陽極接合的原理及其在真空封裝的應用 

研究人員:楊學安

 

序  論

 微機電系統是目前相當具有發展淺力的研究領域,其加工放式多半以半導體製程技術將機械元件、機械系統、電子系統及分析系統等微小化。在微機電系統之元件中,大多數需要以面加工的方式將數層結構疊合而成,由於使用的材料不同,接合技術亦有不同。或受各元件機械及電力性質的不同,而有溫度及電壓等的限制,以致形成各層材料接合的困難。陽極接合是微機電製程中相當重要的一種接合技術,其主要的特徵是不使用接合劑,而直接對晶片加溫加直流電壓,便可得到很大的接合強度,可應用在微小電子及機械元件的真空封裝上。陽極接合之原理如下:因矽與派萊克斯玻璃之熱膨脹係數相當接近,對兩種材料加溫至300~ 400℃時,玻璃中的金屬離子會移動且具有導電性,若在玻璃端通入數百伏的負電壓,則金屬離子會被電極吸引而移動至玻璃表面,玻璃中被束縛的負離子與鄰近的矽表面形成一電荷層,一般認為這層電荷層會生成氧化矽玻璃與矽晶片以離子鍵結方式接合,通常這種接合從負極開始,而擴散至整個面,接合面會變成灰色,接合裝置如圖一所示,

 

圖一、陽極接合裝置

 

隨著離電極愈遠,受電場的影響將減少,接合至最外層時接合速度將減緩,也就是接合產生的灰色區域的生成速度將減緩,對於要接合大面積晶片時速度較慢,接合速度慢意味著在矽晶片上的元件必須長時間的處於高溫,溫度將影響內部元件的性質,所以如何加快接合的速度減少元件在高溫的時間是我們研究的重點。

陽極接合實驗設備設計之首部曲

圖二是研究計畫的首部曲,陽極接合實驗機台的研製,我們以石墨作為上下電極以解決銅板電極再高溫時氧化的情形,並以鹵素燈管做為加熱源,加快升溫速度,經測試後發現的確能有效完成接合且因升溫速度快可使元件減少在高溫環境的時間。

 

圖二、陽極接合設備

 

實驗過程與分析之二部曲

既我們計畫出各種實驗包括固定溫度不同電壓的接合及固定溫度不同電壓的接合實驗,圖三是接合過程,我們以約四吋大小的破片做大面積的接合,並以溫度400℃電壓500V作為接合條件。

圖三、接合過程

實驗時,我們以電流計量測材料中的電流變化,如圖四所示

圖四、電流變化

由電流的變化得知起初當電壓開啟後,電流升高,隨著玻璃中的鈉離子因電場作用下而被吸引至負極,空乏區開始形成,隨著空乏區逐漸加大,電流值逐漸下降,接合完成後玻璃與矽之間將形成一層氧化層,顏色較深呈現灰色。

經過這些實驗後發現單點的針狀式的上電極有助於解決因接合而造成的氣泡問題,其方式主要是由中央處開始接合至晶片邊緣,可將介面的氣泡由內趕出,但接合速度相當慢,平版式的上電極可大面積的快速接合,但接合品質相當不好,原因是接面氣泡無法離開,於是我們設計出多點式的上電極,以擺線的方式排列再中心區域的電極每支電極有一固定的距離差,外側的電極則排列相接近,表面的氣體可以螺旋區域來排氣且又增加了電極數來改善電場分布加快接合時間,圖五是實驗過程,

圖五、多點式的上電極實驗過程

這種設計的電極的確改善了接合速度與接合品質圖六式接合完成的晶片。

圖六、接合完成的晶片

完成後的晶片,我們發現在玻璃端有電極的痕跡,原因是玻璃中的鈉離子在表面與空氣中的水氣反應形成氫氧化鈉並在表面析出。緊接著,我們也將接好的試片作拉伸試驗,圖七是所製作出的拉伸試桿。

圖七、拉伸試桿

拉伸試驗這部分因黏著劑(epoxy)黏著強度比接合強度差,無法量出接合強度,待日後改善。我們也將破片以SEM(掃描式電子顯微鏡)觀察側面,如圖八所示。

圖八、接合面觀察

SEM照片可看出接合面上層為玻璃(PYREX 7740)下層為矽,在矽的上方距接合面處顏色明顯較深,一般認為這層為氧化矽。

陽極接合第三部曲-真空封裝CNT-FED(奈米碳管場發射顯示器)

陽極接合是一種接合附著性相當強的一種接合方式,可用於真空封裝晶圓級接合封裝而FED場發射型顯示器其真空度要求為10-5~10-6 torr真空度相當高,利用陽極接合也許是相當不錯的封裝方式,目前只有韓國有這方面的研究,這部分目前與工研院電子所特殊顯示器部門合作,待日後發表結果。