表面處理輔助微晶玻璃與不銹鋼陽(yáng)極鍵合及其鍵合機(jī)理的研究.pdf

1、近年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多的研究者始終關(guān)注于硅-玻璃、玻璃-玻璃之間的陽(yáng)極鍵合,涉及到玻璃-金屬以及其他材料之間的陽(yáng)極鍵合研究較少。隨著對(duì)器件性能的要求越來(lái)越高,器件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,尤其在微執(zhí)行器、微動(dòng)力、軍用微器件中,對(duì)各種金屬和合金材料、高分子聚合物、石英陶瓷等非硅材料使用需求越來(lái)越大,而且隨著MEMS(Microelectronicmechanicalsystem,微機(jī)電系統(tǒng))應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,非硅材料所占比重將進(jìn)一步擴(kuò)大。非硅MEMS

2、技術(shù)呈快速增長(zhǎng)趨勢(shì),其優(yōu)點(diǎn)是加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、材料選擇面較廣、成本低、可靠性好,在航空、航天、信息、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境、軍事及其它幾乎人們所接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。
　　 本課題擬借鑒前人在硅-玻璃、玻璃-玻璃之間陽(yáng)極鍵合的相關(guān)研究成果,在實(shí)驗(yàn)室前期研究基礎(chǔ)上,利用薄膜作為中間過(guò)渡層材料和等離子體清洗技術(shù)來(lái)促進(jìn)微晶玻璃和不銹鋼材料(430＃)陽(yáng)極鍵合。開(kāi)展不銹鋼表面鍍膜(SiO2薄膜、Al-Si薄膜)后與微晶玻璃

3、材料進(jìn)行陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn),其實(shí)質(zhì)是利用薄膜作為中間過(guò)渡層材料完成鍵合,希望能夠降低其鍵合溫度或電壓。在陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn)前使用等離子體清洗技術(shù)活化清洗基片表面,以增加基片表面的親水性,希望提高其鍵合強(qiáng)度。通過(guò)研究不同表面處理方式(基片表面鍍膜、等離子體活化清洗基片)下不銹鋼材料與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合的性能以及鍵合后界面的微觀結(jié)構(gòu)來(lái)初步探索其陽(yáng)極鍵合的機(jī)理。通過(guò)研究表面處理方式對(duì)其陽(yáng)極鍵合的影響,期望能夠降低陽(yáng)極鍵合溫度(電壓),提高鍵合性能,為構(gòu)造新

4、型微機(jī)電器件探索更廣泛的材料來(lái)源。
　　 本課題首先制備出適合與不銹鋼陽(yáng)極鍵合用Li2O-Na2O-K2O-Al2O3-SiO2(RAS)系微晶玻璃,并對(duì)其析晶動(dòng)力學(xué)和相關(guān)性能進(jìn)行研究,分別開(kāi)展大氣和真空條件下,不同表面處理技術(shù)輔助不銹鋼與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn),先后取得了一些相關(guān)研究成果。通過(guò)對(duì)RAS系微晶玻璃的析晶動(dòng)力學(xué)和相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試分析,制備出熱學(xué)性能(熱膨脹系數(shù))相匹配、電學(xué)性能(電導(dǎo)率、介電常數(shù)、介電損耗等)優(yōu)良適合

5、與不銹鋼材料陽(yáng)極鍵合用微晶玻璃。在大氣和真空下,普通清洗、鍍SiO2薄膜、鍍Al-Si膜、等離子體清洗等不同表面處理技術(shù)條件下不銹鋼與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合實(shí)驗(yàn),對(duì)鍵合反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試分析,并對(duì)其鍵合機(jī)理進(jìn)行了探索研究。
　　 相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:
　　 1、首先利用DSC法對(duì)RAS系基礎(chǔ)玻璃的析晶動(dòng)力學(xué)進(jìn)行相關(guān)研究,利用Kissinger方程等計(jì)算出基礎(chǔ)玻璃的轉(zhuǎn)變活化能、析晶活化能、析晶指數(shù)等參數(shù)。計(jì)算所得基礎(chǔ)玻璃的析晶

6、動(dòng)力學(xué)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合,由于兩組份基礎(chǔ)玻璃中Li2O和晶核劑P2O5的含量不同,并且Li2O參與形成主晶相,導(dǎo)致兩組份基礎(chǔ)玻璃析晶方式存在差異。經(jīng)熱處理后A組份樣品存在晶型轉(zhuǎn)變,主晶相為柱狀Li2Si2O5和針狀Li2SiO3；B組份樣品晶型單一不發(fā)生轉(zhuǎn)變,為針狀Li2SiO3晶體。
　　 2、在選取的熱處理制度中,A組份RAS系微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)為(400℃)110～122×10-7／℃,B組份微晶玻璃的熱膨脹系數(shù)(40

