способ изготовления микроэлектромеханических структур и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ изготовления микроэлектромеханических структур путем анодного соединения (анодной сварки) двухслойной структуры из пластины кремния с предварительно очищенной стеклянной подложкой при нагревании их в вакууме и приложении напряжения, отличающийся тем, что предварительно пластину из кремния разделяют на кристаллы, формируют пары структур кремний - стекло, размещают их в кассету вертикально, прижимая друг к другу, кассету помещают в графитовый нагреватель и нагревают их при температуре от 370°С до 400°С, после чего подают анодное напряжение на стекло в интервале от 200 до 500 вольт для формирования слоя объемного заряда в стекле, прилегающем к поверхности кремния.

2. Устройство для изготовления микроэлектромеханических структур, содержащее графитовый столик, отличающееся тем, что графитовый столик снабжен боковыми стенками, в которых, как и в основании графитового столика, установлено не менее двух нагревательных элементов в каждом, на торцах двух противоположных стенок установлены токовводы для подачи анодного напряжения, на основании столика расположена кассета, в которой размещены пары структур кремний - стекло, выполненная с возможностью перемещения и содержащая анод, соединенный с токовводами.

3. Устройство для изготовления микроэлектромеханических структур по п.2, отличающееся тем, что кассета выполнена в виде теплостойкого корпуса, боковые стенки которого имеют отверстия для толкателей, против каждого отверстия уложены изоляторы из керамики с прорезями под размер структуры, по их центру установлен анод в виде бруска из теплостойкой стали с полированной поверхностью.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых микроэлектромеханических устройств, а именно малогабаритных датчиков физических величин.

Известны способы изготовления датчиков физических величин на основе объемных кремниевых микроэлектромеханических структур (МЭМС), полученные с помощью метода анодной посадки (см. Баринов И. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий // Журнал «Компоненты и технологии», 2009, № 5).

Датчики физических величин содержат интегральный полупроводниковый преобразователь, который помещают на диэлектрическую подложку или, как правило, стеклянное основание, совпадающее по размеру с кристаллом, на котором расположен интегральный полупроводниковый преобразователь. Отрицательный электрод (катод) подводят к внешней поверхности предварительно очищенной стеклянной пластины, положительный (анод) - к поверхности кремния. Соединяемую сборку нагревают на горячей плите, которая также является анодом, до температуры в диапазоне от 420 до 450°С. Затем прикладывается анодное напряжение в диапазоне от 300 до 1200 В. При повышенной температуре электрический потенциал между соединяемыми деталями вызывает их притягивание до непосредственного контакта и они соединяются почти мгновенно. Процесс анодной посадки производится в вакууме.

Основной проблемой указанного решения является неравномерное присоединение кремниевой и стеклянной пластин на всей площади, подвергающейся анодному сращиванию с одновременным нагревом пластин, что приводит к уменьшению выхода годных микроэлектромеханических элементов.

Наиболее близким известным решением является способ получения микроэлектромеханической структуры методом анодного соединения пластины кремния со стеклянной подложкой (Патент US 6,077,721, МПК H01L 21/00, Н. кл 438/53, опубл. 20.06.2000 г.). В указанном решении для уменьшения шероховатости полупроводниковой пластины применяется травление полупроводниковой пластины через специально вырезанные отверстия в стеклянной пластине до величины 5 мкм и меньше.

Нерешенными остаются следующие проблемы: 1) неравномерное касание поверхностей кремниевой и стеклянной пластин; 2) неравномерно распределенная по объему соединяемых материалов температура разогрева; 3) повреждения кристаллов и стекла при разделении соединенных пластин на отдельные чувствительные элементы; 4) остаточные механические напряжения.

Эти проблемы приводят к потерям до 50% чувствительных элементов, а также увеличивают брак приборов - датчиков физических величин, изготовленных на основе МЭМС технологий: по временной нестабильности сигнала, температурным характеристикам, где данные элементы - пары кристалл кремния (интегральный полупроводниковый преобразователь) - стеклянное основание, соответствующее ему по размеру, используются.

Поставленной задачей является увеличение количества годных микроэлектромеханических структур за счет совершенствования электростатической анодной посадки.

Для достижения поставленной цели:

- в способе изготовления микроэлектромеханических структур, заключающемся в электростатическом анодном соединении в вакууме пластины кремния со стеклянной подложкой, пластину кремния предварительно разделяют на кристаллы, формируют пары структур кремний - стекло, размещают их в кассету вертикально, прижимая друг к другу, кассету помещают в графитовый столик с нагревателями и нагревают до значений от 370 до 400°С, после чего подают анодное напряжение на полупроводниковый кристалл напряжением от 200 до 500 вольт, которое формирует слой объемного заряда в стекле, прилегающем к поверхности полупроводникового кристалла, и обеспечивает электростатическое анодное соединение полупроводникового кристалла и стекла;

- в устройстве для изготовления микроэлектромеханических структур, содержащеем графитовый столик, снабжают его боковыми стенками, в которых, как и в основании графитового столика, установлено не менее двух нагревательных элементов в каждом, на торцах двух противоположных стенок установлены токовводы для подачи анодного напряжения, на основании столика расположена кассета, в которой размещены пары структур кремний - стекло, выполненная с возможностью перемещения и содержащая анод, соединенный с токовводами, при этом кассету выполняют в виде теплостойкого корпуса, боковые стенки которого имеют отверстия для толкателей, против каждого отверстия уложены изоляторы из керамики с прорезями под размер структуры, по их центру установлен анод в виде бруска из теплостойкой стали с полированной поверхностью.

