一種用於mems光學器件的薄膜封帽封裝結構及其製造方法

2023-05-23 03:34:26

專利名稱：一種用於mems光學器件的薄膜封帽封裝結構及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種薄膜封帽封裝結構及其製造方法，尤其是一種用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構及其製造方法，具體地說製備得到的薄膜封帽能夠滿足晶圓級和晶片級封裝的要求，屬於MEMS封裝的技術領域。
背景技術：
自從1857年Faraday第一次觀察到薄膜澱積的現象到現在，薄膜製造技術得到廣泛的應用，從最早應用在玩具和紡織行業，到現在無所不在的集成電路，薄膜製備技術幾乎滲透到我們日常生活的每個角落，據統計僅薄膜設備一項，全球每年的銷售額可以達到數百億美元，而應用這些薄膜設備製造的產品銷售額要在100倍以上，不但應用廣泛，薄膜澱積的技術也飛速進步，發展了很多種類，IC製造行業每5年就會更新一次設備，這其中有大量薄膜製備設備，薄膜澱積的面積從最初2英寸到12英寸，薄膜厚度從零點幾個納米到幾·個毫米，可見薄膜製備技術一直在飛速的進步，相應的理論研究非常深入和廣泛，從經典的熱力學理論到建立在原子級觀測的成核理論，幾乎涉及到薄膜科學的每個方面，MEMS中的平面工藝可以說是薄膜澱積技術和光刻、刻蝕技術的組合，掩蔽層、犧牲層、LIGA技術中的電鍍都離不開薄膜製備技術。就MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)封裝而言，根據產品不同，MEMS的封裝成本在整個MEMS產品中佔有40%至80%的比例；同時，MEMS器件的性能和可靠性與其封裝形式及封裝技術有著密不可分的聯繫。由於MEMS器件結構的特殊性，其封裝比起傳統的集成電路封裝要複雜很多首先需要考慮到MEMS器件中同樣重要的電學部件和機械部件；其次，一些MEMS器件需要與外界環境接觸或者與外界環境完全隔離；最後，隨著MEMS結構和MEMS附帶電路的尺寸越來越小。最早關於MEMS的封帽專利實在20世紀80年代末和90年代初由一些從事MEMS研究多年的老牌半導體公司提出。最常用的工藝是通過刻蝕矽晶圓製造封帽陣列，刻蝕出帽陣列區，並對其進行預切，以便分割成單個封帽，然後通過鍵合的方式將帽陣列與MEMS晶圓進行結合。封好帽之後的MEMS晶圓可以被分割和清洗，受保護的晶圓可以在封裝代工廠完成其後的封裝或組裝。同時，還可以利用通孔技術在封帽上引入導體，在封帽上實現與外部鍵合焊盤的相通。對於MEMS光學器件,例如微鏡、紅外傳感器等，通常需要在一定的真空環境下才能正常工作。各廠商都在尋求封裝體積更小、氣密性更為優良、可靠性更高的封裝方案。晶片級甚至圓片級MEMS封裝已經成為研究領域中的一個重要的研究方向，其中，基於薄膜技術的晶片級或晶圓級封裝工藝得到了大力的發展，例如現在很多的RF器件都大量採用了薄膜技術進行晶片封帽。在紅外成像傳感器領域，基於犧牲層工藝的薄膜真空封帽技術被視為實現「第四代一像素級封裝」的關鍵，很多科研院校和商業公司不斷地提出新的想法和理念。

發明內容
本發明的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構及其製造方法，其結構緊湊，製造方便，降低了製造成本，氣密性好，適應範圍廣，安全可靠。按照本發明提供的技術方案，所述用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，包括襯底及位於所述襯底上的MEMS光學結構；所述襯底上設置薄膜封帽，所述薄膜封帽的端部邊緣通過鍵合層與襯底鍵合固定連接；薄膜封帽與襯底間形成容納MEMS光學結構的腔體，所述MEMS光學結構位於腔體內。所述薄膜封帽的外表面上覆蓋有第一光學增透膜，薄膜封帽的內表面上覆蓋有第ニ光學增透膜，所述第二光學增透膜位於MEMS光學結構的正上方。所述薄膜封帽的內表面上設置吸氣劑層，並在薄膜封帽通過鍵合層與襯底鍵合時激活吸氣劑層。·所述襯底內設有貫通襯底的電連接通孔，所述電連接通孔與MEMS光學結構電連接。一種用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構製造方法，所述薄膜封帽封裝結構製造方法包括如下步驟
