CN101734612B

CN101734612B - Mems封装用圆片级玻璃微腔的制造方法

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Publication number: CN101734612B
Application number: CN200910263297A
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: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-12-18
Also published as: CN101734612A

Abstract

本发明提供了一种MEMS封装用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圆片上刻蚀浅槽，第二步，在浅槽中放置适量的高温释气剂，第三步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片在空气中或真空中阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅槽形成密封腔体，第四步，将上述键合好的圆片在空气中加热至810℃～890℃，保温3～5min，高温释气剂因受热产生的气体产生的正压力使得密封腔体对应的熔融玻璃呈球形，冷却到常温，退火，去除硅圆片，得到圆片级的球形玻璃微腔阵列。本发明采用高温释气剂释提供气源用于成型玻璃微腔，具有成本低，方法简单，成型高度高，球形度好的特点。

Description

MEMS封装用圆片级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)制造技术，尤其涉及一种MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法。

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Corning公司的产品品牌)是一种重要的材料，它有着和Si材料相近的热膨胀系数，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Si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Si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。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。所以，如何在Pyrex7740玻璃上制造精确图案结构的微腔，是实现此种封装工艺的重点。传统采用湿法腐蚀Pyrex7740玻璃工艺，由于是各向同性腐蚀，所以无法在提供深腔的同时精确控制微腔尺寸。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，效率低且成本高。

现有技术主要有负压热成型微腔和正压热成型微腔。正压热成型微腔，腔内空间高度较高，可以成型球形度较高的球形玻璃微腔，在封装MEMS器件时，能够有效发挥其光学特性，有利于原子钟等MEMS器件的封装。

专利200710134478.3则在硅上制造通孔，通过接外接气源，使得气泡成型以形成较高的球形度。方法比较复杂。根据理想气体状态方程：PV＝nRT，现有技术成型球形玻璃微腔时，对于形成较高的玻璃微腔时，通常需要使用加厚的硅片，需要刻蚀深的硅腔(有的甚至需要到900微米，Glass Blowing on a Wafer Level，.JOURNAL0F MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.16，NO.2，APRIL 2007)和高的深宽比以提供足够的气体，使得玻璃气泡充分形成，具有较高的高度，以形成较高的球形度；甚至采用在另外一个腔上刻蚀较大的孔，再与带有通孔的硅片键合，从而提供足够的气体以成型高度较高，球形度较好的玻璃微腔。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低廉、微腔高度高、球形度好的MEMS封装用的圆片级玻璃微腔制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种MEMS封装用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圆片上刻蚀浅槽，

第二步，在浅槽中放置适量的高温释气剂，

第三步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片在空气中或真空中阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅槽形成密封腔体，

第四步，将上述键合好的圆片在空气中加热至810℃～890℃，保温3～5min，高温释气剂因受热产生的气体产生的正压力使得密封腔体对应的熔融玻璃呈球形，冷却到常温，退火，去除硅圆片，得到圆片级的球形玻璃微腔阵列。

上述技术方案中，高温释气剂优选为碳酸钙。高温释气剂优选为氢化钛，将氢化钛在400摄氏度下空气中进行预处理，处理时间为5-24小时。所述Si圆片上浅槽的微加工工艺为湿法腐蚀工艺。所述的Si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。第四步中的加热温度为840℃～850℃。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。第一步刻蚀的浅槽的深度为50-100微米。将所得到的圆片级的球形玻璃微腔阵列与带有MEMS器件的硅圆片对准，用阳极键合工艺进行键合，封装MEMS器件，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

本发明获得如下效果：

1.本发明基于传统MEMS加工工艺，首先在Si片上加工欲成型的浅槽结构，在浅槽中填充高温释气剂，再用阳极键合工艺将Pyrex7740玻璃覆盖到该浅槽上形成密闭微腔，然后加热使得玻璃融化，高温释气剂释放出气体从而使得玻璃成球形。最后去除硅，形成圆片级的球形玻璃微腔，可用于圆片级封装MEMS器件5.本发明采用高温释气剂释提供气源用于成型玻璃微腔，具有成本低，方法简单，成型高度高，球形度好的特点。现有技术刻蚀深宽比较大的深腔需要采用干法工艺，花费大量的时间，通常需要几十个小时，工艺成本也较高。如果采用键合工艺提供额外的腔，其成本也较高，方法比较复杂，而且高温硅硅键合容易使得硅片翘曲，需要额外的退火工艺，增加了工艺复杂程度。本发明仅需要刻蚀浅腔，因而成本较低，方法简单。

2.通常阳极键合的温度为400摄氏度，因而其标准温度为673K，成型温度为850摄氏度左右，标准温度为1123K左右，根据PV＝nRT，根据现有技术，如果气体的量不变，膨胀后的体积不足原来的两倍，由此可见需要刻蚀较深的槽。而本发明通过引入高温释气剂有效的解决了这一问题，避免了刻蚀高深宽比的槽所带来的工艺复杂和高能高成本的问题，而且方法简单，可靠。由于采用的为高温释气剂，因此放气过程可控(通过调节温度)。

