CN101885466B - 二元光学玻璃透镜的制造及封装mems红外探测器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，包括以下步骤：第一步，根据所要封装的热电堆式红外探测器设计出二元光学掩模板。第二步，使用二元光学掩模板在硅圆片上进行三次嵌套刻蚀，在硅圆片上刻蚀出具有二元光学衍射性质的台阶结构。第三步，将上述的硅圆片与玻璃圆片进行阳极键合，使玻璃圆片与上述特定图案形成真空密封腔体，然后加热使玻璃熔融成型，在玻璃上制作二元光学透镜，然后进行热退火消除玻璃内部应力，并去除硅模具。将透镜玻璃圆片与红外探测器芯片对准，键合，实现红外探测器的封装，将红外线聚焦在红外探测器的吸收区域上。该方法制作的光学透镜可以有效提高热电堆红外探测器探测灵敏度。

Description

二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法

技术领域

本发明涉及一种MEMS(微电子机械***)透镜的制造方法，尤其涉及一种二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法。

背景技术

随着半导体工业与MEMS(微电子机械***)技术的不断发展，使用先进的MEMS微加工技术可以制造出性能优越的红外线热成像仪。非冷却热电堆式红外探测器以其成本低廉、工艺简单和可靠性高等特点，被广泛用于红外热像仪，它可以在室温下工作。在热电堆式探测器中有红外线吸收区域，由于其能有效地吸收红外线，所以红外线照射下探测器的红外吸收区域会迅速升温，热电堆式红外探测器就是使用由若干条热电偶串联而成的热电堆去探测该温度的变化，从而达到探测红外线的目的。二维热电堆式红外探测器阵列被用于红外成像，这个二维探测器阵列叫做红外焦平面阵列(FPAs)。为了达到更佳的成像质量，当今热电堆式红外探测器的尺寸越来越小，这就必然使其红外线吸收区域减小，这样就影响了探测灵敏度。为了能够减小热电堆式红外探测器尺寸而不减小红外线有效收集面积，特别需要在探测器上集成红外线聚焦透镜。

现有的红外线聚焦透镜大概分为两种制备方法：第一种是使用光学材料热回流的方法制备，该方法的问题在于难以控制所成透镜的形貌尺寸，它完全由材料的性质决定，不能随意的设计透镜参数，这样制作出的透镜的焦距就不可控，这大大降低了透镜的实用性。第二种就是使用多次嵌套刻蚀Ge材料，制作具有二元光学特性的衍射透镜，该方法虽然可以精确控制透镜尺寸，焦距可控，但是由于Ge对于红外线透过率较低，并不是很好的红外线透镜材料，其对红外线的透过率还是太低。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有红外线聚焦功能的低成本、焦距可控、高聚光效率的二元光学玻璃透镜阵列的制造方法，可实现将红外线聚焦在热电堆式红外探测器的红外吸收区域，提高热电堆式红外探测器的探测灵敏度。

本发明采用如下技术方案：一种二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，包括以下步骤：第一步，根据所要封装的MEMS热电堆式红外探测器，确定二元光学透镜的几何尺寸，设计出二元光学掩模板。第二步，使用二元光学掩模板在硅圆片上进行三次嵌套刻蚀，在硅圆片上刻蚀出具有二元光学衍射性质的台阶结构。第三步，将上述的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片进行阳极键合，使Pyrex7740玻璃圆片与上述特定图案形成真空密封腔体，然后加热使玻璃熔融成型，在Pyrex7740玻璃上制作二元光学透镜，然后进行热退火消除玻璃内部应力，并去除硅模具。第四步，将二元光学透镜玻璃圆片与MEMS红外探测器芯片对准，使用低温焊料进行键合，实现红外探测器的封装，通过控制封装焊料的高度，将红外线聚焦在红外探测器的红外线吸收区域上。

