RU2796482C1 - Method for diffusion welding of single-crystal silicon and glass - Google Patents

Method for diffusion welding of single-crystal silicon and glass Download PDF

Info

Publication number
RU2796482C1
RU2796482C1 RU2022121985A RU2022121985A RU2796482C1 RU 2796482 C1 RU2796482 C1 RU 2796482C1 RU 2022121985 A RU2022121985 A RU 2022121985A RU 2022121985 A RU2022121985 A RU 2022121985A RU 2796482 C1 RU2796482 C1 RU 2796482C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
package
glass
carried out
crystal silicon
voltage
Prior art date
Application number
RU2022121985A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Евгений Владимирович Бабаев
Андрей Николаевич Косторной
Сергей Сергеевич Брыкало
Константин Сергеевич Аксенов
Александр Вячеславович Ткачев
Original Assignee
Акционерное общество "Инерциальные технологии "Технокомплекса" (АО "ИТТ")
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Инерциальные технологии "Технокомплекса" (АО "ИТТ") filed Critical Акционерное общество "Инерциальные технологии "Технокомплекса" (АО "ИТТ")
Application granted granted Critical
Publication of RU2796482C1 publication Critical patent/RU2796482C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: production of sensitive elements used in the manufacture of micromechanical accelerometers, microgyroscopes, integral pressure sensors. The method for diffusion welding of single-crystal silicon and glass includes heating the package, isothermal exposure, and supplying a constant voltage to the package. This isothermal exposure is carried out for two hours, and after the voltage is applied, the current passing through the package being welded is monitored until it stops. Then, additional isothermal exposure of the welded package is carried out for two hours, after which controlled cooling is carried out at a rate of 1 to 4 deg/min.
EFFECT: reduction of residual internal stresses arising in a package of glass and single-crystal silicon, causing an increase in the accuracy characteristics of manufactured micromechanical sensors.
1 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при изготовлении чувствительных элементов, применяемых при изготовлении микромеханических акселерометров, микрогироскопов, интегральных датчиков давления.The invention relates to the field of instrumentation and can be used in the manufacture of sensitive elements used in the manufacture of micromechanical accelerometers, microgyroscopes, integral pressure sensors.

Известен способ сборки чувствительных элементов, заключающийся в совмещении стеклянной обкладки и кристалла из монокристаллического кремния, установки и зажатии в специальном приспособлении, разогреве до температуры 400°С, выдержке при данной температуре в течение 1 часа и подаче на стеклянную обкладку и кремниевый кристалл напряжения 700 В [1].A known method of assembling sensitive elements, which consists in combining a glass lining and a crystal of single-crystal silicon, installing and clamping in a special fixture, heating to a temperature of 400 ° C, holding at this temperature for 1 hour and applying a voltage of 700 V to the glass lining and silicon crystal [1].

Недостатком данного способа является то, что анодное соединение проводится при высоком напряжении 700 В. Хотя соединение проводится, такое напряжение приводит к высоким внутренним напряжениям пакета из стеклянной обкладки и кристалла из монокристаллического кремния после окончания процессы сборки. Это происходит вследствие того, что время выдержки мало- 1 час при температуре 400°С и для проведения сварки необходимо подать большее напряжение, а именно минимум 700 В.The disadvantage of this method is that the anodic connection is carried out at a high voltage of 700 V. Although the connection is carried out, such a voltage leads to high internal stresses of the glass-lined package and the single-crystal silicon die after the assembly processes are completed. This is due to the fact that the exposure time is short - 1 hour at a temperature of 400 ° C and for welding it is necessary to apply a higher voltage, namely at least 700 V.

Известен способ, при котором свариваемые детали из полупроводника и стекла нагревают до температуры сварки, прикладывают к ним постоянное напряжение для создания ионного тока диффузии между соединяемыми поверхностями и сдавливают их циклически [2].There is a method in which the parts to be welded made of semiconductor and glass are heated to the welding temperature, a constant voltage is applied to them to create an ion diffusion current between the surfaces to be joined, and they are squeezed cyclically [2].

Недостатком такого способа являются возникающие в материалах напряжения, которые уменьшают точность чувствительных элементов интегральных датчиков. Возникновение напряжений связано с различными коэффициентами линейного расширения полупроводника и стекла, и упругой деформацией от устранения первоначальной неплоскостности контактных поверхностей в пакете механическим нормированным прижимом.The disadvantage of this method is the stresses that occur in the materials, which reduce the accuracy of the sensitive elements of integrated sensors. The occurrence of stresses is associated with different coefficients of linear expansion of the semiconductor and glass, and elastic deformation from the elimination of the initial non-flatness of the contact surfaces in the package by mechanical normalized clamping.

