專(zhuān)利名稱(chēng)：二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝mems紅外探測(cè)器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))透鏡的制造方法，尤其涉及一種二元光 學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體工業(yè)與MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))技術(shù)的不斷發(fā)展，使用先進(jìn)的MEMS微 加工技術(shù)可以制造出性能優(yōu)越的紅外線(xiàn)熱成像儀。非冷卻熱電堆式紅外探測(cè)器以其成本低 廉、工藝簡(jiǎn)單和可靠性高等特點(diǎn)，被廣泛用于紅外熱像儀，它可以在室溫下工作。在熱電堆 式探測(cè)器中有紅外線(xiàn)吸收區(qū)域，由于其能有效地吸收紅外線(xiàn)，所以紅外線(xiàn)照射下探測(cè)器的 紅外吸收區(qū)域會(huì)迅速升溫，熱電堆式紅外探測(cè)器就是使用由若干條熱電偶串聯(lián)而成的熱電 堆去探測(cè)該溫度的變化，從而達(dá)到探測(cè)紅外線(xiàn)的目的。二維熱電堆式紅外探測(cè)器陣列被用 于紅外成像，這個(gè)二維探測(cè)器陣列叫做紅外焦平面陣列(FPAs)。為了達(dá)到更佳的成像質(zhì)量， 當(dāng)今熱電堆式紅外探測(cè)器的尺寸越來(lái)越小，這就必然使其紅外線(xiàn)吸收區(qū)域減小，這樣就影 響了探測(cè)靈敏度。為了能夠減小熱電堆式紅外探測(cè)器尺寸而不減小紅外線(xiàn)有效收集面積， 特別需要在探測(cè)器上集成紅外線(xiàn)聚焦透鏡?，F(xiàn)有的紅外線(xiàn)聚焦透鏡大概分為兩種制備方法第一種是使用光學(xué)材料熱回流的 方法制備，該方法的問(wèn)題在于難以控制所成透鏡的形貌尺寸，它完全由材料的性質(zhì)決定，不 能隨意的設(shè)計(jì)透鏡參數(shù)，這樣制作出的透鏡的焦距就不可控，這大大降低了透鏡的實(shí)用性。 第二種就是使用多次嵌套刻蝕Ge材料，制作具有二元光學(xué)特性的衍射透鏡，該方法雖然可 以精確控制透鏡尺寸，焦距可控，但是由于Ge對(duì)于紅外線(xiàn)透過(guò)率較低，并不是很好的紅外 線(xiàn)透鏡材料，其對(duì)紅外線(xiàn)的透過(guò)率還是太低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有紅外線(xiàn)聚焦功能的低成本、焦距可控、高聚光效率 的二元光學(xué)玻璃透鏡陣列的制造方法，可實(shí)現(xiàn)將紅外線(xiàn)聚焦在熱電堆式紅外探測(cè)器的紅外 吸收區(qū)域，提高熱電堆式紅外探測(cè)器的探測(cè)靈敏度。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè) 器的方法，包括以下步驟第一步，根據(jù)所要封裝的MEMS熱電堆式紅外探測(cè)器，確定二元光 學(xué)透鏡的幾何尺寸，設(shè)計(jì)出二元光學(xué)掩模板。第二步，使用二元光學(xué)掩模板在硅圓片上進(jìn)行 三次嵌套刻蝕，在硅圓片上刻蝕出具有二元光學(xué)衍射性質(zhì)的臺(tái)階結(jié)構(gòu)。第三步，將上述的硅 圓片與Pyrex7740玻璃圓片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，使Pyrex7740玻璃圓片與上述特定圖案形成真 空密封腔體，然后加熱使玻璃熔融成型，在PyreX7740玻璃上制作二元光學(xué)透鏡，然后進(jìn)行 熱退火消除玻璃內(nèi)部應(yīng)力，并去除硅模具。第四步，將二元光學(xué)透鏡玻璃圓片與MEMS紅外 探測(cè)器芯片對(duì)準(zhǔn)，使用低溫焊料進(jìn)行鍵合，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器的封裝，通過(guò)控制封裝焊料的高 度，將紅外線(xiàn)聚焦在紅外探測(cè)器的紅外線(xiàn)吸收區(qū)域上。上述技術(shù)方案中，所述的三層掩模板是根據(jù)二元光學(xué)理論設(shè)計(jì)的，
),k = 0,1,2,3,4,5,6......；其中 f 是透鏡的焦距，r(k, m)是第
