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(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(shù)：
在MEMS封裝領(lǐng)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(jié)構(gòu)對器件進(jìn)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(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。目前我們常用的鍵 合封裝工藝有硅玻璃陽極鍵合，硅硅熱鍵合，熔融玻璃封接和有機(jī)粘接鍵合。其中硅硅熱鍵 合的溫度太高且時間較長，工藝難以把握；有機(jī)粘接鍵合的強(qiáng)度小、氣密性差，難以對可動 器件做到很好的保護(hù)。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，并且可以通過使用陽極鍵合工藝與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。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(jié)構(gòu)，再與含有可動部件的Si襯底進(jìn)行陽極鍵合，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(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 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，將硅與玻璃陽極鍵合，根據(jù) 理想氣體狀態(tài)方程PV = nRT，通過氣體膨脹高溫?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(fù)雜，成本較高。采用DRIE刻蝕也需要較長的時間， 進(jìn)一步增加成本。目前MEMS中的慣性器件如陀螺和加速度計(jì)等通常只能測量精確測量一個方面向 的參數(shù)，需要測量多個方向參數(shù)或者多種參數(shù)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(guān)系對于獲得精確三維參數(shù)至關(guān)重要。譬如，我們需要MEMS加速度計(jì) 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(shù)值，而且需要確定加速度和陀螺儀之間的精確位置關(guān)系，才能計(jì)算出最后的加速度和角加速度的精確值。但是，目前的MEMS器件通常都是單芯片封裝的，當(dāng)需要多個器件一起 工作時獲得不同方向的參數(shù)時，需要MEMS器件的方向進(jìn)行精確定位，從而能夠?qū)Λ@得的不 同方向和角度的參數(shù)進(jìn)行后處理，獲得實(shí)際的測量參數(shù)，因此各個器件之間的相對角度和 位置關(guān)系對于測量結(jié)果的精度的影響較高。采用組裝的方式通常使得多個芯片的安裝定位 精度較低。將多個芯片集成在一個芯片上，能夠解決上述問題，其原因在于微電子加工芯片 的精確度較高，能夠使得芯片的角度精確匹配。盡管在工藝上很多不同種類的MEMS器件能 夠兼容，但是由于不同的MEMS器件工作的原理不一樣，因此對于可動部件要求的品質(zhì)因子 要求也不一樣。因此在封裝時，如何讓同時同一個芯片上的不同傳感器的各自封裝空間內(nèi) (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(yīng)的品質(zhì)因子，成為 封裝的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(fā)明采用如下技術(shù)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，在硅圓片上制造要求不同品質(zhì)因子的至少兩個MEMS器件，硅圓片上的絕 緣層厚度為0. 1-0. 5微米，第二步，在玻璃圓片上對應(yīng)于上述MEMS器件的位置采用熱成型方法制備密封 MEMS芯片的玻璃微腔的玻璃圓片，并在封裝MEMS芯片的玻璃微腔內(nèi)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器件的硅 圓片進(jìn)行陽極鍵合，從而對MEMS器件進(jìn)行氣密封裝，第四步，采用激光對封裝MEMS芯片的玻璃微腔中的吸氣劑進(jìn)行選擇性的加熱使 其吸氣，從而使腔內(nèi)的品質(zhì)因子變化。上述技術(shù)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， 采用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?dú)獾然钚詺怏w 有較好的吸附作用，激活溫度為400°C，利用二氧化碳激光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(nèi)的品質(zhì)因子。所述采用熱成型方法制備密封MEMS芯片的 玻璃微腔的玻璃圓片方法為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微通道寬度的10倍，在其中的至少一個微槽內(nèi)放置適量熱釋氣 劑，相應(yīng)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(chǎn)生正壓力，作用于通過微通道相連的多個微槽對應(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，去除硅襯底，得到密封MEMS芯片用的玻璃微 腔。這種方法制備得到的玻璃微腔經(jīng)過設(shè)計(jì)，其開口尺寸能夠容納芯片和引線的位置，并且 腔的高度較高，可大于硅片的厚度，因而能夠封裝大部分MEMS芯片。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。微槽的最小槽寬大于微通道寬度的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濕法腐蝕工藝。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(fā)明獲得如下效果1.本發(fā)明采用熱成型方法能夠制備圓片級的玻璃微腔，采用玻璃微腔與硅襯底進(jìn) 行陽極鍵合，首先能夠?qū)崿F(xiàn)對于MEMS器件的圓片級、氣密性封裝；其次在各個腔內(nèi)設(shè)置吸 氣劑，能夠根據(jù)器件的需要加熱活化該吸氣劑，從而能夠使得密封腔內(nèi)的氣體減少，增加空 間內(nèi)的器件運(yùn)動的品質(zhì)因子；本發(fā)明還利用璃微腔透明的特點(diǎn)，采用激光對需要調(diào)節(jié)器件 運(yùn)動品質(zhì)因子的腔進(jìn)行加熱使吸氣劑工作從而改變腔內(nèi)的氣氛壓力，進(jìn)而調(diào)節(jié)器件運(yùn)動的 品質(zhì)因子，方法更為簡單，操作方便。