基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括工作臺，工作臺包括平行設置的第一電極和第二電極，第一電極和第二電極分別用于放置玻璃器件和硅器件；電源模塊，兩端分別與第一電極和第二電極電性連接；電磁感應加熱裝置，設置于第二電極下方，用于對放電預處理和陽極鍵合進行電磁強化；驅動裝置，連接在第一電極上，用于驅動第一電極上下運動。本實用新型整體結構簡單，易于集成；電磁感應加熱、預處理放電和陽極鍵合三者一體化控制三者一體化控制，調控簡單；整套復合鍵合工藝易于實現(xiàn)，參數(shù)易于調節(jié)，鍵合性能可控性好。
【專利說明】基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及陽極鍵合【技術領域】，特別是涉及一種基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]陽極鍵合技術在MEMS器件的制作、組裝、封裝等環(huán)節(jié)中具有重要的作用，是銜接多種硅加工工藝的核心技術，是實現(xiàn)三維空間上交差結構、多層結構等復雜MEMS結構的基本手段之一。目前陽極鍵合采用高溫(400?500°C)加高電壓(1000?2000V)的方法實現(xiàn)，其基本原理將硅片和玻璃接在高壓電源兩極上，在一定溫度、電壓、壓力的作用下鍵合界面發(fā)生物理化學反應，促使-0H、-O、-H、-Si等形成的化學鍵發(fā)生開合變化，并在界面上重新形成S1-O-S1、S1-OH等新的化學鍵，將硅與玻璃界面牢固的連接在一起。與其他表面鍵合技術相比，陽極鍵合具有工藝簡單、對鍵合界面要求不高、結合強度高、密封性和穩(wěn)定性良好等優(yōu)點。因此在對密封、結合強度要求較高的MEMS器件組裝和封裝中，陽極鍵合是不可或缺的工藝手段。
[0003]目前的高溫陽極鍵合技術利用高溫軟化玻璃界面的微觀層，在一定壓力作用下實現(xiàn)玻璃表面微觀峰的蠕動滑移，促使玻璃/硅的結合界面達到靜電力作用的距離，這是實現(xiàn)陽極鍵合的關鍵，因此高溫是實現(xiàn)這種陽極鍵合的必要條件。但高溫使陽極鍵合易產(chǎn)生如下問題:其一，鍵合效率低。在硅/玻璃的鍵合過程中，高溫會使玻璃微孔中的氣體膨脹、分解、溢出，在鍵合界面形成氣層。氣體排泄不暢就會在界面上形成孔洞缺陷。為了使氣體順利排出，目前在圓片級鍵合中廣泛采用點電極和多點電極。采用這類電極時外部電場在鍵合界面上的分布是不均勻地，鍵合形成只能從電極位置向邊緣逐漸推進。整片鍵合全部完成需要較長的時間(一般大于30min)，鍵合效率低。其二，高溫容易引起熱應力和變形。高溫長時間作用在硅/玻璃鍵合體上容易產(chǎn)生熱應力，引起MEMS器件變形，嚴重影響MEMS器件量產(chǎn)的耐疲勞性、穩(wěn)定性、可靠性以及一致性等性能指標。其三，高溫誘發(fā)金屬離子滲透。MEMS器件中硅晶體表面通常有金屬結構(如鋁線等)，高溫容易誘發(fā)這些結構中的金屬離子向硅基體滲透、形成金屬-硅反應等物理化學變化，而且溫度越高反應越快，嚴重地影響了 MEMS器件的性能。高溫鍵合過程中存在的這些問題制約了陽極鍵合在MEMS領域的應用廣度和深度。
[0004]對此，國內外學者采用分步處理鍵合方法來實現(xiàn)低溫高效鍵合。即鍵合前先對鍵合界面進行等離子體活化或濕化學活化預處理，然后轉移到鍵合位置上進行陽極鍵合，或者在鍵合工位上施加強化磁場等。但目前的等離子活化環(huán)境條件嚴格且需要專用的昂貴等離子設備，濕化學活化的工藝條件嚴格、過程復雜，造成了這些活化方法存在工藝復雜、可控性差等問題，制約了界面活化復合陽極鍵合工藝的廣泛應用。因此簡化活化工藝過程、提高工藝的可控性是當前活化復合鍵合工藝方法面臨的新問題。
[0005]因此，針對上述技術問題，有必要提供一種基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)。實用新型內容
[0006]有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型實施例提供的技術方案如下:
[0008]—種基于多能場稱合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:
[0009]工作臺，工作臺包括平行設置的第一電極和第二電極，第一電極和第二電極分別用于放置玻璃器件和硅器件；
[0010]電源模塊，兩端分別與第一電極和第二電極電性連接；
[0011]電磁感應加熱裝置，設置于第二電極下方，用于對放電預處理和陽極鍵合進行電磁強化；
[0012]驅動裝置，連接在第一電極上，用于驅動第一電極上下運動。
[0013]作為本實用新型的進一步改進，所述驅動裝置驅動第一電極分別位于第一位置和第二位置，第一電極位于第一位置時，工作臺、電源模塊和電磁感應加熱裝置構成介質阻擋放電裝置，第一電極位于第二位置時，工作臺、電源模塊和電磁感應加熱裝置構成陽極鍵合裝置，其中介質阻擋放電裝置中第一電極和第二電極間的距離大于陽極鍵合裝置中第一電極和第二電極間的距離。
[0014]作為本實用新型的進一步改進，所述介質阻擋放電裝置中，玻璃器件和硅器件分別位于第一電極和第二電極上，玻璃器件和硅器件間的放電間隙為10-5000微米；陽極鍵合裝置中，玻璃器件和硅器件分別位于第一電極和第二電極上，玻璃器件和硅器件界面相互貼合。
[0015]作為本實用新型的進一步改進，所述電磁感應加熱裝置中電磁感應加熱的功率0-5Kw、頻率為 30-100Hz。
[0016]本實用新型具有以下有益效果:
[0017]將等離子體介質阻擋放電等離子體界面活化處理、電磁感應加熱形成的磁場強化界面粒子運動輔助手段、與陽極鍵合工藝復合在一個工位上，利用等離子放電活化處理降低鍵合工藝要求，利用電磁感應加熱提供鍵合溫度的同時提供的磁場強化放電處理效果和鍵合過程中的粒子運動，最終形成多能場耦合鍵合，實現(xiàn)低溫高效陽極鍵合；
[0018]本實用新型通過增加電磁感應加熱裝置，能夠強化預處理放電效果、促進陽極鍵合的鍵合效果，同時，電磁感應加熱、預處理放電和陽極鍵合三者一體化控制，參數(shù)易于調節(jié)，鍵合性能可控性好，協(xié)同調控有利于鍵合質量的提高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1為本實用新型基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)的結構示意圖；
[0021]圖2為本實用新型一【具體實施方式】中復合式陽極鍵合方法的工藝流程圖；[0022]圖3a為本實用新型一【具體實施方式】中玻璃器件和硅器件的安裝結構示意圖；
[0023]圖3b為本實用新型一【具體實施方式】中玻璃器件和硅器件的等離子體放電示意圖；
[0024]圖3c為本實用新型一【具體實施方式】中玻璃器件和硅器件的陽極鍵合示意圖?！揪唧w實施方式】
[0025]下面結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬于本實用新型保護的范圍。
[0026]參圖1所示，本實用新型的一種基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)，包括:
[0027]工作臺，工作臺包括平行設置的第一電極11和第二電極12，第一電極11和第二電極12分別用于放置玻璃器件和硅器件；
[0028]電源模塊20，兩端分別與第一電極11和第二電極12電性連接，電源模塊20為可變電源模塊，可以提供可變的高壓直流電和高壓交流電；
[0029]電磁感應加熱裝置30，設置于第二電極12下方，用于對放電預處理和陽極鍵合進行電磁強化；
[0030]驅動裝置40，連接在第一電極11上，用于驅動第一電極11上下運動。
[0031]驅動裝置驅動第一電極分別位于第一位置和第二位置，第一電極位于第一位置時，工作臺、電源模塊和電磁感應加熱裝置構成介質阻擋放電裝置，第一電極位于第二位置時，工作臺、電源模塊和電磁感應加熱裝置構成陽極鍵合裝置，其中介質阻擋放電裝置中第一電極和第二電極間的距離大于陽極鍵合裝置中第一電極和第二電極間的距離。