m層掩模板上圖案的連續(xù)區(qū)域的半徑，λ是熱電堆式紅外探測(cè)器所要探測(cè)器的紅外線(xiàn)的波 長(zhǎng)。所述硅圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝可以為RIE干法刻蝕工藝。所述硅圓片上各級(jí)RIE
刻蝕深度根據(jù)公式
計(jì)算而得，其中λ是紅外線(xiàn)在真空中波長(zhǎng)，η是Pyrex玻
璃的折射率，m是掩模板的層序號(hào)。所述的硅片三層嵌套刻蝕使用了光刻對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。所述 的刻蝕出的硅模具滿(mǎn)足紅外線(xiàn)衍射條件。所述的硅圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為 陽(yáng)極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓600V。第三步中硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片按 照陽(yáng)極鍵合的工藝要求進(jìn)行必要的清洗和拋光。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，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。第三步中腐 蝕掉Si模具是使用25%的TMAH在單面腐蝕夾具中進(jìn)行的，TMAH溶液在水浴中保持溫度為 90°C。第四步中，封裝MEMS熱電堆式紅外探測(cè)器使用低溫玻璃焊料，控制玻璃焊料的高度 將紅外線(xiàn)聚焦于探測(cè)器的紅外線(xiàn)吸收區(qū)域。本發(fā)明獲得如下效果1.本發(fā)明通過(guò)控制刻蝕的臺(tái)階深度，以及各層臺(tái)階的半徑，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足特定波長(zhǎng)紅 外線(xiàn)衍射條件的尺寸。設(shè)計(jì)出二元光學(xué)硅模具，掩模板上連續(xù)圓形區(qū)域半徑大小通過(guò)公式
計(jì)算，k = 0，l，2，3……其中k為奇數(shù)時(shí)代表掩模板上不透光區(qū)
域邊界，每次刻蝕的深度通過(guò)
計(jì)算。為了制作出2. 2um波長(zhǎng)紅外線(xiàn)的聚焦 透鏡，三次RIE刻蝕的深度分別為2. 34um, 1. 17um，0. 59um。2.本發(fā)明通過(guò)控制陽(yáng)極鍵合時(shí)的壓力使得玻璃與帶有臺(tái)階的硅鍵合后形成的密 封腔內(nèi)具有較高的真空度(真空度越高越好，這樣玻璃成型后能與硅模具貼合充分)，使玻 璃熱成型時(shí)，在負(fù)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(由于是真空，熔融玻璃完全與二元光學(xué)硅模具貼合)，這樣就將滿(mǎn)足紅外線(xiàn)衍 射條件的臺(tái)階圖案轉(zhuǎn)移到了玻璃圓片的表面。這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)于玻璃加工二元光學(xué)衍射透 鏡的目的，因?yàn)檫@種方法可以進(jìn)行二元光學(xué)透鏡的圓片級(jí)加工，同時(shí)避免了直接刻蝕加工 玻璃的昂貴工藝，該方法簡(jiǎn)單，成本低。該方法是玻璃熔融態(tài)負(fù)壓成型，不需要像熱回流方 法制作透鏡那樣，嚴(yán)格的控制玻璃成型區(qū)域、成型溫度和成型時(shí)間，僅需要將玻璃加熱到熔 融態(tài)即可。相對(duì)于通過(guò)在基板上濺射、刻蝕玻璃材料，并且嚴(yán)格控制成型溫度和成型時(shí)間來(lái) 控制光學(xué)透鏡的形狀而言，本發(fā)明方法更簡(jiǎn)單，成本更低，而且通過(guò)控制掩模板圖案尺寸以 及刻蝕的深度，可以制作焦距可控的適用于相應(yīng)波長(zhǎng)的紅外線(xiàn)衍射透鏡。3.陽(yáng)極鍵合具有鍵合強(qiáng)度高，密閉性好的特點(diǎn)，本發(fā)明采用陽(yáng)極鍵合形成密閉空 腔，在第三步的加熱過(guò)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(yáng)極鍵合能夠達(dá)到更好的密封效果。4.