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Unión anódica

La unión anódica es un proceso de unión de obleas que sella vidrio a silicio o metal sin introducir una capa intermedia. Se utiliza comúnmente para sellar vidrio a obleas de sil...

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La unión anódica es un proceso de unión de obleas que sella vidrio a silicio o metal sin introducir una capa intermedia. Se utiliza comúnmente para sellar vidrio a obleas de silicio en electrónica y microfluídica. La unión anódica, también conocida como unión asistida por campo o sellado electrostático , [ 1 ] se utiliza principalmente para conectar silicio / vidrio y metal /vidrio mediante campos eléctricos . Los requisitos para la unión anódica son superficies de obleas limpias y uniformes, y contacto atómico entre los sustratos de unión mediante un campo electrostático suficientemente potente. También es necesario el uso de vidrio de borosilicato con una alta concentración de iones alcalinos. El coeficiente de expansión térmica (CTE) del vidrio procesado debe ser similar al del material 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 ] También se pueden depositar capas de vidrio de borosilicato estructurado mediante evaporación por haz de electrones asistida por plasma. [ 4 ]

Este procedimiento se utiliza principalmente para el encapsulado hermético de elementos micromecánicos de silicio. El encapsulado del sustrato de vidrio protege de las influencias ambientales, como la humedad o la contaminación. [ 2 ] Además, se utilizan otros materiales para la unión anódica con silicio, como las cerámicas cocidas a baja temperatura (LTCC). [ 5 ]

Descripción general

La unión anódica en sustratos de silicio se divide en unión mediante una lámina delgada 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 suele ser de vidrio Borofloat o Pyrex que contiene 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, recubrimiento por 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, y las capas de vidrio de recubrimiento por centrifugación requieren 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 ]

  1. Sustratos de contacto
  2. Calentar los sustratos
  3. Unión mediante la aplicación de un campo electrostático
  4. Enfriando la pila de obleas

con un proceso caracterizado por las siguientes variables: [ 8 ]

  • voltaje de enlace U B
  • temperatura de unión T B
  • limitación de corriente I B

 Según las pruebas de tracción, la resistencia típica de la unión oscila entre 10 y 20 MPa, superior a la resistencia a la fractura del vidrio.

Las diferencias en los coeficientes de dilatación térmica plantean desafíos para la unión anódica. Una discrepancia excesiva en estos coeficientes puede dañar la unión debido a las tensiones intrínsecas del material y provocar alteraciones en los materiales de unión. El uso de vidrios que contienen sodio, como Borofloat o Pyrex, ayuda a reducir esta discrepancia. Estos vidrios tienen un coeficiente de dilatación térmica (CTE) similar al del silicio en el rango de temperatura aplicado, generalmente hasta 400  °C. [ 9 ]

Historia

La unión anódica fue mencionada por primera vez por Wallis y Pomerantz en 1969. [ 1 ] Se aplica para unir 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 para encapsular sensores con vidrios conductores de electricidad. [ 10 ]

Pasos del procedimiento de unión anódica

Pretratamiento de los sustratos

El proceso de unión anódica permite unir superficies de silicio hidrofílicas e hidrofóbicas con igual eficacia.  Para que el proceso funcione correctamente, la rugosidad de la superficie debe ser inferior a 10 nm y estar libre de contaminantes. [ 8 ] Si bien la unión anódica tolera relativamente bien la contaminación, se realiza un procedimiento de limpieza ampliamente establecido, denominado RCA, para eliminar cualquier impureza superficial.

La oblea de vidrio también puede ser grabada químicamente o granallada con polvo para crear pequeñas cavidades, donde se pueden alojar dispositivos MEMS. [ 11 ]

Otros mecanismos que apoyan el proceso de unión de materiales anódicos no completamente inertes pueden ser la planarización o el pulido de las superficies y la ablación de la capa superficial mediante grabado electroquímico. [ 8 ]

Contacta con los sustratos

Las obleas que cumplen los requisitos se ponen en contacto atómico. Tan pronto como se establece el contacto inicial, el proceso de unión comienza cerca del cátodo y se extiende hacia los bordes, tardando 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, ya sea mediante una aguja o un electrodo de cátodo de área completa.

