專利名稱：圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))制造技術(shù)，尤其涉及一種圓片級(jí)玻 璃微腔的制造方法。
背景技術(shù)：
在MEMS制造技術(shù)領(lǐng)域，Pyrex7740玻璃(一種含有堿性離子的玻璃，Pyrex 是Corning公司的產(chǎn)品品牌)是一種重要的材料，它有著和Si材料相近的熱膨 脹系數(shù)，有著高透光率和較高的強(qiáng)度，并且可以通過使用陽極鍵合工藝與Si襯 底形成高強(qiáng)度的鍵合連接，在鍵合表面產(chǎn)生了牢固的Si-O共價(jià)鍵，其強(qiáng)度甚至 高于Si材料本身。由于這樣的特性，使得Pyrex7740玻璃廣泛應(yīng)用于MEMS封 裝、微流體和MOEMS (微光學(xué)機(jī)電系統(tǒng))等領(lǐng)域。在MEMS封裝領(lǐng)域，由于器件普遍含有可動(dòng)部件，在封裝時(shí)需要使用微米 尺寸的微腔結(jié)構(gòu)對(duì)器件進(jìn)行密閉封裝，讓可動(dòng)部件擁有活動(dòng)空間，并且對(duì)器件起 到物理保護(hù)的作用， 一些如諧振器、陀螺儀、加速度計(jì)等器件，還需要真空氣密 的封裝環(huán)境。陽極鍵合工藝可以提供非常好的氣密性，是最常用的真空密封鍵合 工藝。在Pyrex7740玻璃上形成微腔結(jié)構(gòu)，再與含有可動(dòng)部件的Si襯底進(jìn)行陽 極鍵合，便可以實(shí)現(xiàn)MEMS器件的真空封裝。所以，如何在Pyrex7740玻璃上 制造精確圖案結(jié)構(gòu)的微腔，是實(shí)現(xiàn)此種封裝工藝的重點(diǎn)。傳統(tǒng)采用濕法腐蝕 Pyrex7740玻璃工藝，由于是各向同性腐蝕，所以無法在提供深腔的同時(shí)精確控 制微腔尺寸。如果采用DRIE的方法利用SF6氣體對(duì)Pyrex7740玻璃進(jìn)行刻腔， 則需要用金屬Cu、 Cr等做掩膜進(jìn)行刻蝕，效率低且成本高。本發(fā)明具有工藝簡 單、成型精確、微腔結(jié)構(gòu)深寬比高的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于MEMS封裝中 Pyrex7740玻璃微腔的制造。在微流體器件和MOEMS等領(lǐng)域，對(duì)Pyrex7740玻璃的精密加工也有著迫 切的需求，比如微流體器件中微緩存腔體的構(gòu)成，比如MOEMS中光學(xué)透鏡的 制造等，這些都需要Pyrex7740玻璃微米級(jí)別的精確成型技術(shù)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種工藝方法簡單、成本低廉、精密成型且可實(shí)現(xiàn)高 深寬比的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法。 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案-一種圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，包括以下步驟第一步，利用Si微加工工藝在Si圓片上刻蝕形成特定圖案，第二步，將上述Si圓片與Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的氣氛下進(jìn)行鍵 合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至81(TC 89(TC，保溫 3 5min,腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)， 冷卻，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，上述技術(shù)方案中，所述Si原片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝、 或者干法刻蝕工藝、反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種。所述的Si原 片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，典型工藝條件為溫度40(TC， 電壓600V。第三步中的加熱溫度為840°C 850°C。第三步中所述熱退火的工 藝條件為退火溫度范圍在51(TC 56(TC中，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢 風(fēng)冷至常溫。本發(fā)明獲得如下效果1. 本發(fā)明基于傳統(tǒng)MEMS加工工藝，首先在Si片上加工欲成型的微腔結(jié)構(gòu)， 尺寸需要根據(jù)最終所需的Pyrex7740玻璃微腔尺寸和厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于Si微 加工技術(shù)是非常成熟的工藝，可以很標(biāo)準(zhǔn)的做出所需圖案結(jié)構(gòu)甚至是高深寬比 (可達(dá)到20: l)的圖形，所以本發(fā)明使用Si片做Pyrex7740玻璃的模具層。隨后 將該含有微腔結(jié)構(gòu)的Si片與Pyrex7740玻璃在真空下進(jìn)行陽極鍵合形成真空狀 態(tài)的微腔，然后在常壓下加熱到玻璃的軟化點(diǎn)溫度進(jìn)行熱處理，在微腔內(nèi)外壓力 差的作用下，Pyrex7740玻璃按照Si模具微腔結(jié)構(gòu)成型，形成所需要的微腔結(jié)構(gòu)。 由于Pyrex7740玻璃在軟化點(diǎn)溫度下成型呈流態(tài)，因而形成的微腔內(nèi)表面光滑， 粗糙度低。這樣的特性適用于微流體器件和MOEMS領(lǐng)域，該微腔尺度可通過 在硅片上刻蝕圖案的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而可從微米至毫米級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。