การเชื่อมแบบแอโนดิกเป็น กระบวนการ เชื่อมแผ่นเวเฟอร์เพื่อปิดผนึกกระจกกับซิลิคอนหรือโลหะโดยไม่ต้องใช้ชั้นตัวกลาง การเชื่อมแบบแอโนดิกมักใช้ในการปิดผนึกกระจกกับแผ่นเวเฟอร์ ซิลิคอนในด้านอิเล็กทรอนิกส์และไมโครฟลู อิดิกส์ การเชื่อมแบบแอโนดิก หรือที่รู้จักกันในชื่อการเชื่อมแบบใช้สนามไฟฟ้าช่วยหรือการปิดผนึกด้วยไฟฟ้าสถิต^{[ 1 ]}ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการเชื่อมต่อซิลิคอน / กระจกและโลหะ /กระจกผ่านสนามไฟฟ้าข้อกำหนดสำหรับการเชื่อมแบบแอโนดิกคือพื้นผิวเวเฟอร์ต้องสะอาดและเรียบ และมีการสัมผัสระดับอะตอมระหว่างวัสดุที่เชื่อมผ่านสนามไฟฟ้าสถิตที่มีกำลังเพียงพอ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องใช้กระจกโบโรซิลิเกตที่มีความเข้มข้นของไอออนอัลคาไลสูงค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ของกระจกที่ผ่านกระบวนการต้องใกล้เคียงกับของวัสดุที่เชื่อม^{[ 2 ]}

การเชื่อมประสานแบบแอโนดิกสามารถทำได้กับแผ่นเวเฟอร์แก้วที่อุณหภูมิ 250 ถึง 400 °C หรือกับแก้วสปัตเตอร์ที่ 400 °C ^{[ 3 ]}ชั้นแก้วบอโรซิลิเกตที่มีโครงสร้างยังสามารถตกตะกอนได้ด้วยการระเหยด้วยลำแสงอิเล็กตรอนโดยใช้พลาสมาช่วย^{[ 4 ​​]}

ขั้นตอนนี้ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการห่อหุ้มแบบสุญญากาศขององค์ประกอบซิลิคอนเชิงกลขนาดเล็ก การห่อหุ้มพื้นผิวแก้วช่วยป้องกันอิทธิพลจากสิ่งแวดล้อม เช่น ความชื้นหรือการปนเปื้อน^{[ 2 ]}นอกจากนี้ ยังมีการใช้วัสดุอื่น ๆ สำหรับการเชื่อมประสานแอโนดกับซิลิคอน เช่น เซรามิกเผาที่อุณหภูมิต่ำ (LTCC) ^{[ 5 ]}

การเชื่อมประสานแบบแอโนดิกบนพื้นผิวซิลิคอนแบ่งออกเป็นการเชื่อมประสานโดยใช้แผ่นกระจกบาง (เวเฟอร์) หรือชั้นกระจกที่เคลือบลงบนซิลิคอนโดยใช้เทคนิคต่างๆ เช่น การสปัตเตอร์ เวเฟอร์กระจกมักจะเป็นกระจก Borofloat หรือ Pyrex ที่มีโซเดียมเป็นส่วนประกอบ การใช้ชั้นกระจกตรงกลางทำให้สามารถเชื่อมต่อเวเฟอร์ซิลิคอนสองแผ่นได้^{[ 6 ]}ชั้นกระจกจะถูกเคลือบโดยการสปัตเตอร์ การเคลือบสารละลายกระจกแบบหมุน หรือการตกตะกอนไอระเหยลงบนเวเฟอร์ซิลิคอนที่ผ่านการประมวลผลแล้ว^{[ 3 ]}ความหนาของชั้นเหล่านี้มีตั้งแต่หนึ่งถึงไม่กี่ไมโครเมตร โดยชั้นกระจกแบบหมุนต้องการความหนา 1 ไมโครเมตรหรือน้อยกว่า^{[ 6 ]}การปิดผนึกแบบสุญญากาศของซิลิคอนกับกระจกโดยใช้ชั้นอะลูมิเนียมที่มีความหนา 50 ถึง 100 นาโนเมตรสามารถมีความแข็งแรงได้ถึง 18.0 MPa วิธีนี้ทำให้สามารถฝังตัวนำที่แยกทางไฟฟ้าไว้ในส่วนต่อประสานได้^{[ 7 ]}การเชื่อมประสานเวเฟอร์ที่ผ่านการออกซิไดซ์ด้วยความร้อนโดยไม่มีชั้นกระจกก็เป็นไปได้เช่นกัน

