CN1307683C - 一种传感器小间隙非粘连静电封接方法 - Google Patents
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Abstract
一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，其特征是封接电压的引入方式：将器件依硅材料(1)—玻璃(2)—加热板(3)次序由上至下叠放，将硅材料(1)的可动质量块(4)和玻璃(2)上金属电极层(5)相互对准，将硅材料(1)上的电极引线(7)和玻璃(2)上金属电极层(5)的电极引线(7)相连并和直流电压的正极相接，保证硅材料(1)、金属电极层(5)间电位相同，玻璃(2)通过加热板(3)连接到直流电压的负电极；封接条件：对岛梁型和岛膜型的敏感器件的封接温度采用310—330℃，封接电压采用550—650V，封接时间为15分钟。本发明通过改变封接电压的引入方式，保证硅材料、金属电极层间电位相同，消除了其间的静电引力造成电极粘连，实现了小间隙敏感器件的静电全硬封连接，确保了传感器蠕变更小，具有更可靠的长期稳定性。
Description
技术领域 本发明涉及传感器制造技术领域，一种小间隙非粘连静电封接方法。
背景技术
静电封接又称场助键合或阳极键合。它可以将玻璃与金属、合金或半导体键合在一起而不用任何粘结剂。这种键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好，是传感器和集成电路制造技术的关键工艺。其封接工艺见示意图1，把将要键合的硅片1接电源正极，玻璃2接负极，电压500~1000V。将玻璃-硅片加热到300~500℃。在电压作用时，玻璃中的Na+将向负极方向漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层，耗尽层宽度约为几微米。耗尽层带有负电荷，硅片带正电荷，硅片和玻璃之间存在较大的静电引力，使二者紧密接触。这样外加电压就主要加在耗尽层上。通过电路中电流的变化情况可以反映出静电键合的过程。刚加上电压时，有一个较大的电流脉冲，后电流减小，最后几乎为零，说明此时键合已经完成。
静电封接方法目前半导体传感器制作中普遍采用的一项技术。但对于新近发展起来的新型的带有可动质量块的结构型敏感器件，如硅电容力敏器件、电容型加速度力敏器件等，上述常规的静电封接方法已无法满足其小间隙(间隙通常小于10微米)封接的特殊要求。如图2所示：在硅1和玻璃2封接的过程中，由于可动质量块4和玻璃2之间的间隙比较小，质量块4会在外加的封接电压的作用下，由于静电相吸质量块4被吸到玻璃2上，导致封接后质量块4和玻璃2也被粘结在一起，这是不希望发生的，因为质量块4被粘结后不可移动，这种粘连会造成传感器封接后的性能失效，成为制约传感器制作成败与否的“瓶颈”工艺。可见，这一关键工艺的解决已势在必行。经国内外相关文献及专利报道的检索，目前还未见提及小间隙非粘连静电封接方法的报导。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，解决小间隙的传感器敏感器件进行静电封接后出现的粘连问题。
本发明传感器小间隙非粘连静电封接方法，包括采用通常的静电封接方法，其特征是封接电压的引入方式：加工时封接电压的正电位必须加至硅材料1和玻璃上的金属电极层5上，而封接电压的负电位必须加至玻璃2。采用异性腐蚀工艺把硅晶体材料1加工出边框、薄区和可动质量块4，在硅材料1的封接面之外，焊有封接电压的电极引线7；采用溅射工艺在玻璃材料2表面形成金属电极层5，再用光刻腐蚀工艺将该电极层加工出与边缘压焊点相连的金属电极连线8。
本发明方法通过改变封接电压的引入方式，即把传感器可动部分和固定极板上的金属电极相连，保证两者为同电位，消除了其间的静电引力，来解决小间隙敏感器件特有的静电封接时电极粘连问题，使得小间隙敏感器件采用静电封接实现全硬封连接成为了可能，确保了传感器蠕变更小，具有更可靠的长期稳定性。为了实现本发明的效果，在固定极板上要制作金属电极并确保引出是技术关键。
本发明使用的设备简单、工艺操作方便，可以使封接后的传感器气密性良好、连接强度高。由于实现了材料之间的硬连接，蠕变小，有利于器件长期稳定的工作。
附图说明
图1为常规静电封接方法的示意图；
图2为常规静电封接方法有可动质量块4的、有粘连现象的示意图；
图3为本发明的工艺实施例1结构示意图；
图4为实施例1中玻璃2的俯视图；
图5为本发明的工艺实施例2结构示意图；
图6为本发明的工艺实施例3结构示意图；
图7为实施例3中有孔玻璃2`的俯视图；
图8为本发明的工艺实施例4结构示意图；
具体实施方式
本发明技术方案如下：
