NO311510B1 - Fremgangsmåte for å endre krumming av anodisk forenede flate komposittlegemer fremstilt av glass og metall ellerhalvledermaterialer - Google Patents

Abstract

oreliggende fremgangsmåte vedrører en forhåndsbestemt bøying av anodisk forankrede, flate kompo-sittlegemer fremstilt av glass og metall eller halvledermaterialer. Etter forankring blir komposittlegemet oppvarmet i opptil 200 timer til en temperatur fra 250°C tilg - 10°K. Oppvarming forårsaker at glasslegemet krymper i en forhåndsbestemt grad og komposittlegemet bøyes. Bøying forårsaket under forankring kan således elimineres.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåter av den art som er angitt i ingressen til henholdsvis kravene 1 og 7 for å endre krumningen av anodisk forente todimensjonale kompositter av glass og metall eller halvledermaterialer.

Anodisk forening eller forankring er betegnelser som anvendes for en forankringsteknikk mellom metaller eller halvledermetaller og glass, hvilken teknikk er særpreget ved en arbeidstemperatur under overgangstemperaturen for glass og ved å anvende et elektrisk felt. Denne teknikk er eksempelvis beskrevet i US-patentene nr. 3.397.278 og 3.417.459.

Ved anodisk forankring blir en polert glassplate bragt i intim kontakt med en polert plate av metall eller en halvleder. Påleggelse av en likestrømsspenning mellom delene som skal forankres på en slik måte at glasset gis et katodepotensial og halvlederen/metallet gis et anodepotensiale, vil ved forhøyet temperatur forårsake migrering av alkalimetallionene i glasset i retning av katoden. De negativt ladede oksygenioner, som således genereres ved grenseflaten mot delene som skal forankres, er fast forankret i glassnettverket og bevirker en sterk elektrostatisk tiltrekning mellom glasset og halvlederen/metallet. Denne tiltrekning forårsaker at delene som skal forankres nærmer seg hverandre ned til atomområdet. Den kjemiske, irreversible forankring mellom glasset og metallet eller halvledermetallet forårsakes av dannelse av oksygenbroer mellom delene som skal forankres.

I EP 0.139.334 A2 er beskrevet en trelags kompositt som består av et GaAs-lag, et bærerglasslag (verre de soutien), og et bufferglass (verre de tampon) som er lokalisert mellom halvlederlaget og bærerglasset. Dette bufferglass har en mykningstemperatur under myknings-temperaturen for bærerglasset og mykner eller stress-avlastes ved desorpsjonstemperaturen. Under desorpsjonen blir hele komposittet stressavlastet fordi bærerglasset og halvlederlaget "flyt" på det myke bufferglasslag og kan fritt ekspandere eller trekke seg sammen. Under den etterfølgende avkjøling vil spenninger tilsvarende forskjellene i utvidelseskoeffisientene igjen finne sted og følgelig i henhold til denne publikasjon må disse kompenseres med et tredje glass.

Typiske forankringsspenninger ligger i området 50-1000 V. Den mulige forankringstemperatur er nedad begrenset av alkalimobiliteten (ca. 250°C for tilfellet av borsilikatglass) og oppad av overgangspunktet for glasset (ca. 520°C for borsilikatglass) . Anodisk forankring over overgangspunktet er mulig, men det kan forårsake plastisk deformering av glasset. Glasset bør inneholde en mini-mumsmengde av alkalimetallioner. For tilfellet av typisk anvendte glass, ligger deres andel i området 1-5 atom-, prosent ("Schott 8330" « 3 %, "Hoya SD2" « 2 %). Glass som for tiden ofte anvendes for anodisk forankring er "Schott 8330" og "Corning 7740".

Det er en generell hensikt med forankring å oppnå en base og/eller dekke av glass for tynne lag av metall eller en halvleder og/eller for å sette sammen en komponent.

Kjente anvendelser for forankring er stabilisering og innkapsling av sensorer av mikrostrukturert silisium, spesielt i trykksensorer og aksellerasjonssensorer, dekking av "fluidic" strukturer (kanaler, ventiler og lignende) av mikrostrukturert silisium eller generering av mikromekaniske aktoatorer, eksempelvis basert på piezo-elektrisk avbøyde glassmembraner over pumpekammeret strukturert i silisium. Etter forankring, avkjøles de erholdte kompositter til romtemperatur, hvilket tar flere minutter avhengig av komposittenes tykkelse.

