CN111807318A - 基于玻璃回流工艺的tgv衬底制备方法及mems器件封装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法及MEMS器件封装方法，该TGV衬底制备方法包括硅片表面氧化、制作浅槽图形和深槽图形、刻蚀、再次刻蚀、再次氧化、玻璃回流和后处理；该MEMS器件封装方法利用该TGV衬底制备方法制备得到的TGV衬底对MEMS器件进行真空封装。本发明提供的MEMS器件封装方法可以同时实现横向和纵向互连，同时不需要向玻璃通孔中填充金属来实现芯片的垂直互连，本发明的MEMS器件封装方法具有气密性好、热应力小、寄生效应小、引线互连方式灵活等突出优点，有利于提升MEMS器件性能，因此具有非常好的应用潜力和发展前景。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS器件封装技术领域，尤其是一种基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法及MEMS器件封装方法。
背景技术
微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems，MEMS)是集微传感器、微执行器、微机械结构、微电源、微能源、信号处理和控制电路、高性能电子集成器件、接口、通信等于一体的微型器件或系统，具有体积小、功耗低、可靠性高、易于批量化制造等显著特点。封装是实现MEMS芯片I/O接口、内部结构保护、环境交互与隔离、提供稳定可靠工作环境的有效途径，也是从实验室样机向产品过渡的关键。封装成本占整个MEMS器件成本的50％以上，有的甚至超过80％。与 IC封装不同，MEMS芯片封装不仅仅是实现电信号的内外互连，更重要的是涉及到封装对机械结构动力学特性的影响。因此，传统的IC 封装技术很难直接在MEMS产品上获得应用，尤其是工业级以及军事应用等要求较高的场合。
目前MEMS芯片真空封装分为两种形式：器件级封装和圆片级封装。器件级真空封装是将芯片划片后再单独贴片、引线并真空封装在陶瓷或金属管壳内，而圆片级真空封装是先将MEMS结构圆片整体真空封装再划片的封装方式。相比较而言，圆片级封装能极大地减小器件体积、提高生产效率、降低生产成本，是MEMS器件未来发展的必然趋势。圆片级封装可分为信号横向引出和信号纵向引出两种形式，横向引出工艺相对简单，芯片引线方便，但集成度低；纵向引出工艺相对复杂，引线布局灵活，集成度高。现有的圆片级封装只能实现横向引出和纵向引出中的一种，不能满足更高要求的MEMS器件封装要求。此外，现有技术中，TSV(Through Silicon Via，硅通孔)和TGV (Through Glass Via，玻璃通孔)是指通过在硅通孔和玻璃通孔中填充金属来实现芯片的垂直互连，该方法均存在多种材料特性不匹配而导致的应力问题，且寄生效应显著，从而对MEMS结构的性能产生很大的影响，同时气密性也难以满足性能需求。
发明内容
本发明提供一种基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法及 MEMS器件封装方法，用于克服现有技术中只能实现横向引出和纵向引出中的一种等缺陷，实现减小热应力，有效消除封装误差对MEMS 器件的性能带来的不利影响。
为实现上述目的，本发明提出一种基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，包括：
S1：对硅片进行氧化，获得上、下表面均具有第一氧化层的硅片；
S2：在所述硅片上表面或者下表面的第一氧化层上匀胶，通过光刻在所述硅片的匀胶表面制作刻蚀硅片的浅槽图形和深槽图形，并将所述浅槽图形用光刻胶覆盖；
S3：以光刻胶作和第一氧化层为刻蚀掩膜对所述硅片进行深反应离子刻蚀，在所述深槽图形对应位置处形成50～150μm深的凹槽；
S4：去除所述浅槽图形上覆盖的光刻胶，继续对所述硅片进行深反应离子刻蚀，在所述浅槽图形对应位置处形成150～450μm深的浅槽，在所述深槽图形对应位置处形成350～900μm深的深槽；所述深槽的深度大于所述浅槽的深度；