由于本發(fā)明采用的玻璃微腔的制備方法是圓片級的， 因而可以實(shí)現(xiàn)圓片級的封裝；此外玻璃與硅片之間的熱膨脹系數(shù)較小，因此封裝給芯片帶 來的熱失配應(yīng)力很小。2.制備的MEMS芯片的硅襯底表面有薄的絕緣層(對于硅襯底，通常是二氧化硅通 常厚度為0. 1微米至0.5微米)，一方面起到絕緣的作用(普通芯片的工作電壓大約為幾十 伏)，另一方面較薄的二氧化硅絕緣層不會影響陽極鍵合工藝?，F(xiàn)有研究已經(jīng)表明，當(dāng)絕緣 層二氧化硅層厚度大于0. 6微米以后，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(guī)的陽極鍵合工藝就可以實(shí)現(xiàn)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(yīng)封裝的 器件種類更多(能夠適應(yīng)的工作電壓更高)。3.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，氣體通過微通道傳輸?shù)礁鱾€ 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，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 道位置對應(yīng)的玻璃仍然能夠保持平整，在封裝MEMS器件時，不需要進(jìn)一步磨拋。由于通過 尺寸較小的微通道連通的多個微槽內(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，方法簡單，成型高度高，球形度好的 特點(diǎn)。而且由于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(nèi)放置足量 的熱釋氣劑，從而能夠熱分解出更多的氣體，同時形成多個玻璃微腔?，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，由于氣體的運(yùn)動，少量會粘附在玻璃管壁上，污染了微腔。本發(fā) 明采用局部填充熱釋氣劑，高溫成型過后，通過劃片工藝可以將污染的區(qū)域去除，也可以通 過去除硅片，然后清洗去除污染物。本發(fā)明的優(yōu)勢就在于借助熱釋氣劑來產(chǎn)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(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的兩倍，由此可見需要刻蝕較深的 槽。而本發(fā)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 的工藝復(fù)雜和高能高成本的問題，而且方法簡單，可靠。由于采用的為熱釋氣劑，因此放氣 過程可控(通過調(diào)節(jié)溫度和溫度維持時間)。5.本發(fā)明采用濕法工藝在硅上刻蝕淺槽，其成本更低。現(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 的微腔時，其成本較高，耗時較長且深腔會產(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。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。6.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，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?yàn)闅怏w壓力過大而破裂。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
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平衡公式的修正公式 —ΟΜαρ(一 1%·)可以較為準(zhǔn)確的控制內(nèi)部壓強(qiáng)，從而可
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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 單，可靠，適用范圍廣。7.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)的壓力過大，使得過程可控。8.陽極鍵合具有鍵合強(qiáng)度高，密閉性好的特點(diǎn)，本發(fā)明采用陽極鍵合形成密閉空 腔，在第四步的加熱過程中不易發(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，陽極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。9.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改變。10.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)， 在制備微腔時不容易使鍵合好的圓片因熱失配產(chǎn)生損壞。11.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，因此工藝過程簡單可靠， 進(jìn)一步降低了成本，可實(shí)現(xiàn)玻璃微流道的圓片級制造，尤其是濕法腐蝕工藝，成本更低。


圖1為本發(fā)明在同一硅圓片上制造要求不同氣氛壓力的2個MEMS器件示意2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)俯視示意3為本發(fā)明功能化玻璃微腔橫向截面示意4為本發(fā)明用功能化玻璃微腔對不同品質(zhì)因子MEMS器件的集成封裝示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1利用玻璃微腔進(jìn)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，采用常規(guī)MEMS加工工藝在硅圓片上制造要求不同品質(zhì)因子的至少兩個 MEMS器件，例如MEMS加速度計(jì)和陀螺儀，具體工藝可以為硅的表面工藝或者體微工藝，硅 圓片上的絕緣層(二氧化硅)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(jì)和陀螺儀，可以同時設(shè)置引線，并利用引線腔的方法實(shí)現(xiàn)芯片的引出。第二步，在玻璃圓片上對應(yīng)于上述MEMS器件的位置采用熱成型方法制備密封 MEMS芯片的玻璃微腔的玻璃圓片，并在封裝MEMS芯片的玻璃微腔內(nèi)沉積吸氣劑得到功 能化的玻璃圓片，制備玻璃微腔的方法見本發(fā)明后面的實(shí)施例?？