专利名称：一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法
技术领域：
本发明涉及一种吸气剂的集成方法，尤其是涉及一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)传感器例如陀螺仪、加速度计、压力传感器等，已经广泛应用于人们的生产与生活中。MEMS器件的真空封装是一种采用密封腔体提供高气密性环境的封装技术，能够使传感器的性能以及抗干扰能力大幅提升，因此MEMS传感器的封装成为一项关键工艺。目前，就MEMS封装方式而言，可以分为两大类，圆片级封装和芯片级封装，其中圆片级封装相对芯片级封装在效率、成品率以及可靠性等方面都有很大的提升，因此圆片级封装是传感器封装的主流趋势。但是封装后的MEMS器件，腔室内气压较封装工艺时会有所提高，主要原因来自两个，一类是外部气体通过封装产生的微裂缝进入空腔；另一类是空腔内部产生的气体。针对第一类问题，目前可以通过先进的键合工艺有效解决，例如阳极键合技术、硅硅键合技术、 玻璃浆料键合技术等。在第一类问题解决的前提下，第二类由腔室内部产生的气体就成为限制圆片级封装真空度提高的主要原因，内部气体有两种来源主要:一部分是封装过程中工艺直接产生的气体，如阳极键合封装过程中释放的氧气，硅硅键合封装过程中释放的水蒸气，玻璃浆料键合封装过程中挥发的有机物气体；另一部分是吸附在腔室内材料表面的气体被加热后释放，主要为水蒸气(S.H.Choa, Reliability ofvacuum packaged MEMS gyroscopes, Microelectronics Reliability.X 由此可见，第二类即腔室内部产生的气体在封装过程是不可避免的，因此对于需要高真空度封装的MEMS传感器，腔室内部集成吸气剂工艺对提高并保持封装真空度是尤为重要的工艺步骤。传统圆片级封装过程中，主要运用溅射方法将Ti金属薄膜作为MEMS结构吸气剂集成在传感器真空腔内部。该方案制备简单，并且不会造成晶圆污染。但是受溅射薄膜表面积较小的限制，单一金属Ti吸气量较低，因此所能够维持的真空度不高(Moon ChulLee，A high yield rate MEMS gyroscope with a packaged SiOG process, J.Micromech.Microeng.)。目前，吸气剂正朝着新材料、新结构方面发展，从而诞生了一些新型复合非蒸散型、高孔透率、大比表面积以及纳米级别的吸气剂。其中基于碳纳米管基底的纳米吸气剂制备方法(中国专利CN1915798A)就是新型吸气剂工艺方法中的一类。该方法针对现有的吸气剂吸气效率低、真空度维持不高、时间不长等缺点，提出一种在碳纳米管上溅射吸气剂金属Ti，通过碳纳米管的大比表面积大幅提高吸气剂的吸气速率。但是该方法中碳纳米管图案化制备温度较高，制备的过程中会污染晶圆周边，并且污染物无法清洗，因此不能兼容后续圆片级键合封装工艺，另外，由于吸气材料仍为单一金属，同样会导致吸气量较低，因此仍未被广泛应用到MEMS圆片级封装工艺中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有基于碳纳米管基底的纳米吸气剂制备方法中，基底必须耐高温，表面易污染，单一金属吸气效率低等问题，提供能够与MEMS圆片级封装工艺集成的一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法。本发明包括以下步骤:I)在硅/玻璃键合组合片上加工下沉槽以及可动结构；2)在硅片正面加工出定向碳纳米管结构；3)在玻璃片正面图案化印刷玻璃浆料结构，将硅片与玻璃片正面相对置于键合机内，加热到令玻璃浆料结构软化的烧结温度，控制硅片与玻璃片之间距离，使定向碳纳米管结构的上端部分与玻璃浆料结构接触，冷却至室温后分离硅片与玻璃片，实现定向碳纳米管结构粘贴至玻璃片上；4)在定向碳纳米管结构上沉积吸气剂薄膜，得到吸气剂结构；5)将硅/玻璃键合组合片与玻璃片置于键合机内对准，使定向碳纳米管结构置于下沉槽内，在真空条件下， 将硅/玻璃键合组合片与玻璃片键合在一起，形成具有真空度的MEMS器件。在步骤I)中，所述在硅/玻璃键合组合片上加工下沉槽以及可动结构可采用硅微加工工艺。