CN104909327A - 基于中间层键合的mems光学芯片的封装结构及封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法，所述封装结构包括：第一部件，包括光学透明基体，其上、下表面分别镀制上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；第二部件，包括中间层；第三部件，包括MEMS光学芯片，其在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；其中，所述中间层将光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。本发明的封装结构能够独立设计，兼容MEMS光学芯片的工艺要求，能够实现MEMS光学芯片无损封装，有效保证了镜面的光洁度，提升了气密性能。本发明具有工艺简单，易于批量生产、易于集成、控制等优点，在光学芯片的封装中有着广泛的应用前景。

Description

基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)、光通信、光传感、光谱分析、可调激光器领域，尤其是涉及一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法。

背景技术

可调谐光学参数或功能的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级及优于1000级的净化环境中才能暴露，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、可动微结构难以经受普通的机械划片或激光划片。机械划片时冲水将损坏芯片，机械划片或激光划片产生的硅渣导致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。

MEMS光学芯片由于其微结构而不能直接暴露在现有的光学封装车间中，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，如平行封焊机等。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车间中完成器件封装，将大幅度降低MEMS光学芯片的封装成本。

目前MEMS光学芯片的封装沿用半导体激光器、光探测器的封装工艺，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。在其管座上设计有气密的电引线，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，但其成本是很高的。

目前MEMS光器件封装厂家主要采用单芯片管壳+光准直器的方法实现封装，实现气密封装成本较高。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光学芯片的封装采用单只、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光器件生产中的关键问题。

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，而不是一次一个芯片，从而显著降低了劳动力消耗和设备投入，极大地提高封装效率，而且也可减少芯片背部减薄、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。采用玻璃基片的圆片级封装与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流程来考虑圆片级封装工艺及流程，封装材料、封装工艺的选择都存在较大的困难。

发明内容

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中间层键合的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存在较大困难的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，所述封装结构包括：

第一部件，包括光学透明基体，所述光学透明基体上表面及下表面分别镀制上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；

第二部件，包括中间层；

第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；

其中，所述中间层将所述光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

作为本发明的基于中间层键合的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。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述光学 透明基体下表面具有无光学薄膜覆盖的裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体的裸露面以及所述体硅衬底裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体。

进一步地，通过所述中间层键合后，所述电极焊盘位于所述密封环的外侧。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层的材料包括BCB及玻璃浆料的一种，所形成的密封腔体的漏率为10^-5～10^-9atm·cc/s。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层包括具有图形化通孔的玻璃结构，所述玻璃结构通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体连接。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层包括具有图形化通孔及TGV(Through Glass Vias)结构的玻璃结构，所述玻璃结构通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体连接，并且，所述TGV结构中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘连接。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述中间层的高度为1微米～1000微米，宽度为20微米～1500微米。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的一种优选方案，所述光学透明基体为对通信波长透明的基片材料，包括玻璃、陶瓷及高电阻率单晶硅中的一种。

本发明还提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，包括步骤：

A)第一部件的制备：采用硬掩膜选择性蒸镀方法于光学透明基体的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜，并于所述光学透明基体的上表面蒸镀上光学增透膜；

B)第三部件的制备：采用MEMS工艺制备出的MEMS光学芯片的圆片；

C)中间层键合：采用中间层将所述光学透明基体及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体；

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；

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；

E)芯片分离：采用划片机的窄刀片沿划片槽将整个键合晶圆片分隔成各个独立的封装单元。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法的一种优选方案，步骤B)所述的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。

进一步地，所述光学透明基体下表面具有裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体的裸露面以及所述体硅衬底裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体，并使得所述电极焊盘位于所述密封环的外侧。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法的一种优选方案，步骤C)包括步骤： 

C-1)于所述光学透明基体下表面涂覆光敏BCB胶，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的密封环图形；

C-2)采用BCB键合工艺将所述光学透明基体及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法的一种优选方案，步骤C)包括步骤： 

C-1)采用丝网印刷工艺将玻璃浆料印刷于所述光学透明基体下表面，形成对应于MEMS光学芯片的密封环图形；

C-2)将所述光学透明基体及MEMS光学芯片的圆片进行玻璃浆料对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法的一种优选方案，步骤C)包括步骤： 

C-1)于所述光学透明基体下表面涂覆光敏BCB胶，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的BCB图形。

