CN101804961A - 利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，包括以下步骤：第一步：在玻璃圆片上制备密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔；第二步，芯片贴装：在具有薄二氧化硅层的硅衬底圆片上制作引线，将芯片粘贴在与密封芯片用玻璃微腔对应的硅衬底上，并与引线相连，铝引线的两端分别对应于密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔，第三步，将上述带有玻璃微腔和引线玻璃微腔的玻璃圆片与所述载有芯片和引线的硅衬底圆片对准，并键合密封；第四步，去除引线玻璃微腔上的玻璃，使引线的引出端裸露从而实现芯片的引出。本发明采用微组装的方式将芯片粘贴在设有引线的硅衬底表面，并用正压热成型形成的高度较高的玻璃微腔进行封盖，能够使得封装气密性较好。

Description

利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械系统)制造技术，尤其涉及一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法。

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。目前我们常用的键合封装工艺有硅玻璃阳极键合，硅硅热键合，熔融玻璃封接和有机粘接键合。其中硅硅热键合的温度太高且时间较长，工艺难以把握；有机粘接键合的强度小、气密性差，难以对可动器件做到很好的保护。

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。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。

球形微腔和微流道玻璃热成型可以采用的技术是负压成型和正压成型。负压成型受玻璃厚度影响较大，很难制备球形微腔等腔内高度较高的微腔和尺寸较小的微腔和微流道。正压自膨胀热成型玻璃微流道也是在硅上刻蚀微流道图形，将硅与玻璃阳极键合，根据理想气体状态方程：PV＝nRT，通过气体膨胀高温热成型。但是，成型球形度较高的球形玻璃微腔，需要用成本较高且容易造成污染的DRIE刻蚀深的硅腔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，以形成较高的弧形；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，弧形度较好的玻璃微流道。这些方法比较复杂，成本较高。采用DRIE刻蚀也需要较长的时间，进一步增加成本。

在获得高度较高，尺寸较大的玻璃微腔后，由于商用加速度计等MEMS芯片或者需要气密封装的芯片上通常有较厚的绝缘层，甚至有其它复杂电路，使得直接利用玻璃微腔与载有MEMS芯片的硅衬底阳极键合难以进行。因此急需一种能够封装多种具有不同设计的MEMS芯片的封装方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法简单、通用性好的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，包括以下步骤：

第一步：在玻璃圆片上制备密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔；

第二步，芯片贴装：在具有薄二氧化硅层的硅衬底圆片上制作引线，将芯片粘贴在与密封芯片用玻璃微腔对应的硅衬底上，并与引线相连，铝引线的两端分别对应于密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔，

第三步，将上述带有玻璃微腔和引线玻璃微腔的玻璃圆片与所述载有芯片和引线的硅衬底圆片对准，并键合密封；

第四步，去除引线玻璃微腔上的玻璃，使引线的引出端裸露从而实现芯片的引出。

上述技术方案中，所述薄二氧化硅层的厚度为0.2-0.4微米，该厚度的二氧化硅对玻璃与硅的阳极键合的影响较小，而对于MEMS器件工作电压下能够起到绝缘的效果。所述芯片为MEMS芯片，通常含有可动部件。采用导热胶将所述芯片粘贴在硅衬底上，使得芯片上的热量能够及时散发出去。在玻璃圆片上制备密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔，在硅圆片上刻有相同微槽形成的阵列，并在微槽旁边刻蚀引线微槽，微槽之间刻有微通道相连，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的10倍，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂，相应的用玻璃圆片键合使所述多个微槽形成密封腔体，加热使玻璃软化，热释气剂受热释放出气体产生正压力，作用于通过微通道相连的多个微槽和引线微槽对应位置的软化后的玻璃形成具有均匀尺寸的球形微腔，冷却使玻璃凝固，去除硅衬底，得到密封MEMS芯片用的玻璃微腔和相应的形成引线腔。这种方法制备得到的玻璃微腔经过设计，其开口尺寸能够容纳芯片和引线的位置，并且腔的高度较高，可大于硅片的厚度，因而能够封装大部分MEMS芯片。所述玻璃为Pyrex7740玻璃，所述键合为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V，阳极键合的气密性好。热释气剂为碳酸钙粉末或者氢化钛粉末，放出的气体量较多。加热使玻璃软化的温度为760℃-900℃。微槽的最小槽宽大于微通道宽度的50倍，附加压力的作用使得尺寸很小的微通道处的玻璃不易拱起。在所述Si圆片上刻槽的方法为湿法腐蚀工艺。第四步中的加热温度为880℃～890℃，在此温度下，玻璃能够快速成型，避免因重力的作用使得熔融的玻璃厚度不均匀。微槽的深度为50-100微米，较浅的深度使得成本更低，也能够放置足够的热释气剂粉末。

