CN113161247B - 静电键合方法和装置以及使用该方法制备的光电阴极 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于静电键合方法和装置以及使用该方法制备的光电阴极。该静电键合方法包括以下步骤：对第一基板的待键合面进行第一预处理；对第二基板的待键合面进行第二预处理；所述第一基板和第二基板的材质都选自电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm的无机材料；对第二基板的待键合面进行电子轰击，使第二基板的待键合面产生表面电位；所述的表面电位大于3V；将第一基板的待键合面与第二基板的待键合面贴合，在加压和加热的条件下，对第一基板和第二基板进行键合。本发明提出的静电键合方法通过静电吸引将两个或多个相同材质或不同材质的基板键合在一起，且键合基板材质中不需要含有碱金属离子，即使基板的厚度较大时也容易实现。

Description

静电键合方法和装置以及使用该方法制备的光电阴极
技术领域
本发明涉及光学及半导体制造技术领域，特别是涉及静电键合方法和装置以及使用该方法制备的光电阴极。
背景技术
近年来，在光学器件及半导体器件的制造过程中，为了实现器件的小型化、多功能化和高性能化，常常需要把两个或多个相同材质或不同材质的基板键合起来。如将微结构光栅基板与光窗基板键合起来制造衍射光学元件，又如广泛使用的芯片/晶片堆叠技术来增加半导体封装件的芯片密度和性能。
阳极键合可以将玻璃与硅片、金属与硅片键合在一起而不用任何粘结剂，这种键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好。一般阳极键合是把将要键合的硅片接电源正极，玻璃接负极，电压500V～1000V，然后加热到400℃～600℃。在电场作用下，玻璃中的钠离子向负极方向飘移，在紧邻硅片表面形成耗尽层，耗尽层带有负电荷，硅片带正电荷，硅片与玻璃之间存在较大的静电引力，使二者紧密接触键合。但是阳极键合对键合基板材质有所限制，需要其中一个基板中需要含有较高浓度的碱金属离子，主要为钠离子。另外，在光学元件的键合过程中，如果光学基板的厚度较大时，往往需要施加很高的电压才能达到所需要的电场强度，对电源设备的要求较高。
发明内容
本发明的主要目的在于，提供静电键合方法和装置以及使用该方法制备的光电阴极，以解决现有阳极键合对键合基板的材质和厚度都有所限制等技术问题。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种静电键合方法，其包括以下步骤：
对第一基板的待键合面进行第一预处理；所述第一基板的材质选自电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm的无机材料；
对第二基板的材质选自待键合面进行第二预处理；所述第二基板的电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm的无机材料；
对第二基板的待键合面进行电子轰击，使第二基板的待键合面产生表面电位，所述的表面电位大于3V；
将第一基板的待键合面与第二基板的待键合面贴合，在加压和加热的条件下，对第一基板和第二基板进行键合。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的静电键合方法，其中所述的电子轰击的电子束流的能量为100eV～2000eV；所述的电子轰击的时间为10～100μs；
所述的电子束流的强度为0.01μA～1μA，所述的电子束流为直流式或脉冲式。
优选的，前述的静电键合方法，其中所述的电子轰击的电子束流的能量为第二基板的材质对应的二次电子发射系数最大时的入射电子能量。
优选的，前述的静电键合方法，其中所述的第一基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷或石英；所述的第一基板的待键合面的粗糙度为1-10nm；
所述的第二基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷或石英；所述的第二基板的待键合面的粗糙度为1-10nm。
优选的，前述的静电键合方法，其中所述的在加压和加热的条件下，对第一基板和第二基板进行键合，形成键合强度的步骤，具体包括：
对第一基板和第二基板同时施加10Pa～0.3MPa的压力，并在300℃～500℃下加热，保持2-4小时。
优选的，前述的静电键合方法，其中所述的第一预处理包括：用氮气或氩气吹扫第一基板的待键合面，抽真空至真空度小于5×10-3Pa时，烘烤第一基板的待键合面；
