La unión anódica es un proceso de unión de obleas para sellar vidrio a silicio o metal sin introducir una capa intermedia; se utiliza 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 de obleas 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 se pueden depositar mediante evaporación por haz de electrones asistida por plasma. [4]
Este procedimiento se utiliza principalmente para la encapsulación hermética de elementos micromecánicos de silicio. La encapsulación con 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, cerámicas cocidas a baja temperatura (LTCC). [5]
La unión anódica sobre sustratos de silicio se divide en la unión mediante una lámina fina 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, aplicación por centrifugado 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 aplicadas por centrifugado necesitan 1 μm o menos. [6] Los sellos herméticos de silicio al vidrio utilizando una capa de aluminio con un espesor de 50 a 100 nm pueden alcanzar resistencias de 18,0 MPa. Este método permite enterrar conductores aislados eléctricamente en la interfaz. [7] También es posible la unión de obleas oxidadas térmicamente sin una capa de vidrio.
Los pasos de procedimiento de la unión anódica se dividen en los siguientes: [2]
con un proceso caracterizado por las siguientes variables: [8]
La resistencia de unión típica está entre 10 y 20 MPa según pruebas de tracción, superior a 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 aplicado, comúnmente hasta 400 °C. [9]
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 conductores de electricidad. [10]
El procedimiento de unión anódica es capaz de unir superficies de silicio hidrofílicas e hidrofóbicas con la misma eficacia. La rugosidad de la superficie debe ser inferior a 10 nm y estar libre de contaminación para que el procedimiento funcione correctamente. [8] Aunque la unión anódica es relativamente tolerante a las contaminaciones, se lleva a cabo un procedimiento de limpieza ampliamente establecido, el RCA, para eliminar cualquier impureza de la superficie.
La oblea de vidrio también se puede grabar químicamente o pulir con chorro de polvo para crear pequeñas cavidades en las que 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 pulido de superficies y la ablación de la capa superficial mediante grabado electroquímico. [8]
Las obleas que cumplen los requisitos se ponen en contacto atómico. Tan pronto como se establece el contacto, el proceso de unión comienza cerca del cátodo y se extiende por los frentes hasta los bordes, el proceso dura 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 a través de 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 hace imposible atrapar aire entre las superficies. El radio del área unida es aproximadamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo transcurrido durante el procedimiento. A temperaturas inferiores a 350 a 400 °C y un voltaje 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 activar el potencial. [8] Este es el resultado de una distribución de campo eléctrico homogénea a temperaturas de alrededor de 300 °C y un voltaje de enlace de 250 V. [13] Usando capas delgadas de vidrio depositado, los voltajes necesarios se pueden reducir significativamente. [4]
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 cientos de V. [8] Esto provoca una difusión de iones de sodio (Na + ) fuera de la interfaz de enlace hacia la parte posterior del vidrio hasta el cátodo. Esto da como resultado, combinado con humedad, la formación de NaOH. El alto voltaje ayuda a soportar la deriva de los iones positivos en el vidrio hacia el cátodo. La difusión está de acuerdo con la distribución de Boltzmann exponencialmente relacionada con la temperatura. El vidrio (NaO 2 ) con sus iones de oxígeno restantes (O 2− ) tiene carga de volumen negativa en la superficie de enlace en comparación con el silicio (comparar con la figura "deriva de iones en el vidrio de enlace" (1)). Esto se basa en el agotamiento de iones Na + .
El silicio, a diferencia del aluminio, es un ánodo inerte. Como resultado, durante el proceso de unión no se producen iones que se desplacen desde el silicio hacia el vidrio. Esto produce 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 de espesor en la barrera de unión de la oblea de vidrio. En el espacio entre el silicio y el vidrio, el voltaje de unión cae. El proceso de unión, que es una combinación de procesos electrostáticos y electroquímicos, comienza.
La intensidad del campo eléctrico en la región de agotamiento es tan alta que los iones de oxígeno se desplazan hacia la interfaz de enlace y salen para reaccionar con el silicio para formar SiO2 ( comparar con la figura "Desplazamiento de iones en el vidrio de enlace" (2)). Con base en la alta intensidad del 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 específico y una temperatura de enlace. El proceso se realiza a temperaturas de 200 a 500 °C durante aproximadamente 5 a 20 minutos. Por lo general, el tiempo de unión o sellado se hace más largo cuando se reduce 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 enlace. La fina capa de óxido formada entre las superficies de enlace, siloxano (Si-O-Si), asegura la conexión irreversible entre los socios de enlace. [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]
Después del proceso de unión, debe producirse un enfriamiento lento durante varios minutos. Esto puede reforzarse mediante una purga con un gas inerte. El tiempo de enfriamiento depende de la diferencia de CTE de los materiales unidos: cuanto mayor sea la diferencia de CTE, más largo será el período de enfriamiento.