陽極接合

陽極接合は、中間層を導入せずにガラスをシリコンまたは金属に封止するウェーハ接合プロセスです。陽極接合は、電子機器やマイクロ流体工学においてガラスをシリコンウェーハに封止するために一般的に使用されています。陽極接合は、電界支援接合または静電シールとも呼ばれ、[1]主に電界を介してシリコン/ガラスおよび金属/ガラスを接続するために使用されます。陽極接合には、ウェーハ表面が清浄で均一であることと、十分に強力な静電界を介して接合基板間の原子接触が確立されていることが条件となります。また、高濃度のアルカリイオンを含むホウケイ酸ガラスの使用も必要です。処理されたガラスの熱膨張係数（CTE）は、接合相手のガラスの熱膨張係数と同等である必要があります。[2]

陽極接合は、ガラスウエハーを250～400℃の温度で、またはスパッタガラスを400℃で適用することができます。[3]構造化されたホウケイ酸ガラス層は、プラズマ支援電子ビーム蒸着によって堆積することもできます。[4]

この手法は、主にマイクロメカニカルシリコン素子の気密封止に用いられます。ガラス基板による封止は、湿度や汚染といった環境の影響から素子を保護します。[2]また、シリコンとの陽極接合には、低温焼成セラミックス（LTCC）などの他の材料も用いられます。[5]

概要

シリコン基板上の陽極接合は、薄いガラスシート（ウェハ）を使用する接合と、スパッタリングなどの技術を使用してシリコン上に堆積されたガラス層を使用する接合に分けられます。ガラスウェハは、多くの場合、ナトリウムを含んだボロフロートガラスまたはパイレックスガラスです。中間ガラス層を使用すると、2枚のシリコンウェハを接続することもできます。[6]ガラス層は、処理されたシリコンウェハ上に、スパッタリング、ガラス溶液のスピンオン、または蒸着によって堆積されます。[3]これらの層の厚さは1〜数マイクロメートルの範囲で、スピンオンガラス層では1μm以下が必要です。[6]厚さ50〜100nmのアルミニウム層を使用したシリコンとガラスの気密シールは、18.0MPaの強度に達することができます。この方法により、電気的に分離された導体をインターフェースに埋め込むことができます。[7]ガラス層なしで熱酸化ウェハを接合することも可能です。

陽極接合の手順は以下のように分けられる。[2]

  1. 接触基板
  2. 基板の加熱
  3. 静電場の適用による結合
  4. ウェハスタックの冷却

このプロセスは次のような変数によって特徴付けられる：[8]

  • 結合電圧 U B
  • 結合温度 T B
  • 電流制限 I B

引張試験によると、典型的な接着強度は 10 ～ 20 MPa であり、ガラスの破壊強度よりも高くなります。

熱膨張係数の差は陽極接合において課題となります。熱膨張係数の過度な不一致は、材料固有の張力によって接合に悪影響を与え、接合材料に亀裂が生じる可能性があります。ボロフロートやパイレックスなどのナトリウム含有ガラスの使用は、この不一致を軽減するのに役立ちます。これらのガラスは、適用温度範囲（通常400℃まで）においてシリコンと同等の熱膨張係数を有します。[9]

歴史

陽極接合は、1969年にウォリスとポメランツによって初めて言及されました。[1]これは、印加電界の影響下でシリコンウェハとナトリウム含有ガラスウェハを接合する方法として応用されています。この方法は、現在でも導電性ガラスを用いたセンサーの封止に使用されています。[10]

陽極接合の手順

基板の前処理

陽極接合法は、親水性シリコン表面と疎水性シリコン表面を同等に効果的に接合することができます。この接合法が適切に機能するには、表面粗さが10nm未満で、表面に汚染物質が付着していないことが不可欠です。[8]陽極接合は汚染に対して比較的耐性が高いものの、表面の不純物を除去するために、広く確立された洗浄法であるRCAが行われます。

ガラスウエハーは化学的にエッチングしたり、粉末ブラストしたりして小さな空洞を作り、そこにMEMSデバイスを収容することもできる。[11]

完全に不活性ではない陽極材料の接合プロセスをサポートするさらなるメカニズムとしては、表面の平坦化または研磨、および電気化学的エッチングによる表面層のアブレーションが挙げられます。[8]

基板に接触する

要件を満たすウェハは原子レベルで接触させられます。接触が確立されるとすぐに、接合プロセスは陰極近傍から始まり、前面から端面へと広がり、このプロセスには数分かかります。[12] 陽極接合は、通常シリコンウェハ上に置かれたガラスウェハをベースとしています。電極は、針状電極または全面陰極電極を介してガラスウェハに接触します。

針電極を使用する場合、接合は放射状に外側に広がるため、表面間に空気を閉じ込めることができません。接合面積の半径は、接合中に経過した時間の平方根にほぼ比例します。接合温度が350～400℃未満、接合電圧が500～1000V未満の場合、この方法は効果的でも信頼性も低くなります。[13]

