CN117672875A - 一种PMMA与Si的键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种PMMA与Si的键合方法，所述方法包括：将预处理后的PMMA样品与Si样品叠放，使用飞秒激光聚焦于PMMA与Si的界面处，并在所述界面处移动完成键合。所述键合方法获得连续且均匀的键合焊缝，键合强度高，无需使用任何化学试剂或粘接剂。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料制备技术领域，涉及一种PMMA与Si的键合方法。
背景技术
从微电子学到微流体学，许多设备和物品都是由不同的材料（如不同的聚合物、金属或半导体）制成的。连接这类混合微型设备的技术通常基于胶合或热加工工艺，但这些方法都存在一些缺点。例如，这些方法无法控制接合区域的大小和形状，而且存在基底劣化和污染的风险。飞秒激光键合技术是一种非接触式、灵活的技术，可精确键合同类和异类材料，既可用于键合聚合物，也可用于将聚合物键合到金属基底上，但尚未用于将聚合物键合到硅基底上。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种PMMA与Si的键合方法，所述键合方法获得连续且均匀的键合焊缝，键合强度高，无需使用任何化学试剂或粘接剂。
为达到上述技术效果，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种PMMA与Si的键合方法，所述方法包括：
将预处理后的PMMA样品与Si样品叠放，使用飞秒激光聚焦于PMMA与Si的界面处，并在所述界面处移动完成键合。
本发明中，PMMA指聚甲基丙烯酸甲酯。
作为本发明优选的技术方案，所述PMMA样品的厚度为0.5~2 mm，如0.5 mm、0.6mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm、1.4 mm、1.5 mm、1.6 mm、1.7mm、1.8 mm、1.9 mm或2 mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述Si样品的厚度为0.4~0.8 mm，如0.4 mm、0.45mm、0.5 mm、0.55 mm、0.6 mm、0.65 mm、0.7 mm、0.75 mm或0.8 mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述预处理包括分别独立地对所述PMMA样品与Si样品的键合面进行清洗。
作为本发明优选的技术方案，所述PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5 nm，如4.5 nm、4 nm、3.5 nm、3 nm、2.5 nm、2 nm、1.5 nm或1 nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述PMMA样品与Si样品的键合面的平行度不大于1/4倍的所述飞秒激光波长，如1/5倍、1/6倍、1/7倍或1/8倍等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述飞秒激光的重复频率为600~900 kHz，如600kHz、650 kHz、700 kHz、750 kHz、800 kHz、850 kHz或900 kHz等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述飞秒激光的脉冲能量为1.8~2.2μJ，如1.8μJ、1.9μJ、2.0μJ、2.1μJ或2.2μJ等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述飞秒激光的移动速度为0.5~1 mm/s，如0.5 mm/s、0.6 mm/s、0.7 mm/s、0.8 mm/s、0.9 mm/s或1 mm/s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述键合的焊缝间距为所述飞秒激光的光斑直径的2~3 倍，如2倍、2.1倍、2.2倍、2.3倍、2.4倍、2.5倍、2.6倍、2.7倍、2.8倍、2.9倍或3倍等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
（1）本发明提供一种PMMA与Si的键合方法，该键合方法在PMMA与Si界面处产生热量均匀；
（2）本发明提供一种PMMA与Si的键合方法，该键合方法能够获得连续且均匀的键合焊缝，键合强度高，键合强度可达0.44±0.04 MPa；
（3）本发明提供一种PMMA与Si的键合方法，该键合方法无需使用任何化学试剂或粘接剂，实现大差异热膨胀系数的异质材料的键合
（4）本发明提供一种PMMA与Si的键合方法，该键合方法键合焊接路径闭合可在PMMA与Si中形成密闭腔室，在微流控领域有利于保护其中的器件不受影响。
附图说明
图1为本发明具体实施方式提供的PMMA与Si的键合方法的示意图；
图中：1-飞秒激光，2-PMMA样品，3-Si-样品，4-光斑。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和附图对本申请提供的技术方案进行进一步说明。
本发明具体实施方式提供一种PMMA与Si的键合方法，如图1所示，所述方法包括：
将预处理后的PMMA样品与Si样品叠放，使用飞秒激光聚焦于PMMA与Si的界面处，并在所述界面处移动完成键合。
