一種用於微機械器件製作玻璃/矽鍵合裝置及其使用方法
2023-10-18 15:10:09 2
專利名稱：一種用於微機械器件製作玻璃/矽鍵合裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及微機械加工，特別是一種用於微機械器件製作玻璃/矽的鍵合裝置及其使用方法。
微電子機械系統(Micro Electro Mechanical system簡稱(MEMS))將微電子技術和微機械技術有效地結合在一起，將信息的獲取、處理和執行融為一體，向著高度集成化、微型化、智能化方向發展。目前已經製作成功的MEMS器件有微陀螺，微機械光開關，微麥克風，微加速度計及微壓力傳感器等，可以廣泛應用在空間、信息、汽車、工業控制、通信、大容量數據存儲、光信息處理、儀器儀表和國防等領域，產生巨大的經濟效益和誘人的應用前景。
現在對MEMS的研究和開發進入了迅速發展階段，MEMS器件的製作和封裝工藝就顯得猶為重要。微機械製作工藝一般是與大規模集成電路製作工藝相容的表面微機械加工工藝，(Lithographie，Galvanoforming，Abfovming簡稱(LIGA))工藝，深反應離子刻蝕(DRIE，Deep Reactive IonEtching)等。
鍵合技術是進行傳感器封裝的基本工藝之一，靜電鍵合技術在電容式和壓阻式傳感器中應用比較廣泛，它指在矽和玻璃上加幾百伏至上千伏的靜電偏壓，受強電場的作用，在較高的溫度下，緊密接觸的矽、玻璃界面發生化學反應，形成牢固的化學鍵，使玻璃-矽界面形成良好的封接，其鍵合強度比玻璃或矽本身更為牢固。鍵合對準精度的高低，將嚴重影響MEMS器件的靈敏度或及工作性能。目前，矽/矽鍵合對準精度在3微米(μm)左右，而矽/玻璃無法控制鍵合對準精度。
現有的矽/玻璃對準及鍵合設備，如卡爾修斯(karlsuss)公司生產的設備，它採用對準和鍵合相分離的方法，包括鍵合前預對準及靜電鍵合兩個獨立的裝置；常溫下先把要鍵合的玻璃/矽片放置在專用託架上進行預對準，然後將託架整體搬移到專用的鍵合裝置上進行鍵合。其典型特點為對準時不鍵合，而鍵合時又不能對準，所以無法保證器件最終的鍵合對準精度。這樣在鍵合時(約400℃)玻璃/矽受熱膨脹不均勻，從而造成了器件的鍵合誤差。另外它只能對矽/玻璃鍵合，而不能對玻璃/矽/玻璃三明治式結構鍵合。
本發明的目的是為了克服上述困難，提供一種用於微機械器件製作玻璃/矽的鍵合裝置及其使用方法，提高鍵合對準精度，改善和提高所制器件的靈敏度和工作性能。
本發明的實質是在玻璃/矽受熱膨脹變形均勻以後實施對準，並同時進行鍵合。
具體地說，一種用於微機械器件製作玻璃/矽鍵合裝置，其特點在於它包括①固定探針電極的工作檯，該工作檯有x位移手輪，y位移手輪和z位移手輪，固定探針電極的工作檯，該工作檯有x位移手輪，y位移手輪和z位移手輪；②用於調節對準時觀察對準狀況的顯微鏡、CCD及監視器的組件；③矽片加熱工作檯，該加熱工作檯由電熱絲對矽片進行加熱，該加熱工作檯具有z位移手輪和繞z軸旋轉手輪；④玻璃片定位工作檯，該定位工作檯有x位移細調手輪和x位移粗調手輪，有y位移粗調手輪和y位移細調手輪，還有絕熱定位盤用以真空吸附玻璃片。
所述的位移手輪和旋轉手輪都可通過電按鈕控制驅動；所述的玻璃片定位工作檯的位移調節精度＜1微米；上述玻璃/矽鍵合裝置的使用方法，包括下列步驟
①將要鍵合的玻璃片吸附在玻璃片定位工作檯的絕熱定位盤上並固定在玻璃片定位工作檯上；②將要鍵合的矽片放在加熱工作檯的檯面上；③調節z位移手輪，使加熱工作檯在z方向上上升，使矽片和玻璃片之間保持一定間隙；④通過矽片加熱工作檯上的電熱絲對矽片進行加熱，待鍵合的玻璃片也同時受熱；⑤當溫度升高至鍵合溫度(例如400℃)時，進一步調節位移手輪使矽片和玻璃片進一步靠近，接著粗調玻璃片定位工作檯的x位移手輪，y位移手輪和矽片加熱工作檯的旋轉手輪，通過顯微鏡及監視器觀察，使玻璃片與矽片予對準，然後藉助於監視器的觀察在x、y方向上細調玻璃片定位工作檯的x位移手輪和y位移手輪，反覆精調對準，精度＜1微米；⑥調節探針電極工作檯的x位移手輪、y位移手輪及z位移手輪，使探針電極壓緊玻璃片，矽片作高壓電極，探針電極和玻璃片作地電極，進行靜電鍵合。
