CN101700867B - 具有光学窗口的mems封装玻璃微腔的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：第一步，利用Si微加工工艺在硅圆片上刻蚀形成特定微槽图案，第二步，将上述刻有微槽的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片在100Pa-30kPa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃圆片与上述特定图案形成密封腔体，第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热，保温，腔内外压力差使软化后的玻璃向密封腔体凸起形成球面，但不与硅圆片微槽的底部接触，从而形成与上述微腔图案结构相应的微腔结构，冷却，将上述圆片在常压下退火消除应力。该工艺方法简单、成本低廉，形成了具有光洁表面的光学通道，同时提供光滑的键合面。

Description

具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)封装技术，尤其涉及一种用于具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法。

背景技术

在MEMS封装领域，由于器件普遍含有可动部件，在封装时需要使用微米尺寸的微腔结构对器件进行密闭封装，让可动部件拥有活动空间，并且对器件起到物理保护的作用，一些如谐振器、陀螺仪、加速度计等器件，还需要真空、气密的封装环境。用无机材料玻璃制作的腔可以提供较好的真空、密封环境，阳极键合工艺可以提供非常好的气密性，是最常用的真空密封键合工艺。在Pyrex7740玻璃上形成微腔结构，再与含有可动部件的Si衬底进行阳极键合，便可以实现MEMS器件的真空封装。

制备玻璃微腔用于封装MEMS器件是一种重要的新方法。然而，使用硅模具进行热成型，由于熔融态的Pyrex7740玻璃与Si深腔的底部接触，使其表面粗糙度很大，不利于为封装光学器件提供良好的光学通路，如何对玻璃热成型方法进行改进，提高其表面粗糙度，利于封装光学器件，这是一个难题。

现有的玻璃热成型方法都无法得到表面粗糙度很好的玻璃微腔。一类是使用Si圆片上刻蚀图案，然后在真空环境下进行阳极键合，之后热成型使玻璃与Si模具贴合，这样就形成了相应图案的玻璃腔体。这种方法可以很好的控制玻璃成型形状。但是，由于在刻蚀过程中造成Si表面很粗糙，同时热成型过程中玻璃软化，与刻蚀的Si深腔密切接触，这样玻璃微腔的表面也就很粗糙，很难达到光学器件封装要求的表面粗糙度。另一类是使用吹制玻璃球腔的方法制造玻璃微腔阵列，由于与Si模具进行阳极键合的玻璃面之后要刻蚀掉Si层，并且在该玻璃面上再与MEMS器件的Si进行二次阳极键合，这样即使玻璃球腔的表面粗糙度很好，但是由于一次键合使玻璃微腔的底面粗糙度很差，很难进行二次阳极键合封装MEMS器件。

所以制造表面粗糙度优异的玻璃微腔阵列，对于使用玻璃微腔封装MEMS器件有着十分重要的意义。比如进行MOEMS、image sensor等光学器件的封装，都需要表面粗糙度很好的玻璃微腔，所以当前需要一种制备具有良好光学通道的玻璃微腔封帽的新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺方法简单、成本低廉的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法。

本发明采用如下技术方案：一种具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：第一步，利用Si微加工工艺在硅圆片上刻蚀形成特定微槽图案，第二步，将上述刻有微槽的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片在100Pa-30kPa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃圆片与上述特定图案形成密封腔体，第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至740℃～890℃，保温3～8min，腔内外压力差使软化后的玻璃向密封腔体凸起形成球面，但不与硅圆片微槽的底部接触，从而形成与上述微腔图案结构相应的微腔结构，冷却，将上述圆片在常压下退火消除应力。

上述技术方案中，所述硅圆片上图案结构的微加工工艺可以为湿法腐蚀工艺。所述Si圆片的硅圆片上刻槽的方法可以是用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。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。第二步中硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。第一步中刻蚀的图案为大于1∶1的深宽比的图案。第一步中刻蚀的图案深宽比为20∶1。

