Современные методы соединения пластин из различных материалов при изготовлении микроэлектромеханических структур

УДК 681.518.54

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ СОЕДИНЕНИЯ ПЛАСТИН ИЗ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СТРУКТУР

А. В. Косаров, К. Г. Чуркин, А. И. Запевалин

MODERN METHODS OF CONNECTION PLATES OF DIFFERENT MATERIALS FOR MANUFACTURE OF MICROELECTROMECHANICAL STRUCTURES

А. V. Kosarov, K. G. Churkin, A. I. Zapevalin

Аннотация. Актуальность и цели. При разработке датчиков, эксплуатируемых в среде с высоким градиентом температур, необходимо предусмотреть технические решения, обеспечивающие термокомпенсацию погрешностей измерительного канала как за счет схемотехнических, так и за счет конструктивно-технологических решений, в частности соединения элементов микроэлектромеханических структур (МЭМС). В связи с этим рассмотрение и оптимизация методов соединения пластин из различных материалов при изготовлении МЭМС является актуальной технической задачей, решение которой позволит повысить, в частности, герметизацию измерительных модулей МЭМС датчиков физических величин. Материалы и методы. Реализация исследовательских задач по оптимизации методов соединения пластин из различных материалов при изготовлении МЭМС была достигнута в ходе отработки данного процесса на установке анодной сварки EVG 510. Результаты. В процессе проведения исследования были изготовлены чувствительные элементы МЭМС-гироскопа. После сварки полученные модули успешно прошли испытания на термоудар. Следовательно, механические напряжения между стеклом и кремнием минимальны и параметры техпроцесса подобраны оптимально. Выводы. На основании результатов проведенных работ можно заключить, что на качество соединения влияет предварительная очистка пластин. Наличие окисла на поверхности кремния и загрязнений является причиной «непроваренных» областей или отсутствия соединения. Повышение температуры процесса до максимально допустимой для выбранных материалов позволяет ускорить процесс сварки, а повышение напряжения увеличивает силу электростатического взаимодействия между свариваемыми поверхностями.

Ключевые слова: микроэлектромеханическая структура, измерительный модуль, анодная сварка, кремний, ситалл, стекло.

Abstract. Background. In the development of sensors operating in an environment with a high temperature gradient is necessary to provide technical solutions that provide temperature compensation errors of the measuring channel is due to hardware, and due to structural and technological solutions, in particular - combining the elements (MEMS). In this regard, consideration and optimization techniques connection plates of different materials in the manufacture of MEMS is current technical task that will increase, particularly sealing measuring modules MEMS sensors of physical quantities. Materials and methods. Implementation of research objectives for optimization techniques compound plates of various materials in the manufacture of MEMS has been achieved during the process of mining installation EVG 510 anodic welding. Results. In the course of the study were manufactured sensors MEMS gyroscope. After welding obtained modules have been successfully tested on the thermal shock. Consequently, the mechanical stresses between the glass and silicon are minimal and the PV are optimal. Conclusions. Based on the results of this work

can be concluded that the quality of the connection affects pre-cleaning plates. The presence of oxide on the silicon surface and pollution is the cause of «undercooked» areas or no connection. Increasing the temperature of the process to the maximum allowable for the selected materials can accelerate the process of welding, and the voltage rise increases the strength of the electrostatic interaction between the work piece.

Key words: MEMS structure, measuring module, the anode welding, silicon, py-roceram, glass.

Надежность и качество работы датчиков физических величин на основе кремниевых МЭМС определяются конструктивно-технологическими и схемотехническими решениями для определенных условий эксплуатации. Одним из вариантов конструктивно-технологического решения является изготовление модулей датчиков, состоящих из полупроводниковых интегральных преобразователей и диэлектрической основы.

В современной микроэлектронике для соединения пластин из различных материалов широкое применение получили следующие технологии:

- метод диффузионной сварки, термокомпрессионная сварка;

- метод соединения поверхностей кремния с тонким слоем диэлектрика;

- спайка кремниевых пластин ситаллом или стеклом;

- прямое сращивание пластин с использованием приложенного внешнего давления;

- метод анодной сварки.

