专利名称：一种用于mems光学器件的薄膜封帽封装结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种薄膜封帽封装结构，尤其是一种用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，具体地说制备得到的薄膜封帽能够满足晶圆级和芯片级封装的要求，属于MEMS封装的技术领域。
背景技术：
自从1857年Faraday第一次观察到薄膜淀积的现象到现在，薄膜制造技术得到广泛的应用，从最早应用在玩具和纺织行业，到现在无所不在的集成电路，薄膜制备技术几乎渗透到我们日常生活的每个角落，据统计仅薄膜设备一项，全球每年的销售额可以达到数百亿美元，而应用这些薄膜设备制造的产品销售额要在100倍以上，不但应用广泛，薄膜淀积的技术也飞速进步，发展了很多种类，IC制造行业每5年就会更新一次设备，这其中有大量薄膜制备设备，薄膜淀积的面积从最初2英寸到12英寸，薄膜厚度从零点几个纳米到几个毫米，可见薄膜制备技术一直在飞速的进步，相应的理论研究非常深入和广泛，从经典的热力学理论到建立在原子级观测的成核理论，几乎涉及到薄膜科学的每个方面，MEMS中的平面工艺可以说是薄膜淀积技术和光刻、刻蚀技术的组合，掩蔽层、牺牲层、LIGA技术中的电镀都离不开薄膜制备技术。就MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)封装而言，根据产品不同，MEMS的封装成本在整个MEMS产品中占有40%至80%的比例；同时，MEMS器件的性能和可靠性与其封装形式及封装技术有着密不可分的联系。由于MEMS器件结构的特殊性，其封装比起传统的集成电路封装要复杂很多首先需要考虑到MEMS器件中同样重要的电学部件和机械部件；其次，一些MEMS器件需要与外界环境接触或者与外界环境完全隔离；最后，随着MEMS结构和MEMS附带电路的尺寸越来越小。最早关于MEMS的封帽专利实在20世纪80年代末和90年代初由一些从事MEMS研究多年的老牌半导体公司提出。最常用的工艺是通过刻蚀硅晶圆制造封帽阵列，刻蚀出帽阵列区，并对其进行预切，以便分割成单个封帽，然后通过键合的方式将帽阵列与MEMS晶圆进行结合。封好帽之后的MEMS晶圆可以被分割和清洗，受保护的晶圆可以在封装代工厂完成其后的封装或组装。同时，还可以利用通孔技术在封帽上引入导体，在封帽上实现与外部键合焊盘的相通。对于MEMS光学器件,例如微镜、红外传感器等，通常需要在一定的真空环境下才能正常工作。各厂商都在寻求封装体积更小、气密性更为优良、可靠性更高的封装方案。芯片级甚至圆片级MEMS封装已经成为研究领域中的一个重要的研究方向，其中，基于薄膜技术的芯片级或晶圆级封装工艺得到了大力的发展，例如现在很多的RF器件都大量采用了薄膜技术进行芯片封帽。在红外成像传感器领域，基于牺牲层工艺的薄膜真空封帽技术被视为实现“第四代一像素级封装”的关键，很多科研院校和商业公司不断地提出新的想法和理念。发明内容本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，其结构紧凑，制造方便，降低了制造成本，气密性好，适应范围广，安
全可靠。按照本实用新型提供的技术方案，所述用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，包括衬底及位于所述衬底上的MEMS光学结构；所述衬底上设置薄膜封帽，所述薄膜封帽的端部边缘通过键合层与衬底键合固定连接；薄膜封帽与衬底间形成容纳MEMS光学结构的腔体，所述MEMS光学结构位于腔体内。所述薄膜封帽的外表面上覆盖有第一光学增透膜，薄膜封帽的内表面上覆盖有第二光学增透膜，所述第二光学增透膜位于MEMS光学结构的正上方。所述薄膜封帽的内表面上设置吸气剂层，并在薄膜封帽通过键合层与衬底键合时激活吸气剂层。所述衬底内设有贯通衬底的电连接通孔，所述电连接通孔与MEMS光学结构电连接。