CN102976265B - 尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微电子机械系统制造技术，提供了一种尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，采用如下技术方案：一种尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，包括以下步骤：在硅圆片上刻蚀形成微型凹槽阵列；在上述微型硅凹槽内，先后加入碳酸钠溶液和氯化钙溶液，再蒸发，最后获得碳酸钙；将玻璃圆片与上述硅圆片在真空或一定压力下粘结，使得微型硅凹槽密封；将上述键合好的玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温，待微型凹槽中碳酸钙放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火；去除硅圆片，得到圆片级球形玻璃微腔阵列。本发明可精确控制碳酸钙的量，可制备尺寸为亚十微米甚至亚微米等更小的玻璃微腔，不会对超净间产生影响。

Description

尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子机械系统制造技术，尤其涉及一种尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法。

背景技术

目前玻璃微结构在MEMS封装、微流体和MOEMS(微光学机电系统)等领域具有重要的应用。制备玻璃微腔的方法主要有自膨胀法和正压热成型方法.例如美国加州大学埃尔文分校采用自膨胀方法加工玻璃微腔。它需要深反应离子刻蚀工艺和加厚的硅片，成本较高。此外，由于驱动力较小，因此加工的结构尺寸可调范围较小。申请者采用正压热成型方法制备玻璃微腔，采用高温热释气剂粉末在高温下释放出气体形成正压力成型。但是，这种方法的问题在于：微量的热释气剂的称取由于单个腔所需要的量极少，因此称量难以精确定量。此外，放置微量粉末也非常困难，难以保证精度，因此成品率不高。在量产过程中，高温热释气剂粉末容易对超净间造成污染，从而影响微电子器件的可靠性。因此，需要发展一种非粉末、可精确定量的高温热释气剂的放置方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、成本低廉尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法。

一种尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片上刻蚀形成微型硅凹槽阵列；

第二步，在上述微型硅凹槽内，先后加入碳酸钠溶液和氯化钙溶液混合，获得碳酸钙，再蒸发去除水；

第三步，将玻璃圆片与上述硅圆片在真空或一定压力下粘结，使得微型硅凹槽密封；

第四步，将上述玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温，待微型凹槽中碳酸钙放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火；

第五步，去除硅圆片，得到圆片级球形玻璃微腔阵列。

在上述方案中，玻璃圆片为硼硅玻璃圆片。第二步中所述的碳酸钠和氯化钙均为饱和溶液。在第二步中加入碳酸钠溶液和氯化钙溶液后，利用超声对其进行处理。所述微型凹槽阵列之间有微通道相连。第二步采用点胶技术对微型凹槽定量注入溶液。第三步所述的粘结方法为阳极键合，阳极键合条件为：电压600V,温度为400℃。 第四步中键合好的玻璃圆片和硅圆片的加热温度为820℃~890℃。

本发明获得如下效果：

1. 本发明选用先后加入碳酸钠和氯化钙溶液的方法，通过蒸发去除水分，从而在微槽内获得高温释气剂碳酸钙晶体。由于溶液的体积可以精确定量，因此只要精确定量碳酸钠和氯化钙，就可以获得精确定量的碳酸钙。而过量的碳酸钠或者氯化钙在高温下不会分解，因此不会影响气体的分解量。此外，具有以下优点：微电子行业的生产活动都是在基于超净间条件下进行的，对于空气中的粉尘控制具有严格的要求，因此在量产过程中，直接操控高温释气剂(譬如本专利中的碳酸钙)粉末容易会污染超净间，从而造成潜在的风险，而采用碳酸钠和氯化钙溶液可很容易将精确定量的碳酸钙引入槽内(碳酸钠溶液和氯化钙溶液混合后迅速反应生成碳酸钙，经蒸发，形成碳酸钙晶体会吸附在硅槽表面)，不会对超净间产生影响，有利于批量生产；

2. 本发明采用的碳酸钠和氯化钙都易溶于水，其浓度和体积可精确控制，根据注入的体积，可实现精确控制玻璃微腔的尺寸；此外，水溶液相对于单纯的碳酸钙或氢化钛粉末，更容易被引入微槽内，而不会在键合面上造成粉末残留。

3. 现有技术中高温释气剂粉末很难被引入亚十微米甚至亚微米尺度的微槽内，因此难以制备更小尺寸的玻璃微腔。本发明将碳酸钠和氯化钙溶液在微槽内混合，反应生成碳酸钙，相比现有技术采用的粉末可注入于亚微米级甚至更小的微型凹槽中，因此可用于制备尺寸亚十微米甚至亚微米尺度的玻璃微腔。

4. 本发明采用的硼硅玻璃，热膨胀系数小，与硅进行阳极键合可对微腔进行密封，不会产生过大的应力，更有利于玻璃微腔的成型。

5. 由于现有的点胶技术非常成熟，已经在工业上广泛应用，本发明采用点胶技术分别将碳酸钠溶液和氯化钙溶液注入到玻璃微腔微型凹槽中，有利于实现工业化生产。

6. 本发明利用碳酸钠溶液和氯化钙溶液反应生成的碳酸钙的大量分解温度在800℃以上，与玻璃的软化温度具有较好的匹配性，在低于800℃时，碳酸钙几乎不分解，因此玻璃未成型前密封腔不会因为气体压力过大而破裂。高于800℃以后，碳酸钙大量分解出二氧化碳气体，从而使得玻璃成型。本发明只需要根据碳酸氢钙和碳酸钙的分解量进行简单计算，就可知道成型特定大小的玻璃微腔所需特定浓度溶液的体积。因而该方法简单，可靠。

