專利名稱：玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))封裝技術(shù)，尤其涉及一種玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法。
背景技術(shù)：
玻璃微結(jié)構(gòu)在三維MEMS微結(jié)構(gòu)制造、微流體和MOEMS (微光學(xué)機(jī)電系統(tǒng))等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。當(dāng)前，制備玻璃微腔的方法主要有自膨脹法和正壓熱成型方法。例如美國(guó)加州大學(xué)埃爾文分校采用自膨脹方法加工玻璃微腔。它通過在鍵合過程中密封入氣體，再將氣在空氣中加熱，腔內(nèi)的氣體由于熱膨脹而使得軟化后的玻璃熱成型。這種方法的缺點(diǎn)在于制備過程必須在超過一個(gè)大氣壓力下鍵合，對(duì)設(shè)備的要求較高，成本很高。因此通常采用的方法是在一個(gè)大氣壓力以內(nèi)的氣氛下鍵合，但是這又要求通過深刻蝕工藝刻蝕深孔和加厚的硅片來增加密封氣體的量，這也會(huì)進(jìn)一步增加成本。而且，它制備的玻璃微腔的尺寸受到氣體量的限制，有很大的局限性，不利于精確控制。另一方面，玻璃和硅圓片往往有一些不平整度，在一定氣氛壓力下進(jìn)行鍵合，容易將氣體密封至不平整的表面間隙，從而影響隨后的鍵合過程，造成鍵合質(zhì)量較低。這不僅增加了工藝的復(fù)雜度，而且不平整表面間隙中密封的氣體，會(huì)產(chǎn)生一些嚴(yán)重的缺陷?，F(xiàn)有技術(shù)中刻蝕深寬比較大的腔需要采用干法工藝，工藝成本較高，同時(shí)花費(fèi)大量的時(shí)間。如果采用鍵合工藝提供額外的腔體，其方法復(fù)雜，成本較高，而且高溫硅硅鍵合容易使得硅片翹曲，需要額外的退火工藝，增加工藝復(fù)雜度。申請(qǐng)者曾采用正壓熱成型方法制備玻璃微腔，采用高溫?zé)後寶鈩┓勰┰诟邷叵箩尫懦鰵怏w形成正壓力成型。但是，這種方法的問題在于在量產(chǎn)過程中，高溫?zé)後寶鈩┓勰┤菀讓?duì)超凈間造成污染，從而影響微電子器件的可靠性。此外，微量高溫?zé)後寶鈩┓勰╇y以進(jìn)行精確定量稱量，并放置硅槽內(nèi)，也是該方法量產(chǎn)的一大障礙。因此，亟需發(fā)展一種低成本、成品率高的玻璃微腔的制備方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種低成本、成品率高的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法。一種玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，包括以下步驟
第一步，在襯底上刻蝕形成微型凹槽陣列；
第二步，將玻璃片與上述襯底粘結(jié)，使得微型凹槽密封；
第三步，將上述粘結(jié)好的玻璃片和襯底放置在高壓氫氣中加熱，加熱溫度低于玻璃的軟化點(diǎn)溫度，并保溫，使氫氣滲透至微型凹槽內(nèi)，直至微型凹槽內(nèi)外壓力達(dá)到平衡；
第四步，將上述玻璃片和襯底在0-1大氣壓力的氛圍下加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度及以上并保溫，待密封的微型凹槽內(nèi)壓縮氫氣膨脹產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對(duì)應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，得到圓片級(jí)玻璃微腔陣列；
上述技術(shù)方案中，所述襯底材料為硅。所述第二步的粘結(jié)方法為在真空或一定壓力下陽極鍵合，陽極鍵合條件為電壓600V，溫度為400°C。所述的第三步的高壓為1. 5atm-200atm，加熱溫度為100-400°C，保溫時(shí)間為O. 5-100小時(shí)。所述的第四步的加熱溫度為820°C 890°C，保溫時(shí)間為3-8分鐘。所述的第四步的冷卻到常溫中可加入退火步驟。所述的退火工藝條件為退火溫度范圍在510°C飛60°C，退火保溫時(shí)間為30min，然后自然冷卻至常溫。所述的玻璃片為硼硅玻璃圓片。所述的玻璃片為硼硅玻璃。所述的玻璃片為Pyrex7740玻璃。所述的第三步的高壓優(yōu)選為1. 5atm_100atm，加熱溫度優(yōu)選為100-300°C，保溫時(shí)間優(yōu)選為5-30小時(shí)。