2. 陽極鍵合具有鍵合強(qiáng)度高，密閉性好的特點(diǎn)，本發(fā)明采用陽極鍵合形成 密閉空腔，在第三步的加熱過程中不易發(fā)生泄漏而導(dǎo)致成型失敗。在溫度400°C，電壓直流600V的鍵合條件下，陽極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。3. 采用的第三步中的退火工藝可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高溫負(fù) 壓成型過程中形成的應(yīng)力，從而使其強(qiáng)度韌性更高。在該條件下退火，既能有效 退去應(yīng)力，還能夠使得微腔的形狀基本無改變，而退火溫度過高易導(dǎo)致微腔形狀 發(fā)生變化不利于后道的封裝，而過低的退火溫度則無法有效去除玻璃內(nèi)部的應(yīng) 力。4. 本發(fā)明制備與Si的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)腜yrex7740玻璃作為玻璃微腔結(jié)構(gòu)， 在制備微腔時(shí)不容易使鍵合好的圓片因熱失配產(chǎn)生損壞；為后道的封裝或者器件 制造提供方便，工藝過程中受熱時(shí)不易發(fā)生熱失配。5. 本發(fā)明采用常規(guī)微電子加工工藝在圓片上進(jìn)行加工，因此工藝過程簡單 可靠，成本低廉的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)玻璃微腔的圓片級(jí)制造。6. 將制備好的Pyrex7740玻璃微腔用于封裝MEMS器件，可以采用粘合劑 鍵合方法，粘合劑可以使用玻璃漿料、聚酰亞胺、苯并環(huán)丁烯、全氟磺酸樹脂、 聚對(duì)二甲苯、SU-8膠中的一種，這種工藝使得封裝成本進(jìn)一步降低。7. 本發(fā)明可制備高深寬比的(可達(dá)到20: 1以上)玻璃微腔，在封裝方面具有 重要的應(yīng)用。


圖1為刻蝕有圖案的硅圓片截面示意2為刻蝕有圖案的硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片鍵合后的圓片截面示意圖 圖3為硅圓片與玻璃圓片鍵合后加熱后的截面示意圖具體實(shí)施方式
實(shí)施例l一種圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，包括以下步驟第一步，利用Si微加工工藝在Si圓片(譬如4英寸圓片)上刻蝕形成特定圖 案，所述Si原片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝、或者干法感應(yīng)耦合 等離子體(ICP)刻蝕工藝、反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種，該圖案 可以是方形或圓形槽陣列，也可以是多個(gè)不同的圖形，(實(shí)際上三維上看，刻特 定圖案是在硅片上刻槽，二維上是圖案)第二步，將上述Si圓片與Pyrex7740玻璃圓片(一種硼硅玻璃的品牌，美國 康寧-coming公司生產(chǎn)，市場可購得，通常已經(jīng)經(jīng)過拋光，其尺寸與Si圓片相同) 在小于1Pa的氣氛下(真空狀態(tài)下)進(jìn)行鍵合，譬如壓力為0.5Pa， 0.2Pa， O.lPa， 0.05Pa， O.OlPa， O.OOlPa，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體， 鍵合表面在鍵合前應(yīng)該保持高度清潔和極小的表面粗糙度，以滿足常規(guī)鍵合的要 求，按照陽極鍵合或其他鍵合的工藝要求進(jìn)行常規(guī)清洗和拋光，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至810。C 89(TC,在該溫 度下保溫3 5min，例如溫度可以選取為820°C， 830°C， 840°C， 845°C， 850°C， 855°C， 860°C， 870°C， 880°C， 8卯。C，保溫3-5min，時(shí)間可以選取為3.2min， 3.5min， 3.8min， 4min， 4.2min， 4.4min， 4.8min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻 璃形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，冷卻到較低的溫度，如20-25'C，譬如 為22。C，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，該常壓是指一個(gè)大氣壓，上述技術(shù)方案中，所述的Si原片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵 合，典型工藝條件為溫度400。C，電壓600V。第三步中的加熱溫度為84CTC 85(TC可獲得更好的效果，因?yàn)樵谶@個(gè)范圍內(nèi)玻璃黏度適中，有利于成型。第 三步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在51(TC 56(TC中，退火溫度可 以選取為520°C， 530°C， 540°C， 550°C，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng) 冷至常溫(譬如25°C)。