一种mems光学级空腔盖板加工方法
技术领域
1.本发明涉及激光诱导蚀刻技术领域，特别涉及一种mems光学级空腔盖板加工方法。
背景技术：
2.mems（微机电系统）封装包括芯片级装配（或称亚零级封装）、芯片级封装（或称零级封装） 、器件级封装（或称一零级封装） 、板级封装（或称二级封装)、母版级封装（或称三级封装）。典型的mems微系统封装包含ic电路，以及工作传感器、执行器、生物、流体、化学、光学、磁学和射频等mems微器件。封装为内部芯片和引线等提供支持和保护，必要的工作环境，以及必须的活动空间，使之不受外部环境的干扰和腐蚀破坏。对于微传感器和微执行器，除电信号外，芯片还有其他物理信息要与外界连接，如光、声、力、磁等。
3.常用的封装材料包括金属、陶瓷、玻璃和塑料等。玻璃封装具有良好的密封性，生物兼容性和绝缘性，因此侵蚀性环境如生物~医学移植器件更倾向于玻璃封装；玻璃材质透明、无线点信号可以无干扰通过，非常适合传输光信号及无线信号的场景。玻璃空腔盖板普遍采用预成型封装工艺，这种方法得以普及主要得益于简便和易操作，它允许使用标准的芯片贴合和引线键合，目前玻璃预成型工艺主要采用飞秒激光烧蚀加之hf湿法蚀刻，飞秒激光器设备造价高，烧蚀速度慢，预成型成本居高不下，蚀刻后的型腔底部难于获得理想的透光效果，使得光学盖板的应用场景受到限制，至今这种封装只用于射频、医疗等特殊器件，非常有必要开发出更通用，成本更低的封装方法。
4.飞秒激光加hf湿法蚀刻制作光学级空腔盖板存在如下弊端：
①
采用减法3d打印模式逐点烧蚀，效率低下，加工工时长，从而导致单片盖板成本较高；
②
由于高斯光束的聚焦特性使然，改性点阵不连续，成空间雾状，型腔经过蚀刻后呈现磨砂的亚光效果，无法做到完全透明，影响光信号传输，其微观结构如图5所示；
③
飞秒激光器造价昂贵，设备成本较高，从另一方面提高了产品的分摊成本；
④
hf湿法的蚀刻过程具有各向同性，蚀刻方向、蚀刻深度不易控制，因此在制作微米级型腔结构时，不易获得准确的特征尺寸，蚀刻后的型腔尺寸和形状与理想的尺寸和形状往往差距较大，同时玻璃本身减薄明显；
⑤
hf溶液具有强烈的毒性、腐蚀性和挥发性，挥发出来的hf气体和空气中的水蒸气继续结合成氢氟酸，含有剧毒，会对人的循环系统造成不可逆转的伤害。
技术实现要素：
5.本发明提供一种mems光学级空腔盖板加工方法，旨在解决现有飞秒激光改性及hf湿法蚀刻制作光学级空腔盖板方法中存在的设备成本高，加工速度慢，尺寸形貌偏差大，型腔不透明，玻璃减薄，蚀刻工艺环保性差等问题。
6.本发明提供一种mems光学级空腔盖板加工方法，包括以下步骤：s1.选取所需尺寸的光学盖板，将表面清洗干净；s2.采用pvd工艺在光学盖板表面沉积金属膜；
s3.在光学盖板的一侧单面涂覆负性光刻胶；s4.将含有图样的盖板覆盖在光刻胶表面进行曝光、显影，露出图形化的金属层，s5.蚀刻金属膜制作掩膜板；s6.将高功率红外激光调制为空间结构光，辐照掩膜板表面，同时在z轴方向上升降，以使辐照后的光学盖板在z轴方向上发生连续性区域性改性；s7.采用湿法蚀刻将改性部分蚀刻至所需深度，通过控制辐照改性区深度及调整蚀刻时间以控制蚀刻深度；s8.使用除胶剂除去光刻胶，使用湿法蚀刻除去金属膜，即获得光学级空腔盖板。
7.作为本发明的进一步改进，所述步骤s1中，所需尺寸的光学盖板加工过程包括以下情形：将整片玻璃裁切而成单个待加工的光学盖板后，执行步骤s2至s8的工序；或先在整片玻璃上做空腔阵列，待执行步骤s2至s8的工序完成后，再裁切为单个成型的光学盖板。