Blant annet som følge av ikke-optimale tilpassede utvidelseskoeffisienter for metallet eller halvledermetallet og det aktuelle glass og som følge av inhomogene temperaturer i den forankrede struktur så oppstår uønsket spenning mellom gjensidig forankrede materialer, hvilket fører til uønsket krumning av komponentene, hvilket oppstår under avkjøling etter den anodiske forankring. Ved hjelp av mer homogen temperaturforde1ing under forankringen eller ved å anvende glass med mer tilpasset utvidel-seskoeffisient, er det riktignok enkelte ganger mulig å nedsette disse spenninger, men dette er ofte belemret med ulempen at forskjellige glasstyper som besitter for-ankr ingsegenskaper , som endres og derfor muligens lenger ikke representerer det optimale.

I henhold til teknikkens stand, er det ikke kjent noen fremgangsmåte som gjør det mulig å fjerne mekaniske spenninger, tilstede etter avkjøling av de forankrede be-standdeler, fra komponenten og følgelig eliminere krumningen som resulterer derav.

Det er en hensikt med oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for å endre krumningen av anodisk forankrede todimensjonale kompositter, hvorved krumningen av disse kompositter kan endres i ettertid eller ved hjelp av fremgangsmåten kan krumningen som har funnet sted under fremstilling av disse legemer reverseres og som kan anvendes for å fremstille anodisk forankrede todimensjonale kompositter som er plane eller har en definert krumning. Denne hensikt oppnås ved fremgangsmåten som gjengitt i kravene 1 og 7. Fordelaktige utfø-relsesformer av fremgangsmåten er vist i kravene 1 - 6. Et vesentlig punkt for en forsøksløsning, er anerkjennel-sen som er bakgrunn for oppfinnelsen, nemlig at en ut-flatning kun kan finne sted hvis den forankrede kompositt er konveks, sett fra glassiden, som generelt alltid er tilfellet når utvidelseskoeffisienten for glasset er mindre enn den for de andre forankrende deler.. Imidlertid selv om ekspansjonskurven for glass er tilnærmer lineær fra under romtemperatur og nesten opp til Tg, så er ekspansjonskurven for Si, som er den mest anvendte forankringspartner overhodet ikke lineær. Resultatet er dette at det ikke bare er utvidelseskoeffisienten for glasset, men også at forankringstemperaturen har meget stor innvirkning på krumningsretningen, avhengig av punktet på ekspansjonskurven hvor forankringstemperaturen er plassert.

Generelt vil det for forankring til Si anvendes glass hvis utvidelseskoeffisienter ved romtemperatur er så like som mulig som dem for Si. Imidlertid vil slike kompositter etter forankring generelt være mer eller mindre konvekse.

Basis for foreliggende fremgangsmåte er at den anodisk forankrede todimensjonale kompositt av glass og halvle-dermateriale eller metall underkastes en ytterligere temperaturbehandling mellom 250°C og Tg - 10 K°. For-trinnsvis oppvarmes kompositten i 0,05-20 timer ved temperaturer mellom 300°C og Tg - 20 K°, spesielt 0,2-6 timer ved temperaturer mellom 350°C og Tg - 40 K°. Tg må forstås å være overgangstemperaturen for glasset som anvendes som forankringspartner.

Tykkelsen av glasset og halvlederen eller metallskivene som skal forankres til hverandre, ligger generelt i området 0,1-4 mm for glasskiven som anvendes som base eller deksel og 0,2-1,0 mm for halvlederen eller metallet, det oftest anvendte halvledermaterialet er silisium.

Etter forankring eksempelvis av 0,4 mm silisium "wafers" til 0,73 mm tykke borsilikatglasskiver ("SCHOTT 8330", "Tempax") utgjør krumningen eller avviket fra planhet ca. 100 /xm pr. 7,62 cm. Etter forankring blir kompositten bøyd i retningen fra glassiden, slik som vist i fig. 1.

Fig. 1 viser skjematisk, ikke i riktig skala, snitt perpendikulært i riktig skala, snitt perpendikulært mot overflaten av den forankrede kompositt. Kompositten består av glassplaten 1 og halvlederen eller metallplaten 2. Som et resultat av temperaturbehandlingen i henhold til oppfinnelsen, vil en kompaktering av glasset oppnås og en krumning mot den motsatte side finner sted, fordi metaller eller halvledermaterialer ikke utviser denne kompaktering. Endringen av krumningen vil derfor alltid finne sted fra glassiden i retning mot metallsiden eller halvledersiden.