3.本发明采用湿法工艺在硅上刻蚀浅槽，其成本更低。现有技术需要刻蚀深宽比较高的较深的硅腔以提供足够的气体。湿法腐蚀工艺难以获得较大的深宽比。在刻蚀较深的微腔时，其成本较高，耗时较长。但是湿法工艺成本较低，工艺比较成熟，在刻蚀浅槽方面具有低成本、高效率的优势。本发明不需要较大的深宽比，也不需要大的深度，因此采用湿法工艺即可降低成本、提高效率。

4.本发明选用碳酸钙粉末，一方面，碳酸钙粉末的大量分解温度在800摄氏度以上，与玻璃的熔化温度具有较好的匹配性，在低于800摄氏度时，碳酸钙仅有少量分解，因此玻璃未成型前密封的玻璃腔不会因为气体压力过大而破裂。高于800摄氏度以后，碳酸钙粉末大量分解出二氧化碳气体，从而使得玻璃成型。本发明仅需要根据碳酸钙的分解量进行简单计算，就可以知道成型特定体积的玻璃微腔所需要的碳酸钙的量。因而该方法简单，可靠。

5.本发明选用氢化钛粉末，并对氢化钛粉末在空气中400摄氏度下进行预处理。通常氢化钛粉末的热分解温度为400摄氏度，在空气中进行所述的热处理后，氢化钛粉末的表面形成了致密的二氧化碳，在温度未达到分解玻璃融化温度之前，延缓了氢化钛的分解，从而避免了密闭腔内的压力过大。

6.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，在第四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。

7.采用的第四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的应力。

8.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。

9.本发明采用常规微电子加工工艺在圆片上进行加工，因此工艺过程简单可靠，进一步降低了成本，可实现玻璃微腔的圆片级制造，尤其是湿法腐蚀工艺，成本更低。

10.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。

附图说明

图1为本发明刻蚀有浅槽的硅圆片截面示意图

图2为本发明刻蚀有浅槽的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片键合后的圆片截面示意图

图3为本发明带有MEMS器件的硅圆片与玻璃圆片键合后加热后的截面示意图

具体实施方式

实施例1

一种MEMS封装用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)上刻蚀浅槽，所用硅片可以是标准厚度的硅片，譬如500微米厚的硅片，所述浅槽的深度为10-200微米，例如为15微米，30微米，40微米，60微米，95微米，132微米，150微米，180微米，深宽比通常小于2，例如可以选取为1.5，1，0.8，0.5，0.2，0.1，0.05，0.02，所述Si圆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、反应离子刻蚀中的一种，优选湿法腐蚀工艺，例如用TMAH溶液腐蚀，该图案可以是方形或圆形槽阵列(用于封装MEMS器件阵列)，

第二步，在浅槽中放置适量的高温释气剂，高温释气剂的用量根据微槽的尺寸计算其体积，再计算预计玻璃微腔的体积，再根据高温释气剂的释气量计算高温释气剂的用量，高温释气剂是指释气温度高于500摄氏度的释气剂，受热时放出气体，例如碳酸钙(可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99％)碳酸钙)、碳酸镁、碳酸锶、氢化钛、氢化锆等中的一种。

第三步，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)空气或者真空中进行阳极键合，真空键合可以在小于1Pa的气氛下进行键合，譬如压力为0.5Pa，0.2Pa，0.1Pa，0.05Pa，0.01Pa，0.001Pa，使Pyrex7740玻璃上的上述浅槽形成密封腔体，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，

第四步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至810℃～890℃，在该温度下保温3～5min，例如温度可以选取为820℃，830℃，840℃，845℃，850℃，855℃，860℃，870℃，880℃，890℃，保温3～5min，时间可以选取为：3.2min，3.5min，3.8min，4min，4.2min，4.4min，4.8min，腔内高温释气剂释放出气体，使得内外产生压力差而使软化后的玻璃形成球形玻璃微腔，冷却到常温，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，去除硅，得到MEMS圆片级封装用球形玻璃微腔。去除硅的方法可用TMAH(10％)在80摄氏度下腐蚀去除硅，也可以用氢氧化钾进行腐蚀。

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，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中的加热温度为840℃～850℃可获得更好的效果，因为在这个范围内玻璃黏度适中，有利于成型。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。上述技术方案中，高温释气剂优选为碳酸钙。高温释气剂也可优选为经过预处理的氢化钛，将氢化钛在400摄氏度下空气中进行预处理，处理时间为5-24小时。所述Si圆片上浅槽的微加工工艺为湿法腐蚀工艺。所述的Si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。第一步刻蚀的浅槽的深度优选为50-100微米，例如75微米，85微米，90微米，在这个深度下，高温释气剂容易放置，又不至于因接触玻璃产生污染。将所得到的圆片级的球形玻璃微腔阵列与带有MEMS器件的硅圆片对准，用阳极键合工艺进行键合，封装MEMS器件，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

