專利名稱：圓片級玻璃微腔的批量制備方法
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玻璃微腔的批量制備方法。
背景技術(shù)：
目前玻璃微結(jié)構(gòu)在MEMS封裝、微流體和MOEMS (微光學(xué)機(jī)電系統(tǒng))等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。制備玻璃微腔的方法主要有自膨脹法和正壓熱成型方法.例如美國加州大學(xué)埃爾文分校采用自膨脹方法加工玻璃微腔。它需要深反應(yīng)離子刻蝕工藝和加厚的硅片，成本較高。此外，由于驅(qū)動力較小，因此加工的結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)范圍較小。申請者采用正壓熱成型方法制備玻璃微腔，采用高溫?zé)後寶鈩┓勰┰诟邷叵箩尫懦鰵怏w形成正壓力成型。但是，這種方法的問題在于在量產(chǎn)過程中，高溫?zé)後寶鈩┓勰┤菀讓Τ瑑糸g造成污染，從而影響微電子器件的可靠性；此外，如何對微量高溫?zé)後寶鈩┓勰┻M(jìn)行精確定量稱量，并放置硅槽內(nèi)，也是該方法量產(chǎn)的一大障礙。因此，亟需發(fā)展一種非粉末、可定量的高溫?zé)後寶鈩┑姆胖梅椒?，從而使熱成型玻璃微腔方法能夠量產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單、成本低廉圓片級玻璃微腔的批量制備方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種圓片級玻璃微腔的批量制備方法，包括以下步驟
第一步，在硅圓片上刻蝕形成微型凹槽陣列；
第二步，在上述微型硅凹槽內(nèi)，加入碳酸氫鈣溶液，再蒸發(fā)、加熱，最后獲得碳酸鈣；第三步，將玻璃圓片與上述硅圓片在真空或一定壓力下粘結(jié)，使得微型硅凹槽密封；第四步，將上述鍵合好的玻璃圓片和硅圓片加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度以上并保溫，待微型凹槽中碳酸鈣放出的氣體產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，退火；
第五步，去除硅圓片，得到圓片級球形玻璃微腔陣列。在上述方案中，玻璃圓片為硼硅玻璃圓片，譬如Pyrex7740玻璃、Tempax玻璃。所述第二步中加熱溫度為40-400°C。重復(fù)第二步所述步驟2-50次，直至碳酸鈣的量符合成型的要求。所述微型凹槽陣列之間有微通道相連。采用點(diǎn)膠技術(shù)對微型凹槽定量注入溶液。第三步所述的粘結(jié)方法為陽極鍵合，陽極鍵合條件為電壓600V，溫度為400°C。第四步中鍵合好的玻璃圓片和硅圓片的加熱溫度為820°C 890°C。第四步中所述退火的工藝條件為退火溫度范圍在510°C飛60°C，退火保溫時間為30min，然后自然冷卻至常溫。本發(fā)明獲得如下效果1.本發(fā)明選用碳酸氫鈣溶液作為添加碳酸鈣高溫釋氣劑的方法，通過蒸發(fā)去除水分，通過加熱使得碳酸氫鈣分解生成高溫釋氣劑碳酸鈣晶體。采用這種溶液法加入碳酸氫鈣，最終在槽內(nèi)獲得碳酸鈣晶體，具有以下優(yōu)點(diǎn)微電子行業(yè)的生產(chǎn)活動都是在基于超凈間條件下進(jìn)行的，對于空氣中的粉塵控制具有嚴(yán)格的要求，因此在量產(chǎn)過程中，直接操控高溫釋氣劑(譬如本專利中的碳酸鈣)粉末容易會污染超凈間，從而造成潛在的風(fēng)險，而采用碳酸氫鈣溶液可很容易將精確定量的碳酸鈣引入槽內(nèi)(加熱碳酸氫鈣分解后生成的碳酸鈣晶體會吸附在硅槽表面)，不會對超凈間產(chǎn)生影響，有利于批量生產(chǎn)；