本发明获得如下效果：

1.本发明采用微组装的方式将芯片粘贴在设有引线的硅衬底表面，并用正压热成型形成的高度较高的玻璃微腔进行封盖，结合硅与玻璃的阳极键合工艺，能够使得封装的气密性较好。尤其是采用正压制备的球形玻璃微腔，其高度较高，因而能够将厚度较大的微组装芯片进行气密性封装。

2.本发明采用铝引线将实现芯片上的信号引出，能够耐受阳极键合的高温(400摄氏度)。在密封时，铝属于面心立方晶系，质地较软，容易产生变形，因此能够存在于玻璃与硅的键合界面之内而不容易发生断裂，从而起到导电作用。

3.本发明设置了密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔，引线从玻璃与硅的表面引出，引线的一端位于密封芯片用玻璃微腔内，另一端位于引线玻璃微腔内，从而实现了引线的引出。

4.用于组装芯片的硅衬底表面由于具有薄的氧化层(通常厚度为0.1微米至0.5微米)，一方面起到绝缘的作用(普通芯片的工作电压大约为几十伏)，另一方面较薄的二氧化硅绝缘层不会影响阳极键合工艺。现有研究已经表明，当氧化层厚度大于0.6微米以后，阳极键合工艺将变得非常困难。在厚度为0.2-0.4微米之间，阳极键合的效果较好，而且能够起到较高的绝缘作用，得到比较高的绝缘电压，适应封装的器件种类更多(工作电压更高)。

5.采用热释气剂的正压制备玻璃微腔的方法，制备获得的玻璃微腔的高度更高，顶部更透明，更适合本发明的组装芯片封装方法，而且可以进行圆片级封装。

6.本发明基于传统MEMS加工工艺，首先在Si片上加工欲成型的微腔和微流道浅槽结构，特定的区域填充热释气剂，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，热释气剂释放出气体，气体通过微通道传输到各个微腔中，腔内外压力差使得熔融玻璃形成玻璃球形微腔或玻璃微流道。在熔融状态下，表面张力产生的附加压力的作用将对气体的膨胀形成阻碍，半径越小，附加压力越大。当微槽尺寸远大于微流道时，例如微槽宽度大于微通道宽度的5倍以后，使得而半径较大的微槽处附加压力较小，半径很小的微通道处由于具有较大的附加压力作用不容易膨胀，因而微通道位置对应的玻璃仍然能够保持平整，在封装MEMS器件时，不需要进一步磨抛。由于通过尺寸较小的微通道连通的多个微槽内的压力基本一致，在微槽处形成的玻璃微腔的尺寸比较均匀，微槽的尺寸如果一致，则形成的玻璃微腔的尺寸基本一致。采用热释气剂释提供气源用于成型玻璃球形微腔和玻璃微流道，具有成本低，方法简单，成型高度高，球形度好的特点。而且由于通过微通道将上述微槽连接，因而需要在某一个或者多个微槽内放置足量的热释气剂，从而能够热分解出更多的气体，同时形成多个玻璃微腔。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。热释气剂通常都有残留物，由于气体的运动，少量会粘附在玻璃管壁上，污染了微腔。本发明采用局部填充热释气剂，高温成型过后，通过划片工艺可以将污染的区域去除，也可以通过去除硅片，然后清洗去除污染物。本发明的优势就在于借助热释气剂来产生足够的气体。

