SE522141C2

SE522141C2 - Bonding method for sensor and biological circuit, involves selectively depositing bondable section on a member before bonding the member with silicon member together for anodic bonding

Info

Publication number: SE522141C2
Application number: SE9903798A
Authority: SE
Inventors: Leif Bergstedt; Gert Andersson; Britta Ottosson
Original assignee: Imego Ab
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2004-01-20
Also published as: SE9903798D0; SE9903798L

Abstract

A member (M1) (210) is bonded with silicon member (220) through anodic bonding, by selectively depositing at least one bondable section (270) on member (M1) before contacting member (M1) and silicon member together for anodic bonding. The selective deposition is provided through screen printing or photoimage forming. Independent claims are also included for the following: (a) Sensor; (b) Biological circuit

Description

522 141 2 o .. .oo möjligheten att tillhandahålla en ledande anordning genom glaset eller skivan. I ovan nämnda europeiska patent nr. 742 581, till exempel, är den elektriska anslutningsbanan från en av en utanför ledningens bondningyta via en första kontaktdiffusion ner till en försänkt ledare, vilken korsar nedanför förseglingsytan hos kaviteten, och via en andra kontaktdiffusion till en andra aluminium-förbindelseledning, vilken etablerar anslutningar till två piezoresistorer. 522 141 2 o .. .oo the possibility of providing a conductive device through the glass or disk. In the above-mentioned European patent no. 742 581, for example, the electrical connection path is from one of an outside the bonding surface of the conduit via a first contact diffusion down to a recessed conductor, which crosses below the sealing surface of the cavity, and via a second contact diffusion to a second aluminum connecting line, which establishes connections to two piezoresistors.

UPPFINNINGENS SAMMANFATTNING Det huvudsakliga ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en metod för att åstadkomma en hermetisk försegling mellan ett första substrat och ett kiselsubstrat.SUMMARY OF THE INVENTION The main object of the present invention is to provide a method for providing a hermetic seal between a first substrate and a silicon substrate.

Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en hermetisk försegling genom selektiv deponering av förbindbara ytor på ett första substrat och kiselsubstratet. Ytterligare ett annat ändamål med uppfinningen är att tillhandahålla elektrisk anslutning mellan det förseglade utrymmet och den yttre omgivningen genom eller under förseglingssektionen.Another object of the present invention is to provide a hermetic seal by selectively depositing connectable surfaces on a first substrate and the silicon substrate. Yet another object of the invention is to provide electrical connection between the sealed space and the external environment through or under the sealing section.

Av dessa skäl innefattar den inledningsvis nämnda metoden stegen av selektiv deponering på en första del åtminstone en förbindbar sektion före att bringa nämnda första och andra delar samman för anodisk bondning. i Den första delen är företrädesvis en glasskiva, särskilt en glasskiva av borsilikat och nämnda andra skiva är en kiselskiva, eller den första delen är en skivabärare, särskilt en av glass, keramik eller glaskomposit, sådan som LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) och nämnda andra skiva är en kiselskiva. Den förbindbara sektionen innefattar en pasta som innehåller Na-joner.For these reasons, the initially mentioned method comprises the steps of selectively depositing on a first part at least one connectable section before bringing said first and second parts together for anodic bonding. The first part is preferably a glass plate, in particular a glass plate of borosilicate and said second plate is a silicon plate, or the first part is a plate carrier, in particular one of glass, ceramic or glass composite, such as LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) and said second disk is a silicon disk. The connectable section comprises a paste containing Na ions.

Den selektiva deponeringen tillhandahålls genom screentryck eller fotoavbildning.The selective deposition is provided by screen printing or photo imaging.

Beroende på funktionen hos kretsen är bondningen mera företrädesvis hermetisk. 522 141 3 Nämnda första del innefattar företrädesvis ett hölje, nämnda andra kiseldel är en bärare för en funktionell anordning, och nämnda första del förbinds till nämnda andra del tillhandahåller en försegling för nämnda funktionella anordning. Dessutom anordnas en tredje del som en bärande del för att stödja nämnda andra del.Depending on the function of the circuit, the bonding is more preferably hermetic. Said first part preferably comprises a housing, said second silicon part is a carrier for a functional device, and said first part is connected to said second part provides a seal for said functional device. In addition, a third part is arranged as a supporting part to support said second part.

