CN1273950A - 一种用于微机械器件制作玻璃/硅键合装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种用于微机械器件制作的玻璃/硅键合装置,主要由探针电极工作台、显微镜、CCD及监视器组件,硅片加热工作台及玻璃片定位工作台四部分组成,实施在玻璃/硅片受热膨胀变形均匀稳定后进行对准并同时键合,使键合对准精度达到1微米的要求,提高了键合器件的精度和性能。

Description

一种用于微机械器件制作玻璃/硅键合装置及其使用方法

本发明涉及微机械加工，特别是一种用于微机械器件制作玻璃/硅的键合装置及其使用方法。

微电子机械系统(Micro Electro Mechanical system简称(MEMS))将微电子技术和微机械技术有效地结合在一起，将信息的获取、处理和执行融为一体，向着高度集成化、微型化、智能化方向发展。目前已经制作成功的MEMS器件有微陀螺，微机械光开关，微麦克风，微加速度计及微压力传感器等，可以广泛应用在空间、信息、汽车、工业控制、通信、大容量数据存储、光信息处理、仪器仪表和国防等领域，产生巨大的经济效益和诱人的应用前景。

现在对MEMS的研究和开发进入了迅速发展阶段，MEMS器件的制作和封装工艺就显得犹为重要。微机械制作工艺一般是与大规模集成电路制作工艺相容的：表面微机械加工工艺，(Lithographie，Galvanoforming，Abfovming简称(LIGA))工艺，深反应离子刻蚀(DRIE，Deep Reactive IonEtching)等。

键合技术是进行传感器封装的基本工艺之一，静电键合技术在电容式和压阻式传感器中应用比较广泛，它指在硅和玻璃上加几百伏至上千伏的静电偏压，受强电场的作用，在较高的温度下，紧密接触的硅、玻璃界面发生化学反应，形成牢固的化学键，使玻璃-硅界面形成良好的封接，其键合强度比玻璃或硅本身更为牢固。键合对准精度的高低，将严重影响MEMS器件的灵敏度或及工作性能。目前，硅/硅键合对准精度在3微米(μm)左右，而硅/玻璃无法控制键合对准精度。

现有的硅/玻璃对准及键合设备，如卡尔修斯(karlsuss)公司生产的设备，它采用对准和键合相分离的方法，包括键合前预对准及静电键合两个独立的装置；常温下先把要键合的玻璃/硅片放置在专用托架上进行预对准，然后将托架整体搬移到专用的键合装置上进行键合。其典型特点为对准时不键合，而键合时又不能对准，所以无法保证器件最终的键合对准精度。这样在键合时(约400℃)玻璃/硅受热膨胀不均匀，从而造成了器件的键合误差。另外它只能对硅/玻璃键合，而不能对玻璃/硅/玻璃三明治式结构键合。

本发明的目的是为了克服上述困难，提供一种用于微机械器件制作玻璃/硅的键合装置及其使用方法，提高键合对准精度，改善和提高所制器件的灵敏度和工作性能。

本发明的实质是在玻璃/硅受热膨胀变形均匀以后实施对准，并同时进行键合。

具体地说，一种用于微机械器件制作玻璃/硅键合装置，其特点在于它包括：

①固定探针电极的工作台，该工作台有x位移手轮，y位移手轮和z位移手轮，固定探针电极的工作台，该工作台有x位移手轮，y位移手轮和z位移手轮；

②用于调节对准时观察对准状况的显微镜、CCD及监视器的组件；

③硅片加热工作台，该加热工作台由电热丝对硅片进行加热，该加热工作台具有z位移手轮和绕z轴旋转手轮；

④玻璃片定位工作台，该定位工作台有x位移细调手轮和x位移粗调手轮，有y位移粗调手轮和y位移细调手轮，还有绝热定位盘用以真空吸附玻璃片。

所述的位移手轮和旋转手轮都可通过电按钮控制驱动；所述的玻璃片定位工作台的位移调节精度＜1微米；

上述玻璃/硅键合装置的使用方法，包括下列步骤：

①将要键合的玻璃片吸附在玻璃片定位工作台的绝热定位盘上并固定在玻璃片定位工作台上；

②将要键合的硅片放在加热工作台的台面上；

③调节z位移手轮，使加热工作台在z方向上上升，使硅片和玻璃片之间保持一定间隙；

④通过硅片加热工作台上的电热丝对硅片进行加热，待键合的玻璃片也同时受热；

⑤当温度升高至键合温度(例如400℃)时，进一步调节位移手轮使硅片和玻璃片进一步靠近，接着粗调玻璃片定位工作台的x位移手轮，y位移手轮和硅片加热工作台的旋转手轮，通过显微镜及监视器观察，使玻璃片与硅片予对准，然后借助于监视器的观察在x、y方向上细调玻璃片定位工作台的x位移手轮和y位移手轮，反复精调对准，精度＜1微米；

