靜電鍵合理論模型與過程仿真研究.pdf

1、隨著MEMS(micro-electro-mechanical system)技術的迅速發(fā)展和其應用領域的不斷擴大,MEMS技術正發(fā)展成為一個巨大的產業(yè)。作為最常用MEMS工藝,硅/玻璃靜電鍵合技術也得到了廣泛的應用。雖然近年來對靜電鍵合的研究和開發(fā)取得了一定進展,但還為未形成完善的理論體系,在分析鍵合機理的過程中也多是使用定性的方法來解釋,少數的定量模型由于可計算性較差等原因還不能對整個鍵合過程進行準確描述。一些問題諸如靜電鍵合的時間

2、特性、點電極擴展規(guī)律、電流-時間特性等問題還沒有理論模型,有待進一步研究。本文通過靜電鍵合機理的分析建立了靜電鍵合的理論模型,經實驗得到與工藝條件相關的參數,并最終得到了鍵合電壓與鍵合溫度及臨界鍵合時間之間關系的理論模型、平板電極與點電極鍵合的電流模型、單點電極的擴展模型。同時根據三個理論模型,設計并實現了靜電鍵合工藝仿真軟件。軟件可對平板電極臨界鍵合時間進行準確預測;對靜電鍵合電流進行仿真,得到其點電極鍵合及平板電極鍵合電流曲線;可對

3、帶有腐蝕結構的鍵合材料進行點電極及多點電極靜電鍵合仿真。
　　本文首先對鍵合時間與鍵合強度進行了實驗分析,得到了鍵合完全時鍵合界面的強度大于玻璃本身強度的結果。依據玻璃的強度為參考給出了判斷鍵合成功的判據,即以鍵合界面強度達到玻璃的抗張強度為鍵合成功的標志。在該判據的基礎上，根據固體物理中填隙原子的擴散系數公式并利用愛因斯坦關系,通過理論推導與實驗相結合的方法得到了臨界鍵合時間與鍵合電壓及鍵合溫度之間的理論模型。結果表明:理論曲線

4、與實驗數據的均方根誤差小于5％。相比較原來通過經驗觀測電流變化的方法,可給出合理的鍵合工藝時間。
　　通過與平板電極鍵合機理的比較,對點電極鍵合過程采用了微分的分析方法進行建模。通過將鍵合區(qū)域進行極限劃分為多個微分環(huán)完成擴展規(guī)律的推導,經驗證模型可對鍵合擴展的全過程進行準確模擬。該模型改變了通常的僅僅通過觀察鍵合材料的顏色來判斷鍵合過程的方法。在采用點電極陣列、線電極及對帶有腐蝕結構的材料鍵合時,通過該模型可以在鍵合前判斷鍵合電極

5、的分布是否合理。
　　論文討論了靜電鍵合耗盡層形成過程中鍵合電流變化的規(guī)律。通過將鍵合界面耗盡層抽象為可變電容,耗盡層的鍵合被視為該電容充電的過程,故鍵合電流為關于時間的函數。靜電鍵合的進程也可用其指示。并通過硅-玻璃-硅三層鍵合實驗驗證了電流模型。基于該物理模型,建立了平板電極靜電鍵合電流與點電極鍵合電流的數學模型,給出了測定模型中與工藝相關系數的方法。通過該模型可對靜電鍵合的工藝過程進行定量計算和準確模擬。
　　在理論分

6、析模型的基礎上，完成了靜電鍵合工藝仿真軟件的設計。設計中使用RUP(Rational Unified Process)的設計方法對仿真工具進行了建模。仿真工具可以對平板電極、單點電極及多點電極進行靜電鍵合過程仿真,在仿真過程中可同時仿真鍵合電流變化。實現了基于貪心策略的八方向擴展水波繞障點電極擴展拓撲算法及計算鍵合面積的圖形疊加面積算法。通過繞障拓撲算法解決了對帶有腐蝕結構晶片的點電極鍵合路徑預測問題,使得基于靜電鍵合模型的仿真軟件的實