技术方案1：一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，适用于硅和玻璃两种材料的静电封接，加工电源为直流电源，见附图3，包括采用静电封接方法、压焊工艺、溅射工艺、光刻腐蚀工艺，其特征是封接电压的引入方式：将器件依硅材料1-玻璃2-加热板3次序由上至下叠放，将硅材料1的可动质量块4和玻璃2上的金属电极层5相互对准，将硅材料1上的电极引线7、金属电极层5上的电极引线7和直流电压的正极相接，保证可动质量块4金属和电极层5间电位相同，加热板3连接到直流电压的负电极，玻璃2经加热板3过渡也和直流电压的负极相连；加工时，将加热板3，为置于控温加热器上的可导电的金属板，预先加热到封接温度；这时打开直流电源，封接的工艺参数根据具体的敏感器件设计的不同要进行一定的调整。封接条件：对岛梁型和岛膜型敏感器件，封接温度采用310-330℃，封接电压采用550-650V，封接时间为15分钟。上述硅材料1上的可动质量块4，为同一材质，采用异性腐蚀工艺把硅晶体材料1不需要的部分腐蚀减薄，加工出的边框、薄区和可动质量块，可动质量块4通过薄区和硅材料1的周边相连。硅材料1边缘为封接面，在封接面上的相应部位有槽容纳玻璃2上的金属电极连线8，保证硅材料1和电极5在封接工艺完成后的电绝缘。
在硅材料1的封接面之外，有预先制作的压焊点，焊点上采用压焊工艺焊上一硅铝丝做为封接电压的电极引线7。玻璃材料2上表面采用溅射工艺形成金属电极层5，再将该电极层用光刻腐蚀工艺加工出与边缘压焊点相连的金属连线8，见图4，电极连线8在边缘的焊点上与电极引线7相连。
技术方案2：一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，适用于硅和玻璃两种材料的静电封接，包括采用静电封接方法、压焊工艺、溅射工艺、光刻腐蚀工艺，见图5：其特征是封接电压的引入方式：将器件依玻璃2-硅材料1-加热板3次序由上至下叠放，玻璃2上的金属电极层5面向下，将硅材料1的可动质量块4和玻璃2上的金属电极层5相互对准，将硅材料1上的电极引线7、金属电极层5上的电极引线7和加热板3接直流电源正极，玻璃2接直流电源负极；封接条件：对岛梁型和岛膜型敏感器件，封接温度采用310-330℃，封接电压采用550-650V，封接时间为15分钟。
方案2的条件是只要能保证电源电压接法是把传感器可动部分和固定极板上的金属电极相连，保证两者为同电位，硅材料1和玻璃2的上下次序可以调换，正负电位接法也作了调换，玻璃2可以通过在其上表面搭接金属电极的方法和负电位相接。
实施例3，如图6所示：此例中各部件采用如例1的1-3次序排列，电源接法也同上述例1，其特征是有孔玻璃2`采用如图6所示的结构，为了使位于有孔玻璃2`平面中间的电极层5连通负电极，在有孔玻璃2`和加热板3之间加垫块6，使2`和3之间有空隙以将电位引入线7导出。导电垫块6为导电材料，如金属或硅。有孔玻璃2`通过加热板3、垫块6接到负电极。图7所示为实例3中有孔玻璃2`的俯视图；其特征是有孔玻璃2`平面中心有孔，上、下面均有溅射工艺形成的金属电极层5，孔的侧壁有相当于金属连线8的金属层，经电极层5端引出。
实施例4如图8所示，部件次序和电源接法同上述例3，但硅芯片1的膜区可以在器件的表面，比如压阻式加速度传感器和电容加速度传感器。
采用溅射工艺在玻璃、有孔玻璃的面上制作金属电极层5，再用光刻腐蚀工艺将电极层加工出与边缘压焊点相连的电极连线8。
Claims (4)
1、一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，适用于硅和玻璃两种材料的静电封接，包括采用静电封接方法、压焊工艺、溅射工艺、光刻腐蚀工艺，其特征是封接电压的引入方式：将器件依硅材料(1)-玻璃(2)-加热板(3)次序由上至下叠放，将硅材料(1)的可动质量块(4)和玻璃(2)上的金属电极层(5)相互对准，将硅材料(1)上的电极引线(7)、金属电极层(5)上的电极引线(7)和直流电压的正极相接，保证硅材料(1)、金属电极层(5)间电位相同，玻璃(2)通过加热板(3)连接到直流电压的负电极；封接条件：对岛梁型和岛膜型敏感器件，封接温度采用310-330℃，封接电压采用550-650V，封接时间为15分钟。
2、一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，适用于硅和玻璃两种材料的静电封接，包括采用静电封接方法、压焊工艺、溅射工艺、光刻腐蚀工艺，其特征是封接电压的引入方式：将器件依玻璃(2)-硅材料(1)-加热板(3)次序由上至下叠放，玻璃(2)上的金属电极层(5)面向下，将硅材料(1)的可动质量块(4)和玻璃(2)上的金属电极层(5)相互对准，将硅材料(1)上的电极引线(7)、金属电极层(5)上的电极引线(7)和加热板(3)接直流电源正极，玻璃(2)接直流电源负极；封接条件：对岛梁型和岛膜型敏感器件，封接温度采用310-330℃，封接电压采用550-650V，封接时间为15分钟。
3、根据权利要求1所述的一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，其特征在于：所述可动质量块(4)下的玻璃具有一通孔，通孔内有电极连线(8)，玻璃和所述加热板(3)间设有导电垫块(6)。
4、根据权利要求1所述的一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，其特征是：在所述硅材料(1)上与玻璃(2)上的电极连线(8)的相应部位采用腐蚀工艺预先加工出低于所述硅材料(1)表面的槽，槽的深度大于所述金属电极层(5)的厚度；采用溅射工艺在所述玻璃(2)的面上及玻璃通孔中制作所述金属电极层(5)和电极连线(8)，用光刻腐蚀工艺在所述金属电极层(5)上加工出电极连线(8)。
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