所述的第二预处理包括：用氮气或氩气吹扫第二基板的待键合面，抽真空至真空度小于5×10-3Pa时，烘烤第二基板的待键合面。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种静电键合装置，其包括键合设备，所述的键合设备包括预处理腔室和键合腔室，所述的预处理腔室与键合腔室之间通过可开合部件隔断，所述的预处理腔室设有可开合的舱门；
所述的预处理腔室内设有磁力推杆、气体吹扫部件和真空烘烤部件；所述的磁力推杆的一端设有操作手柄，另一端设有样品架，设有操作手柄的一端位于所述的预处理腔室外部，设有样品架的一端伸入所述的预处理腔室内部，并可穿过所述的预处理腔室伸至所述的键合腔室内；
所述的键合腔室内设有电子发射部件、键合基台、键合压头、真空加热部件和CCD镜头；所述的键合基台的数量为一个或多个，设在所述的键合腔室的底部，用于对第二基板进行静电吸附或粘附胶粘附；所述的键合压头设在所述的键合腔室的顶部，并位于键合基台的上方，用于对第一基板进行静电吸附或粘附胶粘附，同时在键合时可对第一基板施加压力；所述的CCD镜头设在键合基台的旁边，可用于实时抓取第一基板和第二基板的图像，以使第一基板与第二基板对准。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
优选的，前述的静电键合装置，其中还包括：键合进程监控设备，所述键合进程监控设备与所述键合设备电连接，
所述键合进程监控设备包括放大电路模块和示波器，用作键合进程的监控。
优选的，前述的静电键合装置，其中一个键合腔室连接一个或多个预处理腔室。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种光电阴极，其包括衬底和光电发射层，在所述的衬底和光电发射层之间设有光栅衍射层，所述的光栅衍射层与所述的衬底之间采用前述任一项所述的静电键合方法键合在一起。
借由上述技术方案，本发明提出的静电键合方法和装置以及使用该方法制备的光电阴极至少具有下列优点：
1、本发明提出的静电键合方法对第二基板的待键合面进行电子轰击，使其产生表面电位，然后在加压和加热的条件下，与第一基板进行键合，形成键合强度。本发明方法通过静电将两个或多个相同材质或不同材质的基板键合在一起，无需基板中必须包含容易迁移的碱金属离子，也无需引入其他粘附膜或焊料等键合介质，同时对键合基板的表面质量及键合环境要求不高，对表面的颗粒划伤等污染或缺陷不敏感。
2、本发明提出的静电键合方法，在不使用包括粘附膜与焊料的键合介质的情况下，将两个或多个相同材质或不同材质的基板键合在一起，提高基板的键合强度及键合良率，适用于玻璃、陶瓷、石英、硅片等材料基板之间的键合，用抗拉强度测试仪对键合后基板的键合强度进行检测，可知采用本发明的静电键合方法得到的静电键合强度可达到12-20MPa。
3、本发明采用的静电键合方法无需考虑引入新物质的问题，无需键合材料必须含有碱金属离子，无需在键合材料上施加高的电压，所以对键合材料的厚度没有限制，且静电键合的键合温度对于玻璃材料而言只需要200℃～300℃即可，对于硅晶圆在500℃以上即可，大大简化了设计流程，方法简单，易操作。
4、本发明的静电键合方法对表面质量要求可适当放宽，粗糙度在5～10nm范围时，键合强度仍然可以达到6～12MPa，粗糙度在5nm以下时键合强度可达到12～20MPa，且无需任何键合基团，不用额外做表面处理；且静电键合是在真空环境中实施，可以杜绝键合表面气泡的产生，保证了键合强度。
5、本发明提出的静电键合装置可以实现在一个键合腔室内同时完成一个或多个相同材料或不同材料的静电键合，其结构简单，操作简便，有利于工业化批量生产。
6、本发明提出的光电阴极包括衬底和光电发射层，在所述的衬底和光电发射层之间设有光栅衍射层，所述的光栅衍射层与所述的衬底之间采用静电键合方法键合在一起，该方法通过先在0.3-0.8mm(优选0.5mm)厚度的石英基板上进行光栅的刻蚀，再通过采用静电键合的方式将石英基板与衬底玻璃材料键合在一起，可以实现光栅在较厚衬底玻璃上的制备，光栅衍射层的加入改变了进入光电发射层的入射角，从而增加了入射光在光电发射层中的光程，提高了吸收产率，从而提高了量子产率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1示出了本发明实施例提出的静电键合装置的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的玻璃的二次电子发射系数曲线；
