CN101475298A - 用微模具成型圆片级玻璃器件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，在微电子加工工艺在抛光硅圆片上刻蚀形成特定结构模具深腔，将上述硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片在真空环境下进行键合，使硅片上的上述特定结构模具深腔形成密封腔体，将上述键合好的两圆片在一个大气压下加热，进行热成型，腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述特定结构模具深腔相应的微结构，冷却，将上述圆片退火消除应力，对上述热退火过后的键合片的玻璃背面进行化学机械抛光，磨平键合片的玻璃圆片背面，使用单面腐蚀方法去除硅模具层。可制备大高宽比(可达到50∶1以上)的玻璃微结构，成本低，在微流体器件和MOEMS等领域都有重要的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)制造技术，尤其涉及一种用微模具成型圆片级玻璃器件的方法。
背景技术
在MEMS制造技术领域，Pyrex7740玻璃(一种含有碱性离子的玻璃，Pyrex是美国Corning公司的产品品牌)是一种重要的材料，它有着和半导体硅材料(常温300K下，Pyrex7740玻璃热膨胀系数为28*10-7/K，硅的热膨胀系数为23~40*10-7/K)相近的热膨胀系数，有着高透光率和较高的强度，并且可以通过使用阳极键合工艺与硅衬底形成高强度的键合连接，在键合表面产生了牢固的Si-O共价键，其强度甚至高于硅材料本身。由于这样的特性，使得Pyrex7740玻璃广泛应用于MEMS封装、微流体和MOEMS(微光学机电系统)等领域。
在MEMS制造领域，对Pyrex7740等玻璃材料的微加工一直是一个难以解决的问题。传统采用湿法腐蚀Pyrex7740玻璃工艺，由于是各向同性腐蚀，所以完全无法提供精确尺寸的微结构。如果采用DRIE的方法利用SF6气体对Pyrex7740玻璃进行刻腔，则需要用金属Cu、Cr等做掩膜进行刻蚀，不仅所刻结构形状和尺寸局限性大，无法实现大高宽比，而且加工效率低，低成本高昂。
在微流体器件和MOEMS等领域，对Pyrex7740玻璃的精密加工有着迫切的需求，比如微流体器件中微缓存腔体的构成，比如MOEMS中光学透镜和表面波导器件的制造等，这些都需要Pyrex7740玻璃精确的表面微加工技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺方法简单、成本低廉、适合批量制造，精密成型且可实现大高宽比玻璃表面微结构的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法。
一种用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，包括以下步骤：
第一步，在微电子加工工艺在抛光硅圆片上刻蚀形成特定结构模具深腔，
第二步，将上述硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片在真空环境下进行键合，使硅片上的上述特定结构模具深腔形成密封腔体，
第三步，将上述键合好的两圆片在一个大气压下、550℃-900℃温度范围内，进行热成型，腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述特定结构模具深腔相应的微结构，冷却，将上述圆片退火消除应力，
第四步，对上述热退火过后的键合片的玻璃背面进行化学机械抛光，磨平键合片的玻璃圆片背面。
第五步，使用单面腐蚀方法去除硅模具层，最终得到圆片级玻璃微模具。
本技术方案中，所述第一步微电子加工工艺为：湿法腐蚀工艺、干法等离子刻蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。所述第二步所述键合采用阳极键合工艺，工艺条件为：温度300-400℃，电压：600-1000V，键合压力：400-1200N，真空度：小于10-2Pa。所述第三步热成型的过程中，温度为760℃-880℃，时间为2-10min。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃-560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第四步中所述的磨平工艺中，采用了CMP工艺，将在热成型工艺中表面有变形的玻璃圆片背面磨平、抛光。第五步中所述去除硅模具的方法为，将退火过后的键合片，浸泡在40％的KOH强碱溶液中，以大于70°C的温度水浴加热，直至完全去除硅模具层。所述第二步刻阳极键合过程中，硅片与Pyrex7740玻璃基片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。所述第一步中所述刻蚀的结构的深宽比为5∶1-50∶1。
