專利名稱：高成品率圓片級(jí)封裝mems器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及MEMS圓片級(jí)封裝方法，具體涉及一種高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法。
背景技術(shù)：
利用熱成型的方法制備玻璃微腔是一種的重要新方法，它具有工藝簡(jiǎn)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(微電子機(jī)械系統(tǒng))器件的封裝中。在現(xiàn)有制備圓片級(jí)玻璃微腔的熱成型過(guò)程中，一般選擇810°C 89(TC的高溫，在此溫度下玻璃完全軟化，粘稠度低，成型完全。然而，由于在制備圓片級(jí)玻璃微腔過(guò)程中，由于硅片和玻璃片本身的翹曲以及壓力作用不均勻，在硅片和玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合后，通常在圓片的周邊邊緣6，玻璃與硅片的鍵合強(qiáng)度較低，甚至不能鍵合。在上述加熱條件下，由于玻璃的粘度較低，由于處于圓片周邊的熔融態(tài)的玻璃與硅片之間化學(xué)鍵的作用較弱，屬于一種"懸空"結(jié)構(gòu)，因此在表面張力的作用下，該懸空的玻璃由于熔融態(tài)玻璃的表面張力的作用會(huì)自動(dòng)收縮成球狀，導(dǎo)致熱成型獲得載有的微腔的玻璃圓片的邊沿凸出7，從而導(dǎo)致圓片具有較大的不平整度。在用這種帶有微腔的玻璃圓片封裝MEMS器件時(shí)，二次鍵合過(guò)程中，由這些凸起引起的不平整度極易導(dǎo)致鍵合圓片由于壓力的作用而碎裂，或者二次鍵合時(shí)強(qiáng)度不高，從而降低圓片級(jí)封裝的成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種低成本、高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法。 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法，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陣列，再將上述Si圓片與Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的氣氛下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，陽(yáng)極鍵合的壓力為200N-800N，溫度為400°C，電壓為600V，使Pyrex7740玻璃圓片與上述特定圖案陣列形成密封腔體， 第二步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至74(TC 80(rC，保溫8 3min，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)，冷卻，獲得所述玻璃微腔陣列， 第三步，將上述圓片級(jí)玻璃微腔陣列與相應(yīng)的載有MEMS器件陣列的硅圓片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，再在特定氣氛下鍵合，從而進(jìn)行圓片級(jí)封裝。 上述技術(shù)方案中，第二步熱成型溫度優(yōu)選為770°C _780°〇，加熱時(shí)間為4_5分鐘。第一步中硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片按照陽(yáng)極鍵合的工藝要求進(jìn)行必要的清洗和拋光。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明獲得如下技術(shù)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 : i)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(yáng)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(guò)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.本發(fā)明采用與Si熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)腜yrex7740玻璃作為玻璃微腔結(jié)構(gòu)，采用常規(guī)微電子加工工藝在圓片上進(jìn)行加工，采用陽(yáng)極鍵合形成空腔，在高溫下成型并有退火工藝。不但工藝過(guò)程簡(jiǎn)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，同時(shí)很大程度降低了制備受熱過(guò)程中的熱失配問(wèn)題，鍵合強(qiáng)度高，密封性好，而且有效去除了玻璃內(nèi)部的應(yīng)力。 3.常規(guī)的加熱玻璃使其受熱軟化的溫度選在81(TC 89(rC的范圍內(nèi)，在這段溫度下玻璃完全軟化，粘稠度低，成型比較完全，但是由于鍵合壓力分布不均勻，因此在邊沿的鍵合較弱，因此在熱成型過(guò)程中，邊沿的"懸空結(jié)構(gòu)"容易在表面張力的作用下形成球形，而在邊沿形成凸起7。鍵合較好的部分，由于硅-氧鍵的作用，不容易被表面張力巻起。本發(fā)明選擇了較低的成型溫度760°C -SO(TC，并相應(yīng)地采用了合適的成型時(shí)間8分鐘至3分鐘，在該溫度下，玻璃的粘稠度較大，能夠抵抗由于表面張力引起的玻璃變形，因此，該"懸空結(jié)構(gòu)"不會(huì)因?yàn)楸砻鎻埩Φ淖饔贸汕蚨谶呇匦纬赏蛊?。運(yùn)用本發(fā)明方法熱成型后的玻璃圓片不易形成凸起，因此，在封裝MEMS器件的二次鍵合過(guò)程中，玻璃與硅片的形變將會(huì)大大減小，由凸起引起的鍵合片的碎裂概率得到較大的降低，因此二次鍵合封裝的成品率得到了很大的提高。由于封裝體有玻璃微腔結(jié)構(gòu)，因此使得凸起對(duì)于圓片碎裂的概率進(jìn)一步增加，因此本發(fā)明通過(guò)控制熱成型溫度和時(shí)間消除了凸起，顯著提高了封裝的成品率。相比較于采取措施使得陽(yáng)極鍵合時(shí)面上的壓力均勻，本發(fā)明通過(guò)控制熱成型溫度和時(shí)間，其具有方法簡(jiǎn)單，成本低的特點(diǎn)。 4.本發(fā)明在熱成型時(shí)選擇的溫度為77(TC-78(TC，溫度較低時(shí)，由于玻璃的黏度較大，因此微腔成型的時(shí)間大大加長(zhǎng)，制備微腔的效率降低。而較高的溫度仍然容易引起玻璃周邊微微的凸起，將增加圓片級(jí)玻璃微腔封裝的圓片碎裂概率。 5.本發(fā)明消除了圓片邊緣的翹曲，使受熱成型后的圓片依然平整，這對(duì)于玻璃微腔用于圓片級(jí)封裝，進(jìn)行二次鍵合具有重要的意義，進(jìn)一步降低了成本。


圖1為硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片鍵合后的圓片截面示意圖(邊沿鍵合不好)
圖2為硅圓片與玻璃圓片鍵合后加熱后的截面示意圖(加熱后產(chǎn)生邊沿凸起)
圖3為在810°C 89(TC高溫下熱成型邊緣翹曲凸起現(xiàn)象圖片
圖4為780攝氏度下，成型時(shí)間4分鐘時(shí)，邊沿的圖片(比較平整)
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
