磁控介质阻挡放电阳极键合系统及方法与流程

本发明涉及一种磁控介质阻挡放电阳极键合系统及方法，属于阳极键合技术领域。

背景技术：

阳极键合技术在mems器件的制作、组装、封装等环节中具有重要的作用，是衔接多种硅加工工艺的核心技术，是实现三维空间上交差结构、多层结构等复杂mems结构的基本手段之一。目前阳极键合采用高温(400～600℃)加高电压(1000～2000v)的方法实现，其基本原理将硅片和玻璃接在高压电源两极上，在一定温度、电压、压力的作用下键合界面发生物理化学反应，促使-oh、-o、-h、-si等形成的化学键发生开合变化，并在界面上重新形成si-o-si、si-oh等新的化学键，将硅与玻璃界面牢固的连接在一起。与其他表面键合技术相比，阳极键合具有工艺简单、对键合界面要求不高、结合强度高、密封性和稳定性良好等优点。因此在对密封、结合强度要求较高的mems器件组装和封装中，阳极键合是不可或缺的工艺手段。

目前的高温阳极键合技术利用高温软化玻璃界面的微观层，在一定压力作用下实现玻璃表面微观峰的蠕动滑移，促使玻璃/硅的结合界面达到静电力作用的距离，这是实现阳极键合的关键，因此高温是实现这种阳极键合的必要条件。但高温使阳极键合易产生如下问题：其一，键合效率低。在硅/玻璃的键合过程中，高温会使玻璃微孔中的气体膨胀、分解、溢出，在键合界面形成气层。气体排泄不畅就会在界面上形成孔洞缺陷。为了使气体顺利排出，目前在圆片级键合中广泛采用点电极和多点电极。采用这类电极时外部电场在键合界面上的分布是不均匀地，键合形成只能从电极位置向边缘逐渐推进。整片键合全部完成需要较长的时间(一般大于30min)，键合效率低。其二，高温容易引起热应力和变形。高温长时间作用在硅/玻璃键合体上容易产生热应力，引起mems器件变形，严重影响mems器件量产的耐疲劳性、稳定性、可靠性以及一致性等性能指标。其三，高温诱发金属离子渗透。mems器件中硅晶体表面通常有金属结构(如铝线等)，高温容易诱发这些结构中的金属离子向硅基体渗透、形成金属-硅反应等物理化学变化，而且温度越高反应越快，严重地影响了mems器件的性能。高温键合过程中存在的这些问题制约了阳极键合在mems领域的应用广度和深度。

对此，国内外学者采用分步处理键合方法来实现低温高效键合。即键合前先对键合界面进行等离子体活化或湿化学活化预处理，然后转移到键合位置上进行阳极键合，或者在键合工位上施加强化磁场等。但目前的等离子活化环境条件严格且需要专用的昂贵等离子设备，湿化学活化的工艺条件严格、过程复杂，造成了这些活化方法存在工艺复杂、可控性差等问题，制约了界面活化复合阳极键合工艺的广泛应用。因此简化活化工艺过程、提高工艺的可控性是当前活化复合键合工艺方法面临的新问题。

因此，针对上述技术问题，有必要提供一种磁控的介质阻挡放电阳极键合系统及方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种磁控介质阻挡放电阳极键合系统及方法，将磁控强化、预处理放电和阳极键合三者一体化控制，最终形成多能场耦合键合，实现低温高效阳极键合。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种磁控介质阻挡放电阳极键合系统，包括：

工作台，所述工作台包括平行设置的第一电极和第二电极；

磁控模块，所述磁控模块产生周期变化的磁场，以促进所述第一电极和第二电极之间的粒子运动；

电源模块，所述电源模块与所述第一电极和第二电极电性连接；

加热装置，所述加热装置用于提供键合所需温度；

驱动装置，所述驱动装置与所述第一电极连接，所述驱动装置驱动所述第一电极在竖直方向的移动区域内上下移动。

进一步地，所述磁控模块设置在所述第一电极和第二电极之间，所述磁控模块包括若干交错成对的电磁铁。

进一步地，所述第一电极上放置有玻璃器件，所述第二电极上放置有硅器件。

进一步地，所述移动区域包括第一位置和第二位置，所述第一位置位于所述第二位置的上方。

进一步地，所述第一电极位于所述第一位置，所述工作台、电源模块、加热装置、驱动装置和磁控模块构成介质阻挡放电装置，所述玻璃器件和硅器件之间的放电间隙为10-6000μm。

