CN109928359A - 微结构封装方法及封装器件 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种微结构封装方法，包括：在单晶硅圆片上表面刻蚀出导电硅柱和硅凹槽，硅凹槽底部与单晶硅圆片背面之间剩余的单晶硅材料为微结构功能层；将玻璃粉末填充至硅凹槽内；以玻璃粉末软化点以上的温度，高温烧结玻璃粉末，形成玻璃体；在单晶硅圆片背面刻蚀出包含功能结构和电学连接结构的微结构和边框；盖帽与边框通过键合工艺粘接，将微结构密闭封装；以及在导电硅柱上沉积金属电极，实现与外部电路的欧姆接触。

Description

微结构封装方法及封装器件

技术领域

本公开属于微机电系统技术领域，特别涉及一种微结构封装方法，还涉及一种封装器件。

背景技术

在微机电系统领域，惯用微米尺寸的微腔结构对器件进行密闭封装，对器件起到物理保护的作用，也能隔离封装内外的环境，例如实现器件工作在真空环境中。硅-玻璃阳极键合技术是目前应用最为成熟的微结构封装方法，但是随着微结构向集成化的方向不断发展，信号传输互连互通的高度复杂化成为阳极键合封装面临的重大难题。玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)技术被认为是解决该难题的下一代三维集成关键技术，其最终形态一般是整面玻璃圆片内嵌有规则布局的导电介质体，导电介质体直接实现封装内部结构与外界的电学互连互通。TGV技术在微探针，微光路，微腔体和微沟道，电容压力传感器，谐振器和力敏传感器等制备和封装中的优势已初步显现。在过去十几年里，众多的TGV实现方法被提出。依据其导电介质制备的先后顺序不同，可概括为填孔法和埋柱法两类。

填孔法先在玻璃片上制备孔或槽，填充导电介质体后，再执行平坦化。其中成孔工艺决定了TGV封装中导电介质体的分布密度、成型质量和密封效果。虽然目前已有填孔法制备的商品化TGV封装结构，但由于高深宽比玻璃微纳结构的加工技术未能得到有效突破，填孔法大多存在导电介质体间距较大、成孔工艺复杂、一致性差、填充不密实、玻璃基底存在缺陷等严重共性技术问题。

埋柱法先制备导电介质体，圆片玻璃热熔后将导电介质体包埋，再执行平坦化。其典型工艺路线被称为“硅内玻璃回流(Glass-in-silicon reflow)”。以高深宽比(可达100∶1)的导电介质硅微结构作为模具，模具上的玻璃片热熔回流填充硅柱间隙(间距可达2μm)，使得制备高密度TGV封装出现了新的契机。但是随着玻璃回流向复杂化和高密度化趋势的发展，埋柱法普遍存在前后道工艺复杂、成品率低、微孔/槽边缘填充不足、小腔体填充速度慢、残余应力大等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于微纳米玻璃粉末固态填充的微结构封装方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种微结构封装方法，其特征在于，包括：

在单晶硅圆片上表面刻蚀出导电硅柱和硅凹槽，硅凹槽底部与单晶硅圆片背面之间剩余的单晶硅材料为微结构功能层；

将玻璃粉末填充至硅凹槽内；

以玻璃粉末软化点以上的温度，高温烧结玻璃粉末，形成玻璃体；

在单晶硅圆片背面刻蚀出包含功能结构和电学连接结构的微结构和边框；

盖帽与边框通过键合工艺粘接，将微结构密闭封装；

在导电硅柱上沉积金属电极，实现与外部电路的欧姆接触。

在进一步的实施方案中，所述导电硅柱截面为圆柱形、多边棱柱和/或多边棱台。

在进一步的实施方案中，所述玻璃粉末填充至硅凹槽的厚度低于导电硅柱的高度。

在进一步的实施方案中，所述玻璃粉末填充时通过硬板掩模进行填充。

在进一步的实施方案中，所述玻璃粉末填充时使玻璃粉末沉积密实的振动的施加方向要与单晶硅圆片表面垂直。

在进一步的实施方案中，所述高温烧结玻璃粉末之后进行降温，所述降温为自然冷却至室温，和/或通过再升温进行退火。

在进一步的实施方案中，还包括：形成悬空功能结构，腐蚀功能结构与玻璃体之间的部分玻璃，形成硅玻璃间隙，形成悬空功能结构。

在进一步的实施方案中，所述电学连接结构外沿与导电硅柱的最小水平距离大于硅玻璃间隙。

在进一步的实施方案中，所述悬空功能结构上设置有能加快玻璃腐蚀的小孔。

在进一步的实施方案中，腐蚀形成硅玻璃间隙时，采用单面腐蚀法，保护导电硅柱一侧的玻璃体不被腐蚀。

在进一步的实施方案中，盖帽与边框通过键合工艺粘接前，盖帽(400)的盖帽凹槽内先沉积吸气剂。

根据本发明的另一方面，提供一种封装器件，采用上述任一所述方法进行封装。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开的微结构封装方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本封装方法将难以有效填充的大体积玻璃离散成微纳米颗粒，在高温烧结之前完成填充步骤，大大降低小尺寸硅凹槽的填充难度，无需高真空阳极键合、减薄和抛光工艺，成品率提高。

