本实用新型属于微机电系统和集成电路封装
技术领域：
，尤其涉及一种复合阳极键合装置。
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。在MEMS器件中，通常把实现玻璃和硅等固定连接的结构统称为锚。目前阳极键合采用高温(400～500℃)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。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式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复合式阳极键合工艺方法面临的新问题。技术实现要素：鉴于以上现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于纳米间隙原位活化的复合阳极键合的复合阳极键合装置，以实现原位活化的低温键合。为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种复合阳极键合装置，用于纳米间隙原位活化的复合阳极键合，包括介质阻挡放电电源、键合电源、电极、以及电源切换控制机构，介质阻挡放电电源与键合电源通过电源切换控制机构与电极相连。进一步地，电极由上电极与下电极构成，上电极通过电源切换控制机构与介质阻挡放电电源或键合电源的阴极相连，下电极通过电源切换控制机构与介质阻挡放电电源或键合电源的阳极相连。进一步地，介质阻挡放电电源上设有介质阻挡放电参数控制系统，用以控制所述介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、介质阻挡放电频率。进一步地，键合电源上设有键合参数控制系统，用以控制所述键合电压、键合时间。进一步地，复合阳极键合装置还包括键合温度与键合压力控制系统，键合温度与键合压力控制系统设置在工作台上，由键合温度控制器与键合压力控制器构成，用以控制所述键合压力与键合温度。进一步地，介质阻挡放电电压的范围为AC100-2000V；介质阻挡放电频率的范围为5-100KHz；介质阻挡放电时间的范围为0.1-500s。进一步地，键合电压的范围为DC900-1200V；键合时间的范围为50-2000s。进一步地，键合温度范围为150-350℃；键合压力的范围为0.1-50g/mm2。本实用新型的有益效果在于：该复合阳极键合装置可在被键合界面中形成的纳米间隙进行介质阻挡放电的活化工序，然后通过切换电源直接完成阳极键合工序，实现了原位活化的低温键合。同时，本装置将两种工序集成于同一工位上，简化了整体设备的复杂性，使其结构更简单，降低了生产成本，提高了经济效益；其次，通过集成，本装置可实现两种工序的键合电压参数、键合时间参数，介质阻挡放电电压参数、介质阻挡放电时间参数、介质阻挡放电频率参数的统一调控，操作更方便，工艺可控性更好；另外，本装置利用同一被键合界面的纳米间隙，先后完成活化与键合工序，无需重新设置被键合件的放电间隙与键合间隙，简化了操作步骤，减少了由操作误差引起的质量问题，提高了成品率。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本发明复合阳极键合方法的工艺流程图。图2为本发明复合阳极键合方法中放电活化工序的示意图；其中，01-电极、02-玻璃片、03-纳米间隙、04-硅片、05-键合温度控制器、06-介质阻挡放电电源、07-键合压力控制器。图3为本发明基于原位活化的复合式阳极键合装置的示意图。其中，011-上电极、012-下电极、08-键合电源、09-电源切换控制机构。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。请参阅图1，本发明的纳米间隙原位活化的复合阳极键合方法，包括放电活化工序以及阳极键合工序，放电活化工序为介质阻挡等离子体放电界面活化工序，介质阻挡等离子体放电界面活化工序与阳极键合工序集成在同一工位上，复合阳极键合方法的具体步骤包括：S1、设置复合阳极键合参数，复合阳极键合参数包括键合温度、键合压力，键合电压、键合时间，介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、介质阻挡放电频率；S2、将硅片和玻璃片相互贴合叠放在工作台上，在被键合界面形成纳米间隙，同时对被键合的界面施加所设定的键合压力，并将所述工作台加热至所设定的键合温度；S3、施加所设定的介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、以及介质阻挡放电频率参数，完成对所述被键合界面的放电活化工序；S4、施加所设定的键合电压、键合时间参数，完成对被键合界面的阳极键合工序，得到键合层。在上述实施例中，所设定的键合温度参数范围为150-350℃。