專利名稱：利用經(jīng)反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物的連結(jié)結(jié)構(gòu)的制作方法
相關(guān)的申請案本申請案涉及本發(fā)明人分別于1999年5月21日及2000年8月28日申請的美國專利申請案第09/316,239和09/645,383號。
本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及陶瓷，半導(dǎo)體和金屬材料相互的間的連結(jié)，更具體地說，涉及將一組環(huán)境感測器及其相關(guān)的導(dǎo)線固定在一共用基體上。
本發(fā)明的背景在例如半導(dǎo)體和液晶顯示器(LCD)制造工業(yè)等應(yīng)用中，必須感測在一指定面積上的環(huán)境因數(shù)的絕對值和均勻性，例如溫度，輻射，壓力及氣體組成和/或濃度。為了此目的，將許多感測器配置在一具有所需要的面積且放置在需要感測的位置中的基體上。每一感測器(一般將它預(yù)校準(zhǔn)以與所感測的定量值相關(guān))經(jīng)由導(dǎo)線與一遠(yuǎn)距離定位的應(yīng)答設(shè)施連接，該應(yīng)答設(shè)施感應(yīng)感測器的輸出，例如經(jīng)由提供讀出所感測的環(huán)境特性和/或控制制造程序的其他要素。
在半導(dǎo)體和LCD制造中，處理設(shè)備中的絕對溫度和溫度均勻性是確定制造產(chǎn)率的重要參數(shù)。這種處理設(shè)備包括各種爐(例如快速熱處理、管式、帶式和盤式爐等)、真空濺鍍和蒸發(fā)設(shè)備、化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器、電漿、反應(yīng)式離子和濕式化學(xué)蝕刻器，光阻的應(yīng)用和移除、旋轉(zhuǎn)器用玻璃、冷卻板、熱板、汽提塔(stripper)以及供裝置和集成電路(IC)測試所使用的晶圓和卡盤。
熱感測器通常為K、R或S型熱電偶(TCs)、或薄膜鉑電阻溫度探測器(TFRTDs)。通常將TC接頭或TFRTDs安裝在基體中的各自空穴中并利用黏接材料予以固定在各空穴內(nèi)。供TCs用的黏接材料一般是SiO2和Al2O3的混合物，通常為60wt％的SiO2和40wt％的Al2O3。TFRTD感測器通常需要兩個空穴，一個供感測器本身用而另一個是加強(qiáng)導(dǎo)線黏接，而兩空穴的黏接材料一般為環(huán)氧樹脂。
通常將感測器的電導(dǎo)線包藏入具有1100℃最大溫度定額的石英微管料段中、具有1100℃最大溫度定額的編織硅石套筒中或具有250℃最大溫度定額的特夫綸(Teflon)套筒中。各導(dǎo)線自其各自感測器延伸且通常被綁在一起，集束從基體上開始或離開。
對于TCs的精確溫度校準(zhǔn)，空穴是必要的，因為TC接頭加上自接頭延伸的至少約2.5厘米的導(dǎo)線必須在溫度量測體積內(nèi)以便精確量測。對于表面感測器例如TFRTDs的精確溫度校準(zhǔn)，則空穴是不必要的，因為此等感測器僅須與提供精確溫度量測的物體緊密接觸。然而，在TFRTDs的情況中，為了安裝穩(wěn)定性的目的，通常采用空穴。
通常，感測器所采用的基體包括玻璃、陶瓷和半導(dǎo)體晶圓，其具有相當(dāng)?shù)拇嘈浴Ａ硗?，半?dǎo)體晶圓通常為單晶，它會遭受機(jī)械干擾導(dǎo)致的破裂。因此，在基體中設(shè)置空穴會使基體相較其他情況更易碎，并降低其制造產(chǎn)率。
另一個問題是感測器至基體的機(jī)械結(jié)合時常易于破裂。這是因為目前所采用的黏接材料僅能經(jīng)由截留或聚合黏著而結(jié)合，且亦因為每一導(dǎo)線通常僅在一或兩位置處與基體連接，通過施加應(yīng)力至其導(dǎo)線而使感測器易于自其空穴中移出。其結(jié)果是，采用五個以上感測器在一基體上的系統(tǒng)，時常在一或數(shù)個感測器變得松弛或移出前僅可使用一次。
各導(dǎo)線必須加以護(hù)套以防止它們由于相互接觸而短路，亦防止它們與大多數(shù)基體起化學(xué)反應(yīng)。然而，目前可供利用的護(hù)套大大增加了導(dǎo)線的重量，且會對高溫處理環(huán)境促成顆粒污染。