7.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和表面张力产生的附加压强的影响，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。而本发明通过引入热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。由于采用的为热释气剂，因此放气过程可控(通过调节温度和温度维持时间)。

8.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，耗时较长且深腔会产生穿孔现象。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。

9.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。根据反应速率平衡公式的修正公式

可以较为准确的控制内部压强，从而可以调控玻璃微流道内部横截面的大小，根据不同的流速需要自行调控选择，因而该方法简单，可靠，适用范围广。

10.本发明选用氢化钛粉末，氢化钛粉末热分解放气量大，容易热成型，但是未热处理的氢化钛粉末的反应不易控制。本发明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，使得过程可控。

11.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。

12.采用的第四步中的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温正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，还能够使得微流道腔的形状基本无改变。

13.本发明制备与Si的热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃微流道结构，在制备微腔时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏。

14.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，可实现玻璃微流道的圆片级制造，尤其是湿法腐蚀工艺，成本更低。

附图说明

图1为本发明内置热释气剂硅圆片微槽与微流道(20∶1)的结构俯视示意图

图2为本发明玻璃微腔热成型后横向截面示意图

图3为本发明玻璃微腔封装MEMS芯片横向截面示意图

具体实施方式

实施例1利用玻璃微腔进行圆片级气密性封装的方法

一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，包括以下步骤：

第一步：在玻璃圆片上制备密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔；能够密封芯片用的玻璃微腔使得芯片能够处于玻璃微腔之中。玻璃微腔使得从芯片上引出的引线一端处于引线玻璃微腔之中，在破碎引线玻璃微腔后，引线的一端能够暴露出来，以供与外界连接、焊接。制备玻璃微腔的方法见本发明后面的实施例。可以是正压自膨胀方法制作的玻璃微腔(见Glass Blowing on a Wafer Level，JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS，VOL.16，NO.2，APRIL 2007)，也可以是本发明后面实施例描述的用热释气剂正压制备的球形玻璃微腔，本实施例后面的实施例所描述的方法制备的玻璃微腔，高度较高，更适合芯片厚度较厚的MEMS芯片封装，球形度更高。另外，由于采用热释气剂方法，其放出的气体量较多，能够制备从几十微米至几厘米直径的玻璃微腔，因此适合的MEMS芯片的尺寸更大，密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔可以是一个也可以是多个，即一个密封芯片用玻璃微腔带有多个引线玻璃微腔，玻璃材质是Pyrex7740玻璃。

第二步，芯片贴装：在具有薄二氧化硅层的硅衬底圆片上制作引线，将芯片粘贴在与密封芯片用玻璃微腔对应的硅衬底上，并与引线相连，铝引线的两端分别对应于密封芯片用玻璃微腔和引线玻璃微腔，二氧化硅层可以用湿氧化或者干氧化制备，厚度为0.1-0.5微米，引线可以采用溅射或者电镀等常用方法制作，引线可以是一根，也可以是多根，根据芯片的需要而确定，引线的厚度通常为0.1-0.5微米，例如选取为0.3微米。

第三步，将上述带有玻璃微腔和引线玻璃微腔的玻璃圆片与所述载有芯片和引线的硅衬底圆片对准，并键合密封；键合时，气氛可以是氮气或者其它气氛，芯片可以是MEMS加速度计或者陀螺仪等器件，键合工艺可以是阳极键合工艺，工艺条件是：400摄氏度，600V，也可以是共晶焊料键合等工艺，优选阳极键合。

