專利名稱：輻射傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器例如紅外線傳感器。
背景技術(shù)：
典型的紅外線傳感器包括通過半導(dǎo)體工藝在硅中形成的熱堆
(thermopile)。見美國專利No. 6987223，該文獻(xiàn)被本文參引。熱堆 粘在基座上，然后由TO型罐或封裝件來覆蓋。TO罐的蓋進(jìn)行穿孔，以 便產(chǎn)生開口，該開口再由窗口或?yàn)V光器來覆蓋，該窗口或?yàn)V光器安裝 在該TO罐蓋上并處于該開口上。TO封裝件用于使熱堆保持在受控環(huán)境 中，在罐中的氣體的熱導(dǎo)率的變化將改變傳感器的響應(yīng)。因此，T0罐 通常充裝有干的惰性氣體或形成真空。所形成的封裝件允許紅外線輻 射通過濾光器進(jìn)入，同時(shí)保護(hù)紅外線傳感器或熱堆不受環(huán)境變化影 響。
為了制造這樣的傳感器，使用半導(dǎo)體工藝來制造熱堆。然后，將 熱堆從半導(dǎo)體制造區(qū)域取出.然后制備T0罐，該蓋裝配有濾光器，熱 堆接合至該基座上，進(jìn)行所需的電連接，且將該罐焊接在基座上。結(jié) 果是，該過程通常需要大量人工。使用的TO罐封裝件并不導(dǎo)電，所以 不能與現(xiàn)代自動(dòng)線路板裝配設(shè)備一起布置。還有，TO罐封裝技術(shù)明顯 增加了傳感器的尺寸，并增加了成本，且并沒有明顯增加價(jià)值。最后， TO罐封裝系統(tǒng)并不總是氣密密封，包容在TO罐中的氣體內(nèi)容物可以在 經(jīng)過一定時(shí)間后變化，從而對(duì)熱堆的性能產(chǎn)生不利影響。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種完整的傳感器，它能夠完全 利用半導(dǎo)體工藝來制造。不需要T0型罐。該方法在熱堆周圍產(chǎn)生更好
的氣密密封環(huán)境。該方法降低了與傳感器制造相關(guān)的人工量.該傳感 器可以制造得更小并且以更低成本制造。
本發(fā)明由于認(rèn)識(shí)到通過消除現(xiàn)有技術(shù)的TO罐并提供利用半導(dǎo)體制
造技術(shù)制造的封裝件，可以形成更好、更低成本的傳感器，其中，井
形成(通常是蝕刻形成)于基底(通常為硅)中，該基底將接合在熱 堆的基底上。
不過，在其它實(shí)施例中，本發(fā)明并不需要實(shí)現(xiàn)所有這些目的，且 本發(fā)明的權(quán)利要求并不局限于能夠?qū)崿F(xiàn)這些目的的結(jié)構(gòu)或方法。
本發(fā)明的特征是一種制造輻射傳感器的方法。在一個(gè)晶片上形成 多個(gè)熱堆。在另一晶片中形成多個(gè)用于熱堆的封裝件，各封裝件包括
井，該井由窗口覆蓋。因?yàn)楣枋翘烊坏腎R透射材料，因此該硅晶片可 以用作窗口，且它的IR透射可以通過使用合適的防反射涂層而進(jìn)一步 提高。將這些晶片在受控氣體或真空環(huán)境中接合，使得各熱堆處于井 中并處于封裝件的窗口下面。
通常，各封裝件的井通過蝕刻晶片而形成。KOH蝕刻劑可以用于產(chǎn) 生具有傾斜側(cè)邊的井。也可選擇，深反應(yīng)離子蝕刻處理(DRIE)可以 用于產(chǎn)生平行側(cè)邊的井.該窗口通常用作濾光器，且在一個(gè)變化形式 中是與波長相關(guān)的濾光器。在一個(gè)示例中，該窗口接合在井上。在另 一示例中，窗口與井成一體，并通過僅僅部分蝕刻至晶片中來制造。
可以將這些晶片彼此接合，然后切塊以便制成各個(gè)輻射傳感器。 在將包括多個(gè)熱堆的晶片與包括多個(gè)封裝件的晶片接合在一起之前或 之后，可以將另一晶片接合至該包括多個(gè)熱堆的晶片上，
根據(jù)本發(fā)明制造輻射傳感器的一個(gè)方法的特征是形成熱堆，形成 用于熱堆的封裝件，該封裝件包括形成于半導(dǎo)體材料中的井，該井由 窗口覆蓋，然后在受控氣體或真空環(huán)境中將封裝件接合至熱堆.