Известен способ сборки чувствительного элемента микромеханического датчика, заключающегося в совмещении стеклянной обкладки и кристалла из монокристаллического кремния, установки и зажатии в специальном приспособлении, разогреве, выдержке при заданной температуре и подаче напряжения, совмещают одновременно две стеклянные обкладки и кристалл из монокристаллического кремния, находящийся между ними, и подают напряжение не менее 160 В на обе обкладки не меньше, чем на две минуты, отключают напряжение, проводят смену полярности напряжения, снова подают напряжение, повторяют цикл изменения полярности не менее трех раз [3].A known method of assembling a sensitive element of a micromechanical sensor, which consists in combining a glass lining and a single-crystal silicon crystal, installing and clamping in a special device, heating, holding at a given temperature and applying voltage, simultaneously combines two glass linings and a single-crystal silicon crystal located between them , and apply a voltage of at least 160 V to both plates for at least two minutes, turn off the voltage, reverse the voltage polarity, apply voltage again, repeat the polarity reversal cycle at least three times [3].

Недостатком указанного способа является сверхнизкое напряжение сварки, требующая высокой температуры проведения процесса сварки и соответственно проявления высоких остаточных напряжений.The disadvantage of this method is the ultra-low welding voltage, which requires a high temperature of the welding process and, accordingly, the manifestation of high residual stresses.

Хотя процесс подачи тока обратной полярности несколько снижает остаточные напряжения и естественно взаимный прогиб полученного пакета, однако отсутствие в процессе сборки медленного или контролируемого напряжения существенно повышают остаточные напряжения и соответственно в итоге существенного снижающие точность датчиков.Although the process of supplying a reverse polarity current somewhat reduces the residual stresses and naturally the mutual deflection of the resulting package, however, the absence of a slow or controlled voltage during the assembly process significantly increases the residual stresses and, accordingly, as a result, significantly reduces the accuracy of the sensors.

Наиболее близким к заявленному изобретению является способ диффузионной сварки пакета из стекла и монокристаллического кремния, включающий его сжатие с нормированным усилием, нагрев, изотермическую выдержку и подачу на сжатый пакет постоянного напряжения, отличающийся тем, что изотермическую выдержку сжатого многослойного пакета осуществляют при температуре, выше температуры сварки, а подачу напряжения производят после охлаждения сжатого пакета до температуры ниже температуры сварки [4].Closest to the claimed invention is a method for diffusion welding of a package of glass and single-crystal silicon, including its compression with a normalized force, heating, isothermal exposure and supply of constant voltage to the compressed package, characterized in that the isothermal exposure of the compressed multilayer package is carried out at a temperature above the temperature welding, and the voltage is applied after the compressed package is cooled to a temperature below the welding temperature [4].

