MEMS（MicroElectro Mechanical Systems）全稱為微機電系統，是指用新型加工技術形成的微型器件或者系統，這個系統可以將微傳感器、微機構、信號處理及控制電路、微執行器，直至接口、通信以及電源均集成于一體。MEMS技術的發展來源于IC（Integrated Circuit）技術，即集成電路技術，是多學科交叉融合的產物，因此在繼承了集成電路技術中的成熟部分的基礎上，也將多種學科技術的發展成果集成于一體。MEMS并非傳統機械系統在宏觀尺度上的微縮，而是一種新型智能化、集成化的系統。因此近年來，世界各國都開始重視MEMS技術的發展，并大力支持其產業化的研究。目前國外已經研制并開發出許多MEMS傳感器，如壓力傳感器、加速度計等。并且壓力傳感器、微加速度計等已經應用于各種行業，比傳統產品更具有競爭力。

MEMS產業化、商品化的關鍵是將其從測試階段推廣到產品階段，其中最后一步的關鍵流程就是封裝。封裝的功能是實現芯片與環境之間的有機交互與隔離，從而在保證芯片功能實現的情況下，起到保護芯片，提高可靠性的作用。很多MEMS器件沒有實現產品化成功投入市場的原因就是沒有有效解決MEMS芯片的封裝問題。因此，MEMS器件的封裝是把基于MEMS的系統方案推向市場的關鍵步驟，也是MEMS設計與制造中的一個關鍵因素。在MEMS封裝技術中，陽極鍵合技術是最為常見的幾種技術之一，從MEMS發展以來一直在體型MEMS結構中得到了廣泛的應用。

1969年，美國的Wallis和Pomerantz兩位研究人員首次提出了陽極鍵合技術，其鍵合方法如圖1所示。陽極鍵合目前在硅片與玻璃鍵合中得到了較為廣泛的應用，技術發展相對較為成熟。其基本原理如圖2所示。除了硅片與玻璃，陽極鍵合技術還廣泛應用于金屬與玻璃、半導體與合金、半導體與玻璃間的鍵合，且所需環境溫度相對較低（200~500 ℃）。憑借其優點，陽極鍵合技術廣泛應用于MEMS器件的制備過程中，如激光器、微干涉儀、壓力傳感器以及SOI結構制作等。

圖1 陽極鍵合示意圖

圖2 陽極鍵合基本原理

1 鍵合前表面預處理研究

在進行陽極鍵合前，需要對晶片表面進行預處理。晶片的表面粗糙度會嚴重影響鍵合效果甚至會導致無法鍵合。陽極鍵合技術對鍵合晶片表面的要求一般為粗糙度小于10 nm，不平整度小于10 μm。晶片表面光潔度是陽極鍵合的另一項重要指標。因此為滿足晶片表面光潔度要求，需要在超凈間完成鍵合操作，并且要對晶片進行較為嚴格的表面清洗工序。有相關研究得到如下結論：如果將兩片厚度為425 μm的硅片在室溫下進行鍵合時，即使表面只有一個直徑為1 μm的污染物，這個污染物將造成的未鍵合區域直徑會達到4.4 mm。可見表面顆粒物的存在會大大影響鍵合的成功率和可靠性。除此以外，通過Helvoort等的研究發現：在陽極鍵合的過程中，可動陽離子主要是鈉離子（Na+），而如鉀離子（K+）等一些移動能力更弱的陽離子，會在靠近耗盡層與玻璃體交界處附近進行堆積，如圖3所示，從而在鍵合界面形成靜電吸引力，這也是鍵合界面過渡區形成的關鍵。因此為了產生足夠的靜電吸引力，需要待鍵合晶片表面足夠光潔平整。Anthony研究了表面粗糙度及表面顆粒對陽極鍵合的影響，并且在研究中發現：靜電力隨著粗糙度的增加會迅速減少，當粗糙度達到一定程度時，鍵合將無法完成。

圖3 Pryex-Si界面過渡區TEM顯微圖

因此，為了增加鍵合可靠性，在進行陽極鍵合程序之前，研究人員均會采用一些方法對硅片或者玻璃片進行預處理，以增加鍵合界面的光潔平整度，盡可能減小表面污染物對鍵合的影響，同時能夠使鍵合界面間形成最大靜電吸引力。除此之外，對鍵合表面進行一定的活化處理還可以提高表面張力并獲得較高的表面能，從而可以得到更好的鍵合效果和質量。陽極鍵合在表面親水化處理流程中，常采用濕化學法表面活化和干法表面活化兩類流程。干法表面活化方法主要包括等離子活化和氬氣濺射氧化法，濕化學法主要是利用一些特定的化學藥劑對晶片表面進行預先處理，以提高晶片表面活性。常用的濕化學活法的化學試劑如下：H2O2、HF、H2SO4、HNO3等。

