DE3937529A1 - Verfahren zum verbinden eines siliziumteiles mit einem glasteil - Google Patents

Description

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Fertigungstechnik von Bauteilen der planaren Optik und/oder der Mikromechanik und ist beim Verbinden eines flachen Glasteiles mit einem Siliziumteil mittels der Technik "Anodic Bonding" anzuwenden.

Bei dem in der Fachwelt als "Anodic Bonding" (feldunterstütztes Bonden) bezeichneten Verbindungsverfahren werden die zu verbin­ denden Oberflächen eines Glasteiles und eines Metallteiles mit­ einander in oberflächenlichen Kontakt gebracht und unter Ein­ wirkung von Hitze an eine elektrische Spannung gelegt. Bei die­ sem Vorgehen ergibt sich durch Ionentausch eine chemische Ver­ bindung im Grenzbereich der beiden Teile (US-A 33 97 228). Bei der Verbindung von Glas mit Silizium ist für diese Verbin­ dungstechnik Voraussetzung, daß ein alkalihaltiges Glas mit einem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet wird, der dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium weitestgehend entspricht. Durch die weitestgehende Anpassung der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der beiden Materia­ lien wird das Entstehen schädlicher Zugspannungen bei der Ab­ kühlung der verbundenen Teile vermieden. Ein entsprechend an­ gepaßtes Spezialglas wird beispielsweise von der Firma Corning Glass unter der Bezeichnung "Pyrex 7740" vertrieben. Die Her­ stellung solcher Spezialgläser ist teuer, da es sich um ge­ walzte, geschliffene und polierte Flachgläser handelt.

Ausgehend von einem Verbindungsverfahren gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Herstellung solcher Bauteile kosten­ günstiger zu gestalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß als Glasteil ein gewöhnliches Flachglas (Floatglas) auf der Basis von Natrium-Alumo-Silikat oder Bor-Silikat verwendet wird und daß das Glasteil vor dem Verbinden mit dem Siliziumteil wenigstens im Verbindungsbereich in einem Salzbad chemisch ge­ härtet wird, wobei durch geeignete Wahl der Salzbadtemperatur, der Härtezeit und der elektrischen Feldstärke Oberflächen-Druck­ spannungen von kleiner/gleich 500 N/mm² mit einer Eindringtiefe von maximal 20 bis 40 µm erzeugt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, gewöhnliche und da­ mit preiswerte Flachgläser für die Herstellung der Bauteile zu verwenden, obwohl derartige Gläser einen linearen Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten aufweisen (etwa 8 bis 10×10^-6/°K), der wesentlich über dem des Siliziums (etwa 3,2×10^-6/°K) liegt. Dies wird dadurch erreicht, daß das Teil aus gewöhnlichem Flachglas zunächst einem oberflächlichen Härtungsvorgang unter­ zogen wird, durch den oberflächliche Druckspannungen erzeugt werden. Diese Druckspannungen kompensieren die nach dem Verbin­ den des Glasteiles mit dem Siliziumteil sich aufgrund der Ab­ kühlung ergebenden tangentialen Zugspannungen, so daß in der eigentlichen Verbindungszone, d. h. in der Phasengrenze Glas/ Silizium ein spannungsarmer Zustand herrscht.

Die oberflächliche Härtung von Flachglas (Floatglas) auf chemischem Wege mittels eines Salzbades ist an sich bekannt. Sie wird bisher praktiziert, um Flachglas gegen Biegebean­ spruchungen beständiger zu machen. Die Härtezunahme beruht da­ bei auf einem Austausch von beispielsweise kleinen Na⁺-Ionen durch größere, beispielsweise K⁺-Ionen und der damit verbunde­ nen Volumenzunahme, die eine Oberflächendurchspannung sowie eine erheblich geringere Zugspannung im Inneren bewirkt. Die Härtungstiefe und die Oberflächendruckspannungen sind dabei durch geeignete Wahl der Härtungstemperatur, der Härtungszeit, der elektrischen Feldstärke und gegebenenfalls mit Hilfe von Salzbadzusätzen, wie beispielsweise 1 bis 4 Gew.-% Silbersalz (AgNO₃), gut einstellbar (Fachbuch "Fortbildungskurs 1987- Festigkeit von Glasgang - Grundlagen und Prüfverfahren" der Hüttentechnischen Vereinigung der deutschen Glasindustrie, Seiten 68 bis 83 mit der dort angegebenen Literaturstelle /34/).

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst ein handelsübliches Flachglas in einer Dicke von 0,3 bis 10 mm partiell oder flächenhaft durch Ionenaustausch in der Randzone gehärtet. Dabei werden Oberflächendruckspannungen ge­ zielt eingestellt, und zwar im Bereich kleiner/gleich 500 N/mm² mit einer Eindringtiefe von maximal 20 bis 40 µm. Die Zielvor­ gabe bezüglich der Höhe der Druckspannung richtet sich dabei nach der Oberflächenzugspannung, die nach dem feldunterstützten Bonden der beiden Oberflächenbereiche erzeugt wird. Anschließend wird das Glas partiell oder flächenhaft an das Siliziumteil ge­ bondet, zweckmäßig bei einer Bondtemperatur kleiner gleich 450°, bei einer Bondzeit kleiner gleich 20 min bzw. bei einer elek­ trischen Spannung kleiner gleich 1200 Volt. Die Bondtemperatur richtet sich dabei nach der Oberflächenzugspannung, die ent­ sprechend der vorher durch die chemische Härtung erzeugten Oberflächendruckspannung zulässig ist.

Mit dem gemäß der Erfindung ausgebildeten Verfahren können nicht nur ein Glasteil und ein Siliziumteil mit planparallelen Oberflächen, sondern auch solche Teile mit parallelen ge­ krümmten Oberflächen verbunden werden. - Um unkontrollierte Glasbrüche bei stark gekrümmten Verbindungspartnern mit größerer Abmessung (z. B. 3′′- oder 4′′-Wafer) nach dem Verbinden zu vermeiden, sind im Glasteil auf der nicht gebondeten Fläche an geeignete Stellen Gräben als Sollbruchstellen vorzusehen, die nach dem anodischen Bonden aufbrechen und zur Vereinzelung des Wafers dienen. Derartige Sollbruchstellen können auch zur üblichen Vereinzelung eines Wafers dienen.

Claims (2)

1. Verfahren zum chemischen Verbinden eines Glasteiles mit einem Siliziumteil bei der Herstellung von Bauteilen der planaren Optik und/oder der Mikromechanik, bei dem das Glasteil und das Siliziumteil mit den zu verbinden­ den Oberflächenbereichen gegeneinandergelegt und bei einer Temperatur von max. 450°C während eines Zeitraumes von max. 20 Min. und bei einer elektrischen Spannung von max. 1200 V durch Ionenaustausch miteinander verbunden werden, dadurch gekennzeichnet,
daß als Glasteil ein gewöhnliches Flachglas (Float-glas) auf der Basis von Natrium-Alumo-Silicat oder Bor-Silicat verwendet wird und
daß das Flachglasteil vor dem Verbinden mit dem Siliciumteil wenigstens im Verbindungsbereich mittels eines Salzbades chemisch gehärtet wird,
wobei durch geeignete Wahl der Salzbadtemperatur, der Härtezeit und der elektrischen Feldstärke Oberflächen-Druckspannungen von kleiner/gleich 500 N/mm mit einer Eindringtiefe von max. 20 bis 40 µm erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Salzbad Silbersalz (Ag NO₃) in einer Menge von 1 bis 4 Gew.-% zugegeben ist.