CN103523746B - 基于多能场耦合的复合式阳极键合系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多能场耦合的复合式阳极键合系统及方法，该系统包括工作台，工作台包括平行设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别用于放置玻璃器件和硅器件；电源模块，两端分别与第一电极和第二电极电性连接；电磁感应加热装置，设置于第二电极下方，用于对放电预处理和阳极键合进行电磁强化；驱动装置，连接在第一电极上，用于驱动第一电极上下运动。本发明整体结构简单，易于集成；电磁感应加热、预处理放电和阳极键合三者一体化控制三者一体化控制，调控简单；整套复合键合工艺易于实现，参数易于调节，键合性能可控性好。
Description
技术领域
本发明涉及阳极键合技术领域，特别是涉及一种基于多能场耦合的复合式阳极键合系统及方法。
背景技术
阳极键合技术在MEMS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，或者在键合工位上施加强化磁场等。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，针对上述技术问题，有必要提供一种基于多能场耦合的复合式阳极键合系统及方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多能场耦合的复合式阳极键合系统及方法。
为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：
一种基于多能场耦合的复合式阳极键合系统，所述系统包括：
工作台，工作台包括平行设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极分别用于放置玻璃器件和硅器件；
电源模块，两端分别与第一电极和第二电极电性连接；
电磁感应加热装置，设置于第二电极下方，用于对放电预处理和阳极键合进行电磁强化；
驱动装置，连接在第一电极上，用于驱动第一电极上下运动。
作为本发明的进一步改进，所述驱动装置驱动第一电极分别位于第一位置和第二位置，第一电极位于第一位置时，工作台、电源模块和电磁感应加热装置构成介质阻挡放电装置，第一电极位于第二位置时，工作台、电源模块和电磁感应加热装置构成阳极键合装置，其中介质阻挡放电装置中第一电极和第二电极间的距离大于阳极键合装置中第一电极和第二电极间的距离。
作为本发明的进一步改进，所述介质阻挡放电装置中，玻璃器件和硅器件分别位于第一电极和第二电极上，玻璃器件和硅器件间的放电间隙为10-5000微米；阳极键合装置中，玻璃器件和硅器件分别位于第一电极和第二电极上，玻璃器件和硅器件界面相互贴合。
作为本发明的进一步改进，所述电磁感应加热装置中电磁感应加热的功率0-5Kw、频率为30-100Hz。
相应地，一种基于多能场耦合的复合式阳极键合方法，所述方法包括：
S1、设置工作台参数、电磁感应加热参数、放电参数和键合参数；
S2、将玻璃器件和硅器件分别放置在工作台的第一电极和第二电极上；
S3、驱动装置驱动第一电极，调节玻璃器件和硅器件间的放电间隙；
S4、启动电源模块和电磁感应加热装置，电磁感应加热装置进行电磁强化，根据放电参数对玻璃器件和硅器件界面进行等离子体放电预处理；
S5、驱动装置驱动第一电极，使玻璃器件和硅器件界面相互贴合；
S6、启动电源模块和电磁感应加热装置，电磁感应加热装置进行电磁强化，根据键合参数对玻璃器件和硅器件进行阳极键合。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S4中放电预处理采用介质阻挡放电装置。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S2和S4中的“电磁强化”、步骤S2中的“放电预处理”、步骤S4中的“阳极键合”在同一工位实现。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中电磁感应加热参数为：功率0-5Kw、频率为30-100Hz。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S3中的玻璃器件和硅器件间的放电间隙为10-5000微米。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的放电参数为：放电电压AC900-2000V、频率5-10KHz、放电时间0.1-20s、放电温度15-350℃；步骤S1中的键合参数为：键合电压DC900-1200V、键合时间50-2000s、键合压力0.1-50g、键合温度150-350℃。
