要求不同氣氛壓力的mems器件圓片級集成封裝方法

2023-04-25 00:44:26

專利名稱：要求不同氣氛壓力的mems器件圓片級集成封裝方法
技術領域：
本發明涉及一種MEMS (微電子機械系統)製造技術，尤其涉及一種要求不同氣氛 壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法。
背景技術：
在MEMS封裝領域，由於器件普遍含有可動部件，在封裝時需要使用微米尺寸的微 腔結構對器件進行密閉封裝，讓可動部件擁有活動空間，並且對器件起到物理保護的作用， 一些如諧振器、陀螺儀、加速度計等器件，還需要真空氣密的封裝環境。目前我們常用的鍵 合封裝工藝有矽玻璃陽極鍵合，矽矽熱鍵合，熔融玻璃封接和有機粘接鍵合。其中矽矽熱鍵 合的溫度太高且時間較長，工藝難以把握；有機粘接鍵合的強度小、氣密性差，難以對可動 器件做到很好的保護。在MEMS製造技術領域，Pyrex7740玻璃(一種含有鹼性離子的玻璃，Pyrex是 Corning公司的產品品牌)是一種重要的材料，它有著和Si材料相近的熱膨脹係數，有著高 透光率和較高的強度，並且可以通過使用陽極鍵合工藝與Si襯底形成高強度的鍵合連接， 在鍵合表面產生了牢固的Si-O共價鍵，其強度甚至高於Si材料本身。由於這樣的特性，使 得Pyrex7740玻璃廣泛應用於MEMS封裝、微流體和MOEMS (微光學機電系統)等領域。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 上形成微腔結構，再與含有可動部件的Si襯底進行陽極鍵合，便可以實現MEMS器件的真空 封裝。所以，如何在Pyrex7740玻璃上製造精確圖案結構的微腔，是實現此種封裝工藝的重 點。傳統採用溼法腐蝕Pyrex7740玻璃工藝，由於是各向同性腐蝕，所以無法在提供深腔的 同時精確控制微腔尺寸。如果採用DRIE的方法利用SF6氣體對PyreX7740玻璃進行刻腔， 則需要用金屬Cu、Cr等做掩膜進行刻蝕，效率低且成本高。球形微腔和微流道玻璃熱成型可以採用的技術是負壓成型和正壓成型。負壓成型 受玻璃厚度影響較大，很難製備球形微腔等腔內高度較高的微腔和尺寸較小的微腔和微流 道。正壓自膨脹熱成型玻璃微流道也是在矽上刻蝕微流道圖形，將矽與玻璃陽極鍵合，根據 理想氣體狀態方程PV = nRT，通過氣體膨脹高溫熱成型。但是，成型球形度較高的球形玻 璃微腔，需要用成本較高且容易造成汙染的DRIE刻蝕深的矽腔和高的深寬比以提供足夠 的氣體，使得玻璃氣泡充分形成，具有較高的高度，以形成較高的弧形；甚至採用在另外一 個腔上刻蝕較大的孔，再與帶有通孔的矽片鍵合，從而提供足夠的氣體以成型高度較高，弧 形度較好的玻璃微流道。這些方法比較複雜，成本較高。採用DRIE刻蝕也需要較長的時間， 進一步增加成本。目前MEMS中的慣性器件如陀螺和加速度計等通常只能測量精確測量一個方面向 的參數，需要測量多個方向參數或者多種參數時，需要多個器件一起工作，因此各個器件之 間的相對角度和位置關係對於獲得精確三維參數至關重要。譬如，我們需要MEMS加速度計 和陀螺儀同時測量某個物體的某個時刻的加速度和角加速度，我們不僅在得到傳感器獲得 的數值，而且需要確定加速度和陀螺儀之間的精確位置關係，才能計算出最後的加速度和角加速度的精確值。但是，目前的MEMS器件通常都是單晶片封裝的，當需要多個器件一起 工作時獲得不同方向的參數時，需要MEMS器件的方向進行精確定位，從而能夠對獲得的不 同方向和角度的參數進行後處理，獲得實際的測量參數，因此各個器件之間的相對角度和 位置關係對於測量結果的精度的影響較高。採用組裝的方式通常使得多個晶片的安裝定位 精度較低。將多個晶片集成在一個晶片上，能夠解決上述問題，其原因在於微電子加工晶片 的精確度較高，能夠使得晶片的角度精確匹配。儘管在工藝上很多不同種類的MEMS器件能 夠兼容，但是由於不同的MEMS器件工作的原理不一樣，因此對於可動部件要求的品質因子 要求也不一樣。因此在封裝時，如何讓同時同一個晶片上的不同傳感器的各自封裝空間內 (真空度，或者氣氛壓力)擁有各自需求的工作氣氛壓力，從而獲得相應的品質因子，成為 封裝的難題。