當(dāng)導(dǎo)線延伸越過基體表面時，溫度通常是最高的，它們會經(jīng)歷與周圍環(huán)境的反應(yīng)。因此，一種特別構(gòu)造在其中可發(fā)揮作用而不會損壞的環(huán)境受參與反應(yīng)的導(dǎo)線材料的阻力以及受周圍環(huán)境的滲透所限制。舉例而言，K型TC線僅在惰性和氫環(huán)境中在500℃以上是穩(wěn)定的，而S型TC線僅在惰性和氧化大氣中在700℃以上是穩(wěn)定的。此外，這些導(dǎo)線沒有一種在反應(yīng)性程序氣體環(huán)境中是穩(wěn)定的。
用于結(jié)合感測器至基體上的Al2O3/SiO2混合物易于僅產(chǎn)生光澤，且一般不會與大多數(shù)可氧化的表面，例如砷化鎵晶圓的硅主動起反應(yīng)。這種使感測器固定在基體上的結(jié)合有相當(dāng)弱的趨向。
本發(fā)明的概述本發(fā)明的目的在提供一種能在高溫下固定地保持本體在基體上并包膠該本體和相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)線以保護(hù)它們免受有害的環(huán)境的包裝系統(tǒng)。一般而言，雖然可應(yīng)用于當(dāng)安裝在可氧化的基體上將暴露于高溫(至少大約460℃)下的一般本體，但是本發(fā)明可特別用于將溫度和其他環(huán)境感測器及其相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)線固定在半導(dǎo)體晶圓上。
一種經(jīng)反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物(RBM)至少部份地包膠本體并藉在高溫反應(yīng)程序期間經(jīng)形成在RBM與基體間的氧化界面使本體相對于基體固定。該本體可能是不可氧化的，在此情況中，將它經(jīng)由RBM予以截留并經(jīng)由RBM與鄰接本體的基體間的氧化界面使定固定在基體上。如果本體本身是可氧化的，則將氧化界面亦形成在RBM與本體之間，提供另外的黏接強(qiáng)度。
RBM可在一與基體直接接觸的本體上延伸，或是基體可經(jīng)由RBM完全包膠。在熱感測器的情況中，在感測器下面及上面提供RBM，感測器下面的RBM層足夠薄以在基體與感測器間提供一條熱傳導(dǎo)途徑。該RBM較佳是B2O3和SiO2的混合物，而B2O3含量是反應(yīng)溫度及所需要的黏接強(qiáng)度和黏度的一個函數(shù)。
通過將RBM中的線沿其至少一部份長度包膠，也可將環(huán)境感測器的導(dǎo)線固定在基體上。RBM使各導(dǎo)線相互電絕緣，因此不需為導(dǎo)線加護(hù)套。它亦易于以相對于基體的單一共同水平面方式或以多層束的方式提供多條導(dǎo)線。可將一組感測器及相關(guān)連的導(dǎo)線經(jīng)由RBM固定在一共同基體上，并將導(dǎo)線連接至一輸出設(shè)施。
對本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來說，從下面參照附圖的詳細(xì)描述，將會對本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)更明白。
附圖的簡單敘述

圖1是分布在一共同基體上的一組環(huán)境感測器及相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)線的平面視圖；圖2是一經(jīng)由RBM予以完全包膠并接合至一基體上的可氧化感測器晶片的剖視圖；圖3是一經(jīng)由疊加的RBM相對于一基體予以包膠的不可氧化的感測器晶片的剖視圖；圖4是一經(jīng)由RBM接合在一基體上的經(jīng)部份包膠的感測器剖視圖5和6分別是經(jīng)由RBM接合在一基體上并相互絕緣的一單層導(dǎo)線及一多層導(dǎo)線束的剖視圖；圖7是一經(jīng)由RBM接合在一插接帽晶圓(cap wafer)上的處理溫度測量晶圓的剖視圖；圖8是SiO2-B2O3RBM的熱膨脹系數(shù)作為每種成份的相對定量值的函數(shù)的圖表；以及圖9是依照本發(fā)明將一本體固定在一基體上的方法流程圖。
