La unión anódica es un proceso de unión de obleas para sellar el vidrio al silicio o al metal sin introducir una capa intermedia; se usa comúnmente para sellar vidrio a obleas de silicio en electrónica y microfluídica. Esta técnica de unión, también conocida como unión asistida por campo o sellado electrostático, [1] se utiliza principalmente para conectar silicio / vidrio y metal / vidrio a través de campos eléctricos.. Los requisitos para la unión anódica son superficies limpias y uniformes y contacto atómico entre los sustratos de unión a través de un campo electrostático suficientemente potente. También es necesario el uso de vidrio de borosilicato que contenga una alta concentración de iones alcalinos. El coeficiente de expansión térmica (CTE) del vidrio procesado debe ser similar al del socio de unión. [2]
La unión anódica se puede aplicar con obleas de vidrio a temperaturas de 250 a 400 ° C o con vidrio pulverizado a 400 ° C. [3] Las capas de vidrio de borosilicato estructurado también pueden depositarse mediante evaporación por haz de electrones asistida por plasma. [4]
Este procedimiento se utiliza principalmente para la encapsulación hermética de elementos de silicio micromecánicos. La encapsulación del sustrato de vidrio protege de las influencias ambientales, por ejemplo, la humedad o la contaminación. [2] Además, se utilizan otros materiales para la unión anódica con silicio, es decir, cerámica cocida a baja temperatura (LTCC). [5]
Descripción general
La unión anódica sobre sustratos de silicio se divide en unión mediante una fina hoja de vidrio (una oblea) o una capa de vidrio que se deposita sobre el silicio mediante una técnica como la pulverización catódica. La oblea de vidrio es a menudo vasos Borofloat o Pyrex que contienen sodio. Con una capa de vidrio intermedia, también es posible conectar dos obleas de silicio. [6] Las capas de vidrio se depositan mediante pulverización catódica, centrifugación de una solución de vidrio o deposición de vapor sobre la oblea de silicio procesada. [3] El espesor de estas capas varía de uno a unos pocos micrómetros con capas de vidrio enroscadas que necesitan 1 µm o menos. [6] Los sellos herméticos de silicio a vidrio que utilizan una capa de aluminio con un espesor de 50 a 100 nm pueden alcanzar resistencias de 18,0 MPa. Este método permite enterrar conductores eléctricamente aislados en la interfaz. [7] También es posible la unión de obleas oxidadas térmicamente sin una capa de vidrio.
Los pasos del procedimiento de unión anódica se dividen en los siguientes: [2]
- Sustratos de contacto
- Calentamiento de sustratos
- Unión mediante la aplicación de un campo electrostático.
- Enfriamiento de la pila de obleas
con un proceso caracterizado por las siguientes variables: [8]
- tensión de enlace U B
- temperatura de unión T B
- limitación de corriente I B
La fuerza de unión típica es de entre 10 y 20 MPa según las pruebas de tracción, más alta que la resistencia a la fractura del vidrio.
Los diferentes coeficientes de expansión térmica plantean desafíos para la unión anódica. Un desajuste excesivo puede dañar la unión a través de tensiones intrínsecas del material y causar interrupciones en los materiales de unión. El uso de vidrios que contienen sodio, por ejemplo, Borofloat o Pyrex, sirve para reducir el desajuste. Estos vidrios tienen un CTE similar al silicio en el rango de temperatura aplicada, comúnmente hasta 400 ° C. [9]
Historia
La unión anódica fue mencionada por primera vez por Wallis y Pomerantz en 1969. [1] Se aplica como unión de obleas de silicio a obleas de vidrio que contienen sodio bajo la influencia de un campo eléctrico aplicado. Este método se utiliza hasta la fecha como encapsulación de sensores con vidrios conducidos eléctricamente. [10]
Pasos de procedimiento de unión anódica
Pretratamiento de los sustratos
El procedimiento de unión anódica puede unir superficies de silicio hidrófilas e hidrófobas con la misma eficacia. La rugosidad de la superficie debe ser inferior a 10 nm y estar libre de contaminación en la superficie para que el procedimiento funcione correctamente. [8] Aunque la unión anódica es relativamente tolerante a la contaminación, se lleva a cabo un procedimiento de limpieza RCA ampliamente establecido para eliminar cualquier impureza de la superficie.