Bøyingen som finner sted som følge av temperaturbehandlingen i henhold til oppfinnelsen, er vist i fig. 2a-2c.

Fig. 2a viser analogt med fig. 1 en kompositt umiddelbart etter forankring. Som følge av temperaturbehandlingen vil bøying av kompositten i retning av pilen finne sted. Den oppnådde kompaktering er avhengig av varmeforbehand-lingen av glasstypene og utgjør et maksimum opptil 500 ppm, eksempelvis for tekniske borsilikatglass som anvendes i store mengder for forankring og som er kommersielt tilgjengelige, eksempelvis under handelsnavnet "Duran", "Pyrex" eller "Tempax". Avhengig av varigheten av temperaturbehandl ingen, kan denne bøying fortsettes inntil bøyingen som har funnet sted under forankringen akkurat er kompensert, slik som vist i fig. 2B, eller om ønsket så kan bøyingen som har funnet sted under forankringen også overkompenseres slik at det kan oppnås en krumning til den motsatte side, dvs. i retning av silisiumlaget, se fig. 2c. Jo høyere den valgte temperatur er, desto kortere er de nødvendige behandlingstemperaturer. En temperatur på Tg - 10 K° bør imidlertid ikke overstiges fordi i dette området vil dets mekaniske oppførsel gå fra elastisk til viskøs flyting.

Temperaturen under hvilken en endring i krumning fremdeles finner sted, er kun uproporsjonal lang og derfor uøkonomisk og varierer fra glasstype til glasstype, men kan lett bestemmes av fagmannen. Eksempelvis bør temperaturen for borsilikatglass ikke være mindre enn 3 00°C fordi behandlingstidene da for den ønskede effekt bli unødvendig forlenget. En temperatur i området 350°C og opptil Tg 40 K° er foretrukket, fordi dette området utstrekker seg fra fin gradering og opptil optimal mulig påvirkning, avhengig av brukerens krav. Behandlingstiden bør ligge i området 0,05-20 timer. Hvis den øvre grense overstiges, vil de lange oppholdstider medføre høye om-kostninger. Hvis tiden er mindre enn 0,05 timer, vil problemer oppstå med hensyn til jevn oppvarming av satsen og følgelig problemer med jevn bøying. Mer fordelaktig er oppholdstider i området 0,2-6 timer generelt anvendt, spesielt 1-4 timer fordi jevn oppvarming av satsen lett kan sikres i dette området og omkostningene er ikke for høye.

Ved behandlingstider på 0,05 timer kan det for tiden kun oppnås en nedsettelse av krumningen. For å fremstille plane kompositter, er generelt tider på minst 10 minutter nødvendig, avhengig av forankringsbetingelsene.

Hvis i en første behandling oppnås legemer med util-strekkelig endring i krumningen, er en andre eller ytterligere behandlinger, om passende ved andre temperaturer og/eller andre tider mulige uten noen problemer for å korrigere legemene ytterligere.

Likeledes er en spesielt nøyaktig justering av krumningen mulig via en online kontroll av bøying av stykkene under varmebehandlingen under hensyntagen til den ytterligere bøying under avkjøling til romtemperatur og en tilsvarende avbrytning av varmebehandlingstrinnet. Fagmannen kan bestemme den ytterligere bøying som finner sted under avkjøling til romtemperatur, eller han kan beregne dette hvis varmeutvidelseskoeffisientene, elastisitetsmodulen og tverrsammentrekningstallet for de forankrede partnere er kjente.

Prosessen er også reversibel, hvis krumningen har endret seg for meget, kan legemet oppvarmes til Tg-området hvorved den resulterende endring i krumning kan reverseres. Den slutteligen erholdte krumning har da i det minste det samme tegn som etter den anodiske forankring og dens størrelsesorden vil i stor grad være avhengig av kjølebetingelsene under Tg. For en teknisk utnyttelse, vil imidlertid reverseringsprosessen sjelden være av interesse, dette fordi fullt ut fremstilte "wafers"

(spesielt de med Al-lederspor) kun kan oppnås til maksi-malt 450°C (se eksempel 4) . Foreliggende fremgangsmåte kan deretter anvendes på nytt for legemet for å oppnå den ønskede krumning.

Fremgangsmåten kan ikke bare utføres utgående fra en avkjølt kompositt, men det er også mulig å knytte fremgangsmåten direkte og uten mellomliggende kjøletrinn til forankringstrinnet.