C-2)提供一玻璃片，并制作出具有图形化通孔的玻璃结构；

C-3)将具有图形化通孔的玻璃结构与MEMS光学芯片的圆片采用阳极键合工艺装进行键合；

C-4)将具有BCB图形的光学透明基体与具有玻璃结构MEMS光学芯片的圆片进行BCB键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

作为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法的一种优选方案，步骤C)包括步骤： 

C-1)于所述光学透明基体下表面涂覆光敏BCB胶，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的BCB图形。

C-2)提供一玻璃片，并制作出具有图形化通孔以及TGV结构的玻璃结构；

C-3)将具有图形化通孔及TGV结构的玻璃结构与MEMS光学芯片的圆片采用阳极键合工艺进行键合，且使所述TGV结构中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘连接；

C-4)将具有BCB图形的光学透明基体与具有玻璃结构MEMS光学芯片的圆片进行BCB键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

如上所述，本发明提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法，所述封装结构包括：第一部件，包括光学透明基体，所述光学透明基体上表面及下表面分别形成有上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；第二部件，包括中间层；第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；其中，所述中间层将所述光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。本发明的封装结构能够独立设计，兼容MEMS光学芯片的工艺要求，能够实现MEMS光学芯片在代工厂完成无损气密封装，解决了MEMS光学芯片的划片难题，。本发明的设计能够极大地简化该类芯片的封装工艺流程，为MEMS光学芯片后续与准直器耦合封装带来了极大的便利，实现了芯片级的预封装，有效保证了镜面的光洁度，提升了气密性能，降低了成本。本发明的封装结构具有工艺简单，易于批量生产、易于集成、控制等优点，因此在MEMS光学芯片的封装中有着广泛的应用前景。

附图说明

图1～图3b显示为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的主视结构示意图。

图4显示为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的俯视结构示意图。

图5显示为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的圆片级封装结构示意图。

图6a～图8k显示为本发明的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法的各步骤所呈现的结构示意图。

元件标号说明

101               光学透明基体

102               下光学增透膜

103               上光学增透膜

104               光敏BCB胶

204               玻璃浆料

310               玻璃结构

311               TGV结构

105               体硅衬底

106               可动光学微镜

107               硅弹性梁机构

108               电极焊盘

109               高反射膜

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图8j。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1及图4～图5所示，本实施例提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，所述封装结构包括：

第一部件，包括光学透明基体101，所述光学透明基体101上表面及下表面分别镀制上光学增透膜103及图形化的下光学增透膜102。

作为示例，所述光学透明基体101为对通信波长透明的基片材料。在本实施例中所述光学透明基体101为玻璃基体。所述图形化的下光学增透膜102之间，裸露出与各MEMS光学芯片对应的玻璃基体表面，即所述玻璃基体下表面上具有无光学薄膜覆盖的裸露面，作为后续中间层的键合面。

第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控。具体地，所述MEMS光学芯片包括体硅衬底105、活动腔体、位于所述活动 腔体内并由硅弹性梁机构107固接于体硅衬底105上的可动光学微镜106、位于所述可动光学微镜106表面的高反射膜109、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘108，其中，所述电极焊盘108与活动腔体之间的体硅衬底105具有裸露的硅表面。

第二部件，包括中间层；所述中间层将所述光学透明基体101与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

具体地，所述中间层键合于所述光学透明基体101的裸露面以及所述体硅衬底105裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体101及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体。通过所述中间层键合后，所述电极焊盘108位于所述密封环的外侧。

在本实施例中，所述中间层的材料为BCB，所形成的密封腔体的漏率为10^-5～10^-9atm·cc/s。

作为示例，所述中间层的高度为30微米，宽度为20微米～40微米。

本实施例的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的基本工作原理为：构成第一部件的光学透明基体101(如玻璃基体)对一定范围内的光线透明(如光通信中的1.3μm和1.55μm的红外光)，第三部件中的可动光学微镜106通过MEMS驱动器实现某一运动(如空间扭转、垂直镜面平动等非平面内运动等)，入射光线沿着垂直方向实现反射、透射或干涉，最终由光学透明基体101透射到空气中，从而实现特定的光学性能。所述中间层提供镜面非平面运动所需的密封空间，从而实现了对光芯片的封装。

图1所示为MEMS光学芯片的封装结构的主视图，其俯视结构图如图4所示。另外，图1及图4均仅示意为1个MEMS光学芯片的封装结构，然而，在实际的封装过程中，本实施例的封装结构可用于对MEMS光学芯片的圆片级封装，如图5所示，这种封装结构可以大大简化封装难度，降低封装成本，提高封装的质量，在光通信、光电子领域有着极为广阔的应用前景。

