CN112265954A - 一种光mems器件封装结构及其制备方法 - Google Patents

一种光mems器件封装结构及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种光MEMS器件封装结构及其制备方法，包括玻璃盖板层、器件结构层与TSV盖板层；所述玻璃盖板层包括玻璃片，玻璃片底部设有环形的硅密封框，硅密封框的框底设有浆料键合密封环；所述器件结构层包括可动结构，可动结构顶面设有镜面金属层；TSV盖板层包括硅片，硅片中心设有与可动结构形成配合的凹腔；玻璃盖板层通过浆料键合密封环与器件结构层的顶部相键合；所述TSV盖板层顶部与器件结构层底部通过上、下键合锚点以及上、下金属键合密封环相键合；该封装采用晶圆级封装，解决了芯片级MEMS扫描镜封装体积大、成本高、效率低的缺点。

Description

一种光MEMS器件封装结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，具体是一种光MEMS器件封装结构及其制备方法。
背景技术
光MEMS器件是集成制造的微型光学元件和MEMS执行器，如MEMS微振镜、光开关、微镜阵列等，在光通信、投影显示、医疗成像等应用中具有巨大市场前景。
光学MEMS器件由于有精细可动结构和微镜面，其在划片、封装和装配上都有很大难度，且芯片级封装的器件体积大、成本高、效率低。因此光MEMS器件晶圆级封装是技术发展的趋势。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光MEMS器件封装结构及其制备方法，该封装采用晶圆级封装，解决了芯片级MEMS扫描镜封装体积大、成本高、效率低的缺点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种光MEMS器件封装结构，包括玻璃盖板层、器件结构层与TSV盖板层；
所述玻璃盖板层包括玻璃片，玻璃片底部设有环形的硅密封框，硅密封框的框底设有浆料键合密封环；
所述器件结构层包括可动结构，可动结构顶面设有镜面金属层，可动结构底面设有下金属键合密封环以及下键合锚点；
所述TSV盖板层包括硅片，硅片中心设有与可动结构形成配合的凹腔，凹腔两侧分别设有通孔，通孔内填充有键合金属，通孔的顶部设有与键合金属相接的上键合锚点，通孔的底部设有与键合金属相接的焊盘；通孔的顶部的外周设有上金属键合密封环；上键合锚点与下键合锚点相对应形成配合，上金属键合密封环与下金属键合密封环相对应形成配合；
所述玻璃盖板层通过浆料键合密封环与器件结构层的顶部相键合；所述TSV盖板层顶部与器件结构层底部通过上、下键合锚点以及上、下金属键合密封环相键合。
本发明还提供一种光MEMS器件封装结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、选取<100>晶向硅片，通过氧化、光刻、刻蚀工艺制备密封框图形，再通过KOH腐蚀或干法刻蚀工艺形成硅密封框；
S2、取玻璃片，将硅密封框晶圆键合在玻璃片底部；
S3、在硅密封框的框底，丝网印刷玻璃浆料，然后进行烧结，在硅密封框的框底形成浆料键合密封环，完成玻璃盖板层的制作；
S4、选取双抛硅片，通过光刻、深硅刻蚀、氧化工艺在双抛硅片上制备两个通孔；
S5、采用金属填充工艺，在两个通孔内填充键合金属；在通孔的顶部制备上键合锚点，在通孔的底部制备焊盘，上键合锚点与焊盘均与键合金属相接；在两个通孔的外周制备上金属键合密封环；
S6、采用光刻、腐蚀、深硅刻蚀工艺，在双抛硅片的两个通孔之间制备凹腔，形成TSV盖板层；
S7、选取SOI硅片，在SOI硅片的顶层硅底部制备下键合锚点与下下金属键合密封环；
S8、将TSV盖板层与SOI硅片的顶层硅进行晶圆键合，上键合锚点与下键合锚点相对应形成配合，上金属键合密封环与下金属键合密封环相对应形成配合；
S9、通过机械减薄、湿法腐蚀去除SOI硅片的衬底硅和埋氧层；
S10、在SOI硅片的顶层硅顶面溅射镜面金属层；
S11、通过光刻、深硅刻蚀工艺在SOI硅片的顶层硅制备可动结构，完成带有TSV结构的器件结构层制作；
S12、将玻璃盖板层与带有TSV结构的器件结构层进行晶圆键合，得到光MEMS器件封装结构。
本发明的有益效果是，通过带有空腔的玻璃盖板层和TSV盖板结构设计，对光MEMS器件进行晶圆级密封封装，从而减小了器件封装尺寸，提高了器件可靠性，并给器件装配、小型化集成提供了新思路。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明硅密封框的俯视图；
图3是本发明步骤S1的示意图；
图4是本发明步骤S2的示意图；
图5是本发明步骤S3的示意图；
图6是本发明步骤S4的示意图；
图7是本发明步骤S5的示意图；
图8是本发明步骤S6的示意图；
图9是本发明步骤S7的示意图；
图10是本发明步骤S8的示意图；
图11是本发明步骤S9的示意图；
图12是本发明步骤S10的示意图；
图13是本发明步骤S11的示意图；
图14是本发明步骤S12的示意图。
具体实施方式