实施例2

一种MEMS封装用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4英寸Si圆片上刻蚀浅槽，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述浅槽的深度为60微米，微槽为口径为2毫米的圆形槽，所述Si圆片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺，所用的腐蚀液为TMAH溶液，浓度为10％，温度为80摄氏度，

第二步，在浅槽中放置化学纯碳酸钙粉末，粉末粒径5微米，质量为2微克，

第三步，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0.5Pa下阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅槽形成密封腔体，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，所述的阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

第四步，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形成与上述微腔图案结构相应的结构，冷却到常温25℃，将上述圆片在常压(一个大气压)下退火消除应力，该常压是指一个大气压，

第四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℃)。

将所得到的圆片级的球形玻璃微腔阵列与带有MEMS器件的硅圆片对准，用阳极键合工艺进行键合，封装MEMS器件，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

实施例3

一种MEMS封装用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4英寸Si圆片上刻蚀浅槽，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述浅槽的深度为100微米，微槽为口径为2毫米的圆形槽，所述Si圆片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺，所用的腐蚀液为TMAH溶液，浓度为10％，温度为80摄氏度，

第二步，在浅槽中放置化学纯碳酸钙粉末，粉末粒径5微米，质量为4微克，

第三步，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)在空气下阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述浅槽形成密封腔体，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，所述的阳极键合工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

将得到的玻璃微腔用TMAH(质量浓度10％，水浴80摄氏度)腐蚀可去掉硅，得到圆片级玻璃微腔阵列。

实施例4

一种MEMS封装用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4英寸Si圆片上刻蚀浅槽，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述浅槽的深度为100微米，微槽为口径为1毫米的圆形槽，所述Si圆片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺，所用的腐蚀液为TMAH溶液，浓度为10％，温度为80摄氏度，

第二步，在浅槽中放置氢化钛，粉末粒径5微米，质量为5微克，高温释气剂也可优选为经过预处理的氢化钛，将氢化钛在400摄氏度下空气中进行预处理，处理时间为24小时。

第四步，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形成与上述微腔图案结构相应结构，冷却到常温25℃，将上述圆片在常压(一个大气压)下退火消除应力，该常压是指一个大气压，

第四步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火温度为550℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至25℃。

将得到的玻璃微腔用TMAH(质量浓度10％，水浴80摄氏度)腐蚀可去掉硅，得到圆片级玻璃微腔阵列。将所得到的圆片级的球形玻璃微腔阵列与带有MEMS器件的硅圆片对准，用阳极键合工艺进行键合，封装MEMS器件，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

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，再利用热处理制造出具有原始抛光表面粗糙度的圆片级Pyrex7740玻璃微腔，工艺简单、可靠。本发明获得的玻璃微腔可通过键合等方式对其它器件进行封装。利用本发明获得带有的圆片级的玻璃微腔阵列玻璃圆片，可与带有圆片级的MEMS器件阵列的硅片进行键合，从而得到圆片级封装的MEMS器件。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。

Claims

1.一种MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用硅微加工工艺在硅圆片(2)上刻蚀深度为10-200微米，深宽比小于2的浅槽，

第二步，在浅槽中放置适量的高温释气剂(4)，高温释气剂为碳酸钙、碳酸镁、碳酸锶、氢化钛、氢化锆中的一种，

第三步，将上述硅圆片(2)与Pyrex7740玻璃圆片(1)在空气中或者真空中阳极键合，使硅圆片上的上述浅槽形成密封腔体(3)，

第四步，将上述键合好的圆片在空气中加热至810℃～890℃，保温3～5min，高温释气剂因受热产生的气体产生的正压力使得密封腔体(3)对应的熔融玻璃呈球形，冷却到常温，退火，去除硅圆片(2)，得到圆片级的球形玻璃微腔阵列(31)。

2.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于高温释气剂为碳酸钙粉末。

3.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于高温释气剂为氢化钛，将氢化钛在400摄氏度下空气中进行预处理，处理时间为5-24小时。

4.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述硅圆片上浅槽的微加工工艺为湿法腐蚀工艺。

5.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

6.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于，第四步中的加热温度为840℃～850℃。

7.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于第四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。

8.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级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。

9.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于第一步刻蚀的浅槽的深度为50-100微米。

10.根据权利要求1所述的MEMS封装用圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于将所得到的圆片级的球形玻璃微腔阵列与带有MEMS器件(5)的硅圆片对准，用阳极键合工艺进行键合，封装MEMS器件，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。