在上述实施例中，所设定的键合压力参数范围为0.1-50g/mm2。通过调节键合压力，促使键合界面达到静电力作用的距离，以完成后续的工序。在上述实施例中，键合电压参数范围为DC900-1200V；键合时间参数范围为50-2000s。在上述实施例中，介质阻挡放电电压参数范围为AC100-2000V；介质阻挡放电频率参数范围为5-100KHz；介质阻挡放电时间参数范围为0.1-500s。请参阅图2与图3，本发明的复合式阳极键合装置包括介质阻挡放电电源06、键合电源08、电极01、电源切换控制机构09、其中介质阻挡放电电源06与键合电源08分别通过电源切换控制机构09与电极01相连，本装置还包括键合温度与键合压力控制系统，键合温度与键合压力控制系统设置在工作台上，由键合温度控制器05与键合压力控制器07构成，用以控制键合压力与键合温度。硅片04和玻璃片02相互贴合叠放在键合温度控制器05与键合压力控制器07之间，硅片04与玻璃片02的被键合界面自然形成纳米间隙03。复合式阳极键合装置的电极01由上电极011与下电极012构成，上电极011通过电源切换控制机构09与介质阻挡放电电源06或键合电源08的阴极相连，下电极012通过电源切换控制机构09与介质阻挡放电电源06或键合电源08的阳极相连。介质阻挡放电电源06上设有介质阻挡放电参数控制系统，用以控制介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、介质阻挡放电频率，键合电源上09设有键合参数控制系统，用以控制键合电压、键合时间。上述方法具体为：首先，分别设置复合阳极键合参数：在键合温度控制器05上设置键合加热温度参数为150-350℃，在键合压力控制器07上设置键合压力参数为0.1-50g/mm2，在键合电源上08设置键合电压参数为DC900-1200V，设置键合时间参数为50-2000s，在介质阻挡放电电源06设置介质阻挡放电电压参数为AC100-2000V，设置介质阻挡放电频率参数为5-100KHz，设置介质阻挡放电时间参数为0.1-500s；其次，将硅片04和玻璃片02相互贴合叠放在工作台上的温度控制器05与压力控制器07之间，硅片04与玻璃片02的被键合界面自然形成纳米间隙03，同时对被键合的界面施加所设定的键合压力参数，并将工作台加热至所设定的键合温度；然后，开启介质阻挡放电电源06，在AC100-2000V的放电电压以及5-100KHz的放电频率的作用下，纳米间隙03中产生等离子放电，对被键合界面进行0.1-500s的活化处理；之后，切换键合电源08，在DC900-1200V的键合电压的作用下，对被键合界面进行50-2000s的阳极键合处理，得到键合层。本实施例中的工作台为固定工作台。经由上述实施例制备得到的键合层与现有技术制备得到的键合层进行比较，得出下表：参数现有技术本发明温度350-500℃150-350℃压力0.1-50g/mm20.1-50g/mm2介质阻挡放电电压AC100-2000VAC100-2000V介质阻挡放电频率5-100KHz5-100KHz介质阻挡放电时间0.1-500s0.1-500s键合电压DC900-1200VDC900-1200V键合时间50-2000s50-2000s键合强度2-15MPa3-30MPa根据上表内容可知，本发明通过在纳米间隙中进行介质阻挡等离子体放电工序来活化被键合界面，然后通过切换键合电源在原位完成阳极键合过程，得到的键合层与现有技术中制备得到的键合层，其键合强度提高了50-100％，实现了高效的键合反应。当硅片夹持在固定工作台上时，则玻璃体夹持在可动工作台上，相反，当玻璃夹持在固定工作台上时，则硅片夹持在可动工作台上，通过移动工作台控制使得硅片和玻璃片之间形成纳米级间隙(1-999nm)，也可达到上述实施例的技术效果，在此不再做赘述。本实用新型的复合阳极键合装置可在被键合界面中形成的纳米间隙进行介质阻挡放电的活化工序，然后通过切换电源直接完成阳极键合工序，实现了原位活化的低温键合。同时，本装置将两种工序集成于同一工位上，简化了整体设备的复杂性，使其结构更简单，降低了生产成本，提高了经济效益；其次，通过集成，本装置可实现两种工序的工序参数的统一调控，操作更方便，工艺可控性更好；另外，本装置利用同一被键合界面的纳米间隙，先后完成活化与键合工序，无需重新设置被键合件的放电间隙与键合间隙，简化了操作步骤，减少了由操作误差引起的质量问题，提高了成品率。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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3
技术领域：
，尤其涉及一种复合阳极键合装置。