a、提供中轉晶圓，並對所述中轉晶圓的兩個對面表面進行拋光；在表面拋光後的中轉晶圓的ー個表面上沉積防粘層，並在防粘層上設置中轉支撐保護層；
b、選擇性地掩蔽和刻蝕中轉支撐保護層，以在中轉支撐保護層內形成所需的凹坑；
C、在中轉支撐保護層對應形成凹坑的表面沉積薄膜材料，得到所需的薄膜封帽，所述薄膜封帽覆蓋中轉支撐保護層的表面；
d、在上述薄膜封帽上製作鍵合層，所述鍵合層位於凹坑的外圈，形成於薄膜封帽的端部邊緣；
e、提供襯底，所述襯底上設置所需的MEMS光學結構；
f、在真空狀態下，將上述薄膜封帽通過鍵合層與襯底進行鍵合，MEMS光學結構位於薄膜封帽與襯底間形成的腔體內；
g、去除薄膜封帽上的中轉支撐保護層、防粘層及中轉晶圓，得到所需的薄膜封帽封裝結構。所述步驟c中，在中轉支撐保護層的表面形成薄膜封帽前，先在凹坑的底部形成第一光學增透膜，薄膜封帽覆蓋於第一光學增透膜內，且在薄膜封帽上設置第二光學增透膜，所述第二光學增透膜與第一光學增透膜對應分布。所述薄膜封帽的材料包括氧化鋁、氧化矽、氮化矽、多晶矽、硒化鋅、硫化鋅、氟化鈣、氧化鋅、鍺、硒、氧化鎂或氧化鈦。所述薄膜封帽的厚度為500nm，第一光學增透膜的材料包括氧化鈦。所述中轉支撐保護層為光刻膠，防粘層為ニ氧化矽。所述襯底內設有貫通襯底的電連接通孔，所述電連接通孔與MEMS光學結構電連接。本發明的優點I、本發明中提出的用於MEMS光學器件的薄膜封帽結構，採用中轉晶圓轉移鍵合的方式，薄膜封帽的選材更加靈活多祥，可適合多種光學應用的需要。2、本發明中提出的用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，採用在中轉晶圓3上製備，増加了エ藝集成的靈活性，強調了薄膜封帽與MEMS光學結構的分開製備，儘量避免了薄膜封帽4和MEMS光學結構、襯底一同製備時的選材和エ藝之間的相互間的不利影響；通過選擇適合的鍵合方法，可以避免兩者之間應カ問題，為適合多種光學應用的需要，可靈活地在薄膜的內、外表面鍍相應的光學增透膜材料；另外，還可在薄膜封帽的內表面蒸發或濺射吸附劑材料，因此可滿足高氣密性封裝要求的需要。3、本發明中提出的在中轉晶圓上用於製備薄膜封帽整列的中轉支撐保護層在劃片エ藝時又充當了薄膜封帽的保護層，防止了封薄膜帽完成的晶圓在劃片エ藝所受的不良影響。4、本發明中提出的用於MEMS光學器件的薄膜封帽製造方法，兼容常用的封裝エ·藝流程與技術，適用於多種MEMS器件結構。根據封裝形式和使用材料的不同，涵蓋了 MEMS器件的晶片級封裝、圓片級封裝、晶片至圓片封裝、真空封裝、氣密封裝、非氣密封裝；適用於粘合劑鍵合、玻璃漿料鍵合或共晶鍵合技木。


圖廣圖10為本發明形成封裝結構的具體エ藝實施剖視圖，其中 圖I為本發明在中轉晶圓上形成防粘層、中轉支撐保護層後的剖視圖。圖2為本發明在中轉支撐保護層上形成凹坑後的剖視圖。圖3為本發明在凹坑內形成第一光學增透膜後的剖視圖。圖4為本發明在第一增透膜上形成薄膜封帽後的剖視圖。圖5為本發明在薄膜封帽上形成鍵合層後的剖視圖。圖6為本發明在薄膜封帽上設置第二光學增透膜後的剖視圖。圖7為本發明提供襯底及MEMS光學結構且襯底與薄膜封帽對準時的剖視圖。圖8為本發明薄膜封帽通過鍵合層與襯底鍵合後的剖視圖。圖9為本發明去除薄膜封帽上的中轉晶圓及防粘層後的剖視圖。圖10為本發明去除中轉支撐保護層形成所需封裝結構後的剖視圖。附圖標記說明1_中轉支撐保護層、2-防粘層、3-中轉晶圓、4-薄膜封帽、5-鍵合層、6-第一光學增透膜、7-第二光學增透膜、8-MEMS光學結構、9-襯底、10-電連接通孔及11-腔體。