本發(fā)明獲得如下效果1.本發(fā)明通過真空下粘合密封凹槽，再將密封凹槽放置在高壓氫氣下加熱，利用在較高溫度下氫氣在玻璃中擴(kuò)散速度較快的特點(diǎn)，使得高壓氫快速擴(kuò)散至密封真空槽內(nèi)，達(dá)到壓力平衡，從而成功在密封微槽內(nèi)密封高壓力的氫氣，以作為玻璃正壓熱成型的驅(qū)動(dòng)力。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
一、高壓氫氣的壓力范圍在1.5atm-200atm范圍內(nèi)精確可調(diào)，因而所制備的玻璃微結(jié)構(gòu)的尺寸也在寬范圍內(nèi)精確可調(diào)，根據(jù)PV=nRT，寬范圍可調(diào)的氣體壓力也使得需要刻蝕的硅微槽的深度較小(硅微槽的體積因而較小)；熱成型過程是在0-1大氣壓力的氛圍下進(jìn)行，使用普通的帶有淺凹槽的襯底硅片和一般設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)，工藝簡(jiǎn)單，成本低；
二、玻璃和硅圓片的鍵合過程是在真空狀態(tài)下進(jìn)行的，因而鍵合質(zhì)量較高，熱成型后不容易產(chǎn)生缺陷；
三、本工藝過程無粉末和顆粒，因此可以在超凈間內(nèi)進(jìn)行，不會(huì)對(duì)超凈間產(chǎn)生污染，可以進(jìn)行批量生產(chǎn)。2.本發(fā)明選用的硼硅玻璃，熱膨脹系數(shù)小，與硅進(jìn)行陽極鍵合可對(duì)微腔進(jìn)行密封，不會(huì)產(chǎn)生過大的熱應(yīng)力，更有利于玻璃微腔的成型。3.本發(fā)明采用微通道將硅微槽連接起來，可以使得連通的腔內(nèi)氣氛壓力一致，更加有利于尺寸的均勻性控制，并進(jìn)行圓片級(jí)制備。4.本發(fā)明采用高壓氫氣提供氣源用于成型球形玻璃微腔，具有成本低、方法簡(jiǎn)單、球形度好的特點(diǎn)。本發(fā)明僅需要刻蝕較淺的微型凹槽，因而成本較低，方法簡(jiǎn)單。5.本發(fā)明采用陽極鍵合工藝形成密閉空腔，該工藝具有鍵合強(qiáng)度高，密閉性好的優(yōu)點(diǎn)，在熱成型加熱過程中不易發(fā)生氣體泄漏而引起成型失敗。在溫度400°C，電流電壓為600V的條件下，陽極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。6.采用退火工藝可以有效的消除玻璃成型過程中形成的應(yīng)力，從而增加其強(qiáng)度。在該退火溫度下退火溫度為510°C 560°C范圍內(nèi)，保溫時(shí)間為30分鐘，然后緩慢冷卻到室溫。在該條件下退火，既能有效退去應(yīng)力，還能夠使得微腔的形狀基本無改變，而退火溫度過高易導(dǎo)致微腔形狀發(fā)生變化不利于后道的封裝，而過低的退火溫度則無法有效去除玻璃內(nèi)部應(yīng)力。7.本發(fā)明可采用濃度為25%的TMAH溶液去除玻璃微腔上的硅圓片，這樣可以有效地去除硅片而不腐蝕玻璃，硅圓片與玻璃圓片的選擇比為1000:1。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，工藝過程簡(jiǎn)單可靠，進(jìn)一步降低了成本，可實(shí)現(xiàn)玻璃微腔的圓片級(jí)制造，尤其是濕法刻蝕工藝，成本更低。
8.本發(fā)明的技術(shù)方案相對(duì)于用高溫釋氣劑作為驅(qū)動(dòng)力的方法，不需要放置粉末，因此不被玻璃微凹槽的體積所限制，可以制備更小尺寸的玻璃微結(jié)構(gòu)。


圖1為帶有微槽的硅圓片和玻璃圓片截面示意圖。圖2為熱成型形成玻璃微腔以后的截面示意圖(未去除硅模具)。圖3為帶有微通道的鍵合圓片俯視示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
一種玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，包括以下步驟
第一步，在襯底上刻蝕形成微型凹槽陣列。該襯底材料可以是單晶硅圓片，也可以是藍(lán)寶石、紅寶石等高熔點(diǎn)的晶體，微凹槽的尺寸可以是幾十微米至幾毫米，深度可以是10微米至400微米。第二步，將玻璃片與上述襯底粘結(jié)，使得微型凹槽密封。玻璃片可以選擇為硼硅玻璃圓片，例如美國(guó)康寧公司的Pyrex7740玻璃，或者采用石英玻璃等；