7、0℃)為125～133×10-7／℃,B組樣品可以與430#不銹鋼更好地?zé)崞ヅ洹．?dāng)測(cè)試溫度高于150℃時(shí),RAS系微晶玻璃的電導(dǎo)率比基礎(chǔ)玻璃要小,具有良好的高溫絕緣性。室溫下,RAS系微晶玻璃的介電常數(shù)、介電損耗比基礎(chǔ)玻璃小。隨著測(cè)試頻率(30MHz-300MHz)的升高,各樣品介電常數(shù)、介電損耗值變化較小,表現(xiàn)出良好的高頻穩(wěn)定性。1MHz下,RAS系微晶玻璃的介電常數(shù)、介電損耗比基礎(chǔ)玻璃小,各樣品的介電常數(shù)、介電損耗隨測(cè)試溫度(室溫～

8、400℃)升高而逐漸增大。
　　 3、采用溶膠凝膠法成功地在不銹鋼表面鍍上均勻的SiO2非晶態(tài)薄膜,厚度為120～250nm,表面基本平整。當(dāng)溶膠配比為T(mén)EOS和無(wú)水乙醇的體積比為1:1.5,提拉速度為1cm／min,熱處理溫度為450℃時(shí),所鍍的薄膜效果較好。采用磁控濺射法成功地在不銹鋼表面鍍上均勻的Al-Si非晶態(tài)薄膜,薄膜厚度為20～100nm,表面很平整。隨著濺射溫度的升高,Al—Si薄膜變厚,結(jié)構(gòu)更加致密、平整。隨著工

9、作氣壓的增大,Al-Si薄膜變薄,表面更加光滑、致密性也有所提高。濺射溫度為200℃、濺射氣壓為2Pa時(shí),所鍍的薄膜效果較好。
　　 4、不銹鋼經(jīng)SiO2薄膜、Al-Si薄膜和等離子體表面處理后,在大氣下不銹鋼與微晶玻璃在350℃～800V下均可以鍵合成功。經(jīng)表面處理后,其鍵合反應(yīng)產(chǎn)物中含有Cr、Fe的含量明顯比不銹鋼與微晶玻璃直接陽(yáng)極鍵合反應(yīng)產(chǎn)物要高,說(shuō)明表面處理促進(jìn)了微晶玻璃與不銹鋼陽(yáng)極鍵合反應(yīng)。但是在真空環(huán)境中,上述表面處

10、理技術(shù)未能實(shí)現(xiàn)不銹鋼與微晶玻璃鍵合成功。通過(guò)對(duì)比分析鍵合反應(yīng)物的成分,說(shuō)明大氣下由于氧氣的存在更加有利于鍵合反應(yīng)的發(fā)生。
　　 5、不銹鋼與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合結(jié)合界面缺陷較多,鍵合質(zhì)量較低,由于微晶玻璃接陰極表面存在微小孔洞,在電場(chǎng)電擊穿作用下微晶玻璃接陰極表面碳化形成很多褐斑,還需要對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行不斷改善以滿足鍵合質(zhì)量要求。其鍵合只是界面部分鍵合,鍵合強(qiáng)度雖然不高(小于5MPa),但Al-Si薄膜輔助不銹鋼與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合可以

11、在350℃～600V下鍵合成功,為低溫低壓下陽(yáng)極鍵合進(jìn)行了探索研究。
　　 6、在不銹鋼與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程中,鍵合氣氛和各種表面輔助處理技術(shù)不會(huì)影響其最終鍵合反應(yīng)物,鍵合反應(yīng)產(chǎn)物主要為鋰鐵氧化物(LiFeO2、LiFe5O8和Li5FeO4)。不銹鋼與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合過(guò)程結(jié)束后,在微晶玻璃接近不銹鋼表面形成厚度約40～50μm的陽(yáng)離子損耗層區(qū)域,該區(qū)域Na+、K+濃度迅速下降但Si2+、O2-濃度緩慢上升。
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12、、在不銹鋼與微晶玻璃直接陽(yáng)極鍵合過(guò)程中,在溫度場(chǎng)和電場(chǎng)作用下由于微晶玻璃中堿金屬離子發(fā)生遷移而形成靜電場(chǎng)力,使得鍵合基片界面緊密接觸,最后微晶玻璃中的氧離子向不銹鋼表面遷移并和Fe發(fā)生不可逆反應(yīng),形成新的氧化物最終完成鍵合。所以真空條件下,由于杜絕了空氣中的氧氣存在,致使真空下不銹鋼與微晶玻璃陽(yáng)極鍵合反應(yīng)要比大氣下弱的多。另外,氧等離子體活化清洗處理后,鍵合基片表面富含氧離子,可以促進(jìn)氧離子與不銹鋼中更多的Fe發(fā)生反應(yīng),所以氧等離子體活