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(fù)壓成 型過(guò)程中形成的應(yīng)力，從而使其強(qiáng)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(wú)改變，而退火溫度過(guò)高易導(dǎo)致微腔形狀發(fā)生變化不利于后道的封裝，而過(guò)低的退火溫度則無(wú)法有效去除玻璃內(nèi)部應(yīng)力。5.本發(fā)明制備與Si的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)?shù)腜yrex7740玻璃作為玻璃二元光學(xué)透鏡 結(jié)構(gòu)，在制備透鏡陣列時(shí)不容易使鍵合好的圓片因熱失配產(chǎn)生損壞；為后道封裝熱電堆式 紅外傳感器提供方便，工藝過(guò)程中受熱時(shí)不易發(fā)生熱失配。本發(fā)明可同時(shí)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(xiàn)的透過(guò)，從而被紅外線(xiàn)傳感器所吸收。6.本發(fā)明采用RIE干法刻蝕工藝在硅表面加工臺(tái)階，工藝過(guò)程簡(jiǎn)單可靠，刻蝕的 深寬比高，橫向刻蝕小，圖形尺寸優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)二元光學(xué)透鏡硅模具的圓片級(jí)制造。7.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片上加工二元光學(xué)臺(tái)階結(jié)構(gòu)，尺寸需要根據(jù)所要聚焦的紅外 線(xiàn)波長(zhǎng)和透鏡焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，本發(fā)明使用帶有二元光學(xué)衍射結(jié)構(gòu)的硅圓片作為熔融玻璃的 成型模具，避免了玻璃難于加工的問(wèn)題。8.本發(fā)明中，帶有臺(tái)階腔體的Si圓片與Pyrex7740玻璃在高真空條件下進(jìn)行陽(yáng) 極鍵合，然后在常壓下加熱到玻璃的軟化點(diǎn)溫度進(jìn)行熱成型，在微腔外壓力差的作用下， Pyrex7740玻璃下凹成型，由于密封墻體內(nèi)是高真空度，所以熔融態(tài)玻璃與硅模具完全貼 合，這樣二元光學(xué)臺(tái)階就被有效地轉(zhuǎn)移到玻璃圓片的表面上。該玻璃透鏡的尺寸和焦距可 以通過(guò)在硅片上刻蝕臺(tái)階的尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。9.本發(fā)明通過(guò)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^(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生翹 曲，表面不平整，導(dǎo)致成型質(zhì)量差。10.相對(duì)于普通的熔融鍵合方法，本發(fā)明通過(guò)陽(yáng)極鍵合的 方法，在硅和玻璃之間形成Si-O鍵，使得封裝時(shí)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(huì)由于Si-O鍵的強(qiáng)烈作用，固定在原 來(lái)位置，避免融化的玻璃在硅表面發(fā)生位移。11.本發(fā)明使用Pyrex7740玻璃制作二元光學(xué)紅外透鏡，因?yàn)镻yrex玻璃對(duì)可見(jiàn)光 和近紅外線(xiàn)波段光線(xiàn)有著很高的透射率(大于90% )，所以使用玻璃制作紅外線(xiàn)二元光學(xué) 透鏡相對(duì)于Ge加工的透鏡有巨大優(yōu)勢(shì)。12.陽(yáng)極鍵和具有強(qiáng)度高，密封性好的特點(diǎn)，本發(fā)明采用陽(yáng)極鍵合形成密封腔，在 第四步加熱成型過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生漏氣而導(dǎo)致成型失敗。溫度在400°C下，進(jìn)行600V直流鍵 合，效果良好。13.本發(fā)明使用低溫玻璃焊料的方法實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器的封裝，玻璃焊料的熔點(diǎn)較 低，而且可以進(jìn)行局部加熱鍵合，這樣就避免了鍵合過(guò)程中高溫對(duì)器件的影響。