本发明获得如下效果：

1.本发明通过控制第一次阳极键合时的压力使得玻璃与带有微槽的硅键合后形成的密封腔内具有一定的气压(非真空，但是在加热后其内部的气压仍然小于一个大气压)，使玻璃热成型时，在负压的作用下(在成型温度下，外部大气压大于内部压力)，玻璃向内部凸起形成球面(表面张力的作用使熔融态的玻璃呈球面)，但是不贴合硅片底面。其原理在于，根据理想气体状态方程：PV＝nRT可知，一定温度下，在不为真空的密闭腔内，气体的压力与密闭体积成反比。由于密闭腔的体积随着玻璃向腔内凸起而减小，其内部的压力也逐步增大，内外部压力逐渐平衡，而本发明采用的压力范围为100Pa-30kPa，在此范围内，玻璃球面不会贴合于粗糙的硅表面。该100Pa作为下限的选取主要考虑了刻蚀形成的硅模具表面的粗糙度以及形貌等因素，即刻蚀时形成的硅腔的底部通常不是球形，而是多面体形，因此需要为成型后的球面留出足够空间，避免成型后的球面接触该底部，因此需要足够的气压来达到上述目的。另外还考虑了熔融态玻璃由于表面张力作用而引起的附加压力作用等因素，即表面张力是形成球面的主要因素，但引起的附加压力作用是成型的阻力，其大小反比于硅微槽的半径，因此选择合适的压力是能否形成光洁球面的关键。而30kPa上限的选取主要是因为如果内压力过大，在升温时，根据气体状态方程可知内压会提高，综合附加压力的阻碍作用会导致难以向硅微槽内凸起，因而难以成行。本发明由于仅仅通过控制压力就可以实现光洁的外表面，因此方法更简单，成本更低。此外，玻璃微腔的成型是基于微腔内外的压力平衡，因此球面的形状以及体积尺寸均可以根据PV＝nRT进行计算，而不需要严格的控制玻璃黏度和成型时间，仅需要将玻璃加热到熔融态即可。而通过控制玻璃的粘稠度和成型时间来控制玻璃微腔的形状较难达到相应的效果，本发明方法更简单，成本更低。

2.阳极键合具有键合强度高，密闭性好的特点，本发明采用阳极键合形成密闭空腔，在第三步的加热过程中不易发生泄漏而导致成型失败。在温度400℃，电压直流600V的键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。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，从而使其强度韧性更高。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得微腔的形状基本无改变，而退火温度过高易导致微腔形状发生变化不利于后道的封装，而过低的退火温度则无法有效去除玻璃内部应力。

3.本发明制备与Si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圆片因热失配产生损坏；为后道的封装或者器件制造提供方便，工艺过程中受热时不易发生热失配。本发明采用湿法腐蚀在硅表面加工微槽，工艺过程简单可靠，成本低廉，可实现玻璃微腔的圆片级制造。

4.本发明采用干法特别深反应离子刻蚀，可制备高深宽比的(可达到20∶1)硅腔，使得所制备的玻璃微腔也具有较大的深宽比，在封装方面具有广阔的应用。

5.本发明基于传统MEMS加工工艺，由于Pyrex7740玻璃与Si热失配很小，所以本发明使用Si模具。首先在Si片上加工微腔结构，尺寸需要根据所需的Pyrex7740玻璃微腔尺寸和厚度进行调节，本发明刻蚀的腔体较深，在500um厚的硅片上刻蚀300um深的腔体，目的在于避免玻璃在热成型过程中熔融态的玻璃接触Si上腔体的底部，影响玻璃微腔表面粗糙度。