用上述玻璃/矽鍵合裝置製作玻璃/矽/玻璃三明治式結構，則包括下列步驟①將上述已鍵合的玻璃/矽，按矽片在上玻璃在下地放在加熱工作檯的檯面上；②將要鍵合的玻璃片吸附並固定在玻璃片定位工作檯上；③玻璃片與玻璃/矽片對準；④調節探針電極工作檯的x位移手輪、y位移手輪及z位移手輪，使探針電極作為高壓電極壓緊矽片，探針電極仍作為地電極壓緊玻璃，然後進行鍵合。
本發明的優點如下
1、與卡爾修斯(karlsuss)公司的鍵合裝置相比，增加了一組探針電極，既可以對玻璃/矽鍵合，也可以對玻璃/矽/玻璃三明治結構鍵合。
2、用一種對準鍵合裝置代替了卡爾修斯公司的對準及鍵合兩種獨立的裝置，並且器件的鍵合對準精度可以達到1μm。
3、進行對準的高精度微位移機構，既可以手動調節，也可以電動調節。
4、通過更換絕熱定位盤面，可以對不同尺寸的玻璃/矽進行鍵合。
下面結合實施例及其附圖對本發明作進一步說明。
圖1是本發明的玻璃/矽鍵合裝置實施例結構的組合示意圖。
1-固定探針電極5的工作檯2-工作檯1x位移手輪3-工作檯1y位移手輪4-工作檯1z位移手輪5-探針電極6-固定探針電極10的工作檯7-工作檯6x位移手輪8-工作檯6y位移手輪9-工作檯6z位移手輪10-探針電極11-顯微鏡、CCD及監視器組件12-顯微鏡13-監視器14-玻璃片定位工作檯15-玻璃片定位工作檯14的x位移手輪(細調)16-玻璃片定位工作檯14的x位移手輪(粗調)17-玻璃片定位工作檯14y位移手輪(粗調)
18-玻璃片定位工作檯14y位移手輪(細調)19-絕熱定位盤20-玻璃片21-加熱工作檯22-加熱工作檯的臺面23-矽片24-電熱絲25-位移手輪26-加熱工作檯21旋轉手輪本發明的玻璃/矽鍵合裝置主要包括固定探針電極工作檯、顯微鏡、CCD及監視器組件，矽片加熱工作檯及玻璃片定位工作檯四部分，具體地說一種用於微機械器件製作玻璃/矽鍵合裝置，其特點在於它包括①固定探針電極5的工作檯1，該工作檯1有x位移手輪2，y位移手輪3和z位移手輪4，固定探針電極10的工作檯6，該工作檯6有x位移手輪7，y位移手輪8和z位移手輪9；②用於調節對準時觀察對準狀況的顯微鏡12、CCD及監視器13的組件；③矽片加熱工作檯21，該加熱工作檯21由電熱絲24對矽片23進行加熱，該加熱工作檯21具有z位移手輪25和繞z軸旋轉手輪26；④玻璃片定位工作檯14，該定位工作檯14有x位移細調手輪15和x位移粗調手輪16，有y位移粗調手輪17和y位移細調手輪18，還有絕熱定位盤19用以真空吸附玻璃片。固定探針電極工作檯共兩組，可以在x，y，z三個自由度方向上移動，並在鍵合時壓緊玻璃或矽片。顯微鏡、CCD及監視器組件在調節對準時主要用來觀察對準狀況。矽片加熱工作檯可以對矽片和玻璃加熱，z向移動和繞z向轉動進行調節對準。玻璃片定位工作檯用於固定玻璃片，並可以在x，y方向移動調節對準。
本發明涉及的裝置把要鍵合的玻璃/矽通過電熱絲加熱，到鍵合溫度時，或者達到基本穩定的膨脹變形，用顯微鏡12及監視器13觀察，調節具有高精度位移的矽片加熱工作檯21和玻璃片定位工作檯14，實現精度達到1μm的對準。此時通過探針電極工作檯1上的探針5以及矽片施加高壓進行靜電鍵合。最終可以獲得高對準精度的微器件。
簡而言之，本裝置通過高精度微位移機構和CCD顯示觀察裝置，以及熱穩定時對準及鍵合的方法，可以獲得鍵合對準精度為1μm的微器件。
本發明裝置的使用方法及步驟如下首先把要鍵合的玻璃片20吸附在絕熱定位盤面19上，並固定在玻璃片定位工作檯14上，而矽片23放在加熱工作檯21的臺面22上。調節手輪25，使加熱工作檯在z方向上上升，使矽片/玻璃保持一定的間隙。通過矽片加熱工作檯21上的電熱絲24對矽片23進行加熱，待鍵合的玻璃片20也同時受熱。溫度升高至鍵合溫度時，調節位移手輪25使矽片23和玻璃片20緊密接觸。接著粗調玻璃片定位工作檯的x位移手輪16，y位移手輪17及矽片加熱工作檯旋轉手輪26，通過顯微鏡12及監視器13觀察，使玻璃/矽片預對準。然後藉助於監視器的觀察在x，y方向上細調玻璃片定位工作檯的x位移手輪15，y位移手輪18，對二者進行精確對準，精度可以達到1μm。此時二者受熱均勻，對準後可以保證鍵合時誤差較小。調節探針電極工作檯1的x位移手輪2，y位移手輪3及z位移手輪4，使探針電極5壓緊玻璃片，矽片作為高壓電極，探針電極5及玻璃片作為地電極，進行靜電鍵合。
