静电封接技术及应用

门 第 17卷 3期 半 导 体 杂 志 1992年 9月 静 电 封 接 技 术 及 应 用 ．_fr＼『3o (无津嵩五 宽所)I-]~z ．／'132 ／ (无}聿 百赢 兜所) ／ 摘 要 本文论述了玻璃和硅片静电封接的基本原理和方法．给出了在静电封接过程中的各种工艺参 数．指明了驶璃的导电性是封接的关键。应用此技术，成功地获得了具有精度 2．5 的硅电容式压 力传感器． ， ／ ／ ． ． 关键词 静电封接，压力传感器。 3 — — — ～ ，_— — — 一 u 一 、 ；I 言 自从 1968年 D．I．Polneral2tzo3发现在低于玻璃软化点温度下，金属和玻璃或其它绝缘 体进行静电封接的新方法后，各种类型电子器件、集成电路、微集成传感器部有了迅速的 发展。这种方法在某方面要比化学萜接 ：玻璃粉烧结法、金属焊封法优越得多。尤其在 解决传感器封接方面，提高精度、改善蠕变更具有特色。l987年 6月在日本东京召开的第 四届国际固态传感器会议上，瑞士诺伊查特尔大学微技术研究所介绍了用静电封接方法，成 功地解决了化学敏场效应晶体管的灵敏度和漂移特性。我们使用此方法，成功地提高了硅 电容式压力传感器的质量。由于静电封接设备简单、投资少、见效快、封接迅速牢固、容 易操作，因此有着广泛的实用价值。 二、静电封接的基本原理 ． 把一块平直玻璃片和一块硅片叠在一起，在一定温度下两边外加直流电压，便可以把 它们看作平行扳电容器。根据静电学的基本原理，当玻璃接负极对，玻璃中的可动正离子 (如钠离子 在热激发下向负极运动，产生极化取向。留下不可动的带负电荷的空间电荷区， 即极化区。具有极化区的玻璃表面和带正电荷的硅表面产生静电吸引力，把玻璃和硅片吸 在一起 。 静电力的太小，可以通过给电容器充电的电能多少进行计算。假设电容器两边的电荷 为 口，则电容量为 口的l 容器两边 电位差 I，= QlC (1) 0 维普资讯 http://www.cqvip.com 第17卷3期 半 导 体 杂 志 1992年9月 这时，移动电荷 ‘}所需要的功为 W — f ，∞一 (2) 我们在静电封接时，外加直流电压是恒定的，所 一旦电容器的极问距 d发生变化，电 容器的电场能量也发生变化。 3W={俨耋 (3) 为维持电容器的电位 不变，外电源必须做功 zIWz= 口一 P d (4) 为导出电容器板极上的吸引力 ，设该系统的外部机械功 I = (5) 据能量守恒，系统总功应等于系统内能变化 置 1+ AWz (6) 将方程 (3)、 )、(5)代人方程 (6)得到 F ； 一 击俨宝 (7) 设A为电容器的板极面积， 为相对介电常数，则电容量 ；』4÷代入上式(7)，得到静电吸 引力 ，一 百l ea俨 (8) 从式 (8)中，可见玻璃与硅片的接触问距越小，产生静电吸引力越大 ，玻璃和硅片也 蔚越容易封接。在温度 3OO℃和电压 8o0v的条件下，Pofn an乜 得到静电力 350磅。 三、静电封接工艺 本实验使用设备为：(j)DM300型真空镀膜机。(2)0~3000V高压直流电流。(3)自 制能够移动对准的样品架。如图 I所 示。要求样品架能上下移位，垂直平稳， 放置水平，对榉品不产生任何滑移，便 于定位对准。 I．玻璃和硅片的选择 从上述祝理分析可箭 ，玻璃要具有 提供可动正离子的导电能力，软化点温 度要符合翩备器件要求，芯片反刻铅引 线不会被氧化 ，热膨胀系数与硅 (2．5X 10 ／℃)接近。通过实验，我们认为选 择 含碱金属 氧化 物的硼 玻璃 较为 合 ·2 ‘ 图1 静电封接样品装置图 1．铜电极 2．硅片 3．玻璃片 4．加热器 盂铜电极 维普资讯 http://www.cqvip.com ● 第 l7卷 3期 半 导 体 杂 志 1992年 9月 适 。例如 Pyrex 玻璃。在它的主要组分中，含si 为 80 ，含Na20为 4 ，热膨胀系 数 3．2×l0-e／℃。九 五料 玻璃 含 SiOz7为 8 ，含 NazO为 5．8 ．热膨胀 系数 ●．2× l0-V'C。我们选用九五料玻璃，经过Ml0金刚砂研磨，SiOz抛光液弛光。玻璃片尺寸 lO× IOx1(nan)，玻璃环尺寸是外环直径 8mm，内环直径 6ram，环高 2mm。选用已经抛光的 单品硅片尺寸 lOX1OX0．2(ram)。