DE3914015C2 - Verfahren zum Verbinden von Silizium-Einkristall-Bauteilen - Google Patents

Verfahren zum Verbinden von Silizium-Einkristall-Bauteilen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verbinden von Silizium-Einkristall-Bauteilen, bei dem auf eines der zu verbindenden Bauteile ein Film aus alkalihaltigem Glas mit einem dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziums entsprechenden linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufge­ bracht wird, danach die Bauteile zusammengefugt und anschließend die Bauteile bei einer erhöhten, unter der Fließtemperatur des Glases liegenden Temperatur feldunterstützt gebondet werden.
Aus der Zeitschrift "J. Elektrochem. Soc.", April 1972, Seiten 545 und 546 ist ein Verfahren zum feldunterstützten bzw. elektrostatischen Bonden von Silizium-Einkristall-Bauteilen bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt das Verbinden der Silizium-Einkristall-Bauteile über eine dünne Schicht aus Borosilikat-Glas, die durch Sputtern auf eines der beiden mit­ einander zu verbindenden Silizium-Einkristall-Bauteile aufge­ bracht ist. Das Aufbringen des Filmes aus Glas durch Sputtern ist verhältnismäßig aufwendig.
Aus der US 47 12 082 ist es bekannt, zum Herstellen eines Filmes aus Glas, der zum feldunterstützten Bonden eines Silizium-Einkristall-Bauteils Verwendung findet, eine Glaspaste im Siebdruckverfahren aufzubringen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden von Silizium-Einkristall-Bauteilen über einen Film aus alkalihaltigem Glas hinsichtlich der Aufbringung des Filmes aus Glas zu vereinfachen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß als Werkstoff für den Film aus alkalihaltigem Glas ein partiell kristallisierbares Glaslot verwendet und das Glaslot im Siebdruckverfahren auf eines der zu verbindenden Teile aufgebracht.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß anstelle des vergleichsweise aufwendigen Sputterns zum Erzeugen des Filmes aus alkalihaltigem Glas auf eines der zu verbindenden Bauteile bei dem erfindungsge­ mäßen Verfahren kristallisierbares Glaslot im Siebdruckver­ fahren aufgebracht wird; diese Art einer flächenhaften Aufbringung des Filmes aus Glaslot läßt sich verhältnismäßig einfach durchführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit Vorteil zum Her­ stellen von mikromechanischen Bauelementen einsetzen.
Als Glaslot können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren unter­ schiedliche Glaslote verwendet werden. Als besonders vorteil­ haft hat sich die Verwendung eines Lithiumaluminiumglas­ keramiksystem als Glaslot erwiesen. Dabei ist insbesondere an ein Lithiumaluminiumglaskeramiksystem gedacht, wie es in der deutschen Patentschrift 33 02 774 im einzelnen beschrieben ist.
Insbesondere bei Verwendung eines Lithiumaluminiumglas­ keramiksystems als Glaslot hat es sich bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als vorteilhaft erwiesen, wenn das Glaslot vor dem Siebdrucken mit einer in einem Lösungsmittel gelösten Alkylmethacrylat mit einer Depolymerisationstemperatur unter 260°C so vermengt wird, daß die gebildete tixotrope Flüssigkeit 4 Teile Glaslot und 1 Teil gelöstes Alkylmethacrylat enthält. Als Lösungsmittel kommt insbesondere Isopropanol in Frage.
Bei der Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im folgenden auch auf die Figur Bezug genommen, in der ein Aus­ schnitt aus einem aus Silizium-Einkristall-Bauteilen zusammen­ zufügenden mikromechanischen Bauelement während der Herstellung dargestellt ist.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein Silizium-Einkristall-Bauteil 1, das mit einem weiteren Silizium-Einkristall-Bauteil 2 zu einem mikromechani­ schen Bauelement verbunden werden soll, mit einem Film 3 aus alkalihaltigem Glas in Form eines partiell kristallisierbaren Glaslotes versehen. Das Aufbringen des Filmes erfolgt dabei durch einen Siebdruck. Das Drucken erfolgt mit einer Flüssig­ keit, bei deren Herstellung zunächst Alkylmethacrylat mit einer Depolymerisationstemperatur von unter 260°C in beispielsweise 10 Gewichtsprozenten Isopropanol gelöst ist; mit dieser Lösung ist das partiell kristallisierbare Glaslot, bei dem es sich vorzugsweise um ein Lithiumaluminiumglaskeramiksystem ent­ sprechend der deutschen Patentschrift 33 02 774 handelt, ver­ mengt, wobei auf 4 Teile des partiell kristallisierbaren Glas­ lotes 1 Teil Lösung gegeben ist.
Nachdem das Silizium-Einkristall-Bauteil 1 mit einem Film der eben beschriebenen Beschaffenheit bedruckt ist, werden die beiden zu verbindenden Bauteile 1 und 2 aufeinandergefügt und einem Druck von mindestens 0,05 N/mm² ausgesetzt, wodurch sie zusammengepreßt werden. Außerdem werden die beiden zusammen­ gepreßten Bauteile 1 und 2 für etwa 1 Stunde auf einer Tempe­ ratur von ca. 650°C gehalten. Danach erfolgt ein Abkühlen auf Temperaturen zwischen 500 und 350°C mit einer Abkühlge­ schwindigkeit von etwa 2° K/min. Gleichzeitig wird ein elektrisches Feld zwischen den beiden zu verbindenden Silizium-Einkristall-Bauteilen 1 und 2 erzeugt, indem an das Bauteil 2 eine Gleichspannung zwischen etwa 50 bis 200 V angelegt wird und das silizium-Einkristall-Bauelement 1 geerdet wird. Die Spannung wird für die Dauer von etwa 1 bis 5 Minuten angelegt. Anschließend werden Anode und Kathode gegeneinander vertauscht, also das Bauteil 1 an die Gleichspannung ange­ schlossen und das Bauteil 2 geerdet, und der feldunterstützte Bondvorgang wiederholt.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verbinden von Silizium-Einkristall-Bauteilen (1, 2), bei dem
  • a) auf eines der zu verbindenden Bauteile (1) ein Film (3) aus alkalihaltigem Glas mit einem dem linearen Wärmeausdehnungs­ koeffizienten des Siliziums entsprechenden linearen Wärme­ ausdehnungskoeffizienten aufgebracht wird,
  • b) danach die Bauteile zusammengefügt und
  • c) anschließend die Bauteile (1, 2) bei einer erhöhten, unter der Fließtemperatur des Glases liegenden Temperatur feldunterstützt gebondet werden,
dadurch gekennzeichnet , daß
  • d) als Werkstoff für den Film (3) aus alkalihaltigem Glas ein partiell kristallisierbares Glaslot verwendet wird und
  • e) das Glaslot im Siebdruckverfahren auf eines der zu verbinden­ den Bauteile (1) aufgebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • f) als Glaslot ein Lithiumaluminiumglaskeramiksystem verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß
  • g) das Glaslot vor dem Siebdrucken mit einem in einem Lösungs­ mittel gelösten Alkylmethacrylat mit einer Depolymerisations­ temperatur unter 260°C so vermengt wird, daß die gebildete tixotrope Flüssigkeit vier Teile Glaslot und ein Teil gelöstes Alkylmethacrylat enthält.
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BROOKS, A.D. et.al.: Low-Temperature Electro- static Silicon-to-Silicon Seals Using Sputtered Borosilicate Glass. In: J.Electrochem.Soc.: Solid-State Science and Technology, Vol. 119, No. 4, April 1972, pp. 545-46 *

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