RU2680263C1

RU2680263C1 - Method of connecting silicon plates

Info

Publication number: RU2680263C1
Application number: RU2017143299A
Authority: RU
Inventors: Андрей Николаевич Шипунов; Сергей Федорович Былинкин; Александр Александрович Гаврилов
Original assignee: Публичное акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА"
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2019-02-19

Abstract

FIELD: measuring equipment.SUBSTANCE: invention relates to measuring devices and can be used in microelectromechanical systems in the manufacture of integrated sensors. Technical result is achieved due to the method of joining silicon wafers, characterized by the fact that joining points are marked on the first and second joining plates, through holes in the first joining plate are etched, in the second plate being joined, protrusions are formed, the dimensions of which are equal to the sizes of the through holes on the first plate being joined, then the first and second plates to be joined are combined with the combination of through holes and protrusions, after which they are compressed with a pressure of 2 kPa and produce a connection by applying laser welding of silicon in a nitrogen atmosphere at the junction points of the through holes and projections.EFFECT: improving the accuracy and reliability of integrated sensors.1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительным устройствам и может быть использовано в микроэлектромеханических системах при производстве интегральных датчиков.The invention relates to measuring devices and can be used in microelectromechanical systems in the production of integrated sensors.

Известен способ [1] соединения кремниевых пластин с использованием промежуточного слоя алюминия. По контуру соединяемых пластин наносят слой алюминия толщиной 1-2 мкм, соединяемые пластины сжимают с легким усилием в пакет, после чего пакет нагревают до температуры 600°С. Происходит диффундирование алюминия в кремний, в результате чего происходит сращивание кремниевых пластин.A known method [1] of connecting silicon wafers using an intermediate layer of aluminum. A layer of aluminum with a thickness of 1-2 μm is applied along the contour of the connected plates, the connected plates are compressed with a light force into a packet, after which the packet is heated to a temperature of 600 ° C. The diffusion of aluminum into silicon occurs, as a result of which the silicon wafers merge.

Недостатком способа является то, что в месте соединения слой алюминия имеет температурный линейный коэффициент расширения (ТЛКР) на порядок выше по сравнению с кремнием. По этой причине интегральные датчики, выполненные по данной технологии, имеют температурную нестабильность характеристик, что в результате приводит к снижению их точности.The disadvantage of this method is that at the junction, the aluminum layer has a linear temperature expansion coefficient (TLC) of an order of magnitude higher compared to silicon. For this reason, integrated sensors made by this technology have temperature instability of characteristics, which results in a decrease in their accuracy.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ [2] соединения кремниевых пластин, при котором на соединяемых пластинах намечают точки соединения, в которых выполняют контактные площадки, контактные площадки в точках соединения намечают реперными знаками, в точках соединения в пластинах вытравливают пирамидальные сквозные отверстия с внутренними стенками под углом 54,4 градусов, вокруг пирамидальных отверстий в соединяемых пластинах выполняют разгрузочные канавки на глубину порядка 10-20 мкм, соединяемые пластины совмещают по реперным знакам и сжимают с силой до 10 Н, каналы пирамидальных отверстий направляют расширяющимися частями в противоположные стороны, после чего каналы заполняют силикатным клеем и просушивают при температуре 70-80°С.Closest to the claimed method is a method [2] of connecting silicon wafers, in which connection points are marked on the connected plates at which the contact pads are made, contact pads at the connection points are marked with reference marks, pyramidal through holes are etched at the connection points in the plates with internal walls at an angle of 54.4 degrees, unloading grooves to a depth of about 10-20 μm are made around the pyramidal holes in the connected plates, the connected plates are aligned in rep Black signs and compress with a force of up to 10 N, the channels of the pyramidal holes are directed by expanding parts in opposite directions, after which the channels are filled with silicate glue and dried at a temperature of 70-80 ° C.

Недостатком способа является вероятность затекания силикатного клея за пределы точек соединения, а также неравномерность заполнения пиромидальных отверстий, например, наличие воздушных пузырей, что уменьшает прочность соединения кремниевых пластин, в результате чего снижается надежность интегрального датчика.The disadvantage of this method is the likelihood of silicate glue flowing out beyond the connection points, as well as uneven filling of the pyromeidal holes, for example, the presence of air bubbles, which reduces the strength of the silicon wafers, resulting in a decrease in the reliability of the integral sensor.

Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности и надежности интегральных датчиков.The technical result of the claimed invention is to improve the accuracy and reliability of integrated sensors.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является обеспечение стабильности размеров и зазоров в процессе соединения кремниевых пластин.The problem to which the claimed invention is directed, is to ensure dimensional stability and gaps in the process of connecting silicon wafers.

