CN109896497A

CN109896497A - 一种面向mems封装的纳米玻璃粉回流工艺

Info

Publication number: CN109896497A
Application number: CN201910097427.0A
Authority: CN
Inventors: 王凌云; 林志鸿; 卜振翔
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2019-06-18

Abstract

一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺，涉及一种纳米玻璃粉的回流工艺。硅微腔刻蚀；纳米玻璃粉填充；纳米玻璃粉热熔回流；硅盖帽与MEMS器件基底键合。采用纳米玻璃粉代替块状玻璃进行玻璃回流工艺，能够有效的解决玻璃块与硅需要进行复杂的键合、玻璃回流时间长、易形成晶体、腔体边缘填充不足或内部容易形成空腔无法满足真空度要求等缺点，采用该工艺回流后的玻璃还能够具有商用玻璃的优良特性。此外，该工艺便捷高效，易于推广。

Description

一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺

技术领域

本发明涉及一种纳米玻璃粉的回流工艺，尤其是涉及一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺。

背景技术

微机电系统(MEMS)的敏感单元通常是微尺度的可动硅结构，其在温度、湿度、尘埃等因素的影响下都会造成器件性能的下降甚至损坏。因此，良好的封装工艺是提高MEMS器件性能和抗干扰能力的有效保障。

MEMS器件种类繁多，不同器件的封装技术各不相同，其中，采用圆片级封装(waferlevel package-WLP)技术形成的器件具有较高的一致性、可靠性和成本率，因此成为MEMS封装的发展趋势和研究的重点。圆片级封装是指在划片前，以硅晶圆片为单位真空封装的操作，封装为一次性完成，缩短了封装时间，降低了成本，且易于批量化生产。目前，WLP可分为表面键合、中间层键合和表面微处理封装。表面键合又根据不同封装材料分为阳极键合和硅硅键合；中间层键合又可分为玻璃浆料键合和共晶键合([1]Wolffenbuttel R F.Low-temperature intermediate Au-Si wafer bonding；eutectic or silicide bond[J].Sensors and Actuators A(Physical),1997,62(1-3):680-686.)。采用WLP封装的重点与难点问题主要有：一是高真空度。采用键合工艺进行封装时，键合过程会产生H₂、O₂等气体，限制了高真空度的形成，降低了MEMS器件的性能。二是应力失效。不同材料的热膨胀系数不同，键合后热失配引起的热应力会造成器件损坏。三是电学性能。垂直互联在传感器中充当电化学信号作用，应具有高电导率，同时互联之间不能互相影响，保证低的寄生电容。四是密闭性。加入纳米吸气剂能够长期的满足真空度要求，但额外增加的工艺导致成品率的降低及成本的升高。

盖帽封装是实现WLP的一种常见方法。盖帽微腔保证可动部件有足够运动空间，同时盖帽和基底紧密结合确保足够小的漏率，以满足腔体内的真空度要求。盖帽封装的电信号引出方式多为垂直互联。垂直互联是将电信号垂直引出，因此可以将引线结合(Wirebonding)或焊锡球(soldering)放在盖帽外面，能明显减少芯片的尺寸和封装尺寸([2]Heck J M,Arana L R,Read B,et al.Ceramic Via Wafer-Level Packaging for MEMS[J].2005.)。垂直互联可以实现三维芯片堆叠，还可以缩短电信号的传输距离，减少信号干扰。垂直互联可分为玻璃垂直互联(Through Glass Via-TGV)或硅垂直互联(ThroughSilicon Via-TSV)，其中，TGV使用范围更广，寄生电容小，隔热性好，键合简单(几乎都使用阳极键合)。玻璃不仅具有良好的绝缘性，而且和硅之间有较好的热匹配系数，能有效地避免键合后热应力过大导致器件失效的问题。TGV最大的难点在于通孔的设计，而采用玻璃回流工艺免除了在玻璃上刻蚀通孔的难点。传统的TGV工艺过程为先在硅片上刻蚀微腔后，将刻蚀好的硅片与玻璃进行阳极键合，再通过加热使玻璃填满微腔，最后进行机械化学抛光形成TGV盖帽。现有玻璃回流工艺的主要缺点为：一是阳极键合时，玻璃和硅都有表面粗糙度的要求和键合环境真空度要求。而且，键合后玻璃表面化学性质会变化；二是玻璃加热回流时存在回流时间长、容易形成晶体、微腔边缘填充不足、内部容易形成空腔、填充速度随腔体变小而变慢、填充宽度一般不小于100μm和侧壁角度小于90°的腔体填充困难等问题；三是抛光时存在抛光时间、物力成本高、表面凹凸不平容易造成碎片以及为了达到粗糙度要求需要进行粗抛和精抛两次抛光等问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有TGV盖帽玻璃回流工艺存在的缺点，提供能够代替块状玻璃进行玻璃回流，不但能够解决传统玻璃回流工艺的缺点，而且回流后的玻璃具有商用玻璃优良特性的一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺。