第四步，去除引线玻璃微腔上的玻璃，使引线的引出端裸露从而实现芯片的引出。采用机械破坏的方法破坏引线玻璃微腔上的玻璃，使得引线的一端裸露，便于信号的引出。

上述技术方案中，所述薄二氧化硅层的厚度优选0.2-0.4微米，该厚度的二氧化硅对玻璃与硅的阳极键合的影响较小，而对于MEMS器件工作电压下能够起到绝缘的效果。所述芯片为MEMS芯片，通常含有可动部件。采用导热胶将所述芯片粘贴在硅衬底上，使得芯片上的热量能够及时散发出去，导热胶可以采用商用导热胶，市场可购得，例如704硅橡胶，溧阳市恒宇胶业有限公司生产。

实施例2玻璃微腔的正压制备方法

一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，包括以下步骤：在硅圆片上刻有相同微槽形成的阵列(微槽的尺寸相同，需要引线腔时，也可在其周围刻有引线腔，尺寸可比其略小，例如是其1/2大)，刻蚀微槽的方法可以是干法和湿法，优选湿法(本发明所需要的微槽深度能够放置热释气剂即可，因此采用湿法刻蚀较浅的深度就可以满足要求，例如50-100微米的深度)，所刻蚀的多个微槽尺寸相同(例如5个，10个，15个，50个)，微槽之间刻有微通道相连，微槽的最小槽宽大于流道宽度的5倍，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂(可以在两个或者两个以上多个微槽内放置热释气剂，热释气剂的用量根据所需膨胀的体积空间进行计算，PV＝nRT，放出的气体量可以通过热释气剂分解动力学进行计算)，热释气剂可以是碳酸钙、氢化钛、氢化锆、氮化铝、氢化镁等，其中优选低成本的碳酸钙和释气量较高的氢化钛，相应的用玻璃圆片键合所述多个微槽形成密封腔体，键合方法可以采用阳极键合，也可以采用其它键合方法，使得玻璃与硅键合在一起，加热使玻璃软化，热释气剂受热释放出气体产生正压力，作用于通过微通道相连的多个微槽对应位置的软化后的玻璃形成具有均匀尺寸的球形微腔(所述多个微槽的尺寸相同)，冷却使玻璃凝固，得到圆片级均匀尺寸的玻璃微腔。由于多个微槽通过微通道互连，因此分解产生的压力可使得上述微槽内的压力相同，当多个微槽的尺寸相同时，形成的玻璃微腔的尺寸也相同。

上述技术方案中，去除所述圆片级均匀尺寸的玻璃微腔上的硅，得到不带硅的玻璃微腔，可用于MEMS器件封装，同时去除硅以后可以清洗掉沾污在玻璃上的碳酸钙分解残留物，使得玻璃更为透明。所述玻璃为Pyrex7740玻璃，所述键合为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。热释气剂为碳酸钙粉末或者氢化钛粉末。加热使玻璃软化的温度为760℃-900℃。制备圆片级MEMS微腔时，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的50倍，在较大的附加压力作用下，微通道部分对应的熔融玻璃不容易发生膨胀，因而仍然比较平整，更容易用于后期的进一步封装，不需要额外的磨抛过程。在所述Si圆片上刻槽的方法为湿法腐蚀工艺，湿法工艺的成本较低，较为简单。所述的Si圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，加热使玻璃软化温度为880℃～890℃，例如885℃，在较高的温度下，成型速度快，效率较高，从而降低能耗和成本。对所获得的圆片级玻璃微腔进行退火，去除应力，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。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。微槽的深度为50-100微米，宽度更具需要可以为100微米，400微米，800微米，1000微米，1500微米，3000微米，50000微米，100000微米，刻蚀的时间较短，容易进行。