如果要對玻璃/矽/玻璃三明治結構鍵合。則應把已經鍵合的玻璃/矽，按矽片在上玻璃片在下地放在加熱工作檯21的臺面22上。重複上面的對準步驟，精確對準以後，調節探針電極工作檯6的x位移手輪7，y位移手輪8及z位移手輪9，使探針電極10作為高壓電極壓緊矽片，探針電極5仍作為地電極壓緊玻璃，然後進行鍵合。
權利要求
1.一種用於微機械器件製作玻璃/矽鍵合裝置，其特徵在於它包括①固定探針電極(5)的工作檯(1)，該工作檯(1)有x位移手輪(2)，y位移手輪(3)和z位移手輪(4)，固定探針電極(10)的工作檯(6)，該工作檯(6)有x位移手輪(7)，y位移手輪(8)和z位移手輪(9)；②用於調節對準時觀察對準狀況的顯微鏡(12)、CCD及監視器(13)的組件；③矽片加熱工作檯(21)，該加熱工作檯(21)由電熱絲(24)對矽片(23)進行加熱，該加熱工作檯(21)具有z位移手輪(25)和繞z軸旋轉手輪(26)；④玻璃片定位工作檯(14)，該定位工作檯(14)有x位移細調手輪(15)和x位移粗調手輪(16)，有y位移粗調手輪(17)和y位移細調手輪(18)，還有絕熱定位盤(19)用以真空吸附玻璃片。
2.根據權利要求1所述的玻璃/矽鍵合裝置，其特徵在於所述的位移手輪和旋轉手輪都可通過電按鈕控制驅動。
3.根據權利要求1所述的玻璃/矽鍵合裝置，其特徵在於所述的玻璃片定位工作檯(21)的位移調節精度＜1微米。
4.根據權利要求1所述的玻璃/矽鍵合裝置的使用方法，其特徵在於包括下列步驟①將要鍵合的玻璃片(20)吸附在玻璃片定位工作檯(14)的絕熱定位盤(19)上並固定在玻璃片定位工作檯(14)上；②將要鍵合的矽片(23)放在加熱工作檯(21)的臺面(22)上；③調節z位移手輪(25)，使加熱工作檯(21)在z方向上上升，使矽片(23)和玻璃片(20)之間保持一定間隙；④通過矽片加熱工作檯(21)上的電熱絲(24)對矽片(23)進行加熱，待鍵合的玻璃片(20)也同時受熱；⑤當溫度升高至鍵合溫度(例如400℃)時，進一步調節位移手輪(25)使矽片(23)和玻璃片(20)進一步靠近，接著粗調玻璃片定位工作檯的x位移手輪(16)，y位移手輪(17)和矽片加熱工作檯(21)的旋轉手輪(26)，通過顯微鏡(12)及監視器(13)觀察，使玻璃片(20)與矽片(23)予對準，然後藉助於監視器(13)的觀察在x、y方向上細調玻璃片定位工作檯的x位移手輪(15)和y位移手輪(18)，反覆精調對準，精度＜1微米；⑥調節探針電極工作檯(1)的x位移手輪(2)、y位移手輪(3)及z位移手輪(4)，使探針電極(5)壓緊玻璃片(20)，矽片(23)作高壓電極，探針電極(5)和玻璃片(20)作地電極，進行靜電鍵合。
5.根據權利要求4所述的玻璃/矽鍵合裝置的使用方法，其特徵在於①將上述已鍵合的玻璃/矽，按矽片在上玻璃在下地放在加熱工作檯(21)的臺面(22)上；②將要鍵合的玻璃片(20)吸附並固定在玻璃片定位工作檯(14)上；③玻璃片(20)與玻璃/矽片對準；④調節探針電極工作檯(6)的x位移手輪(7)、y位移手輪(8)及z位移手輪(9)，使探針電極(10)作為高壓電極壓緊矽片，探針電極(5)仍作為地電極壓緊玻璃，然後進行鍵合。
全文摘要
一種用於微機械器件製作的玻璃/矽鍵合裝置,主要由探針電極工作檯、顯微鏡、CCD及監視器組件,矽片加熱工作檯及玻璃片定位工作檯四部分組成,實施在玻璃/矽片受熱膨脹變形均勻穩定後進行對準並同時鍵合,使鍵合對準精度達到1微米的要求,提高了鍵合器件的精度和性能。
文檔編號C03C27/00GK1273950SQ0011630
公開日2000年11月22日 申請日期2000年6月2日 優先權日2000年6月2日
發明者熊斌, 車錄鋒, 王躍林 申請人:中國科學院上海冶金研究所