專利名稱：一種晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種紅外焦平面陣列器件及制備方法，尤其是一種晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件及其制造方法，屬于半導(dǎo)體器件的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
紅外成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、森林防火、環(huán)境保護(hù)等各領(lǐng)域， 其核心部件是紅外焦平面陣列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)。根據(jù)紅外焦平面陣列的工作原理可分為光子型紅外探測(cè)器和非制冷紅外探測(cè)器。光子型紅外探測(cè)器采用窄禁帶半導(dǎo)體材料，如HgCdTe、InSb等，利用光電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換；因而需要工作在77K或更低的溫度下，這就需要笨重而又復(fù)雜的制冷設(shè)備，難以小型化，攜帶不方便。另一方面，HgCdTe和InSb等材料價(jià)格昂貴、制備困難，且與CMOS工藝不兼容，所以光子型紅外探測(cè)器的價(jià)格一直居高不下。這些都極大地阻礙了紅外攝像機(jī)的廣泛應(yīng)用， 特別是在民用方面，迫切需要開(kāi)發(fā)一種性能適中、價(jià)格低廉的新型紅外攝像機(jī)。非制冷熱型紅外探測(cè)器通過(guò)紅外探測(cè)單元吸收紅外線，紅外能量引起紅外探測(cè)單元的電學(xué)特性發(fā)生變化，把紅外能量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)讀出電路讀取該信號(hào)并進(jìn)行處理中國(guó)專利ZL200510011988. 2公開(kāi)了一種《單層雙材料微懸臂梁熱隔離焦平面陣列的制作方法》，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)的制造方法得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)，如其內(nèi)的附圖2-16所示。這種結(jié)構(gòu)的焦平面陣列紅外吸收效率低，器件性能較差，制造工藝復(fù)雜，會(huì)使得制造成本較高， 不利于紅外焦平面陣列器件的推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件及其制造方法，其結(jié)構(gòu)緊湊，與IC工藝相兼容，檢測(cè)精度高，制造方便。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，包括第一襯底及位于所述第一襯底下方的第二襯底；所述第一襯底內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)凹槽，在所述凹槽的內(nèi)壁及第一襯底表面覆蓋有工藝阻擋層；在所述凹槽的槽口設(shè)有共振吸收結(jié)構(gòu)，所述共振吸收結(jié)構(gòu)包括紅外吸收層及位于所述紅外吸收層下方的反射層，所述反射層鄰近第二襯底，且紅外吸收層與反射層間設(shè)置折射介質(zhì)層；在共振吸收結(jié)構(gòu)的外圈依次設(shè)置形變梁、 絕熱梁、散熱架體及吸氣劑；散熱架體通過(guò)絕熱梁、形變梁與共振吸收結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)連接配合； 在所述吸氣劑的外圈設(shè)置第一襯底焊料，所述第一襯底焊料與第二襯底上的第二襯底焊料相對(duì)應(yīng)，且第一襯底與第二襯底通過(guò)第一襯底焊料及第二襯底焊料真空焊接固定連成一體。所述共振吸收結(jié)構(gòu)、絕熱梁及形變梁位于凹槽的槽口，以使得第一襯底內(nèi)的凹槽形成空腔；散熱架體位于凹槽槽口外圈的工藝阻擋層上。所述第一襯底對(duì)應(yīng)與第二襯底相連的另一側(cè)表面覆蓋有抗反射層。在抗反射層與第一襯底間設(shè)有微透鏡，所述微透鏡位于凹槽的正上方。