1.1 濕化學法處理

近年來，國內外眾多研究人員均對陽極鍵合前鍵合表面處理方法及工藝進行了研究。姚明秋等對低溫陽極鍵合特性進行了研究。他們分別研究了硅片在親水、疏水和表面未處理3種不同處理方式下對鍵合的影響。在250 ℃的鍵合溫度及600 V的電壓下鍵合后發現，經過親水處理的實驗組鍵合效果最好，這主要是由于親水處理后，硅片表面的氫基含量增多，參與鍵合生成SiO2的反應離子多，在鍵合的過程中發生了反應（1）和反應（2），與此同時，羥基之間的分子力會增加硅-玻璃之間的結合力，而疏水處理后硅片表面基本只發生反應（1），因此經過親水處理的硅片陽極鍵合效果更好。

Si+O-Si→Si-O-Si（1）

Si-OH+OH-Si→Si-O-Si+H2O（2）

王多笑等在陽極鍵合前分別用RCA1（NH4OH：H2O2：H2O=1：1：5）溶液和RCA2（HCl：H2O2：H2O=1：1：6）溶液對硅片鍵合表面進行了非常嚴格的濕化學活化表面預處理，在250 ℃較低的鍵合溫度下成功完成了硅-玻璃的鍵合，其未鍵合率小于0.5 %，鍵合強度大于15 MPa。李星等為了克服陽極鍵合試驗時硅片和玻璃片的鍵合困難，提高硅片表面活性和鍵合質量，在陽極鍵合的表面預處理工藝中引進UV光對硅片進行活化并對其工藝參數和效果進行評估。鍵合結果評估表明，經過4 min活化后的硅片，其表面親水角最小，也就是這個時候的硅片表面活性最好，有助于提高鍵合質量。

1.2 干法表面活化方法

近年來，低溫等離子體方法是比較常見的干法表面活化方法，其原理是采用等離子轟擊晶片表面，提高晶片表面能，使晶片表面具有更高的吸附能力，更易鍵合。常見的等離子體產生的氣體主要有以下幾種：O2、NH3、N2等。圖4為混合等離子體陽極鍵合裝置示意圖。

圖4 混合等離子體陽極鍵合裝置示意圖

Kowal等將待鍵合樣品放在充滿氧氣的氣體環境中，通過放電產生等離子體并對待鍵合表面進行改性，然后在200 ℃的溫度下退火1 h，成功完成了鍵合。他們對等離子體處理裝置進行了改良設計，降低了等離子體對界面的不良影響。

Howlader等采用復合陽極鍵合設備對硅-玻璃進行了鍵合。其表面預處理過程可以分為兩個步驟：①引入氧等離子體清除晶片表面雜質，并且在表面形成大量懸掛鍵，增強晶片的表面能；②引入氮等離子體進一步加強表面活性。通過這種方式在200 ℃下成功實現了高質量玻璃-鍺陽極鍵合。

Howlader等在之后的研究中發現，在等離子體激活鍵合和常規陽極鍵合的鍵合界面處均有空洞存在，但200 ℃鍵合溫度下的混合等離子體陽極鍵合界面處（Hybrid Plasma bonding， HPB）卻未發現空洞，且鍵合強度高達30 MPa。

綜合近年來對陽極鍵合過程中鍵合前表面預處理的研究發現：隨著陽極鍵合工藝及技術的發展，近年來許多的研究都集中于在鍵合前采取一定的預處理手段，使得鍵合界面具有更多的親水基來增加硅-玻璃表面結合力，除此之外還有一些研究專注于采用一定的方法使鍵合表面的活性增強，進而增加鍵合力，如激光照射法、等離子體清洗法等。這在MEMS封裝中具有重要意義，但是這些處理方法工藝相對復雜，成本較高，需要專用的化學試劑和設備。