S5：去除所述硅片上的光刻胶以及第一氧化层，并再次对所述硅片进行氧化，获得上、下表面均具有第二氧化层的硅片；
S6：将玻璃圆片置于所述硅片具有所述浅槽和所述深槽的表面上进行键合，获得组合件；
S7：将所述组合件在1000～2000℃下回流3～6h，获得原始衬底；
S8：对所述原始衬底进行研磨、磨削和单面CMP抛光，获得TGV 衬底。
为实现上述目的，本发明还提出一种基于玻璃回流工艺的MEMS 器件封装方法，利用如上述所述的TGV衬底制备方法制备得到的 TGV衬底对MEMS器件进行真空封装。
与现有技术相比，本发明的有益效果有：
1、本发明提供的基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，在硅片表面形成第一氧化层然后匀胶，这样可以形成两层掩膜层，能有效提高加工的精度。
2、本发明提供的基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，通过两次深反应离子刻蚀，成功的在硅片表面形成浅槽和深槽，再利用玻璃回流工艺将玻璃填充满整个浅槽和深槽，被玻璃电隔离的硅结构便可被用来实现信号的互连，由于浅槽和深槽的存在以及浅槽和深槽内完全填满玻璃，因此可同时实现信号的横向引出和纵向引出。
3、本发明提供的基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，在向浅槽和深槽中填充玻璃之前先在硅片表面形成一层氧化层(第二氧化层)，可有效降低浅槽和深槽内的粗糙度，利于玻璃向槽内填充。同时氧化层可以提高玻璃回流后的气密性，一是经过氧化处理后能将硅槽表面的粗糙度减小二分之一，较光滑的表面可以减小玻璃回流时熔融玻璃的表面张力，较小的表面张力可以加快玻璃的流入；二是当熔融玻璃在不同的固体表面上时，它的液体表面能是相同的，此时熔融玻璃平衡时与固体表面的接触角越大，固液之间的界面能越高，则两者的结合强度越大。熔融玻璃与二氧化硅表面的接触角比熔融玻璃与硅表面的接触角大一倍，使二者结合的更好，结合强度越大越有利于提高气密性。
4、本发明提供的基于玻璃回流工艺的MEMS器件封装方法，利用上述所述的TGV衬底制备方法制备得到的TGV衬底对MEMS器件进行真空封装，可以同时实现横向和纵向互连，同时不需要向玻璃通孔中填充金属来实现芯片的垂直互连，本发明的MEMS器件封装方法具有气密性好、热应力小、寄生效应小、引线互连方式灵活等突出优点，可有效提升器件的性能，因此具有非常好的应用潜力和发展前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1a为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S1获得结构的结构图；
图1b为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S2获得结构的结构图；
图1c为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S3获得结构的结构图；
图1d为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S4获得结构的结构图；
图1e为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S4获得结构去除硅片上的光刻胶以及第一氧化层后的结构图；
图1f为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S5获得结构的结构图；
图1g为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S6获得结构的结构图；
图1h为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S7获得结构的结构图；