实施例3玻璃微腔的正压制备方法

一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，包括以下步骤：

第一步，采用干湿氧结合的方法在单面抛光的硅圆片上氧化5000A的氧化层，抛光面旋涂AZ P4620光刻胶，曝光显影去除需要刻蚀微槽表面的光刻胶。利用Si微加工工艺在4英寸Si圆片上刻蚀微腔和微流道浅槽，微流道将浅槽连接起来，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述微槽的深度为60～100微米，微槽为2000微米宽的方形槽，用于连接两个微槽的微通道宽度为50微米的条形槽，槽长5毫米，连接相邻两个微腔方形槽，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90摄氏度，刻蚀时间为1.5～2.5h

第二步，在数个微腔浅槽中放置适量的热释气剂碳酸钙，可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99％)碳酸钙，颗粒直径为5～10微米，根据圆片微腔总体积和成型温度下热释气剂碳酸钙分解速率为参考，内置碳酸钙质量为500微克，满足圆片50个微腔所需的成型体积。

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880℃，在该温度下保温10min，热释气剂快速热分解，气体扩散至整个密封系统，各微腔内部压强平衡，压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，微槽尺寸相同，成型时相应的玻璃微腔成型是受的表面张力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面张力相差40倍，由于表面张力的影响，相同的内压，微流道成型高度将相当低。冷却到常温25℃，得到圆片级球形微腔，再将圆片置入退火炉，560℃保温30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。常压(一个大气压)下退火消除应力。

第五步，利用划片机将数个内置热释气剂的微腔的区域划去，利用TMAH水浴90℃加热腐蚀硅圆片，去除玻璃表面的硅，形成圆片级圆片级球形微腔。

实施例4玻璃微腔的正压制备方法

一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，包括以下步骤：

第一步，采用干湿氧结合的方法在单面抛光的硅圆片上氧化5000A的氧化层，抛光面旋涂AZ P4620光刻胶，曝光显影去除需要刻蚀微槽表面的光刻胶。利用Si微加工工艺在4英寸Si圆片上刻蚀微槽和微通道(用于封装MEMS器件的微槽的尺寸基本相同，需要引线腔时，也可在其周围刻有引线腔，尺寸可比其略小，例如是其1/2大)，微通道将微槽连接起来，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述微槽的深度为60～100微米，宽度为2000微米的方形槽，微槽的数量为15个，尺寸相同，微通道槽为口径为50微米的条形槽，槽长5毫米，连接相邻两个微腔方形槽，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90摄氏度，刻蚀时间为1.5～2.5h

第二步，在数个微腔浅槽中放置适量的热释气剂氢化钛，可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99％)，颗粒直径为5～10微米，根据圆片微腔总体积和成型温度下热释气剂氢化钛分解速率为参考，内置氢化钛质量为250微克，满足圆片50个微腔所需的成型体积(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880℃，在该温度下保温10min，热释气剂快速热分解，气体扩散至整个密封系统，各微腔内部压强平衡，压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，微槽尺寸相同，成型时相应的玻璃微腔成型是受的表面张力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面张力相差40倍，由于表面张力的影响，相同的内压，微流道成型高度将相当低。冷却到常温25℃，得到圆片级球形微腔，再将圆片置入退火炉，560℃保温30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)，常压(一个大气压)下退火消除应力。

第五步，利用划片机将数个内置热释气剂的微腔的区域划去，利用TMAH水浴90℃加热腐蚀硅圆片，去除玻璃表面的硅，形成圆片级圆片级球形微腔。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5玻璃微腔的正压制备方法

一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，包括以下步骤：

第一步，采用干湿氧结合的方法在单面抛光的硅圆片上氧化5000A的氧化层，抛光面旋涂AZ P4620光刻胶，曝光显影去除需要刻蚀微槽表面的光刻胶。利用Si微加工工艺在4英寸Si圆片上刻蚀微腔和微流道浅槽，微流道将浅槽连接起来，所用硅片可以是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述微槽的深度为60～100微米，微槽为500微米宽的方形槽(或者直径为500微米的圆形槽)，用于连接两个微槽的微通道宽度为50微米的条形槽，槽长5毫米，连接相邻两个微腔方形槽，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90摄氏度，刻蚀时间为1.5～2.5h