8.作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中的曝光工艺包括以下情形：单片小批量加工时采用ldi激光直写工艺，或整片大批量加工时采用掩膜曝光工艺。
9.作为本发明的进一步改进，所述步骤s4中，显影的具体过程为：选用光刻胶用显影液显影，用定影液定影，并用去离子水将光学盖板漂洗干净。
10.作为本发明的进一步改进，所述步骤s5的蚀刻过程包括但不限于采用湿法蚀刻，干法蚀刻。
11.作为本发明的进一步改进，所述步骤s6中，使用高功率红外结构光，其调制方法及过程包括但不限于：高功率激光器发射内部平顶光激光光束，经反射镜反射后改变加工的方向，再通过复眼透镜调制为空间结构光。
12.作为本发明的进一步改进，所述步骤s6中，所述空间结构光由平顶光激光光束经过复眼透镜后发生衍射效应形成，空间结构光在工作距离位置汇聚形成聚焦平面，沿z轴方向辐照掩膜板表面时，聚焦平面从光学盖板表面向下移动，以使改性区域逐渐加深至所需深度。
13.作为本发明的进一步改进，所述步骤s7中，蚀刻改性部分的蚀刻液包括但不限于强碱溶液。
14.作为本发明的进一步改进，所述光学盖板的材质包含但不限于玻璃、石英、蓝宝石的透明脆性材质。
15.本发明的有益效果是：提出一种基于结构光区域选择性辐照改性，环保性碱液湿法蚀刻制作玻璃空腔盖板的方法，此方法设备成本低，加工速度快，尺寸形貌准确，型腔完全透明，工艺安全环保。
附图说明
16.图1是本发明mems光学级空腔盖板加工方法的工艺流程图；图2是本发明中构建空间结构光的机理示意图；图3是本发明中内部平顶光调制为空间结构光的机理示意图；图4是本发明中高斯光束和平顶光束的对比图；
图5是本发明现有技术中飞秒激光加hf湿法蚀刻制作光学级空腔盖板的微观结构图。
具体实施方式
17.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。
18.本发明公开了一种mems光学级空腔盖板加工方法，应用空间结构光45辐照玻璃盖板1使之区域改性，再利用改性区与非改性区蚀刻效率的显著差异，采用湿法蚀刻获得高透射率光学级空腔盖板的方法。如图1所示，其实施步骤如下。
19.s1.选取所需尺寸的玻璃盖板1，将表面清洗干净，如图1中
①
部分；玻璃盖板1可以为整片玻璃裁切而成单个待加工的相应尺寸，也可以先在整片玻璃上做空腔阵列，待所有工序完成后再裁切为单个成型的玻璃盖板1。
20.s2.采用pvd工艺在玻璃盖板1表面沉积金属膜2，金属膜2厚为0.5~1.5um，如图1中
②
部分，金属膜2可以为au、gr。
21.s3.在玻璃盖板1的一侧单面涂覆负性光刻胶3；涂覆厚度2~40um，如图1中
③
部分，负性光刻胶3可选用适于365nm或405nm紫外波段的光刻胶3。
22.s4.将含有图样的盖板覆盖在光刻胶3表面进行曝光、显影，露出图形化的金属层，如图1中
④
部分。批量生产可使用掩膜曝光工艺，或单件生产也可以使用ldi（laser direct imaging）工艺，选用2.38%的tham紫外光刻胶3用显影液显影，随后用定影液定影，并用去离子水将玻璃盖板1漂洗干净。
23.对于步骤s4中的2图形化曝光工艺，单片小批量加工时可采用ldi激光直写技术，或正片大批量加工时可采用掩膜曝光技术，曝光图形宽度范围5~500um。
24.s5.蚀刻金属膜制作mask，如图1中
⑤
部分。可选用湿法蚀刻，干法蚀刻如rie、icp、drie。但不限于湿法蚀刻和干法蚀刻两种方式，其他可以对金属层进行蚀刻的方式也适用于本方法。
25.其中，mask指掩膜板，用于曝光工艺图形化。
26.rie（reactive ion etching），反应离子蚀刻，一种微电子干法蚀刻工艺。
27.icp（inductively coupled plasma），即感应耦合等离子体刻蚀是微细加工技帆察术的重要组成部分。在集成光学哪升、光电子学、微机械系统(mems)、光子晶体等领态缓茄域都有广泛应用。
28.drie（deep reactive ion etching），是深反应离子刻蚀，是一种主要用于微机电系统的干法腐蚀工艺。
29.s6.将3000~5000瓦高功率红外激光调制为空间结构光45，辐照mask表面，同时在z轴方向上以3~50um/s的速度升降至略深于所需腔体深度，如图1中
⑥
部分，辐照后的玻璃盖板1在z轴方向上发生了连续性区域性改性，如图1中
⑦
部分，图1中
⑦
部分的阴影是为了清晰表达改性区域5范围，实际中改性区域的表观形态、色泽、透明度未发生任何变化，改性后的玻璃从肉眼上看与未改性部分一模一样。根据所选激光功率和加工材质的不同将结构光光斑调制成3
×
3mm或5
×
5mm或其他尺寸，功率密度最大可达50kw/cm2。不同材质，不同厚度玻璃，激光辐照时长不同。
30.s7.采用湿法蚀刻将改性部分蚀刻至所需深度，蚀刻深度通过控制辐照改性区深度及调整蚀刻时间决定，蚀刻时间越久，蚀刻的深度越深，如图1中
⑧
部分。
31.s8.使用除胶剂除胶，使用湿法蚀刻除去金属镀层，即可获得光学级空腔盖板，见图1中
⑨
部分。
32.本方法所加工的光学盖板不局限于玻璃盖板1，所应用的材质还可以包含但不限于石英、蓝宝石等透明脆性材质。
33.与飞秒激光实现玻璃改性机理不同，本发明步骤s6采用在激光器外部构建空间结构光45，通过结构光形成的聚焦平面46上下移动实现玻璃盖板1选择性区域改性，经过复眼透镜44充分衍射所构建的平顶空间结构光45，在聚焦平面46内的功率密度大，能量均匀分布，因此加工速度快可提高几十倍。辐照改性为空间连续结构，不会产生如高斯光单点辐照的锥坑形态，改性区域在外观上与玻璃材质并无明显差别，因此蚀刻后的空腔完全透明。构建空间结构光45的机理如下。
34.如图2所示，高功率激光器41发射内部平顶光激光光束42，经反射镜43反射后改变为适宜加工的方向，方形内部平顶光通过复眼透镜44（或doe元件）调制为空间结构光45，空间结构光45辐照空腔盖板，在mask的遮挡下，只有图形化部分会透过空间结构光45，玻璃盖板1内部将沿激光传导方向发生区域改性。
35.高功率激光器41功率范围为3000~5000w，波段为1064
±
10nm，光束模式为内部平顶光。所谓平顶光（th）是与高斯光相对应的概念，是一种强度和能量密度分布平整且均匀的光束，边缘尖锐，能量迅速下降至零。平顶光束的形状可以是正方形、矩形、直线、圆形或其他任何形状，如图4所示，图左侧为高斯光束，图右侧为平顶光束。
36.反射镜43镀45度全反射膜，1064nm激光反射率为99.99%，镜片材质为sic，并设计内部水冷结构。
37.复眼透镜44为矩形复眼矩阵，材质为石英或液晶doe元件，复眼单元尺寸为100
×
100nm-5
×
5um
±