2.本發(fā)明采用的碳酸氫鈣易溶于水，其濃度可精確控制，根據(jù)注入的體積，可以精確控制碳酸氫鈣的質(zhì)量，從而可精確控制所生成的碳酸鈣的質(zhì)量，最終實現(xiàn)精確控制玻璃微腔的尺寸；此外，水溶液相對于單純的碳酸鈣或氫化鈦粉末，更容易被引入微槽內(nèi)，而不會在鍵合面上造成粉末殘留；。3.現(xiàn)有技術(shù)中高溫釋氣劑粉末很難被引入亞十微米甚至亞微米尺度的微槽內(nèi)，因此難以制備更小尺寸的玻璃微腔。本發(fā)明采用碳酸氫鈣溶液，相比現(xiàn)有技術(shù)采用的粉末可注入于亞微米級甚至更小的微型凹槽中，因此可用于制備尺寸亞十微米甚至亞微米尺度的玻璃微腔。4.本發(fā)明采用的硼硅玻璃，熱膨脹系數(shù)小，與硅進(jìn)行陽極鍵合可對微腔進(jìn)行密封，不會產(chǎn)生過大的應(yīng)力，更有利于玻璃微腔的成型。5.本發(fā)明加熱碳酸氫鈣的溫度處于40-400攝氏度，可使得碳酸氫鈣分解生成碳酸鈣。碳酸氫鈣在40攝氏度以上就開始分解。在300-400攝氏度范圍內(nèi)加熱，可充分去除生成物碳酸鈣中的水和碳酸氫鈣，得到的碳酸鈣的純度更高，從而有利于玻璃微腔尺寸的精確控制。6.由于現(xiàn)有的點(diǎn)膠技術(shù)非常成熟，已經(jīng)在工業(yè)上廣泛應(yīng)用，本發(fā)明采用點(diǎn)膠技術(shù)將碳酸氫鈣水溶液注入到玻璃微腔微型凹槽中，有利于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。7.本發(fā)明利用碳酸氫鈣加熱反應(yīng)生成的碳酸鈣的大量分解溫度在800°C以上，與玻璃的軟化溫度具有較好的匹配性，在低于800°C時，碳酸鈣幾乎不分解，因此玻璃未成型前密封腔不會因為氣體壓力過大而破裂。高于800°C以后，碳酸鈣大量分解出二氧化碳?xì)怏w，從而使得玻璃成型。本發(fā)明只需要根據(jù)碳酸氫鈣和碳酸鈣的分解量進(jìn)行簡單計算，就可知道成型特定大小的玻璃微腔所需特定濃度溶液的體積。因而該方法簡單，可靠。8.本發(fā)明采用微通道將硅微槽連接起來，可以使得連通的腔內(nèi)氣氛壓力一致，更加有利于尺寸的均勻性控制，并進(jìn)行圓片級制備。9.本發(fā)明采用高溫釋氣劑提供氣源用于成型球形玻璃微腔，具有成本低、方法簡單、球形度好的特點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)刻蝕深寬比較大的腔需要采用干法工藝，工藝成本較高，同時花費(fèi)大量的時間。如果采用鍵合工藝提供額外的腔體，其方法復(fù)雜，成本較高，而且高溫硅硅鍵合容易使得硅片翹曲，需要額外的退火工藝，增加工藝復(fù)雜度。本發(fā)明僅需要刻蝕較淺的微型凹槽，因而成本較低，方法簡單。10.本發(fā)明采用陽極鍵合工藝形成密閉空腔，該工藝具有鍵合強(qiáng)度高，密閉性好的優(yōu)點(diǎn)，在熱成型加熱過程中不易發(fā)生氣體泄漏而引起成型失敗。在溫度400°C，電流電壓為600V的條件下，陽極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。11.采用退火工藝可以有效的消除玻璃成型過程中形成的應(yīng)力，從而增加其強(qiáng)度。在該退火溫度下退火溫度為510°C 560°C范圍內(nèi)，保溫時間為30min，然后緩慢冷卻到室溫。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)部應(yīng)力。12.本發(fā)明可采用濃度為25%的TMAH溶液去除玻璃微腔上的硅圓片，這樣可以有效地去除硅片而不腐蝕玻璃，硅圓片與玻璃圓片的選擇比為1000:1。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，工藝過程簡單可靠，進(jìn)一步降低了成本，可實現(xiàn)玻璃微腔的圓片級制造，尤其是濕法刻蝕工藝，成本更低。


圖1為用于制作玻璃微腔陣列的硅模具表面示意圖
圖2為用于制作玻璃微腔陣列帶有微通道的硅模具表面示意圖 圖3為硅模具微型凹槽注入溶液截面示意圖 圖4為硅模具與硼硅玻璃圓片鍵合后的圓片截面圖 圖5為熱成型后玻璃微腔(未去除硅模具)截面示意圖