通過(guò)控制鍵 合區(qū)比例焊料的厚度，可以實(shí)現(xiàn)將紅外線(xiàn)聚焦于探測(cè)器的紅外線(xiàn)吸收區(qū)域，這樣大大提高 了探測(cè)器的靈敏度。另外可以采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，或者金屬鍵合的方法實(shí)現(xiàn)密封14.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(shí)現(xiàn)圓片級(jí) 制造。二元光學(xué)透鏡是制作在玻璃圓片上，由于Pyrex7740玻璃是一種無(wú)機(jī)材料，氣密性非 常好，可以用制作出的玻璃圓片去封裝熱電堆式紅外探測(cè)器。15.本發(fā)明中采用單面夾具腐蝕硅可以有效地保護(hù)傳感器芯片的硅襯底，同時(shí) 25% TMAH在90°C溫度下不僅刻蝕速度較快，而且對(duì)玻璃微腔基本不刻蝕。
將制作好的帶有二元光學(xué)紅外聚焦透鏡的玻璃圓片用于熱電堆式紅外探測(cè)器的 封裝，可以將紅外系有效地聚焦在熱電堆式紅外探測(cè)器的紅外線(xiàn)吸收區(qū)域，這樣紅外線(xiàn)有 效收集區(qū)域就變大，提高了探測(cè)器的靈敏度。


圖1為熱電堆式紅外傳感器芯片和相應(yīng)三層二元光學(xué)掩模板示意2為在Si圓片上三次嵌套R(shí)IE刻蝕二元光學(xué)結(jié)構(gòu)的硅模具示意3為使用硅圓片作為模具成型玻璃圓片的截面示意4為二元光學(xué)玻璃透鏡封裝MEMS紅外探測(cè)器的示意圖
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1一種二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，包括以下步驟第一步，根據(jù)MEMS紅外探測(cè)器(這里使用的是MEMS熱電堆式紅外探測(cè)器，熱電堆 是使用多組相互串聯(lián)的熱電偶進(jìn)行測(cè)溫。根據(jù)塞貝克效應(yīng)，當(dāng)熱電偶兩端存在溫度差，將會(huì) 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(cè) 靈敏度。將熱電堆的熱端與紅外線(xiàn)的吸收區(qū)域接觸，而冷端遠(yuǎn)離紅外線(xiàn)吸收區(qū)域，并用絕熱 的材料進(jìn)行隔熱，這樣紅外線(xiàn)吸收區(qū)域因吸收紅外線(xiàn)而升溫，對(duì)外輸出一個(gè)電壓，實(shí)現(xiàn)了測(cè) 量紅外線(xiàn)的目的。熱電偶由兩種不同的材料相連組成，最常用的就是η型多晶硅/鋁。我 們這里使用的就是η型多晶硅/鋁材料的熱電偶)的芯片尺寸，確定制作的二元光學(xué)透鏡 的尺寸和焦距，設(shè)計(jì)版圖并確定刻蝕深度，設(shè)定焦距為1mm，5mm, 10mm, 50mm, 100mm,實(shí)現(xiàn)不 同焦距透鏡掩模板的制作，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RIE、DRIE或ICP干法刻蝕中的一種，三次嵌套刻 蝕的深度比為4 2 1，即后一次刻蝕深度是前一次刻蝕深度的一半，第一次刻蝕深度可 以取2. 3um, 2. 4um, 2. 5um, 2. 6um, 2. 7um, 2. 8um,從而得到對(duì)不同波段紅外線(xiàn)的聚焦功能。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(guó)康 寧-corning公司生產(chǎn)，市場(chǎng)可購(gòu)得，通常已經(jīng)經(jīng)過(guò)拋光，其尺寸與Si圓片相同)在真空 條件下進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，使Pyrex7740玻璃上的上述特定圖案形成密封腔體，鍵合好的圓片 在一個(gè)大氣壓下加熱至820 V 880 V，在該溫度下保溫10 20min，例如溫度可以選取 為 820°C，840°C，850°C，860°C，880°C，保溫 10 20min，時(shí)間可以選取為10min，12min, 15min，18min，20min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃與硅模具完全貼合，形成二元光學(xué)透 鏡表面，冷卻到較低的溫度，如20-25°C，譬如為22°C，然后將上述圓片在常壓下退火消除 應(yīng)力，該常壓是指一個(gè)大氣壓，使用單面腐蝕夾具，使用25%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。