本發(fā)明的輻射傳感器包括熱堆；用于熱堆的封裝件，該封裝件 包括在熱堆上面的井和覆蓋該井的窗口，該井形成于半導(dǎo)體材料中； 以及在井中的受控氣體或真空。
通常，該半導(dǎo)體材料是硅，且該井是被蝕刻出的。該典型窗口用 作濾光器。在一種變化形式中，該輻射傳感器也可以包括在熱堆下面 的晶片，和/或用于熱堆的封裝件可以包括孔。
在一個(gè)示例中，窗口是接合至該井的單獨(dú)部件。在另一示例中， 窗口與井成一體，并通過僅僅部分蝕刻該硅基底而形成。該井可以有
傾斜或直的側(cè)邊。


本領(lǐng)域技術(shù)人員通過下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的說明和附圖將清楚其它
特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中
圖1是典型現(xiàn)有技術(shù)的紅外線傳感器T0罐封裝件的示意三維正視
圖2是表示裝入圖1所示的封裝件內(nèi)的典型熱堆結(jié)構(gòu)的示意剖視正 視圖3A- 3C是表示一個(gè)實(shí)施例的示意局部剖視圖，表示了晶片能夠 怎樣根據(jù)本發(fā)明來處理以便生成半導(dǎo)體型傳感器封裝件。
圖4是表示一個(gè)實(shí)施例的高度示意圖，表示了包含蝕刻井傳感器封 裝件的晶片能夠怎樣根據(jù)本發(fā)明接合在包含熱堆的晶片上，該熱堆處 于受控惰性氣體或真空環(huán)境中；
圖5是表示根據(jù)本發(fā)明制造的整個(gè)紅外線傳感器的一個(gè)示例的示 意正剖圖6A - 6B是表示晶片能夠怎樣根據(jù)本發(fā)明另 一 實(shí)施例進(jìn)行處理以 便制造具有成一體的濾光器/窗口的半導(dǎo)體型傳感器封裝件的示意局 部剖視圖7是表示根據(jù)本發(fā)明制造的整個(gè)紅外線傳感器的另一示例的示 意正剖圖8是表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的掩模的示意局部剖視圖9是表示根據(jù)本發(fā)明制造的整個(gè)紅外線傳感器的另一示例的示 意正剖圖；以及
圖10表示了根據(jù)本發(fā)明還一 實(shí)施例的紅外線傳感器，
具體實(shí)施例方式
除了下面所述的優(yōu)選實(shí)施例，本發(fā)明還可以有其它實(shí)施例或以不 同方式來實(shí)施。因此，應(yīng)當(dāng)知道，本發(fā)明并不局限于在下面的說明書 中所述或在附圖中所示的部件的結(jié)構(gòu)和布置方式的詳細(xì)情況。當(dāng)這里 只介紹一個(gè)實(shí)施例時(shí)，權(quán)利要求并不局限于該實(shí)施例。而且，權(quán)利要 求并不是限制性地理解，除非有清楚和令人信服的證據(jù)來證明特定排 除、限制或放棄。
圖1表示了現(xiàn)有技術(shù)的紅外線傳感器10，該紅外線傳感器10包括焊接在基座14上的T0罐12。 T0罐12的蓋18包括安裝在其上的濾光器16， 該濾光器16處于蓋18的開口上。基座14上的罐12的內(nèi)部有熱堆結(jié)構(gòu) 20，如圖2所示，熱堆20的結(jié)構(gòu)可以是多樣的，但是它通常包括熱元件 22a和22b、隔膜或膜24 (例如電介質(zhì)層、p-硅層以及其它材料層)以 及硅散熱器26，該硅散熱器26形成冷端28a和28b，并用吸收器32形成 熱端30.
