基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法技术

本发明专利技术提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法，所述封装结构包括：第一部件，包括光学透明基体，其上、下表面分别镀制上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；第二部件，包括中间层；第三部件，包括MEMS光学芯片，其在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；其中，所述中间层将光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。本发明专利技术的封装结构能够独立设计，兼容MEMS光学芯片的工艺要求，能够实现MEMS光学芯片无损封装，有效保证了镜面的光洁度，提升了气密性能。本发明专利技术具有工艺简单，易于批量生产、易于集成、控制等优点，在光学芯片的封装中有着广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法
本专利技术属于微机电系统(MEMS)、光通信、光传感、光谱分析、可调激光器领域，尤其是涉及一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法。
技术介绍
可调谐光学参数或功能的MEMS芯片是智能光通信或光纤传感中的关键器件，常见的包括光衰减器(VOA)、光开关、光可调滤波器等。MEMS光学芯片一般包括可动光学微镜及相应的微驱动器、微结构，其对环境清洁度要求极高，通常只能在1000级及优于1000级的净化环境中才能暴露，同时对空气湿度也比较敏感，很多MEMS光学芯片由于没解决好封装问题而不能实际应用。气密性封装是MEMS光学芯片实际应用必须解决的问题。MEMS光学芯片的划片工艺也是MEMS光学芯片生产的瓶颈工艺，其原因是光学镜面、可动微结构难以经受普通的机械划片或激光划片。机械划片时冲水将损坏芯片，机械划片或激光划片产生的硅渣导致MEMS光学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洁工作量。解决这一划片难题的根本办法是在划片之前对MEMS光学芯片进行圆片级密封封装。MEMS光学芯片由于其微结构而不能直接暴露在现有的光学封装车间中，逼迫MEMS光器件封装厂商必须改造原有的光学封装车间为1000级净化厂房，极大地增加了生产成本。MEMS光器件封装的气密封装要求，不同于通常的光器件封装工艺，需要厂商增加气密性封装专用设备，如平行封焊机等。而MEMS光学芯片的圆片级封装可在MEMS芯片制造工厂内解决MEMS光学芯片的气密封装，使MEMS光学芯片的封装可以在普通的光学封装车间中完成器件封装，将大幅度降低MEMS光学芯片的封装成本。目前MEMS光学芯片的封装沿用半导体激光器、光探测器的封装工艺，即采用TO封装或蝶形封装，将MEMS光学芯片通过带光学窗口的金属管壳的平行封焊来实现气密封装。在其管座上设计有气密的电引线，光学窗口通过玻璃密封焊接在管壳的顶端，因此可以实现MEMS光学芯片的气密封装，但其成本是很高的。目前MEMS光器件封装厂家主要采用单芯片管壳+光准直器的方法实现封装，实现气密封装成本较高。采用单芯片管壳封装，不仅封装效率低，还存在热应力较大的问题。MEMS光学芯片的封装采用单只、手工方式，不能批量化、自动化生产，因此MEMS光器件的封装成本非常高，占MEMS光器件总成本的60％～80％，MEMS光学芯片封装效率与成本已成为MEMS光器件生产中的关键问题。鉴于单芯片封装的低效率、高成本，MEMS器件的圆片级封装是技术发展的必然趋势。圆片级封装能够在晶圆上实现同时封装成千上万的芯片，而不是一次一个芯片，从而显著降低了劳动力消耗和设备投入，极大地提高封装效率，而且也可减少芯片背部减薄、探测及分类等工艺步骤，提供更经济的装配工艺过程，而不用考虑芯片大小和引线数。圆片级封装除能获得减小芯片尺寸、大幅度增加单晶圆的芯片数量而产生规模经济效益之外，圆片级技术允许基础结构和单个部件的减少，不再需要引线框架、模塑、切筋成形、粘片和丝焊工艺技术。目前，MEMS传感器正在发展圆片级封装技术，可以大幅度降低MEMS传感器的封装成本，但MEMS光器件还无法实现圆片级封装，其主要原因是MEMS光器件需要光学窗口，而光学窗口材料通常采用玻璃等加工困难的材料，尤其是电极引线较为困难。采用玻璃基片的圆片级封装与MEMS光学芯片的制造工艺不兼容，需从MEMS光学芯片的整个工艺流程来考虑圆片级封装工艺及流程，封装材料、封装工艺的选择都存在较大的困难。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法，用于解决现有技术中MEMS光学芯片的圆片级封装存在较大困难的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，所述封装结构包括：第一部件，包括光学透明基体，所述光学透明基体上表面及下表面分别镀制上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；第二部件，包括中间层；第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；其中，所述中间层将所述光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。作为本专利技术的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述MEMS光学芯片包括体硅衬底、活动腔体、位于所述活动腔体内并由弹性梁机构固接于体硅衬底上的可动光学微镜、位于所述可动光学微镜表面的高反射膜、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘，其中，所述电极焊盘与活动腔体之间的体硅衬底具有裸露的硅表面。作为本专利技术的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述光学透明基体下表面具有无光学薄膜覆盖的裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体的裸露面以及所述体硅衬底裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体。