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。在MEMS器件中，通常把实现玻璃和硅等固定连接的结构统称为锚。目前阳极键合采用高温(400～500℃)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。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式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复合式阳极键合工艺方法面临的新问题。技术实现要素：鉴于以上现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种用于纳米间隙原位活化的复合阳极键合的复合阳极键合装置，以实现原位活化的低温键合。为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种复合阳极键合装置，用于纳米间隙原位活化的复合阳极键合，包括介质阻挡放电电源、键合电源、电极、以及电源切换控制机构，介质阻挡放电电源与键合电源通过电源切换控制机构与电极相连。进一步地，电极由上电极与下电极构成，上电极通过电源切换控制机构与介质阻挡放电电源或键合电源的阴极相连，下电极通过电源切换控制机构与介质阻挡放电电源或键合电源的阳极相连。进一步地，介质阻挡放电电源上设有介质阻挡放电参数控制系统，用以控制所述介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、介质阻挡放电频率。进一步地，键合电源上设有键合参数控制系统，用以控制所述键合电压、键合时间。进一步地，复合阳极键合装置还包括键合温度与键合压力控制系统，键合温度与键合压力控制系统设置在工作台上，由键合温度控制器与键合压力控制器构成，用以控制所述键合压力与键合温度。进一步地，介质阻挡放电电压的范围为AC100-2000V；介质阻挡放电频率的范围为5-100KHz；介质阻挡放电时间的范围为0.1-500s。进一步地，键合电压的范围为DC900-1200V；键合时间的范围为50-2000s。进一步地，键合温度范围为150-350℃；键合压力的范围为0.1-50g/mm2。本实用新型的有益效果在于：该复合阳极键合装置可在被键合界面中形成的纳米间隙进行介质阻挡放电的活化工序，然后通过切换电源直接完成阳极键合工序，实现了原位活化的低温键合。同时，本装置将两种工序集成于同一工位上，简化了整体设备的复杂性，使其结构更简单，降低了生产成本，提高了经济效益；其次，通过集成，本装置可实现两种工序的键合电压参数、键合时间参数，介质阻挡放电电压参数、介质阻挡放电时间参数、介质阻挡放电频率参数的统一调控，操作更方便，工艺可控性更好；另外，本装置利用同一被键合界面的纳米间隙，先后完成活化与键合工序，无需重新设置被键合件的放电间隙与键合间隙，简化了操作步骤，减少了由操作误差引起的质量问题，提高了成品率。上述说明仅是本实用新型技术方案的概述，为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本实用新型的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1为本发明复合阳极键合方法的工艺流程图。图2为本发明复合阳极键合方法中放电活化工序的示意图；其中，01-电极、02-玻璃片、03-纳米间隙、04-硅片、05-键合温度控制器、06-介质阻挡放电电源、07-键合压力控制器。图3为本发明基于原位活化的复合式阳极键合装置的示意图。其中，011-上电极、012-下电极、08-键合电源、09-电源切换控制机构。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本实用新型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实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。请参阅图1，本发明的纳米间隙原位活化的复合阳极键合方法，包括放电活化工序以及阳极键合工序，放电活化工序为介质阻挡等离子体放电界面活化工序，介质阻挡等离子体放电界面活化工序与阳极键合工序集成在同一工位上，复合阳极键合方法的具体步骤包括：S1、设置复合阳极键合参数，复合阳极键合参数包括键合温度、键合压力，键合电压、键合时间，介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、介质阻挡放电频率；S2、将硅片和玻璃片相互贴合叠放在工作台上，在被键合界面形成纳米间隙，同时对被键合的界面施加所设定的键合压力，并将所述工作台加热至所设定的键合温度；S3、施加所设定的介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、以及介质阻挡放电频率参数，完成对所述被键合界面的放电活化工序；S4、施加所设定的键合电压、键合时间参数，完成对被键合界面的阳极键合工序，得到键合层。