[0032]本實用新型中介質阻擋放電裝置中，玻璃器件和硅器件分別位于第一電極和電極上，玻璃器件和硅器件間的放電間隙為10-5000微米(參圖3b所示)；陽極鍵合裝置中，玻璃器件和硅器件分別位于第一電極和電極上，玻璃器件和硅器件界面相互貼合(參圖3c所示)O
[0033]相應地，本實用新型基于多能場耦合的復合式陽極鍵合方法，包括以下步驟:
[0034]S1、設置工作臺參數(shù)、電磁感應加熱參數(shù)、放電參數(shù)和鍵合參數(shù)；
[0035]S2、將玻璃器件和硅器件分別放置在工作臺的第一電極和第二電極上；
[0036]S3、驅動裝置驅動第一電極，調節(jié)玻璃器件和硅器件間的放電間隙；
[0037]S4、啟動電源模塊和電磁感應加熱裝置，電磁感應加熱裝置進行電磁強化，根據(jù)放電參數(shù)對玻璃器件和硅器件界面進行等離子體放電預處理。放電預處理采用介質阻擋放電裝置進行；
[0038]S5、驅動裝置驅動第一電極，使玻璃器件和硅器件界面相互貼合；
[0039]S6、啟動電源模塊和電磁感應加熱裝置，電磁感應加熱裝置進行電磁強化，根據(jù)鍵合參數(shù)對玻璃器件和硅器件進行陽極鍵合。
[0040]進一步地，步驟SI中的工作臺參數(shù)包括:平臺的運動速度、鍵合位置與系統(tǒng)原點之間的位置關系參數(shù)。
[0041]其中，電磁感應加熱裝置也可以先啟動，如在步驟SI之前、或步驟SI中、或步驟S2中啟動。
[0042]參圖2-3所示，在本實用新型的一【具體實施方式】中，本實用新型基于多能場耦合的復合式陽極鍵合方法，包括以下步驟:
[0043]S1、設置工作臺參數(shù)、電磁感應加熱參數(shù)、放電參數(shù)和鍵合參數(shù)。
[0044]其中，工作臺參數(shù)包括:平臺的運動速度、鍵合位置與系統(tǒng)原點之間的位置關系參數(shù)；
[0045]電磁感應加熱參數(shù):功率0-5Kw、頻率30-100HZ ；
[0046]放電參數(shù):放電間隙10-5000微米、放電電壓AC900-2000V、頻率5_10KHz、放電時間0.l-20s、放電溫度15-350°C，通常情況下放電溫度設為室溫；
[0047]鍵合參數(shù):鍵合電壓DC900-1200V、鍵合時間50_2000s、鍵合壓力0.l_50g、鍵合溫度 150-350°Co
[0048]S2、將玻璃器件50和硅器件60分別放置在工作臺的第一電極11和第二電極12上,如圖3a所示。
[0049]S3、驅動裝置驅動第一電極11，調節(jié)玻璃器件50和硅器件60間的放電間隙為10-5000 微米。
[0050]S4、啟動電源模塊20和電磁感應加熱裝置30，根據(jù)放電參數(shù)對玻璃器件和硅器件界面進行等離子體放電預處理，放電預處理采用介質阻擋放電預處理，如圖3b所示。電磁感應加熱裝置用于進行電磁強化，促進放電過程中等離子的運動，強化放電性能。
[0051]S5、驅動裝置驅動第一電極11,使玻璃器件50和娃器件60界面相互貼合。
[0052]S6、啟動電源模塊20和電磁感應加熱裝置30，根據(jù)鍵合參數(shù)對玻璃器件50和硅器件60進行陽極鍵合，如圖3c所示。電磁感應加熱裝置用于進行電磁強化，促進陽極鍵合過程中的粒子運動，提高鍵合效率。
[0053]其中，電磁強化、放電預處理、陽極鍵合在同一工位實現(xiàn)，鍵合完成后，關閉電磁感應加熱裝置，然后工作臺移出鍵合位置，拆下被鍵合件。
[0054]本實用新型將目前常用的等離子體介質阻擋放電等離子體界面活化處理、電磁感應加熱形成的磁場強化界面粒子運動輔助手段、與陽極鍵合工藝復合在一個工位上，利用等離子放電活化處理降低鍵合工藝要求，利用電磁感應加熱提供鍵合溫度的同時提供的磁場強化放電處理效果和鍵合過程中的粒子運動，最終形成多能場耦合鍵合，實現(xiàn)低溫高效陽極鍵合。
[0055]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型通過增加電磁感應加熱裝置，能夠強化預處理放電效果、促進陽極鍵合的鍵合效果，同時，電磁感應加熱、預處理放電和陽極鍵合三者一體化控制，參數(shù)易于調節(jié)，鍵合性能可控性好，協(xié)同調控有利于鍵合質量的提高。