發明內容
本發明的目的是提供一種方法簡單、通用性好的要求不同氣氛壓力的MEMS器件 圓片級集成封裝方法。本發明採用如下技術方案一種要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，包括以下步驟第一步，在矽圓片上製造要求不同品質因子的至少兩個MEMS器件，矽圓片上的絕 緣層厚度為0. 1-0. 5微米，第二步，在玻璃圓片上對應於上述MEMS器件的位置採用熱成型方法製備密封 MEMS晶片的玻璃微腔的玻璃圓片，並在封裝MEMS晶片的玻璃微腔內沉積吸氣劑得到功能 化的玻璃圓片，第三步，將第二步得到的功能化的玻璃圓片與第一步得到的帶有MEMS器件的矽 圓片進行陽極鍵合，從而對MEMS器件進行氣密封裝，第四步，採用雷射對封裝MEMS晶片的玻璃微腔中的吸氣劑進行選擇性的加熱使 其吸氣，從而使腔內的品質因子變化。上述技術方案中，所述絕緣層的厚度為0. 2-0. 4微米；所述吸氣劑為鋯基吸氣劑， 採用ZV6P300系列非蒸散型吸氣劑，主要成分是鋯、釩、鐵，對氫氣、氧氣和氮氣等活性氣體 有較好的吸附作用，激活溫度為400°C，利用二氧化碳雷射器對吸氣劑有選擇性的加熱，使 其吸附活性氣體，從而改變腔內的品質因子。所述採用熱成型方法製備密封MEMS晶片的 玻璃微腔的玻璃圓片方法為在矽圓片上刻有相同微槽形成的陣列，微槽之間刻有微通道 相連，微槽的最小槽寬大於微通道寬度的10倍，在其中的至少一個微槽內放置適量熱釋氣 劑，相應的用玻璃圓片鍵合使所述多個微槽形成密封腔體，加熱使玻璃軟化，熱釋氣劑受熱 釋放出氣體產生正壓力，作用於通過微通道相連的多個微槽對應位置的軟化後的玻璃形成 具有均勻尺寸的球形微腔，冷卻使玻璃凝固，去除矽襯底，得到密封MEMS晶片用的玻璃微 腔。這種方法製備得到的玻璃微腔經過設計，其開口尺寸能夠容納晶片和引線的位置，並且 腔的高度較高，可大於矽片的厚度，因而能夠封裝大部分MEMS晶片。所述玻璃為PyreX7740 玻璃，所述鍵合為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓600V，陽極鍵合的氣密性好。 熱釋氣劑為碳酸鈣粉末或者氫化鈦粉末，放出的氣體量較多。加熱使玻璃軟化的溫度為 7600C -900°C。微槽的最小槽寬大於微通道寬度的50倍，附加壓力的作用使得尺寸很小的微通道處的玻璃不易拱起。在所述Si圓片上刻槽的方法為溼法腐蝕工藝。第四步中的加 熱溫度為880°C 890°C，在此溫度下，玻璃能夠快速成型，避免因重力的作用使得熔融的 玻璃厚度不均勻。微槽的深度為50-100微米，較淺的深度使得成本更低，也能夠放置足夠 的熱釋氣劑粉末。本發明獲得如下效果1.本發明採用熱成型方法能夠製備圓片級的玻璃微腔，採用玻璃微腔與矽襯底進 行陽極鍵合，首先能夠實現對於MEMS器件的圓片級、氣密性封裝；其次在各個腔內設置吸 氣劑，能夠根據器件的需要加熱活化該吸氣劑，從而能夠使得密封腔內的氣體減少，增加空 間內的器件運動的品質因子；本發明還利用璃微腔透明的特點，採用雷射對需要調節器件 運動品質因子的腔進行加熱使吸氣劑工作從而改變腔內的氣氛壓力，進而調節器件運動的 品質因子，方法更為簡單，操作方便。