具體實施例方式實施例1
一種圓片級玻璃微腔的批量制備方法，包括以下步驟
第一步，在硅圓片(譬如4英寸硅圓片)上刻蝕微型硅凹槽陣列，微型硅凹槽通過微通道相連。所用硅片可以是標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅片，例如500微米厚的硅片。所述微型硅凹槽深度為10-300微米，例如15微米，30微米，60微米，100微米，150微米，180微米，200微米，300微米，深寬比通常小于2，例如可以選取為1. 5，1,0. 8,0. 5,0. 2,0. 1,0. 05,0. 01，所述硅圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法刻蝕工藝、干法感應(yīng)耦合等離子體(ICP)刻蝕工藝或者反應(yīng)離子刻蝕中的一種，優(yōu)選濕法刻蝕工藝，例如用TMAH溶液腐蝕，該圖案可以是方形或者圓形凹槽陣列；
第二步，在上述微型硅凹槽內(nèi)，采用點(diǎn)膠技術(shù)對微型硅凹槽定量注入溶液，再蒸發(fā)去除水，再加熱使得碳酸氫鈣充分分解，最后獲得碳酸鈣。重復(fù)第二步所述步驟2-50次，譬如3次，5次，8次，15次，直至碳酸鈣的量符合成型的要求。所述微型硅凹槽陣列之間有微通道相連。第二步中加熱溫度為40-400°C，例如溫度可以為50。。，60。。，75。。，90。。，110。。，130°C, 150°C, 180°C,210oC,250oC,300oC,380°C ；
第三步，將玻璃圓片與上述硅圓片在真空或一定壓力下粘結(jié)，可以在小于IPa的氣氛下進(jìn)行鍵合，譬如壓力為O. 5Pa，O. 2Pa，O.1Pa，O. 05Pa, 0. OlPa, 0. OOlPa,使得微型硅凹槽密封。粘結(jié)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工藝要求進(jìn)行常規(guī)清洗和拋光；
第四步，將上述鍵合好的玻璃圓片和硅圓片加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度以上，溫度范圍為8200C _890°C，譬如溫度為 820°C，830°C，840°C，85(rC，86(rC，87(rC，88(rC，89(rC，并保溫 3_5min,時間可以選取為 3. 2min, 3. 5 min, 3. 8 min, 4 min, 4. 2 min, 4. 8 min,待微型凹槽中碳酸鈣放出的氣體產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，退火以消除應(yīng)力，退火溫度范圍為510°C -560°C，譬如溫度可以為520°C，530°C，540°C，550°C，560 °C ； 第五步，去除硅圓片，得到圓片級球形玻璃微腔陣列。去除硅圓片可選用25%的TMAH溶液在90°C溫度下將硅腐蝕掉。上述技術(shù)方案中，選用碳酸氫鈣溶液作為添加碳酸鈣高溫釋氣劑的方法，通過蒸發(fā)去除水分，通過加熱使得碳酸氫鈣分解生成高溫釋氣劑碳酸鈣晶體，這種原位反應(yīng)生成的碳酸鈣晶體黏附在凹槽內(nèi)部表面，不會產(chǎn)生細(xì)碎粉末。重復(fù)第二步所述步驟2-50次，直至碳酸鈣的量符合成型的要求。碳酸氫鈣溶液可是飽和水溶液，也可根據(jù)需要采用稀溶液。采用飽和水溶液，可以增加放置碳酸鈣的效率。微槽內(nèi)碳酸氫鈣水溶液，蒸發(fā)去除水分后，再加熱使得碳酸氫鈣分解，生成碳酸鈣。在實施中，碳酸氫鈣的溶解度在室溫下為16克左右，因此可能難以滿足碳酸鈣量較大的成型過程。根據(jù)碳酸鈣量的需求，可在具有碳酸鈣的微槽內(nèi)再次加入碳酸氫鈣溶液，然后再一次進(jìn)行蒸發(fā)去除水和加熱使碳酸氫鈣分解生成更多的碳酸鈣晶體。重復(fù)上述步驟，可以實現(xiàn)將碳酸鈣精確定量、分批次加入微槽內(nèi)，從而使得碳酸鈣的加入量在寬范圍內(nèi)精確可調(diào)。