图1i为本发明提供的TGV衬底制备方法中步骤S8获得结构的结构图；
图2为实施例2中封装示意图；
图3为实施例2中封装后的结构图。
附图标号说明：1：硅片；2：第一氧化层；3：光刻胶；4：浅槽图形；5：深槽图形；6：浅槽；7：深槽；8：第二氧化层；9：玻璃圆片；10：玻璃；11：焊盘；12：硅微陀螺。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
无特殊说明，所使用的药品/试剂均为市售。
本发明提出一种基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，包括：
S1：对硅片1进行氧化，获得上、下表面均具有第一氧化层2的硅片，如图1a所示；
第一氧化层2的形成以便于匀胶，因为光刻胶3在氧化层上的粘接性优于在硅片1上，以防止在刻蚀过程中光刻胶脱落。
优选地，所述硅片1选用N型单晶硅片。一般机械结构(MEMS 器件)是用N型的硅片湿法腐蚀工艺加工，TGV衬底也用N型可以保持较好的工艺一致性。优选N型(100)单晶硅片。
优选地，所述第一氧化层2的厚度为1～2μm。热氧化工艺生成二氧化硅的厚度最大是2μm，而第一氧化层太薄则不能结成致密的氧化层来有效保护被覆盖的部分。
S2：在所述硅片1上表面或者下表面的第一氧化层2上匀胶，通过光刻在所述硅片1的匀胶表面制作刻蚀硅片的浅槽图形4和深槽图形5，并将所述浅槽图形4用光刻胶3覆盖，如图1b所示；
浅槽图形4和深槽图形5均为宽度20～80μm的矩形。
匀胶，也被称为旋转涂胶或甩胶。通过匀胶在第一氧化层上形成一层光刻胶。
光刻，是对硅片表面的掩蔽物(第一氧化层和光刻胶)进行开孔，以暴露硅片便于对硅片进行刻蚀。
优选地，所述匀胶过程选用的光刻胶为spr220，这是一种正性厚胶，通过调整匀胶的转速可以保证胶的厚度达到5～12μm，以满足深反应离子刻蚀的要求。
S3：以光刻胶作和第一氧化层为刻蚀掩膜对所述硅片进行深反应离子刻蚀，在所述深槽图形对应位置处形成50～150μm深的凹槽，如图1c所示；
优选地，所述深反应离子刻蚀采用SF6和F8C4循环刻蚀的Bosch 工艺，以SF6为刻蚀气体，以F8C4为保护气体。
采用SF6和F8C4循环刻蚀的Bosch工艺，SF6作为刻蚀气体，与硅反应对其侧壁和底部进行刻蚀；F8C4则作为保护气体，能与暴露的硅表面反应生成一层(CF2)有机聚合物保护膜，保护刻蚀后的硅侧壁不再继续被刻蚀。通过交替通入这两种气体，就能获得侧壁垂直的高深宽比的硅深槽。
有机聚合物保护膜，保护刻蚀后的硅侧壁不再继续被刻蚀。通过交替通入SF6和F8C4这两种气体，就能获得侧壁垂直的高深宽比的硅深槽。
S4：去除所述浅槽图形上覆盖的光刻胶3，继续对所述硅片1进行深反应离子刻蚀，在所述浅槽图形4对应位置处形成150～450μm 深的浅槽6，在所述深槽图形5对应位置处形成350～900μm深的深槽 7，所述深槽的深度大于所述浅槽的深度；如图1d所示；
S5：去除所述硅片1上的光刻胶3以及第一氧化层2(如图1e 所示)，并再次对所述硅片1进行氧化，获得上、下表面均具有第二氧化层8的硅片，如图1f所示；
第二氧化层8可有效降低浅槽6和深槽7内的粗糙度，利于玻璃向槽内填充。
优选地，所述第二氧化层8的厚度为200～1000nm。
S6：将玻璃圆片9置于所述硅片1具有所述浅槽6和所述深槽7 的表面上进行键合，获得组合件，如图1g所示；
优选地，所述玻璃圆片9选用Pyrex、BF33和SD2中的一种；所述键合为硅-玻璃阳极键合。
高品质的硼硅玻璃(如Pyrex、BF33、SD2等)具有与单晶硅非常相近的热膨胀系数，通常用于阳极键合，可以实现非常小的结构应力。
S7：将所述组合件在1000～2000℃下回流3～6h，获得原始衬底，如图1h所示，玻璃10填满浅槽6和深槽7；
超粘稠玻璃流体在微结构中流动的模型建立：
由于流体从静止到注满管道过程中的瞬态特性与流感紧密相关，因此本发明对玻璃回流过程建立一个等效RL电路模型。
在微流体模型中，流感表示为：
Lh＝ρ*l/A
式中，ρ为熔融玻璃密度，l为玻璃回流的深度，Α为流道的矩形截面面积。