Метод диффузионной сварки

Метод диффузионной сварки как разновидность сварки в твердой фазе позволяет соединять детали и узлы из однородных и разнородных металлов, а также металлов и их сплавов с неметаллами при обеспечении комплекса свойств, которые нельзя получить другими способами сварки, пайкой, склеиванием и механическим креплением.

Данный способ сварки обладает следующими достоинствами:

- исключается расплавление соединяемых материалов;

- отсутствует необходимость в обязательном применении драгоценных металлов в виде припоев;

- прочность соединений может изменяться в широком диапазоне в зависимости от требований к сварному узлу, превышая при этом прочность клеевых и паяных соединений;

- возможно совмещение процессов сварки и термической обработки материалов с целью получения определенных свойств;

- соединение разнородных по физико-химическим свойствам материалов исключает дополнительные промежуточные операции, например вжига-ние паст, содержащих серебро;

- процесс диффузионной сварки легко поддается автоматизации.

Важным достоинством этого метода, как и других способов соединения

в твердой фазе, является отсутствие плавления соединяемых материалов.

Диффузионная сварка, реализуемая при температурах, составляющих 0,7-0,8 температуры плавления (Тщ), позволяет получать сварные конструкции законченных форм и размеров. При этом можно исключить изменение свойств свариваемых материалов, повысить качество и надежность изделий,

увеличить срок их эксплуатации и оптимизировать технологический цикл изготовления промышленной продукции.

Непосредственное термокомпрессионное сваривание двух поверхностей кремния

Практическое применение непосредственная термокомпрессионная сварка (НТСК) получила лишь после того, как были найдены эффективные способы активации поверхности кремниевых пластин, среди которых наиболее известными являются химические и плазмотермические методы, например обработка поверхности кремния в тлеющем разряде или в плавиковой кислоте [1].

Активированные и тщательно очищенные поверхности кремниевых пластин соприкасаются друг с другом в обеспыленной атмосфере. При этом возникает сильная адгезия, далее «слипшиеся» пластины отжигают в инертной среде или кислороде при температуре, превышающей 1000-1100 °С, в течение примерно 30 мин. Прочность полученного соединения практически не отличается от прочности монокристаллического кремния, хотя на границе НТСК наблюдаются дислокации и снижается время жизни неосновных носителей заряда. Граница между соединенными пластинами имеет такую же упорядоченность решетки, как при эпитаксиальном наращивании.

Методом НТСК можно получать структуры типа «кремний на диэлектрике», если на окисленную кремниевую подложку или диэлектрическую подложку нанести тонкий слой поликристаллического кремния осаждением из газовой фазы и после соответствующей обработки, т. е. шлифовки, полировки и активации, соединить рассмотренным методом одну подложку с другой кремниевой подложкой.

Соединение поверхностей, покрытых тонким слоем диэлектрика

Методы твердоадгезионного соединения двух поверхностей можно разделить на две группы. К первой группе можно отнести термокомпрессионную сварку поверхностей, из которых одна или обе покрыты слоем термического оксида. Ко второй группе можно отнести методы, при которых оксидные слои на соединяемых поверхностях предварительно модифицируются.

Подготовка подложек для первой группы методов соединения заключается в полировке и термическом окислении одной или обеих из них до толщины оксидного слоя от 0,5 до 2 мкм.

Вторая группа методов соединения поверхностей кремния с тонким слоем диэлектрика включает такие виды подготовки подложек, как напыление на оксидный слой материала, способного образовать с ним изолирующее стекло, или модифицирование оксидной пленки, приводящее к образованию стекловидного слоя.

Спекание пластин со слоями термического оксида мало отличается от НТСК. В литературе в основном упоминается совмещение поверхностей и отжиг в инертной или кислородной атмосфере в диапазоне от температуры термического окисления кремния до 1200-1250 °С.

Методами спекания пластин с тонкими слоями диэлектрика могут быть получены различные структуры КНИ.

Спайка кремниевых пластин ситаллом или стеклом

Идея создания кремниевых структур путем спекания (спайки) кремниевой пластины с подложкой слоем стекла или стеклокерамики появилась довольно давно, однако ее практическое воплощение, по-видимому, сдерживалось отсутствием материала, обладающего всеми необходимыми свойствами. Ситаллы и стекла, используемые, например, для межкомпонентной изоляции и защиты поверхности интегральной схемы (ИС), не удовлетворяют всем этим требованиям.