由於本發明採用的玻璃微腔的製備方法是圓片級的， 因而可以實現圓片級的封裝；此外玻璃與矽片之間的熱膨脹係數較小，因此封裝給晶片帶 來的熱失配應力很小。2.製備的MEMS晶片的矽襯底表面有薄的絕緣層(對於矽襯底，通常是二氧化矽通 常厚度為0. 1微米至0.5微米)，一方面起到絕緣的作用(普通晶片的工作電壓大約為幾十 伏)，另一方面較薄的二氧化矽絕緣層不會影響陽極鍵合工藝。現有研究已經表明，當絕緣 層二氧化矽層厚度大於0. 6微米以後，陽極鍵合工藝將變得非常困難，需要的電壓非常高。 在厚度為0. 2-0. 4微米之間，使用常規的陽極鍵合工藝就可以實現較好的鍵合效果，不但 陽極鍵合的效果較好，而且能夠起到較高的絕緣作用，得到比較高的絕緣電壓，適應封裝的 器件種類更多(能夠適應的工作電壓更高)。3.本發明基於傳統MEMS加工工藝，首先在Si片上加工欲成型的微腔和微流道淺 槽結構，特定的區域填充熱釋氣劑，再用陽極鍵合工藝將Pyrex7740玻璃覆蓋到該淺槽上 形成密閉微腔，然後加熱使得玻璃融化，熱釋氣劑釋放出氣體，氣體通過微通道傳輸到各個 微腔中，腔內外壓力差使得熔融玻璃形成玻璃球形微腔或玻璃微流道。在熔融狀態下，表面 張力產生的附加壓力的作用將對氣體的膨脹形成阻礙，半徑越小，附加壓力越大。當微槽尺 寸遠大於微流道時，例如微槽寬度大於微通道寬度的5倍以後，使得而半徑較大的微槽處 附加壓力較小，半徑很小的微通道處由於具有較大的附加壓力作用不容易膨脹，因而微通 道位置對應的玻璃仍然能夠保持平整，在封裝MEMS器件時，不需要進一步磨拋。由於通過 尺寸較小的微通道連通的多個微槽內的壓力基本一致，在微槽處形成的玻璃微腔的尺寸比 較均勻，微槽的尺寸如果一致，則形成的玻璃微腔的尺寸基本一致。採用熱釋氣劑釋提供氣 源用於成型玻璃球形微腔和玻璃微流道，具有成本低，方法簡單，成型高度高，球形度好的 特點。而且由於通過微通道將上述微槽連接，因而需要在某一個或者多個微槽內放置足量 的熱釋氣劑，從而能夠熱分解出更多的氣體，同時形成多個玻璃微腔。現有技術刻蝕深寬比 較大的深腔需要採用幹法工藝，花費大量的時間，通常需要幾十個小時，工藝成本也較高。 熱釋氣劑通常都有殘留物，由於氣體的運動，少量會粘附在玻璃管壁上，汙染了微腔。本發 明採用局部填充熱釋氣劑，高溫成型過後，通過劃片工藝可以將汙染的區域去除，也可以通 過去除矽片，然後清洗去除汙染物。本發明的優勢就在於藉助熱釋氣劑來產生足夠的氣體。4.通常陽極鍵合的溫度為400攝氏度，因而其標準溫度為673K，成型溫度為850 攝氏度左右，標準溫度為1123K左右，根據PV = IiRT和表面張力產生的附加壓強的影響，根據現有技術，如果氣體的量不變，膨脹後的體積不足原來的兩倍，由此可見需要刻蝕較深的 槽。而本發明通過引入熱釋氣劑有效的解決了這一問題，避免了刻蝕高深寬比的槽所帶來 的工藝複雜和高能高成本的問題，而且方法簡單，可靠。由於採用的為熱釋氣劑，因此放氣 過程可控(通過調節溫度和溫度維持時間)。5.本發明採用溼法工藝在矽上刻蝕淺槽，其成本更低。現有技術需要刻蝕深寬比 較高的較深的矽腔以提供足夠的氣體。溼法腐蝕工藝難以獲得較大的深寬比。在刻蝕較深 的微腔時，其成本較高，耗時較長且深腔會產生穿孔現象。但是溼法工藝成本較低，工藝比 較成熟，在刻蝕淺槽方面具有低成本、高效率的優勢。本發明不需要較大的深寬比，也不需 要大的深度，因此採用溼法工藝即可降低成本、提高效率。6.本發明選用碳酸鈣粉末，一方面，碳酸鈣粉末的大量分解溫度在800攝氏度以 上，與玻璃的熔化溫度具有較好的匹配性，在低於800攝氏度時，碳酸鈣僅有少量分解，因 此玻璃未成型前密封的玻璃腔不會因為氣體壓力過大而破裂。高於800攝氏度以後，碳酸 鈣粉末大量分解出二氧化碳氣體，從而使得玻璃成型。本發明僅需要根據碳酸鈣的分解量 進行簡單計算，就可以知道成型特定體積的玻璃微腔所需要的碳酸鈣的量。根據反應速率