ขั้นตอนการดำเนินการของการเชื่อมแอโนดิกแบ่งออกเป็นดังต่อไปนี้: ^{[ 2 ]}

1. พื้นผิวสัมผัส
2. การให้ความร้อนแก่พื้นผิว
3. การยึดติดโดยการใช้สนามไฟฟ้าสถิต
4. การทำให้แผ่นเวเฟอร์เย็นตัวลง

โดยมีกระบวนการที่มีลักษณะเฉพาะด้วยตัวแปรต่อไปนี้: ^{[ 8 ]}

• แรงดันพันธะ U
• อุณหภูมิพันธะ T
• ข้อจำกัดปัจจุบัน I

โดยทั่วไปแล้ว ความแข็งแรงของพันธะจะอยู่ระหว่าง 10 ถึง 20 เมกะพาสกอร์ (MPa) ตามการทดสอบแรงดึง ซึ่งสูงกว่าความแข็งแรงในการแตกหักของกระจก

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกันก่อให้เกิดความท้าทายสำหรับการเชื่อมประสานแบบแอโนดิก ความไม่ตรงกันมากเกินไปของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนอาจเป็นอันตรายต่อการเชื่อมประสานผ่านแรงตึงของวัสดุภายในและทำให้เกิดการหยุดชะงักในวัสดุที่เชื่อมประสาน การใช้แก้วที่มีโซเดียมเป็นส่วนประกอบ เช่น Borofloat หรือ Pyrex ช่วยลดความไม่ตรงกันดังกล่าว แก้วเหล่านี้มีค่า CTE ใกล้เคียงกับซิลิคอนในช่วงอุณหภูมิที่ใช้ ซึ่งโดยทั่วไปสูงถึง 400 °C ^{[ 9 ]}

การเชื่อมแบบแอโนดิกได้รับการกล่าวถึงครั้งแรกโดย Wallis และ Pomerantz ในปี พ.ศ. 2512 ^{[ 1 ]}มีการใช้การเชื่อมแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนกับแผ่นเวเฟอร์แก้วที่มีโซเดียมภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าที่ใช้ วิธีนี้ยังคงใช้มาจนถึงปัจจุบันในการห่อหุ้มเซ็นเซอร์ด้วยแก้วนำไฟฟ้า^{[ 10 ]}

กระบวนการเชื่อมประสานแบบแอโนดิกสามารถเชื่อมประสานพื้นผิวซิลิคอนแบบชอบน้ำและไม่ชอบน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพเท่ากัน ความหยาบของพื้นผิวควรน้อยกว่า 10 นาโนเมตรและปราศจากสิ่งปนเปื้อนบนพื้นผิวเพื่อให้กระบวนการทำงานได้อย่างถูกต้อง^{[ 8 ]}แม้ว่าการเชื่อมประสานแบบแอโนดิกจะค่อนข้างทนต่อสิ่งปนเปื้อน แต่ก็มีกระบวนการทำความสะอาดRCAที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางเพื่อกำจัดสิ่งสกปรกบนพื้นผิว

แผ่นเวเฟอร์แก้วยังสามารถกัดด้วยสารเคมีหรือพ่นด้วยผงเพื่อสร้างโพรงขนาดเล็ก ซึ่งสามารถรองรับอุปกรณ์ MEMS ได้^{[ 11 ]}