Методом спайки ситаллом или стеклом могут быть получены структуры КНИ (кремний на изоляторе), а также структуры типа КВД (кремний-воздух-диэлектрик), т.е. состоящие из островков монокристаллического кремния, впаянных в диэлектрическую подложку.

Использование стекловидных диэлектрических подложек при изготовлении структур типа КНИ обеспечивает высокое кристаллическое совершенство тонких монокристаллических слоев кремния и позволяет создавать на их основе как МОП (металл-окисел-полупроводник), так и биполярные ИС. Однако исследование структурного совершенства в подложках типа КВД методом рентгеновской топографии показало, что в процессе технологической обработки при изготовлении ИС наибольшее количество структурных нарушений возникает после спекания кремния с ситаллом.

Использование стекла позволяет снизить требования, предъявляемые к качеству обработки и отмывки соединяемых поверхностей, по сравнению с теми, что необходимы для НТСК или спекания окисленных поверхностей, и дает возможность соединять различные диэлектрические поверхности друг с другом и с кремнием, упрощая процесс подготовки и соединения.

Метод анодной сварки

Электростатическая анодная сварка также является методом герметизации, позволяющим получать отдельные измерительные чувствительные элементы с параметрами, отвечающими требованиям технической документации.

Важным требованием к свариваемым материалам является появление у стекла проводимости при нагреве до температуры значительно меньшей, чем точка размягчения, и наличие коэффициента теплового расширения, согласованного с коэффициентом теплового расширения кремния как в рабочем диапазоне температур датчика, так и в температурном диапазоне технологической операции анодной сварки. Несоблюдение вышеуказанных требований приводит к растрескиванию одного из материалов при их охлаждении до комнатной температуры. Для сварки с кремнием подобрано стекло марки ЛК5 [2].

Суть метода заключается в следующем: две полированные пластины -стекло и кремний - соединяют вместе под давлением. Предварительно поверхности пластин очищают. Соединенные пластины нагревают до температуры 400 °С при подаче напряжения постоянного тока примерно 400 В. При такой температуре стекло становится проводящим. Отрицательный потенциал подается на стеклянную пластину и заставляет смещаться ионы № к отрицательно заряженному электроду, что создает повышенную концентрацию атомов кислорода на поверхности гетероперехода «кремний-стекло»

(рис. 1). Также приложенное напряжение создает большой электростатический потенциал, который приводит обе пластины в тесный контакт.

Рис. 1. Схема анодной сварки

Соединения атомов кислорода и кремния в области гетероперехода образуют очень прочную связь 8102. При подаче напряжения на одну поверхность на противоположной, как правило, создается такой же потенциал, потому как ток, протекающий через соединение, очень мал.

В связи с этим неравномерности в топологии поверхности более чем 10 нм в высоту будут препятствовать хорошей адгезии. Соединение начинает образовываться локально в одной точке, а затем распространяется по всей площади контактирующих пластин.

Принцип работы метода отображен на рис. 2. В качестве соединяемых материалов используются полированная пластина из кремния «-типа и стеклянная пластина, содержащая ионы № (стекло марки ЛК5). На качество соединения влияют чистота обработки поверхности пластин, наличие неровностей, локальных дефектов, загрязнений. Контроль качества сварного соединения производится визуально. Наличие светлых пятен свидетельствует об отсутствии сварного соединения в этом месте.

4№+ + 4е- ^ 4 № 81 + 202 ^ 8102 + 4№

Рис. 2. Процесс электростатического соединения

Во ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» технологии сварки пластин кремния и стекла, используемых для герметизации измерительных модулей МЭМС датчиков физических величин, отрабатывались на установке анодной сварки БУО 510. Для анодного сращивания использовали кремниевые пластины марки 100 КЭФ 4,5(100) и стеклянные пластины марки ЛК5. В состав этого стекла входят щелочные металлы, ионы которых подвижны при температурах порядка нескольких сотен градусов, благодаря чему стекло ЛК5 диаметром 100 мм и толщиной 2 мм обладает сравнительно небольшим по сравнению с другими стеклами удельным сопротивлением. Основными характеристиками стекла ЛК5 для процесса анодной сварки являются: температура размягчения 500 °С; напряжение пробоя 1,2 кВ. При постепенном увеличении напряжения до V = 650 В значение тока также увеличивается с последующей стабилизацией и падением до минимума (рис. 3).