梢允巧暾埲饲懊嫔暾?的利用硅模具進(jìn)行負(fù)壓熱成型的玻璃微腔，也可以是正壓自膨脹方法制作的玻璃微腔 (見 Glass Blowing on a Wafer Level, JOURNAL OFMICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 16，NO. 2，APRIL 2007)，也可以是本發(fā)明后面實(shí)施例描述的用熱釋氣劑正壓制備的球 形玻璃微腔，本實(shí)施例后面的實(shí)施例所描述的方法制備的玻璃微腔，高度較高，球形度更 高。另外，由于采用熱釋氣劑方法，其放出的氣體量較多，能夠制備從幾十微米至幾厘米直 徑的玻璃微腔，密封芯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 封芯片用玻璃微腔帶有多個引線玻璃微腔，玻璃材質(zhì)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，引線的一端處于封裝MEMS芯片的腔內(nèi)，另一端放置 于引線引出所用的玻璃腔內(nèi)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器件的硅 圓片進(jìn)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(jìn)行 氣密封裝，鍵合時，氣氛可以是氮?dú)饣蛘咂渌鼩夥?，第四步，采用激光對封裝MEMS芯片的玻璃微腔中的吸氣劑進(jìn)行選擇性的加熱使 其吸氣，從而使腔內(nèi)的品質(zhì)因子變化。最后可采用機(jī)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，便于信號的引出。引線實(shí)質(zhì)上是出于玻璃與硅的界面之間引 出，通常采用鋁引線，厚度為0. 2-0. 5微米，由于厚度較薄、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(shù)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(zhì)量比鋯為84%、鋁為16%的金屬粒子經(jīng)高溫熔煉制成的合金，激活 溫度為9000C )、鋯釩鐵吸氣劑(鋯、釩、鐵組成的合金，其中鋯占70 %、釩占24. 6 %、鐵占 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 )。所述采用熱成型方法制備密封MEMS芯片的玻璃微腔的玻璃圓片方法 為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 微通道寬度的10倍，在其中的至少一個微槽內(nèi)放置適量熱釋氣劑，相應(yīng)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(chǎn)生正壓力，作 用于通過微通道相連的多個微槽對應(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，去除硅襯底，得到密封MEMS芯片用的玻璃微腔。這種方法制備得到的玻 璃微腔經(jīng)過設(shè)計(jì)，其開口尺寸能夠容納芯片和引線的位置，并且腔的高度較高，可大于硅片的厚度，因而能夠封裝大部分MEMS芯片。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 槽寬大于微通道寬度的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濕法腐蝕工藝。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(shí)施例2利用玻璃微腔進(jìn)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，采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在同一硅圓片上制備梳齒式的MEMS加速度計(jì)和陀螺 儀(商業(yè)上可實(shí)現(xiàn))，鋁引線做在硅片表面，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(yīng)于上述MEMS器件的位置采用熱成型方法制備密封 MEMS芯片的玻璃微腔的玻璃圓片，并在封裝MEMS芯片的玻璃微腔內(nèi)沉積吸氣劑得到功能 化的玻璃圓片，制備玻璃微腔的方法見本發(fā)明后面的實(shí)施例4。同時制備引線引出所用玻璃 微腔，即封裝時，引線的一端處于封裝MEMS芯片的腔內(nèi)，另一端放置于引線引出所用的玻 璃腔內(nèi)。引線玻璃微腔位于玻璃微腔的2側(cè)，制備方法與玻璃微腔一樣。吸氣劑為為鋯基 吸氣劑，采用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?dú)獾?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(jì) 與陀螺儀的硅圓片進(jìn)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(jìn)行氣密封裝，鍵合時，氣氛為氮?dú)?。第四步，采用二氧化碳激光器對封裝MEMS陀螺儀的玻璃微腔中的吸氣劑進(jìn)行加 熱使吸收活性氣體，從而使腔內(nèi)壓強(qiáng)變小直到類似真空。用二氧化碳激光器對封裝MEMS加 速度計(jì)的玻璃微腔中的吸氣劑進(jìn)行選擇性加熱使其吸氣，從而調(diào)節(jié)腔內(nèi)的品質(zhì)因子。最后 采用機(jī)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，便于信號的引出。 引線實(shí)質(zhì)是出于玻璃與硅界面之間引出。實(shí)施例3玻璃微腔的正壓制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，微槽的最小槽寬大于流道寬度的5倍，在其中的 至少一個微槽內(nèi)放置適量熱釋氣劑(可以在兩個或者兩個以上多個微槽內(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熱 釋氣劑分解動力學(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微槽形 成密封腔體，鍵合方法可以采用陽極鍵合，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，作用于通過微通道相連的多 個微槽對應(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。