粘結(jié)方法需要能夠承受后面的高溫加熱工藝而不發(fā)生泄漏，可以采用玻璃焊料粘結(jié)，或者采用硼砂，或者采用陽極鍵合工藝進(jìn)行；鍵合可在真空條件下進(jìn)行，鍵合面上不易產(chǎn)生缺陷，譬如O. OOOlPa-lPa，例如O.1Pa ;也可以在一定壓力條件下進(jìn)行，壓力范圍為最好不要超過lOOPa，這樣不會(huì)影響鍵合面的鍵合質(zhì)量，保證鍵合效果；
第三步，將上述粘結(jié)好的玻璃片和襯底放置在高壓氫氣中加熱，加熱溫度低于玻璃的軟化點(diǎn)溫度，并保溫，使氫氣滲透至微型凹槽內(nèi)，直至微型凹槽內(nèi)外壓力達(dá)到平衡。所述的高壓氫氣的壓力為1. 5atm-200atm,例如5atm, 15atm, 20atm, 50atm,105atm,壓力范圍優(yōu)選1. 5atm-100atm,該壓力范圍對(duì)于設(shè)備的要求較低，可以降低工藝成本。壓力的大小根據(jù)所需成型的玻璃微腔的尺寸而確定，如需形成較大的腔，需要較高的氫氣壓力，從而提供更多的氣體，加熱溫度可以為150°C，200°C，250°C，350°C，優(yōu)選100-3000C ;該溫度范圍內(nèi)，氫氣通過玻璃等材料向密封腔內(nèi)的滲透速度最快，因此效率較高，成本較低。保溫時(shí)間為0. 5-100小時(shí)，優(yōu)選5-30小時(shí)，該時(shí)間范圍下，氫氣壓力在密封腔內(nèi)外能夠達(dá)到較為充分的平衡，成本較低，例如10小時(shí)，30小時(shí)，50小時(shí)，80小時(shí)。上述高壓氫可在高壓儲(chǔ)氫罐中進(jìn)行，鍵合片可以在高壓儲(chǔ)氫罐的載物臺(tái)上加熱，溫度可調(diào)。第四步，將上述玻璃片和襯底在0-1個(gè)氣壓力的氛圍下，例如0. 5個(gè)大氣壓、0. 8個(gè)大氣壓，加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度及以上并保溫，待密封的微型凹槽內(nèi)壓縮氫氣膨脹產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對(duì)應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，得到圓片級(jí)玻璃微腔陣列。上述技術(shù)方案中，所述襯底材料為硅，所述第二步的粘結(jié)方法為在真空或一定壓力下陽極鍵合，陽極鍵合條件為電壓600V，溫度為400°C。所述的第四步的加熱溫度為820°C 89(rC，保溫時(shí)間為3-8分鐘。所述的第四步的冷卻到常溫中可加入退火步驟。所述的退火工藝條件為退火溫度范圍在510°C飛60°C，退火保溫時(shí)間為30min，然后自然冷卻至常溫。所述的玻璃片(6)為硼硅玻璃圓片。所述的玻璃片為硼硅玻璃。所述的玻璃片為Pyrex7740玻璃。所述微型凹槽陣列之間有微通道相連。
實(shí)施例2
一種玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，包括以下步驟
第一步，在4英寸硅圓片上刻蝕微型硅凹槽，微型硅凹槽通過微通道相連，所用硅片是標(biāo)準(zhǔn)厚度的硅片，厚度為500微米，所述微型硅凹槽的深度為200微米，微型硅凹槽的口徑為I毫米的方形凹槽。所述硅圓片上圖形結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法刻蝕工藝，所用的腐蝕液為25%TMAH溶液，溫度為90°C ；
第二步，將玻璃片與上述硅圓片粘結(jié)，使得微型凹槽密封；玻璃片可以選擇為美國(guó)康寧公司的Pyrex7740玻璃，粘結(jié)采用陽極鍵合工藝進(jìn)行，鍵合在真空條件下進(jìn)行，壓力范圍為
O.OOOlPa-1Pa ；
第三步，將上述粘結(jié)好的玻璃片和襯底放置在80atm(80個(gè)大氣壓)壓力的氫氣中加熱至200攝氏度，并保溫5小時(shí)，使氫氣滲透至微型凹槽內(nèi)，直至微型凹槽內(nèi)外壓力達(dá)到平衡；上述高壓氫可在高壓儲(chǔ)氫罐中進(jìn)行，鍵合片可以在高壓儲(chǔ)氫罐的載物臺(tái)上加熱，溫度可調(diào)；
第四步，將上述玻璃片和襯底在I個(gè)大氣壓力的氛圍下加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度及以上并保溫，待密封的微型凹槽內(nèi)壓縮氫氣膨脹產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對(duì)應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，得到圓片級(jí)玻璃微腔陣列；