本发明包括以下步骤：

1)硅微腔刻蚀；

2)纳米玻璃粉填充；

3)纳米玻璃粉热熔回流；

4)硅盖帽与MEMS器件基底键合。

在步骤1)中，所述硅微腔刻蚀的具体方法可为：

首先对厚度为800μm，直径为4寸的硅片进行清洗，其次采用50︰1的刻蚀比在旋涂机上以1800r/min旋涂AZ4620光刻胶30s后用光刻机MA6曝光140s并进行显影、烘干完成光刻，然后采用深反应离子刻蚀法刻蚀出400μm深，350μm宽的微腔，最后使用H₂SO₄︰H₂O₂＝5︰1的3号液在90～180℃浸洗15min完成硅微腔的制作。所述硅微腔刻蚀可以采用深反应离子刻蚀、光辅助电化学刻蚀、LIGA等工艺进行刻蚀。

在步骤2)中，所述纳米玻璃粉填充时需加入离子水与异丙醇混合溶液，使纳米玻璃粉变成糊状再填充，所述离子水与异丙醇混合溶液的体积比可为1︰1，1g的纳米玻璃粉变成糊状后可用于填充166.6mm³硅微腔。所述纳米玻璃粉可以通过配比或商用玻璃加工成粉末得到；纳米玻璃粉填充微腔时可以干粉填充或加入溶剂形成浆料填充。

在步骤3)中，所述纳米玻璃粉热熔回流的升温速度可为10℃/s，保温温度范围为870～950℃，回流气氛为空气，降温方式为自然冷却至室温，最终冷却后，硅层厚度︰玻璃层厚度︰空腔厚度＝3︰3︰2。

在步骤4)中，所述硅盖帽与MEMS器件基底键合可采用阳极键合。

本发明的有益效果为：采用纳米玻璃粉代替块状玻璃进行玻璃回流工艺，能够有效的解决玻璃块与硅需要进行复杂的键合、玻璃回流时间长、易形成晶体、腔体边缘填充不足或内部容易形成空腔无法满足真空度要求等缺点，采用该工艺回流后的玻璃还能够具有商用玻璃的优良特性。此外，该工艺便捷高效，易于推广。

附图说明

图1为纳米玻璃粉回流工艺流程图。

图2为封装完成后的MEMS器件图。

图3为玻璃及硅中最大应力随玻璃厚度的变化。

具体实施方式

为使本发明更加明显易懂，下面结合附图对本发明的内容进行详细介绍。

本发明实施例包括以下步骤：

1)硅微腔刻蚀，首先对厚度为800μm，直径为4寸的硅片进行清洗，其次采用50︰1的刻蚀比在旋涂机上以1800r/min旋涂AZ4620光刻胶30s后用光刻机MA6曝光140s并进行显影、烘干完成光刻，然后采用深反应离子刻蚀法刻蚀出400μm深，350μm宽的微腔，最后使用H₂SO₄︰H₂O₂＝5︰1的3号液在90～180℃浸洗15min完成硅微腔的制作。

2)纳米玻璃粉填充，所述纳米玻璃粉填充时需加入离子水与异丙醇混合溶液，使纳米玻璃粉变成糊状再填充，所述离子水与异丙醇混合溶液的体积比可为1︰1，1g的纳米玻璃粉变成糊状后可用于填充166.6mm³硅微腔。所述纳米玻璃粉可以通过配比或商用玻璃加工成粉末得到；纳米玻璃粉填充微腔时可以干粉填充或加入溶剂形成浆料填充。

3)纳米玻璃粉热熔回流，纳米玻璃粉热熔回流的升温速度可为10℃/s，保温温度范围为870～950℃，回流气氛为空气，降温方式为自然冷却至室温，最终冷却后，硅层厚度︰玻璃层厚度︰空腔厚度＝3︰3︰2。