I en utföringsform anordnas elektriska anslutningar ut från nämnda hölje genom nämnda bondningssektioner och/eller nämnda tredje stödjande del.In one embodiment, electrical connections are provided out of said housing through said bonding sections and / or said third support member.

Nämnda anslutningar genom nämnda bondningssektioner anordnas företrädesvis på en av nämnda första, andra och tredje delar före applicerin gen av bondningspastan.Said connections through said bonding sections are preferably arranged on one of said first, second and third parts before the application of the bonding paste.

Bondningssektionema åstadkoms på nämnda första del.The bonding sections are provided on said first part.

Enligt uppfinningen, anges en metod att selektivt förbinda en första del till en andra kiseldel genom anodisk bondning, vari metoden innefattar stegen: att tillhandahålla nämnda första och andra delar, att anordna nämnda första del med bondnin gssektioner i förutbestämda sektioner, att anordna nämnda första och andra delar i ett kontaktläge, att pressa och värma nämnda första och andra delar i nämnda kontaktläge, och att anordna en spänning till nämnda första och andra delar. Den andra delen är företrädesvis en kiselskiva som innefattar en eller flera aktiva sektioner. Den första delen är en glasskiva tillhandahållen med ramar som överensstämmer med nämnda aktiva sektioner.According to the invention, there is provided a method of selectively connecting a first portion to a second silicon portion by anodic bonding, wherein the method comprises the steps of: providing said first and second portions, arranging said first portion with bonding sections in predetermined sections, arranging said first and second parts in a contact position, to press and heat said first and second parts in said contact position, and to apply a voltage to said first and second parts. The second part is preferably a silicon wafer comprising one or more active sections. The first part is a glass plate provided with frames corresponding to said active sections.

Uppfinningen avser också en sensor som innefattar ett lock, ett kiselsubstrat och ett bärande substrat, vari nämnda lock, kiselsubstrat och bärande substrat förbinds genom metoden enligt uppfinningen.The invention also relates to a sensor comprising a lid, a silicon substrate and a supporting substrate, wherein said lid, silicon substrate and supporting substrate are connected by the method according to the invention.

Uppfinningen avser också en biologisk krets hermetisk ansluten till ett substrat med användning av metoden enligt uppfinningen.The invention also relates to a biological circuit hermetically connected to a substrate using the method according to the invention.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följande kommer uppfinningen att beskrivas mera i detalj på ett icke-begränsande sätt med hänvisning till de åtföljande ritningarna, i vilka; 522 141 4 Fi g. 1 visar schematiskt en anordning framställd enligt uppfinningen, Fig. 2a, 2b visar skivan för anodisk bondningprocess i plan-vy enligt uppfinningen, Fig. 3 visar ett tvärsnitt längs linjen III-HI i fig. 2a och 2b, i en fönnonterad form, Fig. 4a, 4b, 4c är tvärsnitt genom olika schematiska utföringsformer som uppvisar ledningen enligt uppfinningen, Fig. 5 är tvärsnitt genom ytterligare en annan utföringsform, och Fig. 6 är ett schematiskt tvärsnitt genom en anordning förbunden enligt en annan utföringdform av uppfinningen.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS In the following, the invention will be described in more detail in a non-limiting manner with reference to the accompanying drawings, in which; Fig. 1 schematically shows a device manufactured according to the invention, Figs. 2a, 2b show the disc for anodic bonding process in plan view according to the invention, Fig. 3 shows a cross section along the line III-HI in Figs. 2a and 2b, in a pre-assembled form, Figs. 4a, 4b, 4c are cross-sections through various schematic embodiments showing the conduit according to the invention, Fig. 5 is a cross-section through yet another embodiment, and Fig. 6 is a schematic cross-section through a device connected according to another embodiment of the invention.

DETALJERAD BESKRIVNING AV U l FÖRINGSFORMER Enligt en första föredragen utföringsforrn är en pasta, t.ex. en tjock eller tunn film genom, t.ex. screentryck eller fotoavbildning, med dopning innehållande Na-joner tillhandahållen med ledande och icke-ledande sektioner, vilka är förbindbara genom anodisk bondning. Bäraresektionen kan vara av glas, keramik eller glaskomposit, sådan som LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic).DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS According to a first preferred embodiment, a paste, e.g. a thick or thin film through, e.g. screen printing or photo imaging, with doping containing Na ions provided with conductive and non-conductive sections, which are connectable by anodic bonding. The carrier section can be of glass, ceramic or glass composite, such as LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic).

