CN101723308A

CN101723308A - Mems圆片级真空封装方法

Info

Publication number: CN101723308A
Application number: CN200910262848A
Authority: CN
Inventors: 尚金堂; 陈波寅; 张迪; 徐超; 柳俊文; 唐洁影; 黄庆安
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: CN101723308B

Abstract

本发明公开一种真空度维持时间长的MEMS玻璃微腔真空封装工艺，包括以下步骤：首先利用Si微加工工艺在硅圆片上刻蚀深的封装槽，并在其周围刻蚀相对较浅的环状的真空缓冲槽，然后将上述刻有微槽的硅圆片与玻璃圆片进行键合，使玻璃圆片与上述特定图案形成密封腔体，再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内流动，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，接着，腐蚀将硅片去掉。下一步，将硅片和玻璃片在1Pa-10Pa的气氛下进行阳极键合，形成整个真空封装。本发明通过在封装腔周围制备环形真空缓冲腔，提高了封装腔内真空度的维持能力。

Description

MEMS圆片级真空封装方法

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MEMS圆片级真空封装方法。

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。阳极键合工艺实现的MEMS器件的真空封装泄漏率低，真空度维持时间长。延长真空度维持时间，对于使用玻璃微腔封装MEMS器件有着十分重要的意义。比如进行谐振器、陀螺仪、加速度计等器件对真空度很敏感，品质因素随真空度的变化有较大的浮动，封装腔内的真空度的维持对器件精度起着关键作用。所以当前需要一种真空度维持时间长的玻璃微腔封装的新方法。但谐振器、陀螺仪、加速度计等器件目前，常用的手段是采用吸气剂来维持真空度。吸气剂通常需要高温激发，而这样的高温环境会使集成电路内部的硅-铝会发生化学反应，从而导致集成电路的失效。同时，吸气剂还会污染环境，影响加速度计等器件的可靠性。

现有的热成型工艺对玻璃表面的平整度都有一定的影响，平整度与玻璃微腔深度成反比。其原因在于随着成型的腔的深度增加，需要微腔周围补充进模具硅腔的玻璃越多，使处于玻璃圆片微腔周围的玻璃厚度减小，因而与玻璃圆片未流动部分的平面造成较大的高度差，导致玻璃表面不平整。而表面平整度对阳极键合的键合强度影响较大，另外还导致因键合工艺引起的封装应力较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺方法简单、低应力、真空维持能力强的MEMS圆片级真空封装方法。

本发明采用如下技术方案：一种真空度维持时间长的MEMS玻璃微腔真空封装工艺，包括以下步骤：第一步，利用Si微加工工艺在硅圆片上刻蚀深的封装槽，并在其周围刻蚀相对较浅的环状的真空缓冲槽，第二步，将上述刻有微槽的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片在1Pa-10Pa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内流动，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。第四步，将硅片去掉。第五步，将有器件的硅片和带封装腔和真空缓冲腔的玻璃片在1Pa-10Pa的气氛下进行阳极键合，形成整个真空封装。

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。第四步为湿法刻蚀，TMAH溶液浓度是25％，为提高反应速率，需采用90℃水浴。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。

本发明获得如下效果：

1.对于通过阳极等键合方法，利用带有玻璃微腔封装硅基MEMS器件，玻璃与硅的界面之间的泄漏是造成玻璃微腔内部真空度下降的主要原因。本发明通过在封装腔周围制备环形真空缓冲腔，提高了封装腔内真空度的维持能力。封装腔的泄漏速度与腔内外压强差有关，腔内外压强差越大，封装腔的泄漏速度越快，真空的维持能力也就越差。首先，通过在封装腔的周围真空缓冲腔，使得封装腔的内外压差变成封装腔的压强和真空缓冲腔的压强之差，相比原来的封装腔压强与大气压强差，有大幅度的减低，从而降低了泄漏速度，提高了封装腔真空度的维持能力。其次，玻璃微腔成型时，由于腔体周围的玻璃部分流入了硅腔中用于成型封装腔，因此深腔边缘的玻璃厚度较薄，与圆片其它未成腔部分的高度差变大，从而造成平整度较差，表面平整度的问题，一定程度上降低了阳极键合强度，使得泄漏率提高，不利于真空度的维持。通过在封装腔周围设置浅腔，阻隔了成型时玻璃圆片的熔体流动，限制了深玻璃微腔成型时周围玻璃圆片厚度减薄的区域的大小，即只有在玻璃微腔周围与缓冲腔之间的厚度减薄。因而使得平整的面积扩大，使得阳极键合的质量得到较大的提高，提高了真空维持能力。最后，封装缓冲腔的设立还减小了封装的应力。由于玻璃封装腔的周围不平整度较高，在封装时需要更大的接触压力以增加玻璃微腔周围与硅的键合强度，导致了阳极键合封装过程中玻璃圆片中的应力增大，从而增加了玻璃圆片碎裂的风险。通过设置缓冲强可有效的缓解这一效应，从而提高了圆片级键合的可靠性。不少MEMS器件本身具有较高的高度，需要较深的封装腔，因而我们不能通过减小封装腔高度来提高平整度，只能在封装腔周围制备浅的真空缓冲腔来缓解器件与封装腔高度的矛盾，增强了阳极键合的强度，使得整体泄漏率降低，提高了真空度的维持时间。

