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低温键合工艺

 

 

工艺简述

 

为了满足高装配精度,结构微尺度稳定性,耐高功率特性,严苛环境应用等特殊需求,低温键合(深化光胶)工艺在光学元件的生产上的应用越来越广泛。该工艺主要简述为:洁净平整活性表面的脱水键合。在此分为以下三点进行简述:

 

1.抛光表面粗糙度

表面粗糙度决定键合面的接触面积,而预键合的键合强度与面积成正比。直接给出一些文献的结果(G-W模型),确定粗糙度定量的概念方向。G-W模型基于以下几个边界条件:

粗糙表面的微凸体的高度服从正态分布

微凸体顶部为球形,且所有球形半径相等

微凸体之间无相互作用(刚性接触),且为小变形表面材料各向同性(光学玻璃材料恰好被认为是各向同性)

                       

这里直接给出结果:

其中:N为作用面积上微凸体总数

R为微凸体顶端曲率半径

d为粗糙表面的基准平面与理想刚性平面距离(该项认为是光学表面粗糙度rms值)

Z为轮廓高度,只有轮廓高度>d的条件下发生接触

接触概率:

                  

以上各量做积分处理,得到表面接触面积结果:

                   

综上所述,光学面贴合面积正比于表面粗糙度,接触面积的增加,对应键合强度增加。(这里只给出结论,光学表面粗糙度越好,则表面键合强度越佳,抛光过程如何获得表面粗糙度理论不做深入说明。)

 

2.光学低温键合表面特性:

光学低温键合主要基于SiO2媒介,这点主要取决于Si-OH的脱水键合,该技术名称的”键合”部分,也是由此而来.

SiO2表面含有两种类型的水分子,一种是(三Si-OH),即羟基与(Si-)以氢键方式连接(结合水),这种情况下具有的表面能更大;另一种是Si与H20分子相连(游离水),这种情况下水分子易脱离,对键合作用不起贡献。

预键合初期,基片在室温条件下通过表面间分子作用力使两个表面紧密贴合。经过一段时间键合后,两基片表面的羟基在相互接触的区域内形成氢键,依靠氢键的互相吸引,发生聚合反应,形成交联,这时表面形成大量悬空键。随预键合温度升高,离子和空穴在表面的扩散逐渐加剧,结构发生重构,最后趋于稳定,悬空键逐渐消失,产生硅醇键。由于玻璃中碱离子的存在,降低了玻璃的键合温度,羟基迁移率增加,使基片发生弹性形变,键合面积加大,键合强度随之增加。主要反应式如下:

          

以上反应式,键合过程发生明显的脱水效应,水分子扩散随温度增加呈指数增大,这部分水分子扩散进入表面的孔隙结构,在排出水分子的过程,产生局部真空,引发局部弹性形变,增加键合面积,同时SiO2发生粘滞流动,消除微间隙。随退火时间增加,表面的粘滞回流使键合氧化层的总体积减小,应力驰豫,键合完成。

从这一部分键合表面的定量及定性分析,可以获取一些工艺关键点:

如何增加表面结合水数量(增加表面能)?

如何促进游离水扩散(游离水的聚集引发气泡)?

如何促进表面扩散渗透过程一SiO2薄层媒介的特性选取?

 

3.烘烤(键合促进及退火)

作为光学低温键合工艺的最核心部分,烘烤参数的选定,还是比较谨慎的,这里仅给出一些方向供参考:

3.1键合表面能随温度和时间的变化

键合温度一定时,键合表面能随时间增加至一定值后趋于稳定:

                 

3.2键合强度随退火时间的变化关系:

                  

3.3利用大量的界面羟基及游离水的光谱水峰吸收促进键合过程(附水峰吸收表):

     

烘烤温度的选取,在理论支持的基础上,还要根据基底材料温度特性,镀膜参数设定等因子进行调整,如果是晶体材料,还需要将晶格特性因素一起考虑,所以对应的经验性总结也变得尤为重要。

 

 

 

基于低温键合工艺的光学组件:

 

低温键合(附文简介),又称深化光胶,基于Si-OH化学键的低温(300℃以下)脱水键合效应,是光学装配中一种非常重要的加工手段,在众多高精度光学元件上都得到了广泛的应用。低温键合工艺随光学产业的发展而得到不断的深入使用,同时要求也不断提高,在诸如高抗激光损伤能力,高消光比要求等场合下,低温键合技术成为最重要的工艺实现方式。

通过特殊的表面活性处理技术以及针对各光学材料特性的专用烘烤设备,中科晶创提供高性能的低温键合光学组件,包括:标准具、高功率(N)PBS、深化波片、PBS+波片组件、AR眼镜模组等。

     

 

 

 

 

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