进一步地，通过所述中间层键合后，所述电极焊盘位于所述密封环的外侧。作为本专利技术的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层的材料包括BCB及玻璃浆料的一种，所形成的密封腔体的漏率为10-5～10-9atm·cc/s。作为本专利技术的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层包括具有图形化通孔的玻璃结构，所述玻璃结构通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体连接。作为本专利技术的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层包括具有图形化通孔及TGV(ThroughGlassVias)结构的玻璃结构，所述玻璃结构通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体连接，并且，所述TGV结构中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘连接。作为本专利技术的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层的高度为1微米～1000微米，宽度为20微米～1500微米。作为本专利技术的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述光学透明基体为对通信波长透明的基片材料，包括玻璃、陶瓷及高电阻率单晶硅中的一种。本专利技术还提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，包括步骤：A)第一部件的制备：采用硬掩膜选择性蒸镀方法于光学透明基体的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜，并于所述光学透明基体的上表面蒸镀上光学增透膜；B)第三部件的制备：采用MEMS工艺制备出的MEMS光学芯片的圆片；C)中间层键合：采用中间层将所述光学透明基体及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体；D)电极裸露：采用划片机的宽刀片沿键合晶圆片划片槽在光学透明基体上进行划片操作，控制划片机的划片深度，使得划片操作将整个键合晶圆片中所有MEMS光学芯片单元的电极焊盘暴露，并不划伤电极焊盘；或者采用喷沙工艺将电极焊盘处的光学透明基体去除，露出电极焊盘；E)芯片分离：采用划片机的窄刀片沿划片槽将整个键合晶圆片分隔成各个独立的封装单元。作为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：第一部件，包括光学透明基体，所述光学透明基体上表面及下表面分别镀制上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；第二部件，包括中间层；第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；其中，所述中间层将所述光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

【技术特征摘要】
1.一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：第一部件，包括光学透明基体，所述光学透明基体上表面及下表面分别镀制上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；第二部件，包括中间层，所述中间层包括具有图形化通孔及TGV结构的玻璃结构，所述玻璃结构通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体连接，并且，所述TGV结构中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘连接；第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；其中，所述中间层将所述光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。2.根据权利要求1所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述MEMS光学芯片包括体硅衬底、活动腔体、位于所述活动腔体内并由弹性梁机构固接于体硅衬底上的可动光学微镜、位于所述可动光学微镜表面的高反射膜、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘，其中，所述电极焊盘与活动腔体之间的体硅衬底具有裸露的硅表面。3.根据权利要求2所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述光学透明基体下表面具有无光学薄膜覆盖的裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体的裸露面以及所述体硅衬底裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体。4.根据权利要求3所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：通过所述中间层键合后，所述电极焊盘位于所述密封环的外侧。5.根据权利要求1～4任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述中间层的高度为1微米～1000微米，宽度为20微米～1500微米。6.根据权利要求1～4任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述光学透明基体为对通信波长透明的基片材料，包括玻璃、陶瓷及高电阻率单晶硅中的一种。7.一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴亚明，翟雷应，沈时强，徐静，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31