作为本发明的进一步改进，所述步骤S1中的工作台参数包括：工作台的运动速度、键合位置与系统原点之间的位置关系参数。
本发明具有以下有益效果：
将等离子体介质阻挡放电等离子体界面活化处理、电磁感应加热形成的磁场强化界面粒子运动辅助手段、与阳极键合工艺复合在一个工位上，利用等离子放电活化处理降低键合工艺要求，利用电磁感应加热提供键合温度的同时提供的磁场强化放电处理效果和键合过程中的粒子运动，最终形成多能场耦合键合，实现低温高效阳极键合；
本发明通过增加电磁感应加热装置，能够强化预处理放电效果、促进阳极键合的键合效果，同时，电磁感应加热、预处理放电和阳极键合三者一体化控制，参数易于调节，键合性能可控性好，协同调控有利于键合质量的提高。
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，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，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为本发明基于多能场耦合的复合式阳极键合系统的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式中复合式阳极键合方法的工艺流程图；
图3a为本发明一具体实施方式中玻璃器件和硅器件的安装结构示意图；
图3b为本发明一具体实施方式中玻璃器件和硅器件的等离子体放电示意图；
图3c为本发明一具体实施方式中玻璃器件和硅器件的阳极键合示意图。
具体实施方式
下面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清楚、完整地描述，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
参图1所示，本发明的一种基于多能场耦合的复合式阳极键合系统，包括：
工作台，工作台包括平行设置的第一电极11和第二电极12，第一电极11和第二电极12分别用于放置玻璃器件和硅器件；
电源模块20，两端分别与第一电极11和第二电极12电性连接，电源模块20为可变电源模块，可以提供可变的高压直流电和高压交流电；
电磁感应加热装置30，设置于第二电极12下方，用于对放电预处理和阳极键合进行电磁强化；
驱动装置40，连接在第一电极11上，用于驱动第一电极11上下运动。
驱动装置驱动第一电极分别位于第一位置和第二位置，第一电极位于第一位置时，工作台、电源模块和电磁感应加热装置构成介质阻挡放电装置，第一电极位于第二位置时，工作台、电源模块和电磁感应加热装置构成阳极键合装置，其中介质阻挡放电装置中第一电极和第二电极间的距离大于阳极键合装置中第一电极和第二电极间的距离。
本发明中介质阻挡放电装置中，玻璃器件和硅器件分别位于第一电极和电极上，玻璃器件和硅器件间的放电间隙为10-5000微米(参图3b所示)；阳极键合装置中，玻璃器件和硅器件分别位于第一电极和电极上，玻璃器件和硅器件界面相互贴合(参图3c所示)。
相应地，本发明基于多能场耦合的复合式阳极键合方法，包括以下步骤：
S1、设置工作台参数、电磁感应加热参数、放电参数和键合参数；
S2、将玻璃器件和硅器件分别放置在工作台的第一电极和第二电极上；
S3、驱动装置驱动第一电极，调节玻璃器件和硅器件间的放电间隙；
S4、启动电源模块和电磁感应加热装置，电磁感应加热装置进行电磁强化，根据放电参数对玻璃器件和硅器件界面进行等离子体放电预处理。放电预处理采用介质阻挡放电装置进行；
S5、驱动装置驱动第一电极，使玻璃器件和硅器件界面相互贴合；
S6、启动电源模块和电磁感应加热装置，电磁感应加热装置进行电磁强化，根据键合参数对玻璃器件和硅器件进行阳极键合。
进一步地，步骤S1中的工作台参数包括：平台的运动速度、键合位置与系统原点之间的位置关系参数。
其中，电磁感应加热装置也可以先启动，如在步骤S1之前、或步骤S1中、或步骤S2中启动。
参图2-3所示，在本发明的一具体实施方式中，本发明基于多能场耦合的复合式阳极键合方法，包括以下步骤：
S1、设置工作台参数、电磁感应加热参数、放电参数和键合参数。
其中，工作台参数包括：平台的运动速度、键合位置与系统原点之间的位置关系参数；
电磁感应加热参数：功率0-5Kw、频率30-100Hz；
放电参数：放电间隙10-5000微米、放电电压AC900-2000V、频率5-10KHz、放电时间0.1-20s、放电温度15-350℃，通常情况下放电温度设为室温；
键合参数：键合电压DC900-1200V、键合时间50-2000s、键合压力0.1-50g、键合温度150-350℃。