全面積カソード電極を使用すると、電位を印加した後、界面全体で結合反応が起こります。[8]これは、約300℃の温度と250Vの結合電圧で均一な電界分布が得られる結果です。[13]薄い堆積ガラス層を使用することで、必要な電圧を大幅に低減できます。[4]

静電場の適用による加熱と接合

陽極接合手順の概略図。上部ツールは陰極として、チャックは陽極として機能します。
静電場の影響を受けたボンドガラス中のイオンのドリフト。[8] （1）Na +ドリフト
による空乏層（灰色）の形成。 （2）空乏層におけるO −イオンのドリフト。

ウェーハはチャックと接合電極として使用される上部ツールの間に配置され、200～500℃の温度（図「陽極接合手順の概略」を参照）でガラスの軟化点（ガラス転移温度）よりも低い温度で接合されます。[11]温度が高いほど、ガラス中の陽イオンの移動度は向上します。

印加電位は数百ボルトである。[8]これにより、ナトリウムイオン（Na +）が接合界面からガラスの裏側、陰極へと拡散する。湿度と相まって、NaOHが形成される。高電圧は、ガラス中の陽イオンが陰極へと漂うのを促進する。拡散は、ボルツマン分布と一致し、温度と指数関数的に相関する。ガラス（NaO 2）[説明が必要] [式はどうなるか？ ]は、残留酸素イオン（O 2− ）とともに、シリコンと比較して接合面で負の体積電荷を帯びている（図「接合ガラスにおけるイオンの漂流」（1）を参照）。これはNa +イオンの枯渇に基づいている。

例えばアルミニウムとは異なり、シリコンは不活性陽極です。そのため、接合プロセス中にシリコンからガラスへイオンがドリフトすることはありません。これは、反対側のシリコンウェーハに正の体積電荷を発生させます（[説明が必要]） 。 [12]その結果、ガラスウェーハの接合バリアに数マイクロメートル（μm）の厚さの高インピーダンス空乏領域が発生します。シリコンとガラスの間の隙間では、接合電圧が低下します。接合プロセスは、静電プロセスと電気化学プロセスの組み合わせによって開始されます。

空乏領域における電界強度は非常に高いため、酸素イオンは接合界面までドリフトし、そこからシリコンと反応してSiO 2を形成します（図「接合ガラスにおけるイオンのドリフト」（2）を参照）。空乏領域または界面のギャップにおける高い電界強度に基づき、両方のウェーハ表面を特定の接合電圧と接合温度で加圧します。温度は200～500℃で約5～20分間維持されます。通常、温度と電圧が低下すると、接合またはシーリング時間は長くなります。[14]圧力を加えることで、ウェーハペア全体[15] 、ひいては接合パートナーの表面間の良好な電気伝導を確保するために、表面間の密着性を高めます。接合面間に形成される薄い酸化物層、シロキサン（Si-O-Si）は、接合パートナー間の不可逆的な接続を確保します。[8]

ガラス層のない熱酸化ウェーハを使用すると、Na +イオンの代わりにOH-およびH +イオンの拡散によって接合が起こります。[12]

基板の冷却

接合プロセス後、数分間かけてゆっくりと冷却する必要があります。これは不活性ガスでパージすることでサポートできます。冷却時間は接合する材料の熱膨張係数（CTE）の差に依存し、CTEの差が大きいほど冷却時間は長くなります。

技術仕様

材料
  • Si-Si
  • Siガラス
  • Si-LTCC
  • Si-ガラス-PZTセラミックス
  • 金属ガラス (Al、Cu、コバール、Mo、Ni、インバーなど)
温度
  • Siガラス: > 250 °C
  • Si-Si（中間ガラス層あり）: > 300 °C
  • 金属ガラス：200～450℃
電圧
  • Si ガラス: 300 ～ 500 V (最大 < 2000 V)
  • 金属ガラス: 50 - 1500 V
利点
  • 簡単な技術プロセス
  • 安定した結合の生成
  • 気密結合の生成
  • 450℃以下での接合
  • Si表面に対する制約が少ない
欠点
  • 接合材料における許容CTE差の制限
研究
  • 製造プロセス統合
  • Si-LTCC

参考文献

  1. ^ ab Wallis, George; Pomerantz, Daniel I. (1969). 「電界アシストガラス-金属シーリング」. Journal of Applied Physics . 40 (10): 3946– 3949. Bibcode :1969JAP....40.3946W. doi :10.1063/1.1657121.
  2. ^ abc M. ウィーマー; J. フレーメル; T. ゲスナー (2003)。 「Bereich Waferbonden における技術トレンド」。 W. Dötzel (編) 所収。6. Chemnitzer Fachtagung Mikromechanik & Mikroelektronik。 Vol. 6. ケムニッツ工科大学。178～ 188ページ 。
  3. ^ ab Gerlach, A.; Maas, D.; Seidel, D.; Bartuch, H.; Schundau, S.; Kaschlik, K. (1999). 「中間ガラス層を用いたシリコンとシリコンウエハの低温陽極接合」. Microsystem Technologies . 5 (3): 144– 149. doi :10.1007/s005420050154. S2CID  111280889.
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