由于流道为矩形截面，流阻可表示为：
式中，μ为熔融玻璃的动力粘度，a为流道矩形截面的长，b为流道矩形截面的宽。
由于在微米尺寸的流道中，流道侧壁对玻璃的表面张力不可忽略，因此在假设玻璃回流的硅微流道处于真空状态的条件下，驱动熔融玻璃流动的压强差则为大气压强减去表面张力的阻碍，表达式为：
式中，P为大气压强，k为等效表面张力系数，其大小与接触材料及表面粗糙度有关。
玻璃在高温加热前，回流的深度为0。因此，玻璃回流过程可以用电路的零状态响应方程来描述：
式中，τe为时间常数，其表达式为τe＝Le/Re；ΔU为电压差，Re为等效电阻值；Le为等效电感值；t为时间变量。
根据等效电路理论，将上式电路模型中的所有物理量用等效流体模型中对应的物理量进行替换，可以得到：
可解得玻璃回流深度的表达式为：
优选地，所述回流的温度为1000～1800℃，时间为3～6h，以确保玻璃完全流满整个凹槽。
S8：对所述原始衬底进行研磨、磨削和单面CMP抛光，获得TGV 衬底，如图1i所示。
优选地，步骤S8具体为：
S81：对所述原始衬底的上、下表面进行研磨和磨削，直至上、下表面均露出所述深槽；
S82：对所述原始衬底的上表面和下表面分别进行单面CMP抛光，直至表面粗糙度低于20nm，获得TGV衬底。
本发明提供的基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，通过步骤S3和步骤S4的两次深反应离子刻蚀，成功的在硅片表面形成浅槽和深槽，再在步骤S7利用玻璃回流工艺将玻璃填充满整个浅槽和深槽，被玻璃电隔离的硅结构便可被用来实现信号的互连，由于浅槽和深槽的存在以及浅槽和深槽内完全填满玻璃，因此可同时实现信号的横向引出和纵向引出。
本发明还提出一种基于玻璃回流工艺的MEMS器件封装方法，利用如上述所述的TGV衬底制备方法制备得到的TGV衬底对 MEMS器件进行真空封装。
真空封装的具体方法为：在真空腔中将TGV衬底层、机械结构层(MEMS器件)和盖帽按照TGV衬底层-机械结构层-盖帽的顺序依次从上往下放置，施加一定的压力将圆片紧密接触在一起，同时加热，在TGV衬底层和盖帽键合处的玻璃上加负电压，中间机械结构键合处的硅上加正电压，使玻璃-硅表面形成二氧化硅层以实现真空封装。
实施例1
本实施例提供一种基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，包括：
S1：对N型(100)单晶硅片进行氧化，获得上、下表面均具有 1μm厚的第一氧化层的硅片；
S2：在所述硅片上表面或者下表面的第一氧化层上匀胶(spr220)，通过光刻在所述硅片的匀胶表面制作刻蚀硅片的宽度为20μm的矩形浅槽图形和宽度为65μm的矩形深槽图形，并将所述浅槽图形用光刻胶覆盖；
S3：以光刻胶作和第一氧化层为刻蚀掩膜对所述硅片进行深反应离子刻蚀，在所述深槽图形对应位置处形成70μm深的凹槽；
S4：去除所述浅槽图形上覆盖的光刻胶，继续对所述硅片进行深反应离子刻蚀，在所述浅槽图形对应位置处形成400μm深的浅槽，在所述深槽图形对应位置处形成500μm深的深槽；
S5：去除所述硅片上的光刻胶以及第一氧化层，并再次对所述硅片进行氧化，获得上、下表面均具有600nm厚的第二氧化层的硅片；
S6：将Pyrex玻璃圆片置于所述硅片具有所述浅槽和所述深槽的表面上进行阳极键合，获得组合件；
S7：将所述组合件在1500℃下回流4.5h，获得原始衬底；
S8：对所述原始衬底进行研磨、磨削和单面CMP抛光，获得TGV 衬底。
利用波面干涉仪等仪器对本实施例制备的TGV衬底的表面粗糙度、应力分布和界面气密性等进行检测分析。利用阻抗分析仪等仪器对本实施例制备的TGV衬底的导电性、频响特性和寄生效应等进行检测分析。检测结果表明，本实施例制备的TGV衬底表面粗糙度低、应力分布均匀、气密性优异、导电性和频响特性强，寄生效应低。
实施例2