所述微透鏡包括半凸透鏡或菲涅耳透鏡。所述第一襯底的材料為單晶硅、Ge、GaAs或GeSi ;第二襯底的材料包括透光玻璃。所述紅外吸收層的材料包括Ti或TiN;反射層的材料包括Al、Ti、TiN或Au。一種晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件制造方法，所述紅外焦平面陣列器件制造方法包括如下步驟
a、提供第一襯底，并在第一襯底內(nèi)刻蝕得到所需的凹槽；
b、在上述第一襯底上淀積工藝阻擋層，所述工藝阻擋層覆蓋凹槽的內(nèi)壁及底部，并覆蓋在第一襯底相對(duì)應(yīng)的表面；
C、在上述第一襯底上淀積埋層犧牲層，并去除第一襯底上相對(duì)應(yīng)的埋層犧牲層，得到填充在凹槽內(nèi)的埋層犧牲層；
d、在第一襯底對(duì)應(yīng)設(shè)置埋層犧牲層的表面上濺射紅外吸收層材料，并通過(guò)光刻、刻蝕紅外吸收層材料得到位于凹槽槽口的紅外吸收層；
e、在上述第一襯底的表面上通過(guò)PECVD淀積氧化層 ，選擇性地掩蔽和刻蝕氧化層，得到位于紅外吸收層上的折射介質(zhì)層，以及位于紅外吸收層外圈的第一膜層與第一膜層外圈的絕熱梁；
f、在上述第一襯底的表面通過(guò)濺射金屬材料層，選擇性地掩蔽和刻蝕金屬材料層，得到位于折射介質(zhì)層上的反射層，以及第一膜層上的第二膜層與第二膜層外圈的散熱架體， 第一膜層與第二膜層形成形變梁，散熱架體位于凹槽外圈的工藝阻擋層上；
g、在上述第一襯底的表面上設(shè)置吸氣劑，所述吸氣劑位于工藝阻擋層上，并位于散熱架體的外圈；
h、在上述第一襯底的表面上設(shè)置第一襯底焊料，所述第一襯底焊料位于吸氣劑的外
圈；
i、對(duì)上述第一襯底對(duì)應(yīng)設(shè)置第一襯底焊料的另一表面進(jìn)行減薄至所需的厚度，并在減薄后的表面設(shè)置抗反射層，所述抗反射層覆蓋于第一襯底相對(duì)應(yīng)的表面；
j、采用氣相腐蝕方法腐蝕凹槽內(nèi)的埋層犧牲層，以在第一襯底內(nèi)形成所需的空腔； k、提供第二襯底，并在第二襯底上對(duì)應(yīng)的表面設(shè)置第二襯底焊料；
I、第二襯底上的第二襯底焊料與第一襯底上的第一襯底焊料通過(guò)真空鍵合焊接，以使得第一襯底與第二襯底連接成一體。所述埋層犧牲層為多晶硅或非晶硅。所述步驟i中，在第一襯底減薄后的表面上設(shè)置微透鏡，所述微透鏡位于凹槽槽口的正上方；抗反射層覆蓋于微透鏡及第一襯底相對(duì)應(yīng)的表面上。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)第一襯底內(nèi)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)空腔，每個(gè)空腔均對(duì)應(yīng)設(shè)置共振吸收結(jié)構(gòu)，并使得共振吸收結(jié)構(gòu)懸空；共振吸收結(jié)構(gòu)的外圈通過(guò)形變梁、絕熱梁與散熱架體相連，散熱架體的外圈設(shè)置吸氣劑，保證空腔的真空度；第一襯底與第二襯底通過(guò)真空鍵合連接，形成真空密閉結(jié)構(gòu)；第一襯底的背面通過(guò)抗反射層及微透鏡提高對(duì)紅外線的聚集與吸收，提高器件的性能；共振吸收結(jié)構(gòu)能提高對(duì)紅外能量的吸收，形變梁的偏轉(zhuǎn)能驅(qū)動(dòng)共振吸收結(jié)構(gòu)跟隨偏轉(zhuǎn)，通過(guò)反射層對(duì)可見(jiàn)光的反射角度能檢測(cè)紅外線的能量，結(jié)構(gòu)緊湊，與IC 工藝相兼容，檢測(cè)精度高，制造方便。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明具有多個(gè)空腔的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明具有微透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明具有多個(gè)空腔與多個(gè)微透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5 圖10為本發(fā)明的具體實(shí)施工藝剖視圖，其中
