基于激光拉曼光谱的硅-玻璃阳极键合界面应力的研究

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阳极键合是一种在微电子机械系统中广泛使用的技术。由于阳极键合应力引起的结构破坏会增加产品成本,延长研发周期,一直是该领域亟待解决的问题。阳极键合结构界面处的应力状态最为复杂,也往往是结构破坏的主要发生部位。但是目前对于硅-玻璃阳极键合界面应力的深入研究较少,尤其是缺乏对硅-玻璃阳极键合界面结构的形成及其对界面应力影响的研究。而研究界面处的应力,对于阳极键合结构的完整性尤为重要,但目前又鲜有基于实验的研究键合界面应力的手段。本文主要基于激光拉曼光谱的方法,研究硅-玻璃阳极键合的界面应力。首先,基于激光拉曼光谱的方法,并通过设计三因素三水平的正交试验,探究了阳极键合电压、温度、通电时间对硅-玻璃界面处应力的影响。结果表明,随着电压增加,键合界面应力先增加后减小;随着温度升高,键合界面应力一直减小;随着通电时间的增长,键合界面应力呈现先增加后减小的趋势。其次,通过自制的小型原位阳极键合装置,探究了整个阳极键合过程中硅-玻璃界面处拉曼光谱峰位的变化。结果表明,在400℃,-1000V,latm阳极键合条件下,键合过程中会在界面附近的单晶硅上形成大小为80 MPa的拉应力。最后,结合分子动力学模拟的方法对硅-玻璃阳极键合的界面结构进行了探究。分子动力学模拟结果结合原位拉曼光谱实验表明,在400℃,-1000V,1atm条件下硅-玻璃界面形成的氧化层最可能是无定形的Si02。通过对不同厚度氧化层的模拟可知,400℃,-1000V直流电压,1atm,90min键合时间的阳极键合条件下形成的无定形Si02的厚度至少为2 nm。在30 min~90 min时间段内硅的氧化速率约为0.022 nm/min。
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