[发明专利]基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制作微纳器件的三层结构材料，特别是涉及一种基于静电键合的玻璃/硅/玻璃三层结构材料的制备方法。

背景技术

微机电系统（MEMS）主要包括微传感器、微执行器、微制动器等微型器件。键合技术作为一种典型的MEMS加工技术，广泛应用于微器件的加工制作。键合是指通过物理/化学作用将硅片与硅片、硅片与玻璃等材料结合在一起的三维微加工技术。常用的MEMS键合技术包括金硅共晶键合、硅/玻璃阳极键合、硅/硅直接键合以及玻璃焊料烧结等。随着微器件结构越来越复杂，三层甚至多层结构不断涌现，对键合技术的要求也越来越高。

阳极键合是一种广泛应用于微传感器中的封装技术。主要是针对导体与玻璃，在一定温度和静电力的作用下，使紧密贴合的导体与玻璃在界面上发生化学作用，形成金属氧化键，最终实现导体与玻璃的永久键合。目前，MEMS圆片级阳极键合技术已经相当成熟，所选用的键合材料通常为硅与Pyrex7740玻璃。具体键合过程：对硅与玻璃施加一定压力，确保紧密接触的同时，对硅/玻璃施加200~1000V的直流电场，其中玻璃片接负极，硅片接正极。在电场力的作用下，玻璃中的钠离子向负极运动，因此相对于接触面而言，玻璃中的钠离子耗尽形成只含有氧离子的负电荷区域，与正极相连的硅中形成相反的电荷分布区；通过系统加热到300～400℃，氧离子与硅离子结合成Si-O键，进而形成永久键合，阳极键合的强度可以达到10~18MPa。

三层阳极键合方法是在传统的硅/玻阳极键合的基础上发展起来的，主要是为了实现交错的硅片和玻璃的键合，其中典型结构为玻璃/硅/玻璃，硅作为结构层，需要通过磨削、腐蚀、抛光、刻蚀等表面/体硅加工技术制作而成。三层阳极键合方法可以制作玻璃/硅/玻璃三层结构，硅结构层进行封装。

目前，基于阳极键合的三层键合方法，通常采用直接键合法和辅助电极键合法，两者的主要区别在于实现阳极键合的条件。

直接键合法，即在操作过程中硅片与玻璃片不采用其他辅助手段，直接加载电压进行阳极键合。直接键合法同样可以分为两类，一类是三层圆片单步直接键合，采用两电极反接，实现在一次清洗和对准条件下金属和夹层玻璃键合，但是由于第一次加电后钠元素的积聚效应，使钠聚集区域内发生热特性变化，导致键合片在热应力的作用下产生破坏，影响封装效果，并且采用此方法无法保证玻璃与硅片上的图形精密对准（张廷凯，两电极多层阳极键合实验研究，传感器与微系统，2009，28（7））；另一类是分步阳极键合，即第一次键合时采用常规阳极键合条件形成硅/玻组合片，第二次通过高温度（420℃）、高压力（500N）、高电压（1200V）、长时间（>30min）的方法使已键合的硅/玻组合片与第二片玻璃键合，实现玻璃/硅/玻璃三层结构，这种方法由于第二次键合时采用高温条件，造成了硅与玻璃的热膨胀失配，键合片翘曲严重，因此缩小了其应用的范围，并且该方法存在另一个缺陷：二次键合时，对硅/玻璃组合片施加与此前键合相反的电压，扰乱了第一次键合时硅/玻璃组合片内部已形成的电荷分布，导致三层键合片强度达不到正常标准（AML-AWB-04/AWB-04P Aligner Wafer Bonder User Manual May 2005）。

另一类辅助电极键合法，同样采用分步阳极键合方式，不同点在于第二次键合时采用辅助手段，使硅/玻组合片中硅层与键合机正电极直接连接，采用常规阳极键合条件实现组合片与玻璃的键合。AML公司以及吴璟等（吴璟，基于中间硅片厚度可控的三层阳极键合技术，功能材料与器件学报，AML-AWB-04/AWB-04P Aligner Wafef Bonder User Manual May 2005）提出了硅片连接法，具体操作方法：在二次键合时，采用一块与组合片中玻璃厚度相当的导电硅使正电极与硅连接，克服了直接法键合条件苛刻和键合后缺陷较多的缺点，但是硅片连接法不能满足大规模自动化生产的要求。韩国的Moon Chul Lee等（Moon Chul Lee，Ahigh yield rate MEMS gyroscope with a packaged SiOG process）提出通过在玻璃上的通孔结构溅射金属使得正电极与硅层连接，但是这类方法需要在第一次键合的玻璃上加工有通孔结构，限制了其他加工手段的运用，例如硅/玻璃组合片的硅湿法腐蚀工艺等，很大程度上限制了该方法在MEMS加工中的应用。

发明内容