基于硅-玻璃键合的mems光学芯片的封装结构及封装方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微机电系统(MEMS)、光通信、光传感器、光谱分析、可调激光器领域，特别是涉及一种基于硅-玻璃键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法。
【背景技术】
[0002]可调谐光学功能的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级的净化环境中才能暴露于空气中，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技术问题。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、可动微结构不能经受普通的机械划片或激光划片的冲水，划片时产生的硅渣导致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。
[0003]MEMS光学芯片由于其微结构而不能直接暴露在光学封装车间中，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。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厂房内完成器件光电封装。
[0004]目前MEMS光学芯片的封装采用半导体激光器、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，但其成本较高。
[0005]目前MEMS光器件封装厂家主要采用单芯片管壳+准直器的方法实现封装，实现气密封装比较困难。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光学芯片的封装的单只、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光器件生产中关键问题。
[0006]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，而不是一次一只芯片，从而显著降低了劳动力和设备投入，极大地提高封装效率，而且也可减少背部减薄、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。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考虑圆片级封装工艺，封装材料、封装工艺的选择存在较大的困难。
【发明内容】
[0007]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于硅-玻璃键合的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交困难的问题。
[0008]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于硅-玻璃键合的MEMS光学芯片的封装结构，包括:
[0009]第一部件，包括光学玻璃，其上表面镀制上光学增透膜，下表面形成有空腔，为MEMS光学芯片提供气密性的微镜运动空间，所述空腔上表面达到光学面光洁度要求，并镀制有下光学增透膜；
[0010]第二部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下能够实现对光信号的操控；
[0011 ] 所述第一部件及第二部件通过硅-玻璃键合实现圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。
[0012]作为本发明的基于硅-玻璃键合的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。
[0013]作为本发明的基于硅-玻璃键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述的光学玻璃为适合硅-玻璃键合的玻璃材料，所述光学玻璃键合于所述体硅衬底的裸露的硅表面，键合后形成的密封腔体的漏率为10_8?10 -10Btm.cc/s。
[0014]进一步地，所述第一部件及第二部件键合后，所述电极焊盘位于所述密封腔体的外侧。
[0015]作为本发明的基于硅-玻璃键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述的光学玻璃在对应MEMS光学芯片的电极焊盘的下表面制作有长条状空腔。
[0016]作为本发明的基于硅-玻璃键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述的光学玻璃制作有TGV结构，其位置与MEMS光学芯片的电极焊盘位置一一对应，在第一部件及第二部件进行硅-玻璃键合后，所述TGV结构直接将MEMS光学芯片的电极焊盘引至光学玻璃的上表面。
[0017]本发明还提供一种基于硅-玻璃键合的MEMS光学芯片的封装方法，包括步骤:
[0018]A)第一部件的制备:制备出下表面具有空腔光学玻璃，所述腔体的通光表面达到光学面的要求，用硬掩膜选择性蒸镀方法在腔体表面蒸镀下光学增透膜，然后在光学玻璃的上表面蒸镀上光学增透膜；
[0019]B)第二部件的制备:采用MEMS工艺制备出的MEMS光学芯片的圆片；
[0020]C)硅-玻璃键合:将所述第一部件及第二部件采用硅-玻璃键合工艺进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体；
[0021]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；
[0022]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；
[0023]E)芯片分离:采用划片机窄刀片沿划片槽将整个键合圆片分隔成各个独立的封装单元。
[0024]作为本发明的基于硅-玻璃键合的MEMS光学芯片的封装方法的一种优选方案，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。<