本發(fā)明不需要通常用于紅外線傳感器和其它傳感器的TO罐型封裝 件.而是，在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，半導(dǎo)體(通常為硅晶片基底40，圖 3A)如在41處所示那樣被掩模，然后被蝕刻(如圖3B所示)以產(chǎn)生井 42.當(dāng)使用KOH蝕刻工藝時(shí)，可以形成斜井壁42a、 42b?；蛘咭部蛇x擇， 可以使用深反應(yīng)離子蝕刻(DRIE)來產(chǎn)生直井壁。然后，例如利用硅 接合技術(shù)將濾光器46接合在井42上(圖3C)。多種濾光器為本領(lǐng)域技 術(shù)人員已知，包括由硅、藍(lán)寶石和其它材料制造的與波長相關(guān)的濾光 器以及寬帶通和窄帶通濾光器。
然后，包含多個(gè)這樣形成的封裝件的晶片50接合在晶片52上，該 晶片52被處理成包括類似數(shù)目的如圖2中所示的熱堆。通過在受控氣體 環(huán)境54中(或者可選擇在真空中)接合這兩個(gè)晶片，結(jié)果是在切塊后 在井42中有受控氣體(圖5)，且在封裝件60和熱堆結(jié)構(gòu)20之間形成氣 密密封。
在該示例中，硅用作優(yōu)選的傳感器封裝材料，但是在半導(dǎo)體行業(yè) 和半導(dǎo)體處理技術(shù)中通常使用的其它材料也是合適的。因此，對(duì)于措 辭"半導(dǎo)體材料"，我們意指那些通常在半導(dǎo)體行業(yè)中使用的材料， 包括在制造微機(jī)電結(jié)構(gòu)中使用的材料。在一種變化形式中，在這兩個(gè) 晶片接合之前或之后，可以將基座64 (例如另一晶片或印刷線路板) 添加至該傳感器，且可以根據(jù)需要形成相關(guān)布線、引線以及插針或其 它電連接件.基座64可以用作安裝表面，且當(dāng)為晶片時(shí)，它可以通過 在如上所述的受控氣體環(huán)境或真空中進(jìn)行接合而被密封。通常，空腔 42越深，所形成的熱堆更靈敏。然后，可以利用芯片尺度封裝技術(shù)將 該傳感器封裝在標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體封裝件或集成在電路中。
結(jié)果是，整個(gè)傳感器利用半導(dǎo)體工藝來制造，而不需要TO型罐， 并減少了與制造傳感器相關(guān)的人工量。熱堆周圍的氣密密封更好，從 而有更好的可靠性.而且，傳感器更小，且當(dāng)大規(guī)模制造時(shí)，傳感器 可以以更小的成本來制造。
在另一變化形式中，半導(dǎo)體材料40 (圖6A)如在41處所示那樣被 掩模，然后如圖6B中所示那樣被部分蝕刻，以便產(chǎn)生井42'以及成一體 的窗口/濾光器46'。合適的蝕刻控制技術(shù)為本領(lǐng)域技術(shù)人員已知，以 便制造合適厚度的窗口 /濾光器46'。
然后，如上所述，包含多個(gè)這樣形成的封裝件的晶片接合在被處 理成包括類似數(shù)目的熱堆(如圖2中所示)的晶片上。通過在受控氣體 環(huán)境中(或者可選擇在真空中)接合這兩個(gè)晶片，結(jié)果是在切塊后在 井42'中有受控氣體(圖7)，且在封裝件6(T和熱堆結(jié)構(gòu)20之間形成氣 密密封。這時(shí)，封裝件6(K包括成一體的窗口/濾光器46人當(dāng)硅并不是 優(yōu)選的濾光器材料時(shí)，可以在需要時(shí)對(duì)濾光器46'進(jìn)行涂覆。
在另一實(shí)施例中，半導(dǎo)體材料40 (圖8)如在"'處那樣被掩模， 然后被蝕刻以便形成硅杯(如圖所示)或孔(未示出)80 (圖9)，用 于例如最終布置接觸焊點(diǎn)(contact pad) 82。
在圖10所示的還一實(shí)施例中，用于熱堆20的硅基座26'是通過利用 例如K0H或DRIE技術(shù)在晶片92中蝕刻出第一蝕刻空腔90而形成。第二晶 片接合至第一晶片92，且第二晶片的大部分被蝕刻掉，以便留下薄隔 膜24'。熱堆20和相關(guān)電連接件形成于隔膜層24'上.最后，例如如上 所述在圖8中形成的半導(dǎo)體材料杯40在薄隔膜2^和熱堆20上面接合至 第一層90的硅基座26'上。在隔膜24'以上述方式接合在硅基座26'上之 后，杯40接合在薄隔膜24'上，以便捕獲受控氣體環(huán)境或在熱堆20周閨 形成真空。
