[发明专利]微结构封装方法及封装器件

说明书

本公开提供了一种微结构封装方法，包括：在单晶硅圆片上表面刻蚀出导电硅柱和硅凹槽，硅凹槽底部与单晶硅圆片背面之间剩余的单晶硅材料为微结构功能层；将玻璃粉末填充至硅凹槽内；以玻璃粉末软化点以上的温度，高温烧结玻璃粉末，形成玻璃体；在单晶硅圆片背面刻蚀出包含功能结构和电学连接结构的微结构和边框；盖帽与边框通过键合工艺粘接，将微结构密闭封装；以及在导电硅柱上沉积金属电极，实现与外部电路的欧姆接触。

技术领域

本公开属于微机电系统技术领域，特别涉及一种微结构封装方法，还涉及一种封装器件。

背景技术

在微机电系统领域，惯用微米尺寸的微腔结构对器件进行密闭封装，对器件起到物理保护的作用，也能隔离封装内外的环境，例如实现器件工作在真空环境中。硅-玻璃阳极键合技术是目前应用最为成熟的微结构封装方法，但是随着微结构向集成化的方向不断发展，信号传输互连互通的高度复杂化成为阳极键合封装面临的重大难题。玻璃通孔(Through Glass Via，TGV)技术被认为是解决该难题的下一代三维集成关键技术，其最终形态一般是整面玻璃圆片内嵌有规则布局的导电介质体，导电介质体直接实现封装内部结构与外界的电学互连互通。TGV技术在微探针，微光路，微腔体和微沟道，电容压力传感器，谐振器和力敏传感器等制备和封装中的优势已初步显现。在过去十几年里，众多的TGV实现方法被提出。依据其导电介质制备的先后顺序不同，可概括为填孔法和埋柱法两类。

填孔法先在玻璃片上制备孔或槽，填充导电介质体后，再执行平坦化。其中成孔工艺决定了TGV封装中导电介质体的分布密度、成型质量和密封效果。虽然目前已有填孔法制备的商品化TGV封装结构，但由于高深宽比玻璃微纳结构的加工技术未能得到有效突破，填孔法大多存在导电介质体间距较大、成孔工艺复杂、一致性差、填充不密实、玻璃基底存在缺陷等严重共性技术问题。

埋柱法先制备导电介质体，圆片玻璃热熔后将导电介质体包埋，再执行平坦化。其典型工艺路线被称为“硅内玻璃回流(Glass-in-silicon reflow)”。以高深宽比(可达100∶1)的导电介质硅微结构作为模具，模具上的玻璃片热熔回流填充硅柱间隙(间距可达2μm)，使得制备高密度TGV封装出现了新的契机。但是随着玻璃回流向复杂化和高密度化趋势的发展，埋柱法普遍存在前后道工艺复杂、成品率低、微孔/槽边缘填充不足、小腔体填充速度慢、残余应力大等问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于微纳米玻璃粉末固态填充的微结构封装方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种微结构封装方法，其特征在于，包括：

在单晶硅圆片上表面刻蚀出导电硅柱和硅凹槽，硅凹槽底部与单晶硅圆片背面之间剩余的单晶硅材料为微结构功能层；

将玻璃粉末填充至硅凹槽内；

以玻璃粉末软化点以上的温度，高温烧结玻璃粉末，形成玻璃体；

在单晶硅圆片背面刻蚀出包含功能结构和电学连接结构的微结构和边框；

盖帽与边框通过键合工艺粘接，将微结构密闭封装；

在导电硅柱上沉积金属电极，实现与外部电路的欧姆接触。

在进一步的实施方案中，所述导电硅柱截面为圆柱形、多边棱柱和/或多边棱台。

在进一步的实施方案中，所述玻璃粉末填充至硅凹槽的厚度低于导电硅柱的高度。

在进一步的实施方案中，所述玻璃粉末填充时通过硬板掩模进行填充。

在进一步的实施方案中，所述玻璃粉末填充时使玻璃粉末沉积密实的振动的施加方向要与单晶硅圆片表面垂直。