图3示出了本发明实施例的玻璃表面电位随电子束(400eV)照射时间的变化曲线；
图4示出了本发明实施例的基板表面电位、表面积与抗拉强度的关系图；
图5示出了本发明实施例的固体材料二次电子发射过程示意图；
图6示出了本发明实施例的表面电位的形成过程示意图；
图7示出了本发明实施例提出的一种光电阴极的结构示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的静电键合方法及静电键合装置其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。
本发明的一个实施例提出了一种静电键合方法，其包括以下步骤：
(1)对第一基板的待键合面进行第一预处理；所述第一基板的材质选自电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm的无机材料；
具体的，所述的第一预处理包括：用氮气或氩气吹扫第一基板的待键合面，用以去除影响键合强度的污染颗粒，抽真空至真空度小于5×10-3Pa时，烘烤第一基板的待键合面，用以去除表面附着气体，以免影响键合强度。
在一些实施例中，采用碘钨灯加热或电阻丝加热的方式烘烤第一基板的待键合面至温度100-300℃，优选200℃。
(2)对第二基板的待键合面进行第二预处理；所述第二基板的材质选自电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm的无机材料；
具体的，所述的第二预处理包括：用氮气或氩气吹扫第二基板的待键合面，用以去除影响键合强度的污染颗粒，抽真空至真空度小于5×10-3Pa时，烘烤第二基板的待键合面，用以去除表面附着气体，以免影响键合强度。
本实施例限定了基板的电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm，使得基板在被电子轰击后能够长时间保持较为稳定的表面电位用于键合，且在键合后能够保持较长的时间而不易发生脱落现象。
在一些实施例中，采用碘钨灯加热或电阻丝加热的方式烘烤第一基板的待键合面至温度100-300℃，优选200℃。
(3)对第二基板的待键合面进行电子轰击，使第二基板的待键合面产生表面电位，所述的表面电位大于3V；
具体的，所述的电子轰击的电子束流的能量为100eV～2000eV，在一些优选实施例中，所述的电子轰击的电子束流的能量为200eV～1000eV，在另一些优选实施例中，所述的电子轰击的电子束流的能量为400eV～800eV，更优选材料二次电子发射系数最大时对应的电子入射能量，在本实施例中，即所述的电子轰击的电子束流的能量最优选为第二基板二次电子发射系数最大时对应的电子入射能量。产生的电子束流可以是直流式的，也可以是脉冲式的，电子束流的强度为0.01μA～1μA；所述的电子轰击的时间为10～100μs。
在一些实施例中，所述的电子轰击的电子束流的能量为第二基板的材质对应的二次电子发射系数最大时的入射电子能量。本实施例的静电键合方法是利用电子枪出射的电子轰击第二基板表面，一般如玻璃、硅片、陶瓷、石英等材料在100eV～2000eV的电子能量轰击下，使其二次电子发射系数不等于1。电子轰击后产生的二次电子一般都是在表层5～10nm深度范围内发射出来的，二次电子的能量90％以上都小于50eV；所产生的表面电位的大小不在于二次电子的能量，而在于二次电子的数量；二次电子发射系数用来衡量材料发射的二次电子数量，同一种材料在不同的入射电子能量轰击下对应不同的二次电子发射系数，所以选择二次电子发射系数最大时的入射电子能量时，产生表面电位的效率最高，选择其他入射电子能量时，效率低，但是最终产生的表面电位没有太大差别。一般的，二次电子发射系数大于2时，即能够产生足够的表面电位(3V)，辅以300℃高温烧结1小时，此时能够使键合强度达到5MPa以上。表面电位不是二次电子能量；表面电位与材料表面发射出的二次电子的数量相关，发射的二次电子数量越多，材料表面累积的正电荷就越多，累积的正电荷形成表面电位，如图5所示为固体材料二次电子发射过程示意图，如图6所示为表面电位的形成过程示意图，图5和图6解释了表面电位的形成机制。
由于第二基板的导电性较差，漏电流较小，会使基板表面产生正电位，且此正电位在一段时间内衰减较慢。需要注意的是，玻璃、硅片、陶瓷、石英等材料的最大二次电子发射系数对应的入射电子能量范围在100eV～2000eV以内。如图2所示为玻璃的二次电子发射系数曲线；如图3所示为玻璃表面电位随电子束(400eV)照射时间的变化曲线。在一些实施例中，优选轰击基板后，基板材料的二次电子发射系数大于1，使基板表面产生正电位；因为如果入射电子能量太高时，基板材料的二次电子发射系数将会小于1，使得基板表面产生负电位，虽然带电条件可以满足键合要求，但是入射电子能量太高时会对基板材料的表层造成损伤。