7. 本发明采用微通道将硅微槽连接起来，可以使得连通的腔内气氛压力一致，更加有利于尺寸的均匀性控制，并进行圆片级制备。

8. 本发明采用高温释气剂提供气源用于成型球形玻璃微腔，具有成本低、方法简单、球形度好的特点。现有技术刻蚀深宽比较大的腔需要采用干法工艺，工艺成本较高，同时花费大量的时间。如果采用键合工艺提供额外的腔体，其方法复杂，成本较高，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，增加工艺复杂度。本发明仅需要刻蚀较浅的微型凹槽，因而成本较低，方法简单。

9. 本发明采用阳极键合工艺形成密闭空腔，该工艺具有键合强度高，密闭性好的优点，在热成型加热过程中不易发生气体泄漏而引起成型失败。在温度400℃，电流电压为600V的条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。

10. 采用退火工艺可以有效的消除玻璃成型过程中形成的应力，从而增加其强度。在该退火温度下退火温度为510℃～560℃范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温。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。

11. 本发明可采用浓度为25%的TMAH溶液去除玻璃微腔上的硅圆片，这样可以有效地去除硅片而不腐蚀玻璃，硅圆片与玻璃圆片的选择比为1000:1。本发明采用常规微电子加工工艺在圆片上进行加工，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，尤其是湿法刻蚀工艺，成本更低。

附图说明

图1为微型硅凹槽注入溶液截面示意图

图2为带有微通道的微型硅凹槽截面示意图示意图

图3为热成型后玻璃微腔截面示意图

图4为去除底部硅圆片后玻璃微腔截面示意图

具体实施方式

实施例1

一种尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片（譬如4英寸硅圆片）上刻蚀微型硅凹槽阵列，微型硅凹槽通过微通道相连。所用硅片可以是标准厚度的硅片，例如500微米厚的硅片。所述微型硅凹槽深度为10-300微米，例如15微米，30微米，60微米，100微米，150微米，180微米，200微米，300微米，深宽比通常小于2，例如可以选取为1.5，1，0.8，0.5，0.2，0.1，0.05，0.01，所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为湿法刻蚀工艺、干法感应耦合等离子体（ICP）刻蚀工艺或者反应离子刻蚀中的一种，优选湿法刻蚀工艺，例如用TMAH溶液腐蚀，该图案可以是方形或者圆形凹槽阵列；

第二步，在上述微型硅凹槽内，采用点胶技术对微型硅凹槽定量注入溶液，再蒸发去除水，最后获得碳酸钙。重复第二步所述步骤2-50次，譬如3次,5次,8次,15次,直至碳酸钙的量符合成型的要求。所述微型硅凹槽阵列之间有微通道相连。第二步中加热温度为40-150℃，例如温度可以为50℃，60℃，75℃，90℃，110℃，130℃，150℃；

第三步，将玻璃圆片与上述硅圆片在真空或一定压力下粘结，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，使得微型硅凹槽密封。粘结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工艺要求进行常规清洗和抛光；

第四步，将上述键合好的玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上，温度范围为820℃-890℃，譬如温度为820℃，830℃，840℃，850℃，860℃，870℃，880℃，890℃，并保温3-5min，时间可以选取为3.2min，3.5 min，3.8 min，4 min，4.2 min，4.8 min，待微型凹槽中碳酸钙放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火以消除应力，退火温度范围为510℃-560℃，譬如温度可以为520℃，530℃，540℃，550℃，560℃；

第五步，去除硅圆片，得到圆片级球形玻璃微腔阵列。去除硅圆片可选用25%的TMAH溶液在90℃温度下将硅腐蚀掉。

上述技术方案中，选用碳酸钠溶液和氯化钙溶液作为添加碳酸钙高温释气剂的方法，通过蒸发去除水分，最后生成高温释气剂碳酸钙晶体,这种原位反应生成的碳酸钙晶体黏附在凹槽内部表面,不会产生细碎粉末。重复第二步所述步骤2-50次，直至碳酸钙的量符合成型的要求。碳酸钠溶液和氯化钙溶液可以是饱和水溶液，也可根据需要采用稀溶液。采用饱和水溶液，可以增加放置碳酸钙的效率。微槽内碳酸钠溶液和氯化钙溶液反应生成碳酸钙,蒸发去除水分后，生成碳酸钙晶体。在实施中，碳酸钠和氯化钙的溶解度（室温下）分别为21克左右和74左右，因此可能难以满足碳酸钙量较大的成型过程。根据碳酸钙量的需求，可在具有碳酸钙的微槽内再次加入碳酸钠溶液和氯化钙溶液，然后再一次进行蒸发去除水获得更多的碳酸钙晶体。重复上述步骤，可以实现将碳酸钙精确定量、分批次加入微槽内，从而使得碳酸钙的加入量在宽范围内精确可调。所述微型凹槽阵列之间有微通道相连。采用点胶技术对微型凹槽定量注入溶液。第三步所述硅圆片与玻璃圆片表面粘结工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压600V。第四步中加热温度为840~850℃，温度可以选为840℃，845℃，850℃，可获得更好的效果，因为在这个范围内玻璃粘度适中，有利于热成型。第四步中所述的退火温度范围在510~560℃之间，退火温度可以选取为520℃，530℃，540℃，550℃，560℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温，譬如25℃。

实施例2

一种尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，包括以下步骤：

第一步，在4英寸硅圆片上刻蚀微型硅凹槽，微型硅凹槽通过微通道相连，所用硅片是标准厚度的硅片，厚度为500微米，所述微型硅凹槽的深度为150微米，微型硅凹槽的口径为2毫米的方形凹槽。所述硅圆片上图形结构的微加工工艺为湿法刻蚀工艺，所用的腐蚀液为25%TMAH溶液，温度为90℃；

第二步，在上述微型硅凹槽内，采用点胶技术先后对微型硅凹槽定量注入一定量的碳酸钠溶液和氯化钙溶液(室温25摄氏度下)，经蒸发，最后获得碳酸钙晶体。再加入碳酸钠溶液和氯化钙溶液，再进行蒸发过程，然后重复第二步所述步骤5次，直至碳酸钙的量符合成型的要求。所述微型硅凹槽阵列之间有微通道相连。第二步中加热温度为100℃；

第三步，将玻璃圆片与上述硅圆片在0.1Pa气氛下进行键合，使得微型硅凹槽密封。粘结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工艺要求进行常规清洗和抛光；

第四步，将上述键合好的玻璃圆片和硅圆片加热至845℃，并且保温4min，待微型凹槽中碳酸钙放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火以消除应力，退火温度为550℃；

第五步，选用25%的TMAH溶液在90℃温度下去除硅圆片，得到圆片级球形玻璃微腔阵列。

本发明通过MEMS加工制造技术：硅圆片与硼硅玻璃圆片的阳极键合工艺，再利用热处理制造出具有原始抛光表面粗糙度的圆片级球形玻璃微腔，工艺简单、可靠。由于选用碳酸钠溶液和氯化钙溶液作为添加碳酸钙高温释气剂的方法，通过蒸发去除水分，得到高温释气剂碳酸钙晶体。采用这种溶液法加入碳酸钠溶液和氯化钙溶液混合，最终在槽内获得碳酸钙晶体，具有以下优点：一、碳酸钠和氯化钙都易溶于水，其浓度可精确控制，根据注入的体积，可精确控制所生成的碳酸钙的质量，最终实现精确控制玻璃微腔的尺寸；二、水溶液相对于单纯的碳酸钙或氢化钛粉末，更容易被引入微槽内，而不会在键合面上造成粉末残留；三、微电子行业的生产活动都是在基于超净间条件下进行的，对于空气中的粉尘控制具有严格的要求，因此在量产过程中，直接操控高温释气剂(譬如本专利中的碳酸钙)粉末容易会污染超净间，从而造成潜在的风险，而采用碳酸钠溶液和氯化钙溶液可很容易将精确定量的碳酸钙引入槽内，不会对超净间产生影响。利用本发明获得的圆片级球形玻璃微腔阵列可与带有圆片级MEMS器件阵列的硅圆片进行键合，从而得到圆片级封装的MEMS器件。本发明可以同时在圆片上预留划片槽，在加工成型后，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，降低工艺成本。

Claims (6)

1.一种尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，在硅圆片(1)上刻蚀形成微型硅凹槽(2)阵列；

第二步，在上述微型硅凹槽(2)内，采用点胶技术先后加入碳酸钠溶液和氯化钙溶液混合，利用超声对其进行处理，获得碳酸钙(5)，再蒸发去除水；

第三步，将玻璃圆片(3)与上述硅圆片(1)在真空或一定压力下粘结，使得微型硅凹槽(2)密封；

第四步，将上述玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温，待微型凹槽(2)中碳酸钙(5)放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火；

第五步，去除硅圆片(1)，得到圆片级球形玻璃微腔(6)阵列。

2.根据权利要求1所述的尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，其特征在于玻璃圆片为硼硅玻璃圆片。

3.根据权利要求1所述的尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，其特征在于，第二步中所述的碳酸钠和氯化钙均为饱和溶液。

4.根据权利要求1所述的尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，其特征在于：所述微型凹槽(2)阵列之间有微通道(4)相连。

5.根据权利要求1所述的尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，其特征在于，第三步所述的粘结方法为阳极键合，阳极键合条件为：电压600V,温度为400℃。

6.根据权利要求1或2所述的尺寸可控的圆片级玻璃微腔制备方法，其特征在于，第四步中键合好的玻璃圆片和硅圆片的加热温度为820℃～890℃。