專利名稱：具有紅外線聚焦功能的mems紅外傳感器的封裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS (微電子機械系統(tǒng))封裝技術(shù)，尤其涉及一種用于具有紅外 聚焦功能的MEMS紅外探測器的封裝方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工業(yè)與MEMS (微電子機械系統(tǒng))技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外傳感器的制造 技術(shù)也日益進步。使用先進的MEMS微加工技術(shù)可以制造出性能優(yōu)越的紅外傳感器。當(dāng)今， 紅外傳感器的應(yīng)用越來越廣泛，例如在醫(yī)學(xué)上進行非接觸式快速測量體溫方面，這在需要 對大范圍人群測溫方面有著重要意義；此外它還應(yīng)用于科學(xué)研究和軍事上，比如紅外線光 譜儀、導(dǎo)彈導(dǎo)向、熱成像、激光偵測等用途。在民用商業(yè)方面，紅外傳感器也被廣泛應(yīng)用于遙 控器、防盜器等常見民用設(shè)備上。紅外傳感器分為熱型(thermal)和光子型(photon)。光 子紅外探測器的響應(yīng)速度快，而且靈敏度高，但是，為了避免熱產(chǎn)生的電子空穴對，探測器 溫度一般要在77K以下，這就需要昂貴的冷卻設(shè)備，增加了探測器的尺寸大小，并且成本很 高。所以熱型紅外探測器在使用上更加方便，而且成本低廉，應(yīng)用前景十分廣泛。熱型紅外線圖像傳感器一般都是室溫下工作，如果探測紅外線的晶方(die)與周 圍空氣接觸，由于空氣具有熱傳導(dǎo)的效果，這樣紅外線產(chǎn)生的熱量會大量流失，這就降低了 紅外線探測器的靈敏度。所以，熱型紅外線探測器的晶方(die)必須密封在真空環(huán)境下。 為了保持真空度的長期有效性，目前常使用吸氣劑。用無機材料玻璃制作的腔可以提供較 好的真空、密封環(huán)境，陽極鍵合工藝可以提供非常好的氣密性，是最常用的真空密封鍵合工 藝。在PyreX7740玻璃上形成微腔結(jié)構(gòu)，再與含有可動部件的Si襯底進行陽極鍵合，便可 以在不需要吸氣劑和抽氣的情況下實現(xiàn)MEMS器件的真空封裝。由于集成電路發(fā)展微型化要求，當(dāng)今紅外探測器芯片中的吸收紅外線區(qū)域都是很 小的一個區(qū)域，它為MEMS器件提供信號源，配合集成電路一起工作。鑒于紅外線探測區(qū)域 較小，這樣就影響了靈敏度，如果使用具有紅外線聚焦功能的封裝結(jié)構(gòu)，可以會聚紅外線， 從而提高探測的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工藝方法簡單、成本低廉的具有紅外線聚焦功能的MEMS 紅外傳感器的封裝方法，為紅外線傳感器提供工作需要的高真空度，保證其良好的絕熱性 能和靈敏度，在不需要吸氣劑和抽真空過程的情況下，實現(xiàn)長期有效的真空環(huán)境，同時起到 對紅外線的聚焦功能，將入射到玻璃微腔上的紅外線全部聚焦到紅外探測器的紅外線吸收 區(qū)域，提高靈敏度。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種具有光學(xué)窗口的MEMS封裝玻璃微腔的制造方法， 包括以下步驟第一步，根據(jù)所要封裝的MEMS紅外傳感器芯片確定封裝結(jié)構(gòu)的圖案及其 尺寸，第二步，利用Si微加工工藝在硅圓片上刻蝕形成符合上述封裝要求的特定微槽圖 案，第三步，將上述的硅圓片與pyrex7740玻璃圓片在100Pa-30kPa的氣氛下進行鍵合，
4使PyreX7740玻璃圓片與上述特定圖案形成密封腔體，第四步，將上述鍵合好的圓片在一 個大氣壓下進行加熱，保溫，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃向密封腔體凸起，形成球面微腔 結(jié)構(gòu)，但不接觸硅，冷卻，并將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，第五步，使用EVG 610對準 機，將制作好的玻璃微腔圓片與MEMS紅外線傳感器芯片進行對準，然后使用EVG 501在高 真空環(huán)境下進行二次陽極鍵和，實現(xiàn)對MEMS紅外線傳感器的真空封裝，第六步，使用單面 腐蝕夾具，刻蝕掉帶有微槽圖案的硅片。