若需要得到單一的玻璃微結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步采用TMAH水溶液，腐蝕去除硅襯底材料。對(duì)應(yīng)不同的襯底材料，可采用不同的方法進(jìn)行去除。該方法也可以適用于一些其他用途的玻璃微結(jié)構(gòu)的加工，譬如高密度玻璃基板的加工。
權(quán)利要求
1.一種玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于，包括以下步驟第一步，在襯底(I)上刻蝕形成微型凹槽(2)陣列；第二步，將玻璃片(6)與上述襯底(I)粘結(jié)，使得微型凹槽(2)密封；第三步，將上述粘結(jié)好的玻璃片(6)和襯底(I)放置在高壓氫氣中加熱，加熱溫度低于玻璃的軟化點(diǎn)溫度，并保溫，使氫氣滲透至微型凹槽(2)內(nèi)，直至微型凹槽(2)內(nèi)外壓力達(dá)到平衡；第四步，將上述玻璃片(6)和襯底(I)在0-1大氣壓力的氛圍下加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度或以上并保溫，待密封的微型凹槽(2)內(nèi)壓縮氫氣膨脹產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對(duì)應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，得到圓片級(jí)玻璃微腔(8 )陣列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述襯底材料為娃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述第二步的粘結(jié)方法為在真空或一定壓力下陽極鍵合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述的第三步的高壓為1. 5atm-200atm，加熱溫度為100°C _500°C，保溫時(shí)間為O. 5-100小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述的第三步的高壓為1. 5atm-100atm，加熱溫度為100°C -300°C，保溫時(shí)間為5-30小時(shí)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述的第四步的加熱溫度為820°C _890°C，保溫時(shí)間為3-8分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述的第四步的冷卻到常溫中可加入退火步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述的退火工藝條件為退火溫度范圍在510°C _560°C，退火保溫時(shí)間為30分鐘，然后自然冷卻至常溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述的玻璃片(6)為硼硅玻璃。
10.根據(jù)權(quán)利要求10所述的玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，其特征在于所述的玻璃片(6)為 Pyrex7740 玻璃。
全文摘要
本發(fā)明提供一種玻璃微結(jié)構(gòu)加氫正壓熱成型方法，包括以下步驟在襯底上刻蝕形成微型凹槽陣列；將玻璃片與上述襯底粘結(jié)，使得微型凹槽密封；將上述粘結(jié)好的玻璃片和襯底放置在高壓氫氣中加熱，加熱溫度低于玻璃的軟化點(diǎn)溫度，并保溫，使氫氣滲透至微型凹槽內(nèi)，直至微型凹槽內(nèi)外壓力達(dá)到平衡；將上述玻璃片和襯底在0-1大氣壓力的氛圍下加熱至玻璃軟化點(diǎn)溫度及以上并保溫，待密封的微型凹槽內(nèi)壓縮氫氣膨脹產(chǎn)生正壓力使得密封腔體對(duì)應(yīng)的玻璃成型后，再冷卻到常溫，得到圓片級(jí)玻璃微腔陣列。本發(fā)明利用加熱狀態(tài)下高壓氫能夠快速透過玻璃擴(kuò)散入密封微槽內(nèi)的特點(diǎn)，使玻璃熱成型壓力在寬范圍可調(diào)，具有低成本、樣品缺陷少的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102992261SQ20121058905
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月31日
發(fā)明者尚金堂, 鄒羽, 吉宇 申請(qǐng)人:東南大學(xué)