Si se utiliza un electrodo de aguja, la unión se extiende radialmente hacia el exterior, lo que imposibilita el atrapamiento de 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 una tensión de unión de 500 a 1000  V, este método no es muy eficaz ni fiable. [ 13 ]

El uso de un electrodo de cátodo de área completa muestra reacciones de enlace en toda la interfaz después de aplicar el potencial. [ 8 ] Esto 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 mediante la aplicación de un campo electrostático.

Esquema del procedimiento de unión anódica. La herramienta superior funciona como cátodo y el mandril como ánodo.
Deriva de iones en vidrio de enlace influenciada por campo electrostático. [ 8 ] (1) Formación de zona de agotamiento (gris) por deriva de Na + . (2) Deriva de iones O − en la zona de agotamiento.

Las obleas se colocan entre el mandril y la herramienta superior que actúa como electrodo de unión a temperaturas entre 200 y 500  °C (véase la imagen "Esquema del procedimiento de unión anódica"), pero por debajo del punto de reblandecimiento 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 es de varios cientos de voltios. [ 8 ] Esto provoca una difusión de iones de sodio (Na + ) desde la interfaz de unión hacia la parte posterior del vidrio hasta el cátodo. Combinado con la humedad, esto da como resultado la formación de NaOH. El alto voltaje ayuda a mantener la deriva de los iones positivos en el vidrio hacia el 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− ) está cargado negativamente en volumen 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 iones Na + .

A diferencia del aluminio, por ejemplo, el silicio es un ánodo inerte. Por lo tanto, no se produce la migración de iones del silicio al vidrio durante el proceso de unión. Esto genera una carga volumétrica positiva en la oblea de silicio del lado opuesto. [ 12 ] Como resultado, se desarrolla una región de agotamiento de alta impedancia de unos pocos micrómetros (μm) de espesor en la barrera de unión de la oblea de vidrio. En el espacio entre el silicio y el vidrio, la tensión de unión disminuye. El proceso de unión comienza; es una combinación de procesos electrostáticos y electroquímicos.

La intensidad del campo eléctrico en la región de agotamiento es tan alta que los iones de oxígeno se desplazan hacia la interfaz de unión y salen para reaccionar con el silicio y formar SiO₂ ( compárese con la figura "desplazamiento de iones en el vidrio de unión" (2)). Debido a la alta intensidad del campo en la región de agotamiento o en el espacio de la interfaz, ambas superficies de la oblea se presionan juntas a una tensión y temperatura de unión específicas. La temperatura se mantiene entre 200 y 500  °C durante aproximadamente 5 a 20  minutos. Normalmente, el tiempo de unión o sellado es mayor cuando se reducen la temperatura y la tensión. [ 14 ] La presión se aplica para crear un contacto íntimo entre las superficies y asegurar una buena conductividad eléctrica a través del par de obleas, [ 15 ] y, por lo tanto, entre las superficies de los componentes de unión. La fina capa de óxido formada entre las superficies de unión, siloxano (Si-O-Si), asegura una conexión irreversible entre los componentes 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 ]

Enfriar el sustrato

Tras el proceso de unión, es necesario un enfriamiento lento durante varios minutos. Esto puede facilitarse mediante la purga con un gas inerte. El tiempo de enfriamiento depende de la diferencia del coeficiente de dilatación térmica (CTE) de los materiales unidos: cuanto mayor sea la diferencia de CTE, mayor será el tiempo de enfriamiento.