La oblea de vidrio también se puede grabar químicamente o chorrear con polvo para crear pequeñas cavidades, donde se pueden acomodar los dispositivos MEMS. [11]
Otros mecanismos que apoyan el proceso de unión de materiales anódicos no completamente inertes pueden ser la planarización o pulido de superficies y la ablación de la capa superficial mediante grabado electroquímico. [8]
Póngase en contacto con los sustratos
Las obleas que cumplen los requisitos se ponen en contacto atómico. Tan pronto como se establece el contacto por primera vez, el proceso de unión comienza cerca del cátodo y se extiende de frente a los bordes, el proceso tarda varios minutos. [12] El procedimiento de unión anódica se basa en una oblea de vidrio que generalmente se coloca sobre una oblea de silicio. Un electrodo está en contacto con la oblea de vidrio a través de una aguja o un electrodo de cátodo de área completa.
Si se usa un electrodo de aguja, la unión se extiende radialmente hacia el exterior, lo que hace que sea imposible atrapar aire entre las superficies. El radio del área unida es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo transcurrido durante el procedimiento. Por debajo de temperaturas de 350 a 400 ° C y un voltaje de enlace de 500 a 1000 V, este método no es muy efectivo ni confiable. [13]
El uso de un electrodo de cátodo de área completa muestra reacciones de enlace en toda la interfaz después de encender el potencial. [8] Este es el resultado de una distribución homogénea del campo eléctrico a temperaturas de alrededor de 300 ° C y un voltaje de enlace de 250 V. [13] Usando capas delgadas de vidrio depositadas, los voltajes necesarios pueden reducirse significativamente. [4]
Calentamiento y unión por aplicación de campo electrostático.
Las obleas se colocan entre el mandril y la herramienta superior utilizada como electrodo de unión a temperaturas entre 200 y 500 ° C (comparar con la imagen "esquema del procedimiento de unión anódica") pero por debajo del punto de ablandamiento del vidrio (temperatura de transición vítrea). [11] Cuanto mayor sea la temperatura, mejor será la movilidad de los iones positivos en el vidrio.
El potencial eléctrico aplicado entre se establece en un voltaje de varios 100 V. [8] Esto provoca una difusión de iones de sodio (Na + ) fuera de la interfaz de enlace a la parte posterior del vidrio al cátodo. Eso resulta, combinado con la humedad en la formación de NaOH. El alto voltaje ayuda a soportar la deriva de los iones positivos en el vidrio al cátodo. La difusión está de acuerdo con la distribución de Boltzmann relacionada exponencialmente con la temperatura. El vidrio (NaO 2 ) con sus iones de oxígeno restantes (O 2− ) tiene una carga volumétrica negativa en la superficie de unión en comparación con el silicio (compárese con la figura "deriva de iones en el vidrio de unión" (1)). Esto se basa en el agotamiento de los iones de Na + .
El silicio es diferente, por ejemplo, del aluminio, un ánodo inerte. Como resultado, no se desplazan iones del silicio al vidrio durante el proceso de unión. Esto afecta a una carga de volumen positiva en la oblea de silicio en el lado opuesto. [12] Como resultado, se desarrolla una región de agotamiento de alta impedancia de unos pocos micrómetros de espesor en la barrera de unión en la oblea de vidrio. En el espacio entre el silicio y el vidrio, el voltaje de enlace cae. Se inicia el proceso de unión como una combinación de proceso electrostático y electroquímico.
La intensidad del campo eléctrico en la región de agotamiento es tan alta que los iones de oxígeno se desplazan a la interfaz de enlace y salen para reaccionar con el silicio para formar SiO 2 (comparar con la figura "deriva de iones en vidrio de enlace" (2)). En base a la alta intensidad de campo en la región de agotamiento o en el espacio en la interfaz, ambas superficies de la oblea se presionan juntas a un voltaje de enlace y una temperatura de enlace específicos. El proceso se realiza a temperaturas de 200 a 500 ° C durante aproximadamente 5 a 20 min. Normalmente, el tiempo de unión o sellado se hace más largo cuando se reducen la temperatura y el voltaje. [14] La presión se aplica para crear un contacto íntimo entre las superficies para asegurar una buena conducción eléctrica a través del par de obleas. [15] Esto asegura un contacto íntimo para las superficies de los socios de unión. La fina capa de óxido formada entre las superficies de unión, siloxano (Si-O-Si), asegura la conexión irreversible entre los socios de unión. [8]
Si se utilizan obleas oxidadas térmicamente sin una capa de vidrio, la difusión de iones OH - y H + en lugar de iones Na + conduce a la unión. [12]
Enfriamiento del sustrato
Después del proceso de unión, debe tener lugar un enfriamiento lento durante varios minutos. Esto puede apoyarse purgando con un gas inerte. El tiempo de enfriamiento depende de la diferencia de CTE para los materiales adheridos: cuanto mayor es la diferencia de CTE, más largo es el período de enfriamiento.
Especificaciones técnicas
Materiales |
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Temperatura |
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Voltaje |
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Ventajas |
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Inconvenientes |
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Investigar |
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Referencias
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