S2、将玻璃器件50和硅器件60分别放置在工作台的第一电极11和第二电极12上，如图3a所示。
S3、驱动装置驱动第一电极11，调节玻璃器件50和硅器件60间的放电间隙为10-5000微米。
S4、启动电源模块20和电磁感应加热装置30，根据放电参数对玻璃器件和硅器件界面进行等离子体放电预处理，放电预处理采用介质阻挡放电预处理，如图3b所示。电磁感应加热装置用于进行电磁强化，促进放电过程中等离子的运动，强化放电性能。
S5、驱动装置驱动第一电极11，使玻璃器件50和硅器件60界面相互贴合。
S6、启动电源模块20和电磁感应加热装置30，根据键合参数对玻璃器件50和硅器件60进行阳极键合，如图3c所示。电磁感应加热装置用于进行电磁强化，促进阳极键合过程中的粒子运动，提高键合效率。
其中，电磁强化、放电预处理、阳极键合在同一工位实现，键合完成后，关闭电磁感应加热装置，然后工作台移出键合位置，拆下被键合件。
本发明将目前常用的等离子体介质阻挡放电等离子体界面活化处理、电磁感应加热形成的磁场强化界面粒子运动辅助手段、与阳极键合工艺复合在一个工位上，利用等离子放电活化处理降低键合工艺要求，利用电磁感应加热提供键合温度的同时提供的磁场强化放电处理效果和键合过程中的粒子运动，最终形成多能场耦合键合，实现低温高效阳极键合。
与现有技术相比，本发明通过增加电磁感应加热装置，能够强化预处理放电效果、促进阳极键合的键合效果，同时，电磁感应加热、预处理放电和阳极键合三者一体化控制，参数易于调节，键合性能可控性好，协同调控有利于键合质量的提高。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、设备整体结构简单，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。电磁感应加热在加热过程中既能替代原阳极键合的电阻加热，又能提供磁场强化介质阻挡放电的等离子体运动和阳极键合过程中界面离子迁移。
2、预处理、磁场强化和阳极键合参数的一体化控制，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；利用电磁感应加热技术作为键合加热方法，既能强化放电性能，又能促进阳极键合过程中的粒子运动。
3、不需要转移，单工位上直接实现预处理、磁场强化和阳极键合，整个键合工艺易于实现，参数易于调节，键合性能可控性好。
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 (6)
1.一种基于多能场耦合的复合式阳极键合方法，所述方法包括：
S1、设置工作台参数、电磁感应加热参数、放电参数和键合参数；
S2、将玻璃器件和硅器件分别放置在工作台的第一电极和第二电极上；
S3、驱动装置驱动第一电极，调节玻璃器件和硅器件间的放电间隙；
S4、启动电源模块和电磁感应加热装置，电磁感应加热装置进行电磁强化，根据放电参数对玻璃器件和硅器件界面进行等离子体放电预处理；
S5、驱动装置驱动第一电极，使玻璃器件和硅器件界面相互贴合；
S6、启动电源模块和电磁感应加热装置，电磁感应加热装置进行电磁强化，根据键合参数对玻璃器件和硅器件进行阳极键合，
其特征在于，所述步骤S4和S6中的“电磁强化”、步骤S4中的“放电预处理”及步骤S6中的“阳极键合”在同一工位实现。
2.根据权利要求1所述的阳极键合方法，其特征在于，所述步骤S4中放电预处理采用介质阻挡放电装置。
3.根据权利要求1所述的阳极键合方法，其特征在于，所述步骤S1中电磁感应加热参数为：功率0-5Kw、频率为30-100Hz。
4.根据权利要求1所述的阳极键合方法，其特征在于，所述步骤S3中的玻璃器件和硅器件间的放电间隙为10-5000微米。
5.根据权利要求1所述的阳极键合方法，其特征在于，所述步骤S1中的放电参数为：放电电压AC 900-2000V、频率5-10KHz、放电时间0.1-20s、放电温度15-350℃；步骤S1中的键合参数为：键合电压DC 900-1200V、键合时间50-2000s、键合压力0.1-50g、键合温度150-350℃。
6.根据权利要求1所述的阳极键合方法，其特征在于，所述步骤S1中的工作台参数包括：工作台的运动速度、键合位置与系统原点之间的位置关系参数。
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2013
- 2013-10-29 CN CN201310521260.9A patent/CN103523746B/zh not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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