MEMS结构阳极键合界面若干问题研究

来源 :中国科学院力学研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dsb5519
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阳极键合自其出现以来,已发展成为用于MEMS/NEMS器件制造加工的一种关键工艺。其工艺过程相对简单、成本低,而且所需工艺温度较低,能够与硅半导体器件的常规工艺保持兼容。阳极键合是一个复杂的物理化学过程,涉及许多力学问题,如键合力(静电力、表面力等)作用下的表面接触粘着;电场作用下接触界面处粒子的扩散、反应;键合界面层中的残余应力等等。对这些问题的研究,有助于更好地理解阳极键合的力学行为,为MEMS/NEMS器件的设计、制造加工以及实际应用提供许多有益参考。本文就MEMS器件中阳极键合界面的力学行为,展开了若干初步的实验研究,以期为进一步的理论分析工作建立实验基础。   本文首先回顾了MEMS/NEMS器件工业中所用键合技术的发展和应用,总结了作为其中关键键合技术之一的阳极键合在微纳系统中的重要作用及其主要特点,分析了阳极键合所涉及的力学问题,阐明了阳极键合界面力学行为的研究对MEMS/NEMS系统的重要意义。设计和制备了进行阳极键合力学行为实验的微尺度试件,研制了试件制备所需的阳极键合系统。用不同的键合参数(包括键合温度、键合电压和键合时间),完成了Pyrex7740玻璃和溅射有纯铝薄膜的单晶硅之间的微尺度锚结构试件的阳极键合。对试件的阳极键合品质进行了光学显微检视分析。在TEM下观察和研究了阳极键合界面的结构形貌。测量了试件玻璃中的钠离子耗尽层厚度,发现了其中富含铝的晶化纳米枝状结构,研究了它们对阳极键合界面强度的影响。总结了分形概念的起源及其重要特征、分形维数的概念及主要测定的方法,以及受限扩散凝聚(Diffusion-Limited Aggregation,DLA)模型与其特征。研究和分析了Pyrex7740玻璃/铝/硅阳极键合试件中金属铝膜上出现的分形斑图。分析显示了这些分形斑具有典型的二维DLA集团的特征分形维数,其分形维数DB约为1.7。这些分形是由于硅原子在铝膜中受限扩散凝聚、结晶生长而形成,并且有利于提高键合界面的强度。分析了试件中金属铝膜的厚度、键合温度和键合电压对分形斑的影响。借助微拉伸仪等实验手段,对不同键合温度和键合电压下制备的Pyrex7740玻璃/铝/硅阳极键合微尺度锚结构试件,进行了拉伸破坏实验。分析了试件拉伸后阳极键合界面的破坏情况,亦研究了键合温度、键合电压以及金属铝膜厚度对拉伸破坏载荷的影响。得到了阳极键合试件的拉伸破坏载荷随键合温度和键合电压的提高而增加的结果。但是在键合所用的金属铝膜厚度参数范围内,试件的拉伸破坏载荷随着铝膜厚度的增加而显现下降的趋势。
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