基于中間層鍵合的mems光學芯片的封裝結構及封裝方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于微機電系統(MEMS)、光通信、光傳感、光譜分析、可調激光器領域，尤其是涉及一種基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構及封裝方法。
【背景技術】
[0002]可調諧光學參數或功能的MEMS芯片是智能光通信或光纖傳感中的關鍵器件，常見的包括光衰減器(VOA)、光開關、光可調濾波器等。MEMS光學芯片一般包括可動光學微鏡及相應的微驅動器、微結構，其對環境清潔度要求極高，通常只能在1000級及優于1000級的凈化環境中才能暴露，同時對空氣濕度也比較敏感，很多MEMS光學芯片由于沒解決好封裝問題而不能實際應用。氣密性封裝是MEMS光學芯片實際應用必須解決的問題。MEMS光學芯片的劃片工藝也是MEMS光學芯片生產的瓶頸工藝，其原因是光學鏡面、可動微結構難以經受普通的機械劃片或激光劃片。機械劃片時沖水將損壞芯片，機械劃片或激光劃片產生的硅渣導致MEMS光學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光學芯片進行圓片級密封封裝。
[0003]MEMS光學芯片由于其微結構而不能直接暴露在現有的光學封裝車間中，逼迫MEMS光器件封裝廠商必須改造原有的光學封裝車間為1000級凈化廠房，極大地增加了生產成本。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備，如平行封焊機等。而MEMS光學芯片的圓片級封裝可在MEMS芯片制造工廠內解決MEMS光學芯片的氣密封裝，使MEMS光學芯片的封裝可以在普通的光學封裝車間中完成器件封裝，將大幅度降低MEMS光學芯片的封裝成本。
[0004]目前MEMS光學芯片的封裝沿用半導體激光器、光探測器的封裝工藝，即采用TO封裝或蝶形封裝，將MEMS光學芯片通過帶光學窗口的金屬管殼的平行封焊來實現氣密封裝。在其管座上設計有氣密的電引線，光學窗口通過玻璃密封焊接在管殼的頂端，因此可以實現MEMS光學芯片的氣密封裝，但其成本是很高的。
[0005]目前MEMS光器件封裝廠家主要采用單芯片管殼+光準直器的方法實現封裝，實現氣密封裝成本較高。采用單芯片管殼封裝，不僅封裝效率低，還存在熱應力較大的問題。MEMS光學芯片的封裝采用單只、手工方式，不能批量化、自動化生產，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光學芯片封裝效率與成本已成為MEMS光器件生產中的關鍵問題。
[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發展的必然趨勢。圓片級封裝能夠在晶圓上實現同時封裝成千上萬的芯片，而不是一次一個芯片，從而顯著降低了勞動力消耗和設備投入，極大地提高封裝效率，而且也可減少芯片背部減薄、探測及分類等工藝步驟，提供更經濟的裝配工藝過程，而不用考慮芯片大小和引線數。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量而產生規模經濟效益之外，圓片級技術允許基礎結構和單個部件的減少，不再需要引線框架、模塑、切筋成形、粘片和絲焊工藝技術。目前，MEMS傳感器正在發展圓片級封裝技術，可以大幅度降低MEMS傳感器的封裝成本，但MEMS光器件還無法實現圓片級封裝，其主要原因是MEMS光器件需要光學窗口，而光學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。采用玻璃基片的圓片級封裝與MEMS光學芯片的制造工藝不兼容，需從MEMS光學芯片的整個工藝流程來考慮圓片級封裝工藝及流程，封裝材料、封裝工藝的選擇都存在較大的困難。
【發明內容】
[0007]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構及封裝方法，用于解決現有技術中MEMS光學芯片的圓片級封裝存在較大困難的問題。
[0008]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構，所述封裝結構包括:
[0009]第一部件，包括光學透明基體，所述光學透明基體上表面及下表面分別鍍制上光學增透膜及圖形化的下光學增透膜；
[0010]第二部件，包括中間層；
[0011]第三部件，包括MEMS光學芯片，所述MEMS光學芯片在MEMS驅動器的作用下實現對光束的操控；
[0012]其中，所述中間層將所述光學透明基體與MEMS光學芯片連接在一起，實現第一部件及第三部件的圓片級鍵合，并為每個MEMS光學芯片形成獨立的密封腔體。
