二元光学玻璃透镜的制造及封装ＭＥＭＳ红外探测器的方法技术

本发明专利技术公开了一种二元光学玻璃透镜的制造及封装ＭＥＭＳ红外探测器的方法，包括以下步骤：第一步，根据所要封装的热电堆式红外探测器设计出二元光学掩模板。第二步，使用二元光学掩模板在硅圆片上进行三次嵌套刻蚀，在硅圆片上刻蚀出具有二元光学衍射性质的台阶结构。第三步，将上述的硅圆片与玻璃圆片进行阳极键合，使玻璃圆片与上述特定图案形成真空密封腔体，然后加热使玻璃熔融成型，在玻璃上制作二元光学透镜，然后进行热退火消除玻璃内部应力，并去除硅模具。将透镜玻璃圆片与红外探测器芯片对准，键合，实现红外探测器的封装，将红外线聚焦在红外探测器的吸收区域上。该方法制作的光学透镜可以有效提高热电堆红外探测器探测灵敏度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种MEMS(微电子机械系统)透镜的制造方法，尤其涉及一种二元光 学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法。
技术介绍
随着半导体工业与MEMS (微电子机械系统)技术的不断发展，使用先进的MEMS微 加工技术可以制造出性能优越的红外线热成像仪。非冷却热电堆式红外探测器以其成本低 廉、工艺简单和可靠性高等特点，被广泛用于红外热像仪，它可以在室温下工作。在热电堆 式探测器中有红外线吸收区域，由于其能有效地吸收红外线，所以红外线照射下探测器的 红外吸收区域会迅速升温，热电堆式红外探测器就是使用由若干条热电偶串联而成的热电 堆去探测该温度的变化，从而达到探测红外线的目的。二维热电堆式红外探测器阵列被用 于红外成像，这个二维探测器阵列叫做红外焦平面阵列(FPAs)。为了达到更佳的成像质量， 当今热电堆式红外探测器的尺寸越来越小，这就必然使其红外线吸收区域减小，这样就影 响了探测灵敏度。为了能够减小热电堆式红外探测器尺寸而不减小红外线有效收集面积， 特别需要在探测器上集成红外线聚焦透镜。现有的红外线聚焦透镜大概分为两种制备方法第一种是使用光学材料热回流的 方法制备，该方法的问题在于难以控制所成透镜的形貌尺寸，它完全由材料的性质决定，不 能随意的设计透镜参数，这样制作出的透镜的焦距就不可控，这大大降低了透镜的实用性。 第二种就是使用多次嵌套刻蚀Ge材料，制作具有二元光学特性的衍射透镜，该方法虽然可 以精确控制透镜尺寸，焦距可控，但是由于Ge对于红外线透过率较低，并不是很好的红外 线透镜材料，其对红外线的透过率还是太低。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有红外线聚焦功能的低成本、焦距可控、高聚光效率 的二元光学玻璃透镜阵列的制造方法，可实现将红外线聚焦在热电堆式红外探测器的红外 吸收区域，提高热电堆式红外探测器的探测灵敏度。本专利技术采用如下技术方案一种二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测 器的方法，包括以下步骤第一步，根据所要封装的MEMS热电堆式红外探测器，确定二元光 学透镜的几何尺寸，设计出二元光学掩模板。第二步，使用二元光学掩模板在硅圆片上进行 三次嵌套刻蚀，在硅圆片上刻蚀出具有二元光学衍射性质的台阶结构。第三步，将上述的硅 圆片与Pyrex7740玻璃圆片进行阳极键合，使Pyrex7740玻璃圆片与上述特定图案形成真 空密封腔体，然后加热使玻璃熔融成型，在PyreX7740玻璃上制作二元光学透镜，然后进行 热退火消除玻璃内部应力，并去除硅模具。第四步，将二元光学透镜玻璃圆片与MEMS红外 探测器芯片对准，使用低温焊料进行键合，实现红外探测器的封装，通过控制封装焊料的高 度，将红外线聚焦在红外探测器的红外线吸收区域上。上述技术方案中，所述的三层掩模板是根据二元光学理论设计的， ),k = 0,1,2,3,4,5,6......；其中 f 是透镜的焦距，r(k, m)是第m层掩模板上图案的连续区域的半径，λ是热电堆式红外探测器所要探测器的红外线的波 长。所述硅圆片上图案结构的微加工工艺可以为RIE干法刻蚀工艺。所述硅圆片上各级RIE刻蚀深度根据公式 计算而得，其中λ是红外线在真空中波长，η是Pyrex玻璃的折射率，m是掩模板的层序号。所述的硅片三层嵌套刻蚀使用了光刻对准技术。所述 的刻蚀出的硅模具满足红外线衍射条件。所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为 阳极键合，工艺条件为温度400°C，电压600V。第三步中硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按 照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。第三步中所述热退火的工艺条件为退火 温度范围在510°C 560°C中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第三步中腐 蚀掉Si模具是使用25%的TMAH在单面腐蚀夹具中进行的，TMAH溶液在水浴中保持温度为 90°C。