—種高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法，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陣列，具體可利用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)際三維上看，刻特定圖案是在硅片上刻槽，二維上是圖案)，再將上述Si圓片與Pyrex7740玻璃( 一種硼硅玻璃的品牌，美國(guó)康寧-corning公司生產(chǎn)，市場(chǎng)可購(gòu)得，通常已經(jīng)經(jīng)過(guò)拋光，其尺寸與Si圓片相同)圓片在小于lPa的氣氛下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，譬如壓強(qiáng)為0. 5Pa，0. 2Pa，0. lPa，O. 05Pa，0. OlPa，O. OOlPa，陽(yáng)極鍵合的壓力為200N-800N，譬如選取為600N， 700N，溫度為400°C ，電壓為600V，使Pyrex7740玻璃圓片與上述特定圖案陣列形成密封腔體，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(yáng)極鍵合或其他鍵合的工藝要求進(jìn)行常規(guī)清洗和拋光。 第二步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至740°C 80(TC，溫度可以選取為750°C ， 760°C ， 770°C ， 780°C ， 790°C ， 795°C ，相應(yīng)保溫8 3min，例如與溫度對(duì)應(yīng)地可以選取為7分鐘，6分鐘，5分鐘，4分鐘，3. 5分鐘，3分鐘，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)，冷卻到較低的溫度，如20-25t:，譬如為22t:，獲得所述玻璃微腔陣列，通常可再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，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52(rC，530。C，540。C，55(TC，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C )。
第三步，將上述圓片級(jí)玻璃微腔陣列與相應(yīng)的載有MEMS器件陣列的硅圓片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，再在特定氣氛下鍵合，從而進(jìn)行圓片級(jí)封裝。 本發(fā)明中第三步熱成型溫度優(yōu)選在770°C -78(rC，加熱時(shí)間為5_4分鐘。
實(shí)施例2 —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 : l，硅片經(jīng)過(guò)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(guó)康寧-corning公司生產(chǎn)，市場(chǎng)可購(gòu)得，已經(jīng)經(jīng)過(guò)拋光)在0. 5P的氣氛下進(jìn)行鍵合，鍵合在EVG-501陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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78(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25t:，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(yáng)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51(TC 56(TC中，退火溫度可以選取為54(rC，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 : 1的深寬比。
本發(fā)明通過(guò)MEMS加工制造技術(shù)Si片與Pyrex7740玻璃的陽(yáng)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。在810-890°C的熱成型溫度下獲得的玻璃微腔圓片，在封裝硅基MEMS器 件的二次鍵合時(shí)碎裂的比例高達(dá)80%以上；而采用740°C -800°〇溫度時(shí)，二次鍵合的碎裂 比例降低到30%以下。而在770-78(TC時(shí)，其碎裂比例降低到20%以下。
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(guò)鍵合等方式對(duì)其它器件進(jìn)行封裝。MEMS器件可以為加速度計(jì)或者陀螺儀。
權(quán)利要求
一種高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法，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陣列(2)，再將上述Si圓片與Pyrex7740玻璃圓片(3)在小于1Pa的氣氛下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，陽(yáng)極鍵合的壓力為200N-800N，溫度為400℃，電壓為600V，使Pyrex7740玻璃圓片與上述特定圖案陣列形成密封腔體(5)，第二步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至740℃～800℃，保溫8～3min，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，獲得所述玻璃微腔陣列，第三步，將上述圓片級(jí)玻璃微腔陣列與相應(yīng)的載有MEMS器件陣列的硅圓片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，再在特定氣氛下鍵合，從而進(jìn)行圓片級(jí)封裝。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法，其特征在于，第二步熱成型溫度選在770°C -78(rC，加熱時(shí)間為4-5分鐘。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法，其特征在于第一步中硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片按照陽(yáng)極鍵合的工藝要求進(jìn)行必要的清洗和拋光。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種高成品率圓片級(jí)封裝MEMS器件的方法，屬于MEMS封裝領(lǐng)域，方法包括以下步驟第一步，在Si圓片上刻蝕形成特定圖案陣列，再將上述Si圓片與Pyrex7740玻璃圓片在小于1Pa的氣氛下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，使Pyrex7740玻璃圓片與上述特定圖案陣列形成密封腔體，第二步，將上述鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至740℃～800℃，保溫8～3min，冷卻，獲得所述玻璃微腔陣列，第三步，將上述圓片級(jí)玻璃微腔陣列與相應(yīng)的載有MEMS器件陣列的硅圓片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，再在特定氣氛下鍵合，從而進(jìn)行圓片級(jí)封裝。本發(fā)明通過(guò)控制熱成型溫度和時(shí)間，消除了圓片邊沿的凸起，因此大大增加了圓片級(jí)封裝的成品率。
文檔編號(hào)B81C3/00GK101695993SQ20091018535
公開(kāi)日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者唐潔影, 尚金堂, 張迪, 徐超, 柳俊文, 陳波寅, 黃慶安 申請(qǐng)人:東南大學(xué);