论文总字数：18002字

目 录

1.引言 1

1.1研究的目的和意义 1

1.2论文的主要内容 1

2.硅玻璃环的静电键合 2

2.1静电键合的工作原理 3

2.1.1静电键合的分类 6

2.1.2静电键合的影响因素 6

2.2静电键合的热应力 7

2.2.1材料特性 7

2.2.2热膨胀 9

2.2.3热应力 10

3.硅玻璃环静电键合的力学模型 10

3.1理想模型 11

3.2热应力条件下的力学模型 12

4.理论公式的修正 14

4.1硅玻璃静电键合薄膜形变量的ANSYS分析 15

4.1.1 ANSYS简介 15

4.1.2薄膜形变量ANSYS力学分析 16

4.2考虑薄膜厚度的影响 23

4.3考虑薄膜半径的影响 25

总结 27

参考文献 28

附录 30

致谢 32

硅玻璃环静电键合中薄膜形变量的研究

曹永祥

，China

Abstract: Anodic bonding is a common method used in Si-Glass ring devices because of the large bonding strength, lower bonding temperature and little effect on the electrical characteristics of the device. We use the electrostatic bonding technique in this dissertation. But a higher temperature and different coefficient of thermal expansion result in large residual stress in common Si and glass anodic bonding. A film deformation formula is introduced which derive from elasticity theory and we use the electrostatic bonding technique to analyze the effect of the temperature on the film deformation in the ideal model and thermal stress model. For the actual structure of the glass ring after bonding, the finite element analysis software-ANSYS is used to simulate the changes of silicon membrane deflection. The film deflection formula is fitted by numerical simulation. Then the deflection formula is applicable to actual structure after bonding.

II

Key words: electrostatic bonding; thermal stress; finite element analysis

1.引言

1.1研究的目的和意义

最近发展速度最快的压力传感器是基于微机电系统（MEMS）技术的膜片式压力传感器。在这之前，想要提取载有压力信息的膜片变形量^{[[1],[2],[3]]}，绝大多数都是通过提取电容电阻和谐振频率等方式。2001年，Zhou^[[4]]等把光纤技术和微机电系统技术相结合，创造了使用光学干涉的方法去提取膜片的形变量。而杨春弟^[[5]]等人直接用多模光纤腐蚀凹腔，然后熔接到单模光纤（SMF）上，制作成全光纤式压力传感器。

由于除了膜片变形量提取方法外，传感器性能主要受到膜片自身形变特性的影响，因此研究人员，对影响膜片形变的因素做了探索研究。Eaton^[[6]]等分析了在压阻式传感器中，圆形膜片内部热应力对压力传感器性能的影响；由于微型电子元件发展速度的提升，所以我们对电子元器件封装技术也提出了更高的要求，同时更加全面的开始研究静电键合技术。而我们国家在电子封装技术领域的起步相对于很多发达国家晚，且关于静电键合的研究又相对很少。在静电键合封装中，温度的改变会让封装体中的材料发生热胀冷缩效应，由于相邻两层的材料的热膨胀系数不一样的同时，当外部施加的约束或内部的形变不可以随意的发生时，这个时候就产生了热失配应力。

在膜片型微型光纤法布里-珀罗压力传感器的研究中，膜片变形一般采用理想力学模型，由于没有考虑键合工艺导致的热应力和实际结构中薄膜厚度、薄膜半径、壁厚等因素，导致了光纤法布里-珀罗压力传感器的实际性能与预期想要达到的效果可能还是要有一定的差距。因此对理论公式的拟合修正就具有了实际意义。

1.2论文的主要内容

本文的内容共分为两部分。

第一部分利用弹性力学理论，推导受热应力作用下的薄膜形变量公式，并分析了理想模型与热应力模型下，压力P（取初始气压P₀=10KPa）一定时，温度对薄膜形变量影响。

第二部分对于硅膜与玻璃环键合后的实际结构，使用 ANSYS，对有外力施加在硅片薄膜上时，薄膜形变量的改变进行模拟。根据得出的实际结构中薄膜形变量与理想热应力模型下薄膜形变量的误差，用ANSYS仿真所测得的数值对现在把边界理想的固定不动情况下地形变量公式进行拟合修正，通过考虑薄膜厚度h,薄膜半径R等影响因素，去求得在实际的结构中的薄膜形变量的拟合公式。