2.本发明仅需要在硅片刻蚀时在较深的封装槽周围刻蚀一个环形浅槽，就可以增加封装腔的真空维持能力，同时能够解决成型深腔带来的圆片不平整度的问题以及键合应力较大的问题，具有方法简单，可靠的优点。

3.本发明将玻璃成型温度优选为760摄氏度至790摄氏度，在该温度下成型，玻璃的黏度适中，容易进一步降低缓冲腔与封装腔之间靠近缓冲腔部分玻璃的厚度的影响，从而使得键合时该部分能够与硅片形成更好的键合，从而在缓冲腔与封装腔之间形成更好的隔离，保证缓冲腔与封装腔之间的隔离程度，降低两个腔之间的泄漏率。

4.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。

5.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。

6.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。

7.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。

8.本发明可采用干法深反应离子刻蚀，可制备高深宽比的(可达到20∶1)硅封装腔，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。

9.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。

10.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。

11.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。

12.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。

13.第三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。

附图说明

图1为刻蚀封装槽和缓冲槽的硅圆片截面示意图

图2为刻蚀封装槽和缓冲槽的硅圆片与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为带缓冲腔的玻璃微腔封装的截面示意图

图5为带缓冲腔的玻璃微腔封装阵列的俯视示意图

具体实施方式

实施例1

一种MEMS圆片级真空封装方法，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)上刻蚀形成封装槽和围绕封装槽的环形缓冲槽，先刻蚀成封装槽，再光刻出缓冲槽区域，圆片上刻蚀的缓冲槽要比封装槽浅。在光刻浅槽时，深的封装槽的保护可用干膜光刻胶进行保护，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，封装槽的深宽比根据器件的封装要求确定，可以小于1∶1，也可以大于1∶1，环形缓冲槽的深度可以小于1∶1，其深度小于封装槽的深度，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。本实施例中，为节省时间，使方法更简单，在刻蚀封装腔槽和缓冲腔槽时，在刻蚀部分封装腔槽后，再光刻，刻蚀缓冲腔，同时把为完成的封装腔槽的刻蚀完成，使得方法更简单，这里的封装槽实际上是玻璃封装腔成型用的模具，相应的，真空缓冲槽也是真空封装腔成型用的模具，封装槽和围绕它的环形真空封装槽相互独立，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1Pa-30kPa的气氛下进行键合，譬如压力为15Pa，20Pa，30Pa，100Pa，200Pa，1kPa，5kPa，20kPa，使Pyrex7740玻璃圆片分别与上述封装槽和环状的真空缓冲槽形成密封腔体，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，

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℃，760℃，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流动，从而形成分别与上述封装槽和环状的真空缓冲槽相应的微腔结构：封装腔和缓冲腔，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，

第四步，腐蚀去除硅圆片，可以用TMAH溶液，TMAH溶液浓度是10-40％，，水浴80-95℃。例如浓度可以选为10％，15％，20％，30％，水浴温度可以为80℃，85℃，95℃，这些都于反应时间和速度有关系，可以根据需要自己调配。

第五步，将带有玻璃封装微腔和缓冲玻璃微腔的玻璃片与粘有芯片的硅圆片在1Pa-10kPa的气氛下进行键合，譬如压力为15Pa，20Pa，30Pa，100Pa，500Pa，1kPa，5kPa，进行阳极键合，形成芯片的真空封装，真空度根据器件的要求确定，

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。第四步，用TMAH腐蚀硅，去除硅圆片，TMAH溶液浓度是25％，水浴90℃。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。第一步中刻蚀的真空缓冲槽的深宽比小于1∶1，第一步中刻蚀的图案为大于1∶1深宽比图案。第一步中刻蚀的图案深宽比为20∶1。

上述技术方案中，所用的玻璃圆片和硅片可以在圆片上刻蚀封装槽和围绕其的环形真空缓冲槽阵列，热成型后形成阵列式的封装腔和环绕其的环形真空缓冲腔，硅圆片上制备有圆片级的MEMS器件阵列，经过阳极键合后形成圆片级封装的MEMS器件，封装器件后经过划片成为单芯片。