盡管本發(fā)明的特定特征在一些圖中表示而在另一些圖中沒有表 示，但是這只是為了方便，因?yàn)楦魈卣骺梢愿鶕?jù)本發(fā)明與任意或全部 其它特征組合。這里使用的詞"包括"、"包含，，、"有，，和"具有" 將進(jìn)行廣義和廣泛地解釋，且并不限制任何物理相互連接。而且，在
本申請(qǐng)中所述的任何實(shí)施例都只是可能實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員將知 道其它實(shí)施例，且這些其它實(shí)施例也在下面的權(quán)利要求內(nèi)。
這里的說明書利用示例來介紹了本發(fā)明，包括最佳方式，并使得 本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要 求來確定，并可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的其它示例，當(dāng)這些其它 示例的結(jié)構(gòu)元件與權(quán)利要求的文字語言沒有區(qū)別，或者當(dāng)它們包括等
效的結(jié)構(gòu)元件且與權(quán)利要求的文字語言沒有實(shí)質(zhì)上的區(qū)別時(shí)，這些其 它示例將在權(quán)利要求的范圍內(nèi)，
另外，在實(shí)施本專利申請(qǐng)的過程中進(jìn)行的任何改進(jìn)都不能否認(rèn)在
本申請(qǐng)中的任何權(quán)利要求要素本領(lǐng)域技術(shù)人員不能合理地預(yù)期使得 權(quán)利要求將在字面上包含所有可能等效物，很多等效物將在改進(jìn)時(shí)不 可預(yù)計(jì)，并將超越對(duì)所包圍的范圍的解釋，改進(jìn)的基本原理可以并不 與然后等效物為相切關(guān)系，和/或有很多申請(qǐng)人不能預(yù)計(jì)的其它原因來 說明任何權(quán)利要求要素改進(jìn)的非實(shí)質(zhì)替代，
權(quán)利要求
1.一種制造輻射傳感器的方法，該方法包括在一個(gè)晶片上形成多個(gè)熱堆；在另一晶片中形成多個(gè)用于熱堆的封裝件，各封裝件包括形成的井，該井由窗口覆蓋；將這些晶片在受控氣體或真空環(huán)境中接合，使得各熱堆處于井中并處于封裝件的窗口下面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中各封裝件的井通過蝕刻晶 片而形成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中窗口包括與波長相關(guān)的濾 光器。
4. 一種制造輻射傳感器的方法，該方法包括 形成熱堆；形成用于熱堆的封裝件，該封裝件包括形成于半導(dǎo)體材料中的 井，該井由窗口覆蓋；以及在受控氣體或真空環(huán)境中將封裝件接合至熱堆。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中井在硅基底中蝕刻出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，還包括將晶片接合至熱堆。
7. —種輻射傳感器包括熱堆；用于熱堆的封裝件，該封裝件包括在熱堆上面的井和覆蓋該井的 窗口，該井形成于半導(dǎo)體材料中；以及 在井中的受控氣體或真空。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中該半導(dǎo)體材料是硅。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，其中該封裝件包括用于接觸 焊點(diǎn)的孔。
10. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的傳感器，還包括在熱堆上面的晶片。
全文摘要
一種制造輻射傳感器的方法，其中，在一個(gè)晶片上形成多個(gè)熱堆，在另一晶片中形成多個(gè)用于熱堆的封裝件。各封裝件包括形成的井，該井由窗口覆蓋。這兩個(gè)晶片在受控氣體或真空環(huán)境中接合，使得各熱堆處于井中并在封裝件的窗口下面。
文檔編號(hào)G01K7/02GK101196423SQ20071019667
公開日2008年6月11日 申請(qǐng)日期2007年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月4日
發(fā)明者P·J·斯特勞布, R·特威尼, T·J·克雷爾納 申請(qǐng)人:通用電氣公司