Page 145 - 《真空与低温》2025年第3期

416 真空与低温 第 31 卷 第 3 期

[25]
图 3 流程的最后一步键合可以由图 8 诠释，简 析出集聚效应 。
化为硅片 2 和已形成的硅片 1-玻璃一体结构之间
的键合。此时硅片 2 和玻璃界面产生常规键合，电 电极
流变化是典型的尖峰缓降平稳曲线。而在硅片 1
硅片1
和玻璃已键合区附近情况较为复杂，电场驱动的 键合区
+
Na 向键合区行进过程中，会依次经过只存在 Na 空 − Na + Na + Na + Na + Na +
+
电源 玻璃
+
位的“低场强”区，以及存在 Na 和 O 空位的“高场 +
2−
O 2− O 2− O 2− O 2− O 2− 耗尽层
强”区，由于“高场强”区空位数量巨大，Na 进入时 Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+ Si 4+
+
硅片2
[23]
迁移速率加快，宏观表现也为电流突增尖峰 。
硅-玻璃-硅结构的第二次键合，其典型电流变 电极
化是双界面叠加的双峰值缓降平稳曲线，主峰是二
次键合面的键合峰，副峰源自一次键合面的离子快 图 8 硅片和玻璃-硅结构的阳极键合
速迁移。调研及实验均表明，电流副峰是该过程的 Fig. 8 Anodic bonding of silicon wafer and glass-silicon structure

普遍现象，并且副峰电流变化并不规律，相同条件 根据结果分析，提出多层键合优化的工艺流程。
也会出现不同的电流突变特征。但一个普遍规律 对玻璃-硅双层结构，以及玻璃-硅-玻璃三层结构采
是，低温、低电压键合的电流突变会有所减弱。 用强键合参数，键合温度为 400 ℃、电压为 1 000 V、
反向电场对阳极键合面的损害有两个方面，表 压力为 0.1 MPa，对应的键合电流-时间曲线对比
+
现为静电键合力削弱以及 Na 析出集聚效应。反 如图 9 所示。玻璃-硅双层结构的面电极键合，加
+
向电场的 Na 迁移，会使先前形成耗尽层中的 Na + 电后电流迅速达到约为 40 mA 的极大值，而后经
浓度升高，尽管不能恢复到初始状态，但会诱导中 过 380 s 缓慢下降至 4 mA，1 200 s 键合结束时极小
2−
和键合面附近的部分 O ，削弱静电键合力 [24] 。尽 值约为 2 mA。而玻璃-硅-玻璃三层结构的点电极
+
管没有证据表明 Na 析出能直接破坏 Si-O 化学键， 键合，电流极大值约为 33 mA，降至峰值电流的
但研究中发现，Na 在界面键合缺陷处析出产生集 10% （3.3 mA）时间为 480 s，1 200 s 时极小值约为
+
聚，能形成析出斑和破坏区，降低键合强度。同样 3 mA。点电极键合相对电流较弱、时间较长，这与
地，低温、低电压下缩短键合时间，有助于减弱 Na + 前述对比分析吻合。

45 40
40 温度400 ℃ 35 温度400 ℃
35 电压1 000 V 30 电压1 000 V
键合电流/mA 25 键合电流/mA 25
30
20
20
15
15
10 10
5 5
0 0
0 200 400 600 800 1 000 1 200 0 200 400 600 800 1 000 1 200
时间/t 时间/t
（a）玻璃-硅面电极键合 （b）玻璃-硅-玻璃中间引出点电极键合

图 9 双层及三层结构的键合电流-时间曲线
Fig. 9 Bonding current-time plots for double-layer and three-layer structures

将这两种结构再次键合形成最终五层结构时， 第二次键合不尽相同。首先是曲线没有如文献 [24]
保持压力不变，温度降至 300 ℃，电压降至 800 V， 的明显双峰，仅在键合初期有小幅电流跃动，如插
确保新键合面强度，同时避免过度伤害已有键合面。 入图所示。产生该现象的原因目前尚不明晰，初步
对应该步骤的典型键合电流-时间曲线如图 10 所 认为和点接触、边缘导电接触以及由此带来的界
示，为更好显示电流主要变化趋势，仅保留了 3 000 s 面变化相关。其次是该键合过程相对漫长，加电
的数据。结果发现，本过程和前述硅-玻璃-硅结构的 140 s 后电流才达到 28 mA 的极大值，在 1 600 s 时