第四步中，封装MEMS热电堆式红外探测器使用低温玻璃焊料，控制玻璃焊料的高度 将红外线聚焦于探测器的红外线吸收区域。本专利技术获得如下效果1.本专利技术通过控制刻蚀的台阶深度，以及各层台阶的半径，设计满足特定波长红 外线衍射条件的尺寸。设计出二元光学硅模具，掩模板上连续圆形区域半径大小通过公式 计算，k = 0，l，2，3……其中k为奇数时代表掩模板上不透光区域边界，每次刻蚀的深度通过 计算。为了制作出2. 2um波长红外线的聚焦 透镜，三次RIE刻蚀的深度分别为2. 34um, 1. 17um，0. 59um。2.本专利技术通过控制阳极键合时的压力使得玻璃与带有台阶的硅键合后形成的密 封腔内具有较高的真空度(真空度越高越好，这样玻璃成型后能与硅模具贴合充分)，使玻 璃热成型时，在负压的作用下(在成型温度下，外部大气压大于内部压力)，玻璃向内部凸 起形成球面(由于是真空，熔融玻璃完全与二元光学硅模具贴合)，这样就将满足红外线衍 射条件的台阶图案转移到了玻璃圆片的表面。这样就实现了对于玻璃加工二元光学衍射透 镜的目的，因为这种方法可以进行二元光学透镜的圆片级加工，同时避免了直接刻蚀加工 玻璃的昂贵工艺，该方法简单，成本低。该方法是玻璃熔融态负压成型，不需要像热回流方 法制作透镜那样，严格的控制玻璃成型区域、成型温度和成型时间，仅需要将玻璃加热到熔 融态即可。相对于通过在基板上溅射、刻蚀玻璃材料，并且严格控制成型温度和成型时间来 控制光学透镜的形状而言，本专利技术方法更简单，成本更低，而且通过控制掩模板图案尺寸以 及刻蚀的深度，可以制作焦距可控的适用于相应波长的红外线衍射透镜。3.阳极键合具有键合强度高，密闭性好的特点，本专利技术采用阳极键合形成密闭空 腔，在第三步的加热过程中不易发生泄漏而导致成型失败。在温度400°C，电压直流600V的 键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。4.采用的第三步中的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温负压成 型过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能 够使得微腔的形状基本无改变，而退火温度过高易导致微腔形状发生变化不利于后道的封装，而过低的退火温度则无法有效去除玻璃内部应力。5.本专利技术制备与Si的热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃二元光学透镜 结构，在制备透镜阵列时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏；为后道封装热电堆式 红外传感器提供方便，工艺过程中受热时不易发生热失配。本专利技术可同时制备透镜和封装 红外传感器的腔，形成的真空环境将有利于红外线的透过，从而被红外线传感器所吸收。6.本专利技术采用RIE干法刻蚀工艺在硅表面加工台阶，工艺过程简单可靠，刻蚀的 深宽比高，横向刻蚀小，图形尺寸优良，可实现二元光学透镜硅模具的圆片级制造。7.本专利技术基于传统MEMS加工工艺，由于Pyrex7740玻璃与Si热失配很小，所以本 专利技术使用Si模具。首先在Si片上加工二元光学台阶结构，尺寸需要根据所要聚焦的红外 线波长和透镜焦距进行调节，本专利技术使用带有二元光学衍射结构的硅圆片作为熔融玻璃的 成型模具，避免了玻璃难于加工的问题。8.本专利技术中，带有台阶腔体的Si圆片与Pyrex7740玻璃在高真空条件下进行阳 极键合，然后在常压下加热到玻璃的软化点温度进行热成型，在微腔外压力差的作用下， Py本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二元光学玻璃透镜的制造及封装ＭＥＭＳ红外探测器的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：第一步，根据所要封装的ＭＥＭＳ热电堆式红外探测器（１），确定二元光学透镜的几何尺寸，设计出二元光学掩模板（２）。第二步，使用二元光学掩模板（２）在硅圆片（３）上进行三次嵌套刻蚀，在硅圆片（３）上刻蚀出具有二元光学衍射性质的台阶结构（４）。第三步，将上述的硅圆片（３）与Ｐｙｒｅｘ７７４０玻璃圆片（５）进行阳极键合，使Ｐｙｒｅｘ７７４０玻璃圆片与上述特定图案形成真空密封腔体（６），然后加热使玻璃熔融成型，在Ｐｙｒｅｘ７７４０玻璃上制作二元光学透镜（７），然后进行热退火消除玻璃内部应力，并去除硅模具。第四步，将二元光学透镜玻璃圆片（７）与ＭＥＭＳ红外探测器（１）芯片对准，使用低温焊料（９）进行键合，实现红外探测器的封装，通过控制封装焊料（９）的高度，将红外线聚焦在红外探测器的红外线吸收区域上（８）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：尚金堂，徐超，张迪，陈波寅，柳俊文，唐洁影，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]