上述技术方案中，所述的三层掩模板是根据二元光学理论设计的，

k＝0，1，2，3，4，5，6......；其中f是透镜的焦距，r(k，m)是第m层掩模板上图案的连续区域的半径，λ是热电堆式红外探测器所要探测器的红外线的波长。所述硅圆片上图案结构的微加工工艺可以为RIE干法刻蚀工艺。所述硅圆片上各级RIE刻蚀深度根据公式计算而得，其中λ是红外线在真空中波长，n是Pyrex玻璃的折射率，m是掩模板的层序号。所述的硅片三层嵌套刻蚀使用了光刻对准技术。所述的刻蚀出的硅模具满足红外线衍射条件。所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第三步中腐蚀掉Si模具是使用25％的TMAH在单面腐蚀夹具中进行的，TMAH溶液在水浴中保持温度为90℃。第四步中，封装MEMS热电堆式红外探测器使用低温玻璃焊料，控制玻璃焊料的高度将红外线聚焦于探测器的红外线吸收区域。

本发明获得如下效果：

1.本发明通过控制刻蚀的台阶深度，以及各层台阶的半径，设计满足特定波长红外线衍射条件的尺寸。设计出二元光学硅模具，掩模板上连续圆形区域半径大小通过公式

计算，k＝0，1，2，3......其中k为奇数时代表掩模板上不透光区域边界，每次刻蚀的深度通过

计算。为了制作出2.2um波长红外线的聚焦透镜，三次RIE刻蚀的深度分别为2.34um，1.17um，0.59um。

2.本发明通过控制阳极键合时的压力使得玻璃与带有台阶的硅键合后形成的密封腔内具有较高的真空度(真空度越高越好，这样玻璃成型后能与硅模具贴合充分)，使玻璃热成型时，在负压的作用下(在成型温度下，外部大气压大于内部压力)，玻璃向内部凸起形成球面(由于是真空，熔融玻璃完全与二元光学硅模具贴合)，这样就将满足红外线衍射条件的台阶图案转移到了玻璃圆片的表面。这样就实现了对于玻璃加工二元光学衍射透镜的目的，因为这种方法可以进行二元光学透镜的圆片级加工，同时避免了直接刻蚀加工玻璃的昂贵工艺，该方法简单，成本低。该方法是玻璃熔融态负压成型，不需要像热回流方法制作透镜那样，严格的控制玻璃成型区域、成型温度和成型时间，仅需要将玻璃加热到熔融态即可。相对于通过在基板上溅射、刻蚀玻璃材料，并且严格控制成型温度和成型时间来控制光学透镜的形状而言，本发明方法更简单，成本更低，而且通过控制掩模板图案尺寸以及刻蚀的深度，可以制作焦距可控的适用于相应波长的红外线衍射透镜。

3.阳极键合具有键合强度高，密闭性好的特点，本发明采用阳极键合形成密闭空腔，在第三步的加热过程中不易发生泄漏而导致成型失败。在温度400℃，电压直流600V的键合条件下，阳极键合能够达到更好的密封效果。

4.采用的第三步中的退火工艺可以有效的消除Pyrex7740玻璃承受高温负压成型过程中形成的应力，从而使其强度韧性更高。在该条件下退火，既能有效退去应力，还能够使得微腔的形状基本无改变，而退火温度过高易导致微腔形状发生变化不利于后道的封装，而过低的退火温度则无法有效去除玻璃内部应力。

5.本发明制备与Si的热膨胀系数相当的Pyrex7740玻璃作为玻璃二元光学透镜结构，在制备透镜阵列时不容易使键合好的圆片因热失配产生损坏；为后道封装热电堆式红外传感器提供方便，工艺过程中受热时不易发生热失配。本发明可同时制备透镜和封装红外传感器的腔，形成的真空环境将有利于红外线的透过，从而被红外线传感器所吸收。

6.本发明采用RIE干法刻蚀工艺在硅表面加工台阶，工艺过程简单可靠，刻蚀的深宽比高，横向刻蚀小，图形尺寸优良，可实现二元光学透镜硅模具的圆片级制造。

7.本发明基于传统MEMS加工工艺，由于Pyrex7740玻璃与Si热失配很小，所以本发明使用Si模具。首先在Si片上加工二元光学台阶结构，尺寸需要根据所要聚焦的红外线波长和透镜焦距进行调节，本发明使用带有二元光学衍射结构的硅圆片作为熔融玻璃的成型模具，避免了玻璃难于加工的问题。

8.本发明中，带有台阶腔体的Si圆片与Pyrex7740玻璃在高真空条件下进行阳极键合，然后在常压下加热到玻璃的软化点温度进行热成型，在微腔外压力差的作用下，Pyrex7740玻璃下凹成型，由于密封墙体内是高真空度，所以熔融态玻璃与硅模具完全贴合，这样二元光学台阶就被有效地转移到玻璃圆片的表面上。该玻璃透镜的尺寸和焦距可以通过在硅片上刻蚀台阶的尺寸进行调节。