对于电子枪出射电子能量的选择，一般选择材料最大二次电子发射系数对应的入射电子能量，此时形成表面电位效率较高。
(4)将第一基板的待键合面与第二基板的待键合面贴合，在加压和加热的条件下，对第一基板和第二基板进行键合，产生键合强度。
具体的，对第一基板施加10Pa～0.3MPa的压力或对第一基板和第二基板同时施加10Pa～0.3MPa的压力，并在300℃～500℃下加热，保持2-4小时。
键合强度与温度有关，在300℃～500℃下能够促进键合强度的形成。温度太低键合强度不够。温度太高时，如玻璃必须限制在转变温度以下，不然玻璃会变形。因此，只需要加热使其键合强度达到要求即可。
施加的压力不需要太大，只要能够将第二基板的待键合面与第一基板的待键合面紧密贴合即可达到要求。
在一些实施例中，所述的第一基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷或石英；更一步的，所述的第一基板的待键合面的粗糙度为1-10nm；
在一些实施例中，所述的第二基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷或石英；进一步的，所述的第二基板的待键合面的粗糙度为1-10nm。本实施例对第一基板的材质和第二基板的材质的要求不同于阳极键合。阳极键合对基板材料有所限制，一般第一基板为含有碱金属的玻璃材料，第二基板为金属导体或硅半导体，本实施例的静电键合没有这方面的限制；阳极键合又称为场助键合，需要在电场的作用下使得碱金属离子迁移，如：基板厚度为1mm的钠钙硅玻璃与硅片需要在两端施加1000V的电压，那么当玻璃厚度为10mm时，达到相同的电场强度则需要10000V的高压；而本申请的静电键合是在材料的表面产生电位，二次电子的出射深度一般在10nm以内，所以基板厚度对键合强度的影响很小，理论上说，基板越厚，漏电流就越小，电位维持的时间就越长，越有利于键合的实施，但一般0.2mm以上的基板厚度就可以维持表面电位30min以上，足以进行表面键合的实施。
对于石英与硅片、石英与石英、玻璃与石英则不能使用阳极键合，阳极键合的要求是第一基板为含有碱金属的玻璃，第二基板为导体(纯金属或合金)或半导体(如硅片)；若使用本专利静电键合的方法键合石英与硅片、石英与石英、玻璃与石英等，入射电子能量300eV～500eV，入射电子照射时间50μs以上就可以产生3V以上的表面电位，辅以300℃高温烧结1小时，即可产生5MPa以上的结合强度。玻璃基板与石英基板键合时，辅以400℃高温烧结1小时，随着产生的表面电位或键合表面积的增加，抗拉强度基本呈线性增加，如图4所示，为基板表面电位、表面积与抗拉强度的关系图。但是表面电位有极限值，表面电位到达最大值之后不再随着入射电子轰击时间的延长而增加。
本实施例对于基板不要求含有碱金属，在一些实施例中，所述的第一基板的材质为不含碱金属的玻璃、硅片、陶瓷或石英等，所述的第二基板的材质为不含碱金属的玻璃、硅片、陶瓷或石英等。
键合原理：本实施例的静电键合技术是利用电子枪出射的高能电子轰击基板表面，固体材料表面被高能电子轰击后会发射二次电子，当入射电子能量对应的材料二次电子发射系数不等于1时，对于导电性较差的材料如玻璃、石英、陶瓷等，会在材料表面产生表面电位，并且由于导电性较差，漏电流较小，表面电位会维持一段时间。当带有表面电位的基板与另一基板接近时由于二者间的静电吸引会使二者键合在一起。如使用400eV的入射电子轰击衬底玻璃表面一段时间，玻璃表面的二次电子发射系数大于1，即出射的电子数量大于入射的电子数量，玻璃表面会累积正电荷从而产生正电位，表面原子的外层电子缺失。当与另一基板接近贴合后，表面原子会夺取另一基板表面原子的外层电子，二者共用电子成键，形成一定的键合强度。经检验，放置12个月后，键合后的产品并未发生脱落现象，经检测，其键合强度只有很小的变化，说明该键合强度能够保持较长的时间。
在键合时进行加热，一方面加热有利于基板表面产生弹性变形使得由平面度及粗糙度引起的微小间隙闭合，另一方面由于基板表面存在一些-OH，加热有利于-OH的脱水聚合，形成Si-O-Si共价键，提高键合强度。但起主要作用的仍然是两基板间的静电吸引成键，因此，本实施例的加热温度不用太高，在约300℃左右的条件下就可以完成键合。