具體實施例方式下面結合具體附圖和實施例對本發明作進ー步說明。如圖10所示為本發明形成用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構示意圖，本發明包括襯底9及位於所述襯底9上的MEMS光學結構8 ;所述襯底9上設置薄膜封帽4，所述薄膜封帽4的端部邊緣通過鍵合層5與襯底9鍵合固定連接；薄膜封帽4與襯底9間形成容納MEMS光學結構8的腔體11，所述MEMS光學結構8位於腔體11內。其中，所述MEMS光學結構8通過所需エ藝製備在襯底9上，為本技術領域人員所熟知，具體製備過程此處不再詳述。襯底9內設有電連接通孔10，所述電連接通孔10貫通襯底9，通過電連接通孔10能夠將MEMS光學結構8與外部電路相連接，實現MEMS光學結構8與外部的三維封裝連接。為了提高MEMS光學結構8的工作環境,所述薄膜封帽4的外表面上覆蓋有第一光學增透膜6，薄膜封帽4的內表面上覆蓋有第二光學增透膜7，所述第二光學增透膜7位於MEMS光學結構8的正上方。薄膜封帽4呈透明狀，通過第一光學增透膜6、第二光學增透膜7能夠濾除不同波長的光線，使得與MEMS光學結構8匹配的光線能更有效地進入腔體11內，並與MEMS光學結構8配合工作。薄膜封帽4的外表面是指遠離襯底9的ー側表面，薄膜封帽4的內表面是指鄰近襯底9的ー側表面。所述薄膜封帽4的內表面上設置吸氣劑層，並在薄膜封帽4通過鍵合層5與襯底9鍵合時激活吸氣劑層。通過吸氣劑層能夠保證腔體11內的真空度，確保MEMS光學結構8的封裝環境的真空度。如圖f圖10所示上述結構的薄膜封帽封裝結構，通過下述エ藝步驟實現，具體地·
a、提供中轉晶圓3，並對所述中轉晶圓3的兩個對面表面進行拋光；在表面拋光後的中轉晶圓3的ー個表面上沉積防粘層2，並在防粘層2上設置中轉支撐保護層I ;
如圖I所示所述中轉晶圓3的材料採用矽，中轉晶圓3的厚度為300iim，使用等離子增強型化學氣相沉積的方法沉積2 的ニ氧化矽作為防粘層2，然後利用塗膠機在防粘層2上塗覆厚度為5 u m後的光刻膠SU-8作為中轉支撐保護層I ;
b、選擇性地掩蔽和刻蝕中轉支撐保護層1，以在中轉支撐保護層I內形成所需的凹坑； 如圖2所示所述凹坑的形狀與所需形成薄膜封帽4的形狀相一致，本發明實施例中，
凹坑的形狀呈方向凹槽，凹坑的深度低於中轉支撐保護層I的厚度；
C、在中轉支撐保護層I對應形成凹坑的表面沉積薄膜材料，得到所需的薄膜封帽4，所述薄膜封帽4覆蓋中轉支撐保護層I的表面；
本發明實施例中，在中轉支撐保護層I的表面形成薄膜封帽4前，先在凹坑的底部形成第一光學增透膜6，薄膜封帽4覆蓋於第一光學增透膜6內，且在薄膜封帽4上設置第二光學增透膜7，所述第二光學增透膜7與第一光學增透膜6對應分布。所述薄膜封帽4的材料包括氧化鋁、氧化矽、氮化矽、多晶矽、硒化鋅、硫化鋅、氟化鈣、氧化鋅、鍺、硒、氧化鎂或氧化鈦。具體實施例時，使用電子束蒸發的方式在具有凹坑的中轉支撐保護層I上製備第一光學增透膜6，第一光學增透膜6的材料為氧化鈦，如圖3所示。第一光學增透膜6覆蓋凹坑的底部表面，然後在使用磁控濺射的方法在第一光學增透膜6上製備氧化鋁薄膜，以形成薄膜封帽4，所述薄膜封帽4的厚度為500nm，如圖4所示。在上述製備的薄膜封帽4上塗覆聚醯亞胺，在金屬掩膜板的遮罩下光刻，使用四氟化碳エ藝氣體製作出鍵合區圖形，使用電子束蒸發的方法分別製備鈦材料層和銦材料層作為鍵合層5，鈦材料層的厚度為50nm，銦材料層的厚度為2 u m ;如圖5所示；其中，鈦材料層作為粘附層，提高銦材料層與薄膜封帽4上的附著力，銦材料層作為後續鍵合作用，鍵合層5位於凹坑的外圏，即薄膜封帽4的端部邊緣。上述製備結束後，去除相應的聚醯亞胺。再次塗覆聚醯亞胺，在金屬掩膜板的遮罩下光刻，使用四氟化碳エ藝氣體製作出增透膜圖形，再次使用電子束蒸發的方法製備氧化鈦增透膜，以形成第二光學增透膜7，如圖6所示。d、在上述薄膜封帽4上製作鍵合層5，所述鍵合層5位於凹坑的外圈，形成於薄膜封帽4的端部邊緣；
上述具體實施例說明了鍵合層5的製備過程，當薄膜封帽4上不設置第一光學增透膜
6、第二光學增透膜7時，在設備得到薄膜封帽4後，直接在薄膜封帽4上支板鍵合層5。e、提供襯底9，所述襯底9上設置所需的MEMS光學結構8 ；
如圖7所示所述襯底9上通過所需エ藝製備相應的MEMS光學結構8，通過MEMS光學結構8實現光學功能，襯底9內設有電連接通孔10，通過電連接通孔10能夠將MEMS光學結構8與外部電連接。