Устройство для проведения электростатического анодного соединения позволяет увеличить количество изготовления МЭМС, ни и качества формируемыхструктур за счет вертикального размещения этих пар для равномерного нагревания.

Изобретение поясняется чертежом, где:

на фигуре 1 показана кассета для размещения пар структуры кристалл кремния - стекло в двух проекциях;

на фигуре 2 изображено устройство для изготовления микроэлектромеханической структуры;

на фигуре 3 изображена схема проведения процесса электростатической анодной посадки;

на фигуре 4 показаны режимы проведения анодной посадки.

Кассета, в разрезе показанная на фигуре 1, состоит из корпуса 1 из теплостойкой стали. В корпусе против каждого отверстия уложены изоляторы 2 из керамики ХС-22 с прорезями под размер кристалла. В отверстия корпуса по направляющим изоляторов вставляются толкатели 3, концы которых выступают за пределы корпуса. Пластинчатые пружинные зажимы 4 вставляются в зазор между прижимной планкой 5 и толкателями. Прижимная планка крепится на наружной стороне корпуса при помощи винтов 6. По центру изоляторов помещен анод 7, брусок из теплостойкой стали с полированной поверхностью. Полированной стороной к кремнию помещается стекло 8, а в прорези изолятора вплотную к поверхности анода планарной стороной помещается вертикально кристалл 9. Сила прижатия стекла к поверхности кремния фиксируется затягиванием винта отверткой с фиксированным усилием.

Кассету с парами кристалл - стекло для проведения процесса соединения необходимо поместить в устройство - графитовый столик, который одновременно служит катодом.

Графитовый столик показан на фигуре 2. Его основными элементами являются: основание 10, боковые и задняя стенка 11 и 12, токовводы 13 для нагревателей, нагреватели 14, попарно расположенные в основании и всех стенках.

Процесс электростатической анодной посадки с применением разработанных кассеты и графитового столика осуществляется следующим образом.

После размещения устройства для изготовления МЭМС с графитовым столиком с кассетой, содержащей пары кристалл - стеклянное основание, в вакуумную камеру (см. фигуру 3) электростатическая анодная посадка выполняется в следующих режимах (см. фигуру 4). Из камеры, в которой размещается приспособление, откачивается воздух до 1×10^-2 мм рт.ст. и включается нагрев до температур от 370 до 400°С. Затем между электродами прикладывается потенциал от 200 до 500 В. При повышенной температуре электрический потенциал между двумя пластинами вызывает тесный их контакт и почти мгновенную анодную посадку. Электростатическое притягивание между стеклянным основанием и кремниевым кристаллом объясняется следующим образом: при повышенной температуре (все же не превышающей точки размягчения стекла) положительные ионы натрия в стеклянном основании становятся подвижными и начинают притягиваться к отрицательному электроду на поверхности стекла, где они нейтрализуются. Более связанные отрицательные ионы кислорода группируются в стеклянном основании ближе к положительному электроду, формируя слой объемного заряда в стеклянном основании, прилегающем к поверхности кремниевого кристалла.

После того как ионы Na⁺ дрейфуют по направлению к катоду, наибольшее падение потенциала в стеклянном основании происходит у поверхности, прилегающей к кремниевому кристаллу. В результате две соединяемые детали действуют как параллельные пластины конденсатора, в котором падение большей части потенциала имеет место в воздушном промежутке микронной ширины. Результирующее электростатическое поле между поверхностями стягивает их. Как только кристалл и стеклянное основание входят в контакт, почти весь приложенный потенциал спадает через объемный заряд в стекле. Чрезвычайно высокие поля, которые появляются в этой области, переносят кислород из стеклянного основания к месту соединения с кристаллом кремния. Химическая природа спая, появляющегося в ходе этого процесса, представляет собой тонкий слой диоксида кремния SiO₂.

Во время анодной посадки технологические режимы, определенные парой температура - анодное напряжение, выдерживаются постоянными. Импульс тока имеет место при включении напряжения, означая дрейф ионов натрия. Очень скоро образуется область объемного заряда и происходит анодная посадка. Хотя процесс скоротечен и необратим, анодное напряжение не выключается при охлаждении в течение одного часа.

Предложенный способ и устройство были опробованы для изготовления датчиков физических величин на основе тензометрических интегральных полупроводниковых преобразователей на кремниевых кристаллах размером 4×4 мм, стеклянных оснований соответствующего размера, которые соединялись электростатической анодной посадкой с помощью разработанных - кассеты и устройства для изготовления МЭМС на следующих режимах: температура 375°С, анодное напряжение 360 В, время проведения процесса 2,5 часа. Общее количество соединенных электростатической анодной посадкой пар кристалл - стеклянное основание 1500 штук.

При соединении полупроводниковых кристаллов и стеклянных оснований выход годных достиг 76%.

Таким образом, реализация предложенного технического решения позволяет увеличить процент выхода годных при изготовлении микроэлектромеханических структур для датчиков физических величин.