6.本发明中，带有深腔的Si圆片与Pyrex7740玻璃不是在真空条件下进行阳极键合的，而是在较低的压力下进行的阳极键合，即在玻璃与硅形成的密封腔内预封一定的气体，然后再常压下加热到玻璃的软化点温度进行热成型，在微腔内外压力差的作用下，Pyrex7740玻璃下凹成型，由于密封腔内预封了一定气体，使熔融态玻璃不会与腔体底部接触，熔融态玻璃再软化点下成流态，所以在气体压力作用下成的微腔表面光滑，粗糙度很低。这样的特性适用于微流体器件和MOEMS、image sensor等光学器件领域，该微腔的高度尺寸可以通过在硅片上刻蚀深腔的尺寸以及压力进行调节，譬如刻蚀深腔的深度足够大，通过腔内的压力可以控制玻璃流入硅微槽内的深度，从而可以对腔的高度进行控制。其面内尺寸也可以根据硅片上所刻微槽图案进行调节，可以为长方形的沟道状的腔，这是正压吹玻璃的方法无法实现的。

7.本发明通过键合工艺使得玻璃和硅之间形成牢固的化学键合，从而使得硅和玻璃之间形成连续的力学界面。Pyrex7740玻璃与硅之间具有相近的热膨胀系数，具有很好的热匹配，力学性能稳定，因此在玻璃热成型以后能够形成低应力的界面，这样就为玻璃热成型创造了有力的条件。普通玻璃与硅之间的热失配应力较大，在高温热成型过程中就会产生翘曲，表面不平整，导致成型质量差。

8.相对于普通的熔融键合方法，本发明通过阳极键合的方法，在硅和玻璃之间形成Si-O键，使得封装时玻璃微腔与硅片之间形成更牢固的化学键合，这样在高温下，玻璃即使变为熔融态，玻璃熔体也会由于Si-O键的强烈作用，固定在原来位置，避免融化的玻璃在硅表面发生位移。

9.

9.阳极键和具有强度高，密封性好的特点，本发明采用阳极键合形成密封腔，在第三步加热成型过程中不会产生漏气而导致成型失败。温度在400℃下，进行600V直流键合，效果良好。

10.第四步中的退火工艺可以有效地消除在玻璃热成型过程中产生的应力，从而使其强度韧性提高，在二次阳极键合封装器件的过程中，玻璃不易破碎。561℃为Pyrex玻璃的转化点，在这个温度下，玻璃可以有效的消除应力，所以退火温度范围在510℃～560℃中，保温30min，而510℃为玻璃的应变点，所以从560℃到510℃要以1℃/min缓慢降温，在510℃以下可以加快降温速度。

11.本发明采用的是常规的电子微加工工艺，工艺可靠，成本低廉，可实现圆片级制造。本发明可以制造高深宽比的玻璃微腔，在封装方面具有重要的应用。

将制备好的Pyrex7740玻璃微腔用于封装MEMS器件，可以采用粘合剂键合方法，粘合剂可以使用玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种，这种工艺使得封装成本进一步降低。也可以将制备好的玻璃微腔与载有MEMS器件(加速度计、陀螺仪、光学传感器等)相对应地键合，键合工艺采用阳极键合工艺，从而形成真空、气密性封装，同时形成光学窗口(通过腐蚀的方法去除上面的硅)。

附图说明

图1为刻蚀有图案的硅圆片截面示意图

图2为刻蚀有图案的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片键合后的圆片截面示意图

图3为硅圆片与玻璃圆片键合后加热后的截面示意图

图4为制备的具有光滑球面作为外表面的玻璃微腔SEM照片(去除硅模具以后)

具体实施方式

实施例1

一种圆片级玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用Si微加工工艺在Si圆片(譬如4英寸圆片)上刻蚀形成特定微槽图案，所述Si原片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺、或者干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种，该图案可以是方形或圆形槽阵列，也可以是多个不同的图形，(实际上三维上看，刻特定图案是在硅片上刻槽，二维上是图案)，微槽的深宽比可以小于1∶1，也可以大于1∶1，例如：2∶1，3∶1，4∶1，7∶1，10∶1，15∶1，20∶1，深宽比较大的玻璃微腔将会给玻璃提供更多的流变空间，从而为封装腔的尺寸提供更多的选择，

第二步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，市场可购得，通常已经经过抛光，其尺寸与Si圆片相同)在100Pa-30kPa的气氛下进行键合，譬如压力为150Pa，200Pa，1.5kPa，5kPa，20kPa，25kPa，，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，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，以满足常规键合的要求，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，气氛可以为氮气或空气。