2 鍵合工藝研究

在陽極鍵合的過程中，合適的鍵合工藝是實現鍵合的關鍵因素。在鍵合過程中，為了增加鍵合強度，一般會增加鍵合溫度或者鍵合壓力。當鍵合溫度增加時，鈉離子的擴散更加厲害，導致擴散層的寬度更寬，鍵合強度也隨之增加。當鍵合壓力增加時，硅片和玻璃之間的靜電結合力會隨著兩級的電壓增大而越來越大，界面間的結合會越來越緊密。然而在MEMS制造過程中，過高的溫度不僅會對元器件造成傷害甚至導致其失效，還會因為硅和玻璃兩種材料的熱匹配系數不同導致鍵合后產生較高殘余應力，影響器件的抗疲勞性能。而高電壓則會影響器件的電極或電路。另一方面，過低的鍵合溫度和鍵合電壓則會影響鍵合質量，甚至不能達到鍵合效果。因此，為了更好地實現陽極鍵合、提高鍵合質量，對陽極鍵合工藝的研究非常有必要。近年來，國內外學者也對陽極鍵合工藝進行了較為廣泛的研究。影響陽極鍵合質量的主要工藝參數除了鍵合電壓外，還有鍵合溫度、鍵合方法以及鍵合環境等。

明小祥通過基于激光拉曼光譜的方法，設計了正交試驗，研究了溫度、電壓、時間對陽極鍵合過程中硅－玻璃界面處應力的影響。研究結果表明：在800~1200 V鍵合壓力的范圍內，隨著電壓的增加，鍵合界面應力先增加后減小，在300~380 ℃的鍵合溫度范圍內，鍵合界面應力隨著溫度的升高一直減小，在5~15 min的鍵合時間范圍內，隨著鍵合時間的逐漸增加，鍵合界面應力先增加后減小。另外，他還研制了小型的原位陽極鍵合裝置。其結果表明，在400 ℃，-1000 V，1 atm的鍵合條件下，鍵合界面附近的硅晶片上會形成80 MPa的拉應力。

Choi等研究發現，硅-玻璃表面經過氧等離子體處理后會發生活化。經過氧等離子體處理之后，即使未施加電壓，玻璃和硅仍然可以發生鍵合，但是鍵合強度較低；而在240 ℃的環境條件下施加了250 V電壓后，硅與玻璃間的鍵合強度可以得到大幅度提高。

Joyce等采用了一種全新的陽極鍵合技術，他們在研究中發現適當增大外加電壓可以縮短鍵合時間。與二氧化硅和玻璃鍵合相比，硅片和玻璃的鍵合所需時間更短、電壓更低。

Joyce等研究了同一鍵合溫度下硅－玻璃鍵合過程中鍵合電壓對鍵合電流的影響，結果表明，隨著鍵合電壓的增加，鍵合時間逐漸減小，而鍵合過程中的峰值電流逐漸增加。近年來，Joyce通過修正加熱板和陰極，在低溫陽極鍵合的條件下實現了硅-玻璃的完好鍵合，這使陽極鍵合溫度下降到了280 ℃。采用掃描電子顯微鏡對不同鍵合溫度下的鍵合界面進行分析，不同鍵合溫度下鍵合界面均為良好，沒有裂紋、空洞等缺陷出現。

秦會峰等研究了脈沖電壓對硅-玻璃陽極鍵合質量的影響。首先采用脈沖電壓對硅-玻璃進行了壓機鍵合試驗。結果表明：采用脈沖電壓能有效縮短硅-玻璃陽極鍵合時間，并能適當降低鍵合溫度。通過拉伸試驗表明鍵合強度能夠達到預定要求。采用掃描電鏡對鍵合界面進行分析，在硅-玻璃鍵合界面發現了較明顯的中間過渡層。分析認為，這是由于在鍵合過程中，脈沖電壓會產生一定的脈沖電場力，這對玻璃Na+耗盡層中的O2-向界面遷移擴散起到了反復驅動的作用，促使O2-向陰極表面遷移，增加了界面鍵合效率，從而縮短了硅-玻璃陽極鍵合的時間，并降低了鍵合溫度，從而促進了過度層的形成。

關榮峰分別在大氣環境和真空環境中（真空度）對硅-玻璃進行了靜電鍵合。采用三維云紋干涉儀對鍵合前后硅片局部進行了測量，如圖5所示，發現兩種環境下的鍵合都取得了較好的效果，但是真空環境下的鍵合效果要優于大氣環境下的鍵合效果。從圖中可以看出，真空環境下的鍵合具有更加對稱的三維云紋干涉圖，這說明鍵合的變形量更小，也就是鍵合應力更小。最后對鍵合式樣的強度進行了測試，發現真空條件下鍵合強度可以達到10 MPa。除此之外，他們還選擇壓力芯片對硅-玻璃真空微型密封腔靜電鍵合工藝進行了研究。圖6、圖7是鍵合結構示意圖。鍵合的硅芯片結構尺寸為：2.5 mm×2.5 mm×0.5 mm，鍵合工藝參數分別為：鍵合溫度350 ℃，鍵合真空度為1×10-3 Pa，鍵合壓力小于0.1 MPa，鍵合時間8 min，鍵合峰值電流8 mA。對鍵合式樣進行強度測試后發現其鍵合強度達到了14 MPa。