較佳實施例的描述圖1所示為本發(fā)明的一具體實施例，其中，將一組環(huán)境感測器2分布在一基體例如半導(dǎo)體晶圓4的表面上來探測所需要的環(huán)境參數(shù)例如溫度，輻射，壓力，氣體組成或氣體濃度。雖然術(shù)語“基體”涉及圖1中的半導(dǎo)體晶圓，但是該術(shù)語并不受限于此類型的結(jié)構(gòu)，而且通常包括任何形式的本體，如下文所述，可將另外的本體緊固至其上。
將各感測器經(jīng)由各自的導(dǎo)線6予以電連接，各導(dǎo)線沿著晶圓表面延伸至一輸出設(shè)施8，例如各感測器的目視讀出指示器。圖1中所顯示的每一導(dǎo)線6代表多條導(dǎo)線，通常為2，3或4條，取決于感測器的類型?？蓪⒏鲗?dǎo)線6個別引出晶圓或組合成為一束10，就圖示的17個感測器系統(tǒng)而論，最好以多層堆疊形式編制各導(dǎo)線。當(dāng)采用多個感測器時，可將各導(dǎo)線連接至一接線板12上，此板12可在晶圓上或晶圓外，以接線板的輸出線14將導(dǎo)線連接至輸出設(shè)施8。亦可將輸入激源或激發(fā)通過適當(dāng)?shù)膶?dǎo)線施加至感測器。
雖然圖中顯示了17個感測器，這只是為了舉例說明的目的；亦可采用較大或較小數(shù)目的感測器。導(dǎo)線的路徑和導(dǎo)線束10的位置以及導(dǎo)線束的數(shù)目是設(shè)計選擇的事項。雖然圖中顯示了一圓形基體，但是該基體可能具有任何所需要的形狀或大小。
圖2所示為使感測器固定在基體上的一種方式。在此實例中，所提供的感測器為一AlN晶片16，其攜帶一SiC感測元件(圖中未示)。此類型的感測器在本申請發(fā)明人的2000年11月30日公布的PCT專利申請案第PCT/US00/07557號中有所描述，其內(nèi)容并入本文中以作參考。該感測器藉由SiO2和B2O3的經(jīng)反應(yīng)硼硅酸鹽混合物(RBM)緊固至晶圓4。圖2中所示的RBM以兩步驟施加第一層18施加在晶片16下面的晶圓表面上，并沿晶圓側(cè)向延伸至晶片；第二層20施加在晶片上面并在第一RBM層上側(cè)向延伸至晶片。下面將詳述RBM的構(gòu)成和處理。第一RBM層18與晶圓4通過形成一薄氧化界面22(厚度一般不超過1,000)而化學(xué)結(jié)合。該RBM層使晶片16與晶圓化學(xué)和電隔離，但其厚度足夠薄，從而可在溫度感測器的情況中，自基體有效地傳熱至晶圓。
RBM層18與20兩者藉由在RBM的反應(yīng)期間與晶片形成一氧化界面24而與晶片16化學(xué)結(jié)合。當(dāng)上面的RBM層20延伸到晶圓表面上超出下面的RBM層18的界限時，亦在反應(yīng)過程中與晶圓形成一氧化界面而延長RBM-晶圓氧化界面22。較厚的氧化界面是由除AlN晶片以外的Si、GaAs等制成的晶圓形成的，其可氧化性比這些晶圓材料的小。因此，僅消耗小部份的晶圓材料，不足以影響其感測能力。
圖2所示的裝置適合于TC接頭。如果需要加強(qiáng)來自晶圓的熱傳遞，可將TC接頭配置在晶圓中的空穴內(nèi)并藉由RBM層予以緊固，如圖所示。
各氧化界面使晶片牢固地固定在晶圓上。晶片保持力比先前的環(huán)氧和結(jié)合技術(shù)強(qiáng)得多。對于某些溫度感測器，可能需要將感測器放置在晶圓中的一空穴內(nèi)以便獲得較大的熱傳遞，但對于感測器或其導(dǎo)線的機(jī)械黏著，則不需要空穴，為了此目的，可完全不要空穴。
當(dāng)RBM氧化一小部份晶片16時，它有效包膠該晶片并保護(hù)它免受更廣泛氧化，否則將會在高溫時的氧化環(huán)境中遭受損失。高可氧化的材料例如鎢可能在加熱時被環(huán)境完全氧化，但在用以形成RBM的熱反應(yīng)過程中，藉由RBM可得以保護(hù)，僅有一小部份在氧化時受損。
圖3所示為本發(fā)明的另一實施例。在此例中，感測器晶片16a由一種不可氧化的材料例如金或鉑所形成。使晶片16a直接與晶圓4接觸并用一單RBM層26包覆，RBM層26在晶片上橫向延伸至晶圓上。當(dāng)起反應(yīng)時，晶片側(cè)面的RBM與晶圓形成一薄氧化界面28，但不會與晶片形成氧化物。在此情況中，晶片被RBM圍閉，藉由RBM/晶圓氧化界面28使該晶片緊固地保持在晶圓上并使其不受環(huán)境影響。