本发明获得如下效果：
1.本发明基于传统MEMS硅微加工工艺，首先在硅片上加工成型的微腔结构作为模具，尺寸需要根据最终所需的Pyrex7740玻璃结构尺寸和厚度进行调节。由于硅微加工技术是IC工业中非常成熟的工艺，可以标准的做出所需结构，甚是高深宽比(可达到50∶1)的深腔结构，所以本发明使用硅片做Pyrex7740玻璃的模具层。随后将该含有模具结构的硅片与Pyrex7740玻璃在真空环境下进行阳极键合，形成真空状态的微腔。然后在常压下加热到玻璃的软化点温度进行热成型处理，在微腔内外压力差的作用下，Pyrex7740玻璃被负压挤入硅模具层微腔结构中成型，从而得到我们所需要的玻璃表面微结构。由于Pyrex7740玻璃在软化点温度下成型呈流态，因而形成的微结构表面粗糙度低。这样的特性适用于微流体器件和MOEMS领域。该微结构尺寸可通过在硅片上刻蚀结构的尺寸进行调节，因而可从微米级别进行控制调节。
2.阳极键合工艺具有键合强度高，密闭性好的特点。本发明采用阳极键合工艺形成密闭空腔，在第三步的热成型过程中不会发生漏气而导致成型失败。在温度400℃，电压直流1000V，键合压力：400~1200N(针对4英寸硅和Pyrex7740玻璃的键合片)的键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果，键合的真空度越高，成型性通畅越好，但是，过高的真空度容易导致成本大幅度增加。
3.采用的第三步中的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温负压成型过程中形成的应力，从而使其微结构可靠性更高。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得微结构的形状基本无改变，而退火温度过高易导致微结构形状发生变化；而过低的退火温度则无法有效去除Pyrex7740玻璃微结构的应力。
4.本发明制备与硅的热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃微腔结构，在制备微腔时不容易使键合好的两圆片因热失配产生损坏，为后道的热成型工艺提供了可靠的保障。
5.本发明使用CMP工艺磨平键合片的玻璃圆片背面，使最后成型的玻璃圆片成为标准加工圆片，可以继续投入其他工艺中进一步加工至所需器件。
6.本发明采用常规硅微加工工艺在圆片上进行加工，因此工艺过程简单可靠，成本低廉，并且可实现玻璃微结构的圆片级制造。
7.本发明可制备大高宽比(可达到50∶1以上)的玻璃微结构，在微流体器件和MOEMS等领域都有重要的应用。
8.热成型的温度和时间条件是整个工艺的重点。温度过低，则需要的成型时间较长，成本较高，甚至由于其流动性差而无法完全成型；温度过高，则Pyrex7740玻璃圆片底面变形严重，直接影响后续的CMP工艺。所以挑选合适的工艺条件对于玻璃表面微结构的成型过程非常重要。经过一系列实验，我们选择热成型反应温度为760℃-880℃，反应时间2-10min。
本发明具有工艺简单、成型精确、微结构高宽比高的特点，可以广泛应用于MEMS封装中Pyrex7740玻璃微腔的制造。
附图说明
图一刻蚀有微模具结构的硅圆片截面示意图。
图二硅模具圆片与Pyrex7740玻璃圆片键合后的圆片截面示意图。
图三硅与玻璃的键合片热成型后的截面示意图。
图四硅与玻璃的键合片进行CMP磨平后的截面示意图。
图五磨平抛光后键合片去除硅模具层之后的截面示意图。
具体实施方式
实施例1
一种用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在微电子加工工艺在抛光硅圆片上刻蚀形成特定结构模具深腔，本实施例中，所述第一步微电子加工工艺为：湿法腐蚀工艺、干法等离子刻蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。
第二步，将上述硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片在真空环境下进行键合，真空度可以为：10-6-10Pa，譬如，10-5Pa，10-4Pa，10-3Pa，10-1Pa，2Pa，4Pa，8Pa，使硅片上的上述特定结构模具深腔形成密封腔体，所述键合可采用阳极键合工艺，也可以采用熔融键合等工艺，优选阳极键合工艺，工艺条件为：温度300-400℃，例如选取为320℃，350℃，380℃，电压：600-1000V，例如可以选取为：650V，720V，830V，950V，键合压力：400-1200N，例如可以选取为500N，700N，850N，1050N，真空度：小于10-2Pa，譬如10-3Pa，