第四步，根據(jù)封裝MEMS紅外探測(cè)器的尺寸，在封裝區(qū)域放置低溫玻璃焊料 (G018-226SCH0TT solder glass，一種德國(guó)肖特公司生產(chǎn)的低溫玻璃焊料)，并將具有二元 光學(xué)透鏡的PyreX7740玻璃圓片與MEMS紅外探測(cè)器芯片對(duì)準(zhǔn)，然后使玻璃焊料熔融鍵合， 實(shí)現(xiàn)探測(cè)器的氣密性封裝。玻璃焊料的高度可以控制在Imm 10mm，鍵合溫度為400°C 450°C，鍵合時(shí)間為10 15min，玻璃焊料的高度可以選取1mm，2mm，5mm，7mm，8mm，10mm，鍵 合溫度選取 400°C，420°C，440°C，450°C，鍵合時(shí)間選取為 lOmin，12min, 15min。上述技術(shù)方案中，所述的Si圓片刻蝕工藝為RIE刻蝕，使用的刻蝕氣體為SF6，反 應(yīng)室的壓強(qiáng)為lOPa，刻蝕的交流功率200W，刻蝕的速度為0. 5um/min，第三步中硅模具與 Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽(yáng)極鍵合，典型工藝條件為溫度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 5300C，5400C，5500C，560°C，退火保溫時(shí)間為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫(譬如25°C )。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RIE干法刻蝕工藝，刻蝕在IOPa壓強(qiáng)下使用SF6氣體刻蝕Si，功率為200W。所述的 硅圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽(yáng)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，退火保溫時(shí)間為 30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫。第三步硅圓片與Pyrex7740玻璃圓片按照陽(yáng)極鍵合的工藝要 求進(jìn)行必要的清洗和拋光。第二步中刻蝕的圖案深度為4 2 1，第一次刻蝕的時(shí)間為 5min，后面依次減半。實(shí)施例2一種二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，包括以下步驟第一步，根據(jù)熱電堆式紅外探測(cè)器所探測(cè)紅外線(xiàn)的波長(zhǎng)(為2.2um)，設(shè) 計(jì)版圖，掩模板上的圖形為同圓心的圓環(huán)，m層掩模板的各個(gè)圓環(huán)半徑根據(jù)公式
計(jì)算出，第二步，利用反應(yīng)離子刻蝕方法在4英寸Si圓片上依次刻蝕形成特定圖案(實(shí) 際上三維上看，是在硅片上刻槽，二維上是圖案)，三次刻蝕的深度分別為2. 34um, 1. 17um, 0. 59um，該圖案是登高的臺(tái)階形槽陣列刻蝕的每層臺(tái)階高度為0. 59um，臺(tái)階總高度為 4. lum，硅片經(jīng)過(guò)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(guó)康寧-corning公司生產(chǎn)，市場(chǎng)可購(gòu)得，已經(jīng)經(jīng)過(guò)拋光)在0. IPa壓強(qiáng)下進(jìn)行 鍵合，鍵合在EVG-501陽(yáng)極鍵合機(jī)上進(jìn)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(yáng)極鍵合要求進(jìn)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(mǎn)足常規(guī)陽(yáng)極鍵合的要求，將鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至880°C， 在該溫度下保溫20min，腔內(nèi)外壓力差使軟化后的玻璃與二元光學(xué)硅模具完全貼合，冷卻到 常溫25°C，將上述圓片在一個(gè)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(yáng)極鍵合，工藝條件為溫度400°C，電壓600V。