Det finns ett antal olika tjockfilmspastor med olika glasblandningar. Det är också möjligt att framställa pastor med natrium eller natriumkalkinnehåll, både som dielektrikum och ledande pastor. Ändamålet med dessa är dock att tillhandahålla en glassammansättning, vilken passar substratet som skall tryckas.There are a number of different thick film pastes with different glass mixtures. It is also possible to produce pastes with sodium or sodium lime content, both as dielectric and leading pastes. The purpose of these, however, is to provide a glass composition which suits the substrate to be printed.

Fig. 1 är ett tvärsnitt genom en anordning 100, t.ex. en sensor enligt ovan nämnda sensor i EP 742 581. Anordningen innefattar ett hölje eller lock 110, t.ex. av borsilikatglas eller annan glassammansättning, en halvledarskiva 120, ett substrat 130, företrädesvis ett flerlagerssubstrat som inkluderar ledare 140 och vior 150 anordnade däri och lödpunkter 160. Locket 110 förbinds med Si-skivan 120 genom bondningsytorna 170a, tillhandahållna i överensstämmelse med föreliggande uppfinning. Substratet 130 förbinds också med Si-skivan 120 genom bondningsytor 170b, tillhandahållna i överensstämmelse med enligt föreliggande uppfinning.Fig. 1 is a cross-section through a device 100, e.g. a sensor according to the above-mentioned sensor in EP 742 581. The device comprises a housing 110, e.g. of borosilicate glass or other glass composition, a semiconductor wafer 120, a substrate 130, preferably a multilayer substrate including conductors 140 and vias 150 disposed therein and solder points 160. The lid 110 is connected to the Si wafer 120 through the bonding surfaces 170a provided in accordance with the present invention. The substrate 130 is also connected to the Si wafer 120 through bonding surfaces 170b, provided in accordance with the present invention.

Bondningsytoma 170a och 170b tillhandahålls som en pasta på locket 110 respektive 522 141 bäraresubstratet 130, som slutna ramar genom screentryck och/eller fotoavbildning eller liknande.The bonding surfaces 170a and 170b are provided as a paste on the lid 110 and 522 141 of the carrier substrate 130, respectively, as closed frames by screen printing and / or photo imaging or the like.

Elektroniken eller funktionella anordningar 180 anordnade på Si-skivan ansluts till ledarna 140, t.ex. genom anslutningar 185 via Si-skivan. Det är också möjligt att anordna anslutningar som passerar bondningspastan hos anslutningsytorna l70a och/eller l70b, vilket kommer att exemplifieras i följande utföringsformer. Vidare är elektroniken 180 ansluten till andra kretsar genom lödpunkter 160.The electronics or functional devices 180 arranged on the Si disk are connected to the conductors 140, e.g. through connections 185 via the Si disc. It is also possible to provide connections which pass the bonding paste of the connection surfaces 17a and / or 170b, which will be exemplified in the following embodiments. Furthermore, the electronics 180 are connected to other circuits through solder points 160.

Ien sensor, filter eller liknande applikationer kan både locket 110 och substratet 130 tillhandahållas med kaviteter 190a respektive 190b.In a sensor, filter or similar application, both the cover 110 and the substrate 130 may be provided with cavities 190a and 190b, respectively.

Fig. 2a är en planvy av en lock-skiva 210 av glas på vilket trycks ett antal förseglingsrarnar 270 hos ett pastamaterial som innehåller Na-joner, t.ex. genom screentryck. Ramarna tillhandahåller ett slutet utrymme som bildar kavitetema 290. På andra sidan, d.v.s. fig. 2b realiseras funktionella anordningar 280 på en Si-skiva 220, vilken kan anordnas på ett bärande substrat 230 (fig. 3), vilket också tillhandahålls med bondningsramar eller sektioner 270b.Fig. 2a is a plan view of a glass lid 210 on which a number of sealing grooves 270 of a paste material containing Na ions, e.g. by screen printing. The frames provide an enclosed space forming the cavities 290. On the other hand, i.e. Fig. 2b, functional devices 280 are realized on a Si disk 220, which can be arranged on a supporting substrate 230 (Fig. 3), which is also provided with bonding frames or sections 270b.