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平衡公式的修正公式 —ΟΜαρ(一 1%·)可以較為準確的控制內部壓強，從而可
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以調控玻璃微流道內部橫截面的大小，根據不同的流速需要自行調控選擇，因而該方法簡 單，可靠，適用範圍廣。7.本發明選用氫化鈦粉末，氫化鈦粉末熱分解放氣量大，容易熱成型，但是未熱處 理的氫化鈦粉末的反應不易控制。本發明對氫化鈦粉末在空氣中400攝氏度下進行預處 理。通常氫化鈦粉末的熱分解溫度為400攝氏度，在空氣中進行所述的熱處理後，氫化鈦粉 末的表面形成了緻密的二氧化碳，在溫度未達到分解玻璃融化溫度之前，延緩了氫化鈦的 分解，從而避免了密閉腔內的壓力過大，使得過程可控。8.陽極鍵合具有鍵合強度高，密閉性好的特點，本發明採用陽極鍵合形成密閉空 腔，在第四步的加熱過程中不易發生洩漏而導致成型失敗。在溫度400°C，電壓直流600V的 鍵合條件下，陽極鍵合能夠達到更好的密封效果。9.採用的第四步中的退火工藝可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高溫正壓成 型過程中形成的應力，從而使其強度韌性更高。在該條件下退火，既能有效退去應力，還能 夠使得微流道腔的形狀基本無改變。10.本發明製備與Si的熱膨脹係數相當的Pyrex7740玻璃作為玻璃微流道結構， 在製備微腔時不容易使鍵合好的圓片因熱失配產生損壞。11.本發明採用常規微電子加工工藝在圓片上進行加工，因此工藝過程簡單可靠， 進一步降低了成本，可實現玻璃微流道的圓片級製造，尤其是溼法腐蝕工藝，成本更低。


圖1為本發明在同一矽圓片上製造要求不同氣氛壓力的2個MEMS器件示意2為本發明內置熱釋氣劑矽圓片微槽與微流道(20 1)的結構俯視示意3為本發明功能化玻璃微腔橫向截面示意4為本發明用功能化玻璃微腔對不同品質因子MEMS器件的集成封裝示意圖
具體實施例方式實施例1利用玻璃微腔進行圓片級氣密性封裝的方法一種要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，包括以下步驟第一步，採用常規MEMS加工工藝在矽圓片上製造要求不同品質因子的至少兩個 MEMS器件，例如MEMS加速度計和陀螺儀，具體工藝可以為矽的表面工藝或者體微工藝，矽 圓片上的絕緣層(二氧化矽)厚度為0. 1-0. 5微米，如美芯或者AD公司的集成壓阻式加速 度計和陀螺儀，可以同時設置引線，並利用引線腔的方法實現晶片的引出。第二步，在玻璃圓片上對應於上述MEMS器件的位置採用熱成型方法製備密封 MEMS晶片的玻璃微腔的玻璃圓片，並在封裝MEMS晶片的玻璃微腔內沉積吸氣劑得到功 能化的玻璃圓片，製備玻璃微腔的方法見本發明後面的實施例。可以是申請人前面申請 的利用矽模具進行負壓熱成型的玻璃微腔，也可以是正壓自膨脹方法製作的玻璃微腔 (見 Glass Blowing on a Wafer Level, JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 16，NO. 2，APRIL 2007)，也可以是本發明後面實施例描述的用熱釋氣劑正壓製備的球 形玻璃微腔，本實施例後面的實施例所描述的方法製備的玻璃微腔，高度較高，球形度更 高。