Cold Joining of Glass and Ceramics for Structural and Functional Applications

摘要

在自然界中，含有大量二氧化硅的沉积岩可由风化的碎屑物以及溶解的物质经过运输、沉积以及成岩作用形成。其次，自然界中主要成分为碳酸钙的钟乳石由矿物质沉淀形成。碳酸钙溶解在含有二氧化碳的水中，从而增加碳酸氢钙的浓度。通过加热/干燥，溶解在水中的碳酸氢钙会沉淀。因此，溶洞顶部的水缓慢向下流动时，将发生上述反应，顶部缓慢沉积形成了钟乳石。沉积岩和钟乳石均是通过溶解-再沉淀过程形成的。从中汲取灵感，模仿这些过程，我们尝试通过开发冷连接方法来连接无机材料。　　键合后的熔融石英-熔融石英具有广泛的用途，在其界面上产生高质量的键合对于在干涉测量、显微镜、真空、国防和太空应用中使用的复杂光学组件极其重要。例如半导体领域中使用的光刻步进机的位移测量干涉仪，激光瞄准系统和激光测距仪。在这些情况下，必须实现熔融石英之间的键合。本文以冷连接法实现了熔融石英-熔融石英、硅片-硅片的键合，研究了不同的工艺参数对键合质量的影响。　　本文以高纯SiO2的熔融石英为原材料，NaOH或KOH溶液为键合溶液，在室温下实现了熔融石英间的键合。冷连接法基于溶解-再沉淀过程，因此二氧化硅在碱性溶液中溶解度的大小起着重要作用。而溶液浓度的大小以及压力的大小都会影响溶解度。所以首先在压力300MPa下，研究了不同氢氧化钠溶液浓度对键合质量的影响。通过万能试验机测试样品的剪切强度，当NaOH溶液浓度为5mol/L时样品的剪切强度最高。SEM检测结果表明，当NaOH溶液的浓度低于5mol/L时，界面存在孔隙；当NaOH溶液的浓度高于5mol/L时，界面间的晶体尺寸增加导致界面间距增大，这都将降低样品的剪切强度以及透光度。随着压力的增加，样品的剪切强度先增加后降低。不施加压力时无法促进二氧化硅在碱溶液中溶解，但压力过高又会导致界面间的溶液被挤出。实验表明当压力为300MPa，NaOH溶液浓度为5mol/L时，样品的界面间距仅有27.5nm，剪切强度高达17.73MPa,同时透光度可达到93%。到目前为止，在室温下完成连接的其他方法，在1000℃下都会失效。但是，在此实验中，将连接的样品加热到1000℃之后，施压300MPa的样品的剪切强度仍有11.7MPa，只是无压的样品经过高温加热后大多数都会分开。也探究了NaOH和KOH溶液分别对键合质量的影响，由于KOH的碱性强于NaOH，更能促进二氧化硅的溶解，所以使用KOH溶液的样品的剪切强度高于使用氢氧化钠溶液的样品的剪切强度。同时还探究了样品表面的粗糙度对键合后样品剪切强度的影响，使用5mol/LNaOH溶液，当样品的表面的粗糙度从0.0134μm增至3.11μm时，施加压力300MPa的样品的剪切强度从17.73MPa降至8.72MPa，而不施加的压力的样品的剪切强度从12.3MPa降至7.78MPa。这表明在冷连接法中，键合溶液以及键合压力对键合强度的影响很大。　　熔融石英的连接可以通过冷接合方法来实现，并且还能获得较高的剪切强度和透光度。而在半导体领域，硅片的连接同样是广泛需要的，因此在此基础上进行了硅片的连接实验。分别以NaOH和KOH溶液为键合溶液，在无压下探究了高温加热前后界面厚度的变化。由于熔融石英具有脆的特性，测量其界面厚度十分困难。所以借此实验来补充探究界面厚度对剪切强度的影响，并未对此实验进行系统地研究。由SEM结果表明，当温度升高至1000℃后，由于界面处二氧化硅的失透性，导致键合硅片的界面厚度增加。使用KOH溶液的界面厚度小于使用NaOH溶液的界面厚度，这是因为KOH溶液更能促进硅烷醇团的缩聚反应。由于键合后的界面厚度越小，键合的强度也就越高。所以当使用5mol/LKOH溶液时，熔融石英的剪切强度更高。而经高温加热后，熔融石英的剪切强度也因此降低。