Fig. 3 visar ögonblicket före glasskivan 210 i fig. 2a förbinds på Si-skivan 220 i fig. 2b.Fig. 3 shows the moment before the glass plate 210 in Fig. 2a is connected to the Si plate 220 in Fig. 2b.

Efter bondningsprocessen bildas förseglade enheter, och varje enhet skärs senare av på ett lämpligt sätt som är välkänt för en fackman.After the bonding process, sealed units are formed, and each unit is later cut off in a suitable manner well known to one skilled in the art.

I fig. 3 kan också de funktionella anordningarna 280 vara försänkta i substratet 220 genom rnikrobearbetning eller liknande beroende på applikationen och/eller substratets material.In Fig. 3, the functional devices 280 may also be recessed in the substrate 220 by microbrocessing or the like depending on the application and / or the material of the substrate.

Bondningsprocessen utförs på ett känt sätt, d.v.s. Si-skivan 220 och glasskivalocket 210 eller bäraren 230 kombineras och utsätts för ett tryck och uppvärms till en särskild nivå, till exempel 350°C (men inte begränsad), och utsätts därefter för en spänning, t.ex. 800 V (men inte begränsad) anordnas igenom stapeln som innehåller Si-skivan och skivlocket och/eller bäraren. 522 141 6 Härvidlag är det möjligt att tillhandahålla olika sorts elektriska anslutningar ut från de funktionella anordningama anordnade inuti den förslutna ytan på halvledarmaterialet 230: för det första, enligt fig. 1, d.v.s. genom det bärande substratet 130, och för det andra genom den förseglande ramen 270/270b. I utföringsfonnen i fi g. 4 tillhandahålls ett substrat 420a med ledare 440a, t.ex. genom etsning eller liknande. Därefter pressas pastan 470a (tunnfilms-pasta) anordnad på glaset 410 på substratet 420a.The bonding process is performed in a known manner, i.e. The sieve plate 220 and the glass plate lid 210 or the carrier 230 are combined and subjected to a pressure and heated to a particular level, for example 350 ° C (but not limited), and then subjected to a voltage, e.g. 800 V (but not limited) is arranged through the stack containing the Si disk and the disk cover and / or the carrier. In this regard, it is possible to provide different kinds of electrical connections from the functional devices arranged inside the sealed surface of the semiconductor material 230: first, according to Fig. 1, i.e. through the support substrate 130, and secondly through the sealing frame 270 / 270b. In the embodiment of Fig. 4, a substrate 420a with conductor 440a, e.g. by etching or the like. Thereafter, the paste 470a (thin film paste) arranged on the glass 410 is pressed on the substrate 420a.

I fig. 4b anordnas en tjockfilmspasta 470b, t.ex. genom screentryck på glaset 410.In Fig. 4b, a thick film paste 470b is provided, e.g. by screen printing on the glass 410.

Ledama 440b med väsentligen samma tjocklek som pastan anordnas genom en lämplig metod på substratet 430b, t.ex. aluminiumoxid.The joints 440b with substantially the same thickness as the paste are arranged by a suitable method on the substrate 430b, e.g. alumina.

Andra utföringsfonner är också uppenbart möjliga såsom visat i fi g. 4c, i vilken ett substrat 430 av LTCC används och i vilket ledarna 440c nedsänks. Pastan 4700 anordnas på glaset 410 före bondning.Other embodiments are also obviously possible as shown in Fig. 4c, in which a substrate 430 of LTCC is used and in which the conductors 440c are immersed. The paste 4700 is arranged on the glass 410 before bonding.

Såsom visat i fig. 5 är det också möjligt att försänka pastorna 570 in i substratet 530 av LTCC, så att den övre ytan hos pastan kommer på en väsentligen samma nivå som den övre ytan hos LTCC. Glaset är benämnt med 510.As shown in Fig. 5, it is also possible to recess the pastes 570 into the substrate 530 of the LTCC, so that the upper surface of the paste is at a substantially the same level as the upper surface of the LTCC. The glass is named with 510.

