中采用的是等离子体发生装置来完成预处理工序，此种预处理装置与键合装置不易于集成在同一工位上。

鉴于现有技术中复合阳极键合存在的缺陷，本发明提供一种新的复合阳极键合方法，将目前常用的介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序与阳极键合工序集成在同一工位上，实现低温高效阳极键合。

该复合阳极键合方法包括预处理工序及阳极键合工序，所述预处理工序为介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序，所述介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序与阳极键合工序集成在同一工位上，该复合阳极键合方法的具体步骤包括：

（1）设置工作台温度；

（2）设置介质阻挡放电参数，所述介质阻挡放电参数包括放电间隙、放电电压、放电时间；

（3）设置阳极键合参数，所述阳极键合参数包括键合电压、键合时间、键合压力；

（4）按照阳极键合要求将硅片或玻璃夹持在一固定工作台上，并将玻璃体或硅片夹持在一可动工作台上；

（5）可动工作台带动玻璃体或者硅片运动在键合界面形成放电间隙，施加放电电压完成对被键合界面的放电等离子体预处理工序；

（6）去掉放电电压的同时可动工作台带动玻璃体或者硅片运动达到键合要求，施加键合电压进行阳极键合；

（7）键合完成后拆下被键合件。

进一步的，所述工作台加热的温度范围为250-350℃。

进一步的，所述介质阻挡放电参数中放电间隙的范围为1-500μm。

进一步的，所述介质阻挡放电参数中放电电压的范围为DC500-2000V或者AC500-2000V/10-1000Hz。

进一步的，所述介质阻挡放电参数中放电时间的范围为0.1-20s。

进一步的，所述阳极键合参数中键合电压的范围为DC500-2000V。

进一步的，所述阳极键合参数中键合时间的范围为1-1000s。

进一步的，所述阳极键合参数中键合压力的范围为0.1-50g。

本发明的复合阳极键合方法的优点包括：其一，复合键合装备实现简单，系统易于集成，介质阻挡放电与阳极键合都利用高电压对绝缘介质作用，不同的是前者利用间隙放电，而后者利用的是间隙静电力，两种工艺在空间和实现条件上都具有很好的相容性。其二，预处理和键合参数一体化控制，调控简单，利用介质阻挡放电作为阳极键合的界面预处理方法，无需复杂的等离子体发生装置，控制放电电压和放电间隙就能方便地控制等离子的能量；其三，不需要转移，单工位上直接实现预处理和键合，整个键合工艺易于实现，参数易于调节，键合性能可控性好。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，图1为本发明复合阳极键合方法的工艺流程图。

该复合阳极键合方法，该方法包括预处理工序及阳极键合工序，预处理工序为介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序，介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序与阳极键合工序集成在同一工位上，该复合阳极键合方法的具体步骤包括：