在一些实施例中，若键合不成功，则用电荷中和的方法消除第二基板的待键合面的表面电位，调节电子轰击的条件，然后再对第二基板的待键合面进行电子轰击，产生表面电位后再次键合。
如图1所示，本发明的一个实施例还提出了一种静电键合装置，其包括：键合设备1，所述的键合设备1包括预处理腔室11和键合腔室12，所述的预处理腔室11与键合腔室12之间通过可开合部件13隔断，所述的预处理腔室11设有可开合的舱门(图中未示出)，包含至少一个可以打开的舱门，用于进样。在一些实施例中，所述的可开合部件13为闸板阀。
所述的预处理腔室11内设有磁力推杆111、气体吹扫部件112和真空烘烤部件113；所述的磁力推杆111的一端设有操作手柄，另一端设有样品架，设有操作手柄的一端位于所述的预处理腔室11外部，便于操作，设有样品架的一端伸入所述的预处理腔室11内部，并可穿过所述的预处理腔室11伸至所述的键合腔室12内，所述的磁力推杆111连接有传送机构，用于传送样品；
在一些实施例中，所述的气体吹扫部件112设在所述的预处理腔室11的顶部，用于样品表面的吹扫除尘，气体吹扫部件112使用的气体为惰性气体，如氮气或氩气；真空烘烤部件113用于样品的烘烤除气，可采用碘钨灯加热或电阻丝加热。当采用碘钨灯加热时，所述的真空烘烤部件113设在所述的预处理腔室11的顶部，当采用电阻丝加热时，所述的真空烘烤部件113设在所述的预处理腔室11的底部。
所述的键合腔室12内设有电子发射部件121、键合基台122、键合压头123、真空加热部件124和CCD镜头125；
在一些实施例中，所述的电子发射部件121，设在所述的键合腔室12的顶部，用于发射电子束流轰击基板表面以产生电位。在一些实施例中，所述的电子发射部件121为电子枪，可调节电子束流能量、束斑大小和束流偏转方向，电子束流能量在100eV～2000eV范围内可调，用于在基板表面产生电位。
所述的键合基台122的数量为一个或多个，设在所述的键合腔室12的底部，可对第二基板4进行静电吸附或粘附胶粘附。
所述的键合压头123，为可伸缩结构，设在所述的键合腔室12的顶部，并位于所述键合基台122的上方，可对第一基板3进行静电吸附或粘附胶粘附，同时在键合时可对第一基板3施加压力。
在一些实施例中，所述的真空加热部件124，可选择碘钨灯或电阻丝，用于在键合时对第一基板进行加热，当选择电阻丝时，真空加热部件124可设在所述键合基台122上，当选择碘钨灯时，真空加热部件124可设在所述的键合腔室12的顶部，位于所述键合基台122的上方。
所述的CCD镜头125设在键合基台的旁边，可用于实时抓取第一基板3和第二基板4的图像，以使第二基板4与第一基板3对准。
在一些实施例中，所述的静电键合装置还包括键合进程监控设备2，所述键合进程监控设备2与所述键合设备1电连接，
所述键合进程监控设备2包括放大电路模块21和示波器22，用于监控键合进程。
在一些实施例中，一个键合腔室连接一个或多个预处理腔室。
本实施例可以实现在一个键合腔室内同时完成多个材料的键合，有利于工业化批量生产。
在一些实施例中，所述的电子发射部件为电子枪或离子枪，用于产生表面电位。
在本实施例中，基板间的静电键合是在键合设备1中进行的，该键合设备1为高真空设备，在预处理腔室进行氮气吹扫或者等离子清洗，同时进行真空烘烤。高真空环境有利于防止表面污染等不利于键合的因素。
键合设备1的预处理腔室11和键合腔室12都为真空腔室，预处理腔室11和键合腔室12可以分开设置，也可以合二为一。
在键合设备1的高真空腔室中进行键合还有利于降低对环境洁净度的要求，在不具备洁净间的条件下，使用此方法可以有效避免洁净间的使用。
在键合设备1的高真空腔室中键合除了可以避免灰尘微粒引起的孔洞外还可以避免界面气体残留形成的孔洞。在高真空腔室中进行键合还有利于密封封接件的制作。
如果一次键合不成功，可以用电荷中和的方法消除表面电位，然后再次产生表面电位后键合。消除表面电位时同样可以用电子枪。
使用本实施例的静电键合装置进行静电键合的具体方法如下：
首先通过舱门将第一基板3安置在预处理腔室11的磁力推杆111样品架上，关闭舱门，关闭预处理腔室11与键合腔室12间的闸板阀13，打开预处理腔室11的排气阀门，开启气体吹扫部件112对第一基板3的表面进行吹扫，用以去除影响键合强度的污染颗粒，吹扫完毕后关闭预处理腔室11的排气阀门，分别对预处理腔室11和键合腔室12抽真空。当预处理腔室11的真空度小于5*10-3Pa时，开启真空烘烤部件113，对第一基板3的表面烘烤，用以去除影响键合强度的表面附着气体。真空烘烤结束后，当预处理腔室11与键合腔室12的压差小于一个量级时，打开二者之间的闸板阀13，然后利用磁力推杆111的传送机构将第一基板3传送至键合腔室12中的键合压头123的正下方，键合压头123对第一基板3进行静电吸附或粘附胶粘附的拾取操作，然后将磁力推杆111退回至预处理腔室11中，同时关闭预处理腔室11及键合腔室12之间的闸板阀13。
关闭预处理腔室11的分子泵和机械泵，开启气体吹扫部件112对预处理腔室11进行充气，待压力恢复到大气压力水平时打开预处理腔室11的舱门，将第二基板4安置在磁力推杆111的样品架上，关闭舱门，同样对第二基板4进行氮气吹扫和真空烘烤操作，真空烘烤结束后，当预处理腔室11与键合腔室12的压差小于一个量级时，打开二者之间的闸板阀13，然后利用磁力推杆111的传送机构将第二基板4传送至键合腔室12中电子枪121的正下方，开启电子枪121并调节电子束流的能量，调节电子枪的束斑大小，调节电子束流的偏转方向，最终使得电子束斑与基板表面重合(电子枪的参数调节可事先利用荧光屏对电子束斑大小和位置进行调节)。电子束斑照射第二基板4一段时间后，关闭电子枪121。再将第二基板4移动至键合基台122上方，同时利用CCD镜头125进行第二基板4的对准操作，对准后将第二基板4静电吸附或粘附胶粘附在键合基台122上。键合压头123下压使得第二基板4与第二基板4贴合并保持一定压力，同时观察示波器22中波形变化，判断键合是否完成(刚贴合时有一个较大的电流脉冲，后电流减小，最后几乎为零，说明此时键合完成)。开启真空加热部件124，对键合时的基板进行加热，形成键合强度。加热一段时间后冷却至室温，上移键合压头123，同时打开预处理腔室11与键合腔室12间的闸板阀13，利用磁力推杆111拾取键合后的基板并移动至预处理腔室11内，关闭分子泵和机械泵，待真空度回复到大气压水平后打开舱门并取出键合后的基板。
本实施例的电键合方法及装置提高基板的键合强度及键合良率，适用于玻璃、陶瓷、石英、硅片等材料基板之间的键合。静电键合无需引入其他粘附膜或焊料等键合介质，也无需基板中必须包含容易迁移的碱金属离子，同时对键合基板的表面质量及键合环境要求不高，对表面的颗粒划伤等污染或缺陷不敏感。
本发明的静电键合方法对表面质量要求可适当放宽，粗糙度在5～10nm范围时，键合强度仍然可以达到6～12MPa，粗糙度在5nm以下时键合强度可达到12～20MPa，且无需任何键合基团，不用额外做表面处理；且静电键合是在真空环境中实施，可以杜绝键合表面气泡的产生，保证了键合强度。
本发明采用的静电键合方法无需考虑引入新物质的问题，无需键合材料必须含有碱金属离子，大大简化了设计流程。本发明方法无需在键合材料上施加高的电压，所以对键合材料的厚度没有限制，且静电键合的键合温度对于玻璃材料而言只需要200℃～300℃即可，对于硅晶圆在500℃以上即可。
本发明静电键合方法可用于制备微光夜视器件中，微光夜视器件中的光电阴极一般指多碱阴极或者氧化银(AgOCs)类型的半透明阴极，光电阴极一般包括透明的支撑层(衬底)及在支撑层表面沉积的光电发射层(阴极层)。在一既定光电发射层厚度下，随着入射光波长增加，吸收产率会减小，增加光电发射层的厚度可以提高吸收产率，但输运产率却降低了，综合来看量子产率没有得到改善。另一种解决方法是提高光电发射层吸收产率的同时维持其输运产率，从而提高光电发射层的量子产率。可在衬底和阴极之间增设衍射光栅，衍射光栅改变了进入光电发射层的入射角，从而增加了入射光在光电发射层中的光程，提高了吸收产率，从而提高了量子产率。衬底材料为光学透射性能较好的光学玻璃(如康宁7056)，光栅衍射结构根据折射率的需求一般制作在石英玻璃上，为了得到较好的光学透射性能及整体封装性能，通过采用本申请静电键合的方法将石英玻璃与衬底玻璃键合在一起形成一个整体。如图7所示，为本实施例形成的光电阴极的结构示意图，该光电阴极通过光栅衍射提高光电阴极的量子产率。图7中，5为入射光，6为衬底，7为键合面，8为光栅衍射层，9为光电发射层，10为出射电子。本实施例光电阴极的制备方法包括先在0.3-0.8mm(优选0.5mm)厚度的石英基板上进行光栅的刻蚀，再通过采用静电键合的方式将石英基板与衬底玻璃材料键合在一起，该方法可以实现光栅在较厚衬底玻璃上的制备。
现有的应用中玻璃衬底材料比较厚，一般为5mm左右。而光栅的制作一般采用半导体晶圆的制作工艺，即图形化(紫外曝光、纳米压印、阳极氧化、微球法等等)与刻蚀工艺，现有的刻蚀设备及工艺都针对的是晶圆的厚度，一般0.5mm左右，与衬底的厚度不兼容。刻蚀过程中需要对基板进行背冷降温，如果基板的厚度太大，基板的温度很难及时降下来，制作的光栅将因温度过高产生缺陷，所以无法直接在衬底玻璃上实现光栅的制备。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
实施例1
一种玻璃基板与石英基板的静电键合方法，其具体包括如下步骤：
(1)首先通过舱门将石英基板安置在预处理腔室的磁力推杆样品架上，关闭舱门，关闭预处理腔室与键合腔室间的闸板阀，打开预处理腔室的排气阀门，开启氮气吹扫装置对石英基板表面进行吹扫，用以去除影响键合强度的污染颗粒，吹扫完毕后关闭预处理腔室的排气阀门，分别对预处理腔室和键合腔室抽真空。当预处理腔室的真空度小于5*10-3Pa时，开启电阻丝加热，在200℃的温度下，对石英基板进行表面烘烤，用以去除影响键合强度的表面附着气体。真空烘烤结束后，当预处理腔室与键合腔室的压差小于一个量级时，打开二者之间的闸板阀，然后利用磁力推杆传送装置将石英基板传送至键合腔室中键合压头正下方，键合压头对石英基板进行静电吸附或粘附胶粘附的拾取操作，然后将磁力推杆退回至预处理腔室，同时关闭预处理腔室及键合腔室之间的闸板阀；
(2)关闭预处理腔室的分子泵和机械泵，开启氮气吹扫装置对预处理腔室进行充气，待压力恢复到大气压力水平时打开预处理腔室舱门，将玻璃基板安置在磁力推杆装置上，关闭舱门，同样对玻璃基板进行氮气吹扫和真空烘烤操作，真空烘烤结束后，当预处理腔室与键合腔室的压差小于一个量级时，打开二者之间的闸板阀，然后利用磁力推杆传送装置将玻璃基板传送至键合腔室中电子枪的正下方，开启电子枪并调节电子枪参数，电子束流的能量为400eV，电子束流强度范围为0.01μA调节电子枪的束斑大小及偏转方向，最终使得电子束斑与玻璃基板表面重合。电子束斑照射玻璃基板100μs，关闭电子枪。再将玻璃基板移动至键合基台上方，同时利用CCD镜头将玻璃基板与石英基板对准，对准后将玻璃基板静电吸附或粘附胶粘附在键合基台上，键合压头下压使石英基板与玻璃基板贴合并保持一定压力，同时观察示波器中波形变化判断键合是否完成。开启电阻丝加热，进行加热，加热温度300℃，形成键合强度。加热2小时后冷却至室温，上移键合压头，同时打开预处理腔室与键合腔室间的闸板阀，利用磁力推杆装置拾取键合产品并移动至预处理腔室，关闭分子泵和机械泵，待真空度回复到大气压水平后打开舱门并取出键合产品。
用抗拉强度测试仪对实施例1得到的键合产品的键合强度进行检测，得到该键合产品的静电键合强度为21MPa。放置3个月后，检测该键合产品的静电键合强度为20MPa，放置6个月后，检测该键合产品的静电键合强度仍为20MPa，放置12个月后，检测该键合产品的静电键合强度为19.5MPa。
实施例2
一种第一硅片与第二硅片的静电键合方法，其具体包括如下步骤：
(1)首先通过舱门将第一硅片安置在预处理腔室的磁力推杆样品架上，关闭舱门，关闭预处理腔室与键合腔室间的闸板阀，打开预处理腔室的排气阀门，开启氮气吹扫装置对第一硅片的表面进行吹扫，用以去除影响键合强度的污染颗粒，吹扫完毕后关闭预处理腔室的排气阀门，分别对预处理腔室和键合腔室抽真空。当预处理腔室的真空度小于10Pa时，打开氮气微进气阀，调节预处理腔室压力保持在80Pa开启等离子清洗装置对第一硅片表面进行等离子清洗，清洗时间10分钟。清洗完毕后关闭等离子清洗装置，关闭氮气微进气阀。当预处理腔室的真空度小于5*10-3Pa时，开启碘钨灯加热，烘烤温度200℃，对第一硅片进行表面烘烤，用以去除影响键合强度的表面附着气体。真空烘烤结束后，当预处理腔室与键合腔室的压差小于一个量级时，打开二者之间的闸板阀，然后利用磁力推杆传送装置将第一硅片传送至键合腔室中键合压头正下方，键合压头对第一硅片进行静电吸附或粘附胶粘附的拾取操作，然后将磁力推杆退回至预处理腔室，同时关闭预处理腔室及键合腔室之间的闸板阀。
(2)关闭预处理腔室的分子泵和机械泵，开启氮气吹扫装置对预处理腔室进行充气，待压力恢复到大气压力水平时打开预处理腔室舱门，将第二硅片安置在磁力推杆装置上，关闭舱门，同样对第二硅片进行氮气吹扫、等离子清洗及真空烘烤操作，真空烘烤结束后，当预处理腔室与键合腔室的压差小于一个量级时，打开二者之间的闸板阀，然后利用磁力推杆传送装置将第二硅片传送至键合腔室中电子枪的正下方，开启电子枪并调节电子枪参数，电子束流的能量为300eV，电子束流强度范围为0.1μA调节电子枪的束斑大小及偏转方向，最终使得电子束斑与第二硅片的表面重合。电子束斑照射第二硅片80μs，关闭电子枪。再将第二硅片移动至键合基台上方，同时利用CCD镜头将第二硅片与第一硅片对准，对准后，将第二硅片静电吸附或粘附胶粘附在键合基台上。键合压头下压使得第一硅片与第二硅片贴合并保持一定压力，同时观察示波器中波形变化判断键合是否完成。开启碘钨灯，进行加热，加热温度500℃，形成键合强度。加热4小时后冷却至室温，上移键合压头，同时打开预处理腔室与键合腔室间的闸板阀，利用磁力推杆装置拾取键合产品并移动至预处理腔室，关闭分子泵和机械泵，待真空度回复到大气压水平后打开舱门并取出键合产品。
用抗拉强度测试仪对本实施例2得到的键合产品的键合强度进行检测，得到该键合产品的静电键合强度为14MPa。放置3个月后，检测该键合产品的静电键合强度为13.5MPa，放置6个月后，检测该键合产品的静电键合强度为13MPa，放置12个月后，检测该键合产品的静电键合强度仍为13MPa。
在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种静电键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
对第一基板的待键合面进行第一预处理；所述第一基板的材质选自电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm的无机材料；
对第二基板的待键合面进行第二预处理；所述第二基板的材质选自电阻率在20℃下为1×1015～1×1019Ω·cm的无机材料；
对第二基板的待键合面进行电子轰击，使第二基板的待键合面产生表面电位，所述的表面电位大于3V；所述的电子轰击的电子束流的能量为100eV~2000eV；所述的电子轰击的时间为10~100 μs；所述的电子束流的强度为0.01μA~1μA，所述的电子束流为直流式或脉冲式；
将第一基板的待键合面与第二基板的待键合面贴合，在加压和加热的条件下，对第一基板和第二基板进行键合。
2.根据权利要求1所述的静电键合方法，其特征在于，
所述的电子轰击的电子束流的能量为第二基板的材质对应的二次电子发射系数最大时的入射电子能量。
3.根据权利要求1所述的静电键合方法，其特征在于，
所述的第一基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷或石英；所述的第一基板的待键合面的粗糙度为1-10nm；
所述的第二基板的材质为玻璃、硅片、陶瓷或石英；所述的第二基板的待键合面的粗糙度为1-10nm。
4.根据权利要求1所述的静电键合方法，其特征在于，
所述的在加压和加热的条件下，对第一基板和第二基板进行键合，形成键合强度的步骤，具体包括：
对第一基板和第二基板同时施加10 Pa~0.3 MPa的压力，并在300℃~500℃下加热，保持2-4小时。
5.根据权利要求1所述的静电键合方法，其特征在于，
所述的第一预处理包括：用氮气或氩气吹扫第一基板的待键合面，抽真空至真空度小于5×10-3Pa时，烘烤第一基板的待键合面；
所述的第二预处理包括：用氮气或氩气吹扫第二基板的待键合面，抽真空至真空度小于5×10-3Pa时，烘烤第二基板的待键合面。
6.一种静电键合装置，其特征在于，包括键合设备，所述的键合设备包括预处理腔室和键合腔室，所述的预处理腔室与键合腔室之间通过可开合部件隔断，所述的预处理腔室设有可开合的舱门；
所述的预处理腔室内设有磁力推杆、气体吹扫部件和真空烘烤部件；所述的磁力推杆的一端设有操作手柄，另一端设有样品架，设有操作手柄的一端位于所述的预处理腔室外部，设有样品架的一端伸入所述的预处理腔室内部，并可穿过所述的预处理腔室伸至所述的键合腔室内；
所述的键合腔室内设有电子发射部件、键合基台、键合压头、真空加热部件和CCD镜头；所述的键合基台的数量为一个或多个，设在所述的键合腔室的底部，用于对第二基板进行静电吸附或粘附胶粘附；所述的键合压头设在所述的键合腔室的顶部，并位于键合基台的上方，用于对第一基板进行静电吸附或粘附胶粘附，同时在键合时可对第一基板施加压力；所述的CCD镜头设在键合基台的旁边，可用于实时抓取第一基板和第二基板的图像，以使第一基板与第二基板对准。
7.根据权利要求6所述的静电键合装置，其特征在于，还包括：键合进程监控设备，所述键合进程监控设备与所述键合设备电连接，
所述键合进程监控设备包括放大电路模块和示波器，用作键合进程的监控。
8.根据权利要求6所述的静电键合装置，其特征在于，
一个键合腔室连接一个或多个预处理腔室。
9.一种光电阴极，包括衬底和光电发射层，其特征在于，在所述的衬底和光电发射层之间设有光栅衍射层，所述的光栅衍射层设在石英玻璃上，所述石英玻璃与所述的衬底之间采用如权利要求1-5任一项所述的静电键合方法键合在一起。
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