所述微型凹槽陣列之間有微通道相連。采用點(diǎn)膠技術(shù)對微型凹槽定量注入溶液。第三步所述硅圓片與玻璃圓片表面粘結(jié)工藝為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓600V。第四步中加熱溫度為84(T850°C，溫度可以選為840 V，845 V，850 V，可獲得更好的效果，因為在這個范圍內(nèi)玻璃粘度適中，有利于熱成型。第四步中所述的退火溫度范圍在51(T560°C之間，退火溫度可以選取為520°C，530°C，540°C，550°C，560°C，退火保溫時間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫，譬如25°C。實施例2
一種圓片級玻璃微腔的批量制備方法，包括以下步驟
第一步，在4英寸硅圓片上刻蝕微型硅凹槽，微型硅凹槽通過微通道相連，所用硅片是標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅片，厚度為500微米，所述微型硅凹槽的深度為200微米，微型硅凹槽的口徑為I毫米的方形凹槽。所述硅圓片上圖形結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法刻蝕工藝，所用的腐蝕液為25%TMAH溶液，溫度為90°C ；
第二步，在上述微型硅凹槽內(nèi)，采用點(diǎn)膠技術(shù)對微型硅凹槽定量注入一定量的碳酸氫鈣飽和水溶液(室溫25攝氏度下)，再蒸發(fā)、加熱，最后獲得碳酸鈣，碳酸氫鈣水溶液的體積小于微槽的體積。再加入碳酸氫鈣飽和水溶液，再進(jìn)行蒸發(fā)、加熱過程，然后重復(fù)第二步所述步驟10次，直至碳酸鈣的量符合成型的要求。所述微型硅凹槽陣列之間有微通道相連。第二步中加熱溫度為150°C ；
第三步，將玻璃圓片與上述硅圓片在O.1Pa氣氛下進(jìn)行鍵合，使得微型硅凹槽密封。粘結(jié)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工藝要求進(jìn)行常規(guī)清洗和拋光；
第四步，將上述鍵合好的玻璃圓片和硅圓片加熱至845°C，并且保溫4min，待微型凹槽中碳酸鈣放出的氣體產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，退火以消除應(yīng)力，退火溫度為550°C ；
第五步，選用25%的TMAH溶液在90°C溫度下去除硅圓片，得到圓片級球形玻璃微腔陣列。本發(fā)明通過MEMS加工制造技術(shù)硅圓片與硼硅玻璃圓片的陽極鍵合工藝，再利用熱處理制造出具有原始拋光表面粗糙度的圓片級球形玻璃微腔，工藝簡單、可靠。由于選用碳酸氫鈣溶液作為添加碳酸鈣高溫釋氣劑的方法，通過蒸發(fā)去除水分，通過加熱使得碳酸氫鈣分解生成高溫釋氣劑碳酸鈣晶體。采用這種溶液法加入碳酸氫鈣，最終在槽內(nèi)獲得碳酸鈣晶體，具有以下優(yōu)點(diǎn)一、碳酸氫鈣易溶于水，其濃度可精確控制，根據(jù)注入的體積，可以精確控制碳酸氫鈣的質(zhì)量，從而可精確控制所生成的碳酸鈣的質(zhì)量，最終實現(xiàn)精確控制玻璃微腔的尺寸；二、水溶液相對于單純的碳酸鈣或氫化鈦粉末，更容易被引入微槽內(nèi)，而不會在鍵合面上造成粉末殘留；三、微電子行業(yè)的生產(chǎn)活動都是在基于超凈間條件下進(jìn)行的，對于空氣中的粉塵控制具有嚴(yán)格的要求，因此在量產(chǎn)過程中，直接操控高溫釋氣劑(譬如本專利中的碳酸鈣)粉末容易會污染超凈間，從而造成潛在的風(fēng)險，而采用碳酸氫鈣溶液可很容易將精確定量的碳酸鈣引入槽內(nèi)(加熱碳酸氫鈣分解后生成的碳酸鈣晶體會吸附在硅槽表面)，不會對超凈間產(chǎn)生影響。利用本發(fā)明獲得的圓片級球形玻璃微腔陣列可與帶有圓片級MEMS器件陣列的硅圓片進(jìn)行鍵合，從而得到圓片級封裝的MEMS器件。本發(fā)明可以同時在圓片上預(yù)留劃片槽，在加工成型后，可以沿劃片槽將各圖形劃片，獲得多個不同的玻璃微腔，從而實現(xiàn)微腔的圓片級制作，降低工藝成本。