(2)本封装方法可实现高密度TGV封装，避免硅通孔技术存在的自由电子在电场或磁场作用下对邻近电路或信号产生干扰的问题。

(3)相较于硅内玻璃回流工艺，本封装方法可实现“口小底大”凹槽甚至异形槽的良好填充，应用范围更广。

(4)本封装方法中的导电硅柱与微结构为同质材料，可通过金属电极直接连接外部电路，实现无引线封装，电学引出的可靠性增加，微结构抵御振荡、机械冲击和热冲击的能力大幅提升。

(5)本封装方法可有效减小微结构的电极结构尺寸，进而减小微结构体积，增大单个圆片的微结构制作数量，进一步压缩制造成本。

附图说明

图1为本公开实施例的微结构封装方法第一步的单晶硅圆片刻蚀结果示意图。

图2为本公开实施例的微结构封装方法第二步的玻璃粉末填充结果示意图。

图3为本公开实施例的微结构封装方法第三步的玻璃粉末烧结成玻璃体结果示意图。

图4为本公开实施例的微结构封装方法第四步的微结构刻蚀结果示意图。

图5为本公开实施例的微结构封装方法第五步的硅玻璃间隙腐蚀结果示意图。

图6为本公开实施例的微结构封装方法第六步的玻璃盖帽键合密封结果示意图。

图7为本公开实施例的微结构封装方法第七步的欧姆接触金属制作结果示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

100-单晶硅圆片；

101-导电硅柱；102-硅凹槽；103-微结构功能层；104-边框

201-玻璃粉末；202-玻璃体；203-硅玻璃间隙；

300-微结构；

301-功能结构；302-电学连接结构；

400-玻璃盖帽；

500-欧姆接触金属。

具体实施方式

根据本公开的基本构思，提供一种微结构封装方法，包括：在单晶硅圆片上表面刻蚀出导电硅柱和硅凹槽，硅凹槽底部与单晶硅圆片背面之间剩余的单晶硅材料为微结构功能层；将玻璃粉末填充至硅凹槽内；以玻璃粉末软化点以上的温度，高温烧结玻璃粉末，形成玻璃体；在单晶硅圆片背面刻蚀出包含功能结构和电学连接结构的微结构和边框；盖帽与边框通过键合工艺粘接，将微结构密闭封装，在导电硅柱上沉积金属电极，实现与外部电路的欧姆接触。该方法将难以有效填充的大体积玻璃离散成微纳米颗粒，在高温烧结之前完成填充步骤，大大降低小尺寸硅凹槽的填充难度，无需高真空阳极键合、减薄和抛光等工艺。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。但应理解的是以下实施例的具体工艺细节仅用于阐述本公开，而不应理解为对本公开的限定。

图1至图7为本公开实施例的微结构封装方法的工艺步骤示意图。

图1为本公开实施例的微结构封装方法第一步的单晶硅圆片刻蚀结果示意图。如图1所示，在厚度为400微米的4寸单晶硅圆片100上表面以光刻胶、金属或硅化物等为掩膜，干法刻蚀出高度为340微米的导电硅柱101和硅凹槽102，硅凹槽102底部与单晶硅圆片100背面之间剩余的厚度为60微米的单晶硅材料为微结构功能层103；刻蚀完成的单晶硅圆片100去掉掩膜，并在氢氟酸稀释液中浸泡1min，去除表面氧化和钝化层。其中，导电硅柱101可以是圆柱形、多边棱柱、多边棱台等，但不仅限于上述形状。

图2为本公开实施例的微结构封装方法第二步的玻璃粉末填充结果示意图。如图2所示，借助硬板掩膜，将粒径在100nm～1μm的BF33玻璃粉末201填充至硅凹槽102内，用激振台振动单晶硅圆片100，使玻璃粉末201在硅凹槽102内沉积密实。一些实施例中，玻璃粉末201填充的厚度要低于导电硅柱101的高度，填充工艺可借助硬板掩膜，避免玻璃粉末201落到硅凹槽102之外的单晶硅圆片100表面上；使玻璃粉末201沉积密实的振动的施加方向要与单晶硅圆片100表面垂直。

图3为本公开实施例的微结构封装方法第三步的玻璃粉末烧结成玻璃体结果示意图。如图3所示，将填充了玻璃粉末201的单晶硅圆片100放在开放式管式炉内，以10℃/min的速率升温至850℃，保温1小时，高温烧结玻璃粉末，形成玻璃体202，自然降温冷却至室温取出。其中，高温烧结玻璃粉末之后的降温可以自然冷却至室温，也可以增加再升温的退火过程。

图4为本公开实施例的微结构封装方法第四步的微结构刻蚀结果示意图。如图4所示，在单晶硅圆片100背面以光刻胶或金属等为掩膜，干法刻蚀出包含功能结构301和电学连接结构302的微结构300和边框104，刻蚀完成的单晶硅圆片100去掉掩膜。电学连接结构302外沿与导电硅柱101的最小水平距离要大于硅玻璃间隙203的腐蚀深度。