在步骤2)中，所述在硅片正面加工出定向碳纳米管结构可采用微加工工艺，具体步骤如下:将硅片正面通过溅射Al2O3与Fe薄膜作为催化剂，采用等离子化学气相生长(PECVD)工艺整面生长定向碳纳米管结构。在步骤3)中，所述在玻璃片正面图案化印刷玻璃浆料结构可采用丝网印刷方法；所述玻璃片可采用Pyrex7740玻璃片；所述玻璃浆料结构的热膨胀系数选择与玻璃片相近，以减小工艺中的热应力；所述玻璃浆料结构的烧结温度低于玻璃软化温度821°C，且高于阳极键合温度。在步骤4)中，所述在定向碳纳米管结构上沉积吸气剂薄膜可采用溅射方式。在步骤5)中，所述将硅/玻璃键合组合片与玻璃片键合在一起可采用阳极键合方法。本发明最关键的是定向碳纳米管结构的转移，将硅片与玻璃片正面相对置于键合机中，加热至浆料的烧结温度，通过控制硅片与玻璃片的间隔距离和接触压力以保证定向碳纳米管前端部分与玻璃浆料结构接触，冷却后分离硅/玻璃键合组合片与玻璃片，从而使粘附在玻璃浆料结构上的定向碳纳米管转移至玻璃片上；本发明采用硬掩膜阻挡，保证只在定向碳纳米管上溅射成分为Ti/Zr/V合金的吸气剂结构，并且吸气剂结构激活温度选择与阳极键合温度接近；本发明的硅/玻璃键合组合片与玻璃片置于键合机中对准，使沉积有吸气剂结构的定向碳纳米管置于硅/玻璃键合组合片的下沉槽内，在真空的条件下，采用阳极键合技术使硅/玻璃键合组合片与玻璃片键合，实现真空腔室的密封，同时由于键合温度与激活温度接近，吸气剂结构在封装过程中直接激化，从而具有吸气功能。本发明的有益效果为:MEMS圆片级封装中纳米吸气剂工艺集成方法，拓宽了纳米吸气剂的在不同基底上的使用范围，保持了封装基底的洁净度，提高了纳米吸气剂的粘附性，并且在封装工艺过程中可以实现吸气剂直接激活，简化了工艺步骤。
图1为在硅/玻璃组合片上加工可动与下沉槽结构的一种实施方案。图2为在硅片加工定向碳纳米管结构的一种实施方案。图3为在玻璃片加工玻璃浆料结构的一种实施方案。图4为玻璃片转移定向碳纳米管结构的一种实施方案。图5为在玻璃片上加工吸气剂结构的一种实施方案。图6为圆片级封装完成后的剖视图。在图1 6中，各标记为:I可动结构；2下沉槽；3定向碳纳米管；4玻璃浆料；5吸气剂薄膜；01硅/玻璃组合片；02硅片；03玻璃。
具体实施例方式以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。参考图1，通过硅微加工工艺在硅/玻璃键合组合片OI上加工出MEMS下沉槽结构I，可动结构2,下沉深度为 120μηι ;参考图2，通过溅射工艺在硅片02正面整面沉积定向碳纳米管生长所需催化剂Al2O3薄膜IOnm和Fe薄膜Inm ;采用等离子体化学气相沉积工艺(PECVD)，通入流量为20sccm的C2H2气体，在催化剂表面生长定向碳纳米管结构3，生长高度为50 μ m ;参考图3，玻璃片03选择Pyrex7740玻璃片，采用丝网印刷技术在所述玻璃片03正面涂覆一层玻璃浆料结构4，厚度为30 μ m。其中玻璃浆料的热膨胀系数值选择为3.2，浆料烧结温度选择为500°C ；参考图4，将硅片02与玻璃片03正面相对置于键合机中，加热至烧结温度500°C，调节所述硅片02与玻璃片03的接触距离，控制两者间距为60 μ m,使所述玻璃片03上的所述玻璃衆料结构4粘附定向碳纳米管结构3的上端部分大约20 μ m,冷却至室温,分离娃片02与玻璃片03，从而定向碳纳米管结构3被转移至玻璃片03上；参考图5，采用硬掩膜版作为阻挡层，保证只在转移到玻璃片03的定向碳纳米管结构3上溅射沉积成分为Ti/Zr/V合金的吸气剂结构5，Ti/Zr/V合金成分根据吸气性能激活温度400°C选择，吸气剂结构5厚度为Iym;参考图6，将硅/玻璃键合组合片01与玻璃片03放置于键合机中对准，使沉积有吸气剂结构5的定向碳纳米管3置于硅/玻璃键合组合片01的下沉槽I内，抽真空至10_2Pa，并且加热至400°C，使采用阳极键合使硅/玻璃键合组合片01与玻璃片03键合起来，并且同时激活吸气剂吸气性能，最终实现纳米吸气剂工艺在圆片封装中的集成，使封装器件内的真空度长期保持在一个较高的数量级。本发明最关键的是定向碳纳米管结构3的转移，将硅片02与玻璃片03正面相对置于键合机中，加热至浆料的烧结温度，通过控制硅片02与玻璃片03的间隔距离和接触压力以保证定向碳纳米管3前端部分与玻璃浆料结构4接触，冷却后分离硅/玻璃键合组合片01与玻璃片03，从而使粘附在玻璃浆料结构4上的定向碳纳米管3转移至玻璃片03上。本发明的硅/玻璃组合片01上的下沉槽I的深度大于玻璃片03上突起的定向碳纳米管3与玻璃浆料4厚度之和 。
