圆片级玻璃微腔的批量制备方法技术

本发明专利技术涉及一种微电子机械系统制造技术，提供了一种圆片级玻璃微腔的批量制备方法，采用如下技术方案：一种圆片级玻璃微腔的批量制备方法，包括以下步骤：在硅圆片上刻蚀形成微型凹槽阵列；在上述微型硅凹槽内，加入碳酸氢钙溶液，再蒸发、加热，最后获得碳酸钙；将玻璃圆片与上述硅圆片在真空或一定压力下粘结，使得微型硅凹槽密封；将上述键合好的玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温，待微型凹槽中碳酸钙放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火；去除硅圆片，得到圆片级球形玻璃微腔阵列。本发明专利技术可精确控制碳酸钙的量，可制备尺寸为亚十微米甚至亚微米等更小的玻璃微腔，不会对超净间产生影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种MEMS (微电子机械系统)制造技术，尤其涉及一种。
技术介绍
目前玻璃微结构在MEMS封装、微流体和MOEMS (微光学机电系统)等领域具有重要的应用。制备玻璃微腔的方法主要有自膨胀法和正压热成型方法.例如美国加州大学埃尔文分校采用自膨胀方法加工玻璃微腔。它需要深反应离子刻蚀工艺和加厚的硅片，成本较高。此外，由于驱动力较小，因此加工的结构尺寸可调范围较小。申请者采用正压热成型方法制备玻璃微腔，采用高温热释气剂粉末在高温下释放出气体形成正压力成型。但是，这种方法的问题在于在量产过程中，高温热释气剂粉末容易对超净间造成污染，从而影响微电子器件的可靠性；此外，如何对微量高温热释气剂粉末进行精确定量称量，并放置硅槽内，也是该方法量产的一大障碍。因此，亟需发展一种非粉末、可定量的高温热释气剂的放置方法，从而使热成型玻璃微腔方法能够量产。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种工艺简单、成本低廉。本专利技术采用如下技术方案一种，包括以下步骤 第一步，在硅圆片上刻蚀形成微型凹槽阵列；第二步，在上述微型硅凹槽内，加入碳酸氢钙溶液，再蒸发、加热，最后获得碳酸钙；第三步，将玻璃圆片与上述硅圆片在真空或一定压力下粘结，使得微型硅凹槽密封；第四步，将上述键合好的玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温，待微型凹槽中碳酸钙放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火； 第五步，去除硅圆片，得到圆片级球形玻璃微腔阵列。在上述方案中，玻璃圆片为硼硅玻璃圆片，譬如Pyrex7740玻璃、Tempax玻璃。所述第二步中加热温度为40-400°C。重复第二步所述步骤2-50次，直至碳酸钙的量符合成型的要求。所述微型凹槽阵列之间有微通道相连。采用点胶技术对微型凹槽定量注入溶液。第三步所述的粘结方法为阳极键合，阳极键合条件为电压600V，温度为400°C。第四步中键合好的玻璃圆片和硅圆片的加热温度为820°C 890°C。第四步中所述退火的工艺条件为退火温度范围在510°C飞60°C，退火保温时间为30min，然后自然冷却至常温。本专利技术获得如下效果1.本专利技术选用碳酸氢钙溶液作为添加碳酸钙高温释气剂的方法，通过蒸发去除水分，通过加热使得碳酸氢钙分解生成高温释气剂碳酸钙晶体。采用这种溶液法加入碳酸氢钙，最终在槽内获得碳酸钙晶体，具有以下优点微电子行业的生产活动都是在基于超净间条件下进行的，对于空气中的粉尘控制具有严格的要求，因此在量产过程中，直接操控高温释气剂(譬如本专利中的碳酸钙)粉末容易会污染超净间，从而造成潜在的风险，而采用碳酸氢钙溶液可很容易将精确定量的碳酸钙引入槽内(加热碳酸氢钙分解后生成的碳酸钙晶体会吸附在硅槽表面)，不会对超净间产生影响，有利于批量生产； 2.本专利技术采用的碳酸氢钙易溶于水，其浓度可精确控制，根据注入的体积，可以精确控制碳酸氢钙的质量，从而可精确控制所生成的碳酸钙的质量，最终实现精确控制玻璃微腔的尺寸；此外，水溶液相对于单纯的碳酸钙或氢化钛粉末，更容易被引入微槽内，而不会在键合面上造成粉末残留；。3.现有技术中高温释气剂粉末很难被引入亚十微米甚至亚微米尺度的微槽内，因此难以制备更小尺寸的玻璃微腔。本专利技术采用碳酸氢钙溶液，相比现有技术采用的粉末可注入于亚微米级甚至更小的微型凹槽中，因此可用于制备尺寸亚十微米甚至亚微米尺度的玻璃微腔。4.本专利技术采用的硼硅玻璃，热膨胀系数小，与硅进行阳极键合可对微腔进行密封，不会产生过大的应力，更有利于玻璃微腔的成型。5.本专利技术加热碳酸氢钙的温度处于40-400摄氏度，可使得碳酸氢钙分解生成碳酸钙。碳酸氢钙在40摄氏度以上就开始分解。在300-400摄氏度范围内加热，可充分去除生成物碳酸钙中的水和碳酸氢钙，得到的碳酸钙的纯度更高，从而有利于玻璃微腔尺寸的精确控制。6.由于现有的点胶技术非常成熟，已经在工业上广泛应用，本专利技术采用点胶技术将碳酸氢钙水溶液注入到玻璃微腔微型凹槽中，有利于实现工业化生产。7.本专利技术利用碳酸氢钙加热反应生成的碳酸钙的大量分解温度在800°C以上，与玻璃的软化温度具有较好的匹配性，在低于800°C时，碳酸钙几乎不分解，因此玻璃未成型前密封腔不会因为气体压力过大而破裂。高于800°C以后，碳酸钙大量分解出二氧化碳气体，从而使得玻璃成型。