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(shí)間 為30min，然后緩慢風(fēng)冷至常溫25°C。然后將上述圓片固定在單面腐蝕夾具中(腐蝕液只 能在圓片的上面，進(jìn)入不了圓片的底部，實(shí)現(xiàn)單面腐蝕)，倒入配置好的濃度為25%的TMAH 溶液，將夾具放入水浴中，使用溫度計(jì)測(cè)量TMAH溶液溫度，保證其溫度穩(wěn)定在90°C，從而去 除硅模具，從而制備出具有衍射聚焦功能的玻璃二元光學(xué)透鏡陣列。第四步，在MEMS熱電堆式紅外探測(cè)器的封裝區(qū)域放置玻璃焊料(G018-226SCH0TT solder glass，一種德國(guó)肖特公司生產(chǎn)的低溫玻璃焊料)，玻璃焊料的高度為5mm，將制作好的二元透鏡玻璃圓片與探測(cè)器圓片進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，然后在440°C下進(jìn)行玻璃焊料鍵合，鍵合時(shí)間 為15min，這樣封裝后玻璃透鏡陣列可以有效地將紅外線(xiàn)聚焦在熱電堆式紅外探測(cè)器的紅 外線(xiàn)吸收區(qū)域。本發(fā)明通過(guò)MEMS加工制造技術(shù)反應(yīng)離子刻蝕Si圓片，形成二元光學(xué)衍射臺(tái)階， 將Si片與Pyrex7740玻璃的進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，再利用真空負(fù)壓熱處理工藝，制造出具有紅外 聚焦功能的的圓片級(jí)玻璃二元光學(xué)透鏡陣列，工藝成熟，技術(shù)可靠。玻璃對(duì)紅外線(xiàn)的透過(guò)率 高達(dá)90%以上，而8階的二元光學(xué)衍射透鏡對(duì)紅外線(xiàn)的衍射效率也在84%以上，該方法可 以有效達(dá)到聚焦紅外線(xiàn)功能。本發(fā)明中制作的帶有二元透鏡陣列的玻璃圓片，可以用于封裝MEMS熱電堆式紅 外探測(cè)器，可以將照射到芯片上的所有紅外線(xiàn)都聚焦在微小的紅外線(xiàn)吸收區(qū)域，這實(shí)際上 是增大了探測(cè)器的紅外吸收面積，達(dá)到了提高紅外探測(cè)器靈敏度的目的，使用集成二元玻 璃透鏡的熱電堆式紅外探測(cè)器去制作FPAs，可以大大地提高紅外熱像儀的成像質(zhì)量。
權(quán)利要求
一種二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，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熱電堆式紅外探測(cè)器(1)，確定二元光學(xué)透鏡的幾何尺寸，設(shè)計(jì)出二元光學(xué)掩模板(2)。第二步，使用二元光學(xué)掩模板(2)在硅圓片(3)上進(jìn)行三次嵌套刻蝕，在硅圓片(3)上刻蝕出具有二元光學(xué)衍射性質(zhì)的臺(tái)階結(jié)構(gòu)(4)。第三步，將上述的硅圓片(3)與Pyrex7740玻璃圓片(5)進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，使Pyrex7740玻璃圓片與上述特定圖案形成真空密封腔體(6)，然后加熱使玻璃熔融成型，在Pyrex7740玻璃上制作二元光學(xué)透鏡(7)，然后進(jìn)行熱退火消除玻璃內(nèi)部應(yīng)力，并去除硅模具。第四步，將二元光學(xué)透鏡玻璃圓片(7)與MEMS紅外探測(cè)器(1)芯片對(duì)準(zhǔn)，使用低溫焊料(9)進(jìn)行鍵合，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器的封裝，通過(guò)控制封裝焊料(9)的高度，將紅外線(xiàn)聚焦在紅外探測(cè)器的紅外線(xiàn)吸收區(qū)域上(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，其 特征在于第一步中根據(jù)二元光學(xué)理論設(shè)計(jì)出二元玻璃透鏡的圖案尺寸，確定各層掩模板上 明暗區(qū)域半徑和布局。