实施例2

一种MEMS圆片级真空封装方法，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)上刻蚀形成封装槽和围绕封装槽的环形缓冲槽，先刻蚀成封装槽，再光刻出缓冲槽区域，圆片上刻蚀的缓冲槽要比封装槽浅。在光刻浅槽时，深的封装槽的保护可用干膜光刻胶(例如美国杜邦公司生产的干膜光刻胶系列)进行保护，所述Si圆片上的微加工工艺为干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺，封装槽的深宽比根据器件的封装要求确定，例如深度为300微米，宽度为400微米，环形缓冲槽的深度小于封装槽的深度，深度为50微米，宽度为400微米，环形缓冲槽与封装槽之间的距离为500微米，

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6Pa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃圆片分别与上述封装槽和环状的真空缓冲槽形成密封腔体，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，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，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至780℃，在该温度下保温7min，，腔内外压力差使软化后的玻璃向密封腔体流动，从而形成分别与上述封装槽和环状的真空缓冲槽相应的微腔结构：封装腔和缓冲腔，尺寸与封装槽和环状的真空缓冲槽的尺寸基本相同，冷却到22℃，将上述圆片在一个大气压退火消除应力。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℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。

第四步，用TMAH腐蚀硅，去除硅圆片，TMAH溶液浓度是25％，水浴90℃。浓度为10％，水浴温度可以为80℃。

第五步，将带有玻璃封装微腔和缓冲玻璃微腔的玻璃片与粘有芯片的硅圆片在1Pa的气氛下进行键合，进行阳极键合，形成芯片的真空封装。

MEMS器件的引线可通过表面进行进行，即在硅片表面制作MEMS引线。封装后，引线隐藏在键合面中。引线焊盘可以通过设置专用的焊盘腔进行。

关于封装漏率与压力的关系：

封装泄露模式为分子流模式，假设：空气压力P_air，缓冲腔的真空压力P₁，缓冲腔的容积V₁，封装腔的压力P，容积V，两腔键合强度一样，对空气的漏导为C

V_{1} \frac{d P_{1}}{dt} = C (P_{air} - P_{1}) - C (P_{1} - P)

V \frac{dP}{dt} = C (P_{1} - P)

假设初始封装腔内的压强为P₀，可以得到P随时间的关系。

P = \frac{r_{2} (P_{air} - P_{0})}{(r_{1} - r_{2})} e^{r_{1} t} - \frac{r_{1} (P_{air} - P_{0})}{(r_{1} - r_{2})} e^{r_{2} t} + P_{air}

r_{1} = \frac{- b + \sqrt{b^{2} - 4 c}}{2};

r_{2} = \frac{- b - \sqrt{b^{2} - 4 c}}{2};

b = \frac{2 (CV + {CV}_{1})}{{VV}_{1}};

c = \frac{C^{2}}{{VV}_{1}}

真空封装泄漏P随时间的关系为：

P = P_{air} - (P_{air} - P_{0}) e^{- \frac{C}{V} t}

由此可见，封装腔的内外压力差对于漏率的影响较大。

Claims

1.一种MEMS圆片级真空封装方法，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)上刻蚀封装槽(2)，并在其周围刻蚀环状的真空缓冲槽(6)，封装槽(2)的深度大于环状的真空缓冲槽(6)，

第二步，将上述刻有微槽的硅圆片(1)与Pyrex7740玻璃圆片(3)在1Pa-30kPa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃圆片分别与上述封装槽(2)和环状的真空缓冲槽(6)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流动，从而形成分别与上述封装槽(2)和环状的真空缓冲槽(6)相应的微腔结构：封装腔(4)及围绕其的环形的真空缓冲腔(5)，冷却，将上述圆片在常压下退火消除应力。

第四步，腐蚀去除硅圆片，

第五步，将有MEMS器件(7)的硅片(1)和带封装腔(4)和真空缓冲腔(5)的玻璃圆片(3)在1Pa-10Pa的气氛下进行阳极键合，形成整个真空封装。

2.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于第三步的加热温度为760℃～790℃。

3.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，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。

4.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于所述Si圆片的硅圆片上刻槽的方法是用反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。

5.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征是刻蚀封装腔槽和缓冲腔槽，在刻蚀部分封装腔槽后，再光刻，刻蚀缓冲腔，同时把为完成的封装腔槽的刻蚀完成。

6.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，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。

7.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，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。

8.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，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。

9.根据权利要求1所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于第一步中刻蚀的真空缓冲槽的深宽比小于1∶1。

10.根据权利要求1或7所述的MEMS圆片级真空封装方法，其特征在于第一步中封装槽(2)的深宽比为20∶1。