本发明一个具体实施方式中，PMMA样品的清洗方式可以是在去离子水中超声3~8min。
本发明一个具体实施方式中，Si样品的清洗方式可以是使用异丙醇清洗。
本发明中，预处理可有效去除样品表面大颗粒污染物，使样品表面足够光洁。
本发明中，限定PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5nm为能够实现PMMA与Si飞秒激光键合较为经济的参数指标。
本发明中，PMMA样品与Si样品的键合面的平行度与激光器波长有关，需小于λ/4平行度（λ为飞秒激光波长）。若平行度>λ/4，则处于PMMA与Si界面的飞秒激光光斑在移动过程会出现干涉现象，导致不同位置相同时间产生热量不同，导致键合焊缝不均匀。
本发明一个具体实施方式中，PMMA样品与Si样品的键合面的平行度可以是小于260 nm。
本发明一个具体实施方式中，将PMMA样品与Si样品堆叠放置在夹紧台上，通过拧紧夹紧装置直到观察到虹彩干涉条纹，确保了样品之间良好接触。
本发明一个具体实施方式中，PMMA样品位于Si样品上方，飞秒激光穿过PMMA样品后照射在Si样品键合表面上。
本发明一个具体实施方式中，根据PMMA的厚度参数调整飞秒激光光斑，使光斑聚焦在PMMA与Si界面上，设置飞秒激光器相关参数，设定光斑在界面上的移动速度，设定欲键合区域及移动路径。
本发明中，飞秒激光的重复频率为600~900 kHz，飞秒激光照射在Si表面，Si表面会出现连续而粗糙的激光轨迹纹路，同时热量积累过程会使 PMMA 的温度升高到玻璃转化温度（110℃）以上，软化的聚合物可以流入激光烧蚀的粗糙硅中，产生连接作用。
本发明中，当飞秒激光的脉冲能量小于1.8μJ时，每个点的脉冲数由所使用的扫描速度决定，输入的总热量不足以熔化 PMMA，因此会产生非连续的键合焊缝。当能量增加到2.2μJ以上时，两种基材都会出现无法控制的损坏，从而影响接合的均匀性。
本发明中，只有在较窄的工艺参数窗口内，且飞秒激光的移动速度为0.5~1mm/s时可实现均匀连续的键合焊缝；键合焊缝间距需处于2~3倍的激光光斑大小，当键合焊缝小于2倍飞秒激光光斑大小时，焊缝与焊缝之间出现重叠，由于激光对已键合焊缝进行了重复扫描，导致已键合焊缝界面出现断裂，致使键合强度降低，当键合焊缝间距处于2~3倍激光光斑直径大小时，键合强度稍有增加，变化不明显；当键合焊缝间距大于3倍激光光斑直径大小时，键合强度降低。
本发明一个具体实施方式中，光斑大小可以是约为30μm，则相邻键合焊缝间距可以是60~90μm。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种PMMA与Si的键合方法，所述方法包括：
将PMMA样品置于去离子水中超声清洗3 min，使用异丙醇清洗擦拭Si样品表面；
将PMMA样品与Si样品堆叠放置在夹紧台上，通过拧紧夹紧装置直到观察到虹彩干涉条纹；PMMA样品的厚度为0.5 mm，Si样品的厚度为0.4 mm，PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5nm，PMMA样品与Si样品的键合面的平行度不大于1/4倍的所述飞秒激光波长；
根据PMMA的厚度参数调整飞秒激光光斑，使光斑聚焦在PMMA与Si界面上；设置飞秒激光的重复频率为600 kHz，脉冲能量为1.8μJ，移动速度为0.5 mm/s，光斑大小约为30μm，相邻键合焊缝间距可以是60μm，同时设定欲键合区域及移动路径；
光斑在PMMA与Si界面按照制定路径移动，直至完成预设区域键合。
实施例2
本实施例提供一种PMMA与Si的键合方法，所述方法包括：
将PMMA样品置于去离子水中超声清洗5 min，使用异丙醇清洗擦拭Si样品表面；
将PMMA样品与Si样品堆叠放置在夹紧台上，通过拧紧夹紧装置直到观察到虹彩干涉条纹；PMMA样品的厚度为1 mm，Si样品的厚度为0.5 mm，PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5nm，PMMA样品与Si样品的键合面的平行度不大于1/4倍的所述飞秒激光波长；
根据PMMA的厚度参数调整飞秒激光光斑，使光斑聚焦在PMMA与Si界面上；设置飞秒激光的重复频率为700 kHz，脉冲能量为1.9μJ，移动速度为0.6 mm/s，光斑大小约为30μm，相邻键合焊缝间距可以是66μm，同时设定欲键合区域及移动路径；
光斑在PMMA与Si界面按照制定路径移动，直至完成预设区域键合。
实施例3
本实施例提供一种PMMA与Si的键合方法，所述方法包括：
将PMMA样品置于去离子水中超声清洗5 min，使用异丙醇清洗擦拭Si样品表面；
将PMMA样品与Si样品堆叠放置在夹紧台上，通过拧紧夹紧装置直到观察到虹彩干涉条纹；PMMA样品的厚度为1.5 mm，Si样品的厚度为0.6 mm，PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5nm，PMMA样品与Si样品的键合面的平行度不大于1/4倍的所述飞秒激光波长；
根据PMMA的厚度参数调整飞秒激光光斑，使光斑聚焦在PMMA与Si界面上；设置飞秒激光的重复频率为800 kHz，脉冲能量为2.0μJ，移动速度为0.8 mm/s，光斑大小约为30μm，相邻键合焊缝间距可以是75μm，同时设定欲键合区域及移动路径；
光斑在PMMA与Si界面按照制定路径移动，直至完成预设区域键合。
实施例4
本实施例提供一种PMMA与Si的键合方法，所述方法包括：
将PMMA样品置于去离子水中超声清洗8 min，使用异丙醇清洗擦拭Si样品表面；
将PMMA样品与Si样品堆叠放置在夹紧台上，通过拧紧夹紧装置直到观察到虹彩干涉条纹；PMMA样品的厚度为2 mm，Si样品的厚度为0.8 mm，PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5nm，PMMA样品与Si样品的键合面的平行度不大于1/4倍的所述飞秒激光波长；
根据PMMA的厚度参数调整飞秒激光光斑，使光斑聚焦在PMMA与Si界面上；设置飞秒激光的重复频率为900 kHz，脉冲能量为2.2μJ，移动速度为1 mm/s，光斑大小约为30μm，相邻键合焊缝间距可以是60μm，同时设定欲键合区域及移动路径；
光斑在PMMA与Si界面按照制定路径移动，直至完成预设区域键合。
实施例5
本实施例提供一种PMMA与Si的键合方法，所述方法包括：
将PMMA样品置于去离子水中超声清洗5min，使用异丙醇清洗擦拭Si样品表面；
将PMMA样品与Si样品堆叠放置在夹紧台上，通过拧紧夹紧装置直到观察到虹彩干涉条纹；PMMA样品的厚度为1mm，Si样品的厚度为0.5mm，PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5nm，PMMA样品与Si样品的键合面的平行度不大于1/4倍的所述飞秒激光波长；
根据PMMA的厚度参数调整飞秒激光光斑，使光斑聚焦在PMMA与Si界面上；设置飞秒激光的重复频率为800 kHz，脉冲能量为2μJ，移动速度为1 mm/s，光斑大小约为30μm，相邻键合焊缝间距可以是60μm，同时设定欲键合区域及移动路径；
光斑在PMMA与Si界面按照制定路径移动，直至完成预设区域键合。
对比例1
本对比例除了PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地为10 nm外，其余条件均与实施例3相同。
对比例2
本对比例除了PMMA样品与Si样品的键合面的平行度为1/2的飞秒激光波长外，其余条件均与实施例3相同。
对比例3
本对比例除了飞秒激光的脉冲能量为1.5μJ外，其余条件均与实施例3相同。
对比例4
本对比例除了飞秒激光的脉冲能量为2.5μJ外，其余条件均与实施例3相同。
对比例5
本对比例除了相邻键合焊缝间距为30μm外，其余条件均与实施例3相同。
对比例6
本对比例除了相邻键合焊缝间距为120μm外，其余条件均与实施例3相同。
对实施例1-4以及对比例1-6结合后的PMMA与Si界面的键合强度进行测试，其结果如表1所示。
键合强度的测试方法采用剪切测试法，将键合后样品固定在移动平移台上，然后移动平台携带样品向测力计移动，检测键合界面能承受的最大剪切力，用剪切力除以键合面积得到键合强度。
表1
| 键合强度/MPa | |
| 实施例1 | 0.40 |
| 实施例2 | 0.42 |
| 实施例3 | 0.44 |
| 实施例4 | 0.41 |
| 实施例5 | 0.48 |
| 对比例1 | 未键合成功 |
| 对比例2 | 0.22 |
| 对比例3 | 未键合成功 |
| 对比例4 | 0.34 |
| 对比例5 | 0.15 |
| 对比例6 | 0.08 |
通过表1的测试结果可以看出，采用本申请实施例1-5提供的PMMA与Si的键合方法键合后，PMMA与Si界面的键合强度可达0.40~0.48 MPa，均具有优异的键合效果。对比例1其PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度较大，导致键合不成功，对比例2中PMMA样品与Si样品的键合面的平行度为1/2的飞秒激光波长，其键合强度相比于实施例3下降明显，对比例3飞秒激光的脉冲能量较小，导致键合失败，对比例4飞秒激光的脉冲能量较大，其键合强度相比于实施例3有所下降，对比例5和对比例6在焊缝间距较小或较大时，键合情况均较差。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (6)
1.一种PMMA与Si的键合方法，其特征在于，所述方法包括：
将预处理后的PMMA样品与Si样品叠放，使用飞秒激光聚焦于PMMA与Si的界面处，并在所述界面处移动完成键合；
所述飞秒激光的重复频率为600~900 kHz；
所述飞秒激光的脉冲能量为1.8~2.2μJ；
所述飞秒激光的移动速度为0.5~1 mm/s；
所述键合的焊缝间距为所述飞秒激光的光斑直径的2~3 倍。
2.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述PMMA样品的厚度为0.5~2 mm。
3.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述Si样品的厚度为0.4~0.8 mm。
4.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述预处理包括分别独立地对所述PMMA样品与Si样品的键合面进行清洗。
5.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述PMMA样品与Si样品的键合面的粗糙度Ra分别独立地<5nm。
6.根据权利要求1所述的键合方法，其特征在于，所述PMMA样品与Si样品的键合面的平行度不大于1/4倍的所述飞秒激光波长。
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