上述技術(shù)方案中，所述硅圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝可以為濕法腐蝕工藝。所 述Si圓片的硅圓片上刻槽的方法可以是用反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種。 所述的硅圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓 600V。第四步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510°C 560°C中，退火保溫時 間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。第三步中硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片按照陽極鍵合的 工藝要求進行必要的清洗和拋光。第二步中刻蝕的圖案為大于1 1的深寬比的圖案。第 二步中刻蝕的圖案深寬比為20 1。第五步中將紅外傳感器的紅外吸收區(qū)域?qū)试诓Ａ?微腔透鏡的中心軸線上。第五步中第五步紅外傳感器的紅外吸收區(qū)域在玻璃透鏡的焦平面 上。第五步中是用Pyrex7740玻璃在5X10_3mbar真空環(huán)境下進行陽極鍵合。第六步中腐 蝕掉Si模具是使用10%的TMAH在單面腐蝕夾具中進行的，TMAH溶液在水浴中保持溫度為 90 °C。本發(fā)明獲得如下效果1.本發(fā)明采用負壓熱成型制備的帶有空腔的PyreX7740玻璃透鏡封裝MEMS紅外 傳感器，此種玻璃對于近紅外線(波長處于800微米-2微米之間)具有高達90%的透過 率，因而可有效的實現(xiàn)對近紅外線的聚焦，從而能夠收集微弱的紅外線信號。負壓熱成型正 面形成透鏡可用于紅外線的聚焦，正面形成的微腔可對紅外線傳感器進行圓片級的真空封 裝，具有方法簡單，低成本的特點。本發(fā)明可同時制備透鏡和封裝紅外傳感器的腔，形成的 真空環(huán)境將有利于紅外線的透過，從而被紅外線傳感器所吸收。另外，利用二次陽極鍵合工 藝將上述紅外傳感器真空封裝，無機材料玻璃的密封性好，陽極鍵合的密封性也較好，因此 真空度能夠得到較長時間的維持。2.本發(fā)明在最后去掉硅模具，刻蝕出玻璃窗口，相對于在玻璃微腔成型后去掉硅 模具的步驟，更有利于二次鍵合。二次鍵合需要比較高的平整度，如果在二次鍵合前去掉硅 模具，玻璃微腔圓片可能產(chǎn)生翹曲，可能導(dǎo)致二次陽極鍵合真空封裝紅外傳感器的失敗；此 外，由于熱成型后玻璃的表面具有很低的粗糙度，二次鍵合封裝前去掉硅模具的腐蝕過程 容易破壞玻璃鍵合表面，增加其粗糙度，將進一步增加二次鍵合過程的難度。3.本發(fā)明通過控制第一次陽極鍵合時的壓力使得玻璃與帶有微槽的硅鍵合后形 成的密封腔內(nèi)具有一定的氣壓(非真空，但是在加熱后其內(nèi)部的氣壓仍然小于一個大氣 壓)，使玻璃熱成型時，在負壓的作用下(在成型溫度下，外部大氣壓大于內(nèi)部壓力)，玻璃 向內(nèi)部凸起形成球面(表面張力的作用使熔融態(tài)的玻璃呈球面)，但是不貼合硅片底面。其 原理在于，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV = nRT可知，一定溫度下，在不為真空的密閉腔內(nèi)，氣 體的壓力與密閉體積成反比。由于密閉腔的體積隨著玻璃向腔內(nèi)凸起而減小，其內(nèi)部的壓 力也逐步增大，內(nèi)外部壓力逐漸平衡，而玻璃球面不會貼合于粗糙的硅表面。由于僅僅通過 控制壓力就可以實現(xiàn)光潔的外表面，因此方法更簡單，成本更低。此外，玻璃微腔的成型是基于微腔內(nèi)外的壓力平衡，因此球面的形狀以及體積尺寸均可以根據(jù)PV = nRT進行計算， 而不需要嚴格的控制玻璃黏度和成型時間，僅需要將玻璃加熱到熔融態(tài)即可?？梢酝ㄟ^控 制氣壓差，使成型的玻璃微腔成為一個焦點在未變形玻璃平面上的凸透鏡，以實現(xiàn)對紅外 線聚焦的功能。相對于通過控制玻璃的粘稠度和成型時間來控制玻璃微腔的形狀而言，本 方法更簡單，成本更低。4.陽極鍵合具有鍵合強度高，密閉性好的特點 ，本發(fā)明采用陽極鍵合形成密閉空 腔，在第三步的加熱過程中不易發(fā)生泄漏而導(dǎo)致成型失敗。在溫度400°C，電壓直流600V的 鍵合條件下，陽極鍵合能夠達到更好的密封效果。5.采用的第三步中的退火工藝可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高溫負壓成 型過程中形成的應(yīng)力，從而使其強度韌性更高。在該條件下退火，既能有效退去應(yīng)力，還能 夠使得微腔的形狀基本無改變，而退火溫度過高易導(dǎo)致微腔形狀發(fā)生變化不利于后道的封 裝，而過低的退火溫度則無法有效去除玻璃內(nèi)部應(yīng)力。6.本發(fā)明制備與Si的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)腜yrex7740玻璃作為玻璃微腔結(jié)構(gòu)，在制 備微腔時不容易使鍵合好的圓片因熱失配產(chǎn)生損壞；為后面封裝紅外傳感器提供方便，工 藝過程中受熱時不易發(fā)生熱失配。7.本發(fā)明采用濕法腐蝕在硅表面加工微槽，工藝過程簡單可靠，成本低廉，可實現(xiàn) 玻璃微腔的圓片級制造。8.本發(fā)明采用干法特別深反應(yīng)離子刻蝕，可制備高深寬比的(可達到20 1)硅 腔，使得所制備的玻璃微腔也具有較大的深寬比，在封裝方面具有廣闊的應(yīng)用。9.本發(fā)明基于傳統(tǒng)MEMS加工工藝，由于Pyrex7740玻璃與Si熱失配很小，所以 本發(fā)明使用Si模具。首先在Si片上加工微腔結(jié)構(gòu)，尺寸需要根據(jù)所需的PyreX7740玻璃 微腔尺寸和厚度進行調(diào)節(jié)，本發(fā)明刻蝕的腔體較深，在500um厚的硅片上刻蝕300um深的腔 體，目的在于避免玻璃在熱成型過程中熔融態(tài)的玻璃接觸Si上腔體的底部。濕法刻蝕工藝 造成了硅的底部粗糙度較大，因此玻璃接觸底部將增加玻璃微腔表面粗糙度，從而降低紅 外線的透過率。10.本發(fā)明中，帶有深腔的Si圓片與Pyrex7740玻璃不是在真空條件下進行陽 極鍵合的，而是在較低的壓力下進行的陽極鍵合，即在玻璃與硅形成的密封腔內(nèi)預(yù)封一定 的氣體，然后再常壓下加熱到玻璃的軟化點溫度進行熱成型，在微腔內(nèi)外壓力差的作用下， Pyrex7740玻璃下凹成型，由于密封腔內(nèi)預(yù)封了一定氣體，使熔融態(tài)玻璃不會與腔體底部 接觸，熔融態(tài)玻璃再軟化點下成流態(tài)，所以在氣體壓力作用下成的微腔表面光滑，粗糙度很 低。這樣的特性適用于有利于紅外線的透射，使紅外線的損耗達到最小值，提高紅外探測器 靈敏度。該微腔的尺寸可以通過在硅片上刻蝕深腔的尺寸進行調(diào)節(jié)。11.本發(fā)明通過鍵合工藝使得玻璃和硅之間形成牢固的化學(xué)鍵合，使得硅和玻璃 之間形成連續(xù)的力學(xué)界面。Pyrex7740玻璃與硅之間具有相近的熱膨脹系數(shù)，具有很好的熱 匹配，力學(xué)性能穩(wěn)定，因此在玻璃熱成型以后能夠形成低應(yīng)力的界面，這樣就為玻璃熱成型 創(chuàng)造了有力的條件。普通玻璃與硅之間的熱失配應(yīng)力較大，在高溫?zé)岢尚瓦^程中就會產(chǎn)生 翹曲，表面不平整，導(dǎo)致成型質(zhì)量差。12.相對于普通的熔融鍵合方法，本發(fā)明通過陽極鍵合的方法，在硅和玻璃之間形 成Si-o鍵，使得封裝時玻璃微腔與硅片之間形成更牢固的化學(xué)鍵合，這樣在高溫下，玻璃即使變?yōu)槿廴趹B(tài)，玻璃熔體也會由于Si-0鍵的強烈作用，固定在原來位置，避免融化的玻 璃在硅表面發(fā)生位移。13.陽極鍵和具有強度高，密封性好的特點，本發(fā)明采用陽極鍵合形成密封腔，在 第三步加熱成型過程中不會產(chǎn)生漏氣而導(dǎo)致成型失敗。溫度在400°C下，進行600V直流鍵 合，效果良好。14.第五步中的退火工藝可以有效地消除在玻璃熱成型過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，從而 使其強度韌性提高，在二次陽極鍵合封裝器件的過程中，玻璃不易破碎。561°C為Pyrex 玻璃的轉(zhuǎn)化點，在這個溫度下，玻璃可以有效的消除應(yīng)力，所以退火溫度范圍在510°C 560°C中，保溫30min，而510°C為玻璃的應(yīng)變點，所以從560°C到510°C要以1 °C /min緩慢降 溫，在510°C以下可以加快降溫速度。15.本發(fā)明采用的是常規(guī)的電子微加工工藝，工藝可靠，成本低廉，可實現(xiàn)圓片級 制造。本發(fā)明使用Pyrex7740玻璃形成的玻璃微腔作為封裝的材料，由于它是一種無機材 料，氣密性非常好。16.本發(fā)明封裝紅外傳感器是在5X 10_3mbar的高真空下進行鍵合的，這個真空度 能夠很好地滿足紅外傳感器的真空要求，減少熱耗散。17.本發(fā)明采用陽極鍵合的方法封裝紅外傳感器，鍵合形成牢固的Si-0鍵，漏氣 率很低，可以長期保持較高的真空度。18.本發(fā)明中采用單面夾具腐蝕硅可以有效地保護傳感器芯片的硅襯底，同時 10% TMAH在90°C溫度下不僅刻蝕速度較快，而且對玻璃微腔基本不刻蝕。19.本發(fā)明將封裝的紅外傳感器上的紅外線吸收區(qū)域定位在玻璃透鏡微腔的焦平 面上，玻璃透鏡的焦距與微腔高度相等，并且吸收區(qū)在透鏡的中心軸線上。這種使用球面玻 璃微腔透鏡封裝紅外傳感器的方法，可以應(yīng)用于多種紅外傳感器，比如紅外熱像儀，image sensor，紅外線測溫儀。并且對于紅外探測的機制也沒有限制。應(yīng)用于熱電堆式紅外探測 器，可以將紅外線聚焦在紅外線吸收區(qū)，這樣使溫度差更大，測量的靈敏度得到提高；另外 應(yīng)用于熱雙金屬梁紅外探測器時，Pyrex7740玻璃微腔透鏡將紅外線聚焦在吸收紅外線的 雙層金屬梁上，這樣就使金屬梁位移更大，這樣也增加了探測靈敏度，其他類型的紅外探測 器可以相似地提高靈敏度，由此可見，該方法用途廣泛，而且真空度和紅外聚焦性能優(yōu)異。


圖1為對應(yīng)紅外傳感器芯片的封裝圖案圖2為刻蝕有圖案的硅圓片截面示意3為刻蝕有圖案的硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片鍵合后的圓片截面示意4為硅圓片與玻璃圓片鍵合后加熱后的截面示意5為真空條件下陽極鍵合封裝后的截面示意圖
具體實施例方式實施例1 一種具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，包括以下步 驟第一步，根據(jù)MEMS紅外傳感器(可以選用紅外熱電堆，它利用多組相互串聯(lián)的熱電偶 測量溫度的變化，熱電偶的一端與紅外線吸收區(qū)域相連，由于吸收紅外線后溫度升高，熱電偶產(chǎn)生溫度差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)熱電堆輸出一個電壓，溫度越高即吸收紅外線越多輸出的 電壓值越大，實現(xiàn)了對紅外線的探測，這里使用的是n型多晶硅/鋁熱電偶。譬如其尺寸為 1*1毫米)的芯片尺寸，確定封裝腔體的圖案和尺寸，包括腔體的邊長和封裝區(qū)域的寬度， 設(shè)計版圖，第二步，利用Si微加工工藝在Si圓片(譬如4英寸圓片)上刻蝕形成特定圖案， 所述Si原片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝、或者干法感應(yīng)耦合等離子體(ICP) 刻蝕工藝、反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一種，(三維上看是在硅片上刻槽，二維 上是圖案)，微槽的深寬比可以小于1 1，也可以大于1 1，例如2 1,3 1,4 1， 7 1,10 1,15 1,20 1，深寬大的玻璃微腔將會給玻璃提供更多的流變空間，從而為 封裝腔的尺寸提供更多的選擇，第三步，將上述Si圓片與PyreX7740玻璃圓片(一種硼硅玻璃的品牌，美國 康寧-corning公司生產(chǎn)，市場可購得，通常已經(jīng)經(jīng)過拋光，其尺寸與Si圓片相同)在 100Pa-30kPa 的氣氛下進行鍵合，譬如壓力為 150Pa，200Pa, 1. 5kPa, 5kPa, 20kPa, 25kPa,， 使PyreX7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體，鍵合表面在鍵合前應(yīng)該保持高度清潔 和極小的表面粗糙度，以滿足常規(guī)鍵合的要求，按照陽極鍵合或其他鍵合的工藝要求進行 常規(guī)清洗和拋光，第四步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至740°C 800°C，在該溫度 下保溫 3 8min，例如溫度可以選取為 740 °C，750 °C，760 °C，770 °C，780 °C，790 °C，800 °C， 保溫 3 8min，時間可以選取為3. 2min，3. 5min，3. 8min，4min，4. 2min，4. 4min，4. 8min, 6min,7min,7. 