⑥调节探针电极工作台的x位移手轮、y位移手轮及z位移手轮，使探针电极压紧玻璃片，硅片作高压电极，探针电极和玻璃片作地电极，进行静电键合。

用上述玻璃/硅键合装置制作玻璃/硅/玻璃三明治式结构，则包括下列步骤：

①将上述已键合的玻璃/硅，按硅片在上玻璃在下地放在加热工作台的台面上；

②将要键合的玻璃片吸附并固定在玻璃片定位工作台上；

③玻璃片与玻璃/硅片对准；

④调节探针电极工作台的x位移手轮、y位移手轮及z位移手轮，使探针电极作为高压电极压紧硅片，探针电极仍作为地电极压紧玻璃，然后进行键合。

本发明的优点如下：

1、与卡尔修斯(karlsuss)公司的键合装置相比，增加了一组探针电极，既可以对玻璃/硅键合，也可以对玻璃/硅/玻璃三明治结构键合。

2、用一种对准键合装置代替了卡尔修斯公司的对准及键合两种独立的装置，并且器件的键合对准精度可以达到1μm。

3、进行对准的高精度微位移机构，既可以手动调节，也可以电动调节。

4、通过更换绝热定位盘面，可以对不同尺寸的玻璃/硅进行键合。

下面结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明的玻璃/硅键合装置实施例结构的组合示意图。

1-固定探针电极5的工作台

2-工作台1x位移手轮

3-工作台1y位移手轮

4-工作台1z位移手轮

5-探针电极

6-固定探针电极10的工作台

7-工作台6x位移手轮

8-工作台6y位移手轮

9-工作台6z位移手轮

10-探针电极

11-显微镜、CCD及监视器组件

12-显微镜

13-监视器

14-玻璃片定位工作台

15-玻璃片定位工作台14的x位移手轮(细调)

16-玻璃片定位工作台14的x位移手轮(粗调)

17-玻璃片定位工作台14y位移手轮(粗调)

18-玻璃片定位工作台14y位移手轮(细调)

19-绝热定位盘

20-玻璃片

21-加热工作台

22-加热工作台的台面

23-硅片

24-电热丝

25-位移手轮

26-加热工作台21旋转手轮

本发明的玻璃/硅键合装置主要包括固定探针电极工作台、显微镜、CCD及监视器组件，硅片加热工作台及玻璃片定位工作台四部分，具体地说：一种用于微机械器件制作玻璃/硅键合装置，其特点在于它包括：①固定探针电极5的工作台1，该工作台1有x位移手轮2，y位移手轮3和z位移手轮4，固定探针电极10的工作台6，该工作台6有x位移手轮7，y位移手轮8和z位移手轮9；②用于调节对准时观察对准状况的显微镜12、CCD及监视器13的组件；③硅片加热工作台21，该加热工作台21由电热丝24对硅片23进行加热，该加热工作台21具有z位移手轮25和绕z轴旋转手轮26；④玻璃片定位工作台14，该定位工作台14有x位移细调手轮15和x位移粗调手轮16，有y位移粗调手轮17和y位移细调手轮18，还有绝热定位盘19用以真空吸附玻璃片。固定探针电极工作台共两组，可以在x，y，z三个自由度方向上移动，并在键合时压紧玻璃或硅片。显微镜、CCD及监视器组件在调节对准时主要用来观察对准状况。硅片加热工作台可以对硅片和玻璃加热，z向移动和绕z向转动进行调节对准。玻璃片定位工作台用于固定玻璃片，并可以在x，y方向移动调节对准。

本发明涉及的装置把要键合的玻璃/硅通过电热丝加热，到键合温度时，或者达到基本稳定的膨胀变形，用显微镜12及监视器13观察，调节具有高精度位移的硅片加热工作台21和玻璃片定位工作台14，实现精度达到1μm的对准。此时通过探针电极工作台1上的探针5以及硅片施加高压进行静电键合。最终可以获得高对准精度的微器件。