第三步，将上述键合好的两圆片在一个大气压下(气氛可以是保护性气氛，也可以是通常的空气)，550℃-900℃温度范围内，进行热成型，热成型时间(从圆片放入上述温度的炉中开始计时)可以为50秒至20分钟，例如1分钟，1.5分钟，2分钟，8分钟，9分钟，11分钟，16分钟，腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述特定结构模具深腔相应的微结构，冷却，将上述圆片退火消除应力，所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃-560℃中，温度可以选取为530℃，540℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温(通常为25℃)。温度优选为760℃-880℃，例如可以为：770℃，820℃，850℃，时间优选为2-10分钟(min)，例如相应地为8分钟，5分钟，3分钟。
第四步，对上述热退火过后的键合片的玻璃背面进行化学机械抛光，磨平键合片的玻璃圆片背面。
第五步，使用单面腐蚀方法去除硅模具层，最终得到圆片级玻璃微模具。所述去除硅模具的方法为，将退火过后的键合片，浸泡在40％的KOH强碱溶液中，以大于70°C的温度水浴加热，直至完全去除硅模具层，
所述第三步热成型的过程中，第三步中第四步中所述的磨平工艺中，采用了CMP工艺，将在热成型工艺中表面有变形的玻璃圆片背面磨平、抛光。第五步中所述第二步刻阳极键合过程中，硅片与Pyrex7740玻璃基片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。所述第一步中所述刻蚀的结构的深宽比为5∶1-50∶1，例如可以为10∶1，20∶1，30∶1，40∶1。
实施例2
一种用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，包括以下步骤：
第一步，利用硅微加工工艺在硅圆片(譬如4英寸圆片)上刻蚀形成特定微腔结构作为模具，所述硅原片上微腔结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺、或者干法ICP刻蚀工艺、RIE或者DRIE中的一种，该图案可以是方形或圆形微腔阵列，也可以是各种不同的图形。实际上从三维上看，特定微腔结构是在硅片上刻深槽，从二维上看是图形。
第二步，将上述硅圆片与同样抛光的Pyrex7740玻璃圆片在小于1*10-2Pa的气氛下进行阳极键合，譬如压力为0.01Pa，0.005Pa，0.001Pa，使Pyrex7740玻璃与硅模具腔形成密封腔体，键合表面在键合前应该保持高度清洁和极小的表面粗糙度，应按照阳极键合或其他键合的工艺要求进行常规清洗和抛光，
第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至Pyrex7740玻璃软化点温度附近810℃~880℃，在该温度下保温5~10min腔内外压力差使软化后的玻璃形成与硅微模具结构相应的微结构，冷却到常温，将上述键合片在常压下退火消除应力，该常压是指一标准大气压环境下。
第四步，对上述热退火过后的键合片的玻璃背面进行CMP(化学机械抛光)工艺处理，磨平键合片的玻璃圆片背面。
第五步，将经过退火处理的键合片，浸泡在40％的KOH强碱溶液中，以大于70℃的温度水浴加热，直至完全去除硅模具层。
上述技术方案中，所述的Si原片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，典型工艺条件为：温度300℃~400℃，电压：600~1000V，键合压力：400~1200N(针对4英寸硅和Pyrex7740玻璃的键合片)。第三步中的加热温度可以选取为820℃，830℃，840℃，845℃，850℃，855℃，860℃，870℃，880℃，保温时间可以选取为：5min，6min，7min，8min，9min，10min。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃~560℃中，退火温度可以选取为520℃，530℃，540℃，550℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温，譬如25℃。第四步中CMP工艺磨平键合片的玻璃背面，同时也可以进行抛光以达到玻璃圆片的原始表面粗糙度。第五步去除硅模具层所采用40％的KOH强碱水浴反应温度可以选取为70℃，80℃，90℃。
实施例3
一种大高宽比玻璃表面微结构的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，包括以下步骤：
第一步，利用DRIE刻蚀方法在4英寸硅圆片上刻蚀形成特定模具结构(实际上，从三维上看是在硅片上刻深槽，二维上是图案)，深宽比实现50∶1，硅片经过抛光。
第二步，将上述硅圆片与相同尺寸的(4英寸)Pyrex7740玻璃圆片在1*10-3Pa的真空下进行阳极键合，使Pyrex7740玻璃与硅模具腔形成密封腔体，键合表面在阳极键合前按照键合要求进行常规清洗和抛光，保持高度清洁和极小的表面粗糙度。