在上述实施例中，所设定的键合温度参数范围为150-350℃。在上述实施例中，所设定的键合压力参数范围为0.1-50g/mm2。通过调节键合压力，促使键合界面达到静电力作用的距离，以完成后续的工序。在上述实施例中，键合电压参数范围为DC900-1200V；键合时间参数范围为50-2000s。在上述实施例中，介质阻挡放电电压参数范围为AC100-2000V；介质阻挡放电频率参数范围为5-100KHz；介质阻挡放电时间参数范围为0.1-500s。请参阅图2与图3，本发明的复合式阳极键合装置包括介质阻挡放电电源06、键合电源08、电极01、电源切换控制机构09、其中介质阻挡放电电源06与键合电源08分别通过电源切换控制机构09与电极01相连，本装置还包括键合温度与键合压力控制系统，键合温度与键合压力控制系统设置在工作台上，由键合温度控制器05与键合压力控制器07构成，用以控制键合压力与键合温度。硅片04和玻璃片02相互贴合叠放在键合温度控制器05与键合压力控制器07之间，硅片04与玻璃片02的被键合界面自然形成纳米间隙03。复合式阳极键合装置的电极01由上电极011与下电极012构成，上电极011通过电源切换控制机构09与介质阻挡放电电源06或键合电源08的阴极相连，下电极012通过电源切换控制机构09与介质阻挡放电电源06或键合电源08的阳极相连。介质阻挡放电电源06上设有介质阻挡放电参数控制系统，用以控制介质阻挡放电电压、介质阻挡放电时间、介质阻挡放电频率，键合电源上09设有键合参数控制系统，用以控制键合电压、键合时间。上述方法具体为：首先，分别设置复合阳极键合参数：在键合温度控制器05上设置键合加热温度参数为150-350℃，在键合压力控制器07上设置键合压力参数为0.1-50g/mm2，在键合电源上08设置键合电压参数为DC900-1200V，设置键合时间参数为50-2000s，在介质阻挡放电电源06设置介质阻挡放电电压参数为AC100-2000V，设置介质阻挡放电频率参数为5-100KHz，设置介质阻挡放电时间参数为0.1-500s；其次，将硅片04和玻璃片02相互贴合叠放在工作台上的温度控制器05与压力控制器07之间，硅片04与玻璃片02的被键合界面自然形成纳米间隙03，同时对被键合的界面施加所设定的键合压力参数，并将工作台加热至所设定的键合温度；然后，开启介质阻挡放电电源06，在AC100-2000V的放电电压以及5-100KHz的放电频率的作用下，纳米间隙03中产生等离子放电，对被键合界面进行0.1-500s的活化处理；之后，切换键合电源08，在DC900-1200V的键合电压的作用下，对被键合界面进行50-2000s的阳极键合处理，得到键合层。本实施例中的工作台为固定工作台。经由上述实施例制备得到的键合层与现有技术制备得到的键合层进行比较，得出下表：参数现有技术本发明温度350-500℃150-350℃压力0.1-50g/mm20.1-50g/mm2介质阻挡放电电压AC100-2000VAC100-2000V介质阻挡放电频率5-100KHz5-100KHz介质阻挡放电时间0.1-500s0.1-500s键合电压DC900-1200VDC900-1200V键合时间50-2000s50-2000s键合强度2-15MPa3-30MPa根据上表内容可知，本发明通过在纳米间隙中进行介质阻挡等离子体放电工序来活化被键合界面，然后通过切换键合电源在原位完成阳极键合过程，得到的键合层与现有技术中制备得到的键合层，其键合强度提高了50-100％，实现了高效的键合反应。当硅片夹持在固定工作台上时，则玻璃体夹持在可动工作台上，相反，当玻璃夹持在固定工作台上时，则硅片夹持在可动工作台上，通过移动工作台控制使得硅片和玻璃片之间形成纳米级间隙(1-999nm)，也可达到上述实施例的技术效果，在此不再做赘述。本实用新型的复合阳极键合装置可在被键合界面中形成的纳米间隙进行介质阻挡放电的活化工序，然后通过切换电源直接完成阳极键合工序，实现了原位活化的低温键合。同时，本装置将两种工序集成于同一工位上，简化了整体设备的复杂性，使其结构更简单，降低了生产成本，提高了经济效益；其次，通过集成，本装置可实现两种工序的工序参数的统一调控，操作更方便，工艺可控性更好；另外，本装置利用同一被键合界面的纳米间隙，先后完成活化与键合工序，无需重新设置被键合件的放电间隙与键合间隙，简化了操作步骤，减少了由操作误差引起的质量问题，提高了成品率。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实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3
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