简而言之，本装置通过高精度微位移机构和CCD显示观察装置，以及热稳定时对准及键合的方法，可以获得键合对准精度为1μm的微器件。

本发明装置的使用方法及步骤如下：

首先把要键合的玻璃片20吸附在绝热定位盘面19上，并固定在玻璃片定位工作台14上，而硅片23放在加热工作台21的台面22上。调节手轮25，使加热工作台在z方向上上升，使硅片/玻璃保持一定的间隙。通过硅片加热工作台21上的电热丝24对硅片23进行加热，待键合的玻璃片20也同时受热。温度升高至键合温度时，调节位移手轮25使硅片23和玻璃片20紧密接触。接着粗调玻璃片定位工作台的x位移手轮16，y位移手轮17及硅片加热工作台旋转手轮26，通过显微镜12及监视器13观察，使玻璃/硅片预对准。然后借助于监视器的观察在x，y方向上细调玻璃片定位工作台的x位移手轮15，y位移手轮18，对二者进行精确对准，精度可以达到1μm。此时二者受热均匀，对准后可以保证键合时误差较小。调节探针电极工作台1的x位移手轮2，y位移手轮3及z位移手轮4，使探针电极5压紧玻璃片，硅片作为高压电极，探针电极5及玻璃片作为地电极，进行静电键合。

如果要对玻璃/硅/玻璃三明治结构键合。则应把已经键合的玻璃/硅，按硅片在上玻璃片在下地放在加热工作台21的台面22上。重复上面的对准步骤，精确对准以后，调节探针电极工作台6的x位移手轮7，y位移手轮8及z位移手轮9，使探针电极10作为高压电极压紧硅片，探针电极5仍作为地电极压紧玻璃，然后进行键合。

Claims (5)

1、一种用于微机械器件制作玻璃/硅键合装置，其特征在于它包括：

①固定探针电极(5)的工作台(1)，该工作台(1)有x位移手轮(2)，y位移手轮(3)和z位移手轮(4)，固定探针电极(10)的工作台(6)，该工作台(6)有x位移手轮(7)，y位移手轮(8)和z位移手轮(9)；

②用于调节对准时观察对准状况的显微镜(12)、CCD及监视器(13)的组件；

③硅片加热工作台(21)，该加热工作台(21)由电热丝(24)对硅片(23)进行加热，该加热工作台(21)具有z位移手轮(25)和绕z轴旋转手轮(26)；

④玻璃片定位工作台(14)，该定位工作台(14)有x位移细调手轮(15)和x位移粗调手轮(16)，有y位移粗调手轮(17)和y位移细调手轮(18)，还有绝热定位盘(19)用以真空吸附玻璃片。

2、根据权利要求1所述的玻璃/硅键合装置，其特征在于所述的位移手轮和旋转手轮都可通过电按钮控制驱动。

3、根据权利要求1所述的玻璃/硅键合装置，其特征在于所述的玻璃片定位工作台(21)的位移调节精度＜1微米。

4、根据权利要求1所述的玻璃/硅键合装置的使用方法，其特征在于包括下列步骤：

①将要键合的玻璃片(20)吸附在玻璃片定位工作台(14)的绝热定位盘(19)上并固定在玻璃片定位工作台(14)上；

②将要键合的硅片(23)放在加热工作台(21)的台面(22)上；

③调节z位移手轮(25)，使加热工作台(21)在z方向上上升，使硅片(23)和玻璃片(20)之间保持一定间隙；

④通过硅片加热工作台(21)上的电热丝(24)对硅片(23)进行加热，待键合的玻璃片(20)也同时受热；

⑤当温度升高至键合温度(例如400℃)时，进一步调节位移手轮(25)使硅片(23)和玻璃片(20)进一步靠近，接着粗调玻璃片定位工作台的x位移手轮(16)，y位移手轮(17)和硅片加热工作台(21)的旋转手轮(26)，通过显微镜(12)及监视器(13)观察，使玻璃片(20)与硅片(23)予对准，然后借助于监视器(13)的观察在x、y方向上细调玻璃片定位工作台的x位移手轮(15)和y位移手轮(18)，反复精调对准，精度＜1微米；

⑥调节探针电极工作台(1)的x位移手轮(2)、y位移手轮(3)及z位移手轮(4)，使探针电极(5)压紧玻璃片(20)，硅片(23)作高压电极，探针电极(5)和玻璃片(20)作地电极，进行静电键合。

5、根据权利要求4所述的玻璃/硅键合装置的使用方法，其特征在于：

①将上述已键合的玻璃/硅，按硅片在上玻璃在下地放在加热工作台(21)的台面(22)上；

②将要键合的玻璃片(20)吸附并固定在玻璃片定位工作台(14)上；

③玻璃片(20)与玻璃/硅片对准；

④调节探针电极工作台(6)的x位移手轮(7)、y位移手轮(8)及z位移手轮(9)，使探针电极(10)作为高压电极压紧硅片，探针电极(5)仍作为地电极压紧玻璃，然后进行键合。

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