另外，由於採用熱釋氣劑方法，其放出的氣體量較多，能夠製備從幾十微米至幾釐米直 徑的玻璃微腔，密封晶片用玻璃微腔和引線玻璃微腔可以是一個也可以是多個，即一個密 封晶片用玻璃微腔帶有多個引線玻璃微腔，玻璃材質可以是Pyrex7740玻璃；可以同時制 備引線引出所用玻璃微腔，即封裝時，引線的一端處於封裝MEMS晶片的腔內，另一端放置 於引線引出所用的玻璃腔內第三步，將第二步得到的功能化的玻璃圓片與第一步得到的帶有MEMS器件的矽 圓片進行陽極鍵合，陽極鍵合的工藝為溫度400攝氏度，電壓600V，從而對MEMS器件進行 氣密封裝，鍵合時，氣氛可以是氮氣或者其它氣氛，第四步，採用雷射對封裝MEMS晶片的玻璃微腔中的吸氣劑進行選擇性的加熱使 其吸氣，從而使腔內的品質因子變化。最後可採用機械破壞的方法破壞引線玻璃微腔上的 玻璃，使得引線的一端裸露，便於信號的引出。引線實質上是出於玻璃與矽的界面之間引 出，通常採用鋁引線，厚度為0. 2-0. 5微米，由於厚度較薄、體積較小，因此，鋁與周圍的材 料兼容性較高，不會引起漏氣等問題。上述技術方案中，所述絕緣層的厚度為0. 2-0. 4微米；所述吸氣劑為鋯基吸氣劑， 比如鋯鋁吸氣劑(質量比鋯為84%、鋁為16%的金屬粒子經高溫熔煉製成的合金，激活 溫度為9000C )、鋯釩鐵吸氣劑(鋯、釩、鐵組成的合金，其中鋯佔70 %、釩佔24. 6 %、鐵佔 5.4%，激活溫度為350°C左右)、鈦鋯釩吸氣劑(合金的最低激活溫度為300°C，其完全的 激活溫度為400°C )。所述採用熱成型方法製備密封MEMS晶片的玻璃微腔的玻璃圓片方法 為在矽圓片上刻有相同微槽形成的陣列，微槽之間刻有微通道相連，微槽的最小槽寬大於 微通道寬度的10倍，在其中的至少一個微槽內放置適量熱釋氣劑，相應的用玻璃圓片鍵合 使所述多個微槽形成密封腔體，加熱使玻璃軟化，熱釋氣劑受熱釋放出氣體產生正壓力，作 用於通過微通道相連的多個微槽對應位置的軟化後的玻璃形成具有均勻尺寸的球形微腔， 冷卻使玻璃凝固，去除矽襯底，得到密封MEMS晶片用的玻璃微腔。這種方法製備得到的玻 璃微腔經過設計，其開口尺寸能夠容納晶片和引線的位置，並且腔的高度較高，可大於矽片的厚度，因而能夠封裝大部分MEMS晶片。所述玻璃為Pyrex7740玻璃，所述鍵合為陽極鍵 合，工藝條件為溫度400°C，電壓600V，陽極鍵合的氣密性好。熱釋氣劑為碳酸鈣粉末或 者氫化鈦粉末，放出的氣體量較多。加熱使玻璃軟化的溫度為760°C-900°C。微槽的最小 槽寬大於微通道寬度的50倍，附加壓力的作用使得尺寸很小的微通道處的玻璃不易拱起。 在所述Si圓片上刻槽的方法為溼法腐蝕工藝。第四步中的加熱溫度為880°C 890°C，在 此溫度下，玻璃能夠快速成型，避免因重力的作用使得熔融的玻璃厚度不均勻。微槽的深度 為50-100微米，較淺的深度使得成本更低，也能夠放置足夠的熱釋氣劑粉末。實施例2利用玻璃微腔進行圓片級氣密性封裝的方法一種要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，包括以下步驟第一步，採用標準CMOS工藝在同一矽圓片上製備梳齒式的MEMS加速度計和陀螺 儀(商業上可實現)，鋁引線做在矽片表面，厚度為0. 3微米，絕緣層厚度為0. 3微米。第二步，在玻璃圓片上對應於上述MEMS器件的位置採用熱成型方法製備密封 MEMS晶片的玻璃微腔的玻璃圓片，並在封裝MEMS晶片的玻璃微腔內沉積吸氣劑得到功能 化的玻璃圓片，製備玻璃微腔的方法見本發明後面的實施例4。同時製備引線引出所用玻璃 微腔，即封裝時，引線的一端處於封裝MEMS晶片的腔內，另一端放置於引線引出所用的玻 璃腔內。