9.本发明通过键合工艺使得玻璃和硅之间形成牢固的化学键合，使得硅和玻璃之间形成连续的力学界面。Pyrex7740玻璃与硅之间具有相近的热膨胀系数，具有很好的热匹配，力学性能稳定，因此在玻璃热成型以后能够形成低应力的界面，这样就为玻璃热成型创造了有力的条件。普通玻璃与硅之间的热失配应力较大，在高温热成型过程中就会产生翘曲，表面不平整，导致成型质量差。10.相对于普通的熔融键合方法，本发明通过阳极键合的方法，在硅和玻璃之间形成Si-O键，使得封装时玻璃微腔与硅片之间形成更牢固的化学键合，这样在高温下，玻璃即使变为熔融态，玻璃熔体也会由于Si-O键的强烈作用，固定在原来位置，避免融化的玻璃在硅表面发生位移。

11.本发明使用Pyrex7740玻璃制作二元光学红外透镜，因为Pyrex玻璃对可见光和近红外线波段光线有着很高的透射率(大于90％)，所以使用玻璃制作红外线二元光学透镜相对于Ge加工的透镜有巨大优势。

12.阳极键和具有强度高，密封性好的特点，本发明采用阳极键合形成密封腔，在第四步加热成型过程中不会产生漏气而导致成型失败。温度在400℃下，进行600V直流键合，效果良好。

13.本发明使用低温玻璃焊料的方法实现红外探测器的封装，玻璃焊料的熔点较低，而且可以进行局部加热键合，这样就避免了键合过程中高温对器件的影响。通过控制键合区比例焊料的厚度，可以实现将红外线聚焦于探测器的红外线吸收区域，这样大大提高了探测器的灵敏度。另外可以采用环氧树脂封装，或者金属键合的方法实现密封

14.本发明采用的是常规的电子微加工工艺，工艺可靠，成本低廉，可实现圆片级制造。二元光学透镜是制作在玻璃圆片上，由于Pyrex7740玻璃是一种无机材料，气密性非常好，可以用制作出的玻璃圆片去封装热电堆式红外探测器。

15.本发明中采用单面夹具腐蚀硅可以有效地保护传感器芯片的硅衬底，同时25％TMAH在90℃温度下不仅刻蚀速度较快，而且对玻璃微腔基本不刻蚀。

将制作好的带有二元光学红外聚焦透镜的玻璃圆片用于热电堆式红外探测器的封装，可以将红外系有效地聚焦在热电堆式红外探测器的红外线吸收区域，这样红外线有效收集区域就变大，提高了探测器的灵敏度。

附图说明

图1为热电堆式红外传感器芯片和相应三层二元光学掩模板示意图

图2为在Si圆片上三次嵌套RIE刻蚀二元光学结构的硅模具示意图

图3为使用硅圆片作为模具成型玻璃圆片的截面示意图

图4为二元光学玻璃透镜封装MEMS红外探测器的示意图

具体实施方式

实施例1

一种二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，包括以下步骤：

第一步，根据MEMS红外探测器(这里使用的是MEMS热电堆式红外探测器，热电堆是使用多组相互串联的热电偶进行测温。根据塞贝克效应，当热电偶两端存在温度差，将会产生电压，而且冷热端温度差越大，输出电压越大。多组热电偶串联可以提高热电堆的探测灵敏度。将热电堆的热端与红外线的吸收区域接触，而冷端远离红外线吸收区域，并用绝热的材料进行隔热，这样红外线吸收区域因吸收红外线而升温，对外输出一个电压，实现了测量红外线的目的。热电偶由两种不同的材料相连组成，最常用的就是n型多晶硅/铝。我们这里使用的就是n型多晶硅/铝材料的热电偶)的芯片尺寸，确定制作的二元光学透镜的尺寸和焦距，设计版图并确定刻蚀深度，设定焦距为1mm，5mm，10mm，50mm，100mm，实现不同焦距透镜掩模板的制作，