本专利技术只需要根据碳酸氢钙和碳酸钙的分解量进行简单计算，就可知道成型特定大小的玻璃微腔所需特定浓度溶液的体积。因而该方法简单，可靠。8.本专利技术采用微通道将硅微槽连接起来，可以使得连通的腔内气氛压力一致，更加有利于尺寸的均匀性控制，并进行圆片级制备。9.本专利技术采用高温释气剂提供气源用于成型球形玻璃微腔，具有成本低、方法简单、球形度好的特点。现有技术刻蚀深宽比较大的腔需要采用干法工艺，工艺成本较高，同时花费大量的时间。如果采用键合工艺提供额外的腔体，其方法复杂，成本较高，而且高温硅硅键合容易使得硅片翘曲，需要额外的退火工艺，增加工艺复杂度。本专利技术仅需要刻蚀较浅的微型凹槽，因而成本较低，方法简单。10.本专利技术采用阳极键合工艺形成密闭空腔，该工艺具有键合强度高，密闭性好的优点，在热成型加热过程中不易发生气体泄漏而引起成型失败。在温度400°C，电流电压为600V的条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。11.采用退火工艺可以有效的消除玻璃成型过程中形成的应力，从而增加其强度。在该退火温度下退火温度为510°C 560°C范围内，保温时间为30min，然后缓慢冷却到室温。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得微腔的形状基本无改变，而退火温度过高易导致微腔形状发生变化不利于后道的封装，而过低的退火温度则无法有效去除玻璃内部应力。12.本专利技术可采用浓度为25%的TMAH溶液去除玻璃微腔上的硅圆片，这样可以有效地去除硅片而不腐蚀玻璃，硅圆片与玻璃圆片的选择比为1000:1。本专利技术采用常规微电子加工工艺在圆片上进行加工，工艺过程简单可靠，进一步降低了成本，可实现玻璃微腔的圆片级制造，尤其是湿法刻蚀工艺，成本更低。附图说明图1为用于制作玻璃微腔阵列的硅模具表面示意图 图2为用于制作玻璃微腔阵列带有微通道的硅模具表面示意图 图3为硅模具微型凹槽注入溶液截面示意图 图4为硅模具与硼硅玻璃圆片键合后的圆片截面图 图5为热成型后玻璃微腔(未去除硅模具)截面示意图具体实施例方式实施例1 一种，包括以下步骤 第一步，在硅圆片(譬如4英寸硅圆片)上刻蚀微型硅凹槽阵列，微型硅凹槽通过微通道相连。所用硅片可以是标准厚度的硅片，例如500微米厚的硅片。所述微型硅凹槽深度为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，深宽比通常小于2，例如可以选取为1. 5，1,0. 8,0. 5,0. 2,0. 1,0. 05,0. 01，所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为湿法刻蚀工艺、干法感应耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺或者反应离子刻蚀中的一种，优选湿法刻蚀工艺，例如用TMAH溶液腐蚀，该图案可以是方形或者圆形凹槽阵列； 第二步，在上述微型硅凹槽内，采用点胶技术对微型硅凹槽定量注入溶液，再蒸发去除水，再加热使得碳酸氢钙充分分解，最后获得碳酸钙。重复本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆片级玻璃微腔的批量制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，在硅圆片（1）上刻蚀形成微型硅凹槽（2）阵列；第二步，在上述微型硅凹槽（2）内，加入碳酸氢钙水溶液，再蒸发、加热，获得碳酸钙(7)；第三步，将玻璃圆片（6）与上述硅圆片（1）在真空或一定压力下粘结，使得微型硅凹槽（2）密封；第四步，将上述玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温，待微型凹槽(2)中碳酸钙（7）放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火；第五步，去除硅圆片（1），得到圆片级球形玻璃微腔（8）阵列。

【技术特征摘要】
1.一种圆片级玻璃微腔的批量制备方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，在硅圆片(I)上刻蚀形成微型硅凹槽(2)阵列；第二步，在上述微型硅凹槽(2)内，加入碳酸氢钙水溶液，再蒸发、加热，获得碳酸钙(7)；第三步，将玻璃圆片(6)与上述硅圆片(I)在真空或一定压力下粘结，使得微型硅凹槽(2)密封；第四步，将上述玻璃圆片和硅圆片加热至玻璃软化点温度以上并保温，待微型凹槽(2) 中碳酸钙(7)放出的气体产生正压力使得密封腔体对应的玻璃成型后，再冷却到常温，退火；第五步，去除硅圆片(I )，得到圆片级球形玻璃微腔(8 )阵列。2.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的批量制备方法，其特征在于玻璃圆片为硼硅玻璃圆片。3.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的批量制备方法，其特征在于第二步中加热温度为40-400°C。4.根据权利要求1所述的圆片级玻璃微腔的批量制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：尚金堂，吉宇，邹羽，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：