f、在真空狀態下，將上述薄膜封帽4通過鍵合層5與襯底9進行鍵合，MEMS光學結構8位於薄膜封帽4與襯底9間形成的腔體10內；
如圖8所示使用EVG501晶圓鍵合機，利用對準標記將帶有薄膜封帽4的中轉晶圓3和襯底9對準、鍵合，鍵合溫度為180攝氏度，滿足鍵合材料銦的鍵合的條件；鍵合腔體真空度為0. I帕，鍵合壓強為I兆帕，鍵合時間15分鐘；如圖7和圖8所示；
g、去除薄膜封帽4上的中轉支撐保護層I、防粘層2及中轉晶圓3，得到所需的薄膜封帽封裝結構。使用溼法腐蝕將中轉晶圓3上的防粘層2去除，並分離中轉晶圓3 ;如圖9所示；使用機械劃片機將圓片切割，使每個MEMS器件分開獨立；再用幹法去除中轉支撐保護層1，釋放出薄膜封帽結構；如圖10所示。本發明中提出的用於MEMS光學器件的薄膜封帽結構，採用中轉晶圓3轉移鍵合的方式，薄膜封帽4的選材更加靈活多祥，可適合多種光學應用的需要。本發明中提出的用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，採用在中轉晶圓3上製備，増加了エ藝集成的靈活性，強調了薄膜封帽4與MEMS光學結構8的分開製備，儘量避免了薄膜封帽4和MEMS光學結構8、襯底9 一同製備時的選材和エ藝之間的相互間的不利影響；通過選擇適合的鍵合方法，可以避免兩者之間應カ問題，為適合多種光學應用的需要，可靈活地在薄膜的內、外表面鍍相應的光學增透膜材料；另外，還可在薄膜封帽4的內表面蒸發或濺射吸附劑材料，因此可滿足高氣密性封裝要求的需要。本發明中提出的在中轉晶圓3上用於製備薄膜封帽整列的光刻膠底模在劃片エ藝時又充當了薄膜封帽4的保護層，防止了封薄膜帽4完成的晶圓在劃片エ藝所受的不良影響。本發明中提出的用於MEMS光學器件的薄膜封帽製造方法，兼容常用的封裝エ藝流程與技術，適用於多種MEMS器件結構。根據封裝形式和使用材料的不同，涵蓋了 MEMS器件的晶片級封裝、圓片級封裝、晶片至圓片封裝、真空封裝、氣密封裝、非氣密封裝；適用於粘合劑鍵合、玻璃漿料鍵合或共晶鍵合技術。上述鍵合類型中，晶片級封裝、圓片級封裝、晶片至圓片封裝是按封裝的尺寸分類；真空封裝、氣密封裝、非氣密封裝是按封裝腔體的氣密性來分類；粘合劑鍵合、玻璃漿料鍵合和共晶鍵合是按鍵合材料來分類；某ー個封裝形式，分類不同的話，可以劃歸為多種類型。此實施例可以用來說明本發明的結構和製造過程，但本發明的實施絕不僅限於此實施例。在不脫離本發明及所附的權利要求的範圍內，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發明的保護範圍不局限於實施例和附圖所公開的內容。·
權利要求
1.一種用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，包括襯底(9)及位於所述襯底(9)上的MEMS光學結構(8);其特徵是所述襯底(9)上設置薄膜封帽(4)，所述薄膜封帽(4)的端部邊緣通過鍵合層(5 )與襯底(9 )鍵合固定連接；薄膜封帽(4 )與襯底(9 )間形成容納MEMS光學結構(8)的腔體(11)，所述MEMS光學結構(8)位於腔體(11)內。
2.根據權利要求I所述的用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，其特徵是所述薄膜封帽(4 )的外表面上覆蓋有第一光學增透膜(6 )，薄膜封帽(4 )的內表面上覆蓋有第二光學增透膜(7)，所述第二光學增透膜(7)位於MEMS光學結構(8)的正上方。
3.根據權利要求I所述的用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，其特徵是所述薄膜封帽(4 )的內表面上設置吸氣劑層，並在薄膜封帽(4 )通過鍵合層(5 )與襯底(9 )鍵合時激活吸氣劑層。
4.根據權利要求I所述的用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，其特徵是所述襯底(9 )內設有貫通襯底(9 )的電連接通孔(10 )，所述電連接通孔(10 )與MEMS光學結構(8 )電連接。