第二步，利用Si微加工工艺在Si圆片(譬如4英寸圆片)上刻蚀形成特定图案，所述Si原片上图案结构的微加工工艺为RIE、DRIE或ICP干法刻蚀中的一种，三次嵌套刻蚀的深度比为4∶2∶1，即后一次刻蚀深度是前一次刻蚀深度的一半，第一次刻蚀深度可以取2.3um，2.4um，2.5um，2.6um，2.7um，2.8um，从而得到对不同波段红外线的聚焦功能。

第三步，将上述Si圆片与Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，市场可购得，通常已经经过抛光，其尺寸与Si圆片相同)在真空条件下进行阳极键合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，键合好的圆片在一个大气压下加热至820℃～880℃，在该温度下保温10～20min，例如温度可以选取为820℃，840℃，850℃，860℃，880℃，保温10～20min，时间可以选取为：10min，12min，15min，18min，20min，腔内外压力差使软化后的玻璃与硅模具完全贴合，形成二元光学透镜表面，冷却到较低的温度，如20-25℃，譬如为22℃，然后将上述圆片在常压下退火消除应力，该常压是指一个大气压，使用单面腐蚀夹具，使用25％的TMAH溶液在水浴中保温在90℃下腐蚀掉作为玻璃微腔成型模具的Si层。

第四步，根据封装MEMS红外探测器的尺寸，在封装区域放置低温玻璃焊料(G018-226SCHOTT solder glass，一种德国肖特公司生产的低温玻璃焊料)，并将具有二元光学透镜的Pyrex7740玻璃圆片与MEMS红外探测器芯片对准，然后使玻璃焊料熔融键合，实现探测器的气密性封装。玻璃焊料的高度可以控制在1mm～10mm，键合温度为400℃～450℃，键合时间为10～15min，玻璃焊料的高度可以选取1mm，2mm，5mm，7mm，8mm，10mm，键合温度选取400℃，420℃，440℃，450℃，键合时间选取为10min，12min，15min。

上述技术方案中，所述的Si圆片刻蚀工艺为RIE刻蚀，使用的刻蚀气体为SF6，反应室的压强为10Pa，刻蚀的交流功率200W，刻蚀的速度为0.5um/min，第三步中硅模具与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，典型工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火温度可以选取为530℃，540℃，550℃，560℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温(譬如25℃)。

本发明的优选方案如下：上述技术方案中，所述硅圆片上图案结构的微加工工艺可以为RIE干法刻蚀工艺，刻蚀在10Pa压强下使用SF₆气体刻蚀Si，功率为200W。所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。第三步中所述热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温。第三步硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片按照阳极键合的工艺要求进行必要的清洗和抛光。第二步中刻蚀的图案深度为4∶2∶1，第一次刻蚀的时间为5min，后面依次减半。

实施例2

一种二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，包括以下步骤：

第一步，根据热电堆式红外探测器所探测红外线的波长(为2.2um)，设计版图，掩模板上的图形为同圆心的圆环，m层掩模板的各个圆环半径根据公式

计算出，

第二步，利用反应离子刻蚀方法在4英寸Si圆片上依次刻蚀形成特定图案(实际上三维上看，是在硅片上刻槽，二维上是图案)，三次刻蚀的深度分别为2.34um，1.17um，0.59um，该图案是登高的台阶形槽阵列刻蚀的每层台阶高度为0.59um，台阶总高度为4.1um，硅片经过抛光，

第三步，将上述Si圆片与相同尺寸的(4英寸)Pyrex7740玻璃圆片(一种硼硅玻璃的品牌，美国康宁-corning公司生产，市场可购得，已经经过抛光)在0.1Pa压强下进行键合，键合在EVG-501阳极键合机上进行，使Pyrex7740玻璃上的上述特定图案形成密封腔体，键合表面在键合前按照阳极键合要求进行常规清洗和抛光，保持高度清洁和极小的表面粗糙度，以满足常规阳极键合的要求，将键合好的圆片在一个大气压下加热至880℃，在该温度下保温20min，腔内外压力差使软化后的玻璃与二元光学硅模具完全贴合，冷却到常温25℃，将上述圆片在一个大气压下退火消除应力，上述技术方案中，所述的Si原片与Pyrex7740玻璃表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。热退火的工艺条件为：退火温度范围在510℃～560℃中，退火温度可以选取为560℃，退火保温时间为30min，然后缓慢风冷至常温25℃。然后将上述圆片固定在单面腐蚀夹具中(腐蚀液只能在圆片的上面，进入不了圆片的底部，实现单面腐蚀)，倒入配置好的浓度为25％的TMAH溶液，将夹具放入水浴中，使用温度计测量TMAH溶液温度，保证其温度稳定在90℃，从而去除硅模具，从而制备出具有衍射聚焦功能的玻璃二元光学透镜阵列。