结合图1与图2所示，本发明提供一种光MEMS器件封装结构，包括玻璃盖板层、器件结构层与TSV盖板层；
所述玻璃盖板层包括玻璃片1，玻璃片1底部设有环形的硅密封框2，硅密封框2的框底设有浆料键合密封环3；
所述器件结构层包括可动结构4，可动结构4顶面设有镜面金属层5，可动结构4底面设有下金属键合密封环6以及下键合锚点7。
所述TSV盖板层包括硅片8，硅片8中心设有与可动结构4形成配合的凹腔9，凹腔9两侧分别设有通孔，通孔内填充有键合金属10，通孔的顶部设有与键合金属相接的上键合锚点11，通孔的底部设有与键合金属相接的焊盘12；通孔的顶部的外周设有上金属键合密封环13；上键合锚点11与下键合锚点7相对应形成配合，上金属键合密封环13与下金属键合密封环6相对应形成配合。
所述玻璃盖板层通过浆料键合密封环3与器件结构层的顶部相键合；所述TSV盖板层顶部与器件结构层底部通过上、下键合锚点以及上、下金属键合密封环相键合。
本发明还提供一种光MEMS器件封装结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、结合图3所示，选取<100>晶向硅片，通过氧化、光刻、刻蚀工艺制备密封框图形，再通过KOH腐蚀或干法刻蚀工艺形成硅密封框2；
S2、结合图4所示，取玻璃片1，将硅密封框2晶圆键合在玻璃片1底部；
S3、结合图5所示，在硅密封框2的框底，丝网印刷玻璃浆料，然后进行烧结，在硅密封框的框底形成浆料键合密封环3，完成玻璃盖板层的制作；
S4、结合图6所示，选取双抛硅片8，通过光刻、深硅刻蚀、氧化工艺在双抛硅片上制备两个通孔14；
S5、结合图7所示，采用金属填充工艺，在两个通孔14内填充键合金属10；在通孔的顶部制备上键合锚点11，在通孔的底部制备焊盘12，上键合锚点11与焊盘12均与键合金属10相接；在两个通孔的外周制备上金属键合密封环13；
S6、结合图8所示，采用光刻、腐蚀、深硅刻蚀工艺，在双抛硅片的两个通孔之间制备凹腔9，形成TSV盖板层；
S7、结合图9所示，选取SOI硅片，在SOI硅片的顶层硅15底部制备下键合锚点7与下金属键合密封环6；
S8、结合图10所示，将TSV盖板层与SOI硅片的顶层硅进行晶圆键合，上键合锚点与下键合锚点相对应形成配合，上金属键合密封环与下金属键合密封环相对应形成配合；
S9、结合图11所示，通过机械减薄、湿法腐蚀去除SOI硅片的衬底硅16和埋氧层17；
S10、结合图12所示，在SOI硅片的顶层硅顶面溅射镜面金属层5；
S11、结合图13所示，通过光刻、深硅刻蚀工艺在SOI硅片的顶层硅制备可动结构4，完成带有TSV结构的器件结构层制作；
S12、结合图14所示，将玻璃盖板层与带有TSV结构的器件结构层进行晶圆键合，得到光MEMS器件封装结构。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种光MEMS器件封装结构，其特征在于，包括玻璃盖板层、器件结构层与TSV盖板层；
所述玻璃盖板层包括玻璃片，玻璃片底部设有环形的硅密封框，硅密封框的框底设有浆料键合密封环；
所述器件结构层包括可动结构，可动结构顶面设有镜面金属层，可动结构底面设有下金属键合密封环以及下键合锚点；
所述TSV盖板层包括硅片，硅片中心设有与可动结构形成配合的凹腔，凹腔两侧分别设有通孔，通孔内填充有键合金属，通孔的顶部设有与键合金属相接的上键合锚点，通孔的底部设有与键合金属相接的焊盘；通孔的顶部的外周设有上金属键合密封环；上键合锚点与下键合锚点相对应形成配合，上金属键合密封环与下金属键合密封环相对应形成配合；
所述玻璃盖板层通过浆料键合密封环与器件结构层的顶部相键合；所述TSV盖板层顶部与器件结构层底部通过上、下键合锚点以及上、下金属键合密封环相键合。
2.一种光MEMS器件封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取<100>晶向硅片，通过氧化、光刻、刻蚀工艺制备密封框图形，再通过KOH腐蚀或干法刻蚀工艺形成硅密封框；
S2、取玻璃片，将硅密封框晶圆键合在玻璃片底部；
S3、在硅密封框的框底，丝网印刷玻璃浆料，然后进行烧结，在硅密封框的框底形成浆料键合密封环，完成玻璃盖板层的制作；
S4、选取双抛硅片，通过光刻、深硅刻蚀、氧化工艺在双抛硅片上制备两个通孔；
S5、采用金属填充工艺，在两个通孔内填充键合金属；在通孔的顶部制备上键合锚点，在通孔的底部制备焊盘，上键合锚点与焊盘均与键合金属相接；在两个通孔的外周制备上金属键合密封环；
S6、采用光刻、腐蚀、深硅刻蚀工艺，在双抛硅片的两个通孔之间制备凹腔，形成TSV盖板层；
S7、选取SOI硅片，在SOI硅片的顶层硅底部制备下键合锚点与下下金属键合密封环；
S8、将TSV盖板层与SOI硅片的顶层硅进行晶圆键合，上键合锚点与下键合锚点相对应形成配合，上金属键合密封环与下金属键合密封环相对应形成配合；
S9、通过机械减薄、湿法腐蚀去除SOI硅片的衬底硅和埋氧层；
S10、在SOI硅片的顶层硅顶面溅射镜面金属层；
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