第二步，在数个微腔浅槽中放置适量的热释气剂碳酸钙，可以用粒度较小的化学纯(质量百分比浓度为99％)碳酸钙，颗粒直径为5～10微米，根据圆片微腔总体积和成型温度下热释气剂碳酸钙分解速率为参考，内置碳酸钙质量为500微克，满足圆片50个微腔所需的成型体积。

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880℃，在该温度下保温10min，热释气剂快速热分解，气体扩散至整个密封系统，各微腔内部压强平衡，压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，微槽尺寸相同，成型时相应的玻璃微腔成型是受的表面张力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面张力相差40倍，由于表面张力的影响，相同的内压，微流道成型高度将相当低。冷却到常温25℃，得到圆片级球形微腔，再将圆片置入退火炉，560℃保温30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。常压(一个大气压)下退火消除应力。

第五步，利用划片机将数个内置热释气剂的微腔的区域划去，利用TMAH水浴90℃加热腐蚀硅圆片，去除玻璃表面的硅，形成圆片级圆片级球形微腔。

Claims (13)

1.一种利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：在玻璃圆片上制备密封芯片用玻璃微腔(5)和引线玻璃微腔(4)；

第二步，芯片贴装：在具有薄二氧化硅层的硅衬底圆片上制作引线，将芯片粘贴在与密封芯片用玻璃微腔对应的硅衬底上，并与引线相连，引线的两端分别对应于密封芯片用玻璃微腔(5)和引线玻璃微腔(4)，

第三步，将上述带有玻璃微腔(5)和引线玻璃微腔(4)的玻璃圆片与所述载有芯片和引线的硅衬底圆片对准，并键合密封；

第四步，去除引线玻璃微腔(4)上的玻璃，使引线的引出端裸露从而实现芯片的引出。

2.根据权利要求1所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，所述薄二氧化硅层的厚度为0.2-0.4微米。

3.根据权利要求1所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，所述引线为铝引线。

4.根据权利要求1所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，第三步所用的键合工艺为阳极键合工艺，温度：400摄氏度，电压：600伏。

5.根据权利要求1所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，采用导热胶或者低熔点焊料将所述芯片粘贴在硅衬底上。

6.根据权利要求1所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，在玻璃圆片上制备密封芯片用玻璃微腔(5)和引线玻璃微腔(4)的方法为：在硅圆片上(2)刻有相同微槽(1)形成的阵列，并在微槽旁边刻蚀引线微槽(21)，微槽之间刻有微通道(22)相连，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的10倍，在其中的至少一个微槽内放置适量热释气剂(3)，相应的用玻璃圆片键合使所述多个微槽(1)形成密封腔体，加热使玻璃软化，热释气剂受热释放出气体产生正压力，作用于通过微通道(22)相连的多个微槽(1)和引线微槽(21)对应位置的软化后的玻璃形成具有均匀尺寸的球形微腔，冷却使玻璃凝固，去除硅衬底，得到密封MEMS芯片用的玻璃微腔(5)和相应的形成引线腔(4)。

7.根据权利要求1或6所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，所述玻璃为Pyrex7740玻璃，所述键合为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

8.根据权利要求6所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，热释气剂为碳酸钙粉末或者氢化钛粉末。

9.根据权利要求6所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，加热使玻璃软化的温度为760℃-900℃。

10.根据权利要求6所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于制备圆片级MEMS微腔时，微槽的最小槽宽大于微通道宽度的50倍。

11.根据权利要求6所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于在所述Si圆片上刻槽的方法为湿法腐蚀工艺。

12.根据权利要求6所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于，第四步中的加热温度为880℃～890℃。

13.根据权利要求6所述的利用球形玻璃微腔进行气密性封装的方法，其特征在于微槽的深度为50-100微米。

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