5min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃向密封腔體凸起形成球面，但不與硅圓 片微槽的底部接觸，從而形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的微腔結(jié)構(gòu)，冷卻到較低的溫度，如 20-25 V，譬如為22°C，將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，該常壓是指一個大氣壓，第五步，將上述制作好的玻璃微腔(帶有Si模具)在EVG 610下與MEMS紅外傳 感器芯片的圓片進行對準，使紅外傳感器上的紅外吸收區(qū)域在玻璃透鏡的中心軸線上，并 且在玻璃透鏡的焦平面上，然后在EVG 501中，在5X10_3mbar高真空下進行陽極鍵合，完成 封裝工藝，第六步，使用單面腐蝕夾具，使用10%的TMAH溶液在水浴中保溫在90°C下腐蝕掉 作為玻璃微腔成型模具的Si層。上述技術(shù)方案中，所述的Si圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，典 型工藝條件為溫度400°C，電壓600V。第四步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范 圍在510°C 560°C中，退火溫度可以選取為530°C，540°C，550°C，560°C，退火保溫時間為 30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C)。第五步中鍵合的壓強可以在1 X 10_4mbar 1 X l(T2mbar，真空壓強可以選取 IX l(T4mbar，5 X l(T4mbar，1 X l(T3mbar，5 X l(T3mbar， lXl(T2mbar，本發(fā)明的優(yōu)選方案如下上述技術(shù)方案中，所述硅圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝 可以為濕法腐蝕工藝。所述Si圓片的硅圓片上刻槽的方法可以是用反應(yīng)離子刻蝕或者深 反應(yīng)離子刻蝕中的一種。所述的硅圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，工 藝條件為溫度400°C，電壓600V。第四步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在 510°C 560°C中，退火保溫時間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。第三步和第五步中硅圓片與PyreX7740玻璃圓片按照陽極鍵合的工藝要求進行必要的清洗和拋光。第二步中刻蝕的 圖案為大于1 1的深寬比的圖案。第一步中刻蝕的圖案深寬比為20 1。第六步中使用 了單面腐蝕夾具，腐蝕液為濃度為10%的TMAH溶液，溫度為90°C。實施例2 —種MEMS紅外傳感器的圓片級封裝方法，，包括以下步驟第一步，根據(jù)MEMS紅外傳感器芯片結(jié)構(gòu)，確定封裝腔體和封裝框架的尺寸，設(shè)計 封裝玻璃微腔的版圖尺寸，MEMS紅外傳感器是使用多組相互串聯(lián)的熱電偶進行測溫的。根 據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)熱電偶兩端存在溫度差，將會產(chǎn)生電壓，而且冷熱端溫度差越大，輸出電 壓越大。多組熱電偶串聯(lián)可以提高熱電堆的探測靈敏度。將熱電堆的熱端與紅外線的吸收 區(qū)域接觸，而冷端遠離紅外線吸收區(qū)域，并用絕熱的材料進行隔熱，這樣紅外線吸收區(qū)域因 吸收紅外線而升溫，對外輸出一個電壓，實現(xiàn)了測量紅外線的目的。熱電偶由兩種不同的材 料相連組成，最常用的就是n型多晶硅/鋁。我們這里使用的就是n型多晶硅/鋁材料的 熱電偶，第二步，利用深反應(yīng)離子刻蝕方法在4英寸Si圓片上刻蝕形成特定圖案(實際 上三維上看，是在硅片上刻槽，二維上是圖案)，該圖案是方形槽陣列，該圖案的深寬比為 20 1，硅片經(jīng)過拋光，第三步，將上述Si圓片與相同尺寸的(4英寸)PyreX7740玻璃圓片(一種硼硅玻 璃的品牌，美國康寧-corning公司生產(chǎn)，市場可購得，已經(jīng)經(jīng)過拋光)在lOOOPa的氣氛下 進行鍵合，鍵合在EVG-501陽極鍵合機上進行，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密 封腔體，鍵合表面在鍵合前按照陽極鍵合要求進行常規(guī)清洗和拋光，保持高度清潔和極小 的表面粗糙度，以滿足常規(guī)陽極鍵合的要求，第四步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至780°C，在該溫度下保溫 4min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃向密封腔體凸起形成球面，但不與硅圓片微槽的底部 接觸，從而形成與上述微腔圖案結(jié)構(gòu)相應(yīng)的微腔結(jié)構(gòu)，冷卻到常溫25°C，將上述圓片在一個 大氣壓下退火消除應(yīng)力，上述技術(shù)方案中，所述的Si原片與PyreX7740玻璃表面鍵合工藝 為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓600V。第三步中所述熱退火的工藝條件為退 火溫度范圍在510°C 560°C中，退火溫度可以選取為560°C，退火保溫時間為30min，然后 緩慢風(fēng)冷至常溫25°C。從而制備的玻璃微腔的圖案也具有高達20 1的深寬比。第五步，將成型好的玻璃透鏡微腔(帶有Si模具)與MEMS紅外傳感器芯片在EVG 610下進行對準，確保傳感器上的紅外線吸收區(qū)在透鏡的中心軸線上，并且位于透鏡的焦平 面上，然后轉(zhuǎn)移到EVG 501中，在5 X 10_3mbar真空度，溫度為400°C，鍵合電壓為600V下進 行陽極鍵合，完成封裝工藝。第六步，將硅片固定在單面腐蝕夾具中(腐蝕液只能在圓片的上面，進入不了圓 片的底部，實現(xiàn)單面腐蝕)，倒入配置好的濃度為10%的TMAH溶液，將夾具放入水浴中，使 用溫度計測量TMAH溶液溫度，保證其溫度穩(wěn)定在90°C本發(fā)明通過MEMS加工制造技術(shù)Si 片與PyreX7740玻璃的陽極鍵合工藝，再利用真空負壓熱處理工藝，制造出具有原始玻璃 表面粗糙度的圓片級Pyrex7740玻璃微腔，工藝成熟，技術(shù)可靠。熔融態(tài)玻璃具有很低的粗 糙度，通?？蛇_到幾十個納米甚至幾個納米以下。本發(fā)明使用了陽極鍵合的方法封裝MEMS紅外傳感器，鍵合在5 X lO^mbar高真空 度下進行，可以滿足紅外探測器的真空度要求，使其不與周圍的空氣發(fā)生熱傳導(dǎo)，有效的避免熱耗散，這樣就提高了測量的精度。由于使用陽極鍵合工藝進行封裝，在鍵合區(qū)域發(fā)生了 化學(xué)反應(yīng)，形成了牢固的Si-0化學(xué)鍵，這使得封裝的氣密性非常好，漏氣率很低，可以長期 保證紅外探測器的真空有效性。 本發(fā)明中使用制作的玻璃微腔透鏡封裝MEMS紅外傳感器，使探測器紅外線的吸 收區(qū)域在透鏡的中心軸線和焦平面上，這樣就將入射到整個玻璃封裝微腔上的紅外線都聚 焦到很小的吸收區(qū)域上，這樣就有效地提高了紅外傳感器的探測靈敏度，玻璃微腔不僅僅 起到了真空封裝的封裝體的作用，還起到了紅外線聚焦的功能，對于紅外探測器它也是個 信號放大器。
權(quán)利要求
一種具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特征在于，包括以下工藝步驟第一步，根據(jù)所要封裝的MEMS紅外傳感器芯片(11)，確定封裝結(jié)構(gòu)的圖案(2)，得出封裝腔體(3)尺寸和封裝區(qū)域(4)尺寸，第二步，利用Si微加工工藝在硅圓片(5)上刻蝕形成符合上述封裝要求的特定微槽圖案(6)，第三步，將上述的硅圓片(5)與Pyrex7740玻璃圓片(7)在100Pa-30kPa氣氛下進行鍵合，使Pyrex7740玻璃圓片與上述特定圖案形成密封腔體(8)第四步，將上述鍵合好的圓片在一個大氣壓下加熱至740℃～800℃，保溫3～8min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃向密封腔體(8)凸起，但不接觸硅，形成球面微腔結(jié)構(gòu)(9)，冷卻，并將上述圓片在常壓下退火消除應(yīng)力，第五步，使用對準機，將制作好的玻璃微腔圓片(9)與MEMS紅外線傳感器芯片(10)進行對準，然后使用鍵合機在小于1Pa的真空環(huán)境下進行二次陽極鍵合，使得紅外傳感器部分處于球面微腔結(jié)構(gòu)(9)內(nèi)，從而實現(xiàn)對MEMS紅外線傳感器的真空封裝，第六步，刻蝕掉硅模具(1)，使得透鏡暴露出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特征 在于所述硅圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為濕法腐蝕工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特 征在于所述Si圓片的硅圓片上刻槽的方法是用反應(yīng)離子刻蝕或者深反應(yīng)離子刻蝕中的一 種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特征 在于所述的硅圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽極鍵合，工藝條件為溫度400°C， 電壓600V。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特征 在于第四步中所述熱退火的工藝條件為退火溫度范圍在510°C飛60°C中，退火保溫時間 為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特征 在于第三步中硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片按照陽極鍵合的工藝要求進行必要的清洗和 拋光。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特征 在于第一步中刻蝕的圖案為大于11的深寬比的圖案。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其 特征在于第一步中刻蝕的圖案深寬比為20 1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特征 在于第五步中所述的對準方法為在EVG 610對準機下將制作好的圓片級玻璃透鏡微腔與 紅外傳感器芯片進行對準，將紅外傳感器上的紅外線吸收區(qū)(11)放置在微腔透鏡(9)的中 心軸線上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特 征在于第五步中所述的鍵合，是在5X10_3mbar的高真空下進行的陽極鍵合，封裝腔體將紅外傳感器芯片的MEMS部件及其外圍電路都封裝在真空環(huán)境中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法， 其特征在于使用PyrreX7740玻璃透鏡微腔與紅外傳感器芯片進行陽極鍵合。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或10所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法， 其特征在于使用玻璃透鏡微腔(9)封裝紅外傳感器，凸透鏡具有紅外線聚焦功能，這樣封 裝微腔就將整個芯片上的紅外光線都會聚到較小的紅外線吸收區(qū)域(11)，吸收區(qū)域位于透 鏡焦平面附近。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有紅外線聚焦功能的MEMS紅外傳感器的封裝方法，其特 征在于第六步中腐蝕掉作為模具的Si層，是使用10%的TMAH溶液在單面腐蝕夾具進行腐 蝕，并將TMAH溶液是水浴中保溫在90°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有紅外線聚焦功能的紅外傳感器的封裝方法，包括以下步驟根據(jù)所要封裝的紅外傳感器芯片確定封裝結(jié)構(gòu)的圖案及其尺寸在硅圓片上刻蝕形成符合上述封裝要求的特定微槽圖案，將上述的硅圓片與玻璃圓片鍵合，使玻璃圓片與上述特定圖案形成密封腔體，將圓片加熱，保溫，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃向密封腔體凸起，形成球面微腔結(jié)構(gòu)，冷卻，退火消除應(yīng)力，使用對準機，將玻璃微腔圓片與紅外線傳感器芯片進行對準，然后在真空環(huán)境下進行二次陽極鍵合，實現(xiàn)對紅外線傳感器的真空封裝，刻蝕硅模具，暴露出透鏡。該封裝方法工藝簡單，成本低，不僅實現(xiàn)了紅外傳感器的真空封裝，而且起到了對紅外線聚焦的功能，提高了探測靈敏度。
文檔編號B81C1/00GK101863449SQ20101020460
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月21日
發(fā)明者唐潔影, 尚金堂, 張迪, 徐超, 柳俊文, 陳波寅, 黃慶安 申請人:東南大學(xué)