CN101259951A - 圆片级玻璃微腔的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种圆片级玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：第一步，利用Si微加工工艺在Si圆片上刻蚀形成特定图案，第二步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片在小于1Pa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至810℃～890℃，保温，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，冷却，将上述圆片在常压下退火消除应力，本发明具有工艺简单、成型精确、微腔结构深宽比高、微腔表面特性好等特点。可以广泛应用于MEMS(微电子机械***)中的玻璃微腔的制造，属于圆片级MEMS制造工艺。

Description

圆片级玻璃微腔的制造方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械***)制造技术，尤其涉及一种圆片级玻璃微腔的制造方法。

背景技术

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***)等领域。

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。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。本发明具有工艺简单、成型精确、微腔结构深宽比高的特点，可以广泛应用于MEMS封装中Pyrex7740玻璃微腔的制造。

在微流体器件和MOEMS等领域，对Pyrex7740玻璃的精密加工也有着迫切的需求，比如微流体器件中微缓存腔体的构成，比如MOEMS中光学透镜的制造等，这些都需要Pyrex7740玻璃微米级别的精确成型技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺方法简单、成本低廉、精密成型且可实现高深宽比的圆片级玻璃微腔的制造方法。

本发明采用如下技术方案：

一种圆片级玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用Si微加工工艺在Si圆片上刻蚀形成特定图案，

第二步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片在小于1Pa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至810℃～890℃，保温3～5min，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，冷却，将上述圆片在常压下退火消除应力，

上述技术方案中，所述Si原片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺、或者干法刻蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。所述的Si原片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，典型工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中的加热温度为840℃～850℃。第三步中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。

本发明获得如下效果：

1.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结构，尺寸需要根据最终所需的Pyrex7740玻璃微腔尺寸和厚度进行调节，由于Si微加工技术是非常成熟的工艺，可以很标准的做出所需图案结构甚至是高深宽比(可达到20∶1)的图形，所以本发明使用Si片做Pyrex7740玻璃的模具层。随后将该含有微腔结构的Si片与Pyrex7740玻璃在真空下进行阳极键合形成真空状态的微腔，然后在常压下加热到玻璃的软化点温度进行热处理，在微腔内外压力差的作用下，Pyrex7740玻璃按照Si模具微腔结构成型，形成所需要的微腔结构。由于Pyrex7740玻璃在软化点温度下成型呈流态，因而形成的微腔内表面光滑，粗糙度低。这样的特性适用于微流体器件和MOEMS领域，该微腔尺度可通过在硅片上刻蚀图案的尺寸进行调节，因而可从微米至毫米级进行调节。

2.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，在第三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。

3.采用的第三步中的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温负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的应力。

4.本发明制备与Si的热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃微腔结构，在制备微腔时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏；为后道的封装或者器件制造提供方便，工艺过程中受热时不易发生热失配。

5.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，成本低廉的特点，可实现玻璃微腔的圆片级制造。

6.将制备好的Pyrex7740玻璃微腔用于封装MEMS器件，可以采用粘合剂键合方法，粘合剂可以使用玻璃浆料、聚酰亚胺、苯并环丁烯、全氟磺酸树脂、聚对二甲苯、SU-8胶中的一种，这种工艺使得封装成本进一步降低。

7.本发明可制备高深宽比的(可达到20∶1以上)玻璃微腔，在封装方面具有重要的应用。

附图说明

图1为刻蚀有图案的硅圆片截面示意图

图2为刻蚀有图案的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片键合后的圆片截面示意图

图3为硅圆片与玻璃圆片键合后加热后的截面示意图

具体实施方式

实施例1

一种圆片级玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用Si微加工工艺在Si圆片(譬如4英寸圆片)上刻蚀形成特定图案，所述Si原片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺、或者干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种，该图案可以是方形或圆形槽阵列，也可以是多个不同的图形，(实际上三维上看，刻特定图案是在硅片上刻槽，二维上是图案)

第二步，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)在小于1Pa的气氛下(真空状态下)进行键合，譬如压力为0.5Pa，0.2Pa，0.1Pa，0.05Pa，0.01Pa，0.001Pa，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，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，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至810℃～890℃，在该温度下保温3～5min，例如温度可以选取为820℃，830℃，840℃，845℃，850℃，855℃，860℃，870℃，880℃，890℃，保温3～5min，时间可以选取为：3.2min，3.5min，3.8min，4min，4.2min，4.4min，4.8min，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，冷却到较低的温度，如20-25℃，譬如为22℃，将上述圆片在常压下退火消除应力，该常压是指一个大气压，

上述技术方案中，所述的Si原片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，典型工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中的加热温度为840℃～850℃可获得更好的效果，因为在这个范围内玻璃黏度适中，有利于成型。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火温度可以选取为520℃，530℃，540℃，550℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。

本发明的优选方案如下：

实施例2

一种圆片级玻璃微腔的制造方法，包括以下步骤：

第一步，利用深反应离子刻蚀方法在4英寸Si圆片上刻蚀形成特定图案(实际上三维上看，是在硅片上刻槽，二维上是图案)，该图案是方形槽阵列，该图案的深宽比为20∶1，硅片经过抛光，

第二步，将上述Si圆片与相同尺寸的(4英寸)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，已经经过抛光)在0.5Pa的气氛下进行键合，键合在EVG-501阳极键合机上进行，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，键合表面在键合前按照阳极键合要求进行常规清洗和抛光，保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规阳极键合的要求，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至850℃，在该温度下保温4min，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，冷却到常温25℃，将上述圆片在一个大气压下退火消除应力，上述技术方案中，所述的Si原片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火温度可以选取为540℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温25℃。从而制备的玻璃微腔的图案也具有高达20∶1的深宽比。

本发明通过MEMS加工制造技术：Si片与Pyrex7740玻璃的阳极键合工艺，再利用真空负压热处理工艺，制造出具有原始抛光表面粗糙度的圆片级Pyrex7740玻璃微腔，工艺成熟，技术可靠。

本发明可以在同时在上述圆片上预留划片槽，在加工形成后，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，降低该工艺的成本。获得的玻璃微腔可通过键合等方式对其它器件进行封装。

Claims (8)

1.一种圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，利用Si微加工工艺在Si圆片(1)上刻蚀形成特定图案(2)，

第二步，将上述Si圆片(1)与Pyrex7740玻璃圆片(3)在小于1Pa的气氛下进行键合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体(5)，

第三步，将上述键合好的圆片在一个大气压下加热至810℃～890℃，保温3～5min，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微腔结构(4)，冷却，将上述圆片在常压下退火消除应力，

2.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述Si原片上图案结构的微加工工艺为湿法腐蚀工艺、或者干法ICP刻蚀工艺、反应离子刻蚀或者深反应离子刻蚀中的一种。

3.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述的Si原片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，典型工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

4.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于，第三步中的加热温度为840℃～850℃。

5.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于第三步中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。

6.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于第二步中硅圆片与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。

7.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于第一步中刻蚀的图案为高的深宽比的图案。

8.根据权利要求1或7所述的圆片级玻璃微腔的制造方法，其特征在于第一步中刻蚀的图案深宽比为20∶1。

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