圖5為在第一襯底內(nèi)得到埋層犧牲層后的剖視圖。圖6為在第一襯底上得到共振吸收結(jié)構(gòu)域散熱架體的剖視圖。圖7為得到第一襯底焊料后的剖視圖。圖8為去除埋層犧牲層后的剖視圖。圖9為本發(fā)明在第二襯底上得到第二襯底焊料后的剖視圖。圖10為本發(fā)明通過(guò)第二襯底焊料與第一襯底焊料真空鍵合焊接連接成一體后的剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖廣圖10所示本發(fā)明包括第一襯底101、埋層犧牲層102、工藝阻擋層103、 紅外吸收層104、絕熱梁105、形變梁106、折射介質(zhì)層107、散熱架體108、反射層109、抗反射層110、吸氣劑111、第一襯底焊料112、空腔113、微透鏡114、第二襯底201及第二襯底焊料 202。如圖I和圖10所示本發(fā)明包括第一襯底101及位于所述第一襯底101下方的第二襯底201，第一襯底101的材料包括單晶硅、Ge、GaAs或GeSi ;第一襯底101內(nèi)凹設(shè)有凹槽，圖I和圖10中顯示了第一襯底101內(nèi)設(shè)置一個(gè)凹槽的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，凹槽的槽口朝向第二襯底201。當(dāng)在第一襯底101內(nèi)形成凹槽后，在第一襯底101的表面淀積工藝阻擋層103，同時(shí)工藝阻擋層103會(huì)覆蓋于凹槽的內(nèi)壁及底部；工藝阻擋層103的的材料為氧化硅、氮氧化硅、ZnS、MgF2中的一種或幾種。在凹槽的槽口設(shè)有共振吸收結(jié)構(gòu),所述共振吸收結(jié)構(gòu)包括位于槽口位置的紅外吸收層104及位于所述紅外吸收層104下方的反射層109，即反射層109鄰近第二襯底201。 在紅外吸收層104與反射層109間設(shè)有折射介質(zhì)層107，從而紅外吸收層104與反射層109 通過(guò)折射介質(zhì)層107形成共振結(jié)構(gòu)，紅外吸收層104的材料包括Ti或TiN ;反射層109的材料包括Al、Ti、TiN或Au，折射介質(zhì)層107的材料為氧化硅或氮化硅等折射率較大的材料； 當(dāng)紅外線從第一襯底101的上方射入時(shí)，紅外線先被紅外吸收層104吸收，經(jīng)過(guò)折射介質(zhì)層 107折射后由反射層109反射，通過(guò)折射介質(zhì)層107折射及反射層109反射后，紅外線能夠在紅外吸收層104與反射層109間的共振腔內(nèi)被紅外吸收層104多次吸收，從而提高了紅外線的吸收效率。在共振吸收結(jié)構(gòu)的外圈依次設(shè)置形變梁106、絕熱梁105、散熱架體108及吸氣劑 111，即形變梁106位于共振吸收結(jié)構(gòu)的外圈，絕熱梁105位于形變梁106的外圈，散熱架體 108位于絕熱梁105的外圈，吸氣劑111位于散熱架體108的外圈；形變梁106通過(guò)氧化硅或氮化硅與共振吸收結(jié)構(gòu)相連，絕熱梁105也通過(guò)氧化硅或氮化硅與形變梁106、散熱架體108相連；散熱架體108采用金屬材料制成，散熱架體108的厚度及材料可以與反射層109 相同，散熱架體108位于槽口外側(cè)的工藝阻擋層103上。形變梁106是一個(gè)復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，由兩類熱膨脹系數(shù)差異比較大的材料組成，即形變梁106具有第一膜層及位于所述第一膜層上的第二膜層，第二膜層鄰近第二襯底201 ;第一膜層的材料為氧化娃、氮化娃、TiN中的一種或幾種，第二膜層的材料包括Al、Au、Ti、TiN ;一般地，第一膜層與絕熱梁105、折射介質(zhì)層107為同一制造層，第二膜層與散熱架體108及反射層109為同一制造層。絕熱梁105 的材料為氧化硅、氮氧化硅、氮化硅、TiN中的一種或幾種。當(dāng)共振吸收結(jié)構(gòu)吸收紅外熱量后，通過(guò)形變梁106及絕熱梁105傳遞到散熱架體 108上，通過(guò)散熱架體108進(jìn)行熱量的釋放，絕熱梁105的材料能夠保證共振吸收結(jié)構(gòu)吸收的熱量不會(huì)快速傳遞到散熱架體108上，從而能夠延長(zhǎng)紅外線檢測(cè)時(shí)間。吸氣劑111的材料為Ti、Ni、Pa、Zr、Fe中的一種或幾種；共振吸收結(jié)構(gòu)、形變梁106及絕熱梁105與第一襯底101內(nèi)凹槽對(duì)應(yīng)配合，從而在第一襯底101內(nèi)形成空腔113 ;吸氣劑111能保證空腔113 內(nèi)的真空度。