基于硅-玻璃鍵合的mems光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)、光通信、光傳感器、光譜分析、可調(diào)激光器領(lǐng)域，特別是涉及一種基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]可調(diào)諧光學(xué)功能的MEMS芯片是智能光通信或光纖傳感中的關(guān)鍵器件，常見的包括光衰減器(VOA)、光開關(guān)、光可調(diào)濾波器等。MEMS光學(xué)芯片一般包括可動光學(xué)微鏡及相應(yīng)的微驅(qū)動器、微結(jié)構(gòu)，其對環(huán)境清潔度要求極高，通常只能在1000級的凈化環(huán)境中才能暴露于空氣中，同時對空氣濕度也比較敏感，很多MEMS光學(xué)芯片由于沒解決好封裝問題而不能實(shí)際應(yīng)用。氣密性封裝是MEMS光學(xué)芯片實(shí)際應(yīng)用必須解決的技術(shù)問題。MEMS光學(xué)芯片的劃片工藝也是MEMS光學(xué)芯片生產(chǎn)的瓶頸工藝，其原因是光學(xué)鏡面、可動微結(jié)構(gòu)不能經(jīng)受普通的機(jī)械劃片或激光劃片的沖水，劃片時產(chǎn)生的硅渣導(dǎo)致MEMS光學(xué)芯片的失效而降低芯片的成品率，即使不失效也大大增加了芯片的硅渣清潔工作量。解決這一劃片難題的根本辦法是在劃片之前對MEMS光學(xué)芯片進(jìn)行圓片級密封封裝。
[0003]MEMS光學(xué)芯片由于其微結(jié)構(gòu)而不能直接暴露在光學(xué)封裝車間中，逼迫MEMS光器件封裝廠商必須改造原有的光學(xué)封裝車間為1000級凈化廠房，極大地增加了生產(chǎn)成本。MEMS光器件封裝的氣密封裝要求，不同于通常的光器件封裝工藝，需要廠商增加氣密性封裝專用設(shè)備。而MEMS光學(xué)芯片的圓片級封裝可在MEMS芯片制造工廠內(nèi)解決MEMS光學(xué)芯片的氣密封裝，使MEMS光學(xué)芯片的封裝可以在普通的光學(xué)封裝廠房內(nèi)完成器件光電封裝。
[0004]目前MEMS光學(xué)芯片的封裝采用半導(dǎo)體激光器、探測器的封裝工藝，即采用TO封裝或蝶形封裝，將MEMS光學(xué)芯片通過帶光學(xué)窗口的金屬管殼的平行封焊來實(shí)現(xiàn)氣密封裝。在其管座上設(shè)計氣密的電引線，光學(xué)窗口通過玻璃密封焊接在管殼的頂端，因此可以實(shí)現(xiàn)MEMS光學(xué)芯片的氣密封裝，但其成本較高。
[0005]目前MEMS光器件封裝廠家主要采用單芯片管殼+準(zhǔn)直器的方法實(shí)現(xiàn)封裝，實(shí)現(xiàn)氣密封裝比較困難。采用單芯片管殼封裝，不僅封裝效率低，還存在熱應(yīng)力較大的問題。MEMS光學(xué)芯片的封裝的單只、手工方式，不能批量化、自動化生產(chǎn)，因此MEMS光器件的封裝成本非常高，占MEMS光器件總成本的60%?80%，MEMS光學(xué)芯片封裝效率與成本已成為MEMS光器件生產(chǎn)中關(guān)鍵問題。
[0006]鑒于單芯片封裝的低效率、高成本，MEMS器件的圓片級封裝是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。圓片級封裝能夠在晶圓上實(shí)現(xiàn)同時封裝成千上萬的芯片，而不是一次一只芯片，從而顯著降低了勞動力和設(shè)備投入，極大地提高封裝效率，而且也可減少背部減薄、探測及分類等工藝步驟，提供更經(jīng)濟(jì)的裝配工藝過程，而不用考慮芯片大小和引線數(shù)。圓片級封裝除能獲得減小芯片尺寸、大幅度增加單晶圓的芯片數(shù)量而產(chǎn)生規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益之外，圓片級技術(shù)允許基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和單個部件的減少，不再需要引線框架、模塑、切筋成形、粘片和絲焊工藝技術(shù)。目前，MEMS傳感器正在發(fā)展圓片級封裝技術(shù)，可以大幅度降低MEMS傳感器的封裝成本，但MEMS光器件還無法實(shí)現(xiàn)圓片級封裝，其主要原因是MEMS光器件需要光學(xué)窗口，而光學(xué)窗口材料通常采用玻璃等加工困難的材料，尤其是電極引線較為困難。圓片級封裝與MEMS光學(xué)芯片的制造工藝不兼容，需從MEMS光學(xué)芯片的整個工藝考慮圓片級封裝工藝，封裝材料、封裝工藝的選擇存在較大的困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)及封裝方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中MEMS光學(xué)芯片的圓片級封裝交困難的問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)，包括:
[0009]第一部件，包括光學(xué)玻璃，其上表面鍍制上光學(xué)增透膜，下表面形成有空腔，為MEMS光學(xué)芯片提供氣密性的微鏡運(yùn)動空間，所述空腔上表面達(dá)到光學(xué)面光潔度要求，并鍍制有下光學(xué)增透膜；
[0010]第二部件，包括MEMS光學(xué)芯片，所述MEMS光學(xué)芯片在MEMS驅(qū)動器的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)對光信號的操控；
[0011 ] 所述第一部件及第二部件通過硅-玻璃鍵合實(shí)現(xiàn)圓片級鍵合，并為每個MEMS光學(xué)芯片形成獨(dú)立的密封腔體。
[0012]作為本發(fā)明的基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述MEMS光學(xué)芯片包括體硅襯底、活動腔體、位于所述活動腔體內(nèi)并由彈性梁機(jī)構(gòu)固接于體硅襯底上的可動光學(xué)微鏡、位于所述可動光學(xué)微鏡表面的高反射膜、以及設(shè)置于所述活動腔體外側(cè)的電極焊盤，其中，所述電極焊盤與活動腔體之間的體硅襯底具有裸露的硅表面。
[0013]作為本發(fā)明的基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述的光學(xué)玻璃為適合硅-玻璃鍵合的玻璃材料，所述光學(xué)玻璃鍵合于所述體硅襯底的裸露的硅表面，鍵合后形成的密封腔體的漏率為10_8?10 -10Btm.cc/s。
[0014]進(jìn)一步地，所述第一部件及第二部件鍵合后，所述電極焊盤位于所述密封腔體的外側(cè)。
[0015]作為本發(fā)明的基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述的光學(xué)玻璃在對應(yīng)MEMS光學(xué)芯片的電極焊盤的下表面制作有長條狀空腔。
[0016]作為本發(fā)明的基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝結(jié)構(gòu)的一種優(yōu)選方案，所述的光學(xué)玻璃制作有TGV結(jié)構(gòu)，其位置與MEMS光學(xué)芯片的電極焊盤位置一一對應(yīng)，在第一部件及第二部件進(jìn)行硅-玻璃鍵合后，所述TGV結(jié)構(gòu)直接將MEMS光學(xué)芯片的電極焊盤引至光學(xué)玻璃的上表面。
[0017]本發(fā)明還提供一種基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝方法，包括步驟:
[0018]A)第一部件的制備:制備出下表面具有空腔光學(xué)玻璃，所述腔體的通光表面達(dá)到光學(xué)面的要求，用硬掩膜選擇性蒸鍍方法在腔體表面蒸鍍下光學(xué)增透膜，然后在光學(xué)玻璃的上表面蒸鍍上光學(xué)增透膜；
[0019]B)第二部件的制備:采用MEMS工藝制備出的MEMS光學(xué)芯片的圓片；
[0020]C)硅-玻璃鍵合:將所述第一部件及第二部件采用硅-玻璃鍵合工藝進(jìn)行對準(zhǔn)鍵合，為每個MEMS光學(xué)芯片形成獨(dú)立的密封腔體；
[0021]D)電極裸露:采用劃片機(jī)的寬刀片沿鍵合晶圓片劃片槽在光學(xué)透明基體上進(jìn)行劃片操作，控制劃片機(jī)的劃片深度，使得劃片操作將整個鍵合晶圓片中所有MEMS光學(xué)芯片單元的電極焊盤暴露，并不劃傷電極焊盤；
[0022]或者采用噴沙工藝將電極焊盤處的光學(xué)透明基體去除，露出電極焊盤；
[0023]E)芯片分離:采用劃片機(jī)窄刀片沿劃片槽將整個鍵合圓片分隔成各個獨(dú)立的封裝單元。
[0024]作為本發(fā)明的基于硅-玻璃鍵合的MEMS光學(xué)芯片的封裝方法的一種優(yōu)選方案，所述MEMS光學(xué)芯片包括體硅襯底、活動腔體、位于所述活動腔體內(nèi)并由彈性梁機(jī)構(gòu)固接于體硅襯底上的可動光學(xué)微鏡、位于所述可動光學(xué)微鏡表面的高反射膜、以及設(shè)置于所述活動腔體外側(cè)的電極焊盤，其中，所述電極焊盤與活動腔體之間的體硅襯底具有裸露的硅表面。<