Поставленная задача решается за счет способа соединения кремниевых пластин, характеризующегося тем, что на первой и второй соединяемой пластинах намечают точки соединения, в точках соединения в первой соединяемой пластине вытравливают сквозные отверстия, во второй соединяемой пластине формируют выступы, размеры которых равны размерам сквозных отверстий на первой соединяемой пластине, затем первую и вторую соединяемые пластины соединяют с совмещением сквозных отверстий и выступов, после чего сжимают с давлением 2 кПа и производят соединение путем применения лазерной сварки кремния в среде азота в местах соединения граней сквозных отверстий и выступов.The problem is solved by the method of connecting silicon wafers, characterized in that the connection points are marked on the first and second connected plates, through holes are etched at the connection points in the first connected plate, protrusions are formed in the second connected plate, the dimensions of which are equal to the dimensions of the through holes on the first the connected plate, then the first and second connected plates are connected with a combination of through holes and protrusions, and then compressed with a pressure of 2 kPa and produce soy Inonii by applying laser welding of silicon in a nitrogen environment at the attachment faces of the through holes and protrusions.

Одним существенным признаком заявленного способа является формирование выступов на одной из соединяемых пластин, размеры которых соответствуют вытравленным отверстиям другой соединяемой пластины.One significant feature of the claimed method is the formation of protrusions on one of the connected plates, the dimensions of which correspond to the etched holes of the other connected plate.

Еще одним существенным признаком заявленного способа является применение лазерной сварки для расплавления кремния в местах соединения выступов и сквозных отверстий соединяемых пластин, что позволяет формировать однородный соединяемый слой, ТКЛР которого равен ТКЛР кремния.Another significant feature of the claimed method is the use of laser welding to melt silicon at the junction of the protrusions and through holes of the connected plates, which allows you to form a homogeneous connected layer, the thermal expansion coefficient of which is equal to the thermal expansion coefficient of silicon.

Описанный способ реализуется следующим образом (см чертеж). Например, на соединяемых пластинах 1, 2 намечают точки соединения. В точках соединения в первой соединяемой пластине 1 вытравливают сквозные отверстия 3, на соединяемой пластине 2 формируют выступ 4. Соединяемые пластины соединяют таким образом, что выступы 4 проникают в сквозные отверстия 4, затем сжимают с давлением до 2 кПа, после чего расплавляют кремний посредством лазерной сварки в местах 5 соединения граней выступов и сквозных отверстий.The described method is implemented as follows (see drawing). For example, on the connecting plates 1, 2 mark the connection points. Through holes 3 are etched at the connection points in the first joined plate 1, a protrusion 4 is formed on the connected plate 2. The connected plates are connected so that the protrusions 4 penetrate the through holes 4, then are compressed with a pressure of up to 2 kPa, after which silicon is melted by laser welding in places 5 connecting the faces of the protrusions and through holes.

Применение вышеописанного способа позволяет повысить точность интегральных датчиков за счет обеспечения точного совмещения пластин по выступам и сквозным отверстиям, а также повысить надежность за счет уменьшения температурного напряжения на границе соединения кремниевых пластин из-за образования в месте соединения материала, идентичного по температурным характеристикам кремнию.The application of the above method allows to increase the accuracy of integrated sensors by ensuring accurate alignment of the plates along the protrusions and through holes, as well as to increase reliability by reducing the temperature stress at the interface of the silicon wafers due to the formation of a material identical to the temperature characteristics of silicon at the junction.

Источники информацииInformation sources

1. Вавилов В.Д. Интегральные датчики. Изд-во НГТУ, Н. Новгород. 2003, 504 стр.1. Vavilov V.D. Integrated Sensors. Publishing house of NSTU, N. Novgorod. 2003, 504 pp.

2. Заявка на изобретение РФ №2016119471 от 19.05.2016 г.2. Application for the invention of the Russian Federation No. 2016119471 from 05.19.2016

Claims

A method of connecting silicon wafers, characterized in that the connection points are marked on the first and second connected plates, through holes are etched at the connection points in the first connected plate, protrusions are formed in the second connected plate, the sizes of which are equal to the sizes of the through holes on the first connected plate, then the first and the second connected plate is connected with a combination of through holes and protrusions, after which it is compressed with a pressure of 2 kPa and the connection is made by laser welding and silicon in a nitrogen environment at the junction of the faces of the through holes and protrusions.