由于多個微槽通過微通道互連，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(shù)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，同時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MEMS微腔時，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(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，刻蝕的時間較短，容易進(jìn)行。實(shí)施例4玻璃微腔的正壓制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，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，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(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，刻蝕時間為1.5 2. 5h第二步，在數(shù)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(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，美國康 寧-corning公司生產(chǎn)，市場可購得，通常已經(jīng)經(jīng)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(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(kuò)散至整個密封系統(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(一個大氣壓)下退火消除應(yīng)力。
第五步，利用劃片機(jī)將數(shù)個內(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，形成圓片級圓片級球形微腔。
權(quán)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，其特征在于，包括以下步驟第一步，在硅圓片上(7)制造要求不同品質(zhì)因子的至少兩個MEMS器件(8)，硅圓片上作為絕緣層的二氧化硅層厚度為0.1 0.5微米，第二步，在玻璃圓片上對應(yīng)于上述MEMS器件的位置采用熱成型方法制備密封MEMS芯片的玻璃微腔(5)，并在玻璃微腔(5)內(nèi)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器件的硅圓片進(jìn)行陽極鍵合，從而對MEMS器件進(jìn)行氣密封裝，第四步，采用激光對封裝MEMS芯片的玻璃微腔(5)中的吸氣劑進(jìn)行選擇性的加熱使其吸氣，從而使腔內(nèi)的器件運(yùn)動的品質(zhì)因子變化。
2.根據(jù)權(quán)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，其特征 在于，所述二氧化硅層的厚度為0. 2-0. 4微米。
3.根據(jù)權(quán)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，其特征 在于，所述吸氣劑為鋯基吸氣劑。
4.根據(jù)權(quán)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 征在于，所述采用熱成型方法制備密封MEMS芯片的玻璃微腔(5)的玻璃圓片方法為在硅 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 大于微通道寬度的10倍，在其中的至少一個微槽內(nèi)放置適量熱釋氣劑(3)，相應(yīng)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(chǎn)生正壓力，作用于通過微通道(4)相連的多個微槽(1)對應(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，去除硅襯底，得到密封MEMS芯片用的玻璃微腔 (5)。
5.根據(jù)權(quán)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 特征在于，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(jù)權(quán)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，其特征 在于，熱釋氣劑為碳酸鈣粉末或者氫化鈦粉末。
7.根據(jù)權(quán)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，其特征 在于，加熱使玻璃軟化的溫度為760V -900°C。
8.根據(jù)權(quán)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，其特征 在于制備圓片級MEMS微腔時，微槽的最小槽寬大于微通道寬度的50倍。
9.根據(jù)權(quán)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，其特征 在于在所述Si圓片上刻槽的方法為濕法腐蝕工藝。
10.根據(jù)權(quán)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 征在于，第四步中的加熱溫度為880 0C 890 0C。
11.根據(jù)權(quán)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 征在于微槽的深度為50-100微米。
全文摘要
本發(fā)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，在硅圓片上制造要求不同品質(zhì)因子的至少兩個MEMS器件，第二步，在玻璃圓片上對應(yīng)于上述MEMS器件的位置采用熱成型方法制備密封MEMS芯片的玻璃微腔的玻璃圓片，并在封裝MEMS芯片的玻璃微腔內(nèi)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器件的硅圓片進(jìn)行陽極鍵合，從而對MEMS器件進(jìn)行氣密封裝，第四步，采用激光對封裝MEMS芯片的玻璃微腔中的吸氣劑進(jìn)行選擇性的加熱使其吸氣，從而使腔內(nèi)的品質(zhì)因子變化。本發(fā)明在各個腔內(nèi)設(shè)置吸氣劑，通過加熱活化，選擇性的改變封裝腔內(nèi)的品質(zhì)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(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 申請人:東南大學(xué)