在吸氣劑111的外圈設(shè)有第一襯底焊料112，所述第一襯底焊料112的材料為 Cu、Al、Ti、Ni中的一種或幾種，第一襯底焊料112與第二襯底201上的第二襯底焊料202 相對(duì)應(yīng)分布，從而當(dāng)?shù)谝灰r底焊料 112與第二襯底焊料202通過(guò)真空鍵合焊接后，能夠?qū)⒌谝灰r底101與第二襯底201相互連接成整體，第二襯底201采用透光玻璃制成。第二襯底 201能夠透過(guò)可見(jiàn)光，可見(jiàn)光通過(guò)反射層109反射，通過(guò)檢測(cè)可見(jiàn)光的反射角度能夠檢測(cè)紅外線的能量大小。在第一襯底101對(duì)應(yīng)與第二襯底201相對(duì)應(yīng)配合的另一側(cè)表面覆蓋有抗反射層 110，所述抗反射層110的材料為ZnS、MgF2中的一種或兩種。通過(guò)抗反射層110能夠最大攝取照射在第一襯底101上的紅外線。如圖2所示為本發(fā)明第一襯底101內(nèi)設(shè)置兩個(gè)均勻分布的凹槽的結(jié)構(gòu)示意圖。 當(dāng)?shù)谝灰r底101內(nèi)設(shè)置兩個(gè)凹槽時(shí)，在每個(gè)凹槽的槽口均設(shè)置共振吸收結(jié)構(gòu)，凹槽內(nèi)均覆蓋工藝阻擋層103 ;相鄰的凹槽的外側(cè)設(shè)置通過(guò)共同的散熱架體108相連；共振吸收結(jié)構(gòu)及外圈的形變梁106、絕熱梁105與對(duì)應(yīng)的凹槽在第一襯底101內(nèi)形成相應(yīng)的空腔113，從而能夠形成紅外焦平面器件陣列。如圖3所示，為本發(fā)明在第一襯底101上設(shè)置微透鏡114的結(jié)構(gòu)示意圖。具體地， 在抗反射層Iio與第一襯底101間還可以設(shè)置微透鏡114，所述微透鏡114位于空腔113的正上方，微透鏡114包括半凸透鏡或菲涅耳透鏡；抗反射層110覆蓋于微透鏡114上，通過(guò)抗反射層110與微透鏡114能增強(qiáng)紅外的聚集與吸收，提高紅外焦平面陣列器件的性能。圖 3的其余結(jié)構(gòu)與圖I的結(jié)構(gòu)相同，可以參照上述描述，此處不再詳述。如圖4所示為本發(fā)明同時(shí)具有多個(gè)空腔113及微透鏡114的結(jié)構(gòu)示意圖。微透鏡114位于每個(gè)空腔113的正上方，通過(guò)微透鏡114的聚集作用，能夠使得紅外線能夠聚焦在共振吸收結(jié)構(gòu)上，提高共振吸收結(jié)構(gòu)的吸收效率。圖4中其余結(jié)構(gòu)可以參考圖I、圖2和圖3的敘述。如圖5 圖10所示上述結(jié)構(gòu)的紅外焦平面陣列器件，可以通過(guò)下述工藝步驟實(shí)現(xiàn)，具體地
a、提供第一襯底101，并在第一襯底101內(nèi)刻蝕得到所需的凹槽；
本發(fā)明實(shí)施例中，第一襯底101以采用單晶硅為例進(jìn)行說(shuō)明；在第一襯底101上通過(guò)常規(guī)IC工藝的掩蔽層淀積、光刻、刻蝕得到所需的凹槽，再通過(guò)濕法腐蝕去掉第一襯底101表面的掩蔽介質(zhì)層，所述掩蔽介質(zhì)層可以為二氧化硅；所需的凹槽是指凹槽的數(shù)量及在第一襯底101內(nèi)的延伸深度，圖5 圖10中示出了第一襯底101內(nèi)只設(shè)置一個(gè)凹槽的結(jié)構(gòu)示意圖，即在第一襯底101內(nèi)只形成一個(gè)空腔113的結(jié)構(gòu)；
b、在上述第一襯底101上淀積工藝阻擋層103，所述工藝阻擋層103覆蓋凹槽的內(nèi)壁及底部，并覆蓋在第一襯底101相對(duì)應(yīng)的表面；
工藝阻擋層103的材料可以是Si02、Si0N、SiN、ZnS、MgF2中的一種或幾種，當(dāng)工藝阻擋層 103 的材料為 Si02、SiON, SiN 時(shí)采用 CVD (Chemical Vapor Deposition,化學(xué)氣相沉積)方法制作，ZnS、MgF2采用蒸發(fā)或?yàn)R射的方法制作；
C、在上述第一襯底101上淀積埋層犧牲層102，并去除第一襯底101上相對(duì)應(yīng)的埋層犧牲層102，得到填充在凹槽內(nèi)的埋層犧牲層102 ； 如圖5所示然采用CVD方法淀積埋層犧牲層102，埋層犧牲層102為多晶硅或非晶硅， 通過(guò)平坦化技術(shù)去掉多余的部分，得到位于凹槽內(nèi)的埋層犧牲層102 ；
