静电键合又称场助键合、阳极键合[2],它是Walis和Pomeranta于1969年提出[3],现在已经是一项成熟的工艺技术,可以将玻璃与金属、合金或半导体等材料键合在一起,不需要任何粘合剂,而且键合温度低,键合界面牢固,长期稳定相好,大量应用于MEMS工艺中的密封腔制备过程,可以制备压力传感器,密封器件的密封腔等。
静电键合装置非常简单,如图1.3所示,主要是带有温度控制的加热器和外加电场的直流电源和电极。硅片接直流电源的正极,玻璃接直流电源的负极,电压在500V~1000V之间,温度为300℃~500℃之间。在高温下,硅片的电阻率将因为本征激发而降低到0.1Ω•cm,其行为与金属相似;玻璃中的Na+离子在电场的作用下向负极漂移,在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层,厚度为几个µm。耗尽层带有负电荷,硅片带正电荷,由于硅片和玻璃之间的间隙很小,二者之间形成了很大的静电引力,使二者紧密接触,如图1.4所示。当硅片和玻璃键合好时,外加电压就主要加在耗尽层,所以通过电流的变化就可以反映出键合的过程。刚加电压时,有一个较大的电流脉冲,然后电流减小,最后几乎为零,说明键合已经完成。静电键合过程中,静电引力起着非常重要的作用。


图1.4 阳极键合原理图
另外,在比较高的温度下,紧密接触的硅-玻璃界面会发生化学反应形成牢固的化学键,如Si-O-Si键等。静电键合的硅-玻璃界面在高温-常温-高温循环,且受到与键合电压相反电压等各种情况下进行处理,实验发现[4]:(1)硅-玻璃静电键合界面牢固、稳定的关键是界面由足够的Si-O键形成;(2)施加反向电压后键合界面仍然牢固稳定。
影响静电键合的因素很多,主要有:(1)静电键合材料的热膨胀系数要匹配,否则在键合完成后的冷却过程中会因内部应力较大而碎裂。(2)阳极的形状影响键合效果。常用的有单点电极、多点电极(一般为三点)和平行板电极。(3)表面状况对键合力有很大影响,表面平整度和清洁度越高键合越容易;表面起伏越大,静电引力就越小,越不容易键合,并且键合质量差,键合接触面积小,键合强度低。