本实施例提供一种基于玻璃回流工艺的硅微陀螺封装方法，利用实施例1所述的TGV衬底制备方法制备得到的TGV衬底对MEMS 器件进行真空封装，如图2和图3所示。封装的方法为，在真空腔中将TGV衬底层、硅微陀螺12和盖帽按照TGV衬底层-硅微陀螺-盖帽的顺序依次从上往下放置，施加一定的压力将圆片紧密接触在一起，同时加热，在TGV衬底层和盖帽键合处的玻璃上加负电压，中间硅微陀螺键合处的硅上加正电压，使玻璃-硅表面形成足够后的二氧化硅层，最后通过焊盘11焊接。
硅微陀螺的微谐振结构对真空封装的气密性、可靠性、应力、电学特性要求最为严苛。本实施例利用实施例1制备的TGV衬底可实现对硅微陀螺的真空封装，通过对封装后结构的测试，其气密性、可靠性、应力及电学性能均能满足要求。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于玻璃回流工艺的TGV衬底制备方法，其特征在于，包括：
S1：对硅片进行氧化，获得上、下表面均具有第一氧化层的硅片；
S2：在所述硅片上表面或者下表面的第一氧化层上匀胶，通过光刻在所述硅片的匀胶表面制作刻蚀硅片的浅槽图形和深槽图形，并将所述浅槽图形用光刻胶覆盖；
S3：以光刻胶作和第一氧化层为刻蚀掩膜对所述硅片进行深反应离子刻蚀，在所述深槽图形对应位置处形成50～150μm深的凹槽；
S4：去除所述浅槽图形上覆盖的光刻胶，继续对所述硅片进行深反应离子刻蚀，在所述浅槽图形对应位置处形成150～450μm深的浅槽，在所述深槽图形对应位置处形成350～900μm深的深槽；所述深槽的深度大于所述浅槽的深度；
S5：去除所述硅片上的光刻胶以及第一氧化层，并再次对所述硅片进行氧化，获得上、下表面均具有第二氧化层的硅片；
S6：将玻璃圆片置于所述硅片具有所述浅槽和所述深槽的表面上进行键合，获得组合件；
S7：将所述组合件在1000～2000℃下回流3～6h，获得原始衬底；
S8：对所述原始衬底进行研磨、磨削和单面CMP抛光，获得TGV衬底。
2.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，所述硅片选用N型单晶硅片。
3.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述第一氧化层的厚度为1～2μm。
4.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，在步骤S2中，所述匀胶过程选用的光刻胶为spr220。
5.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，在步骤S3中，所述深反应离子刻蚀采用SF6和F8C4循环刻蚀的Bosch工艺，以SF6为刻蚀气体，以F8C4为保护气体。
6.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，在步骤S5中，所述第二氧化层的厚度为200～1000nm。
7.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，在步骤S6中，所述玻璃圆片选用Pyrex、BF33和SD2中的一种；所述键合为硅-玻璃阳极键合。
8.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，在步骤S7中，所述回流的温度为1000～1800℃，时间为3～6h。
9.如权利要求1所述的TGV衬底制备方法，其特征在于，所述步骤S8具体为：
S81：对所述原始衬底的上、下表面进行研磨和磨削，直至上、下表面均露出所述深槽；
S82：对所述原始衬底的上表面和下表面分别进行单面CMP抛光，直至表面粗糙度低于20nm，获得TGV衬底。
10.一种基于玻璃回流工艺的MEMS器件封装方法，其特征在于，利用如权利要求1～9任一项所述的TGV衬底制备方法制备得到的TGV衬底对MEMS器件进行真空封装。
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2020
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