以下给出具体实施例。

图1给出了本发明纳米玻璃粉回流工艺的流程，具体包括：

(1)标清。首先将硅片放入丙酮超声清洗3min后，再用酒精超声清洗3min，最后再用清水洗去酒精并进行烘干。硅片的厚度为800μm，直径为4寸。

(2)上表面光刻。光刻选用的刻蚀比为50︰1，首先在旋涂机上以1800r/min旋涂AZ4620光刻胶30s，其次用光刻机MA6曝光140s，然后在显影液进行显影，最后将刻蚀过的硅片进行烘干完成光刻。光刻应在洁净度不小于10的气氛中进行，光刻胶的厚度不小于8μm。

(3)硅微腔刻蚀。首先采用深反应离子刻蚀法刻蚀出400μm深，350μm宽的微腔，然后使用H₂SO₄︰H₂O₂＝5︰1的3号液在90～180℃浸洗15min，最后再进行烘干完成硅微腔的制作。

(4)纳米玻璃粉填充，所述纳米玻璃粉填充时需加入离子水与异丙醇混合溶液，使纳米玻璃粉变成糊状再填充，所述离子水与异丙醇混合溶液的体积比为1︰1，1g的纳米玻璃粉变成糊状后可用于填充166.6mm³硅微腔。所述纳米玻璃粉通过配比或商用玻璃加工成粉末得到；纳米玻璃粉填充微腔时干粉填充或加入溶剂形成浆料填充。

(5)纳米玻璃粉热熔回流。纳米玻璃粉热熔回流应在空气氛围中进行，升温速度为10℃/s,保温温度范围为870～950℃，降温方式为自然冷却至室温。

(6)下表面光刻。光刻选用的刻蚀比仍为50︰1，首先在旋涂机上以1800r/min旋涂AZ4620光刻胶30s，其次用光刻机MA6曝光140s，然后在显影液进行显影，最后将刻蚀过得硅片进行烘干完成光刻。光刻应在洁净度不小于10的气氛中进行，光刻胶的厚度不小于8μm。

(7)硅垂直互联单元刻蚀。首先采用深反应离子刻蚀法刻蚀出1.23μm×1.23μm×1.23μm的硅垂直互联单元，然后使用H₂SO₄︰H₂O₂＝5︰1的3号液在90～180℃浸洗15min，最后再进行烘干完成硅垂直互联单元的刻蚀。

图2给出本发明封装完成后的MEMS器件图。MEMS器件采用玻璃基底04，敏感单元为可动硅结构03，其与硅盖帽01的结合方式为阳极键合。硅盖帽01的总厚度为800μm，其中硅层厚度︰玻璃层厚度︰空腔厚度＝3︰3︰2。在图2中，标记02表示回流玻璃。

图3给出玻璃及硅中最大应力随玻璃厚度的变化。在总厚度为800μm的情况下，玻璃厚度为300μm时，硅玻璃和硅中的应力都达到最小。

Claims

1.一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺，其特征在于包括以下步骤：

1)硅微腔刻蚀；

2)纳米玻璃粉填充；

3)纳米玻璃粉热熔回流；

4)硅盖帽与MEMS器件基底键合。

2.如权利要求1所述一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺，其特征在于在步骤1)中，所述硅微腔刻蚀的具体方法为：

首先对厚度为800μm，直径为4寸的硅片进行清洗，其次采用50︰1的刻蚀比在旋涂机上以1800r/min旋涂AZ4620光刻胶30s后用光刻机MA6曝光140s并进行显影、烘干完成光刻，然后采用深反应离子刻蚀法刻蚀出400μm深，350μm宽的微腔，最后使用H₂SO₄︰H₂O₂＝5︰1的3号液在90～180℃浸洗15min完成硅微腔的制作；所述硅微腔刻蚀可采用深反应离子刻蚀、光辅助电化学刻蚀、LIGA工艺进行刻蚀。

3.如权利要求1所述一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺，其特征在于在步骤2)中，所述纳米玻璃粉填充时加入离子水与异丙醇混合溶液，使纳米玻璃粉变成糊状再填充，所述离子水与异丙醇混合溶液的体积比为1︰1，1g的纳米玻璃粉变成糊状后用于填充166.6mm³硅微腔。

4.如权利要求1所述一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺，其特征在于在步骤3)中，所述纳米玻璃粉热熔回流的升温速度为10℃/s，保温温度范围为870～950℃，回流气氛为空气，降温方式为自然冷却至室温，最终冷却后，硅层厚度︰玻璃层厚度︰空腔厚度＝3︰3︰2。

5.如权利要求1所述一种面向MEMS封装的纳米玻璃粉回流工艺，其特征在于在步骤4)中，所述硅盖帽与MEMS器件基底键合采用阳极键合。