Especificaciones técnicas

Referencias

  1. 1 2 Wallis, George; Pomerantz, Daniel I. (1969). "Sellado de vidrio-metal asistido por campo". Journal of Applied Physics . 40 (10): 3946– 3949. Bibcode : 1969JAP....40.3946W . doi : 10.1063/1.1657121 .
  2. 1 2 3 M. Wiemer; J. Frömel; T. Gessner (2003). "Tendencias der Technologieentwicklung im Bereich Waferbonden". En W. Dötzel (ed.). 6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik . vol. 6. Universidad Técnica de Chemnitz. págs. 178-188 .  
  3. 1 2 Gerlach, A.; Maas, D.; Seidel, D.; Bartuch, H.; Schundau, S.; Kaschlik, K. (1999). "Unión anódica a baja temperatura de silicio a obleas de silicio mediante capas intermedias de vidrio". Microsystem Technologies . 5 (3): 144– 149. doi : 10.1007/s005420050154 . S2CID 111280889 . 
  4. 1 2 Leib, Juergen; Hansen, Ulli; Maus, Simon; Feindt, Holger; Hauck, Karin; Zoschke, Kai; Toepper, Michael (2010). "Unión anódica a bajo voltaje mediante películas delgadas de vidrio de borosilicato microestructurado". 3.ª Conferencia de Tecnología de Integración de Sistemas Electrónicos ESTC . págs. 1–4 . doi : 10.1109/ESTC.2010.5642923 . ISBN  978-1-4244-8553-6. S2CID 28061938 . 
  5. ↑ Khan, MF; Ghavanini, FA; Haasl, S.; Löfgren, L.; Persson, K.; Rusu, C.; Schjølberg-Henriksen, K.; Enoksson, P. (2010). "Métodos para la caracterización de la encapsulación a nivel de oblea aplicada en silicio para la unión anódica LTCC". Journal of Micromechanics and Microengineering . 20 (6) 064020. Bibcode : 2010JMiMi..20f4020K . doi : 10.1088/0960-1317/20/6/064020 . S2CID 111119698 . 
  6. 1 2 Quenzer, HJ; Dell, C.; Wagner, B. (1996). "Unión anódica silicio-silicio con capas intermedias de vidrio mediante vidrios aplicados por centrifugación". Actas del Noveno Taller Internacional sobre Sistemas Microelectromecánicos . págs. 272–276 . doi : 10.1109/MEMSYS.1996.493993 . ISBN  0-7803-2985-6. S2CID 317049 . 
  7. ↑ Schjølberg-Henriksen, K.; Poppe, E.; Moe, S.; Storås, P.; Taklo, MMV; Wang, DT; Jakobsen, H. (2006). "Unión anódica de vidrio a aluminio". Tecnologías de microsistemas . 12 (5): 441– 449. doi : 10.1007/s00542-005-0040-8 . S2CID 109085293 . 
  8. ^ S. Mack ( 1997 ) .​ Eine vergleichende Untersuchung der physikalisch-chemischen Prozesse an der Grenzschicht direkt und anodischer verbundener Festkörper (Tesis). Jena, Alemania: VDI Verlag / Instituto Max Planck. ISBN 3-18-343602-7.
  9. ↑ T. Gessner; T. Otto; M. Wiemer; J. Frömel (2005). «Unión de obleas en micromecánica y microelectrónica: una visión general» . En Bernd Michel (ed.). El mundo del empaquetado electrónico y la integración de sistemas . DDP Goldenbogen. pp. 307–313 . ISBN  978-3-93243476-1.
  10. ↑ Plößl, A. (1999). "Unión directa de obleas: adaptación de la adhesión entre materiales frágiles". Ciencia e ingeniería de materiales . 25 ( 1– 2): 1– 88. doi : 10.1016/S0927-796X(98)00017-5 .
  11. 1 2 M. Chiao (2008). "Empaquetado (y unión de cables)". En D. Li (ed.). Enciclopedia de microfluídica y nanofluídica . Springer Science+Business Media.
  12. 1 2 3 G. Gerlach; W. Dötzel (2008). Ronald Pething (ed.). Introducción a la tecnología de microsistemas: una guía para estudiantes (Wiley Microsystem and Nanotechnology) . Wiley Publishing. ISBN 978-0-470-05861-9.
  13. 1 2 Nitzsche, P.; Lange, K.; Schmidt, B.; Grigull, S.; Kreissig, U.; Thomas, B.; Herzog, K. (1998). "Resumen de ChemInform: Procesos de deriva iónica en vidrio de borosilicato alcalino tipo Pyrex durante la unión anódica". ChemInform . 145 (5): 1755– 1762. doi : 10.1002/chin.199830293 .
  14. ↑ Wallis, George (1975). "Field Assisted Glass Sealing" . ElectroComponent Science and Technology . 2 (1): 45– 53. doi : 10.1155/APEC.2.45 .
  15. ↑ S. Farrens; S. Sood (2008). "Empaquetado a nivel de oblea: equilibrio entre los requisitos del dispositivo y las propiedades de los materiales". IMAPS . Sociedad Internacional de Microelectrónica y Empaquetado.