如图6a～图6g所示，本实施例还提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，包括步骤：

如图6a～图6b所示，首先进行步骤1)，第一部件的制备：采用硬掩膜板选择性蒸镀方法于光学透明基体101的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜102，并于所述光学透明基体101的上表面蒸镀上光学增透膜103。

具体地，首先提供一玻璃基体，作为光学透明基体101，然后对所述玻璃基体采用标准清洗工艺进行清洗，如图6a所示；然后，采用硬掩膜板选择性蒸镀方法于光学透明基体101的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜102，所述下光学增透膜102的图形与MEMS光学芯片的可动光学微镜106可以保持一致或略大于所述可动光学微镜106，如图6b所示。

然后进行步骤2)，第三部件的制备：采用MEMS工艺制备出的MEMS光学芯片的圆片。

在本实施例中，所述的MEMS光学芯片包括：体硅衬底105、活动腔体、位于所述活动腔体内并由硅弹性梁机构107固接于体硅衬底105上的可动光学微镜106、位于所述可动光学微镜106表面的高反射膜109、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘108，其中，所述电极焊盘108与芯片活动腔体槽之间的体硅衬底105具有裸露的硅表面。

如图6c～图6e所示，接着进行步骤3)，中间层键合：采用中间层将所述光学透明基体101及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

作为示例，所述光学透明基体101下表面具有裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体101的裸露面以及所述体硅衬底105裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体101及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体，并使得所述电极焊盘108位于所述密封环的外侧，如图6e所示。

具体地，本步骤包括：

如图6c所示，首先进行3-1)，于所述光学透明基体101下表面涂覆光敏BCB胶104，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的密封环图形。

如图6d～图6e所示，然后进行步骤3-2)，采用BCB键合工艺将所述光学透明基体101及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的具有气密性、透光性、及电连接的密封腔体，该密封腔体可提供可动光学微镜106的运动空间。

另外，需要说明的是，所述中间层的高度取决于光敏BCB胶104的涂覆厚度及工艺参数，可以通过工艺实验确定。在本实施例中，所述中间层选用的高度为30微米，宽度为20微米～40微米。

如图6f所示，接着进行步骤4)，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101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108暴露，并不划伤电极焊盘108；

或者采用喷沙工艺将电极焊盘108处的光学透明基体101去除，露出电极焊盘108。

在本实施例中，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101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108暴露，由于中间层的存在，因此，可以容易地控制宽刀片不划伤电极焊盘108。

如图6f所示，然后进行步骤5)，芯片分离：采用划片机的窄刀片沿划片槽将整个键合晶圆片分隔成各个独立的封装单元。

在本实施例中，芯片分离仍然采用电极裸露时所设计好的键合晶圆片划片槽，并不需要 重新设计。具体地，进行芯片分离时仍然沿着设计好的键合晶圆片划片槽划片，深度上为调整为整个键合晶圆片的厚度，最终得到单个封装好的MEMS光学芯片单元。

如图6g所示，为在裸露的电极焊盘108上进行金属引线键合完成电互连的示意图。

综上所述，本发明具有以下优点：1.采用微机械的光刻、键合等常规工艺实现对MEMS光通信器件的封装；2.采用设计一定厚度的中间层实现可动光学微镜106的扭转或平动的运动空间；3.采用键合或粘结的方式实现玻璃光窗与MEMS光学芯片的装配；4.采用划片或者玻璃穿孔方式实现MEMS光学芯片电极焊盘108的裸露；5.具有较好的密封性及光信号无损特性。本发明能够有效地将基于微镜的MEMS光芯片独立封装，能够极大地提高光学微镜的表面洁净度，实现圆片级光芯片的封装，具有较高的气密性。所封装的MEMS光学芯片比现有的同类产品相比具有更高的洁净度，更稳定光学特性，光学损耗也很低。同时该封装技术采用MEMS基本工艺，充分利用晶圆划片的特征实现封装结构的焊盘暴露，具有易批量制作的优势，可广泛应用于光通信器件、光电器件及其他光学传感芯片的圆片级封装。