กลไกเพิ่มเติมที่สนับสนุนกระบวนการยึดติดของวัสดุแอโนดที่ไม่เฉื่อยอย่างสมบูรณ์ ได้แก่ การปรับพื้นผิวให้เรียบหรือขัดเงา และการกำจัดชั้นผิวโดยการกัดด้วยไฟฟ้าเคมี^{[ 8 ]}

แผ่นเวเฟอร์ที่ตรงตามข้อกำหนดจะถูกนำมาสัมผัสกันในระดับอะตอม ทันทีที่การสัมผัสเริ่มต้นขึ้น กระบวนการเชื่อมประสานจะเริ่มต้นใกล้กับแคโทดและกระจายออกไปด้านหน้าจนถึงขอบ โดยกระบวนการนี้ใช้เวลาหลายนาที^{[ 12 ]} ขั้นตอนการเชื่อมประสานแบบแอโนดิกนั้นใช้แผ่นเวเฟอร์แก้วซึ่งโดยปกติจะวางอยู่เหนือแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน อิเล็กโทรดจะสัมผัสกับแผ่นเวเฟอร์แก้วโดยผ่านเข็มหรืออิเล็กโทรดแคโทดแบบเต็มพื้นที่

หากใช้อิเล็กโทรดแบบเข็ม พันธะจะกระจายออกไปด้านนอกในแนวรัศมี ทำให้ไม่สามารถดักจับอากาศระหว่างพื้นผิวได้ รัศมีของพื้นที่ที่เชื่อมต่อกันจะเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับรากที่สองของเวลาที่ผ่านไปในระหว่างกระบวนการ ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 350 ถึง 400 °C และแรงดันเชื่อมต่อ 500 ถึง 1000 V วิธีนี้ไม่มีประสิทธิภาพและไม่น่าเชื่อถือมากนัก^{[ 13 ]}

การใช้อิเล็กโทรดแคโทดแบบเต็มพื้นที่แสดงให้เห็นปฏิกิริยาพันธะทั่วทั้งอินเทอร์เฟซหลังจากเพิ่มศักยภาพ^{[ 8 ]}ซึ่งเป็นผลมาจากการกระจายสนามไฟฟ้าที่เป็นเนื้อเดียวกันที่อุณหภูมิประมาณ 300 °C และแรงดันพันธะ 250 V ^{[ 13 ]}การใช้ชั้นแก้วที่เคลือบแบบบางสามารถลดแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการได้อย่างมาก^{[ 4 ]}

แผ่นเวเฟอร์จะถูกวางไว้ระหว่างหัวจับและเครื่องมือด้านบนที่ใช้เป็นอิเล็กโทรดเชื่อมต่อที่อุณหภูมิระหว่าง 200 ถึง 500 °C (เปรียบเทียบกับภาพ "แผนผังขั้นตอนการเชื่อมต่อแบบแอโนดิก") แต่ต่ำกว่าจุดอ่อนตัวของแก้ว ( อุณหภูมิ การเปลี่ยนสถานะของแก้ว ) ^{[ 11 ]}ยิ่งอุณหภูมิสูง การเคลื่อนที่ของไอออนบวกในแก้วก็จะยิ่งดีขึ้น

ศักย์ไฟฟ้าที่ใช้มีค่าหลายร้อยโวลต์^{[ 8 ]}ทำให้เกิดการแพร่กระจายของไอออนโซเดียม (Na ⁺ ) ออกจากส่วนต่อประสานของพันธะไปยังด้านหลังของกระจกไปยังแคโทด เมื่อรวมกับความชื้น จะส่งผลให้เกิดการก่อตัวของ NaOH แรงดันไฟฟ้าสูงช่วยสนับสนุนการเคลื่อนที่ของไอออนบวกในกระจกไปยังแคโทด การแพร่กระจายนั้นสอดคล้องกับการกระจายแบบโบลต์ซมันน์โดยมีความสัมพันธ์แบบเอกซ์โปเนนเชียลกับอุณหภูมิ กระจก (NaO ) ที่มีไอออนออกซิเจน (O ²⁻ ) เหลืออยู่จะมีประจุลบที่พื้นผิวพันธะเมื่อเทียบกับซิลิคอน (เปรียบเทียบกับรูป "การเคลื่อนที่ของไอออนในกระจกพันธะ" (1)) ซึ่งขึ้นอยู่กับการลดลงของไอออน Na ⁺