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，其 特征在于第二步中所述硅圓片上圖案結(jié)構(gòu)的微加工工藝為反應(yīng)離子刻蝕(RIE)或感應(yīng)耦 合等離子體刻蝕(ICP)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方 法，其特征在于第二步中采用的是光刻對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行三層掩模板嵌套干法刻蝕硅圓片的工藝， 后續(xù)的刻蝕要與前面一次進(jìn)行精確對(duì)準(zhǔn)以得到良好的衍射臺(tái)階，使硅模具具有二元光學(xué)特 性，各級(jí)臺(tái)階高度滿(mǎn)足特定波長(zhǎng)紅外線(xiàn)的衍射條件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，其 特征在于第二步中所述硅圓片上各級(jí)臺(tái)階的高度根據(jù)二元透鏡的焦距計(jì)算得到，并通過(guò)控 制干法刻蝕時(shí)間精確控制各級(jí)臺(tái)階高度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法， 其特征在于第三步中所述的硅圓片與Pyrex7740玻璃表面鍵合工藝為陽(yáng)極鍵合，工藝條件 為溫度400°C，電壓:600V。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的 方法，其特征在于第三步中硅模具圓片與Pyrex7740玻璃圓片是在真空環(huán)境下進(jìn)行陽(yáng)極鍵I=I ο
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法， 其特征在于第三步中將鍵合好的圓片在一個(gè)大氣壓下加熱至820°C 880°C，保溫10 20min，玻璃熔融形成二元光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，其 特征在于第三步中腐蝕掉作為模具的Si層，是使用25%的TMAH溶液在單面腐蝕夾具進(jìn)行 腐蝕，并將TMAH溶液是水浴中保溫在90°C。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法， 其特征在于第四步中使用玻璃焊料進(jìn)行低溫焊料鍵合，氣密性封裝?；蛘卟捎铆h(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行粘結(jié)，也可以采用金屬鍵合進(jìn)行密封。若采用金屬鍵合，需要在硅圓片和玻璃片上制備底 層金屬，然后用常規(guī)的低熔點(diǎn)焊料進(jìn)行粘結(jié)(例如錫合金)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種二元光學(xué)玻璃透鏡的制造及封裝MEMS紅外探測(cè)器的方法，包括以下步驟第一步，根據(jù)所要封裝的熱電堆式紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)出二元光學(xué)掩模板。第二步，使用二元光學(xué)掩模板在硅圓片上進(jìn)行三次嵌套刻蝕，在硅圓片上刻蝕出具有二元光學(xué)衍射性質(zhì)的臺(tái)階結(jié)構(gòu)。第三步，將上述的硅圓片與玻璃圓片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，使玻璃圓片與上述特定圖案形成真空密封腔體，然后加熱使玻璃熔融成型，在玻璃上制作二元光學(xué)透鏡，然后進(jìn)行熱退火消除玻璃內(nèi)部應(yīng)力，并去除硅模具。將透鏡玻璃圓片與紅外探測(cè)器芯片對(duì)準(zhǔn)，鍵合，實(shí)現(xiàn)紅外探測(cè)器的封裝，將紅外線(xiàn)聚焦在紅外探測(cè)器的吸收區(qū)域上。該方法制作的光學(xué)透鏡可以有效提高熱電堆紅外探測(cè)器探測(cè)靈敏度。
文檔編號(hào)G01J5/12GK101885466SQ201010200240
公開(kāi)日2010年11月17日 申請(qǐng)日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13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(qǐng)人:東南大學(xué)