实施例2

如图2及图4～图5所示，本实施例提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，所述封装结构包括：

第一部件，包括光学透明基体101，所述光学透明基体101上表面及下表面分别镀制上光学增透膜103及图形化的下光学增透膜102。

作为示例，所述光学透明基体101为对通信波长透明的基片材料。在本实施例中所述光学透明基体101为玻璃基体。所述图形化的下光学增透膜102之间，裸露出与各MEMS光学芯片对应的玻璃基体表面，即所述玻璃基体下表面上具有无光学薄膜覆盖的裸露面，作为后续中间层的键合面。

第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控。具体地，所述MEMS光学芯片包括体硅衬底105、活动腔体、位于所述活动腔体内并由硅弹性梁机构107固接于体硅衬底105上的可动光学微镜106、位于所述可动光学微镜106表面的高反射膜109、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘108，其中，所述电极焊盘108与活动腔体之间的体硅衬底105具有裸露的硅表面。

第二部件，包括中间层；所述中间层将所述光学透明基体101与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

具体地，所述中间层键合于所述光学透明基体101的裸露面以及所述体硅衬底105裸露 的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体101及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体。通过所述中间层键合后，所述电极焊盘108位于所述密封环的外侧。

在本实施例中，所述中间层的材料为玻璃浆料204，所形成的密封腔体的漏率为10^-5～10^-9atm·cc/s。

作为示例，所述中间层的高度为50微米，宽度为100微米。

本实施例的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的基本工作原理为：构成第一部件的光学透明基体101(如玻璃基体)对一定范围内的光线透明(如光通信中的1.3μm和1.55μm的红外光)，第三部件中的可动光学微镜106通过MEMS驱动器实现某一运动(如空间扭转、垂直镜面平动等非平面内运动等)，入射光线沿着垂直方向实现反射、透射或干涉，最终由光学透明基体101透射到空气中，从而实现特定的光学性能。所述中间层提供镜面非平面运动的空间，从而实现了对光芯片的封装。

图2所示为MEMS光学芯片的封装结构的主视图，其俯视结构图如图4所示。另外，图2及图4均仅示意为1个MEMS光学芯片的封装结构，然而，在实际的封装过程中，本实施例的封装结构可用于对MEMS光学芯片的圆片级封装，如图5所示，这种封装结构可以大大简化封装难度，降低封装成本，提高封装的质量，在光通信、光电子领域有着极为广阔的应用前景。

如图7a～图7g所示，本实施例还提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，包括步骤：

如图7a～图7b所示，首先进行步骤1)，第一部件的制备：采用硬掩膜选择性蒸镀方法于光学透明基体101的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜102，并于所述光学透明基体101的上表面蒸镀上光学增透膜103。

具体地，首先提供一玻璃基体，作为光学透明基体101，然后对所述玻璃基体采用标准清洗工艺进行清洗，如图7a所示；然后，采用硬掩膜选择性蒸镀方法于光学透明基体101的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜102，所述下光学增透膜102的图形与MEMS光学芯片的可动光学微镜106可以保持一致或略大于所述可动光学微镜106，如图7b所示。

然后进行步骤2)，第三部件的制备：采用MEMS工艺制备出的MEMS光学芯片的圆片。

在本实施例中，所述的MEMS光学芯片包括：体硅衬底105、活动腔体、位于所述活动腔体内并由硅弹性梁机构107固接于体硅衬底105上的可动光学微镜106、位于所述可动光学微镜106表面的高反射膜109、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘108，其中，所述电极焊盘108与活动腔体之间的体硅衬底105具有裸露的硅表面。

如图7c～图7e所示，接着进行步骤3)，中间层键合：采用中间层将所述光学透明基体 101及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

作为示例，所述光学透明基体101下表面具有裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体101的裸露面以及所述体硅衬底105裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体101及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体，并使得所述电极焊盘108位于所述密封环的外侧，如图7e所示。

具体地，本步骤包括：

如图7c所示，首先进行3-1)，采用丝网印刷工艺将玻璃浆料204印刷于所述光学透明基体101下表面，形成对应于MEMS光学芯片的密封环图形。

如图7d～图7e所示，然后进行步骤3-2)，将所述光学透明基体101及MEMS光学芯片的圆片进行玻璃浆料204对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的具有气密性、透光性、及电连接的密封腔体，该密封腔体可提供可动光学微镜106的运动空间。

另外，需要说明的是，所述中间层的高度取决于玻璃浆料204的印刷厚度及工艺参数，可以通过工艺实验确定。在本实施例中，所述中间层选用的高度为50微米，宽度为100微米。

如图7f所示，接着进行步骤4)，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101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108暴露，并不划伤电极焊盘108；

或者采用喷沙工艺将电极焊盘108处的光学透明基体101去除，露出电极焊盘108。

在本实施例中，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101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108暴露，由于中间层的存在，因此，可以容易地控制宽刀片不划伤电极焊盘108。

如图7f所示，然后进行步骤5)，芯片分离：采用划片机的窄刀片沿划片槽将整个键合晶圆片分隔成各个独立的封装单元。

在本实施例中，芯片分离仍然采用电极裸露时所设计好的键合晶圆片划片槽，并不需要重新设计。具体地，进行芯片分离时仍然沿着设计好的键合晶圆片划片槽划片，深度上为调整为整个键合晶圆片的厚度，最终得到单个封装好的MEMS光学芯片单元。

如图7g所示，为在裸露的电极焊盘108上进行金属引线键合完成电互连的示意图。

实施例3

如图3a及图4～图5所示，本实施例提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，所述封装结构包括：

第一部件，包括光学透明基体101，所述光学透明基体101上表面及下表面分别镀制上光学增透膜103及图形化的下光学增透膜102。

作为示例，所述光学透明基体101为对通信波长透明的基片材料。在本实施例中所述光学透明基体101为玻璃基体。当然，在其他的实施例中，如高电阻率单晶硅也同样适用。所述图形化的下光学增透膜102之间，裸露出与各MEMS光学芯片对应的玻璃基体表面，即所述玻璃基体下表面上具有无光学薄膜覆盖的裸露面，作为后续中间层的键合面。

第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控。具体地，所述MEMS光学芯片包括体硅衬底105、活动腔体、位于所述活动腔体内并由硅弹性梁机构107固接于体硅衬底105上的可动光学微镜106、位于所述可动光学微镜106表面的高反射膜109、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘108，其中，所述电极焊盘108与活动腔体之间的体硅衬底105具有裸露的硅表面。

第二部件，包括中间层；所述中间层将所述光学透明基体101与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

具体地，所述中间层键合于所述光学透明基体101的裸露面以及所述体硅衬底105裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体101及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体。通过所述中间层键合后，所述电极焊盘108位于所述密封环的外侧。

在本实施例中，所述中间层包括具有图形化通孔的玻璃结构310，所述玻璃结构310通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体101连接。

当然，如图3b所示，在其它的实施过程中，所述中间层也可以包括具有图形化通孔310及TGV结构(Through Glass Vias)311的玻璃结构，所述玻璃结构310通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体101连接，并且，所述TGV结构311中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘108连接。

作为示例，所述中间层的高度为500微米，宽度为1000微米。

本实施例的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构的基本工作原理为：构成第一部件的光学透明基体101(如玻璃基体)对一定范围内的光线透明(如光通信中的1.3μm和1.55μm的红外光)，第三部件中的可动光学微镜106通过MEMS驱动器实现某一运动(如空间扭转、垂直镜面平动等非平面内运动等)，入射光线沿着垂直方向实现反射、透射或干涉，最终由光学透明基体101透射到空气中，从而实现特定的光学性能。所述中间层提供镜面非平面运动的空间，从而实现了对光芯片的封装。

图3a所示为MEMS光学芯片的封装结构的主视图，其俯视结构图如图4所示。另外，图3a及图4均仅示意为1个MEMS光学芯片的封装结构，然而，在实际的封装过程中，本实施例的封装结构可用于对MEMS光学芯片的圆片级封装，如图5所示，这种封装结构可以大大简化封装难度，降低封装成本，提高封装的质量，在光通信领域有着极为广阔的应用前景。

如图8a～图8j所示，本实施例还提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，包括步骤：

如图8a～图8b所示，首先进行步骤1)，第一部件的制备：采用硬掩膜板选择性蒸镀方法于光学透明基体101的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜102，并于所述光学透明基体101的上表面蒸镀上光学增透膜103。

具体地，首先提供一玻璃基体，作为光学透明基体101，然后对所述玻璃基体采用标准清洗工艺进行清洗，如图8a所示；然后，采用硬掩膜板选择性蒸镀方法于光学透明基体101的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜102，所述下光学增透膜102的图形与MEMS光学芯片的可动光学微镜106可以保持一致或略大于所述可动光学微镜106，如图8b所示。