本实用新型的优点I、本实用新型中提出的用于MEMS光学器件的薄膜封帽结构，采用中转晶圆转移键合的方式，薄膜封帽的选材更加灵活多样，可适合多种光学应用的需要。2、本实用新型中提出的用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，采用在中转晶圆3上制备，增加了工艺集成的灵活性，强调了薄膜封帽与MEMS光学结构的分开制备，尽量避免了薄膜封帽4和MEMS光学结构、衬底一同制备时的选材和工艺之间的相互间的不利影响；通过选择适合的键合方法，可以避免两者之间应力问题，为适合多种光学应用的需要，可灵活地在薄膜的内、外表面镀相应的光学增透膜材料；另外，还可在薄膜封帽的内表面蒸发或溅射吸附剂材料，因此可满足高气密性封装要求的需要。3、本实用新型中提出的在中转晶圆上用于制备薄膜封帽整列的中转支撑保护层在划片工艺时又充当了薄膜封帽的保护层，防止了封薄膜帽完成的晶圆在划片工艺所受的不良影响。4、本实用新型中提出的用于MEMS光学器件的薄膜封帽制造方法，兼容常用的封装工艺流程与技术，适用于多种MEMS器件结构。根据封装形式和使用材料的不同，涵盖了MEMS器件的芯片级封装、圆片级封装、芯片至圆片封装、真空封装、气密封装、非气密封装；适用于粘合剂键合、玻璃浆料键合或共晶键合技术。
图广图10为本实用新型形成封装结构的具体工艺实施剖视图，其中图I为本实用新型在中转晶圆上形成防粘层、中转支撑保护层后的剖视图。图2为本实用新型在中转支撑保护层上形成凹坑后的剖视图。图3为本实用新型在凹坑内形成第一光学增透膜后的剖视图。图4为本实用新型在第一增透膜上形成薄膜封帽后的剖视图。图5为本实用新型在薄膜封帽上形成键合层后的剖视图。图6为本实用新型在薄膜封帽上设置第二光学增透膜后的剖视图。[0023]图7为本实用新型提供衬底及MEMS光学结构且衬底与薄膜封帽对准时的剖视图。图8为本实用新型薄膜封帽通过键合层与衬底键合后的剖视图。图9为本实用新型去除薄膜封帽上的中转晶圆及防粘层后的剖视图。图10为本实用新型去除中转支撑保护层形成所需封装结构后的剖视图。 附图标记说明1_中转支撑保护层、2-防粘层、3-中转晶圆、4-薄膜封帽、5-键合层、6-第一光学增透膜、7-第二光学增透膜、8-MEMS光学结构、9-衬底、10-电连接通孔及11-腔体。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。如图10所示为本实用新型形成用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构示意图，本实用新型包括衬底9及位于所述衬底9上的MEMS光学结构8 ;所述衬底9上设置薄膜封帽4，所述薄膜封帽4的端部边缘通过键合层5与衬底9键合固定连接；薄膜封帽4与衬底9间形成容纳MEMS光学结构8的腔体11，所述MEMS光学结构8位于腔体11内。其中，所述MEMS光学结构8通过所需工艺制备在衬底9上，为本技术领域人员所熟知，具体制备过程此处不再详述。衬底9内设有电连接通孔10，所述电连接通孔10贯通衬底9，通过电连接通孔10能够将MEMS光学结构8与外部电路相连接，实现MEMS光学结构8与外部的三维封装连接。为了提高MEMS光学结构8的工作环境,所述薄膜封帽4的外表面上覆盖有第一光学增透膜6，薄膜封帽4的内表面上覆盖有第二光学增透膜7，所述第二光学增透膜7位于MEMS光学结构8的正上方。薄膜封帽4呈透明状，通过第一光学增透膜6、第二光学增透膜7能够滤除不同波长的光线，使得与MEMS光学结构8匹配的光线能更有效地进入腔体11内，并与MEMS光学结构8配合工作。薄膜封帽4的外表面是指远离衬底9的一侧表面，薄膜封帽4的内表面是指邻近衬底9的一侧表面。所述薄膜封帽4的内表面上设置吸气剂层，并在薄膜封帽4通过键合层5与衬底9键合时激活吸气剂层。通过吸气剂层能够保证腔体11内的真空度，确保MEMS光学结构8的封装环境的真空度。