（1）设置工作台温度；

（2）设置介质阻挡放电参数，所述介质阻挡放电参数包括放电间隙、放电电压、放电时间；

（3）设置阳极键合参数，所述阳极键合参数包括键合电压、键合时间、键合压力；

（4）按照阳极键合要求将硅片或玻璃夹持在一固定工作台上，并将玻璃体或硅片夹持在一可动工作台上；

（5）可动工作台带动玻璃体或者硅片运动在键合界面形成放电间隙，施加放电电压完成对被键合界面的放电等离子体预处理工序；

（6）去掉放电电压的同时可动工作台带动玻璃体或者硅片运动达到键合要求，施加键合电压进行阳极键合；

（7）键合完成后拆下被键合件。

在上述方法中，设置步骤（2）、（3）中参数的同时，还需设置平台的运动速度、键合位置与设备原点之间的位置关系参数。

在上述方法中，步骤（4）的具体解释为：当硅片夹持在固定工作台上时，则玻璃体夹持在可动工作台上，相反，当玻璃夹持在固定工作台上时，则硅片夹持在可动工作台上。

上述方法具体为：首先按照阳极键合要求硅片（或玻璃）夹持在固定工作台上、玻璃体（或硅片）夹持在可动工作台上，同时将两工作台加热到250-350℃，可动工作台带动玻璃体（或硅片）运动促使被键合面之间形成1-500μm的间隙，在DC500-2000V或者AC500-2000V/10-1000Hz放电电压的作用下间隙中产生等离子体放电，等离子放电对键合界面进行0.1-20s的活化处理；接着去掉放电电压，同时可动工作台带动玻璃体（或硅片）运动使键合界面相互接触并形成0.1-50g的压力，然后在1-1000s键合时间内，且在DC500-2000V键合电压作用下完成阳极键合。本发明的复合阳极键合方法将介质阻挡等离子体放电作为阳极键合的界面预处理工序，同时将预处理工序与阳极键合工序集成在同一工位完成，具有工艺参数调节简单、键合可控性好、操作方便、易于实现低温高效阳极键合效果等特点。

如图2及图3所示，图2为本发明复合阳极键合方法中介质阻挡放电的示意图，图3为本发明基于介质阻挡放电的复合阳极键合的示意图。此两图可以直观的显示复合阳极键合的一个过程。其中，两图中的标号具体表示：电极100、玻璃器件200、等离子放电300、硅器件400、加热处理500、可变高压电源600、可动电极700、施加压力800。

本发明实施例的复合阳极键合方法中用到的介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序与阳极键合工序集成在同一工位上，单工位上直接实现预处理和键合，参数易于调节，键合性能可控性好。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）不需要转移，单工位上直接实现预处理和键合，整个键合工艺易于实现，预处理和键合参数一体化控制，参数易于调节，键合性能可控性好；

（2）利用介质阻挡放电作为阳极键合的界面预处理方法，无需复杂的等离子体发生装置，控制放电电压和放电间隙就能方便地控制等离子的能量；

（3）复合键合装备实现简单，系统易于集成，介质阻挡放电与阳极键合都利用高电压对绝缘介质作用，不同的是前者利用间隙放电，而后者利用的是间隙静电力，两种工艺在空间和实现条件上都具有很好的相容性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种复合阳极键合方法，该方法包括预处理工序及阳极键合工序，其特征在于：所述预处理工序为介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序，同时处理玻璃与硅表面，所述介质阻挡等离子体放电界面活化预处理工序与阳极键合工序集成在同一工位上，该复合阳极键合方法的具体步骤包括：

(1)设置工作台温度；

(2)设置介质阻挡放电参数，所述介质阻挡放电参数包括放电间隙、放电电压、放电时间；

(3)设置阳极键合参数，所述阳极键合参数包括键合电压、键合时间、键合压力；

(4)按照阳极键合要求将硅片或玻璃夹持在一固定工作台上，并将玻璃体或硅片夹持在一可动工作台上；

(5)可动工作台带动玻璃体或者硅片运动在键合界面形成放电间隙，施加放电电压完成对被键合界面的放电等离子体预处理工序；

(6)去掉放电电压的同时可动工作台带动玻璃体或者硅片运动达到键合要求位置，立即施加键合电压进行阳极键合，预处理工序及阳极键合工序无时间中断或间隔的顺序执行；

(7)键合完成后拆下被键合件。

2.根据权利要求1所述的复合阳极键合方法，其特征在于：所述工作台加热的温度范围为250-350℃。

3.根据权利要求1所述的复合阳极键合方法，其特征在于：所述介质阻挡放电参数中放电间隙的范围为1-500μm。

4.根据权利要求1所述的复合阳极键合方法，其特征在于：所述介质阻挡放电参数中放电电压的范围为DC500-2000V或者AC500-2000V/10-1000Hz。

5.根据权利要求1所述的复合阳极键合方法，其特征在于：所述介质阻挡放电参数中放电时间的范围为0.1-20s。

6.根据权利要求1所述的复合阳极键合方法，其特征在于：所述阳极键合参数中键合电压的范围为DC500-2000V。

7.根据权利要求1所述的复合阳极键合方法，其特征在于：所述阳极键合参数中键合时间的范围为1-1000s。

8.根据权利要求1所述的复合阳极键合方法，其特征在于：所述阳极键合参数中键合压力的范围为0.1-50g。