Недостатком такого способа являются возникающие в материалах напряжения, которые проявляются вследствие его сжатия с усилием и дальнейшей изотермической выдержке и последующей диффузионной сварке. Сваренный кристалл остается в напряженном состоянии после сварки. Это приводит при эксплуатации датчика к высокому смещению нуля и существенному гистерезису. Другим недостатком является то, что пакет из стекла и монокремния нагревают до температур свыше 450°С, что неприемлемо, если на чувствительном элементе сформированы алюминиевые проводники или обкладки датчика перемещения с различными металлизированными подслоями Т.к. такие высокие температуры приводят при дальнейшей эксплуатации к отслоению проводников от кремния или стеклянной подложки. Еще одним недостатком способа является то, что в способе не указано, что нагревание, изотермическая выдержка, сварка, охлаждение должны проводиться в закрытом пространстве на воздухе или в вакууме. Так только закрытое пространство способствует постепенное охлаждение по всему объему конструкции собранного пакета. В противном случае получим пакет с большими остаточными внутренними напряжениями внутри стекла и кремния, которые уменьшают точность датчиков, а именно приводят к существенному гистерезису и большому смещению нуля в диапазоне рабочих температур. Еще одним недостатком является неуправляемый процесс охлаждения полученной сборки. Это тоже приводит к высоким остаточным напряжениям после окончания процесса и соответственно к существенному повышению смещению нуля.The disadvantage of this method is the stresses arising in the materials, which appear as a result of its compression with force and further isothermal exposure and subsequent diffusion welding. The welded crystal remains in a stressed state after welding. This leads to a high zero offset and significant hysteresis during sensor operation. Another disadvantage is that the package of glass and monosilicon is heated to temperatures above 450°C, which is unacceptable if aluminum conductors or displacement sensor plates with various metallized sublayers are formed on the sensitive element. Such high temperatures lead during further operation to the delamination of the conductors from the silicon or glass substrate. Another disadvantage of the method is that the method does not indicate that heating, isothermal exposure, welding, cooling should be carried out in a closed space in air or in a vacuum. So only the closed space contributes to the gradual cooling throughout the entire volume of the assembled package structure. Otherwise, we will get a package with large residual internal stresses inside the glass and silicon, which reduce the accuracy of the sensors, namely, lead to a significant hysteresis and a large zero shift in the operating temperature range. Another disadvantage is the uncontrolled cooling process of the resulting assembly. This also leads to high residual stresses after the end of the process and, accordingly, to a significant increase in the zero offset.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение является снижение остаточных внутренних напряжений, возникающих в пакете стекла и монокристаллического кремния и, следовательно, повышение точностных характеристик микромеханических датчиков.The task to be solved by the claimed invention is to reduce the residual internal stresses that occur in a package of glass and single-crystal silicon and, consequently, improve the accuracy of micromechanical sensors.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе диффузионной сварки монокристаллического кремния и стекла, включающий его нагрев, изотермическую выдержку и подачу на пакет постоянного напряжения, согласно изобретению, упомянутую изотермическую выдержку проводят в течение двух часов, а после подачи напряжения производят контроль проходящего через свариваемый пакет тока и после его прекращения проводят дополнительную изотермическую выдержку сваренного пакета в течении двух часов, после чего осуществляют контролируемое охлаждение со скоростью от 1 град/мин до 4 град/мин.The problem is solved due to the fact that in the method of diffusion welding of single-crystal silicon and glass, including its heating, isothermal exposure and applying a constant voltage to the package, according to the invention, the said isothermal exposure is carried out for two hours, and after the voltage is applied, the control passing through welded current package and after its termination, an additional isothermal exposure of the welded package is carried out for two hours, after which controlled cooling is carried out at a rate of 1 deg/min to 4 deg/min.

Отличительными признаками заявленного изобретения является то, что упомянутую изотермическую выдержку проводят в течении двух часов, а после подачи напряжения производят контроль проходящего через свариваемый пакет тока и после его прекращения проводят дополнительную изотермическую выдержку сваренного пакета в течении двух часов, после чего осуществляют контролируемое охлаждение со скоростью от 1 град/мин до 4 град/мин.Distinctive features of the claimed invention is that the said isothermal exposure is carried out for two hours, and after the voltage is applied, the current passing through the package to be welded is monitored, and after its termination, an additional isothermal exposure of the welded package is carried out for two hours, after which controlled cooling is carried out at a rate from 1 deg/min to 4 deg/min.

Распределение температуры и подводимого заряда по поверхностиTemperature and charge distribution over the surface

должно быть равномерным. Поэтому после процесса сварки процессы в пакете сразу не останавливаются. Необходимо провести выдержку сваренного пакета при постоянной температуре и отсутствии напряжения. В результате соединения образуются остаточные напряжения. Напряжения, возникающие вследствие разности ТКЛР стекла и кремния называют коэффициентными напряжениями. Также, механические напряжения, возникающие в результате различия ТКЛР соединяемых материалов после их охлаждения, называют термическими. До начала нагрева стеклянная и кремниевая детали имеют одинаковые размеры, при нагреве детали расширяются. После, соединения детали, охлаждаясь, до рабочейshould be even. Therefore, after the welding process, the processes in the package do not immediately stop. It is necessary to hold the welded package at a constant temperature and without voltage. As a result of the connection, residual stresses are formed. The stresses arising due to the difference between the TCLE of glass and silicon are called coefficient stresses. Also, mechanical stresses resulting from the difference in the TCLE of the materials being joined after they are cooled are called thermal. Before heating, the glass and silicon parts have the same dimensions; when heated, the parts expand. After, connecting the part, cooling down to the working

температуры, взаимно деформируются. Вот именно поэтому пакету после сварки необходимо выдержать при той температуре. Так же неравномерность распределения состава и по площади пластины вследствие применения как точечного, так и плоского электродов.temperature, mutually deform. That is precisely why the package after welding must be kept at that temperature. Also, the uneven distribution of the composition over the area of the plate due to the use of both point and flat electrodes.

предлагается снижать возникающий прогиб пластин путем контролируемого охлаждение не более чем 1 град/мин.it is proposed to reduce the resulting deflection of the plates by controlled cooling of no more than 1 deg/min.

Пример реализации заявленного способа.An example of the implementation of the claimed method.