如图f图10所示上述结构的薄膜封帽封装结构，通过下述工艺步骤实现，具体地a、提供中转晶圆3,并对所述中转晶圆3的两个对面表面进行抛光；在表面抛光后的中转晶圆3的一个表面上沉积防粘层2，并在防粘层2上设置中转支撑保护层I ;如图I所示所述中转晶圆3的材料采用硅，中转晶圆3的厚度为300 μ m，使用等离子增强型化学气相沉积的方法沉积2μπι的二氧化硅作为防粘层2，然后利用涂胶机在防粘层2上涂覆厚度为5 μ m后的光刻胶SU-8作为中转支撑保护层I ;b、选择性地掩蔽和刻蚀中转支撑保护层1，以在中转支撑保护层I内形成所需的凹坑；如图2所示所述凹坑的形状与所需形成薄膜封帽4的形状相一致，本实用新型实施例中，凹坑的形状呈方向凹槽，凹坑的深度低于中转支撑保护层I的厚度；C、在中转支撑保护层I对应形成凹坑的表面沉积薄膜材料，得到所需的薄膜封帽4，所述薄膜封帽4覆盖中转支撑保护层I的表面；本实用新型实施例中，在中转支撑保护层I的表面形成薄膜封帽4前，先在凹坑的底部形成第一光学增透膜6，薄膜封帽4覆盖于第一光学增透膜6内，且在薄膜封帽4上设置第二光学增透膜7，所述第二光学增透膜7与第一光学增透膜6对应分布。所述薄膜封帽4的材料包括氧化铝、氧化硅、氮化硅、多晶硅、硒化锌、硫化锌、氟化钙、氧化锌、锗、硒、氧化镁或氧化钛。具体实施例时，使用电子束蒸发的方式在具有凹坑的中转支撑保护层I上制备第一光学增透膜6，第一光学增透膜6的材料为氧化钛，如图3所示。第一光学增透膜6覆盖 凹坑的底部表面，然后在使用磁控溅射的方法在第一光学增透膜6上制备氧化铝薄膜，以形成薄膜封帽4，所述薄膜封帽4的厚度为500nm，如图4所示。在上述制备的薄膜封帽4上涂覆聚酰亚胺，在金属掩膜板的遮罩下光刻，使用四氟化碳工艺气体制作出键合区图形，使用电子束蒸发的方法分别制备钛材料层和铟材料层作为键合层5，钛材料层的厚度为50nm，铟材料层的厚度为2 μ m ;如图5所示；其中，钛材料层作为粘附层，提高铟材料层与薄膜封帽4上的附着力，铟材料层作为后续键合作用，键合层5位于凹坑的外圈，即薄膜封帽4的端部边缘。上述制备结束后，去除相应的聚酰亚胺。再次涂覆聚酰亚胺，在金属掩膜板的遮罩下光刻，使用四氟化碳工艺气体制作出增透膜图形，再次使用电子束蒸发的方法制备氧化钛增透膜，以形成第二光学增透膜7，如图6所示。d、在上述薄膜封帽4上制作键合层5，所述键合层5位于凹坑的外圈，形成于薄膜封帽4的端部边缘；上述具体实施例说明了键合层5的制备过程，当薄膜封帽4上不设置第一光学增透膜6、第二光学增透膜7时，在设备得到薄膜封帽4后，直接在薄膜封帽4上支板键合层5。e、提供衬底9，所述衬底9上设置所需的MEMS光学结构8 ；如图7所示所述衬底9上通过所需工艺制备相应的MEMS光学结构8，通过MEMS光学结构8实现光学功能，衬底9内设有电连接通孔10，通过电连接通孔10能够将MEMS光学结构8与外部电连接。f、在真空状态下，将上述薄膜封帽4通过键合层5与衬底9进行键合，MEMS光学结构8位于薄膜封帽4与衬底9间形成的腔体10内；如图8所示使用EVG501晶圆键合机，利用对准标记将带有薄膜封帽4的中转晶圆3和衬底9对准、键合，键合温度为180摄氏度，满足键合材料铟的键合的条件；键合腔体真空度为O. I帕，键合压强为I兆帕，键合时间15分钟；如图7和图8所示；g、去除薄膜封帽4上的中转支撑保护层I、防粘层2及中转晶圆3，得到所需的薄膜封帽封装结构。使用湿法腐蚀将中转晶圆3上的防粘层2去除，并分离中转晶圆3 ;如图9所示；使用机械划片机将圆片切割，使每个MEMS器件分开独立；再用干法去除中转支撑保护层1，释放出薄膜封帽结构；如图10所示。本实用新型中提出的用于MEMS光学器件的薄膜封帽结构，采用中转晶圆3转移键合的方式，薄膜封帽4的选材更加灵活多样，可适合多种光学应用的需要。