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至740℃～890℃，在该温度下保温3～8min，例如温度可以选取为750℃，770℃，780℃，790℃，820℃，830℃，840℃，845℃，850℃，855℃，860℃，870℃，880℃，890℃，保温3～8min，时间可以选取为：3.2min，3.5min，3.8min，4min，4.2min，4.4min，4.8min，6min，7min，7.5min，腔内外压力差使软化后的玻璃向密封腔体凸起形成球面，但不与硅圆片微槽的底部接触，从而形成与上述微腔图案结构相应的微腔结构，冷却到较低的温度，如20-25℃，譬如为22℃，将上述圆片在常压下退火消除应力，该常压是指一个大气压，

上述技术方案中，所述的Si圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，典型工艺条件为：温度400℃，电压：600V。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530℃，540℃，550℃，560℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。

本发明的优选方案如下：上述技术方案中，所述硅圆片上图案结构的微加工工艺可以为湿法腐蚀工艺。所述Si圆片的硅圆片上刻槽的方法可以是用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。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。第二步中硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。第一步中刻蚀的图案为大于1∶1的深宽比的图案。第一步中刻蚀的图案深宽比为20∶1。

实施例2

一种圆片级玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用深反应离子刻蚀方法在4英寸Si圆片上刻蚀形成特定图案(实际上三维上看，是在硅片上刻槽，二维上是图案)，该图案是方形槽阵列，该图案的深宽比为20∶1，硅片经过抛光，

第二步，将上述Si圆片与相同尺寸的(4英寸)Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，市场可购得，已经经过抛光)在1000Pa的气氛下进行键合，键合在EVG-501阳极键合机上进行，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，键合表面在键合前按照阳极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，以满足常规阳极键合的要求，

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4min，腔内外压力差使软化后的玻璃向密封腔体凸起形成球面，但不与硅圆片微槽的底部接触，从而形成与上述微腔图案结构相应的微腔结构，冷却到常温25℃，将上述圆片在一个大气压下退火消除应力，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，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。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560℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温25℃。从而制备的玻璃微腔的图案也具有高达20∶1的深宽比。

本发明通过MEMS加工制造技术：Si片与Pyrex7740玻璃的阳极键合工艺，再利用真空负压热处理工艺，制造出具有原始玻璃表面粗糙度的圆片级Pyrex7740玻璃微腔，工艺成熟，技术可靠。熔融态玻璃具有很低的粗糙度，通常可达到几十个纳米甚至几个纳米以下。

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腔，从而实现微腔的圆片级制作，降低该工艺的成本。获得的玻璃微腔可通过键合等方式对其它器件进行封装。

Claims (8)

1.一种具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用Si微加工工艺在硅圆片(1)上刻蚀形成特定微槽图案(2)，

第二步，将上述刻有微槽的硅圆片(1)与Pyrex7740玻璃圆片(3)在100Pa-30kPa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃圆片与上述特定微槽图案形成密封腔体(5)，

第三步，将上述键合好的硅圆片和玻璃圆片在一个大气压下加热至740℃～890℃，保温3～8min，腔内外压力差使软化后的玻璃向密封腔体(5)凸起形成球面，但不与硅圆片(1)微槽的底部接触，从而形成与上述特定微槽图案结构相应的微腔结构(4)，冷却，将上述硅圆片和玻璃圆片在常压下退火消除应力。

2.根据权利要求1所述的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺。

3.根据权利要求1所述的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述硅圆片上刻槽的方法是用反应离子刻蚀。

4.根据权利要求1所述的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

5.根据权利要求1所述的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于第三步中所述退火的工艺条件为：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所述的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于第二步中硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。

7.根据权利要求1所述的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于第一步中刻蚀的图案为大于1∶1的深宽比的图案。

8.根据权利要求1或7所述的具有光学窗口的MEMS封装玻璃微腔的制造方法，其特征在于第一步中刻蚀的图案深宽比为20∶1。

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