然后进行步骤2)，第三部件的制备：采用MEMS工艺制备出的MEMS光学芯片的圆片。

在本实施例中，所述的MEMS光学芯片包括：体硅衬底105、活动腔体、位于所述活动腔体内并由硅弹性梁机构107固接于体硅衬底105上的可动光学微镜106、位于所述可动光学微镜106表面的高反射膜109、以及设置于所述活动腔体外侧的电极焊盘108，其中，所述电极焊盘108与活动腔体之间的体硅衬底105具有裸露的硅表面。

如图8c～图8h所示，接着进行步骤3)，中间层键合：采用中间层将所述光学透明基体101及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

作为示例，所述光学透明基体101下表面具有裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体101的裸露面以及所述体硅衬底105裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体101及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体，并使得所述电极焊盘108位于所述密封环的外侧，如图8h所示。

具体地，本步骤包括：

如图8c所示，首先进行步骤3-1)，于所述光学透明基体101下表面涂覆光敏BCB胶104，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的BCB图形。

如图8d所示，然后进行步骤3-2)，提供一玻璃片，并采用如紫外激光切割等工艺制作出具有图形化通孔的玻璃结构310。

如图8e～图8f所示，接着进行步骤3-3)，将具有图形化通孔的玻璃结构310与MEMS 光学芯片的圆片采用阳极键合工艺装进行键合。

如图8g～图8h所示，最后进行步骤3-4)，将具有BCB图形的光学透明基体101与具有玻璃结构310MEMS光学芯片的圆片进行BCB键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的具有气密性、透光性、及电连接的密封腔体，该密封腔体可提供可动光学微镜106的运动空间。

另外，需要说明的是，所述中间层的高度取决于所述光敏BCB胶104及玻璃结构310的厚度及工艺参数，可以通过工艺实验确定。在本实施例中，所述中间层选用的高度为500微米，宽度1000微米。

如图8i所示，接着进行步骤4)，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101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108暴露，并不划伤电极焊盘108；

或者采用喷沙工艺将电极焊盘108处的光学透明基体101去除，露出电极焊盘108。

在本实施例中，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101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108暴露，由于中间层的存在，因此，可以容易地控制宽刀片不划伤电极焊盘108。

如图8i所示，然后进行步骤5)，芯片分离：采用划片机的窄刀片沿划片槽将整个键合晶圆片分隔成各个独立的封装单元。

在本实施例中，芯片分离仍然采用电极裸露时所设计好的键合晶圆片划片槽，并不需要重新设计。具体地，进行芯片分离时仍然沿着设计好的键合晶圆片划片槽划片，深度上为调整为整个键合晶圆片的厚度，最终得到单个封装好的MEMS光学芯片单元。

如图8j所示，为在裸露的电极焊盘108上进行金属引线键合完成电互连的示意图。

当然，步骤3)也可以采用如下步骤实现：

步骤3-1)，于所述光学透明基体101下表面涂覆光敏BCB胶104，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的BCB图形。

步骤3-2)，提供一玻璃片，并制作出具有图形化通孔以及TGV结构311的玻璃结构310，如图8d’所示。

步骤3-3)，将具有图形化通孔及TGV结构311的玻璃结构310与MEMS光学芯片的圆片采用阳极键合工艺装进行键合，且使所述TGV结构311中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘108连接。

步骤3-4)，将具有BCB图形的光学透明基体101与具有玻璃结构310MEMS光学芯片的圆片进行BCB键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的具有气密性、透光性、及电连接 的密封腔体，该密封腔体可提供可动光学微镜106的运动空间，如图8k所示。

如上所述，本发明提供一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构及封装方法，所述封装结构包括：第一部件，包括光学透明基体101，所述光学透明基体101上表面及下表面分别镀制上光学增透膜103及图形化的下光学增透膜102；第二部件，包括中间层；第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；其中，所述中间层将所述光学透明基体101与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。本发明的封装结构能够独立设计，兼容MEMS光学芯片的工艺要求，能够实现MEMS光学芯片无损封装。本发明的设计能够极大地简化该类芯片的封装工艺流程，为MEMS光学芯片后续与准直器耦合封装带来了极大的便利，实现了芯片级的预封装，有效保证了镜面的光洁度，提升了气密性能。本发明的封装结构具有工艺简单，易于批量生产、易于集成、控制等优点，因此在光学芯片的封装中有着广泛的应用前景。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (16)

1.一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括：

第一部件，包括光学透明基体，所述光学透明基体上表面及下表面分别镀制上光学增透膜及图形化的下光学增透膜；

第二部件，包括中间层；

第三部件，包括MEMS光学芯片，所述MEMS光学芯片在MEMS驱动器的作用下实现对光束的操控；

其中，所述中间层将所述光学透明基体与MEMS光学芯片连接在一起，实现第一部件及第三部件的圆片级键合，并为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

2.根据权利要求1所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：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。

3.根据权利要求2所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述光学透明基体下表面具有无光学薄膜覆盖的裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体的裸露面以及所述体硅衬底裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体。

4.根据权利要求3所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：通过所述中间层键合后，所述电极焊盘位于所述密封环的外侧。

5.根据权利要求1～4任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述中间层的材料包括BCB及玻璃浆料的一种，所形成的密封腔体的漏率为10^-5～10^-9atm·cc/s。

6.根据权利要求1～4任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述中间层包括具有图形化通孔的玻璃结构，所述玻璃结构通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体连接。

7.根据权利要求1～4任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述中间层包括具有图形化通孔及TGV结构的玻璃结构，所述玻璃结构通过阳极键合的方式与所述MEMS光学芯片连接，并通过BCB键合的方式与所述光学透明基体连接，并且，所述TGV结构中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘连接。

8.根据权利要求1～4任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述中间层的高度为1微米～1000微米，宽度为20微米～1500微米。

9.根据权利要求1～4任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装结构，其特征在于：所述光学透明基体为对通信波长透明的基片材料，包括玻璃、陶瓷及高电阻率单晶硅中的一种。

10.一种基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征在于，包括步骤：

A)第一部件的制备：采用硬掩膜板选择性蒸镀方法于光学透明基体的下表面蒸镀图形化的下光学增透膜，并于所述光学透明基体的上表面蒸镀上光学增透膜；

B)第三部件的制备：采用MEMS工艺制备出的MEMS光学芯片的圆片；

C)中间层键合：采用中间层将所述光学透明基体及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体；

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；

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；

E)芯片分离：采用划片机的窄刀片沿划片槽将整个键合晶圆片分隔成各个独立的封装单元。

11.根据权利要求10所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征在于：步骤B)所述的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。

12.根据权利要求11所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征在于：所述光学透明基体下表面具有裸露面，所述中间层键合于所述光学透明基体的裸露面以及所述体硅衬底裸露的硅表面之间，形成密封环，所述密封环使得所述光学透明基体及每个MEMS光学芯片间形成独立的密封腔体，并使得所述电极焊盘位于所述密封环的外侧。

13.根据权利要求10～12任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征在于：步骤C)包括步骤：

C-1)于所述光学透明基体下表面涂覆光敏BCB胶，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的密封环图形；

C-2)采用BCB键合工艺将所述光学透明基体及MEMS光学芯片的圆片进行对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

14.根据权利要求10～12任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征在于：步骤C)包括步骤：

C-1)采用丝网印刷工艺将玻璃浆料印刷于所述光学透明基体下表面，形成对应于MEMS光学芯片的密封环图形；

C-2)将所述光学透明基体及MEMS光学芯片的圆片进行玻璃浆料对准键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

15.根据权利要求10～12任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征在于：步骤C)包括步骤：

C-1)于所述光学透明基体下表面涂覆光敏BCB胶，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的BCB图形；

C-2)提供一玻璃片，并制作出具有图形化通孔的玻璃结构；

C-3)将具有图形化通孔的玻璃结构与MEMS光学芯片的圆片采用阳极键合工艺进行键合；

C-4)将具有BCB图形的光学透明基体与具有玻璃结构MEMS光学芯片的圆片进行BCB键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。

16.根据权利要求10～12任意一项所述的基于中间层键合的MEMS光学芯片的封装方法，其特征在于：步骤C)包括步骤：

C-1)于所述光学透明基体下表面涂覆光敏BCB胶，并采用光刻工艺形成对应于MEMS光学芯片的BCB图形；

C-2)提供一玻璃片，并制作出具有图形化通孔以及TGV结构的玻璃结构；

C-3)将具有图形化通孔及TGV结构的玻璃结构与MEMS光学芯片的圆片采用阳极键合工艺进行键合，且使所述TGV结构中的金属与MEMS光学芯片中的电极焊盘连接；

C-4)将具有BCB图形的光学透明基体与具有玻璃结构MEMS光学芯片的圆片进行BCB键合，为每个MEMS光学芯片形成独立的密封腔体。