图5为本公开实施例的微结构封装方法第五步的硅玻璃间隙腐蚀结果示意图。如图5所示，若功能结构301为悬空结构，则用单面腐蚀夹具保护单晶硅圆片100有玻璃体202的一侧，用玻璃腐蚀也腐蚀掉功能结构301与玻璃体202之间的部分玻璃，形成硅玻璃间隙203，功能结构301成为悬空结构。优选的，悬空的功能结构301上可以设计加快玻璃腐蚀的小孔。优选的，腐蚀硅玻璃间隙203时可采用单面腐蚀法，保护导电硅柱101一侧的玻璃体202不被腐蚀。

图6为本公开实施例的微结构封装方法第六步的玻璃盖帽键合密封结果示意图。如图6所示，如果微结构300需要工作在真空环境中，硼硅玻璃盖帽400与单晶硅边框104在真空键合机里以成熟的阳极键合工艺粘接，将微结构300真空封装。若微结构300工作在真空环境下，盖帽400的盖帽凹槽401内可先沉积吸气剂，再与单晶硅边框104粘接。

图7为本公开实施例的微结构封装方法第七步的欧姆接触金属制作结果示意图。如图7所示，在导电硅柱101上用溅射或蒸发工艺沉积金属电极500，再根据金属与单晶硅欧姆接触的退火条件，完成欧姆接触。

根据本公开的另一构思，还提供一种封装器件，其封装方式采用上述实施例的封装方法，其中封装器件可以是微探针，微光路，微腔体和微沟道，电容压力传感器，谐振器和力敏传感器等制备。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开实施例的基于微纳米玻璃粉末固态填充的微结构封装方法及封装器件有了清楚的认识。

综上所述，本公开实施例的微结构封装方法，将难以有效填充的大体积玻璃离散成微纳米颗粒，在高温烧结之前完成填充步骤，大大降低小尺寸硅凹槽的填充难度，无需高真空阳极键合、减薄和抛光等工艺，可实现微结构的高密度TGV封装和无引线封装，避免硅通孔技术存在的自由电子在电场或磁场作用下对邻近电路或信号产生干扰，进而有效减小微结构的体积，进一步提高良率、压缩制造成本，具有广阔的应用前景。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以描述相应的工艺步骤，其本身并不意味着该工艺内容只能出现在序数对应的工艺步骤中。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种微结构封装方法，其特征在于，包括：

在单晶硅圆片(100)上表面刻蚀出导电硅柱(101)和硅凹槽(102)，硅凹槽(102)底部与单晶硅圆片(100)背面之间剩余的单晶硅材料为微结构功能层(103)；

将玻璃粉末(201)填充至硅凹槽(102)内；

以玻璃粉末(201)软化点以上的温度，高温烧结玻璃粉末，形成玻璃体(202)；

在单晶硅圆片(100)背面刻蚀出包含功能结构(301)和电学连接结构(302)的微结构(300)和边框(104)；

盖帽(400)与边框(104)通过键合工艺粘接，将微结构(300)密闭封装；

在导电硅柱(101)上沉积金属电极(500)，实现与外部电路的欧姆接触。

2.根据权利要求1所述的微结构封装方法，其特征在于，所述导电硅柱(101)截面为圆柱形、多边棱柱和/或多边棱台。

3.根据权利要求1所述的微结构封装方法，其特征在于，所述玻璃粉末填充至硅凹槽(102)的厚度低于导电硅柱(101)的高度。

4.根据权利要求3所述的微结构封装方法，其特征在于，所述玻璃粉末填充时通过硬板掩模进行填充。

5.根据权利要求1所述的微结构封装方法，其特征在于，所述玻璃粉末填充时使玻璃粉末(201)沉积密实的振动的施加方向要与单晶硅圆片(100)表面垂直。

6.根据权利要求1所述的微结构封装方法，其特征在于，所述高温烧结玻璃粉末之后进行降温，所述降温为自然冷却至室温，和/或通过再升温进行退火。

7.根据权利要求1所述的微结构封装方法，其特征在于，还包括：形成悬空功能结构，腐蚀功能结构(301)与玻璃体(202)之间的部分玻璃，形成硅玻璃间隙(203)，形成悬空功能结构(301)。

8.根据权利要求1所述的微结构封装方法，其特征在于，所述电学连接结构(302)外沿与导电硅柱(101)的最小水平距离大于硅玻璃间隙(203)。

9.根据权利要求8所述的微结构封装方法，其特征在于，所述悬空功能结构(301)上设置有能加快玻璃腐蚀的小孔。

10.根据权利要求8所述的微结构封装方法，其特征在于，腐蚀形成硅玻璃间隙(203)时，采用单面腐蚀法，保护导电硅柱(101)一侧的玻璃体(202)不被腐蚀。

11.根据权利要求1所述的微结构封装方法，其特征在于，盖帽(400)与边框(104)通过键合工艺粘接前，盖帽(400)的盖帽凹槽(401)内先沉积吸气剂。

12.一种封装器件，采用权利要求1-11任一所述方法进行封装。