引線玻璃微腔位於玻璃微腔的2側，製備方法與玻璃微腔一樣。吸氣劑為為鋯基 吸氣劑，採用ZV6P300系列非蒸散型吸氣劑，主要成分是鋯、釩、鐵，對氫氣、氧氣和氮氣等 活性氣體有較好的吸附作用，激活溫度為400°C。第三步，將第二步得到的功能化的玻璃圓片與第一步得到的帶有MEMS加速度計 與陀螺儀的矽圓片進行陽極鍵合，陽極鍵合的工藝為溫度400攝氏度，電壓600V，從而對 MEMS器件進行氣密封裝，鍵合時，氣氛為氮氣。第四步，採用二氧化碳雷射器對封裝MEMS陀螺儀的玻璃微腔中的吸氣劑進行加 熱使吸收活性氣體，從而使腔內壓強變小直到類似真空。用二氧化碳雷射器對封裝MEMS加 速度計的玻璃微腔中的吸氣劑進行選擇性加熱使其吸氣，從而調節腔內的品質因子。最後 採用機械破壞的方法破壞引線玻璃微腔上的玻璃，使得引線的一端裸露，便於信號的引出。 引線實質是出於玻璃與矽界面之間引出。實施例3玻璃微腔的正壓製備方法一種要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，包括以下步驟在矽圓 片上刻有相同微槽形成的陣列(微槽的尺寸相同)，刻蝕微槽的方法可以是幹法和溼法，優 選溼法(本發明所需要的微槽深度能夠放置熱釋氣劑即可，因此採用溼法刻蝕較淺的深度 就可以滿足要求，例如50-100微米的深度)，所刻蝕的多個微槽尺寸相同(例如5個，10個， 15個，50個)，微槽之間刻有微通道相連，微槽的最小槽寬大於流道寬度的5倍，在其中的 至少一個微槽內放置適量熱釋氣劑(可以在兩個或者兩個以上多個微槽內放置熱釋氣劑， 熱釋氣劑的用量根據所需膨脹的體積空間進行計算，PV = nRT，放出的氣體量可以通過熱 釋氣劑分解動力學進行計算)，熱釋氣劑可以是碳酸鈣、氫化鈦、氫化鋯、氮化鋁、氫化鎂等， 其中優選低成本的碳酸鈣和釋氣量較高的氫化鈦，相應的用玻璃圓片鍵合所述多個微槽形 成密封腔體，鍵合方法可以採用陽極鍵合，也可以採用其它鍵合方法，使得玻璃與矽鍵合在 一起，加熱使玻璃軟化，熱釋氣劑受熱釋放出氣體產生正壓力，作用於通過微通道相連的多 個微槽對應位置的軟化後的玻璃形成具有均勻尺寸的球形微腔(所述多個微槽的尺寸相同)，冷卻使玻璃凝固，得到圓片級均勻尺寸的玻璃微腔。由於多個微槽通過微通道互連，因 此分解產生的壓力可使得上述微槽內的壓力相同，當多個微槽的尺寸相同時，形成的玻璃 微腔的尺寸也相同。上述技術方案中，去除所述圓片級均勻尺寸的玻璃微腔上的矽，得到不帶矽的玻 璃微腔，可用於MEMS器件封裝，同時去除矽以後可以清洗掉沾汙在玻璃上的碳酸鈣分解殘 留物，使得玻璃更為透明。所述玻璃為Pyrex7740玻璃，所述鍵合為陽極鍵合，工藝條件為 溫度400°C，電壓600V。熱釋氣劑為碳酸鈣粉末或者氫化鈦粉末。加熱使玻璃軟化的溫度 為760V -900°C。製備圓片級MEMS微腔時，微槽的最小槽寬大於微通道寬度的50倍，在較 大的附加壓力作用下，微通道部分對應的熔融玻璃不容易發生膨脹，因而仍然比較平整，更 容易用於後期的進一步封裝，不需要額外的磨拋過程。在所述Si圓片上刻槽的方法為溼法 腐蝕工藝，溼法工藝的成本較低，較為簡單。所述的Si圓片與PyreX7740玻璃表面鍵合工藝 為陽極鍵合，加熱使玻璃軟化溫度為880°C 890°C，例如885°C，在較高的溫度下，成型速 度快，效率較高，從而降低能耗和成本。對所獲得的圓片級玻璃微腔進行退火，去除應力，所 述熱退火的工藝條件為退火溫度範圍在510°C 560°C中，退火保溫時間為30min，然後緩 慢風冷至常溫。矽圓片與Pyrex7740玻璃圓片按照陽極鍵合的工藝要求進行必要的清洗和 拋光。