第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至850℃，在该温度下保温8min，腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述微模具结构相应的结构，冷却到常温25℃，将上述圆片在一个大气压下退火消除应力。
第四步，对上述热退火过后的键合片的玻璃背面进行CMP(化学机械抛光)工艺处理，磨平键合片的玻璃圆片背面，并进行抛光，使表面粗糙度达到原始玻璃圆片标准。
第五步，将经过退火处理的键合片，浸泡在40％的KOH强碱溶液中，以80℃的温度水浴加热，直至完全去除硅模具层。
上述技术方案中，所述的硅原片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：800V。第三步中所述热退火工艺中温度可以选取为540℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温25℃。在去除硅模具层之后，圆片级玻璃微模具热成型工艺完成，玻璃圆片表面微结构的高宽比达到50∶1。
本发明通过MEMS加工制造技术：硅片与Pyrex7740玻璃的阳极键合工艺，再利用真空负压热处理工艺，制造出具有原始抛光表面粗糙度的圆片级Pyrex7740玻璃微结构，工艺成熟，技术可靠。
本发明可以在同时在上述圆片上预留划片槽，在加工形成后，可以沿划片槽将各图形划片，获得多个不同的玻璃微结构，从而实现玻璃微结构的圆片级制作，降低该工艺的成本。
上述形成的玻璃模具，在光学等领域用作模具，甚至直接应用成器件，具有较广阔的应用前景。
Claims (9)
1.一种用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，在微电子加工工艺在抛光硅圆片上刻蚀形成特定结构模具深腔，
第二步，将上述硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片在真空环境下进行键合，使硅片上的上述特定结构模具深腔形成密封腔体，
第三步，将上述键合好的两圆片在一个大气压下、550℃-900℃温度范围内，进行热成型，腔内外压力差使软化后的玻璃形成与上述特定结构模具深腔相应的微结构，冷却，将上述圆片退火消除应力，
第四步，对上述热退火过后的键合片的玻璃背面进行化学机械抛光，磨平键合片的玻璃圆片背面。
第五步，使用单面腐蚀方法去除硅模具层，最终得到圆片级玻璃微模具。
2.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于所述第一步微电子加工工艺为：湿法腐蚀工艺、干法等离子刻蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。
3.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于所述第二步所述键合采用阳极键合工艺，工艺条件为：温度300-400℃，电压：600-1000V，键合压力：400-1200N，真空度：小于10-2Pa。
4.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于所述第三步热成型的过程中，温度为760℃-880℃，时间为2-10min。
5.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃-560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。
6.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于第四步中所述的磨平工艺中，采用了CMP工艺，将在热成型工艺中表面有变形的玻璃圆片背面磨平、抛光。
7.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于第五步中所述去除硅模具的方法为，将退火过后的键合片，浸泡在40％的KOH强碱溶液中，以大于70℃的温度水浴加热，直至完全去除硅模具层。
8.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于所述第二步刻阳极键合过程中，硅片与Pyrex7740玻璃基片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。
9.根据权利要求1所述的用微模具成型圆片级玻璃器件的方法，其特征在于所述第一步中所述刻蚀的结构的深宽比为5:1-50:1。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20110803 Termination date: 20150120 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |