專利名稱：對(duì)用于光學(xué)元件的封裝件進(jìn)行氣密密封的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及產(chǎn)品制造。具體而言，本發(fā)明提供了用于將透明罩氣密地接合到半導(dǎo)體襯底的一種方法和結(jié)構(gòu)。僅作為示例，本發(fā)明被應(yīng)用于被氣密地接合到包含了微機(jī)電系統(tǒng)的半導(dǎo)體晶片的透明玻璃罩。該方法和結(jié)構(gòu)可以被應(yīng)用于顯示技術(shù)以及，例如電荷耦合顯示照相陣列和紅外陣列。
背景技術(shù)：
硅集成電路的封裝已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較高的成熟水平。圖1圖示了傳統(tǒng)硅集成電路封裝件的簡(jiǎn)化示圖。硅集成電路管芯110被安裝在具有球柵陣列120的基座115上。線接合125被連接(attach)至硅管芯110以提供至基座115的電連接。一般地，硅管芯110和線接合125被用塑料包封物130包封。得到的封裝件堅(jiān)固耐用而且便宜。
圖1所圖示的封裝件在應(yīng)用中存在幾個(gè)缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)通常需要更多的硅集成電路的電操作。這種應(yīng)用的一個(gè)示例就是從微鏡陣列或者其它微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的光反射。例如，這些應(yīng)用一般需要用光能量照射硅集成電路的頂部并然后以高效率從硅集成電路的頂部反射光能量的能力。塑料包封物的光學(xué)特性，包括透明度不足、折射率不均一以及表面粗糙度，使得這些封裝件不適合用于這樣的應(yīng)用。另外，很多MEMS經(jīng)常需要位于硅集成電路的表面上方的開放空間，以使得微機(jī)電結(jié)構(gòu)能夠沿平行于MEMS平面的方向以及垂直于MEMS的平面的方向移動(dòng)。因此，塑料包封物與集成電路表面的物理接觸使得該封裝件不適合于很多MEMS應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一般地涉及產(chǎn)品制造。具體而言，本發(fā)明提供了氣密地將透明罩接合到半導(dǎo)體襯底上的方法和結(jié)構(gòu)。僅作為示例，本發(fā)明被應(yīng)用于被氣密地接合到半導(dǎo)體晶片上的透明玻璃罩，所述半導(dǎo)體晶片包含微機(jī)電系統(tǒng)。該方法和結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于顯示技術(shù)以及，例如電荷耦合顯示照相陣列和紅外陣列。
在根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例中，提供了對(duì)器件進(jìn)行氣密密封的方法。該方法包括提供包括多個(gè)個(gè)體芯片的襯底，每個(gè)芯片包括多個(gè)器件。在根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)具體實(shí)施例中，芯片以空間方式被布置成第一陣列。這個(gè)實(shí)施例中陣列構(gòu)造包括帶狀布置的多個(gè)第一跡道區(qū)域和帶狀布置的多個(gè)第二跡道區(qū)域。第二跡道區(qū)域與第一跡道區(qū)域相交，以形成所述陣列構(gòu)造。該方法還包括提供預(yù)定厚度的透明構(gòu)件。這個(gè)實(shí)施例中的透明構(gòu)件在預(yù)定厚度內(nèi)包括多個(gè)凹入?yún)^(qū)域，并以空間方式被布置成第二陣列。優(yōu)選地，每個(gè)凹入?yún)^(qū)域以支座區(qū)域?yàn)檫吔纭Ｔ谶@個(gè)具體實(shí)施例中，支座區(qū)域具有由所述預(yù)定厚度的一部分定義的厚度。該方法還包括以將多個(gè)凹入?yún)^(qū)域的每一個(gè)結(jié)合到所述多個(gè)芯片的相應(yīng)一個(gè)的方式對(duì)準(zhǔn)透明構(gòu)件。透明構(gòu)件被對(duì)準(zhǔn)，使得支座區(qū)域結(jié)合到多個(gè)第一跡道區(qū)域的每一個(gè)，并且被結(jié)合到多個(gè)第二跡道區(qū)域的每一個(gè)，以包圍相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片。該方法還包括通過將透明構(gòu)件的支座區(qū)域與多個(gè)第一跡道區(qū)域和第二跡道區(qū)域接觸，來氣密密封相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片。優(yōu)選地，該氣密密封至少使用一種接合工藝來隔離凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片。
在替代的具體實(shí)施例中，本發(fā)明提供了用于氣密密封器件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括被構(gòu)造成包括多個(gè)個(gè)體芯片的襯底。每個(gè)芯片包括多個(gè)器件。另外，每個(gè)芯片以空間方式被布置成第一陣列。陣列構(gòu)造包括帶狀布置的多個(gè)第一跡道區(qū)域和帶狀布置的多個(gè)第二跡道區(qū)域。第二跡道區(qū)域與第一跡道區(qū)域相交，以形成所述陣列構(gòu)造。系統(tǒng)還包括預(yù)定厚度的透明構(gòu)件。透明構(gòu)件被構(gòu)造成包括多個(gè)凹入?yún)^(qū)域。多個(gè)凹入?yún)^(qū)域以空間方式被布置成第二陣列。此外，每個(gè)凹入?yún)^(qū)域以支座區(qū)域?yàn)檫吔纾鲋ё鶇^(qū)域具有由所述預(yù)定厚度的一部分定義的厚度。以將多個(gè)凹入?yún)^(qū)域的每一個(gè)結(jié)合到所述多個(gè)芯片的相應(yīng)一個(gè)上的方式，對(duì)準(zhǔn)襯底和透明構(gòu)件。相應(yīng)地，支座區(qū)域被結(jié)合到多個(gè)第一跡道區(qū)域的每一個(gè)上，并且被結(jié)合到多個(gè)第二跡道區(qū)域的每一個(gè)上，以包圍相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片。通過至少使用一種接合工藝，使透明構(gòu)件的支座區(qū)域與多個(gè)第一跡道區(qū)域和第二跡道區(qū)域接觸，氣密密封相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片，以隔離凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片。
通過結(jié)合附圖閱讀以下詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以明白本發(fā)明的這些以及其它目的和特征，以及實(shí)現(xiàn)它們的方式，并且本發(fā)明被最好地理解。


圖1是傳統(tǒng)硅集成電路封裝件的簡(jiǎn)化示圖。
圖2是傳統(tǒng)的氣密密封的透明集成電路封裝件的簡(jiǎn)化示圖。
圖3A-3D是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的晶片級(jí)氣密密封封裝件的簡(jiǎn)化示圖。
圖4A和4B是由兩個(gè)透明部件形成的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的透明構(gòu)件的簡(jiǎn)化示圖。
圖5A是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的透明構(gòu)件和襯底在氣密密封時(shí)的簡(jiǎn)化俯視圖。
圖5B是根據(jù)本發(fā)明替代的實(shí)施例的四個(gè)透明構(gòu)件和襯底在氣密密封時(shí)的簡(jiǎn)化示圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在氣密密封之后的單個(gè)微鏡芯片的簡(jiǎn)化示圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的包括了氣密密封的管芯的管芯級(jí)封裝件的簡(jiǎn)化示圖。
圖8是圖示了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的反射系統(tǒng)的操作的簡(jiǎn)化示圖。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供用于產(chǎn)品制造的技術(shù)。具體而言，本發(fā)明提供了用于氣密密封產(chǎn)品封裝件的方法和系統(tǒng)。僅作為示例，本發(fā)明被應(yīng)用于光學(xué)微鏡封裝件的氣密密封。該方法和系統(tǒng)可以被應(yīng)用于傳感器技術(shù)以及需要?dú)饷芊庋b的其它MEMS器件。
圖2圖示了傳統(tǒng)的氣密密封透明集成電路封裝件的簡(jiǎn)化示圖，該封裝件可用于微鏡陣列的光學(xué)照明。在圖2中，具有微鏡陣列215的硅MEMS管芯210被安裝在基座220上。該管芯被使用管芯連接工序連接到基座上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員都知道，所述管芯粘接工序符合氣密密封封裝技術(shù)的要求。與圖1中所示封裝件一樣，線接合225被連接到硅管芯和基座。
為了在微鏡陣列215的上方提供空間，一般在基座的外側(cè)邊緣附近設(shè)置固體支座230。該支座一般形狀為方形環(huán)，由柯伐合金(covar)或者其它適合的材料制成。支座通常在接觸點(diǎn)235被用銅焊接至基座。玻璃罩板240一般在接觸點(diǎn)245被用銅焊接至支座的頂部，以密封封裝件。
圖2所示的封裝件的成本一般較高，在一些情況下在$70左右。另外，通常必須在潔凈的室內(nèi)環(huán)境中組裝封裝件，以防止可能出現(xiàn)的操作損壞和污染。因此，需要改善用于氣密密封產(chǎn)品封裝件的方法和系統(tǒng)。
圖3A-3D是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的晶片級(jí)氣密密封封裝件的簡(jiǎn)化示圖。這些示示了根據(jù)具體實(shí)施例的示例。本領(lǐng)域的一個(gè)普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到各種修改、替代和變化。優(yōu)選地，封裝件的形成發(fā)生在將有源器件分離成管芯形式之前。這里，經(jīng)常使用晶片切割和/或劃線并切斷處理等工藝來進(jìn)行分離。貫穿本說明書以及下面更具體地給出本方法的其它細(xì)節(jié)。
在圖3A中所示的實(shí)施例中，根據(jù)本方法處理襯底310，以在該襯底上形成個(gè)體芯片315的陣列。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，襯底310是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的半導(dǎo)體晶片，例如為硅，而芯片315是MEMS。在共同所有的美國(guó)專利申請(qǐng)序列No.60/390,389中描述了一種形成這樣的MEMS的方法的示例，這里因各種目的通過引用而結(jié)合于此。在圖3A所示的實(shí)施例中，芯片包括多個(gè)器件。另外，CMOS晶片被處理以形成集成電路312、用于電導(dǎo)線314的金屬跡線和其它CMOS結(jié)構(gòu)。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，器件為布置成例如二維陣列的多維陣列的微鏡。在替代的實(shí)施例中，該多個(gè)器件包括多個(gè)電荷耦合器件(CCD)、多個(gè)偏轉(zhuǎn)器件、多個(gè)傳感器件、集成電路器件、這些器件的任何組合以及類似物。
在圖3B中所示的實(shí)施例中，透明構(gòu)件320被設(shè)置為在透明構(gòu)件的下表面中包括多個(gè)凹入?yún)^(qū)域325。透明構(gòu)件具有預(yù)定厚度330。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，透明構(gòu)件的厚度為1.2mm?；蛘撸谄渌鼘?shí)施例中厚度范圍從大約0.5mm到大約3mm。當(dāng)然，厚度要取決于具體的應(yīng)用。
優(yōu)選地，凹入?yún)^(qū)域是在構(gòu)件內(nèi)定義出的體積空間。該體積空間具有由從透明構(gòu)件的底部324到凹入?yún)^(qū)域339的頂部的距離所定義的深度332。凹入?yún)^(qū)域的外側(cè)邊緣由支座335的豎直邊緣定義。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，凹入?yún)^(qū)域的體積在整個(gè)透明構(gòu)件上是均一的。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，個(gè)體的支座335包括定位在平行于x-y平面的平面內(nèi)的環(huán)狀矩形圈，該環(huán)狀矩形圈具有高度332。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，支座的下表面被加工成配合于襯底，并形成足以形成氣密密封封裝件的接合，以下將對(duì)此詳細(xì)討論。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，凹入?yún)^(qū)域的深度是一個(gè)預(yù)定的深度。在圖3B所示的實(shí)施例中，凹入?yún)^(qū)域的深度332為0.5mm?；蛘?，在其它實(shí)施例中，深度范圍從大約0.1mm到1mm。當(dāng)然，凹入?yún)^(qū)域的深度要取決于具體的應(yīng)用。另外，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，個(gè)體的凹入?yún)^(qū)域的面積會(huì)是預(yù)定的大小。在圖3B中所示的實(shí)施例中，個(gè)體的凹入?yún)^(qū)域的面積約為14mm×18mm。根據(jù)具體應(yīng)用，該面積的大小會(huì)變化。
形成在透明構(gòu)件中的凹入?yún)^(qū)域被以空間方式布置，以形成x-y平面中的多維陣列。在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，凹入?yún)^(qū)域被布置以形成x-y平面中的二維陣列。在圖3A-3D中所示的實(shí)施例中，凹入?yún)^(qū)域325的深度和x-y尺寸大于芯片315的高度和x-y尺寸。因此，芯片裝配在凹入?yún)^(qū)域內(nèi)，并且凹入?yún)^(qū)域的邊緣在所有三個(gè)維度上與芯片的外側(cè)邊緣分離。而且，在圖3A和3B所示的實(shí)施例中，凹入?yún)^(qū)域在x和y維度上的中心到中心間距分別超過凹入?yún)^(qū)域在x和y維度上的大小，提供用于相鄰芯片之間的支座區(qū)域335的空間。支座區(qū)域的橫向尺寸具有預(yù)定的大小。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，支座區(qū)域的橫向尺寸的范圍在0.5mm到1.0mm之間。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，透明構(gòu)件是由銷售名稱為康寧Eagle2000TM顯示級(jí)玻璃襯底的產(chǎn)品形成的，所述產(chǎn)品由紐約康寧公司制造。該玻璃襯底的特征在于光學(xué)性能高，包括但不限于，可見光區(qū)域中的光功率透射率高于90％。如以下將描述的那樣，光線通過構(gòu)件的透射率可以通過向襯底的光學(xué)表面涂敷抗反射(AR)涂層而提高。另外，康寧Eagle2000TM顯示級(jí)玻璃被用在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，因?yàn)樵摬Ａбr底的熱膨脹系數(shù)接近于硅的熱膨脹系數(shù)。
對(duì)于材料來說，根據(jù)定義，溫度T下的熱應(yīng)變是由于溫度變化(T-Tref)引起的構(gòu)件長(zhǎng)度變化除以該構(gòu)件的原始長(zhǎng)度l。用eT(T)表示溫度T下的熱應(yīng)變，則eT(T)=Δlthermall---(1)]]>同樣，根據(jù)定義，用a(T)表示的材料熱膨脹系數(shù)為a(T)=deTdT---(2)]]>在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，其中預(yù)期溫度變化作為時(shí)間的函數(shù)，這對(duì)透明罩的熱膨脹系數(shù)(CTE)與襯底的CTE匹配是有幫助的。這些CTE的匹配限制了由于溫度變化而在襯底中引入的應(yīng)力和翹曲的量。
在圖3A-3D中所示的實(shí)施例中，透明構(gòu)件被設(shè)計(jì)和制造成減少光吸收，從而提高所感興趣波長(zhǎng)范圍的光能量的透射。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，所感興趣的波長(zhǎng)范圍是400nm和700nm之間的可見光譜。另外，在這個(gè)實(shí)施例中，構(gòu)件337的頂表面和凹入?yún)^(qū)域339的頂表面被拋光或者磨光，以提供光學(xué)性能表面。此外，AR涂層可以被涂敷于透明構(gòu)件的頂表面和凹入?yún)^(qū)域的頂表面。涂敷于透明構(gòu)件頂表面的AR涂層當(dāng)光線照射在封裝件上時(shí)會(huì)減少?gòu)耐该鳂?gòu)件的頂部被反射的量，從而增加到達(dá)微鏡陣列315的光線的量。此外，涂敷于凹入?yún)^(qū)域的頂部的AR涂層當(dāng)光線離開封裝件時(shí)會(huì)減少?gòu)耐该鳂?gòu)件被反射的量。通過使用這些AR涂層，將提高系統(tǒng)總的通過量。MgF2或者其它適合的電介質(zhì)材料的四分之一波(λ/4)涂層可以被用來形成寬帶AR涂層。例如，沉積在康寧Eagle2000TM顯示級(jí)玻璃襯底上的中心位于550nm的λ/4 MgF2涂層(550nm處的折射率為1.38)，得到在整個(gè)可見光譜(400nm-700nm)上每個(gè)表面小于2％的功率反射比。
透明構(gòu)件可以以各種方法處理以形成凹入?yún)^(qū)域。例如，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，凹入?yún)^(qū)域可以通過使用干法或者濕法化學(xué)刻蝕、激光加工、聲加工、噴水加工(water jet machining)或類似技術(shù)被刻蝕到透明構(gòu)件中。
在根據(jù)本發(fā)明的替代的實(shí)施例中，如圖4所示，通過加工第一平面部件并隨后將分立的透明部件接合到該第一部件而形成透明構(gòu)件。第一平面部件410是被加工或者以其它方式處理從而在凹入?yún)^(qū)域415所處的位置形成開口的平面襯底。在位置417形成另外的開口，以形成被用于將線接合連接至芯片互連區(qū)域的通孔，以下將對(duì)此進(jìn)行描述。第一平面部件的未被加工部分將形成支座區(qū)域420。第二平面透明部件430被接合到第一平面部件的頂部以形成完整的透明構(gòu)件。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，第一平面部件和第二平面透明部件都是透明的。沿圖4A的平面A-A所取的完整的透明構(gòu)件的側(cè)視圖在圖4B中示出。如圖4B中所示，示出了支座區(qū)域420和頂部的透明部件430。
這種可選擇的制造工藝所帶來的好處之一就是兩個(gè)部件的光學(xué)特性并不總是近似的。實(shí)際上，對(duì)于一些應(yīng)用，圖4A和4B中所示的第一部件的光學(xué)特性不影響系統(tǒng)的性能。例如，根據(jù)穿過封裝件的光路，光線永遠(yuǎn)不會(huì)照射在第一部件上。在根據(jù)本發(fā)明的其它實(shí)施例中，希望吸收照射在下側(cè)部件上的所有的光線。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，透明構(gòu)件的光學(xué)特性是預(yù)定的。在具體實(shí)施例中，透明構(gòu)件的透射率和吸收系數(shù)作為x-y平面中的位置的函數(shù)是一樣的。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，通過低溫玻璃熔合接合或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員所知道的其它方法來完成兩個(gè)透明部件的接合。另外，在接合之前，在第二透明部件的頂部和底部涂敷AR涂層以提高光通量。如上所述，在根據(jù)本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，第二透明構(gòu)件的光學(xué)性能會(huì)控制經(jīng)過凹入?yún)^(qū)域的頂部的光線的光學(xué)性能，使得可以使用拋光和涂層方法，而這些方法在由單個(gè)襯底形成透明構(gòu)件的實(shí)施例中是不適用的。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，氣密密封的管芯級(jí)封裝件通過將透明構(gòu)件結(jié)合到襯底上而形成的。圖3C是透明構(gòu)件和襯底在氣密密封時(shí)的簡(jiǎn)化示圖。以將支座區(qū)域340和342定位于跡道(street)區(qū)域344和346上方的方式對(duì)準(zhǔn)透明構(gòu)件。個(gè)體的芯片350位于相關(guān)聯(lián)的凹入?yún)^(qū)域352之下并與之連通，并且在位于支座區(qū)域342的基部的接觸點(diǎn)356處被透明罩354所氣密密封。通孔348提供了到位于CMOS晶片上的接合焊盤358的通道。
透明構(gòu)件與襯底的氣密密封是根據(jù)本領(lǐng)域的技術(shù)人員所公知的幾種方法來進(jìn)行的。例如，在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，通過等離子激活共價(jià)晶片接合技術(shù)(PACWB)來進(jìn)行氣密密封。PACWB是在襯底和透明構(gòu)件已經(jīng)在60℃下的SC1(NH3∶H2O2∶H2O，1∶4∶20)中被清潔、在去離子(DI)水中漂洗、在2％的HF中浸沒20秒、在DI水中漂洗并用N2或者空氣干燥之后在室溫下進(jìn)行的。然后將襯底和透明構(gòu)件暴露于例如室壓約為35毫托的反應(yīng)式離子刻蝕機(jī)中的氧等離子體。在根據(jù)本發(fā)明的另外實(shí)施例中，襯底和透明構(gòu)件被暴露于氬等離子體。經(jīng)過等離子體處理之后，二氧化硅的表面為親水性的，促進(jìn)接合。在預(yù)先選定的周圍環(huán)境中，在室溫下使襯底和透明構(gòu)件接觸。在根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例中，其它的接合技術(shù)可以被使用，例如，共熔低溫接合技術(shù)和陽極接合技術(shù)。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，圖3C中所示的氣密密封處理是在包含惰性氣體的環(huán)境中進(jìn)行的。惰性氣體的例子有N2和Ar等等。在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行氣密密封所帶來的好處包括但不限于，衰減器件中出現(xiàn)的振蕩和防止電弧。例如，如果器件是布置成陣列的微鏡，惰性氣體的出現(xiàn)就會(huì)衰減和減弱在對(duì)微鏡操作和移動(dòng)過程中出現(xiàn)的振蕩。另外，惰性氣體的出現(xiàn)還減小了驅(qū)動(dòng)電子器件和/或微鏡陣列的元件之間的電弧的可能性。
圖5A是圖3C中所示的器件在氣密密封時(shí)的俯視圖。沿y方向伸展的支座區(qū)域510位于平行的跡道區(qū)域512的上方，而沿x方向伸展的支座區(qū)域515位于平行的跡道區(qū)域517上方。接合焊盤520位于有源器件522的左右側(cè)。如圖3C中所示，透明構(gòu)件中的通孔348提供了至接合焊盤的通道。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，氣密密封處理是通過將單個(gè)透明構(gòu)件接合到單個(gè)襯底上來進(jìn)行的。在這個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)透明構(gòu)件的大小被選擇為符合襯底的大小。例如，長(zhǎng)和寬約30cm的透明構(gòu)件被接合到直徑為30cm的襯底上。或者，透明構(gòu)件可以是矩形的并且在大小上大于襯底。在根據(jù)本發(fā)明的替代的實(shí)施例中，透明襯底的大小僅僅是襯底大小的一小部分。在這個(gè)替代的實(shí)施例中，在氣密密封之前，多個(gè)透明構(gòu)件被布置成與襯底表面上的配合區(qū)對(duì)準(zhǔn)。多個(gè)透明構(gòu)件隨后被接合到襯底上。例如，圖5B圖示了在位于襯底上的芯片560陣列的上方以二維陣列布置的四個(gè)透明構(gòu)件552、554、556和558的簡(jiǎn)化示圖。在圖5B所示的替代的實(shí)施例中，透明構(gòu)件被制造成使得相鄰?fù)该鳂?gòu)件在平面570和572處相互抵靠。但是，這并不是必須的。根據(jù)本發(fā)明的其它替代實(shí)施例可以以不同方式對(duì)準(zhǔn)透明構(gòu)件。
圖3D根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例圖示了在氣密密封完成之后的個(gè)體管芯的分離。在圖3D中所示的實(shí)施例中，個(gè)體管芯360沿著位于相鄰接合焊盤之間在y方向上伸展的線被分離。在x方向上分離管芯，使得分離面與位于凹入?yún)^(qū)域364外部的透明構(gòu)件中的通孔362對(duì)準(zhǔn)。為了區(qū)別，y方向和x方向上的線在圖5A中分別被示為線530和535。
在根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例中，通過使用金剛石鋸將襯底切割成管芯來分離個(gè)體管芯。在一個(gè)替代實(shí)施例中，通過使用金剛石劃線器劃刻襯底來分離管芯。在本發(fā)明實(shí)施例中，其中襯底為硅晶片，管芯分離是通過用旋轉(zhuǎn)圓形磨料鋸片鋸割硅襯底來進(jìn)行的。
圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的單個(gè)管芯的俯視圖。芯片和凹入?yún)^(qū)域的橫向尺寸是預(yù)定的大小。在圖6中所示的實(shí)施例中，芯片610的橫向尺寸約為17mm×13mm。芯片的中心到中心間距在x方向上約為21mm，在y方向上約為17mm。在這個(gè)具體實(shí)施例中，芯片包括微鏡615的1024×768陣列。微鏡的邊緣在x和y方向上與支座區(qū)域620分開0.5mm。支座區(qū)域在寬度上為0.5mm。支座區(qū)域左右的通孔625和627分別提供了至接合焊盤630的通道，大小為100μm，并間隔150μm設(shè)置?；蛘?，芯片610的中心到中心間距為16mm×12mm，使得芯片與支座區(qū)域之間分開0.25mm。當(dāng)然，這些尺寸要取決于具體的應(yīng)用。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，與襯底接觸的支座區(qū)域的表面粗糙度被減小到預(yù)定水平。一般使用原子力顯微鏡(AFM)來鑒定支座區(qū)域的下表面的表面粗糙度。例如，可以使用威科儀器有限公司(Veeco Instruments，Inc.)的Digital Instruments EnviroScopeTM。
例如，在根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施例中，支座區(qū)域下表面的均方根表面粗糙度小于或者等于2μm×2μm面積上2。在根據(jù)本發(fā)明的替代實(shí)施例中，表面粗糙度為2μm×2μm面積上約3的均方值(RMS)。
圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的管芯級(jí)封裝的簡(jiǎn)化示圖，該管芯級(jí)封裝可用于制作至氣密密封的封裝件的電連接并安裝該封裝件。
圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，其中氣密密封封裝件被安裝在引線框架結(jié)構(gòu)上，例如球柵陣列。前述的經(jīng)分離的CMOS管芯、芯片和氣密密封的封裝件被示為705。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，至少一個(gè)互連區(qū)域與襯底上的每個(gè)芯片相關(guān)聯(lián)。在圖7中所示的實(shí)施例中，互連區(qū)域或者接合焊盤710位于，例如，晶片頂面上或者附近。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，互連焊盤被電連接到多個(gè)器件，以根據(jù)MEMS規(guī)則驅(qū)動(dòng)機(jī)械器件。因此，互連區(qū)域710出現(xiàn)的電信號(hào)導(dǎo)致器件715的機(jī)械運(yùn)東。如前所述，在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例中，互連區(qū)域710出現(xiàn)的電信號(hào)使微鏡陣列中的一些或者所有微鏡偏轉(zhuǎn)，以有選擇地反射經(jīng)過透明構(gòu)件717并入射到微鏡陣列上的光線。
為了將互連區(qū)域(進(jìn)而將該器件)電連接到外部驅(qū)動(dòng)器，線接合720從互連焊盤710被連接到位于引線框架結(jié)構(gòu)725上的電連接。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，使用直徑約25μm的金線制作線接合，所述金線能夠承載超過500mA的電流。在圖7中所示的根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，線接合被包封在包封物730中。對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，使用例如塑料的包封物來保護(hù)電學(xué)部件不受環(huán)境損壞是公知的。在一些實(shí)施例中，將引線框架用銅焊接到散熱器742上，以減小氣密密封的封裝件上的熱負(fù)載。
在圖7中，包封物被用來包封引線框架、線接合、互連區(qū)域和透明構(gòu)件鄰近通孔的側(cè)面中的至少一部分，而保持透明構(gòu)件位于凹入?yún)^(qū)域上方的表面區(qū)域735不被包封。因此，表面區(qū)域735的光學(xué)特性就不受包封物的使用的影響。在圖7中所示的實(shí)施例中，管芯級(jí)封裝件的總厚度740是1.27mm。因此，圖7中所示的封裝件結(jié)合了可用于光學(xué)MEMS的氣密密封封裝件與非氣密密封塑料包封的封裝件兩者。
圖8圖示了采用本發(fā)明具體實(shí)施例的反射系統(tǒng)的操作。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，希望對(duì)入射在封裝件上以及從其被反射的光線進(jìn)行空間過濾。在圖8中所示的實(shí)施例中，來自光源810的光束入射在透明構(gòu)件815的頂面上。經(jīng)過透明構(gòu)件的光線的一部分830入射到多個(gè)器件的表面上，所述器件在這個(gè)實(shí)施例中為微鏡陣列820。來自燈810的光線835的其它部分被位于透明構(gòu)件周圍的過濾掩模825所遮擋或過濾。被過濾掩模825的左側(cè)、頂側(cè)和底側(cè)所遮擋的光線不能到達(dá)微鏡陣列。另外，被芯片的除了微鏡陣列之外的部分所反射的光線被過濾掩模的右側(cè)遮擋。這樣，通過使用過濾掩模825，傳到檢測(cè)器840的反射光線被限制于入射在封裝件上的原始光束選定部分。
在圖8中所示的實(shí)施例中，過濾掩模位于透明構(gòu)件的上表面上，但是，這不是必須的。在替代實(shí)施例中，過濾掩模位于透明構(gòu)件的下表面或者側(cè)面上。在根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，在透明構(gòu)件的制作中使用非透明材料可以實(shí)現(xiàn)過濾掩模。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，過濾掩模包括鉻層。在替代實(shí)施例中，過濾掩模由其它反射或者吸收材料制成。
在圖8所示實(shí)施例中，過濾掩模形成開口區(qū)域，其遮擋照射在管芯的上除微鏡之外的部分或者從該處反射的光線。在替代實(shí)施例中，過濾掩模僅僅被用來遮擋圖8中的入射(左)側(cè)的光線，而不遮擋出射(右)側(cè)的光線。
盡管以上是對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施例的完整描述，但是以上描述不應(yīng)視為限制由權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于氣密密封器件的方法，該方法包括提供襯底，所述襯底包括多個(gè)個(gè)體的芯片，每個(gè)所述芯片包括多個(gè)器件，每個(gè)所述芯片以空間方式被布置成第一陣列，所述陣列構(gòu)造包括帶狀布置的多個(gè)第一跡道區(qū)域和帶狀布置的多個(gè)第二跡道區(qū)域，所述第二跡道區(qū)域與所述第一跡道區(qū)域相交以形成所述陣列構(gòu)造；提供預(yù)定厚度的透明構(gòu)件，所述透明構(gòu)件包括在所述預(yù)定厚度內(nèi)以空間方式被布置成第二陣列的多個(gè)凹入?yún)^(qū)域，每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域以支座區(qū)域?yàn)檫吔纾鲋ё鶇^(qū)域具有由所述預(yù)定厚度的一部分所定義的厚度；以將所述多個(gè)凹入?yún)^(qū)域的每個(gè)與所述多個(gè)芯片中的相應(yīng)一個(gè)結(jié)合的方式對(duì)準(zhǔn)所述透明構(gòu)件，由此所述支座區(qū)域被結(jié)合到所述多個(gè)第一跡道區(qū)域的每個(gè)上，并被結(jié)合到所述多個(gè)第二跡道區(qū)域的每個(gè)上，以包圍所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)所述芯片；以及通過至少使用一種結(jié)合工藝，使所述透明構(gòu)件的所述支座區(qū)域接觸所述多個(gè)第一跡道區(qū)域和第二跡道區(qū)域，氣密密封所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)所述芯片，以隔離所述凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)所述芯片。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述第一跡道區(qū)域具有尺寸范圍約為0.5mm到1.0mm的第一寬度，每個(gè)所述第二跡道區(qū)域具有尺寸范圍約為0.5mm到1.0mm的第二寬度。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述透明構(gòu)件具有大于約99％的光功率透射率。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述透明構(gòu)件特征在于熱膨脹系數(shù)aT，所述熱膨脹系數(shù)與所述襯底的熱膨脹系數(shù)aS大致相同。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述透明構(gòu)件包括上覆于每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域的表面區(qū)域而布置的抗反射涂層。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域是通過選自干法或者濕法刻蝕、激光加工、聲加工和鑄造中的一種工藝形成的。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述透明構(gòu)件包括上覆于支座層的第一透明構(gòu)件，所述支座層包括所述支座區(qū)域。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述支座層包括第二透明構(gòu)件。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述接合工藝至少選自等離子體激活接合、共熔接合、膠合層或者粘接劑接合、焊接、陽極接合和熔焊。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述透明構(gòu)件的特征在于厚度范圍約為0.1mm到1.2mm。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述芯片被保持在所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的惰性環(huán)境中。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述惰性環(huán)境選自氮、氬或者氮與氬的混合物。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述惰性環(huán)境產(chǎn)生衰減作用。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述惰性環(huán)境使得電擊穿減少。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述芯片包括互連區(qū)域，所述互連區(qū)域在所述凹入?yún)^(qū)域的外部。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述互連區(qū)域通過所述透明構(gòu)件上的通孔區(qū)域被暴露。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述互連區(qū)域包括多個(gè)接合焊盤。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述襯底包括含有硅的材料。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其中所述襯底是硅晶片。
20.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域包括結(jié)合到第二表面區(qū)域的第一表面區(qū)域，所述第一表面區(qū)域和第二表面區(qū)域的特征在于具有光學(xué)性能。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其中所述第一表面區(qū)域的均方根表面粗糙度小于或者等于2μm×2μm面積上2。
22.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域是環(huán)形形狀。
23.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域深度約為0.5mm或者更少。
24.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述透明構(gòu)件包括第一側(cè)面和第二側(cè)面，所述第一側(cè)面平行于所述第二側(cè)面，所述第一側(cè)面和第二側(cè)面涂有抗反射材料。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述抗反射材料涂層將所述第一側(cè)面和第二側(cè)面處的反射比減小到每側(cè)面小于2％。
26.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述抗反射材料包括氟化鎂。
27.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過劃刻每個(gè)所述第一跡道區(qū)域的一部分和劃刻每個(gè)所述第二跡道區(qū)域的一部分來切割至少一個(gè)所述芯片；將一個(gè)所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域內(nèi)的至少一個(gè)所述芯片連接到引線框架結(jié)構(gòu)上；將所述被連接的芯片的一部分線接合至所述引線框架結(jié)構(gòu)的一部分；以及包封所述被連接的芯片的所述線接合部分和所述引線框架結(jié)構(gòu)的所述部分，而保持所述透明襯底在所述凹入?yún)^(qū)域上定義的表面區(qū)域不被包封。
28.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域具有濾掉光線的周圍區(qū)域。
29.如權(quán)利要求1所述的方法，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域具有周圍區(qū)域，所述周圍區(qū)域形成上覆于一個(gè)所述相應(yīng)芯片的一部分的開口區(qū)域。
30.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述多個(gè)器件中的至少一個(gè)包括多個(gè)電荷耦合器件、多個(gè)偏轉(zhuǎn)器件、多個(gè)傳感器件和集成電路器件。
31.一種用于氣密密封器件的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括襯底，所述襯底被構(gòu)造成包括多個(gè)個(gè)體的芯片，其中每個(gè)所述芯片包括多個(gè)器件；其中每個(gè)所述芯片以空間方式被布置成第一陣列，所述陣列構(gòu)造包括帶狀布置的多個(gè)第一跡道區(qū)域和帶狀布置的多個(gè)第二跡道區(qū)域，所述第二跡道區(qū)域與所述第一跡道區(qū)域相交，以形成所述陣列構(gòu)造；預(yù)定厚度的透明構(gòu)件，所述透明構(gòu)件被構(gòu)造成在所述預(yù)定厚度內(nèi)包括多個(gè)凹入?yún)^(qū)域，其中所述多個(gè)凹入?yún)^(qū)域以空間方式被布置成第二陣列，并且其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域以支座區(qū)域?yàn)檫吔?，所述支座區(qū)域具有由所述預(yù)定厚度的一部分所定義的厚度；其中以將所述多個(gè)凹入?yún)^(qū)域的每個(gè)與所述多個(gè)芯片的相應(yīng)一個(gè)結(jié)合的方式對(duì)準(zhǔn)所述襯底和所述透明構(gòu)件，由此所述支座區(qū)域被結(jié)合到所述多個(gè)第一跡道區(qū)域的每個(gè)上，并且被結(jié)合到所述多個(gè)第二跡道區(qū)域的每個(gè)上，以包圍所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)所述芯片；以及其中通過至少使用一種結(jié)合工藝，使所述透明構(gòu)件的所述支座區(qū)域接觸所述多個(gè)第一跡道區(qū)域和第二跡道區(qū)域，氣密密封所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)所述芯片，以隔離所述凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)所述芯片。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述第一跡道區(qū)域具有尺寸范圍約0.5mm到1.0mm的第一寬度，每個(gè)所述第二跡道區(qū)域具有尺寸范圍約0.5mm到1.0mm的第二寬度。
33.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述透明構(gòu)件具有大于約99％的光功率透射率。
34.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述透明構(gòu)件特征在于熱膨脹系數(shù)aT，所述熱膨脹系數(shù)與所述襯底的熱膨脹系數(shù)aS大致相同。
35.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述透明構(gòu)件包括上覆于每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域的表面區(qū)域而布置的抗反射涂層。
36.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域是通過選自干法或者濕法刻蝕、激光加工、聲加工和鑄造中的一種工藝而形成的。
37.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述透明構(gòu)件包括上覆于支座層的第一透明構(gòu)件，所述支座層包括所述支座區(qū)域。
38.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述支座層包括第二透明構(gòu)件。
39.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述接合工藝至少選自等離子體激活接合、共熔接合、膠合層或者粘接劑接合、焊接、陽極接合和熔焊。
40.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述透明構(gòu)件的特征在于厚度范圍約0.1mm到1.2mm。
41.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述芯片被保持在所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的惰性環(huán)境中。
42.如權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述惰性環(huán)境選自氮、氬或者氮與氬的混合物。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述惰性環(huán)境產(chǎn)生衰減作用。
44.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其中所述惰性環(huán)境使得電擊穿減少。
45.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述芯片包括互連區(qū)域，所述互連區(qū)域在所述凹入?yún)^(qū)域的外部。
46.如權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中所述互連區(qū)域通過所述透明構(gòu)件上的通孔區(qū)域被暴露。
47.如權(quán)利要求46所述的系統(tǒng)，其中所述互連區(qū)域包括多個(gè)接合焊盤。
48.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述襯底包括含有硅的材料。
49.如權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其中所述襯底是硅晶片。
50.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域包括結(jié)合到第二表面區(qū)域的第一表面區(qū)域，所述第一表面區(qū)域和第二表面區(qū)域的特征在于具有光學(xué)性能。
51.如權(quán)利要求50所述的系統(tǒng)，其中所述第一表面區(qū)域的均方根表面粗糙度小于或者等于2μm×2μm面積上2。
52.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域是環(huán)形形狀。
53.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域深度為約0.5mm或者更少。
54.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述透明構(gòu)件包括第一側(cè)面和第二側(cè)面，所述第一側(cè)面平行于所述第二側(cè)面，所述第一側(cè)面和第二側(cè)面涂有抗反射材料。
55.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，其中所述抗反射材料涂層將所述第一側(cè)面和第二側(cè)面處的反射比減小到每側(cè)面小于2％。
56.如權(quán)利要求54所述的系統(tǒng)，其中所述抗反射材料包括氟化鎂。
57.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，還包括引線框架結(jié)構(gòu)；其中通過劃刻每個(gè)所述第一跡道區(qū)域的一部分和劃刻每個(gè)所述第二跡道區(qū)域的一部分，來切割至少一個(gè)所述芯片；其中一個(gè)所述相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域內(nèi)的至少一個(gè)所述芯片被連接到所述引線框架結(jié)構(gòu)上；其中所述被連接的芯片的一部分被線接合至所述引線框架結(jié)構(gòu)的一部分；以及其中所述被連接的芯片的所述線接合部分和所述引線框架結(jié)構(gòu)的所述部分被包封，而所述透明襯底在所述凹入?yún)^(qū)域上定義的表面區(qū)域保持不被包封。
58.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域具有濾掉光線的周圍區(qū)域。
59.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中每個(gè)所述凹入?yún)^(qū)域具有周圍區(qū)域，所述周圍區(qū)域形成上覆于一個(gè)所述相應(yīng)芯片的一部分的開口區(qū)域。
60.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述多個(gè)器件中的至少一個(gè)包括多個(gè)電荷耦合器件、多個(gè)偏轉(zhuǎn)器件、多個(gè)傳感器件和集成電路器件。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種對(duì)器件進(jìn)行氣密密封的方法。該方法包括提供包括多個(gè)個(gè)體芯片的襯底。每個(gè)芯片包括多個(gè)器件，并且每個(gè)芯片以空間方式被布置成第一陣列。該方法還提供預(yù)定厚度的透明構(gòu)件，所述透明構(gòu)件包括以空間方式布置成第二陣列的多個(gè)凹入?yún)^(qū)域和支座區(qū)域。該方法還包括以將多個(gè)凹入?yún)^(qū)域的每個(gè)結(jié)合到所述多個(gè)芯片的相應(yīng)一個(gè)上的方式對(duì)準(zhǔn)透明構(gòu)件。該方法還包括通過使用至少一種接合工藝來氣密密封相應(yīng)凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片，以隔離凹入?yún)^(qū)域中的一個(gè)內(nèi)的每個(gè)芯片。
文檔編號(hào)G02B26/08GK1638115SQ20041008633
公開日2005年7月13日 申請(qǐng)日期2004年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者楊曉 申請(qǐng)人:米拉迪亞公司