權(quán)利要求
1.一種圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，在硅圓片(I)上刻蝕形成微型硅凹槽(2)陣列；第二步，在上述微型硅凹槽(2)內(nèi)，加入碳酸氫鈣水溶液，再蒸發(fā)、加熱，獲得碳酸鈣(7)；第三步，將玻璃圓片(6)與上述硅圓片(I)在真空或一定壓力下粘結(jié)，使得微型硅凹槽(2)密封；第四步，將上述玻璃圓片和硅圓片加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度以上并保溫，待微型凹槽(2) 中碳酸鈣(7)放出的氣體產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，退火；第五步，去除硅圓片(I )，得到圓片級球形玻璃微腔(8 )陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于玻璃圓片為硼硅玻璃圓片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于第二步中加熱溫度為40-400°C。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于第二步中加熱溫度為 300-400°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于重復(fù)第二步所述步驟2-50次，直至碳酸鈣的量符合成型的數(shù)量要求。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于所述微型凹槽(2)陣列之間有微通道(4)相連。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于采用點(diǎn)膠技術(shù)對微型凹槽(2)定量注入溶液。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于，第三步所述的粘結(jié)方法為陽極鍵合，陽極鍵合條件為電壓600V，溫度為400°C。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于，第四步中鍵合好的玻璃圓片和硅圓片的加熱溫度為820°C 890°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圓片級玻璃微腔的批量制備方法，其特征在于，所述碳酸氫鈣水溶液為飽和溶液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微電子機(jī)械系統(tǒng)制造技術(shù)，提供了一種圓片級玻璃微腔的批量制備方法，采用如下技術(shù)方案一種圓片級玻璃微腔的批量制備方法，包括以下步驟在硅圓片上刻蝕形成微型凹槽陣列；在上述微型硅凹槽內(nèi)，加入碳酸氫鈣溶液，再蒸發(fā)、加熱，最后獲得碳酸鈣；將玻璃圓片與上述硅圓片在真空或一定壓力下粘結(jié)，使得微型硅凹槽密封；將上述鍵合好的玻璃圓片和硅圓片加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度以上并保溫，待微型凹槽中碳酸鈣放出的氣體產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，退火；去除硅圓片，得到圓片級球形玻璃微腔陣列。本發(fā)明可精確控制碳酸鈣的量，可制備尺寸為亞十微米甚至亞微米等更小的玻璃微腔，不會對超凈間產(chǎn)生影響。
文檔編號B81C1/00GK103011065SQ20121058891
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者尚金堂, 吉宇, 鄒羽 申請人:東南大學(xué)