雖然迄今本發(fā)明只是從緊固在下面的晶圓上的環(huán)境感測器的觀點(diǎn)予以描述，但就大體而論，它可應(yīng)用于使任何類型的本體緊固在一可氧化的基體上。如果本體本身可氧化，則RBM將與本體和基體兩者化學(xué)結(jié)合而產(chǎn)生極強(qiáng)的黏著結(jié)構(gòu)。如果僅基體可氧化，則本體藉由截留(圍閉)而保持在其上，通常這不如黏合至基體和本體兩者上那樣強(qiáng)，但是仍然比先前的環(huán)氧或SiO2-Al2O3結(jié)合強(qiáng)得多。
圖4所示為另一實施例，其中，為了各種目的例如環(huán)境氣體或輻射感測，需要將感測器晶片16b暴露于環(huán)境中。在此例中，RBM 30自基體4的表面延伸越過晶片16b的邊緣，再延伸到晶片的上表面上一段足夠的距離，以使晶片緊固地保持在基體上。然而，RBM最終未達(dá)到晶片的中央，留下一部份晶片表面32暴露于環(huán)境中。當(dāng)起反應(yīng)時，RBM與基體形成一保持氧化界面34，如果晶片是由可氧化材料制成，則還會與晶片形成一氧化界面。對于不可氧化的晶片的情況，圖4中未顯示這種晶片-RBM氧化界面。
除了使感測器晶片或其他本體保持在基體上之外，最好還可采用RBM來保持與感測器相關(guān)聯(lián)的各導(dǎo)線在基體上。圖5中示出一單層四線導(dǎo)線束36的情況。將各導(dǎo)線相互間隔并以RBM 38完全包膠，當(dāng)使RBM起反應(yīng)時，它與下面的基體4形成一氧化界面40。RBM將各導(dǎo)線相互間隔并絕緣，同時使它們相對于基體緊固地保持。當(dāng)RBM起反應(yīng)后顯示時，可使用圖中虛線所示的一種形狀42以在反應(yīng)過程中保持各導(dǎo)線隔開以及使各導(dǎo)線保持在位。該形狀42包括向下指向的刀狀突出部44，為了此目的，各突出部圍繞導(dǎo)線的上部延伸。在反應(yīng)過程中，該形狀被夾緊在RBM、各導(dǎo)線以及基體上面的適當(dāng)位置，然后被除去。
如圖6所示，可將大量的導(dǎo)線便利地容納在多層束中。圖中示出34條導(dǎo)線46，與圖1的17個感測器各有兩條導(dǎo)線相一致；其他類型的感測器可采用不同數(shù)目的導(dǎo)線。這些線被排列成四層48a、48b、48c和48d。越向上的層最好所含的導(dǎo)線越少，使層到層的各導(dǎo)線位置交錯以便獲得較大結(jié)構(gòu)完整性。在圖6中，自該束的底層起，第一，第二，第三和第四導(dǎo)線層分別具有10，9，8和7條導(dǎo)線。所有的導(dǎo)線被彼此隔開并藉由一大堆RBM 50(其包膠每條導(dǎo)線的至少一部份長度)使它們相對于基體緊固地保持在適當(dāng)位置，并藉由在RBM的反應(yīng)期間與基體所形成的氧化界面52緊固至基體4上。
包膠導(dǎo)線46時，RBM 50可免除為導(dǎo)線加上護(hù)套的需要。此方式可減少裝置的總重量，還可避免因使用護(hù)套而在高溫下發(fā)生的粒子污染。
RBM 50可與或不可與導(dǎo)線46化學(xué)結(jié)合，取決于各導(dǎo)線是否為可氧化的。如果發(fā)生與導(dǎo)線化學(xué)結(jié)合，則所形成的氧化界面厚度通常會小于1,000，仍將會有大部分的導(dǎo)線可供用于導(dǎo)電。
一般而言，如本文中所述的RBM可用于將任何兩個或以上的可氧化的本體黏接在一起。作為一個實例，圖7所示為一種處理溫度測量晶圓(PTIW)52，它由一具有溫度感測器結(jié)構(gòu)56的半導(dǎo)體晶圓54組成。該P(yáng)TIW被第二半導(dǎo)體晶圓58蓋封，晶圓58為感測器提供機(jī)械和輻射兩種保護(hù)并加強(qiáng)整個裝置。兩晶圓54和58藉由RBM層60相互黏在一起，所述RBM層60包圍兩晶圓的相對表面上的感測器56。當(dāng)RBM在高溫下起反應(yīng)時，它分別與晶圓54和58形成氧化界面62和64，使兩晶圓結(jié)合在一起。將熱通過兩晶圓轉(zhuǎn)移至感測器。有或沒有感測器，都可將兩個或以上的可氧化晶圓或其他本體通過RBM黏接在一起。各晶圓可由相似或不相似的材料例如Si-Si、GaAs-GaAs或GaAs-Si制成。若需要，可延伸RBM來包膠整個結(jié)構(gòu)的所有或所需要的部份。
歷史上，硼硅酸鹽混合物久已被用于商用玻璃和釉料，例如冕牌玻璃、火石玻璃以及用于形成燒杯的派熱司(pyrex)玻璃。然而，它們尚未被用于諸如本申請案中所建議的高溫保持目的。
適當(dāng)?shù)剡x擇RBM材料和制造技術(shù)，可在感測器、其他本體及其相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)線上面制作RBM以形成一環(huán)境障壁，否則，它們在預(yù)期的環(huán)境中可能易退化。除了那些熟知的可蝕刻SiO2的HF以外，經(jīng)適當(dāng)形成的RBM可保護(hù)下面的物質(zhì)免受所有蒸氣和液體環(huán)境所影響。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)具有適當(dāng)比例B2O3、SiO2-B2O3的RBM會在易環(huán)境退化的各感測器諸如TC接頭、Pt RTD晶片以及任何導(dǎo)線上形成環(huán)境障壁，這樣一種RBM會在一般所用材料的緩慢和快速兩個熱循環(huán)期間，調(diào)節(jié)同側(cè)的導(dǎo)線和感測器與將它們附著至其上的基體之間的熱膨脹失配而形成RBM所需要的熱能，不會損壞感測器、導(dǎo)線或基體。RBM在達(dá)至至少1300℃時可用作電絕緣體，且在超過1300℃的溫度下，具有化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性。藉由在熱反應(yīng)期間形成的氧化界面，它可在達(dá)至至少1200℃的溫度下對可氧化物質(zhì)保持強(qiáng)黏附力。
為此目的的B2O3和SiO2的一些重要特性如下- 晶型熔化溫度為460℃(對于B2O3)和1610℃(對于SiO2)。
- 對于SiO2，玻璃軟化溫度為1665℃。
- 兩種材料都是極好的電絕緣體，并形成一連續(xù)置換型玻璃混合物。
-RBM的熱膨脹系數(shù)(TCE)可經(jīng)由適當(dāng)選擇SiO2-B2O3混合比率與具體的感測器和基體材料匹配。
-可將它們混合后以干粉末施加至表面，容許兩表面和主體同時發(fā)生反應(yīng)。還可將它們作為糊施加，但是在起反應(yīng)前應(yīng)將糊干燥以避免「吹泡」(spitting)。
-B2O3的晶型分子量為69.62克/摩耳，SiO2的晶型分子量為60.08克/摩耳。
圖8所示為RBM的TCE作為SiO2-B2O3平均配位數(shù)的函數(shù)?！捌骄湮粩?shù)”是測度RBM中SiO2和B2O3的摩耳百分比，其中，3.0相當(dāng)于100％B2O3，4.0相當(dāng)于100％SiO2，中間的平均配位數(shù)是相關(guān)摩耳百分比的線性函數(shù)?？梢奣CE通常隨B2O3的百分比增加而指數(shù)式增加。
典型的陶瓷基體包括(但不限于)Al2O3、水合硅酸鋁、硼硅酸鋁(alumina-borosilicates)、AlN、BeO、B4C、BN、C，可瀝濾陶瓷、玻璃-陶瓷、云母、SiO2(玻璃和晶體)、SiC、Si3N4、SrO、TiB2、TiOx、(WC)94、Co6、Y2O3、經(jīng)氧化鎂穩(wěn)定的ZrO2、經(jīng)氧化釔穩(wěn)定的ZrO2以及ZrO2。典型的半導(dǎo)體基體包括(但不限于)Ge、Si、Ga As、InP、InSb、InAs、CdTe、CdInTe、HgCdTe以及SiC。
一般而言，各導(dǎo)線的TCE大致上大于基體的(金屬基體除外)。例如，K型TC包含90wt％Ni/10wt％Cr(導(dǎo))線及95wt％Ni/5wt％AlSi線。每條線的TCE是近似于Ni的或約16×10-6/°K(在500℃)。Si的TCE在500℃時約為4.1×10-6/°K。由此現(xiàn)象聯(lián)想到RBM可能需要調(diào)節(jié)熱循環(huán)期間基體與(導(dǎo))線間顯著的膨脹失配。因此，較佳的RBM應(yīng)具有低軟化溫度，以便它可吸收膨脹失配以及在快速熱循環(huán)期間自動“復(fù)原”。此亦要求RBM具有大于70wt％的B2O3。
RBM的B2O3和SiO2原材料可能是粉末、顆粒或晶體。對于各種黏著和/或截留應(yīng)用，最好將B2O3和SiO2分開研磨然后再混合；對于各環(huán)境障壁的應(yīng)用，最好先將B2O3和SiO2混合在一起，然后將混合物研磨成細(xì)粉末。在兩種情況中，平均后研磨粒子的大小應(yīng)小于500微米，愈小愈好?？蓪⑺愿煞勰┗蚪?jīng)分散入有機(jī)溶劑中的方式施加至感測器和基體表面上，在反應(yīng)前應(yīng)將它干燥以防止「吹泡」。
當(dāng)將B2O3/SiO2混合物以及放置該混合物的部件加熱至至少460℃時會起反應(yīng)，最好是在氧化或者在惰性(Ar或N2)氣氛中。反應(yīng)溫度應(yīng)不超過1300℃?？赏ㄟ^慣常和快速的熱技術(shù)來達(dá)到加熱。當(dāng)將部件盡可能快地通過B203的熔化溫度時，最有利于反應(yīng)進(jìn)行。預(yù)期較佳的加熱技術(shù)是使用IR加熱的快速熱退火。
一般而言，較高的反應(yīng)溫度會易于產(chǎn)生較劇烈的反應(yīng)。如果未將SiO2和B2O3良好充分混合或未將它們研磨成非常小的微粒，會減少在反應(yīng)后所留下未起反應(yīng)B2O3的殘余物的機(jī)會。再者，較高的反應(yīng)溫度促進(jìn)形成RBM玻璃，而非光澤，該玻璃完全包膠有RBM施加至其上的本體。對于較低的反應(yīng)溫度，應(yīng)增加混合物中B2O3的比例，以在RBM和與它黏附在一起的本體間保持良好黏著性能。
反應(yīng)溫度經(jīng)常受連同RBM使用的材料的熱性能所限制。例如，一般不應(yīng)將GaAs加熱至超過約900℃，而帶有裝置結(jié)構(gòu)的硅基體不應(yīng)加熱至超過約1,100℃，然后僅歷極短時間。
可能影響混合物中SiO2和B2O3相對比例的因數(shù)(除反應(yīng)溫度外)包括RBM的所需要的黏接強(qiáng)度及黏度。減小B2O3的比例，會增加RBM的黏度，導(dǎo)致較大的黏接強(qiáng)度。在另一方面，較高的黏度意指RBM具有較低TCE且不容易流動。當(dāng)操作遍及一溫度范圍時，會在各材料間產(chǎn)生嚴(yán)重膨脹失配，這使得與具有顯著TCE差的各材料組合物結(jié)合的可能性較小。一般而言，選擇SiO2/B2O3比率將涉及反應(yīng)溫度和所需要的黏接強(qiáng)度及黏度之間的平衡。
圖9所示為用于安裝感測器至晶圓基體上的一種制造技術(shù)。該技術(shù)可用于形成圖2所示的結(jié)構(gòu)。在第一步驟66中，將晶圓掩蔽，只暴露需要RBM的那些區(qū)域?；蛘撸蓪BM施加在整個晶圓上，尤其是當(dāng)將晶圓排他地專用于感測器及其相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)線時。在下一步驟68中，將一層所需要的硼硅酸鹽混合物(BM)施加在暴露的晶圓表面上(如果用了掩模)，或施加在整個晶圓表面上(如果無掩模)。該BM層的厚度應(yīng)在大約0.1毫米至10毫米的范圍內(nèi)，熱感測器用該范圍的低端較佳，以避免有效干擾由晶圓至感測器的熱傳。
下一步驟70中，將感測器及其導(dǎo)線放置在未起反應(yīng)的BM層上面，以便各導(dǎo)線自感測器延伸至超出晶圓的邊緣(或延伸至可設(shè)置在晶圓上的任何接線板)。然后，在步驟72中，將第二層未起反應(yīng)的BM粉末(濕或干)施加在感測器、導(dǎo)線和第一BM層上，接著，將如圖5中所示的一種「形狀」夾緊在各導(dǎo)線上，以使各導(dǎo)線相互隔開并保持各線和感測器靠著第一未起反應(yīng)的BM層(步驟74)。
然后，將該組合置入一烘箱或爐中并加熱至至少500℃至少15秒，熱勻變(thermal ramp)盡可能快速通過460℃ B2O3熔化溫度(步驟76)。這會導(dǎo)致BM固化以及藉由薄氧化層與任何下面的可氧化表面化學(xué)結(jié)合，因此對以RBM連結(jié)的物質(zhì)形成強(qiáng)的機(jī)械附著。在步驟78，通過除去所述「形狀」以及檢驗和鑒定該部件而完成第一感測器的工序。
可藉由此方法將多個感測器同時安裝在晶圓上，只要將其導(dǎo)線以單層方式引出晶圓。如果需要多層導(dǎo)線束，則如所述，可同時在最低層中裝置具有導(dǎo)線的所有感測器，接著除去掩模。然后，施加新掩模以將RBM暴露在第一導(dǎo)線層以及將被下一組感測器及其相關(guān)的導(dǎo)線所占據(jù)的晶圓的區(qū)域上。第二層導(dǎo)線將自其相關(guān)聯(lián)的感測器延伸越過晶圓表面直至到達(dá)第一導(dǎo)線層，在此時，它們跨越覆蓋第一導(dǎo)線層的RBM的頂部，如圖6所示。然后，將第二組感測器和導(dǎo)線以另外的BM層予以覆蓋，并如前述，將未起反應(yīng)的BM固化。對于每一后成的導(dǎo)線層及其相關(guān)聯(lián)的感測器，重復(fù)該程序，如步驟80所示。
本發(fā)明經(jīng)由各種試驗業(yè)已成功顯示，各類型的晶片可安裝在陶瓷和半導(dǎo)體表面上。
試驗1使用上述的RBM將攜帶SiC溫度感測器的AlN晶片安裝在Si晶圓上，所述RBM具有50至75wt％的B203。將所得結(jié)構(gòu)插入600℃、800℃、1000℃和1200℃的大氣管式爐中。在每次試驗中，將各結(jié)構(gòu)留置在爐中5分鐘，然后自爐中取出并放置在冷金屬板上，自爐中取出與放置在板上間的最長時間為30秒。在所有情況中，晶片與晶圓保持連結(jié)。然而，除了600℃的試驗外，當(dāng)晶圓被放置在冷板上時會因熱震而紋裂。
試驗2使用所述的RBM，將與試驗1中相同類型的晶片安裝在GaAs晶圓上。將所得結(jié)構(gòu)插入管式爐中的惰性大氣中，并如試驗1，予以加熱和冷卻(除了未在1200℃下進(jìn)行試驗，此溫度高于GaAs熔化溫度)。所有的晶片與GaAs晶圓保持連結(jié)，而當(dāng)放置在冷板上時，由于熱震，所有的GaAs晶圓會紋裂。
試驗3使用SiO2-B2O3RBM，將Al203陶瓷晶片安裝在Si晶圓上，以仿效鉑TFRTDs的表面安裝，并如試驗1予以試驗。當(dāng)RBM中的B203wt％是至少75％時，在所有情況中，晶片與晶圓保持連結(jié)，但若B203的百分比較低時，它們并不黏附。除了600℃的試驗以外，當(dāng)放置在冷板上時，所有的晶圓會因熱震而紋裂。
試驗4若使用RBM將小Si、GaAs、SiC和AlN等晶片安裝在Al203陶瓷芯片上，則進(jìn)行試驗1的步驟。當(dāng)RBM中的B203wt％是至少75％時，在所有情況中，晶片與芯片保持連結(jié)，但若B2O3的百分比較低時，它們并不黏附。當(dāng)放置在冷板上時，所有芯片會因熱震而紋裂。
試驗5使用RBM，將Si、GaAs、SiC、Al2O3和AlN等晶片安裝在熱解氮化硼(PBN)芯片上，并如試驗1予以試驗。當(dāng)B2O3wt％是至少70％時(除了Al2O3，需要B2O3wt％是至少75％)，在所有情況中，晶片與陶瓷芯片保持連結(jié)。
試驗6使用RBM，將Si、GaAs、SiC、Al2O3、PBN和AlN等晶片安裝在石墨上，并如試驗1予以試驗。結(jié)果與試驗5的相同。
試驗7使用RBM，將Si、GaAs、SiC、Al2O3、PBN、AlN和石墨晶片安裝在溶融石英(SiO2玻璃)上，并如試驗1予以試驗。當(dāng)RBM中的B203wt％是至少70％(除了Al2O3，RBM中需要的B2O3wt％是至少75％)時，在所有情況中，各種晶片與溶融石英保持連結(jié)。當(dāng)放置在冷板上時，所有溶融石英(玻璃)基體會紋裂。
試驗8使用RBM，將Si，GaAs、SiC、Al203和AlN等晶片安裝在結(jié)晶的SiO2上，并如試驗1予以試驗。結(jié)果與試驗7的相同。
經(jīng)發(fā)現(xiàn)RBM在非氧化物材料上工作良好。在氧化物的情況中，特別是Al2O3和SiO2，結(jié)合不如非氧化物基體那樣的強(qiáng)。然而，對SiO2的結(jié)合較對結(jié)晶的Al2O3要強(qiáng)。
試驗9為了試驗RBM的高溫?zé)岚z能力，將厚度大約為1000的鎢金屬薄膜沉積在AlN陶瓷芯片上，并用未起反應(yīng)的B2O3+SiO2粉末予以部份覆蓋，而B2O3的wt％等于或大于50％。然后，將各組合置入在1000℃的大氣管式爐中5分鐘，自爐中取出并在空氣中冷卻。將未被RBM覆蓋的鎢完全氧化，如經(jīng)由黃色及電探測所證實，顯示出它是一種絕緣體。使用HF將RBM自鎢的涂覆部份蝕刻。已經(jīng)涂覆的鎢仍然完整，未改變其導(dǎo)電率，仍是涂覆和熱處理前所顯示的數(shù)值。因為鎢在空氣中氧化極快速，所以此試驗證實RBM能夠保護(hù)金屬在其形成以及形成后期間免于被氧化，并竭力推知自混合粉末至RBM的反應(yīng)速率是非?？焖俚摹?br> 雖然對本發(fā)明的幾個具體實施例作了顯示和敘述，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，是可以作出各種變化或者改型的。因此，本發(fā)明僅根據(jù)所附的權(quán)利要求予以限制。
權(quán)利要求
1.一種包裝系統(tǒng)，其包括一可氧化的基體(4)，一本體(16)，其緊固在所述基體上，及一經(jīng)反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物(RBM)(18，20)，其經(jīng)由與基體形成一氧化界面(22)使所述本體緊固在所述基體上。
2.如權(quán)利要求1所述的包裝系統(tǒng)，其特征在于，所述RBM在所述本體和所述基體間延伸。
3.如權(quán)利要求1或2所述的包裝系統(tǒng)，其特征在于，所述本體可氧化，氧化界面(24)使所述RBM緊固在所述本體上。
4.一種導(dǎo)線系統(tǒng)，其包括一基體(4)，至少一條導(dǎo)電導(dǎo)線(36)，以及一經(jīng)反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物(RBM)(38)，其使所述每條導(dǎo)線的至少一部份長度相對于所述基體固定。
5.一種環(huán)境感測系統(tǒng)，其包括一基體(4)，一環(huán)境感測器(16)，以及一經(jīng)反應(yīng)的硼硅酸鹽(RBM)(18，20)，其在所述感測器以及與所述感測器鄰接的部分基體的上面延伸，以使所述感測器相對于基體固定。
6.如權(quán)利要求5所述的環(huán)境感測系統(tǒng)，其特征在于，其進(jìn)一步包括一輸出設(shè)施(8)，其用于提供對來自所述感測器信號的反應(yīng)，以及至少一條導(dǎo)線(6)，其將所述感測器連接至所述輸出設(shè)施，所述RBM至少部份地包膠所述導(dǎo)線并使它們相對于所述基體固定。
7.如權(quán)利要求5或6任一項所述的感測系統(tǒng)，其特征在于，所述基體可氧化，而所述RBM藉由與基體形成的氧化界面(22)使所述感測器緊固在基體上。
8.如權(quán)利要求6所述的感測系統(tǒng)，其特征在于，所述感測系統(tǒng)還包括一組藉由RBM至少部份包膠并相對于所述基體固定的附加感測器(2)以及所述附加感測器各自的導(dǎo)線(6)，所述各導(dǎo)線藉由導(dǎo)線RBM(38)使它們的至少部分長度包膠并相對于所述基體固定以及使它們各自的感測器連接至所述輸出設(shè)施。
9.一種經(jīng)包膠的包裝，其包括一可氧化的本體(16)，以及一經(jīng)反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物(RBM)(18，20)，其包膠所述本體并保護(hù)它免于與氧化的大氣起反應(yīng)。
10.如權(quán)利要求1，2，4，5，6，8或9任一項所述的結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述RBM包括B2O3和SiO2的反應(yīng)混合物，而B2O3為混合物的至少70wt％。
全文摘要
環(huán)境感測器(2)和其他本體連同相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)線(6)藉由經(jīng)反應(yīng)的硼硅酸鹽混合物(RBM)(18，20)安裝在可氧化的基體(4)上供高溫應(yīng)用，在高溫反應(yīng)過程中，RBM藉由形成在RBM和基體間的氧化界面(22)使本體相對于基體固定。亦可以氧化本體形成氧化界面(24)而提供更進(jìn)一步安裝強(qiáng)度。該RBM是B
文檔編號G01J5/12GK1491432SQ02804956
公開日2004年4月21日 申請日期2002年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月14日
發(fā)明者J·D·帕森斯, J D 帕森斯 申請人:希脫魯尼克斯