Dessutom, kan bondningen enligt uppfinningen användas som en försegling i ytterligare applikationer. I fig. 6, till exempel, ansluts en så kallad biologisk krets 600 till ett substrat 610. Den biologiska kretsen innefattar en krets 601 för att transportera vätska eller gas. Det är möjligt att ansluta och försegla kretsen till ett externt substrat 610 av t.ex. LTCC av annan krets på samma sätt tillhandahållen med en krets 611 enligt uppfinningen, d.v.s. att anordna ett ringforrnat pastabondningsmedel 620 och att anodiskt förbinda kretsen till substratet eller andra kretsar.In addition, the bonding according to the invention can be used as a seal in further applications. In Fig. 6, for example, a so-called biological circuit 600 is connected to a substrate 610. The biological circuit comprises a circuit 601 for transporting liquid or gas. It is possible to connect and seal the circuit to an external substrate 610 of e.g. LTCC of another circuit similarly provided with a circuit 611 according to the invention, i.e. arranging an annular paste bonding means 620 and anodically connecting the circuit to the substrate or other circuits.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsforrnerna utan kan varieras på ett antal sätt utan att avvika från de bifogade patentkravens skyddsomfång, och anordningen och metoden kan implementeras på olika sätt beroende på applikation, funktionella enheter, behov och krav etc.The invention is not limited to the embodiments shown but can be varied in a number of ways without departing from the scope of the appended claims, and the device and method can be implemented in different ways depending on the application, functional units, needs and requirements, etc.

Claims

10 15 20 25 30 522 141 1 o ou un: PATENTKRAV

Method of applying at least one first die (110, 210, 130, 230, 410, 430, 510, 530, 610) to a second silicon member (120, 220, 420a, 420b, 600) by anodic bonding, characterized by selective depositing on said at least first portion, at least one connectable section (170a, 170b, 270, 470a, 470b, 4700, 570, 620) prior to bringing said first and second portions together for anodic bonding.

Method according to claim 1, characterized in that said first part (110, 210, 410, 510) is a glass sheet, in particular a borosilicate glass sheet and said second sheet is a silicon sheet (120, 220, 420).

Method according to claim 1, characterized in that said first part is a disc carrier (130, 230, 430, 530), in particular one of glass, ceramic or glass composite, such as LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) and said second disc is a silicon wafer.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that said connectable section (170a, 170b, 270, 470a, 470b, 470c, 570, 620) comprises a paste containing Na ions.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that said selective deposition is provided by screen printing or photo-holding.

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that said bonding is hermetic. 10 15 20 25 30 522 141 i?

Method according to any one of the preceding claims, characterized in that said first part constitutes a casing, said second silicon part being a carrier for a functional device (180, 280, 600) and said first part said second part providing a seal for said functional device.

Method according to claim 7, characterized in that a third part is arranged on a supporting part to support said second part.

Method according to claim 7, characterized in that electrical connections out of said housing are arranged through said bonding sections.

Method according to claim 8, characterized in that electrical connections out of said housing are arranged through said third supporting part.

Method according to claims 8-10, characterized in that said combination is arranged through said bonding sections on one of said first, second or third parts for application of the bonding paste.

The method according to any of the preceding claims, characterized in that said bonding sections are provided on said first part.

A method of selectively connecting a first portion (110, 210, 130, 230, 410, 430, 510, 530, 610) to a second silicon portion (120, 220, 420a, 420b, 600) by anodic bonding, characterized by , said bonding method comprising the steps of: - providing said first and second parts, - arranging said first part with bonding sections in predetermined sections, 522 141 9. .. _. arranging said first and second parts in a contact position, - pressing and heating said first and second parts in said contact position, and - supplying a voltage to said first and second parts.

The method according to claim 13, characterized in that the second part is a silicon wafer comprising one or more active sections.

The method according to claim 14, characterized in that said first part is a glass sheet provided with frames corresponding to said active sections.

A sensor (100) containing a cover (110), a silicon substrate (120) and a support substrate (130), wherein said cover (110), silicon substrate (120) and support substrate (130) are connected by one or more methods according to any one of claims 1-15.

A biological circuit (600) comprising a conduit (601) for transporting liquid or gas and hermetically connected to a second conduit (611) arranged on a substrate (610) using one or more methods according to any one of claims 1. -15.