[0013]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構的一種優選方案，所述MEMS光學芯片包括體硅襯底、活動腔體、位于所述活動腔體內并由彈性梁機構固接于體硅襯底上的可動光學微鏡、位于所述可動光學微鏡表面的高反射膜、以及設置于所述活動腔體外側的電極焊盤，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。
[0014]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構的一種優選方案，所述光學透明基體下表面具有無光學薄膜覆蓋的裸露面，所述中間層鍵合于所述光學透明基體的裸露面以及所述體硅襯底裸露的硅表面之間，形成密封環，所述密封環使得所述光學透明基體及每個MEMS光學芯片間形成獨立的密封腔體。
[0015]進一步地，通過所述中間層鍵合后，所述電極焊盤位于所述密封環的外側。
[0016]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構的一種優選方案，所述中間層的材料包括BCB及玻璃漿料的一種，所形成的密封腔體的漏率為10_5?109atm.cc/s0
[0017]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構的一種優選方案，所述中間層包括具有圖形化通孔的玻璃結構，所述玻璃結構通過陽極鍵合的方式與所述MEMS光學芯片連接，并通過BCB鍵合的方式與所述光學透明基體連接。
[0018]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構的一種優選方案，所述中間層包括具有圖形化通孔及TGVCThrough Glass Vias)結構的玻璃結構，所述玻璃結構通過陽極鍵合的方式與所述MEMS光學芯片連接，并通過BCB鍵合的方式與所述光學透明基體連接，并且，所述TGV結構中的金屬與MEMS光學芯片中的電極焊盤連接。
[0019]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構的一種優選方案，所述中間層的高度為I微米?1000微米，寬度為20微米?1500微米。
[0020]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝結構的一種優選方案，所述光學透明基體為對通信波長透明的基片材料，包括玻璃、陶瓷及高電阻率單晶硅中的一種。
[0021]本發明還提供一種基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝方法，包括步驟:
[0022]A)第一部件的制備:采用硬掩膜選擇性蒸鍍方法于光學透明基體的下表面蒸鍍圖形化的下光學增透膜，并于所述光學透明基體的上表面蒸鍍上光學增透膜；
[0023]B)第三部件的制備:采用MEMS工藝制備出的MEMS光學芯片的圓片；
[0024]C)中間層鍵合:采用中間層將所述光學透明基體及MEMS光學芯片的圓片進行對準鍵合，為每個MEMS光學芯片形成獨立的密封腔體；
[0025]D)電極裸露:采用劃片機的寬刀片沿鍵合晶圓片劃片槽在光學透明基體上進行劃片操作，控制劃片機的劃片深度，使得劃片操作將整個鍵合晶圓片中所有MEMS光學芯片單元的電極焊盤暴露，并不劃傷電極焊盤；
[0026]或者采用噴沙工藝將電極焊盤處的光學透明基體去除，露出電極焊盤；
[0027]E)芯片分離:采用劃片機的窄刀片沿劃片槽將整個鍵合晶圓片分隔成各個獨立的封裝單元。
[0028]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝方法的一種優選方案，步驟B)所述的MEMS光學芯片包括體硅襯底、活動腔體、位于所述活動腔體內并由彈性梁機構固接于體硅襯底上的可動光學微鏡、位于所述可動光學微鏡表面的高反射膜、以及設置于所述活動腔體外側的電極焊盤，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娃表面。
[0029]進一步地，所述光學透明基體下表面具有裸露面，所述中間層鍵合于所述光學透明基體的裸露面以及所述體硅襯底裸露的硅表面之間，形成密封環，所述密封環使得所述光學透明基體及每個MEMS光學芯片間形成獨立的密封腔體，并使得所述電極焊盤位于所述密封環的外側。
[0030]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝方法的一種優選方案，步驟C)包括步驟:
[0031]C-D于所述光學透明基體下表面涂覆光敏BCB膠，并采用光刻工藝形成對應于MEMS光學芯片的密封環圖形；
[0032]C-2)采用BCB鍵合工藝將所述光學透明基體及MEMS光學芯片的圓片進行對準鍵合，為每個MEMS光學芯片形成獨立的密封腔體。
[0033]作為本發明的基于中間層鍵合的MEMS光學芯片的封裝方法的一種優選方案，步驟C)包括步驟:
[0034]C-1)采用絲網印刷工藝將玻璃漿料印刷于所述光學透明基體下表面，形成對應于MEMS光學芯片的密封環圖形；
[0035]C-2)將所述光學透明基體及MEMS光學芯片的