微槽的深度為50-100微米，寬度更具需要可以為100微米，400微米，800微米，1000 微米，1500微米，3000微米，50000微米，100000微米，刻蝕的時間較短，容易進行。實施例4玻璃微腔的正壓製備方法一種要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，包括以下步驟第一步，採用乾濕氧結合的方法在單面拋光的矽圓片上氧化5000A的氧化層，拋 光面旋塗AZ P4620光刻膠，曝光顯影去除需要刻蝕微槽表面的光刻膠。利用Si微加工工 藝在4英寸Si圓片上刻蝕微腔和微流道淺槽，微流道將淺槽連接起來，所用矽片可以是標 準厚度的矽片，厚度為500微米，所述微槽的深度為60 100微米，微槽為2000微米寬的 方形槽，用於連接兩個微槽的微通道寬度為50微米的條形槽，槽長5毫米，連接相鄰兩個微 腔方形槽，所述Si圓片上圖案結構的微加工工藝為溼法腐蝕工藝，所用的腐蝕液為TMAH溶 液，濃度為10%，溫度為90攝氏度，刻蝕時間為1.5 2. 5h第二步，在數個微腔淺槽中放置適量的熱釋氣劑碳酸鈣，可以用粒度較小的化學 純(質量百分比濃度為99% )碳酸鈣，顆粒直徑為5 10微米，根據圓片微腔總體積和成 型溫度下熱釋氣劑碳酸鈣分解速率為參考，內置碳酸鈣質量為500微克，滿足圓片50個微 腔所需的成型體積。第三步，將上述Si圓片與PyreX7740玻璃圓片(一種硼矽玻璃的品牌，美國康 寧-corning公司生產，市場可購得，通常已經經過拋光，其尺寸與Si圓片相同)在0. 5Pa 下陽極鍵合，使Pyrex7740玻璃上的上述淺槽形成密封腔體，鍵合表面在鍵合前應該保持 高度清潔和極小的表面粗糙度，以滿足常規鍵合的要求，按照陽極鍵合或其他鍵合的工藝 要求進行常規清洗和拋光，所述的陽極鍵合工藝條件為溫度400°C，電壓600V。第四步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至880°C，在該溫度下保溫 lOmin，熱釋氣劑快速熱分解，氣體擴散至整個密封系統，各微腔內部壓強平衡，壓腔內外壓 力差使軟化後的玻璃形成與上述微腔圖案結構相應的結構，微槽尺寸相同，成型時相應的 玻璃微腔成型是受的表面張力相同，成型的玻璃微腔尺寸基本相同，而微流道尺寸和微腔尺寸相差40倍，表面張力相差40倍，由於表面張力的影響，相同的內壓，微流道成型高度將 相當低。冷卻到常溫25°C，得到圓片級球形微腔，再將圓片置入退火爐，560°C保溫30min， 然後緩慢風冷至常溫(譬如25°C )。常壓(一個大氣壓)下退火消除應力。
第五步，利用劃片機將數個內置熱釋氣劑的微腔的區域划去，利用TMAH水浴90°C 加熱腐蝕矽圓片，去除玻璃表面的矽，形成圓片級圓片級球形微腔。
權利要求
一種要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特徵在於，包括以下步驟第一步，在矽圓片上(7)製造要求不同品質因子的至少兩個MEMS器件(8)，矽圓片上作為絕緣層的二氧化矽層厚度為0.1 0.5微米，第二步，在玻璃圓片上對應於上述MEMS器件的位置採用熱成型方法製備密封MEMS晶片的玻璃微腔(5)，並在玻璃微腔(5)內沉積吸氣劑(6)得到功能化的玻璃圓片，第三步，將第二步得到的功能化的玻璃圓片與第一步得到的帶有MEMS器件的矽圓片進行陽極鍵合，從而對MEMS器件進行氣密封裝，第四步，採用雷射對封裝MEMS晶片的玻璃微腔(5)中的吸氣劑進行選擇性的加熱使其吸氣，從而使腔內的器件運動的品質因子變化。
