Физико-химические основы вакуумного корпусирование и интегрирования мэмс -мст на уровне пластин.
3.1.Электростимулированное (анодное) соединение (сращивание) стеклянных и кремниевых пластин.
На рис. 3.1 показаны схема и механизм анодного соединения пластин стекло-кремний. К приведенным в контакт при температуре порядка 400оС полированным пластинам кремния и высоконатриевого стекла прикладывается постоянное напряжение порядка 1000 В. Мигрирующие в слое стекла к зоне контакта с кремнием ионы кислорода образуют прочные Si-O-Si связи, обеспечивая химическое соединение стекла с кремнием. При этом соединение начинается в точке электрического контакта, и фронт (граница возникающей зоны) соединения движется от этой точки (Рис.2).
(а) (б)
Рис.3.1. Схема (а) и механизм (б) анодного соединения стекло-кремний
3.2.Химическое сращивание (сплавление, fusion) кремниевых пластин.
На рис. 3.2 показаны схема процесса химического соединения кремниевых пластин и их микрофотография после сплавления.
(а)
(б) (в)
Рис. 3.2. Схема процесса химического сплавления кремниевых пластин (а) (Hot plate – горячая плита; Silicon wafers – кремниевые пластины), схема формирования соединения при гидрофильном активировании поверхностей (б).
В этом процессе чистые и гладкие (шероховатость меньше 5 нм) поверхности кремниевых пластин, гидрофильно или гидрофобно активированные, соединяются за счет ван-дер-ваальсовских или водородных связей при сравнительно низкой температуре (порядка 200-400 оС). Затем пластины подвергаются высокотемпературной термообработке (отжигу) при температуре порядка 1000 оС с образованием связей Si-О-Si (в случае гидрофильно активированных поверхностей) или Si–Si (в случае гидрофобно активированных поверхностей ). На рис. 6 схематически показано гидрофильное и гидрофобное активирование поверхности кремния с последующим образованием химических Si-О-Si и Si–Si связей соответственно.
(а) (б)
Рис. 3.3. Схемы образования Si-О- Si (а) и Si – Si (б) связей при химическом соединении гидрофильно и гидрофобно активированных поверхностей кремниевых пластин соответственно.
Гидрофильное активирование кремниевых пластин, осуществляемое при очистке их поверхности стандартным методом RCA, приводит к образованию Si-ОН групп, которые способны образовывать прочные межмолекулярные (водородные) связи между собой и сохранять связанными молекулы воды даже после тщательной сушки пластин, а в процессе высокотемпературного отжига образовывать химические ионно-ковалентные Si-О-Si связи. При гидрофобном активировании кремниевой пластины она обрабатывается плавиковой (фтористоводородной) кислотой HF, что сопровождается образованием Si–Н-Н и Si–Н-F групп, образующих между собой слабые межмолекулярные (ван-дер-ваальсовские) связи и прочные химические связи Si – Si только при высокотемпературном отжиге.
3.3.Соединение с использованием непроводящего электрический ток промежуточного слоя (суспензий стеклопорошка, других неорганических изоляционных материалов).
В настоящее время при корпусировании МЭМС структур на уровне пластин с созданием электроизолирующего слоя наиболее часто используется соединение с помощью суспензии (пасты) на основе стеклопорошка (фрита). Суспензия (паста) порошка стекла с повышенным содержанием свинца (пониженной температурой сплавления) в растворителе, обеспечивающем текучесть суспензии, содержит также добавку (наполнитель) для согласования термических коэффициентов расширения (ТКР) соединяемых пластин и промежуточного соединительного слоя. Суспензия наносится на пластину методом шелко-трафаретной печати через мелкоячеистую шелковую сетку, на которую нанесен соответствующий рисунок распределения промежуточного слоя с учетом элементов МЭМС или корпусирования, с помощью ножа для нанесения покрытий (Рис.3.4).