V 83074766458149841533224916683- о- тА 15:49 1Б 18 03 19 10 20 17 21 24 22 31 23 38 24 45 25 63

I I

А

Л

п

I

I \

Г N \

0- -__

Рис. 3. Зависимость тока от напряжения

Резкое падение тока свидетельствует о быстром перераспределении подвижных ионов № и формировании на границе стекла с кремнием тонкой области объемного заряда, создаваемой неподвижными атомами кислорода, на которую падает почти все приложенное напряжение, что создает силы электростатического взаимодействия между пластинами. Процесс проводился при температуре 350 °С в течение 10 мин.

Зависимость прошедшего за время сварки заряда от приложенного напряжения имеет практически линейный характер и выражена гораздо слабее в сравнении с температурной зависимостью той же величины. При увеличении температуры сварки до 450 °С количество заряда увеличивается, что приводит к уменьшению необходимого времени воздействия напряжения и к более качественному соединению. Дальнейшее увеличение температуры до 500 °С привело к деформации сваренных пластин после остывания.

Пластины кремния были обработаны в растворе КН4Р:НР:Н20, содержащим водный раствор НР (49 %). Стеклянные пластины обработаны в 49 %-м растворе НР.

При визуальном контроле дефектов не обнаружено.

Сваренные пластины разделены на модули с последующим испытанием образцов на отрыв (табл. 1).

Таблица 1

Результаты испытаний

Номер образца 1 2 3 4 5 6 7 8

5ОТ, кг/мм 13,2 17,6 2,4 23,8 31,4 1,8 13,8 34,6

V, мм/мин 20 10 10 30 40 50 30 30

Для фиксации держателей использовали клей ВК-9. В ходе испытания произошел отрыв держателя от образца по клею. В дальнейшем предлагается заменить клей на К-400.

Метод анодной сварки применен для изготовления гироскопа. После сварки полученные модули успешно прошли испытания на термоудар от +60 до -85 °С. Следовательно, механические напряжения между стеклом и кремнием минимальны и температура подобрана оптимально.

На основании результатов проведенных работ можно заключить, что на качество соединения влияет предварительная очистка пластин. Наличие окисла на поверхности кремния и загрязнений является причиной «непрова-ренных» областей или отсутствия соединения. Повышение температуры процесса до максимально допустимой для выбранных материалов позволяет ускорить процесс сварки, а повышение напряжения увеличивает силу электростатического взаимодействия между свариваемыми поверхностями.

Список литературы

1. Люшинский, А. В. Диффузионная сварка разнородных материалов / А. В. Лю-шинский. - М. : Академия, 2006.

2. Термически изолированные ячейки в конструкциях преобразователей физических величин изготовленные электростатической анодной посадкой полупроводниковых и диэлектрических элементов / А. Б. Борзов, К. П. Лихоеденко и др. // Наука и образование. - 2010. - № 12.

Косаров Александр Викторович

аспирант,

Пензенский государственный университет, начальник конструкторского отдела, ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» E-mail: kav17@startatom.ru

Kosarov Alexander Viktorovich post-graduate student, Penza State University, head of engineering department, Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex Start named after M. V. Protsenko

Чуркин Кирилл Геннадьевич

инженер-технолог, ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» E-mail: churkinkg@gmail.com

Churkin Kirill Gennadievich

engineer,

Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex Start named after M. V. Protsenko

Запевалин Александр Иванович аспирант,

Zapevalin Alexander Ivanovich post-graduate student,

Пензенский государственный университет, Penza State University,

инженер-технолог,

engineer,

Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex Start named after M. V. Protsenko

ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. М. В. Проценко» E-mail: vm386@yandex.ru

УДК 681.518.54 Косаров, А. В.

Современные методы соединения пластин из различных материалов при изготовлении микроэлектромеханических структур / А. В. Косаров, К. Г. Чуркин, А. И. Запевалин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2015. - № 1 (13). - С. 138-145.