2.根據權利要求1所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特徵 在於，所述二氧化矽層的厚度為0. 2-0. 4微米。
3.根據權利要求1所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特徵 在於，所述吸氣劑為鋯基吸氣劑。
4.根據權利要求1所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特 徵在於，所述採用熱成型方法製備密封MEMS晶片的玻璃微腔(5)的玻璃圓片方法為在矽 圓片⑵上刻有相同微槽⑴形成的陣列，微槽之間刻有微通道⑷相連，微槽的最小槽寬 大於微通道寬度的10倍，在其中的至少一個微槽內放置適量熱釋氣劑(3)，相應的用玻璃 圓片鍵合使所述多個微槽(1)形成密封腔體，加熱使玻璃軟化，熱釋氣劑受熱釋放出氣體 產生正壓力，作用於通過微通道(4)相連的多個微槽(1)對應位置的軟化後的玻璃形成具 有均勻尺寸的球形微腔，冷卻使玻璃凝固，去除矽襯底，得到密封MEMS晶片用的玻璃微腔 (5)。
5.根據權利要求1或2所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其 特徵在於，所述玻璃為Pyrex7740玻璃，所述鍵合為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電 壓600V。
6.根據權利要求2所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特徵 在於，熱釋氣劑為碳酸鈣粉末或者氫化鈦粉末。
7.根據權利要求2所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特徵 在於，加熱使玻璃軟化的溫度為760V -900°C。
8.根據權利要求2所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特徵 在於製備圓片級MEMS微腔時，微槽的最小槽寬大於微通道寬度的50倍。
9.根據權利要求2所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特徵 在於在所述Si圓片上刻槽的方法為溼法腐蝕工藝。
10.根據權利要求2所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特 徵在於，第四步中的加熱溫度為880 0C 890 0C。
11.根據權利要求2所述的要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，其特 徵在於微槽的深度為50-100微米。
全文摘要
本發明公開一種要求不同氣氛壓力的MEMS器件圓片級集成封裝方法，包括以下步驟第一步，在矽圓片上製造要求不同品質因子的至少兩個MEMS器件，第二步，在玻璃圓片上對應於上述MEMS器件的位置採用熱成型方法製備密封MEMS晶片的玻璃微腔的玻璃圓片，並在封裝MEMS晶片的玻璃微腔內沉積吸氣劑得到功能化的玻璃圓片，第三步，將功能化的玻璃圓片與帶有MEMS器件的矽圓片進行陽極鍵合，從而對MEMS器件進行氣密封裝，第四步，採用雷射對封裝MEMS晶片的玻璃微腔中的吸氣劑進行選擇性的加熱使其吸氣，從而使腔內的品質因子變化。本發明在各個腔內設置吸氣劑，通過加熱活化，選擇性的改變封裝腔內的品質因子。
文檔編號B81C1/00GK101898746SQ201010148420
公開日2010年12月1日 申請日期2010年4月16日 優先權日2010年4月16日
發明者尚金堂, 張迪, 徐超, 陳波寅 申請人:東南大學