第四步，在MEMS热电堆式红外探测器的封装区域放置玻璃焊料(G018-226SCHOTT solder glass，一种德国肖特公司生产的低温玻璃焊料)，玻璃焊料的高度为5mm，将制作好的二元透镜玻璃圆片与探测器圆片进行对准，然后在440℃下进行玻璃焊料键合，键合时间为15min，这样封装后玻璃透镜阵列可以有效地将红外线聚焦在热电堆式红外探测器的红外线吸收区域。

本发明通过MEMS加工制造技术：反应离子刻蚀Si圆片，形成二元光学衍射台阶，将Si片与Pyrex7740玻璃的进行阳极键合，再利用真空负压热处理工艺，制造出具有红外聚焦功能的的圆片级玻璃二元光学透镜阵列，工艺成熟，技术可靠。玻璃对红外线的透过率高达90％以上，而8阶的二元光学衍射透镜对红外线的衍射效率也在84％以上，该方法可以有效达到聚焦红外线功能。

本发明中制作的带有二元透镜阵列的玻璃圆片，可以用于封装MEMS热电堆式红外探测器，可以将照射到芯片上的所有红外线都聚焦在微小的红外线吸收区域，这实际上是增大了探测器的红外吸收面积，达到了提高红外探测器灵敏度的目的，使用集成二元玻璃透镜的热电堆式红外探测器去制作FPAs，可以大大地提高红外热像仪的成像质量。

Claims (8)

1.一种二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：

第一步，根据所要封装的MEMS热电堆式红外探测器(1)，确定二元光学透镜的几何尺寸，设计出二元光学掩模板(2)，

第二步，使用二元光学掩模板(2)在硅圆片(3)上进行三次嵌套刻蚀，在硅圆片(3)上刻蚀出具有二元光学衍射性质的台阶结构(4)，

第三步，将上述的硅圆片(3)与Pyrex7740玻璃圆片(5)进行阳极键合，使Pyrex7740玻璃圆片与上述具有二元光学衍射性质的台阶结构(4)形成真空密封腔体(6)，然后在一个大气压下加热至820℃～880℃，保温10～20min，使Pyrex7740玻璃熔融形成二元光学透镜(7)，然后进行热退火消除玻璃内部应力，并去除硅模具，

第四步，将二元光学透镜(7)与MEMS热电堆式红外探测器(1)芯片对准，使用低温焊料(9)进行键合，实现红外探测器的封装，通过控制焊料(9)的高度，将红外线聚焦在红外探测器的红外线吸收区域上(8)。

2.根据权利要求1所述的二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于第一步中根据二元光学理论设计出二元光学透镜的图案尺寸，确定各层掩模板上明暗区域半径和布局。

3.根据权利要求1所述的二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于第二步中所述硅圆片上图案结构的微加工工艺为反应离子刻蚀(RIE)或感应耦合等离子体刻蚀(ICP)。

4.根据权利要求1或3所述的二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于第二步中采用的是光刻对准进行三层掩模板嵌套干法刻蚀硅圆片的工艺，后续的刻蚀要与前面一次进行精确对准以得到良好的衍射台阶，使硅模具具有二元光学特性，各级台阶高度满足特定波长红外线的衍射条件。

5.根据权利要求1所述的二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于第二步中所述硅圆片上各级台阶的高度根据二元光学透镜的焦距计算得到，并通过控制干法刻蚀时间精确控制各级台阶高度。

6.根据权利要求1所述的二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于第三步中所述的硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片表面键合工艺为阳极键合，工艺条件为：温度400℃，电压：600V。

7.根据权利要求1或6所述的二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于第三步中硅圆片与Pyrex7740玻璃圆片是在真空环境下进行阳极键合。

8.根据权利要求1所述的二元光学玻璃透镜的制造及封装MEMS红外探测器的方法，其特征在于第三步中腐蚀掉硅模具，是使用25％的TMAH溶液在单面腐蚀夹具中进行腐蚀，并将TMAH溶液在水浴中保温在90℃。

Images