5%的正方形阵列，若有特殊需求亦可做成矩形，复眼透镜44工作距离wd为20~30mm，焦深为3~50um，厚度≧100um，上下表面镀红外增透膜。
38.复眼单元相当于一套组合透镜阵列，单元尺寸被加工成λ/4-λ，其中λ为激光波长，由于复眼单元的物理尺寸小于等于激光波长，方形内部平顶光经过复眼透镜44后将发生衍射效应，部分平顶光经过复眼单元相邻间隙时，也会发生衍射，进而被调制成空间结构光45，空间结构光45在工作距离wd位置汇聚形成焦深为3~5um的聚焦平面46，该范围内的激光能量密度高达50kw/cm2，辐照玻璃时能够产生区域改性，聚焦平面46从玻璃表面向下移动，改性区域逐渐加深至所需深度，如图3所示。
39.步骤s7中，蚀刻改性部分的蚀刻液为强碱溶液。根据ost eastern switzerland university of applied sciences, buchs, switzerland 发表的文章laser-assisted etching of borosilicate glass in potassium hydroxide研究表明：采用koh溶液蚀刻经过激光选择性区域辐照后的玻璃，辐照区域比未辐照区有更快的蚀刻效率，蚀刻具有显著的各向异性，用此方法完成改性区域蚀刻不但效率高，而且对玻璃本体的损伤极小。强碱作为蚀刻液的一种实施方式，但不局限于强碱溶液蚀刻方式，其他能对玻璃进行蚀刻的溶液也适用于本发明的蚀刻液。
40.玻璃的主要化学组成为：sio270-73%，na2o 13~15%，gao、al2o3，mgo总共为14~20%，
另外含有微量的fe2o3约0.1%，以上比例为摩尔含量百分比，以koh作为蚀刻液为例，蚀刻的化学反应方程为：sio2 2koh==k2sio3 h2o，其中k2sio3为水溶性物质，与hf湿法蚀刻相比，所用的化学试剂及化学反应中间产物具有无毒性，污染小，安全环保的特点。
41.蚀刻过程所用的koh溶液浓度优选为8.5
±
0.5mol/l，蚀刻控制的温度范围为80
±
3℃，本发明在此研究报告的基础上增加超声波辅助蚀刻，超声波辅助蚀刻的频率范围为20khz~100khz，蚀刻效率为30~50um/h，进一步提升了蚀刻效率。
42.本发明所采用的结构光选择性辐照湿法蚀刻制作mems光学级空腔盖板，与现有技术相比具有如下优点：1）所用设备成本低，结构简单，易于调整。
43.2）采用曝光图形化工艺制作掩膜，最小特征尺寸可以做到5um以下，掩膜可以做出形状尺寸精确的型腔结构，并对结构光辐照起到良好的遮挡作用，因此改性区域形状准确。结构光改性对蚀刻方向具有强烈的引导效果，改性区的蚀刻效率显著高于玻璃本身，与hf溶液蚀刻相比，首先是蚀刻后形状精确度大为提升，其次是型腔侧壁可以做到几乎完全垂直，再次是由于激光改性界面光滑，蚀刻后腔体完全透明，更利于光信号传输，最后是蚀刻对本体的减薄较小，可以获得质量更高的光学级空腔盖板。
44.3）激光加工部分的效率比现有的逐点扫描工艺提高十倍以上，尤其是尺寸较大的空腔加工效率提升更为显著，易于实现产品批量化、规模化，从而降低制造成本。
45.4）由于逐点扫描方式的点阵间仍有较大的空隙，改性区呈现为雾状不连续，而结构光辐照实现了改性区域连续性，因此蚀刻效率也有了显著提升，蚀刻表面更光洁，实现了型腔几乎完全透明效果。
46.5）蚀刻液及化学反应中间产物无毒副作用，安全环保。
47.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。