ต่างจากอะลูมิเนียม ซิลิคอนเป็นแอโนดเฉื่อย ดังนั้นจึงไม่มีไอออนเคลื่อนที่ออกจากซิลิคอนเข้าไปในกระจกในระหว่างกระบวนการเชื่อม ทำให้เกิดประจุปริมาตรบวกในแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนด้านตรงข้าม^{[ 12 ]} ส่งผลให้เกิด บริเวณพร่องที่มีความต้านทาน สูงหนาไม่กี่ไมโครเมตร (μm) ที่บริเวณกั้นการเชื่อมในแผ่นเวเฟอร์กระจก ในช่องว่างระหว่างซิลิคอนและกระจก แรงดันไฟฟ้าในการเชื่อมจะลดลง กระบวนการเชื่อมเริ่มต้นขึ้น ซึ่งเป็นการรวมกันของกระบวนการทางไฟฟ้าสถิตและทางเคมีไฟฟ้า

ความเข้มของสนามไฟฟ้าในบริเวณการพร่องนั้นสูงมากจนไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่ไปยังส่วนต่อประสานของพันธะและผ่านไปทำปฏิกิริยากับซิลิคอนเพื่อสร้าง SiO2 เปรียบเทียบกับรูป "การเคลื่อนที่ของไอออนในกระจกพันธะ" (2)) โดยอาศัยความเข้มของสนามสูงในบริเวณการพร่องหรือในช่องว่างที่ส่วนต่อประสาน พื้นผิวเวเฟอร์ทั้งสองจะถูกกดเข้าด้วยกันที่แรงดันพันธะและอุณหภูมิพันธะที่กำหนด อุณหภูมิจะคงอยู่ที่ 200 ถึง 500 °C เป็นเวลาประมาณ 5 ถึง 20 นาที โดยทั่วไปแล้ว เวลาในการเชื่อมหรือปิดผนึกจะนานขึ้นเมื่ออุณหภูมิและแรงดันลดลง^{[ 14 ]}แรงดันที่ใช้จะสร้างการสัมผัสที่แนบสนิทระหว่างพื้นผิวเพื่อให้แน่ใจว่ามีการนำไฟฟ้าที่ดีข้ามคู่เวเฟอร์^{[ 15 ]}และระหว่างพื้นผิวของคู่พันธะ ชั้นออกไซด์บางๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างพื้นผิวพันธะ ซิลิออกเซน (Si-O-Si) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ระหว่างคู่พันธะ^{[ 8 ]}

หากใช้เวเฟอร์ที่ผ่านการออกซิไดซ์ด้วยความร้อนโดยไม่มีชั้นแก้ว การแพร่กระจายของไอออน OH ⁻และ H ⁺แทนที่จะเป็นไอออน Na ⁺จะนำไปสู่การยึดติด^{[ 12 ]}

หลังจากกระบวนการเชื่อมติดเสร็จสิ้นแล้ว จะต้องทำการระบายความร้อนอย่างช้าๆ เป็นเวลาหลายนาที ซึ่งสามารถทำได้โดยการไล่ก๊าซเฉื่อยออกไป ระยะเวลาในการระบายความร้อนขึ้นอยู่กับความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ของวัสดุที่เชื่อมติด ยิ่งความแตกต่างของ CTE มากเท่าไร ระยะเวลาในการระบายความร้อนก็จะยิ่งนานขึ้นเท่านั้น