然后 ，叠放入样品装置架内，缓慢加热升温，升高电 压。 2．封接温度 随着加热温度的升高，玻璃中的各种粒子作热运动，很多披束缚的粒子成为自由态粒 子，大大地增加了正离子数，使常温下不能导电的玻璃转化为可导性。直到温度升高到软 化点温度时．恒温 l0分钟。本实验采用的封接温度为 370"C~420"C。在这样的温度下．半 导体硅己发生本征激发，产生电子一空穴，在外加直流电压作用下，它们分别向相反运动。从 而在连接的线路上有微弱的电流。为了缩短封接时问 封接温度偏高较好。 3．封接电流与封接时间 本实验证实，通过观察封接电流随封接时 间的变化，即 ，～ 曲线．便可判断封接过程的 好坏。如果刚开始升直流电压便有微电流产生， 表 明封接是正常的。可继续升电压．此时电流将 急剧增大 ，当电压升到最高点时 (一般以低于出 现电火花击穿电压为界限)，电流也达到最大 值。一旦玻璃和硅片的接触界面互成一体 ，形成 一 个高阻层，电流立即下降．达到最低值，如图 2所示 我们用玻璃片静封时，完成一次封接大 约只要几分钟。若用玻璃环封接，大约要 2小时 2O0 150 tO0 50 左右。可见封接时M除受加热温度、直流电压影响外， 4．封接电压与环境气氛 图2 静电封接时的 ，～l曲线 还和样品性能、形状尺寸有关。 外加直流电压是实现静电封接的基本条件。在不发生电击穿的前提下．直流高压越高 越易封牢。对于九五料玻璃，只要大于 1千伏，便很容易封接。我们还发现在不同环境气 氛下，封接电压也不同+在真空中用直流电压 5百伏封接。在空气气氛中，则要 J千伏以 上。在空气中静封，可以大大减化设备．提高时效。在真空中静封，却有利于绝对式压力 传感器和相对式压力传感器的研制 四、静电封接结果 检查经静电后玻璃与硅片的封接程度，有两种方法：一、用放射性同位紊检漏仪进行 漏率检测。=、用拉力试验机进行拉伸破坏，观察断裂面状态和断裂强度。但是．奉实验 却采用另一种最简便的方法，即用眼睛直接透过玻璃观察接触界面的颜色情况，判断静封 ·3 ‘ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 17卷3期 半 导 体 杂 志 1992年 9月 的质量。如果看见整个界面呈灰色．说明封接质量较好。如果只有局部灰色，或两种不同 探浅的颜色，则表示没有完全封接好。借助光学显微镜．用观察干涉条纹的方法 ，判断封 接质量．会获得同样的结果。我们采用这种方法进行筛选芯片封接。从而在研制硅电容式 压力传感器工作上，有了较满意的结果 (见表 1)。 表 1 经静封后硅电容式压力传感器静态 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 表 量 程 重复性 迟 滞 非线性 总精度 序号 (MPa) ( R S) ( R s) ( F．S) ( R s) 01 0．12 0．823 0．691 1．835 2．079 02 0．08 1．301 0．262 1．213 l_797 03 0．08 1．454 0．296 3．6l2 3．904 04 0．10 O．593 0．120 幺 220 幺 300 05 0．10 O．G75 O．272 1．867 1．970 五、结 束 语 静电封接技术应用至今，虽然已有二十多年的历史，但有些问题还有待人们进行认识 和探索。1983年T．R．Anthony~~)对实现静电封接的样品表面进行了理论分析，指出静封的 先决条件是两样品的接触必须紧密，这在我们实验中得到证实．如果把玻璃和硅片叠在一 起，雨没有给它们放上数百克砝码的静压力．那么无论如何，静封始终是失败的．由于静 封的最大特点是封接区域根窄，大约只有 20-200A，因此对该区域的结构形态进行研究是 当前的难题，也是我们今后的方向。 参 考 文 献 [1] D．L Pomera~rttz，u s． P~cnt，3397278 (1968) [2]C．W allis and L PomcranIz，AppL ph ，VoL 40，394G (1969) C33 ．^R劬 ，真空技术，P307(1980) C43 1988年第四届国际固态传感器会议论文巢，P823(1988) [5] T．It．Antl~ y，J．App1．Pbys．，VoL54，5，2419 (1983) 维普资讯 http://www.cqvip.com