Производили диффузионную сварку чувствительных элементов акселерометров, представляющих собой пакет стекло монокристаллический кремний КЭФ-4,5 - стекло ЛК5. Размер пакета 9×6×2,9 мм (длина-ширина-высота). Пакет нагревали до температуры 390°С, затем производили изотермическую выдержку два часа, после чего подавали на пакет напряжение 420 В, с последующим контролем тока через свариваемый пакет до его прекращения. Затем проводили выдержку два часа. Далее проводили контролируемое охлаждение 1 град/мин.Produced diffusion welding sensitive elements of the accelerometers, which is a package of glass single-crystal silicon KEF-4.5 - glass LK5. Package size 9×6×2.9 mm (length-width-height). The package was heated to a temperature of 390°C, then an isothermal exposure was made for two hours, after which a voltage of 420 V was applied to the package, followed by control of the current through the package being welded until it stopped. Then spent the exposure for two hours. Next, controlled cooling was carried out at 1 deg/min.

Производили диффузионную сварку чувствительных элементов акселерометров, представляющих собой пакет стекло - монокристаллический кремний КЭФ-4,5 - стекло «пирекс 7740». Размер пакета 9×6×2,9 мм (длина-ширина-высота). Пакет нагревали до температуры 410°С, затем производили изотермическую выдержку два часа, после чего подавали на пакет напряжение 390 В, с последующим контролем тока через свариваемый пакет до его прекращения. Затем проводили выдержку два часа. Далее проводили контролируемое охлаждение 3 град/мин.Produced diffusion welding sensitive elements of the accelerometers, which is a package of glass - single-crystal silicon KEF-4.5 - glass "pyrex 7740". Package size 9×6×2.9 mm (length-width-height). The package was heated to a temperature of 410°C, then an isothermal exposure was made for two hours, after which a voltage of 390 V was applied to the package, followed by control of the current through the package being welded until it stopped. Then spent the exposure for two hours. Next, controlled cooling was carried out at 3 deg/min.

Производили диффузионную сварку чувствительных элементов акселерометров, представляющих собой пакет стекло - монокристаллический кремний КЭФ-4,5 - стекло «Borofloat 33». Размер пакета 9×6×2,9 мм (длина-ширина-высота). Пакет нагревали до температуры 410°С, затем производили изотермическую выдержку два часа, после чего подавали на пакет напряжение 420 В, с последующим контролем тока через свариваемый пакет до его прекращения. Затем проводили выдержку два часа. Далее проводили контролируемое охлаждение 4 град/мин.Produced diffusion welding sensitive elements of accelerometers, which is a package of glass - single-crystal silicon KEF-4.5 - glass "Borofloat 33". Package size 9×6×2.9 mm (length-width-height). The package was heated to a temperature of 410°C, then an isothermal exposure was made for two hours, after which a voltage of 420 V was applied to the package, followed by control of the current through the package being welded until it stopped. Then spent the exposure for two hours. Next, controlled cooling was carried out at 4 deg/min.

В результате применении предложенного способа, возникающие при диффузионной сварке в стекле и монокристаллическом кремнии остаточные напряжения снизились. Проверку остаточных напряжений проводили на полярископе-поляриметре ПКС-250.As a result of the application of the proposed method, the residual stresses arising during diffusion welding in glass and single-crystal silicon have decreased. Residual stresses were checked using a PKS-250 polariscope-polarimeter.

На фиг. 1-4 изображены образцы чувствительных элементов микромеханических акселерометров в линейно-поляризованном свете на столе установки ПКС-250. Свечение в образцах указывает на наличие остаточного напряжения. Как видно на разных образцах разный размер и яркость свечения. Это указывает на то, что образцы были сварены при различных режимах. Таким образом, подтверждается, что как влияет режимы сварки на величину остаточных напряжений в чувствительных элементах акселерометров, а следовательно, на точность датчиков.In FIG. Figures 1-4 show samples of sensitive elements of micromechanical accelerometers in linearly polarized light on the table of the PKS-250 setup. Glow in the samples indicates the presence of residual stress. As can be seen on different samples, the size and brightness of the glow is different. This indicates that the samples were welded under different conditions. Thus, it is confirmed that how the welding modes affect the magnitude of residual stresses in the sensitive elements of accelerometers, and, consequently, the accuracy of the sensors.

Макетные испытания датчиков показали, что температурный смещение акселерометров уменьшился, в среднем, на 50-75%, за счет чего повысились точностные характеристики микромеханических акселерометров.Breadboard tests of sensors showed that the temperature shift of accelerometers decreased, on average, by 50-75%, due to which the accuracy characteristics of micromechanical accelerometers increased.

Источники информации:Information sources:

1. Патент США №6537938.1. US patent No. 6537938.