[0056]綜上所述，本實用新型具有以下優(yōu)點:
[0057]1、設備整體結構簡單，易于集成。介質阻擋放電與陽極鍵合都利用高電壓對絕緣介質作用，不同的是前者利用間隙放電，而后者利用的是間隙靜電力，兩種工藝在空間和實現(xiàn)條件上都具有很好的相容性。電磁感應加熱在加熱過程中既能替代原陽極鍵合的電阻加熱，又能提供磁場強化介質阻擋放電的等離子體運動和陽極鍵合過程中界面離子遷移。
[0058]2、預處理、磁場強化和陽極鍵合參數(shù)的一體化控制，調控簡單，利用介質阻擋放電作為陽極鍵合的界面預處理方法，無需復雜的等離子體發(fā)生裝置，控制放電電壓和放電間隙就能方便地控制等離子的能量；利用電磁感應加熱技術作為鍵合加熱方法，既能強化放電性能，又能促進陽極鍵合過程中的粒子運動。
[0059]3、不需要轉移，單工位上直接實現(xiàn)預處理、磁場強化和陽極鍵合，整個鍵合工藝易于實現(xiàn)，參數(shù)易于調節(jié)，鍵合性能可控性好。
[0060]對于本領域技術人員而言，顯然本實用新型不限于上述示范性實施例的細節(jié)，而且在不背離本實用新型的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實現(xiàn)本實用新型。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本實用新型的范圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和范圍內的所有變化囊括在本實用新型內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。
[0061]此外，應當理解，雖然本說明書按照實施方式加以描述，但并非每個實施方式僅包含一個獨立的技術方案，說明書的這種敘述方式僅僅是為清楚起見，本領域技術人員應當將說明書作為一個整體，各實施例中的技術方案也可以經(jīng)適當組合，形成本領域技術人員可以理解的其他實施方式。
【權利要求】
1.一種基于多能場稱合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括: 工作臺，工作臺包括平行設置的第一電極和第二電極，第一電極和第二電極分別用于放置玻璃器件和硅器件； 電源模塊，兩端分別與第一電極和第二電極電性連接； 電磁感應加熱裝置，設置于第二電極下方，用于對放電預處理和陽極鍵合進行電磁強化； 驅動裝置，連接在第一電極上，用于驅動第一電極上下運動。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)，其特征在于，所述驅動裝置驅動第一電極分別位于第一位置和第二位置，第一電極位于第一位置時，工作臺、電源模塊和電磁感應加熱裝置構成介質阻擋放電裝置，第一電極位于第二位置時，工作臺、電源模塊和電磁感應加熱裝置構成陽極鍵合裝置，其中介質阻擋放電裝置中第一電極和第二電極間的距離大于陽極鍵合裝置中第一電極和第二電極間的距離。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)，其特征在于，所述介質阻擋放電裝置中，玻璃器件和硅器件分別位于第一電極和第二電極上，玻璃器件和硅器件間的放電間隙為10-5000微米；陽極鍵合裝置中，玻璃器件和硅器件分別位于第一電極和第二電極上，玻璃器件和硅器件界面相互貼合。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于多能場耦合的復合式陽極鍵合系統(tǒng)，其特征在于，所述電磁感應加熱裝置中電磁感應加熱的功率0-5Kw、頻率為30-100HZ。
【文檔編號】B81C3/00GK203612946SQ201320673604
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年10月29日 優(yōu)先權日:2013年10月29日
【發(fā)明者】潘明強, 孫立寧, 王陽俊, 劉吉柱, 陳濤, 陳立國, 汝長海, 王振華 申請人:蘇州大學