Dette er mulig spesielt når tidene for temperaturbehandlingen kan holdes korte. I slike tilfeller kan temperaturbehandlingen utføres i selve forankrings-kammeret eller i en direkte tilstøtende temperaturbehandl ingsanordning, eksempelvis en kort kontinuerlig ovn. Korte tider ved temperaturbehandlingen er generelt mulig når forankringen også utføres i løpet av en kort tid. En mulig vitenskapelig forklaring på denne avhen-gighet av varigheten av temperaturbehandl ingen av for-ankringstiden er som følger: kompaktering av glass, som er basis for foreliggende fremgangsmåte, er et trinn som ikke er lineært med tiden. Ferskt glass vil initialt kompaktere raskt (ved konstant temperatur) dvs. med en relativt høy hastighet men tilta-gende langsommere når kompakteringen fortsetter. Således for å oppnå en definert kompaktering, vil således mer tid alltid være nødvendig jo mer omfattende glasset, allerede på forhånd er kompaktert. For forankring, må glasset oppvarmes til temperaturer ved hvilke kompaktering altså allerede finner sted. Jo lengre varighet av denne oppvarming i forbindelse med forankringen, desto lengre er altså varigheten av kompakteringen. Dette vil imidlertid resultere i at en større eller mindre del av området, innen hvilket glasset raskt kompakteres, allerede er forbrukt under forankringen slik at temperaturbehandlingen i henhold til oppfinnelsen tar lenger tid. Desto kortere forankringstid, desto mindre forbrukt (for kompaktering) er glasset. Jo mindre forbrukt glasset er (i betydningen av en kompaktering) desto raskere vil kompakteringen forløpe og kortere tider for temperaturbehandlingen er mulig. Hvis det i fremtiden kan anvendes for-ankringstider som er vesentlig kortere enn tider på ca. 15 minutter, som for tiden er teknisk mulig, kan til og med kortere tider enn 10 min. for temperaturbehandlingen for oppnåelse av plane kompositter, være mulige.

Ved anvendelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen kan anodisk forankrede, todimensjonale kompositter bøyes spesifikt. På denne måte er det for første gang mulig eksempelvis for kompositter av silisium og borsilikatglass ("Tempax", "Duran", "Pyrex") som er bøyde etter anodisk forankring som følge av forskjellige temperatur-utvidelseskoeffisienter for silisium og bøye disse til-bake igjen til absolutt plan tilstand og om ønsket også bøyes i motsatt retning.

Fremgangsmåten skal ytterligere forklares under henvis-ning til de etterfølgende eksempler:

Eksempel 1

En kompositt med en diameter på 76,2 mm og bestående av en silisium "wafer" med en tykkelse på 0,4 mm og en glasskive bestående av borsilikatglass nr. 8330 fremstilt av Schott Glaswerke og med en tykkelse på 0,73 mm ble oppvarmet til en temperatur i området 500°C og anodisk forankres ved hjelp av en forankringsspenning på 400 V. Forankringstrinnet alene tok 20 s. Kompositten ble deretter avkjølt til 400°C på vanlig måte ved en hastighet på 1 K°/min. og deretter bråkjølt til romtemperatur i løpet av 5 min. Etter dette første trinn, var dens krumningsradius + 7,2 m (krumning + 100 /xm) . Her og i det etterfølgende er fortegnet definert slik at for tilfellet av pluss, er glassiden konveks. Under den etterfølgende varmebehandling ved 3 00°C i 4 timer var det ingen betyd-ningsfull endring av krumningen. Deretter ble krumnings-radiusen bestemt til å være + 7,05 mm (+ 102 /im) . Denne lille økning i krumning ligger innen nøyaktigheten av bestemmelsen. Det kan ses at for dette glass representerer temperaturen ved 3 00°C en grense ved hvilken uaksept-able lange behandlingstider allerede må forventes.

Eksempel 2

En kompositt av det samme materialet og med samme geo-metri som i eksempel 1 ble oppvarmet til en temperatur på 460°C og anodisk forankret i en tid på 100 s med en spenning på 500 V. Etter avslutning av forankringstrinnet ble kompositten avkjølt til 400°C med en hastighet på 1 ""J^/min. og deretter raskt avkjølt til romtemperatur. Etter dette forankringstrinn, var krumningsradien + 7,1 m (krumning + 101 /im) . Etter en varmebehandling i 4 timer ved 400°C, øket krumningsradien til + 9,1 m (krumning + 79 /xm) . Ved en behandlings temperatur på 400°C var en signifikant kompaktering av glasset allerede påvisbar.