[0052]本实用新型中提出的用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，采用在中转晶圆3上制备，增加了工艺集成的灵活性，强调了薄膜封帽4与MEMS光学结构8的分开制备，尽量避免了薄膜封帽4和MEMS光学结构8、衬底9 一同制备时的选材和工艺之间的相互间的不利影响；通过选择适合的键合方法，可以避免两者之间应力问题，为适合多种光学应用的需要，可灵活地在薄膜的内、外表面镀相应的光学增透膜材料；另外，还可在薄膜封帽4的内表面蒸发或溅射吸附剂材料，因此可满足高气密性封装要求的需要。本实用新型中提出的在中转晶圆3上用于制备薄膜封帽整列的光刻胶底模在划片工艺时又充当了薄膜封帽4的保护层，防止了封薄膜帽4完成的晶圆在划片工艺所受的不良影响。本实用新型中提出的用于MEMS光学器件的薄膜封帽制造方法，兼容常用的封装工艺流程与技术，适用于多种MEMS器件结构。根据封装形式和使用材料的不同，涵盖了MEMS器件的芯片级封装、圆片级封装、芯片至圆片封装、真空封装、气密封装、非气密封装；适用于粘合剂键合、玻璃浆料键合或共晶键合技术。上述键合类型中，芯片级封装、圆片级封装、芯片至圆片封装是按封装的尺寸分类；真空封装、气密封装、非气密封装是按封装腔体的气密性来分类；粘合剂键合、玻璃浆料键合和共晶键合是按键合材料来分类；某一个封装形式，分类不同的话，可以划归为多种类型。此实施例可以用来说明本实用新型的结构和制造过程，但本实用新型的实施绝不仅限于此实施例。在不脱离本实用新型及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本实用新型的保护范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
权利要求1.一种用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，包括衬底(9)及位于所述衬底(9)上的MEMS光学结构(8);其特征是所述衬底(9)上设置薄膜封帽(4)，所述薄膜封帽(4)的端部边缘通过键合层(5)与衬底(9)键合固定连接；薄膜封帽(4)与衬底(9)间形成容纳MEMS光学结构(8)的腔体(11)，所述MEMS光学结构(8)位于腔体(11)内；所述薄膜封帽(4)的外表面上覆盖有第一光学增透膜(6)，薄膜封帽(4)的内表面上覆盖有第二光学增透膜(7)，所述第二光学增透膜(7)位于MEMS光学结构(8)的正上方。
2.根据权利要求I所述的用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，其特征是所述薄膜封帽(4 )的内表面上设置吸气剂层，并在薄膜封帽(4 )通过键合层(5 )与衬底(9 )键合时激活吸气剂层。
3.根据权利要求I所述的用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，其特征是所述衬底(9 )内设有贯通衬底(9 )的电连接通孔(10 )，所述电连接通孔(10 )与MEMS光学结构(8 )电连接。
专利摘要本实用新型涉及一种薄膜封帽封装结构，尤其是一种用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，具体地说制备得到的薄膜封帽能够满足晶圆级和芯片级封装的要求，属于MEMS封装的技术领域。按照本实用新型提供的技术方案，所述用于MEMS光学器件的薄膜封帽封装结构，包括衬底及位于所述衬底上的MEMS光学结构；所述衬底上设置薄膜封帽，所述薄膜封帽的端部边缘通过键合层与衬底键合固定连接；薄膜封帽与衬底间形成容纳MEMS光学结构的腔体，所述MEMS光学结构位于腔体内。本实用新型结构紧凑，制造方便，降低了制造成本，气密性好，适应范围广，安全可靠。
文档编号B81B7/00GK202785632SQ20122042222
公开日2013年3月13日 申请日期2012年8月23日 优先权日2012年8月23日
发明者罗九斌, 欧文, 明安杰, 张昕, 赵敏, 秦毅恒, 谭振新, 顾强, 吴健 申请人:江苏物联网研究发展中心