权利要求
1.一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于包括以下步骤: 1)在硅/玻璃键合组合片上加工下沉槽以及可动结构； 2)在硅片正面加工出定向碳纳米管结构； 3)在玻璃片正面图案化印刷玻璃浆料结构，将硅片与玻璃片正面相对置于键合机内，加热到令玻璃浆料结构软化的烧结温度，控制硅片与玻璃片之间距离，使定向碳纳米管结构的上端部分与玻璃浆料结构接触，冷却至室温后分离硅片与玻璃片，实现定向碳纳米管结构粘贴至玻璃片上； 4)在定向碳纳米管结构上沉积吸气剂薄膜，得到吸气剂结构； 5)将硅/玻璃键合组合片与玻璃片置于键合机内对准，使定向碳纳米管结构置于下沉槽内，在真空条件下，将硅/玻璃键合组合片与玻璃片键合在一起，形成具有真空度的MEMS器件。
2.如权利要求1所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于在步骤I)中，所述在硅/玻璃键合组合片上加工下沉槽以及可动结构采用硅微加工工艺。
3.如权利要求1所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于在步骤2)中，所述在硅片正面加工出定向碳纳米管结构采用微加工工艺。
4.如权利要求3所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于所述在硅片正面加工出定向碳纳米管结构采用微加工工艺的具体步骤如下:将硅片正面通过溅射Al2O3与Fe薄膜作为催化剂，采用等离子化学气相生长(PECVD)工艺整面生长定向碳纳米管结构。
5.如权利要求1所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于在步骤3)中，所述在玻璃片正面图案化印刷玻璃浆料结构采用丝网印刷方法。
6.如权利要求1所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于在步骤3)中，所述玻璃片采用PyreX7740玻璃片。
7.如权利要求1所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于在步骤3)中，所述玻璃浆料结构的热膨胀系数选择与玻璃片相近；所述玻璃浆料结构的烧结温度低于玻璃软化温度821°C，且高于阳极键合温度。
8.如权利要求1所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于在步骤4)中，所述在定向碳纳米管结构上沉积吸气剂薄膜采用溅射方式。
9.如权利要求1所述一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，其特征在于在步骤5)中，所述将硅/玻璃键合组合片与玻璃片键合在一起采用阳极键合方法。
全文摘要
一种用于微器件圆片级封装的纳米吸气剂集成方法，涉及一种吸气剂的集成方法。在硅/玻璃键合组合片上加工下沉槽和可动结构；在硅片正面加工定向碳纳米管结构；在玻璃片正面图案化印刷玻璃浆料结构，将硅片与玻璃片正面相对置于键合机内，加热到令玻璃浆料结构软化的烧结温度，控制硅片与玻璃片之间距离，使定向碳纳米管结构的上端部分与玻璃浆料结构接触，冷却后分离硅片与玻璃片，实现定向碳纳米管结构粘贴至玻璃片上；在定向碳纳米管结构上沉积吸气剂薄膜，得吸气剂结构；将硅/玻璃键合组合片与玻璃片置于键合机内对准，使定向碳纳米管结构置于下沉槽内，真空下将硅/玻璃键合组合片与玻璃片键合在一起，形成具有真空度的MEMS器件。
文档编号B81C1/00GK103224219SQ20131011226
公开日2013年7月31日 申请日期2013年4月2日 优先权日2013年4月2日
发明者刘益芳, 占瞻, 何杰, 杜晓辉, 周如海, 蔡建法, 王凌云, 孙道恒 申请人:厦门大学