层叠结构同时静电封接方法

专利名称：层叠结构同时静电封接方法
技术领域：
本发明涉及传感器制造技术领域，是一种适用于容性敏感器件的层叠结构同时静 电封接的方法。
背景技术：
静电封接又称场助键合或阳极键合。它可以将玻璃与金属或半导体键合在一起而 不用任何粘结剂。这种键合温度低、键合界面牢固、长期稳定性好，是传感器和集成电路制 造技术的关键工艺。其封接工艺的示意图见图7，把将要键合的硅片1接电源正极，玻璃2 接电源负极，封接电压500 1000V，封接温度300 500°C，封接时间10 20min。在电压 作用下，玻璃中的Na+将向负极方向漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层，耗尽层宽度 约为几微米。耗尽层带有负电荷，硅片带正电荷，硅片和玻璃之间存在较大的静电引力，使 二者紧密接触。这样外加电压就主要加在耗尽层上。通过电路中电流的变化情况可以反映 出静电键合的过程。刚加上电压时，有一个较大的电流脉冲，后电流减小，最后几乎为零，说 明此时键合已经完成。静电封接工艺是目前半导体传感器制作中普遍采用的一项技术。但对于新近发展 起来的新型的带有可动岛的结构型敏感器件，如差动硅电容力敏器件、差动电容型加速度 器件等，上述常规的静电封接工艺已无法满足其小间隙(间隙通常小于10微米)封接的特 殊要求。如图8所示在硅片1和玻璃2封接的过程中，由于可动质量块4和玻璃2之间的 间隙比较小，质量块4会在外加的封接电压的作用下，由于静电相吸质量块4被吸到玻璃2 上，导致封接后质量块4和玻璃2被粘结在一起，这是不希望发生的，因为质量块4被粘结 后不可移动，这种粘连会造成传感器封接后的性能失效。采用差动原理制作的传感器在封 接另一面同样会遇到上述问题，如图9所示，上层的玻璃与硅片为采用图8方式已封接好的 结构，与下层玻璃进行静电封接成差动传感器器件，也将引起极板粘连。而采用同电位法静 电封接(一种传感器小间隙非粘连静电封接方法，专利号ZL03134138. 1)可解决上述粘连 问题，但需要硅极板和上、下玻璃极板分别进行两次单面封接才能完成整体器件的封接，且 必须在玻璃极板2上制作金属电极并确保引出，步骤繁琐，效率低，不适合现阶段大批量生 产的需要，所以研究一种高效便捷的适用于容性小间隙层叠结构敏感器件封接方法已势在 必行。经国内外相关文献及专利报道的检索，目前还未见层叠结构同时静电封接工艺方法 的报导。

发明内容
本发明目的是提供一种层叠结构同时静电封接方法，实现小间隙层叠结构的同时 静电封接，解决小间隙层叠结构敏感器件进行静电封接时的粘连、单面分步封接对传感器 性能的不良影响及生产效率低的问题。本发明的层叠结构同时静电封接方法，采用的硅片为双面抛光硅片，加工电源为 直流电源，包括采用溅射工艺、光刻腐蚀工艺，压焊工艺、静电封接工艺，其特征是层叠结构同时实现静电封接；电压引入方式保证层叠结构中的各玻璃叠层同时施加等电位且接封 接电压负极、各硅叠层同时施加等电位且接封接电压正极，在封接条件下实现层叠结构的 同时静电封接；封接时的工艺参数要根据具体的层叠结构的结构参数的不同做适当的调 整，必须要考虑不同叠层之间的温度梯度，使各叠层被封件的封接温度范围满足300°C 500°C，封接电压范围500V 2000V，封接时间为IOmin 20min。本发明在常规静电封接工艺的基础上，采用层叠结构叠层同时引入电压的方式， 使可动岛极板上下受到的静电力相等、方向相反，不发生位移改变，确保了硅可动极板初始 间隙和挠度特性的对称一致，从而解决小间隙敏感器件惯有的静电封接时电极粘连问题， 使得小间隙敏感器件采用静电封接实现全硬封连接成为了可能，确保了传感器蠕变更小， 具有更可靠的长期稳定性。同时，本发明一次性完成差动敏感器件的层叠式结构全硬封连 接，不仅确保了极板间隙的精确对称性控制，而且大大提高了封接的效率，更适合传感器产 业化的需求。另外在实现本发明的过程中，由于封接方式的改变，对封接工艺参数也要根据敏 感器件的具体结构进行相应调整。同时要求被封接件表面高度洁净，平整度和光洁度要达 到常规静电封接的技术要求。本发明使用常规的静电封接装置即可完成，工艺操作方便，可高效一次性完成层 叠器件的同时静电封接，可以使封接后的传感器具有良好的气密性和高的连接强度，并确 保中心敏感硅片的初始间隙和挠度特性基本不受静电封接工艺的影响。由于实现的是材料 之间的硬连接，蠕变小，有利于器件长期稳定的工作。同时层叠结构同时静电封接方法，在 实现了小间隙器件非粘连封接的同时，提高了器件的性能，并使封接效率的明显提高，更加 适于批量生产，是工程化生产的必由之路。


图1为本发明实施例1中玻璃2a、2b的俯视图2为本发明实施例2中玻璃2c、2d的俯视图3为本发明实施例1中硅材料1的结构示意图4为本发明实施例2中硅材料1的结构示意图5为本发明方法的实施例1示意图6为本发明方法的实施例2示意图7为常规静电封接工艺的示意图8为有可动岛4的、有粘连现象常规静电封接工艺的示意图
图9为差动结构静电封接粘连现象示意具体实施例方式
本发明的层叠结构同时静电封接方法，包括采用通常的静电封接工艺方法，其特 征是采用层叠结构叠层同时引入封接电压的方式加工时，封接电压的正电位必须加至硅 材料1上，而封接电压的负电位必须同时加至上玻璃2a和加热板3，下玻璃2b通过导电的 加热板3也和封接电压的负电位相接，保证上玻璃2a、下玻璃2b同时施加等电位并接封接 电压负极，不能反接。
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对于硅材料1上无压焊点或是采用其它方式引出硅极板电极的封装结构或器件， 无需采用压焊封接电压的电极引入线的方式引入电压，可采用在硅材料1上直接搭接金属 电极的方法与封接电压的正电位相接。上述硅材料1上有一可动岛4，如图3所示，采用异性腐蚀工艺把不需要的部分腐 蚀减薄而成，可动岛4和硅材料1为同一材质，通过薄区和硅材料1的周边相连，硅材料1边 缘为封接面，在封接面上的相应部位有槽11容纳玻璃2上的金属电极连线8，保证硅材料1 和金属电极层5在封接工艺完成后的电绝缘，参见图5。在硅材料1的封接面之外，有预先 制作的压焊点6，焊点上采用压焊工艺焊上一硅铝丝作为封接电压的电极引线7。实施例1 用于硅电容加速度敏感器件的层叠结构封接方法，见图5 将上玻璃2a、 硅材料1、下玻璃2b和加热板3由上至下叠放，将硅材料1上的可动岛4和上玻璃2a、下玻 璃2b上的金属电极层5相互对准，将硅材料1上的电极引线7和直流电压的正极相接，加 热板3连接到直流电压的负电极，下玻璃2b即通过加热板3导电过渡，也与直流电压的负 极相连，上玻璃2a在其上表面直接搭接金属电极和直流电压的负极相连；或者还可以如图 1所示，通过在玻璃的边缘压焊点10上压焊电极引线9和直流电压的负极相连，必须保证上 玻璃2a、下玻璃2b极板的电位相同、且同时接到直流电压的负极，不能反接。加工时，将置 于控温加热器上的可导电的加热板3，预先加热到封接温度，然后按上述方法将被封件定位 放好并连接好电源极性，预热2分钟，使上下三层结构达到一致的封接所需温度。这时打开 直流电源，封接条件应根据具体的敏感器件设计结构的不同进行一定的调整，一般来说，封 接温度范围380°C 450°C，封接电压范围600V 1000V，封接时间为IOmin 15min。待 器件封接完成后，关掉直流电源，断开电极引线，把封接后的敏感器件从加热器上移开，让 其在室温下自然降温。例1中的上玻璃2a、下玻璃2b的俯视图如图1所示，表面采用溅射工艺形成金属 电极层5，并将该金属电极层5用光刻腐蚀工艺加工出与边缘压焊点10相连的金属连线8， 可根据实际需要，在上玻璃2a的压焊点10上采用压焊工艺焊上一硅铝丝作为封接电压的 电极引线9接封接电压的负极，也可采用在上玻璃2a表面直接搭接金属电极的方式接封接 电压的负极。下玻璃2b则可通过导电的加热板3过渡同时接封接电压的负极。加电压时， 由于硅材料极板上下所受的静电力相等且方向相反，所以硅材料极板保持静止，从而防止 粘连。实施例2 本发明的层叠结构同时静电封接方法，用于硅电容差压传感器层叠结构的同时静 电封接。封接层叠部件采用如实施例ι由上至下玻璃-硅-玻璃-加热板次序叠放，电源 接法也同上述实施例1，其特征是硅材料1采用如图4所示结构；上玻璃2c、下玻璃2d与金 属电极层5的结构与上述例1不同，见图2所示上玻璃2c、下玻璃2d平面中心有孔，上、 下面及孔的侧壁均有溅射工艺形成的金属电极层(5)，孔的侧壁的金属导电层相当于金属 连线(8)，将金属电极层5端引出，在封接时候用来压焊电极引线。如图6所示，加工时，可根据实际需要采用压焊工艺在金属电极层5上焊上一硅铝 丝作为上玻璃2c、下玻璃2d封接电压的电极引入线，将上玻璃2c、下玻璃2d同时接封接电 压的负极；也可以采用直接在上玻璃2c、下玻璃2d上搭接金属电极同时接封接电压的负极 的方法，完成层叠结构的双极同时静电封接。一般来说，封接温度范围380°C 450°C，封接电压范围600V 1000V，封接时间为IOmin 15min。实施例3 本发明的层叠结构同时静电封接方法，也适用于更多层结构的同时静电封接，如 玻璃-硅-玻璃-硅_玻璃五层结构和玻璃-硅-玻璃-硅-玻璃-硅-玻璃七层结构的同 时静电封接。特征是封接时必须将层叠结构中的玻璃同时接封接电压的负极，硅材料同时 接封接电压的正极，封接时的工艺参数要根据具体的层叠结构的结构参数的不同做适当的 调整，必须要考虑不同叠层之间的温度梯度，使各叠层被封件的封接温度范围满足300°C 500°C，封接电压范围满足500V 2000V，封接时间范围满足IOmin 20min。
权利要求
层叠结构同时静电封接方法，采用的硅片为双面抛光硅片，加工电源为直流电源，包括采用溅射工艺、光刻腐蚀工艺，压焊工艺、静电封接工艺，其特征是层叠结构同时实现静电封接；电压引入方式层叠结构中的玻璃同时接封接电压的负极、硅材料同时接封接电压的正极；保证各玻璃叠层同时施加等电位且接封接电压负极，各硅叠层同时施加等电位且接封接电压正极，在封接条件下实现层叠结构的同时静电封接；封接条件封接温度范围300℃～500℃，封接电压范围500V～2000V，封接时间为10min～20min。
2.根据权利要求1所述的层叠结构同时静电封接方法，用于硅电容加速度敏感器件层 叠结构封接，其特征是将上玻璃(2a)、硅材料(1)、下玻璃(2b)、加热板(3)由上至下叠放， 将硅材料(1)上的可动岛(4)和上玻璃(2a)、下玻璃(2b)上的金属电极层(5)相互对准， 将硅材料(1)上的电极引线(7)和直流电压的正极相接，加热板(3)连接到直流电压的负 电极，下玻璃(2b)即通过导电的加热板(3)过渡也和直流电压的负极相连，上玻璃(2a)可 通过在其上表面直接搭接金属电极的方法和直流电压的负极相连，必须保证上玻璃(2a)、 下玻璃(2b)极板电位相同且同时接到直流电压的负极；封接温度范围380°C 450°C，封接 电压范围600V 1000V，封接时间为IOmin 15min。
3.根据权利要求2所述的层叠结构同时静电封接方法，其特征在于上玻璃(2a)也可以 通过在边缘压焊点(10)上压焊电极引线(9)和直流电压的负极相连。
4.根据权利要求1所述的层叠结构同时静电封接方法，用于硅电容差压传感器层叠结 构封接，其特征在于上玻璃2c、下玻璃2d平面中心有孔，上、下面及孔的侧壁均有溅射工艺 形成的金属电极层(5)，孔的侧壁的金属导电层相当于金属连线(8)，将金属电极层5端引 出，在封接时候用来压焊电极引线。封接温度范围380°C 450°C，封接电压范围600V 1000V，封接时间为IOmin 15min。
5.根据权利要求4所述的层叠结构同时静电封接方法，其特征在于还可以采用压焊工 艺在金属电极层(5)上焊上一硅铝丝作为上玻璃(2c)、下玻璃(2d)封接电压的电极引入 线，同时接封接电压的负极。
6.根据权利要求4所述的层叠结构同时静电封接方法，其特征在于也可以采用在上玻 璃(2c)、下玻璃(2d)上直接搭接金属电极的方法将上玻璃(2c)、下玻璃(2d)同时接封接 电压的负极。
7.根据权利要求1所述的层叠结构同时静电封接方法，其特征在于硅材料(1)上有一 可动岛(4)，采用异性腐蚀工艺把不需要的部分腐蚀减薄而成，可动岛(4)和硅材料(1)为 同一材质，通过薄区和硅材料(1)的周边相连，硅材料(1)边缘为封接面，在封接面上的相 应部位有槽(11)容纳玻璃⑵上的金属电极连线(8)，保证硅材料⑴和金属电极(5)在 封接工艺完成后的电绝缘，在硅材料(1)的封接面之外，有预先制作的压焊点(6)，焊点上 采用压焊工艺焊上一硅铝丝作为封接电压的电极引线(7)。
8.根据权利要求1所述的层叠结构同时静电封接方法，其特征还在于将玻璃_硅-玻 璃-硅-玻璃五层结构和玻璃_硅-玻璃-硅-玻璃-硅-玻璃七层结构的层叠结构同时 静电封接，将层叠结构中的玻璃同时接封接电压的负极、硅材料同时接封接电压的正极，封 接时的工艺参数要根据具体的层叠结构的结构参数的不同做适当的调整，必须要考虑不同 叠层之间的温度梯度，使各叠层被封件的封接温度范围满足300°C 500°C，封接电压范围 500V 2000V，封接时间为IOmin 20min。
全文摘要
层叠结构同时静电封接方法，采用双面抛光硅片，其特征是层叠结构同时实现静电封接，电压引入方式结构中的各玻璃叠层同时施加等电位且接封接电压负极、各硅叠层同时施加等电位且接封接电压正极；要考虑不同叠层之间的温度梯度，使各叠层被封件的封接温度范围满足300℃～500℃，封接电压范围500V～2000V，封接时间范围10min～20min。本发明成功实现了小间隙层叠结构传感器敏感器件的全硬封连接，在一次性完成层叠结构同时静电封接的同时，还避免了极板粘连，保证了传感器具有良好的气密性和高的连接强度，并使极板间隙和挠度特性不受静电封接工艺的影响，确保了传感器输出蠕变更小，具有更可靠的长期稳定性。而且大大提高了封接的效率，适于大批量生产，是工程化生产的必由之路。
文档编号G01P15/125GK101907636SQ20101020457
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月22日 优先权日2010年6月22日
发明者刘沁, 张娜, 张治国, 李颖 申请人:沈阳仪表科学研究院