Eksempel 3

Et materialpar analoge med eksempel 1 og 2 ble oppvarmet til en temperatur på 420°C og forankret ved 600 V. Forankringstrinnet tok 160 s. Dette ble etterfulgt av av-kjøling som i eksemplene 1 og 2 ved en hastighet på 1 K°/min. ned til 400°C og etterfølgende rask avkjøling til romtemperatur. Etter denne prosess, hadde kompositten en krumningsradius på 7,5 m (krumning + 95/im) . Etterfølgen-de varmebehandling ved 450°C i 4 timer ga en krumningsradius på - 11,6 m (krumning - 61,1 /im) . Ikke bare var krumningen av kompositten redusert, men også en negativ krumning ble vellykket generert. Kompositten var "over-kompensert". Det er således mulig med denne teknologi ikke bare å fremstille plane men også negativt bøyde glass-silisiumforankringer.

Eksempel 4

Den samme kompositt som i eksempel 3 ble, etter over-kompensering, oppvarmet til 570°C (= Tg + 50 K°) og holdt ved denne temperatur i en time. Etter denne tid ble den raskt avkjølt til romtemperatur med en hastighet på ca. 5 min. Dens krumningsradius var da + 7,5 m (krumning + 93 fim) . Oppvarmingen over Tg avlastet kompositten og glass-strukturen fikk igjen sine opprinnelige egenskaper. Under kjølingsområdet vil den raske avkjøling igjen gi et glass hvis ekspansjonstilstand er meget lik den som den initiale tilstand. Avlastningsprosessen ifølge oppfinnelsen er således om ønsket repeterbar.

Eksempel 5

En silisium "wafer" og en glasskive tilsvarende 1-4 ble anodisk forankret ved 570°C (= Tg + 50°K) ved en forankringsspenning på 100 V. Forankringstrinnet tok ca. 10 min. Kompositten ble deretter avkjølt til en temperatur på 490°C med en hastighet på 2°K/min. Etter en etterføl-gende rask avkjøling til romtemperatur var dens krumningsradius 50,1 m (krumning 13,9 /im). Etterfølgende varmebehandling ved 450°C i 2 min. genererte en krumningsradius på - 51,6 m (krumning - 14 fim). Størrelses-orden og reproduserbarheten av en mulig endring i krumningen av et glass er i stor grad avhengig av dets varme-historie. Hvis denne ikke er kjent eller kun kjent unøyaktig, er det mulig, som vist ved å forankre over Tg med etterfølgende definert avkjøling å oppnå veldefinerte og reprodusere utgangsbetingelser for fremgangsmåten for endring av krumningen, uten ytterligere teknologiske trinn.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å endre krumningen av anodisk forankrede todimensjonale kompositter av glass og metall eller halvledermaterialer, karakterisert ved trinnene: forankre kompositten innen den kortest mulige tid for de anvendte materialer, eventuelt umiddelbart avkjøle den forankrede kompositt, varmebehandle kompositten ved en temperatur mellom 250°C og 10°C under overgangstemperaturen for glasset, for å oppnå en endring i krumningen ved kompaktering av glasset.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at etter forankring blir kompositten avkjølt til en temperatur som er nær temperaturen for den etterfølgende varmebehandling.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at før varmebehandling blir kompositten avkjølt til romtemperatur.

4. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at ved varmebehandlingen blir kompositten behandlet i 0,05-20 timer ved en temperatur mellom 300°C og Tg - 20°C.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at under varmebehandlingen blir kompositten behandlet i 0,2-6 timer ved temperaturer mellom 350°C og Tg - 40°C.

6. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at krumningen bestemmes under temperaturbehandlingen og at temperaturbehandlingen avbrytes straks en forhåndsbestemt krumning er oppnådd.

7. Fremgangsmåte ved fremstilling av plane, anodisk forankrede kompositter fra glass og metaller eller halvledermaterialer, som etter forankring utviser en konveks deformasjon på glassiden, karakterisert ved at umiddelbart etter forankring blir kompositten eventuelt avkjølt og deretter oppvarmet til temperaturer mellom 250°C og Tg - 10°C inntil krumningen har reversert som et resultat av kompaktering av glass.