5.一種用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構製造方法，其特徵是，所述薄膜封帽封裝結構製造方法包括如下步驟 (a)、提供中轉晶圓(3)，並對所述中轉晶圓(3)的兩個對面表面進行拋光；在表面拋光後的中轉晶圓(3)的一個表面上沉積防粘層(2)，並在防粘層(2)上設置中轉支撐保護層(I); (b)、選擇性地掩蔽和刻蝕中轉支撐保護層(1)，以在中轉支撐保護層(I)內形成所需的凹坑； (C)、在中轉支撐保護層(I)對應形成凹坑的表面沉積薄膜材料，得到所需的薄膜封帽(4)，所述薄膜封帽(4)覆蓋中轉支撐保護層(I)的表面； (d)、在上述薄膜封帽(4)上製作鍵合層(5)，所述鍵合層(5)位於凹坑的外圈，形成於薄膜封帽(4)的端部邊緣； (e )、提供襯底(9 )，所述襯底(9 )上設置所需的MEMS光學結構(8 ); (f)、在真空狀態下，將上述薄膜封帽(4)通過鍵合層(5)與襯底(9)進行鍵合，MEMS光學結構(8)位於薄膜封帽(4)與襯底(9)間形成的腔體(10)內； (g)、去除薄膜封帽(4)上的中轉支撐保護層(I)、防粘層(2)及中轉晶圓(3)，得到所需的薄膜封帽封裝結構。
6.根據權利要求5所述用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構製造方法，其特徵是所述步驟(c)中，在中轉支撐保護層(I)的表面形成薄膜封帽(4)前，先在凹坑的底部形成第一光學增透膜(6 )，薄膜封帽(4 )覆蓋於第一光學增透膜(6 )內，且在薄膜封帽(4 )上設置第二光學增透膜(7 )，所述第二光學增透膜(7 )與第一光學增透膜(6 )對應分布。
7.根據權利要求5所述用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構製造方法，其特徵是所述薄膜封帽(4)的材料包括氧化鋁、氧化矽、氮化矽、多晶矽、硒化鋅、硫化鋅、氟化鈣、氧化鋅、鍺、硒、氧化鎂或氧化鈦。
8.根據權利要求6所述用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構製造方法，其特徵是所述薄膜封帽(4)的厚度為500nm，第一光學增透膜(6)的材料包括氧化鈦。
9.根據權利要求5所述用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構製造方法，其特徵是所述中轉支撐保護層(I)為光刻膠，防粘層(2)為二氧化矽。
10.根據權利要求5所述用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構製造方法，其特徵是所述襯底(9 )內設有貫通襯底(9 )的電連接通孔(10 )，所述電連接通孔(10 )與MEMS光學結構(8)電連接。
全文摘要
本發明涉及一種薄膜封帽封裝結構及其製造方法，尤其是一種用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構及其製造方法，具體地說製備得到的薄膜封帽能夠滿足晶圓級和晶片級封裝的要求，屬於MEMS封裝的技術領域。按照本發明提供的技術方案，所述用於MEMS光學器件的薄膜封帽封裝結構，包括襯底及位於所述襯底上的MEMS光學結構；所述襯底上設置薄膜封帽，所述薄膜封帽的端部邊緣通過鍵合層與襯底鍵合固定連接；薄膜封帽與襯底間形成容納MEMS光學結構的腔體，所述MEMS光學結構位於腔體內。本發明結構緊湊，製造方便，降低了製造成本，氣密性好，適應範圍廣，安全可靠。
文檔編號B81C1/00GK102786026SQ20121030082
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月23日 優先權日2012年8月23日
發明者其他發明人請求不公開姓名, 張昕, 明安傑, 歐文, 羅九斌, 趙敏 申請人:江蘇物聯網研究發展中心