2.硅玻璃环的静电键合

静电键合（electrostatic bonding）又称阳极键合（anodic bonding）或场助键合。静电键合技术是Wallis G和Pomerantz D I在1968^[[7]]年所阐述出来的封装技术，到今天已足足有四十八年的历史。这种实现不同材料以固态的形式连接在一起的方法是利用了电荷热的联合作用。刚开始的时候静电键合技术被用作玻璃与其他的材料，像金属或者一些半导体材料之间的连接技术，后来Trick与Cawly^[[8]]经过努力地研究，又把静电键合技术用到了陶瓷和金属材料之间的连接。由于现代科技发展的迅速成熟进步，导致了在现代工业中对金属材料和非金属材料相连接结构的使用也变得多了起来，所以对焊接工艺的也提出来更高的要求，故对材料中间的连接技术的要求也更高了。传统的焊接方法通常都具有焊接所需的温度非常高、焊接过程繁琐、条件严苛等特点。尤其是当需要很高的焊接温度时，易导致很多其他的问题发生，例如比较容易发生弹性或塑性形变。静电键合技术的特点是连接时所需要的温度比较低，形变量小，机械强度大，且键合使用的设备不复杂，材料价格相对便宜故生产成本低等，静电键合的过程既可以在真空下进行，有时也可在保护气氛下，有的时候甚至不需要考虑气氛直接就可以在空气中进行。其所需温度低的特性减轻了以前地焊接工艺中两种材料的物理特性不适配的矛盾，同时确保了材质的一些特性避免遭到破坏，所以在MEMS的生产过程中拥有很大的参考和使用价值。

除了静电键合之外，像直接键合、共熔键合、粘结剂键合等键合方法也是很常用的键合技术。

直接键合, 是将两晶片在很高的温度条件下直接接触实现。它能够实现的主要原因是因为分子间作用力的存在，分子间的相互引力是一种短程作用力，所以材料的表面的平滑程度是样品片直接键合后品质高低的主要决定因素，两种材料接触的表面越平滑，那么两个平面之间的缝隙越小，从而分子之间的作用力就就更大，故化学键的键合能量也就越高。直接键合技术键合的质量的高低很大程度上受到材料接触面的平滑度的影响，表面平滑度不够就会造成所需键合的接触面上产生缝隙、细孔等不足。当接触面上存在污浊物的时候，键合接触面的化学键能与反应力都将非常明显得减少，造成没有键合的空间产生缝隙区域。由于要求退火的温度很高，直接键合的使用其实也要受较大的限制。

在微型电子元器件的封装技术中，经常会用到共熔键合技术。1979年这一技术用在了压力变送器上。金硅焊料是共熔键合技术中使用的非常广泛的材料，他的熔点比单纯的金或者硅都要低的多。工艺上，金硅焊料通常是被用作两种键合材料的中间，作为一个过渡层。作为过渡层的原理是让金从硅中得到原子去达到一种饱和态，降温后就连接到了一起。除了金以外，可以作为过渡层的材料还有铝、钛、硅化铂、二硅化钛等。

粘结剂键合，虽然键合温度很低，但是强度非常高，特点是适用于不同材料之间的键合，并且成本低，键合技术比较容易实现。有机物粘结剂是现在主流且使用最多的粘结剂。

静电键合的优越性^[[9]]。如表1所示，

表1 各种键合方法比较

目前，静电键合广阔的用于很多结构器件制作领域。适用于非常多的非金属材料与合金、金属以及半导体材料的的封接。

2.1静电键合的工作原理

Anthony T R等认为在静电键合过程中，两材料两面施加外加电压，在两材料界面间的空腔内形成了静电场，该静电场产生吸引力使两材料表面互相吸引，相当于作用于平行板电容器上的吸引力使两种材料产生连接^[[10]]。Tong Q Y等人指出这种力在静电键合的过程中会影响两个物体之间的相互作用力，就像空气作用于两个材料时，会受到分子间作用力的影响。在玻璃与Si的两头加电压后，空气缝隙中的电压就是施加电压，可是这种缝隙间的电压也导致了如玻璃中的离子发生迁移运动(例如Na 向阴极反向进行迁移)。Anthony、Shih Wen-Pin^[[11]]等人认为，Na 向阴极方向的漂移运动形成了耗尽层或极化区域。

实际上硅-玻璃静电键合的本质，是在固体之间发生的化学反应。当温度到达三百到四百摄氏度时，硅片的电阻率将会因为本征激发而降低至0.1Ωcm左右，这种行为与金属很相似。玻璃材料在高温下(低于玻璃的软化点500-800℃) 的特性与电解质材料极为的相似,一般都是Na 这样的的正离子导电,当施加外加电场后，这时候的Na 会发生漂移运动到极性为负的玻璃环表面,而负的固定电荷则留在紧邻正电极的玻璃环表面,如图2所示,因Na 所进行的定向流动,外电路就有电流流过。伴随着Na 不停进行的漂移运动,与正电极相邻的硅片与玻璃表面会形成一层极薄的宽度大约为几微米的空间电荷区(或称耗尽层)。因为耗尽层带负电荷，而硅片带正电荷，根据异性相吸的原理，所以在硅片和玻璃之间也形成了很大的静电吸引力，让两材料紧紧地结合在一起。可是，由于玻璃或硅片表面不是绝对的平整光滑，所以在玻璃与硅片之间会有一定的间隙存在。如图1所示。如果之间的缝隙不大，那么在静电引力的作用下，硅片或者玻璃就会发生一定的弹性或塑性形变，从而让两者接触的更紧密。例如，当一个很小的间隙存在时，间隙中的电场大概为3×10^-6V/cm时，存在的静电引力大约为350psi．当玻璃和硅片紧密接触时，这时候的外加电压就主要施加在了耗尽层上。

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