进一步地，所述第一电极位于所述第二位置，所述工作台、电源模块、加热装置、驱动装置和磁控模块构成阳极键合装置，所述玻璃器件和硅器件相贴合。

本发明还提供一种磁控介质阻挡放电阳极键合方法，采用所述的磁控介质阻挡放电阳极键合系统，包括以下步骤：

设置所述磁控介质阻挡放电阳极键合系统的相关参数，通过所述驱动装置使所述第一电极位于所述第一位置，再通过所述磁控模块对所述玻璃器件和硅器件进行放电预处理，然后使所述第一电极位于所述第二位置，进行阳极键合。

进一步地，具体包括以下步骤：

s1、设置工作台参数、加热参数、放电参数、键合参数、磁控模块电源参数；

s2、将所述玻璃器件和硅器件分别放置在所述第一电极和第二电极上；

s3、通过所述驱动装置驱动所述第一电极，以使所述第一电极位于所述第一位置，且所述玻璃器件和硅器件间的放电间隙为10-6000μm；

s4、通过所述磁控模块进行电磁强化，根据所述放电参数对所述玻璃器件和硅器件界面进行等离子体放电预处理；

s5、通过所述驱动装置驱动所述第一电极，以使所述第一电极位于所述第二位置，且所述玻璃器件和硅器件界面相互贴合；

s6、根据所述键合参数对所述玻璃器件和硅器件进行阳极键合。

进一步地，所述工作台参数包括平台的运动速度、键合位置与系统原点之间的位置关系参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明的磁控介质阻挡放电阳极键合系统及方法将等离子体介质阻挡放电等离子体界面活化处理、球形磁控模块形成的磁场强化界面粒子运动辅助手段、与阳极键合工艺复合在一个工位上，先通过等离子放电活化处理降低键合工艺要求，再利用加热装置提供键合温度，并且同时采用磁控的磁场强化放电处理效果和键合过程中的粒子运动，最终形成多能场耦合键合，实现低温高效阳极键合。本发明还通过增加磁控模块，能够强化预处理放电效果、促进阳极键合的键合效果，同时，磁控强化、预处理放电和阳极键合三者一体化控制，参数易于调节，键合性能可控性好，协同调控有利于键合质量的提高。

故，该磁控介质阻挡放电阳极键合系统及方法具有以下优点：

1.设备整体结构简单，易于集成。磁控模块，能够提供磁场强化介质阻挡放电的等离子体运动和阳极键合过程中界面离子迁移。介质阻挡放电与阳极键合都利用高电压对绝缘介质作用，不同的是前者利用间隙放电，而后者利用的是间隙静电力，两种工艺在空间和实现条件上都具有很好的相容性；

2.预处理、磁场强化和阳极键合参数的一体化控制，调控简单，利用介质阻挡放电作为阳极键合的界面预处理方法，无需复杂的等离子体发生装置，控制放电电压和放电间隙就能方便地控制等离子的能量；利用磁控模块，既能强化放电性能，又能促进阳极键合过程中的粒子运动；

3.不需要转移，单工位上直接实现预处理、磁场强化和阳极键合，整个键合工艺易于实现，参数易于调节，键合性能可控性好。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1和图2为本发明一实施例所示的磁控介质阻挡放电阳极键合系统的结构示意图；

图3为本发明一实施例所示的介质阻挡放电装置的结构示意图；

图4为本发明一实施例所示的阳极键合装置的结构示意图；

图5为本发明一实施例所示的磁控介质阻挡放电阳极键合方法的流程步骤图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参见图1和图2，本发明一实施例所示的磁控介质阻挡放电阳极键合系统，包括：

工作台10，所述工作台10包括平行设置的第一电极11和第二电极12，所述第一电极11和第二电极12分别用来放置玻璃器件60和硅器件70；

电源模块20，所述电源模块20的两端分别与所述第一电极11和第二电极12电性连接，所述电源模块20为可变电源模块，可以提供可变的高压直流电和高压交流电；

加热装置30，所述加热装置30设置在所述第二电极12的下方，用于提供键合所需温度；

驱动装置40，所述驱动装置40与所述第一电极11连接，所述驱动装置40驱动所述第一电极11在竖直方向的移动区域内上下移动，其中，所述移动区域包括第一位置和位于所述第一位置下方的第二位置；

磁控模块50，所述磁控模块50设置在所述第一电极和11第二电极12之间，其包括数对交错成对层叠放置的电磁铁，整体呈球形，所述磁控模块50通过给电磁铁提供周期信号来产生周期变化的磁场。