本發(fā)明的優(yōu)選方案如下 實(shí)施例2一種圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，包括以下步驟第一步，利用深反應(yīng)離子刻蝕方法在4英寸Si圓片上刻蝕形成特定圖案(實(shí) 際上三維上看，是在硅片上刻槽，二維上是圖案)，該圖案是方形槽陣列，該圖 案的深寬比為20: 1，硅片經(jīng)過拋光，第二步，將上述Si圓片與相同尺寸的(4英寸)Pyrex7740玻璃圓片(一種硼硅 玻璃的品牌，美國康寧-corning公司生產(chǎn)，市場可購得，已經(jīng)經(jīng)過拋光)在0.5Pa 的氣氛下進(jìn)行鍵合，鍵合在EVG-501陽極鍵合機(jī)上進(jìn)行，使Pyrex7740玻璃上 的上述特定圖案形成密封腔體，鍵合表面在鍵合前按照陽極鍵合要求進(jìn)行常規(guī)清 洗和拋光，保持高度清潔和極小的表面粗糙度，以滿足常規(guī)陽極鍵合的要求，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至85(TC，在該溫度下保溫4min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)， 冷卻到常溫25'C，將上述圓片在一個(gè)大氣壓下退火消除應(yīng)力，上述技術(shù)方案中， 所述的Si原片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，工藝條件為溫度 400°C，電壓600V。第三步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510 'C 56(TC中，退火溫度可以選取為54(TC，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng) 冷至常溫25。C。從而制備的玻璃微腔的圖案也具有高達(dá)20: l的深寬比。本發(fā)明通過MEMS加工制造技術(shù)Si片與Pyrex7740玻璃的陽極鍵合工藝， 再利用真空負(fù)壓熱處理工藝，制造出具有原始拋光表面粗糙度的圓片級(jí) Pyrex7740玻璃微腔，工藝成熟，技術(shù)可靠。本發(fā)明可以在同時(shí)在上述圓片上預(yù)留劃片槽，在加工形成后，可以沿劃片槽 將各圖形劃片，獲得多個(gè)不同的玻璃微腔，從而實(shí)現(xiàn)微腔的圓片級(jí)制作，降低該 工藝的成本。獲得的玻璃微腔可通過鍵合等方式對(duì)其它器件進(jìn)行封裝。
權(quán)利要求
1.一種圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，利用Si微加工工藝在Si圓片(1)上刻蝕形成特定圖案(2)，第二步，將上述Si圓片(1)與Pyrex7740玻璃圓片(3)在小于1Pa的氣氛下進(jìn)行鍵合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體(5)，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至810℃～890℃，保溫3～5min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的微腔結(jié)構(gòu)(4)，冷卻，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述Si原片 上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝、或者干法ICP刻蝕工藝、反應(yīng)離子 刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于所述的Si 原片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，典型工藝條件為溫度400°C， 電壓600V。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于，第三歩中 的加熱溫度為840°C~850°C。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于第三步中所 述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在51(TC 56(TC中，退火保溫時(shí)間為 30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于第二步中硅 圓片與Pyrex7740玻璃圓片按照陽極鍵合的工藝要求進(jìn)行必要的清洗和拋光。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于第一步中刻 蝕的圖案為高的深寬比的圖案。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，其特征在于第一步 中刻蝕的圖案深寬比為20: 1。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種圓片級(jí)玻璃微腔的制造方法，包括以下步驟第一步，利用Si微加工工藝在Si圓片上刻蝕形成特定圖案，第二步，將上述Si圓片與Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的氣氛下進(jìn)行鍵合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體，第三步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至810℃～890℃，保溫，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，冷卻，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，本發(fā)明具有工藝簡單、成型精確、微腔結(jié)構(gòu)深寬比高、微腔表面特性好等特點(diǎn)。可以廣泛應(yīng)用于MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))中的玻璃微腔的制造，屬于圓片級(jí)MEMS制造工藝。
文檔編號(hào)B81C3/00GK101259951SQ20081002341
公開日2008年9月10日 申請(qǐng)日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者唐潔影, 尚金堂, 柳俊文, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué)