[發明專利]正壓熱成型制備圓片級均勻尺寸玻璃微腔的方法

有效

• 申請號: 201010148431.4
• 申請日: 2010-04-16
• 公開（公告）號: CN101905859A
• 公開（公告）日: 2010-12-08
• 發明（設計）人: 尚金堂;陳波寅;張迪;徐超
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: B81C3/00
• 分類號: B81C3/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 張惠忠

技術領域

本發明涉及一種MEMS(微電子機械系統)制造技術，尤其涉及一種正壓熱成型制備圓片級均勻尺寸玻璃微腔的方法。

背景技術

在MEMS制造技術領域，Pyrex7740玻璃(一種含有堿性離子的玻璃，Pyrex是Corning公司的產品品牌)是一種重要的材料，它有著和Si材料相近的熱膨脹系數，有著高透光率和較高的強度，并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，其強度甚至高于Si材料本身。由于這樣的特性，使得Pyrex7740玻璃廣泛應用于MEMS封裝、微流體和MOEMS(微光學機電系統)等領域。

在MEMS封裝領域，由于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，并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。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玻璃上制造精確圖案結構的微腔，是實現此種封裝工藝的重點。傳統采用濕法腐蝕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精確控制微腔尺寸。如果采用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采用的技術是負壓成型和正壓成型。負壓成型的微腔和微流道在硅上刻蝕流道等圖形，將硅與玻璃陽極鍵合，然后高溫熱成型。負壓成型受玻璃厚度影響較大，很難制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硅上刻蝕微流道圖形，將硅與玻璃陽極鍵合，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污染的DRIE刻蝕深的硅腔(有的甚至需要到900微米，Glass?Blowing?on?aWafer?Level，JOURNAL?OF?MICROELECTROMECHANICAL?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。這些方法比較復雜，成本較高。采用DRIE刻蝕也需要較長的時間，進一步增加成本。

發明內容

本發明的目的是提供一種成本低廉、微腔高度高、球形度好的MEMS領域應用的正壓熱成型制備圓片級均勻尺寸玻璃微腔的方法。

本發明采用如下技術方案：一種正壓熱成型制備圓片級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，微槽的最小槽寬大于流道寬度的5倍，在其中的至少一個微槽內放置適量熱釋氣劑，相應的用玻璃圓片鍵合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，作用于通過微通道相連的多個微槽對應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，得到圓片級均勻尺寸的玻璃微腔。

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，所述鍵合為陽極鍵合，工藝條件為：溫度400℃，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760℃-900℃。制備圓片級MEMS微腔時，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極鍵合，加熱使玻璃軟化溫度為880℃～890℃。對所獲得的圓片級玻璃微腔進行所述熱退火的工藝條件為：退火溫度范圍在510℃～560℃中，退火保溫時間為30min，然后緩慢風冷至常溫。硅圓片與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。

本發明獲得如下效果：