2. Авторское свидетельство СССР №1454612.2. Author's certificate of the USSR No. 1454612.

3. Патент РФ №25257153. RF patent No. 2525715

4. Патент РФ №2491158 - прототип.4. RF patent No. 2491158 - prototype.

Claims (1)

Способ диффузионной сварки монокристаллического кремния и стекла, включающий нагрев свариваемого пакета, изотермическую выдержку и подачу на пакет постоянного напряжения, отличающийся тем, что упомянутую изотермическую выдержку проводят в течение двух часов, а после подачи напряжения производят контроль проходящего через свариваемый пакет тока и после его прекращения проводят дополнительную изотермическую выдержку сваренного пакета в течение двух часов, после чего осуществляют его контролируемое охлаждение со скоростью от 1 до 4 град/мин.A method for diffusion welding of single-crystal silicon and glass, including heating the package to be welded, isothermal holding and supplying a constant voltage to the package, characterized in that said isothermal exposure is carried out for two hours, and after the voltage is applied, the current passing through the package to be welded is monitored and after it stops an additional isothermal exposure of the welded package is carried out for two hours, after which it is subjected to controlled cooling at a rate of 1 to 4 deg/min.
RU2022121985A 2022-08-12 Method for diffusion welding of single-crystal silicon and glass RU2796482C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2796482C1 true RU2796482C1 (en) 2023-05-24

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1449288A1 (en) * 1987-06-30 1989-01-07 Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского Method of diffusion welding
EP0510369A1 (en) * 1991-04-26 1992-10-28 Drägerwerk Aktiengesellschaft Coupling device for a flexible tube system
RU1594815C (en) * 1989-03-20 1995-07-20 Научно-исследовательский институт физических измерений Diffusion welding method
RU2491158C1 (en) * 2012-02-17 2013-08-27 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Method of diffusion sealing of laminate pack of glass and monocrystal silicon
RU2525715C1 (en) * 2013-02-27 2014-08-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Method of assembling sensing element of micromechanical sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1449288A1 (en) * 1987-06-30 1989-01-07 Московский авиационный технологический институт им.К.Э.Циолковского Method of diffusion welding
RU1594815C (en) * 1989-03-20 1995-07-20 Научно-исследовательский институт физических измерений Diffusion welding method
EP0510369A1 (en) * 1991-04-26 1992-10-28 Drägerwerk Aktiengesellschaft Coupling device for a flexible tube system
RU2491158C1 (en) * 2012-02-17 2013-08-27 Открытое акционерное общество Арзамасское научно-производственное предприятие "ТЕМП-АВИА" (ОАО АНПП "ТЕМП-АВИА") Method of diffusion sealing of laminate pack of glass and monocrystal silicon
RU2525715C1 (en) * 2013-02-27 2014-08-20 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский университет "МИЭТ" (МИЭТ) Method of assembling sensing element of micromechanical sensor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Harder et al. Residual stress in thin-film parylene-C
KR101414399B1 (en) Apparatus and method for semiconductor bonding
KR102059706B1 (en) Device and method for bonding substrates
KR20100043478A (en) Electrostatic chuck and apparatus for attaching substrate using the same
JP4311600B2 (en) Bonding structure for electrostatic chuck and manufacturing method thereof
JPH01179770A (en) Method for bonding metal and ceramic
KR102514884B1 (en) System and related techniques for handling aligned substrate pairs
Wallis Field assisted glass sealing
RU2796482C1 (en) Method for diffusion welding of single-crystal silicon and glass
JP2017049237A (en) Systems and methods for quartz wafer bonding
US20090311818A1 (en) Anodic bonding method and method of producing acceleration sensor
US4452624A (en) Method for bonding insulator to insulator
US6820795B2 (en) Joined article of a supporting member for a semiconductor wafer and a method of producing the same
JP2011071331A (en) Method and device for peeling substrate
CN1272822C (en) Method for fabricating a flat panel device
KR100480273B1 (en) Method for fabricating optical fiber block using silicon-glass anodic bonding technic
US12087726B2 (en) Device and method for joining substrates
KR102447586B1 (en) A method for manufacturing a holding device, and a holding device
JPH10204615A (en) Apparatus for production of electronic parts
US6820797B2 (en) System and method for seal formation
JP2003168362A (en) Atmosphere sealing method and atmosphere sealing device
JP2001287025A (en) Manufacturing method for temperature control device
CN111276392B (en) Solid-phase bonding device and solid-phase bonding method
Subbiah et al. Flip-chip Die Attachment for High-temperature Pressure Sensor Packages up to 500° C
JPH02141442A (en) Method for anodically bonding silicon wafer and glass substrate