请结合图3，当所述第一电极11位于所述第一位置，所述工作台10、电源模块20、加热装置30、驱动装置40和磁控模块50构成介质阻挡放电装置，所述玻璃器件60和硅器件70之间的放电间隙为10-6000μm。

请结合图4，当所述第一电极11位于所述第二位置，所述工作台10、电源模块20、加热装置30、驱动装置40和磁控模块50构成阳极键合装置，所述玻璃器件60和硅器件70界面相贴合。

请结合图5，在本实施例中，该磁控介质阻挡放电阳极键合系统的方法步骤包括：

设置所述磁控介质阻挡放电阳极键合系统的相关参数，通过所述驱动装置使所述第一电极位于所述第一位置，再通过所述磁控模块对所述玻璃器件60和硅器件70进行放电预处理，然后使所述第一电极位于所述第二位置，进行阳极键合。

具体为：

s1、设置工作台参数、加热参数、放电参数、键合参数、磁控模块电源参数；

s2、将所述玻璃器件60和硅器件70分别放置在所述第一电极11和第二电极12上；

s3、通过所述驱动装置40驱动所述第一电极11，以使所述第一电极11位于所述第一位置，且所述玻璃器件60和硅器件70间的放电间隙为10-6000μm；

s4、根据放电参数，利用电源模块20和加热装置30对玻璃器件60和硅器件70界面进行等离子体放电预处理，并通过所述磁控模块50进行电磁强化，以促进放电过程中等离子的运动，强化放电性能；

s5、通过所述驱动装置40驱动所述第一电极，以使所述第一电极11位于所述第二位置，且所述玻璃器件60和硅器件70界面相互贴合；

s6、根据所述键合参数，利用电源模块20和加热装置30对所述玻璃器件60和硅器件70进行阳极键合，加热装置30用于进行电磁强化，促进阳极键合过程中的粒子运动，从而提高键合效率。

其中，步骤s1中，所述工作台参数包括平台的运动速度、键合位置与系统原点之间的位置关系参数。具体的，加热参数：温度可调0-400℃；放电参数：放电间隙10-6000μm、放电电压ac900-2000v、频率5-10khz、放电时间0.1-20s、放电温度15-360℃(一般为室温)；键合参数：键合电压dc900-1200v、键合时间60-2000s、键合压力0.1-60g、键合温度160-360℃；磁控电源参数：信号类型正弦波、脉冲信号等，电压0-24v。电磁强化、放电预处理、阳极键合在同一工位实现，键合完成后，关闭装置，然后工作台移出键合位置，拆下被键合件。并且，加热装置30和磁控模块50也可以先启动，如在步骤s1之前、或步骤s1中、或步骤s2中启动。

综上所述，本发明的磁控介质阻挡放电阳极键合系统及方法将等离子体介质阻挡放电等离子体界面活化处理、球形磁控模块形成的磁场强化界面粒子运动辅助手段、与阳极键合工艺复合在一个工位上，先通过等离子放电活化处理降低键合工艺要求，再利用加热装置提供键合温度，并且同时采用磁控的磁场强化放电处理效果和键合过程中的粒子运动，最终形成多能场耦合键合，实现低温高效阳极键合。本发明还通过增加磁控模块，能够强化预处理放电效果、促进阳极键合的键合效果，同时，磁控强化、预处理放电和阳极键合三者一体化控制，参数易于调节，键合性能可控性好，协同调控有利于键合质量的提高。

故，该磁控介质阻挡放电阳极键合系统及方法具有以下优点：

1.设备整体结构简单，易于集成。磁控模块，能够提供磁场强化介质阻挡放电的等离子体运动和阳极键合过程中界面离子迁移。介质阻挡放电与阳极键合都利用高电压对绝缘介质作用，不同的是前者利用间隙放电，而后者利用的是间隙静电力，两种工艺在空间和实现条件上都具有很好的相容性；

2.预处理、磁场强化和阳极键合参数的一体化控制，调控简单，利用介质阻挡放电作为阳极键合的界面预处理方法，无需复杂的等离子体发生装置，控制放电电压和放电间隙就能方便地控制等离子的能量；利用磁控模块，既能强化放电性能，又能促进阳极键合过程中的粒子运动；

3.不需要转移，单工位上直接实现预处理、磁场强化和阳极键合，整个键合工艺易于实现，参数易于调节，键合性能可控性好。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。