圖5 三維云紋測試結果

圖6 硅-玻璃鍵合結構示意圖

圖7 硅-玻璃鍵合腔體結構圖

吳登峰等采用線陰極的快速陽極鍵合方法對硅-玻璃進行了鍵合。他們分別采用了平板陰極、點陰極和十字線陰極方式進行了鍵合，最后對鍵合式樣進行了拉伸試驗。結果表明：十字線陰極鍵合樣品的鍵合強度達到16.7 MPa，數碼顯微鏡并沒有在十字線陰極鍵合樣品中發現明顯的空氣空洞。

張延凱等對兩電極多層陽極鍵合實驗進行了研究。他們采用了一次電極反接對多層樣片進行了陽極鍵合，并且采用實驗手段以玻璃-硅-玻璃三層鍵合結構為對象對其進行了研究。結果表明：多余的玻璃對第一次鍵合過程的電流特性沒有過大的影響，而第一次鍵合的玻璃對第二次鍵合電流產生了較為顯著的影響，電流出現了無規律的突變。同時，在第二次鍵合時，第一次鍵合的玻璃在鍵合面上會出現黃褐色斑點，這主要是由于鈉元素積聚而產生的。對鍵合后的樣件進行了強度實驗，結果表明：第二次鍵合過程會在第一次鍵合面形成反向電壓，這會減弱鍵合的強度。

李星等采用激光輔助陽極鍵合的方法對硅-玻璃進行了鍵合試驗，成功地實現了硅與玻璃在低功率下局部的完好鍵合。他們采用UV光對硅片表面進行活化照射，采用掃描電鏡對鍵合界面的微觀結構進行分析，如圖8所示。從圖中可以看出，在硅-玻璃鍵合界面有明顯的過渡層生成，通過能譜儀測試分析可知，激光在鍵合層的致熱溫度和界面的強電場導致玻璃層中的O2-向鍵合界面遷移擴散，并與硅發生氧化反應，從而形成中間過渡層，促進鍵合。

圖8 鍵合界面局部放大SEM照片

在一定范圍內，靜電引力會隨著溫度的升高而增大。鍵合晶片內的離子遷移速率會隨著鍵合電壓的升高而增大，使得陽極鍵合速率也隨之提高。目前，針對陽極鍵合工藝的研究相對較多，且大多數都集中于鍵合工藝對鍵合質量的影響。對于MEMS封裝來說，鍵合工藝更加重要，不但要考慮單個器件的鍵合質量，還要考慮每個器件的封裝鍵合是否會對其他器件本身或者其他器件的鍵合界面造成影響。整體來說，在MEMS封裝中，在保證鍵合質量的前提下，鍵合溫度及鍵合電壓越低越好，這樣對其他器件的影響就越小。尤其是近年來，越來越多的科研工作者均對低溫鍵合工藝及其機理進行了研究。

3 展望

陽極鍵合在MEMS封裝中占據著重要地位。在鍵合前對鍵合表面進行預處理不僅可以提高鍵合質量，還可以適當降低鍵合溫度，從而降低對溫度敏感器件的損傷，降低高溫造成的殘余熱應力，這在MEMS封裝中具有重要意義。但是這些處理方法工藝相對復雜，成本較高，因此，對于陽極鍵合前鍵合表面預處理的研究還有一定的潛力和必要性。鍵合工藝是陽極鍵合的核心環節，尤其在MEMS中，對鍵合工藝提出了更高的要求。低溫鍵合是陽極鍵合的重要研究方向。實現低溫鍵合甚至常溫鍵合，對MEMS來說具有重大的意義。隨著MEMS技術的發展逐漸趨于成熟，勢必會對陽極鍵合提出更高的要求和挑戰。如果能夠解決陽極鍵合中所涉及的預處理、鍵合工藝等問題，將為MEMS的設計和應用提供更廣闊的選擇自由度，有助于推動MEMS技術的進一步發展。
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