專利名稱：正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法
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)，尤其涉及一種正壓熱成型制 備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法。
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(guò)使用陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(wú)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。球形微腔和微流道玻璃熱成型可以采用的技術(shù)是負(fù)壓成型和正壓成型。負(fù)壓成型 的微腔和微流道在硅上刻蝕流道等圖形，將硅與玻璃陽(yáng)極鍵合，然后高溫?zé)岢尚汀Ｘ?fù)壓成 型受玻璃厚度影響較大，很難制備球形微腔等腔內(nèi)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硅上刻蝕微流道圖形，將硅與玻璃陽(yáng)極鍵合， 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV = nRT，通過(guò)氣體膨脹高溫?zé)岢尚?。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污染的DRIE刻蝕深的硅腔(有的甚至需要到900 微米，Glass Blowing on affafer Level, JOURNAL OF MICR0ELECTR0MECHANICAL SYSTEMS, VOL. 16,NO. 2,APRIL 2007)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；甚至采用在另外一個(gè)腔上刻蝕較大的孔，再與帶有通孔 的硅片鍵合，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 較復(fù)雜，成本較高。采用DRIE刻蝕也需要較長(zhǎng)的時(shí)間，進(jìn)一步增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種成本低廉、微腔高度高、球形度好的MEMS領(lǐng)域應(yīng)用的正 壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方 法，包括以下步驟在硅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
3的最小槽寬大于流道寬度的5倍，在其中的至少一個(gè)微槽內(nèi)放置適量熱釋氣劑，相應(yīng)的用 玻璃圓片鍵合所述多個(gè)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(chǎn) 生正壓力，作用于通過(guò)微通道相連的多個(gè)微槽對(duì)應(yīng)位置的軟化后的玻璃形成具有均勻尺寸 的球形微腔，冷卻使玻璃凝固，得到圓片級(jí)均勻尺寸的玻璃微腔。上述技術(shù)方案中，去除所述圓片級(jí)均勻尺寸的玻璃微腔上的硅，得到不帶硅的玻 璃微腔，可用于MEMS器件封裝。所述玻璃為PyreX7740玻璃，所述鍵合為陽(yáng)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 -900V。制備圓片級(jí)MEMS微腔時(shí)，微槽的最小槽寬大于流道寬度的50倍。 在所述Si圓片上刻槽的方法為濕法腐蝕工藝。所述的Si圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合 工藝為陽(yáng)極鍵合，加熱使玻璃軟化溫度為880°C 890°C。對(duì)所獲得的圓片級(jí)玻璃微腔進(jìn)行 所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510°C 560°C中，退火保溫時(shí)間為30min，然后 緩慢風(fēng)冷至常溫。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。微槽的深度為50-100微米。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和微流道淺 槽結(jié)構(gòu)，特定的區(qū)域填充熱釋氣劑，再用陽(yáng)極鍵合工藝將Pyrex7740玻璃覆蓋到該淺槽上 形成密閉微腔，然后加熱使得玻璃融化，熱釋氣劑釋放出氣體，氣體通過(guò)微通道傳輸?shù)礁鱾€(gè) 微腔中，腔內(nèi)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(tài)下，表面 張力產(chǎn)生的附加壓力的作用將對(duì)氣體的膨脹形成阻礙，半徑越小，附加壓力越大。當(dāng)微槽尺 寸遠(yuǎn)大于微流道時(shí)，例如微槽寬度大于微通道寬度的5倍以后，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于具有較大的附加壓力作用不容易膨脹，因而微通 道位置對(duì)應(yīng)的玻璃仍然能夠保持平整，在封裝MEMS器件時(shí)，不需要進(jìn)一步磨拋。由于通過(guò) 尺寸較小的微通道連通的多個(gè)微槽內(nèi)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。采用熱釋氣劑釋提供氣 源用于成型玻璃球形微腔和玻璃微流道，具有成本低，方法簡(jiǎn)單，成型高度高，球形度好的 特點(diǎn)。而且由于通過(guò)微通道將上述微槽連接，因而需要在某一個(gè)或者多個(gè)微槽內(nèi)放置足量 的熱釋氣劑，從而能夠熱分解出更多的氣體，同時(shí)形成多個(gè)玻璃微腔?，F(xiàn)有技術(shù)刻蝕深寬比 較大的深腔需要采用干法工藝，花費(fèi)大量的時(shí)間，通常需要幾十個(gè)小時(shí)，工藝成本也較高。 熱釋氣劑通常都有殘留物，由于氣體的運(yùn)動(dòng)，少量會(huì)粘附在玻璃管壁上，污染了微腔。本發(fā) 明采用局部填充熱釋氣劑，高溫成型過(guò)后，通過(guò)劃片工藝可以將污染的區(qū)域去除，也可以通 過(guò)去除硅片，然后清洗去除污染物。本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)就在于借助熱釋氣劑來(lái)產(chǎn)生足夠的氣體。2.通常陽(yáng)極鍵合的溫度為400攝氏度，因而其標(biāo)準(zhǔn)溫度為673K，成型溫度為850 攝氏度左右，標(biāo)準(zhǔn)溫度為1123K左右，根據(jù)PV = IiRT和表面張力產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)的影響，根 據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，如果氣體的量不變，膨脹后的體積不足原來(lái)的兩倍，由此可見(jiàn)需要刻蝕較深的 槽。而本發(fā)明通過(guò)引入熱釋氣劑有效的解決了這一問(wèn)題，避免了刻蝕高深寬比的槽所帶來(lái) 的工藝復(fù)雜和高能高成本的問(wèn)題，而且方法簡(jiǎn)單，可靠。由于采用的為熱釋氣劑，因此放氣 過(guò)程可控(通過(guò)調(diào)節(jié)溫度和溫度維持時(shí)間)。3.本發(fā)明采用濕法工藝在硅上刻蝕淺槽，其成本更低?，F(xiàn)有技術(shù)需要刻蝕深寬比 較高的較深的硅腔以提供足夠的氣體。濕法腐蝕工藝難以獲得較大的深寬比。在刻蝕較深
4的微腔時(shí)，其成本較高，耗時(shí)較長(zhǎng)且深腔會(huì)產(chǎn)生穿孔現(xiàn)象。但是濕法工藝成本較低，工藝比 較成熟，在刻蝕淺槽方面具有低成本、高效率的優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明不需要較大的深寬比，也不需 要大的深度，因此采用濕法工藝即可降低成本、提高效率。4.本發(fā)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，在低于800攝氏度時(shí)，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(huì)因?yàn)闅怏w壓力過(guò)大而破裂。高于800攝氏度以后，碳酸 鈣粉末大量分解出二氧化碳?xì)怏w，從而使得玻璃成型。本發(fā)明僅需要根據(jù)碳酸鈣的分解量 進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)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(jù)反應(yīng)速率
平衡公式的修正公式(-可以較為準(zhǔn)確的控制內(nèi)部壓強(qiáng)，從而可
9
以調(diào)控玻璃微流道內(nèi)部橫截面的大小，根據(jù)不同的流速需要自行調(diào)控選擇，因而該方法簡(jiǎn) 單，可靠，適用范圍廣。5.本發(fā)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(yīng)不易控制。本發(fā)明對(duì)氫化鈦粉末在空氣中400攝氏度下進(jìn)行預(yù)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(jìn)行所述的熱處理后，氫化鈦粉 末的表面形成了致密的二氧化碳，在溫度未達(dá)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(nèi)的壓力過(guò)大，使得過(guò)程可控。6.陽(yáng)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(yáng)極鍵合形成密閉空 腔，在第四步的加熱過(guò)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(yáng)極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。7.采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(guò)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 夠使得微流道腔的形狀基本無(wú)改變。8.本發(fā)明制備與Si的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)腜yrex7740玻璃作為玻璃微流道結(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。9.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(guò)程簡(jiǎn)單可靠， 進(jìn)一步降低了成本，可實(shí)現(xiàn)玻璃微流道的圓片級(jí)制造，尤其是濕法腐蝕工藝，成本更低。


圖1為本發(fā)明內(nèi)置熱釋氣劑硅圓片微槽與微流道(20 1)的結(jié)構(gòu)俯視2為本發(fā)明玻璃微腔熱成型后橫向截面示意3為本發(fā)明內(nèi)置熱釋氣劑硅圓片微槽與微流道(2 1)的結(jié)構(gòu)俯視圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，包括以下步驟在硅圓片 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干法和濕法，優(yōu)選 濕法(本發(fā)明所需要的微槽深度能夠放置熱釋氣劑即可，因此采用濕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(gè)微槽尺寸相同(例如5個(gè)，10個(gè)，15個(gè)，50個(gè))，微槽之間刻有微通道相連，微槽的最小槽寬大于流道寬度的5倍，在其中的至 少一個(gè)微槽內(nèi)放置適量熱釋氣劑(可以在兩個(gè)或者兩個(gè)以上多個(gè)微槽內(nèi)放置熱釋氣劑，熱 釋氣劑的用量根據(jù)所需膨脹的體積空間進(jìn)行計(jì)算，PV = nRT，放出的氣體量可以通過(guò)熱釋 氣劑分解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)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(yōu)選低成本的碳酸鈣和釋氣量較高的氫化鈦，相應(yīng)的用玻璃圓片鍵合所述多個(gè)微槽形 成密封腔體，鍵合方法可以采用陽(yáng)極鍵合，也可以采用其它鍵合方法，使得玻璃與硅鍵合在 一起，加熱使玻璃軟化，熱釋氣劑受熱釋放出氣體產(chǎn)生正壓力，作用于通過(guò)微通道相連的多 個(gè)微槽對(duì)應(yīng)位置的軟化后的玻璃形成具有均勻尺寸的球形微腔(所述多個(gè)微槽的尺寸相 同)，冷卻使玻璃凝固，得到圓片級(jí)均勻尺寸的玻璃微腔。由于多個(gè)微槽通過(guò)微通道互連，因 此分解產(chǎn)生的壓力可使得上述微槽內(nèi)的壓力相同，當(dāng)多個(gè)微槽的尺寸相同時(shí)，形成的玻璃 微腔的尺寸也相同。上述技術(shù)方案中，去除所述圓片級(jí)均勻尺寸的玻璃微腔上的硅，得到不帶硅的玻 璃微腔，可用于MEMS器件封裝，同時(shí)去除硅以后可以清洗掉沾污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(yáng)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。制備圓片級(jí)MEMS微腔時(shí)，微槽的最小槽寬大于微通道寬度的50倍，在較 大的附加壓力作用下，微通道部分對(duì)應(yīng)的熔融玻璃不容易發(fā)生膨脹，因而仍然比較平整，更 容易用于后期的進(jìn)一步封裝，不需要額外的磨拋過(guò)程。在所述Si圓片上刻槽的方法為濕法 腐蝕工藝，濕法工藝的成本較低，較為簡(jiǎn)單。所述的Si圓片與PyreX7740玻璃表面鍵合工藝 為陽(yáng)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(duì)所獲得的圓片級(jí)玻璃微腔進(jìn)行退火，去除應(yīng)力，所 述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510°C 560°C中，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩 慢風(fēng)冷至常溫。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。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(shí)間較短，容易進(jìn)行。實(shí)施例2一種正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，包括以下步驟第一步，采用干濕氧結(jié)合的方法在單面拋光的硅圓片上氧化5000A的氧化層，拋 光面旋涂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(lái)，所用硅片可以是標(biāo) 準(zhǔn)厚度的硅片，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，用于連接兩個(gè)微槽的微通道寬度為50微米的條形槽，槽長(zhǎng)5毫米，連接相鄰兩個(gè)微 腔方形槽，所述Si圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝，所用的腐蝕液為TMAH溶 液，濃度為10%，溫度為90攝氏度，刻蝕時(shí)間為1.5 2. 5h第二步，在數(shù)個(gè)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(xué) 純(質(zhì)量百分比濃度為99% )碳酸鈣，顆粒直徑為5 10微米，根據(jù)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(nèi)置碳酸鈣質(zhì)量為500微克，滿足圓片50個(gè)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)在0. 5Pa 下陽(yáng)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(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，所述的陽(yáng)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(gè)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(kuò)散至整個(gè)密封系統(tǒng)，各微腔內(nèi)部壓強(qiáng)平衡，壓腔內(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)，微槽尺寸相同，成型時(shí)相應(yīng)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，由于表面張力的影響，相同的內(nèi)壓，微流道成型高度將 相當(dāng)?shù)汀＠鋮s到常溫25°C，得到圓片級(jí)球形微腔，再將圓片置入退火爐，560°C保溫30min， 然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C )。常壓(一個(gè)大氣壓)下退火消除應(yīng)力。第五步，利用劃片機(jī)將數(shù)個(gè)內(nèi)置熱釋氣劑的微腔的區(qū)域劃去，利用TMAH水浴90°C 加熱腐蝕硅圓片，去除玻璃表面的硅，形成圓片級(jí)圓片級(jí)球形微腔。實(shí)施例3一種正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，包括以下步驟第一步，采用干濕氧結(jié)合的方法在單面拋光的硅圓片上氧化5000A的氧化層，拋 光面旋涂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圓片上刻蝕微槽和微通道，微通道將微槽連接起來(lái)，所用硅片可以是標(biāo)準(zhǔn)厚 度的硅片，厚度為500微米，所述微槽的深度為60 100微米，寬度為2000微米的方形槽， 微槽的數(shù)量為15個(gè)，尺寸相同，微通道槽為口徑為50微米的條形槽，槽長(zhǎng)5毫米，連接相鄰 兩個(gè)微腔方形槽，所述Si圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝，所用的腐蝕液為 TMAH溶液，濃度為10%，溫度為90攝氏度，刻蝕時(shí)間為1. 5 2. 5h第二步，在數(shù)個(gè)微腔淺槽中放置適量的熱釋氣劑氫化鈦，可以用粒度較小的化學(xué) 純(質(zhì)量百分比濃度為99% )，顆粒直徑為5 10微米，根據(jù)圓片微腔總體積和成型溫度 下熱釋氣劑氫化鈦分解速率為參考，內(nèi)置氫化鈦質(zhì)量為250微克，滿足圓片50個(gè)微腔所需 的成型體積(氫化鈦在400攝氏度下空氣中進(jìn)行預(yù)處理，處理時(shí)間為24小時(shí))。第三步，將上述Si圓片與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，通常已經(jīng)經(jīng)過(guò)拋光，其尺寸與Si圓片相同)在0. 5Pa 下陽(yáng)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(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，所述的陽(yáng)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(gè)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(kuò)散至整個(gè)密封系統(tǒng)，各微腔內(nèi)部壓強(qiáng)平衡，壓腔內(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)，微槽尺寸相同，成型時(shí)相應(yīng)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，由于表面張力的影響，相同的內(nèi)壓，微流道成型高度將 相當(dāng)?shù)汀＠鋮s到常溫25°C，得到圓片級(jí)球形微腔，再將圓片置入退火爐，560°C保溫30min， 然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C )，常壓(一個(gè)大氣壓)下退火消除應(yīng)力。第五步，利用劃片機(jī)將數(shù)個(gè)內(nèi)置熱釋氣劑的微腔的區(qū)域劃去，利用TMAH水浴90°C
7加熱腐蝕硅圓片，去除玻璃表面的硅，形成圓片級(jí)圓片級(jí)球形微腔。將所得到的圓片級(jí)的球 形玻璃微腔陣列與帶有MEMS器件的硅圓片對(duì)準(zhǔn)，用陽(yáng)極鍵合工藝進(jìn)行鍵合，封裝MEMS器 件，工藝條件為溫度400°C，電壓600V。實(shí)施例4一種正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，包括以下步驟第一步，采用干濕氧結(jié)合的方法在單面拋光的硅圓片上氧化5000A的氧化層，拋 光面旋涂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(lái)，所用硅片可以是標(biāo) 準(zhǔn)厚度的硅片，厚度為500微米，所述微槽的深度為60 100微米，微槽為500微米寬的方 形槽(或者直徑為500微米的圓形槽)，用于連接兩個(gè)微槽的微通道寬度為50微米的條形 槽，槽長(zhǎng)5毫米，連接相鄰兩個(gè)微腔方形槽，所述Si圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐 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(shí)間為1. 5 2. 5h第二步，在數(shù)個(gè)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(xué) 純(質(zhì)量百分比濃度為99% )碳酸鈣，顆粒直徑為5 10微米，根據(jù)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(nèi)置碳酸鈣質(zhì)量為500微克，滿足圓片50個(gè)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)在0. 5Pa 下陽(yáng)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(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，所述的陽(yáng)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(gè)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(kuò)散至整個(gè)密封系統(tǒng)，各微腔內(nèi)部壓強(qiáng)平衡，壓腔內(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)，微槽尺寸相同，成型時(shí)相應(yīng)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，由于表面張力的影響，相同的內(nèi)壓，微流道成型高度將 相當(dāng)?shù)汀＠鋮s到常溫25°C，得到圓片級(jí)球形微腔，再將圓片置入退火爐，560°C保溫30min， 然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C )。常壓(一個(gè)大氣壓)下退火消除應(yīng)力。第五步，利用劃片機(jī)將數(shù)個(gè)內(nèi)置熱釋氣劑的微腔的區(qū)域劃去，利用TMAH水浴90°C 加熱腐蝕硅圓片，去除玻璃表面的硅，形成圓片級(jí)圓片級(jí)球形微腔。
權(quán)利要求
一種正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征在于，包括以下步驟在硅圓片(2)上刻有相同微槽(1)形成的陣列，微槽之間刻有微通道(4)相連，微槽的最小槽寬大于微通道寬度的5倍，在其中的至少一個(gè)微槽內(nèi)放置適量熱釋氣劑(3)，相應(yīng)的用玻璃圓片鍵合所述多個(gè)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(chǎn)生正壓力，作用于通過(guò)微通道(3)相連的多個(gè)微槽(1)對(duì)應(yīng)位置的軟化后的玻璃形成具有均勻尺寸的球形微腔，冷卻使玻璃凝固，得到圓片級(jí)均勻尺寸的玻璃微腔(5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征在 于，去除所述圓片級(jí)均勻尺寸的玻璃微腔上的硅。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征 在于，所述玻璃為Pyrex7740玻璃，所述鍵合為陽(yáng)極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓 600V。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特 征在于，熱釋氣劑為碳酸鈣粉末或者氫化鈦粉末。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征在 于，加熱使玻璃軟化的溫度為760V -900°C。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征在 于制備圓片級(jí)MEMS微腔時(shí)，微槽的最小槽寬大于微通道寬度的50倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征在 于在所述Si圓片上刻槽的方法為濕法腐蝕工藝。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征在 于所述的Si圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽(yáng)極鍵合，
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征在 于，第四步中的加熱溫度為880°C 890°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征 在于對(duì)所獲得的圓片級(jí)玻璃微腔進(jìn)行所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510°C 560°C中，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，其特征 在于微槽的深度為50-100微米。全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種正壓熱成型制備圓片級(jí)均勻尺寸玻璃微腔的方法，包括以下步驟在硅圓片上刻有微槽形成的陣列，微槽之間刻有微通道相連，微槽的最小槽寬大于流道寬度的5倍，在其中的至少一個(gè)微槽內(nèi)放置適量熱釋氣劑，相應(yīng)的用玻璃圓片鍵合所述多個(gè)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(chǎn)生正壓力，作用于通過(guò)微通道相連的多個(gè)微槽對(duì)應(yīng)位置的軟化后的玻璃形成具有均勻尺寸的球形微腔，冷卻。本發(fā)明用微通道將各個(gè)相同微槽連接起來(lái)，因此其內(nèi)部氣壓基本一致，形成的玻璃微腔尺寸比較均勻；微槽尺寸遠(yuǎn)大于微通道時(shí)，半徑很小的微通道處由于具有較大的附加壓力作用不易膨脹，因而微通道位置對(duì)應(yīng)的玻璃仍然能夠保持平整。
文檔編號(hào)B81C3/00GK101905859SQ20101014843
公開(kāi)日2010年12月8日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者尚金堂, 張迪, 徐超, 陳波寅 申請(qǐng)人:東南大學(xué)