d、在第一襯底101對(duì)應(yīng)設(shè)置埋層犧牲層102的表面上濺射紅外吸收層材料，并通過(guò)光亥IJ、刻蝕紅外吸收層材料得到位于凹槽槽口的紅外吸收層104 ；
紅外吸收層材料采用上述提到的一種或幾種，通過(guò)光刻、刻蝕工藝能夠得到位于凹槽槽口的紅外吸收層104，紅外吸收層104位于埋層犧牲層102上；
e、在上述第一襯底101 的表面上通過(guò) PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)淀積氧化層，選擇性地掩蔽和刻蝕氧化層，得到位于紅外吸收層104上的折射介質(zhì)層107，以及位于紅外吸收層104外圈的第一膜層與第一膜層外圈的絕熱梁105 ；
本發(fā)明的實(shí)施中示出了折射介質(zhì)層107、絕熱梁105及第一膜層為同一制造層的同一工藝步驟，能夠節(jié)省形成工藝步驟及加工成本；同時(shí)，根據(jù)折射介質(zhì)層107、絕熱梁105及第一膜層的材料不同，可以分成多個(gè)步驟來(lái)形成所需的折射介質(zhì)層107、絕熱梁105及第一膜層，分成多個(gè)步驟來(lái)形成的步驟與常規(guī)IC工藝相兼容，此處不再敘述；
f、在上述第一襯底101的表面通過(guò)濺射淀積金屬材料層，選擇性地掩蔽和刻蝕金屬材料層，得到位于折射介質(zhì)層107上的反射層109，以及第一膜層上的第二膜層與第二膜層外圈的散熱架體108，第一膜層與第二膜層形成形變梁106，散熱架體108位于凹槽外圈的工藝阻擋層103上；
如圖6所示此處示出了散熱架體108與反射層109、第二膜層為同一制造層的工藝步驟；由散熱架體108、反射層109及第二膜層的材料來(lái)看，可以通過(guò)工藝步驟來(lái)形成散熱架體108、反射層109及第二膜層；當(dāng)通過(guò)多個(gè)步驟來(lái)形成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)時(shí)，與常規(guī)IC工藝相一致，此處不再詳述；同時(shí)，為了能夠方便后續(xù)形成的第一襯底焊料112與第二襯底焊料202 對(duì)應(yīng)配合，在第一襯底101的端部邊緣設(shè)置定位環(huán)，第一襯底焊料112能夠通過(guò)定位環(huán)放置于第一襯底101上；當(dāng)不再用定位環(huán)時(shí)，需要形成第一襯底焊料112的高度能與后續(xù)形成第二襯底焊料202的高度相匹配；定位環(huán)的材料可以采用二氧化硅；
g、在上述第一襯底101的表面上設(shè)置吸氣劑111，所述吸氣劑111位于工藝阻擋層103 上,并位于散熱架體108的外圈；
h、在上述第一襯底101的表面上設(shè)置第一襯底焊料112，所述第一襯底焊料112位于吸氣劑111的外圈；如圖7所示通過(guò)第一襯底焊料112能夠使得第一襯底101與第二襯底201相互連接； 吸氣劑111與第一襯底焊料112的制備材料可以采用上述提到材料；
i、對(duì)上述第一襯底101對(duì)應(yīng)設(shè)置第一襯底焊料112的另一表面進(jìn)行減薄至所需的厚度，并在減薄后的表面設(shè)置抗反射層110，所述抗反射層110覆蓋于第一襯底101相對(duì)應(yīng)的表面；
所述第一襯底101通過(guò)背面減薄或機(jī)械化學(xué)拋光減薄，第一襯底101減薄后的厚度為 50^200 u m ;在第一襯底101的背面減薄后，需要先對(duì)第一襯底101的背面進(jìn)行清洗；
j、采用氣相腐蝕方法腐蝕凹槽內(nèi)的埋層犧 牲層102，以在第一襯底101內(nèi)形成所需的空腔113 ；
如圖8所示埋層犧牲層102為多晶硅或非晶硅，因此去除埋層氧化層102時(shí)可以采用 XeF2的氣相腐蝕方法；去除埋層犧牲層102后，能夠使得凹槽變成空腔113 ；
k、提供第二襯底201，并在第二襯底201上對(duì)應(yīng)的表面設(shè)置第二襯底焊料202 ；
如圖9所示第二襯底201采用透光玻璃，這樣可見(jiàn)光就能通過(guò)第二襯底201入射在反光層109上；在第二襯底201上形成的第二襯底焊料202與第一襯底焊料112位置相對(duì)應(yīng)； 可以通過(guò)光刻、蒸發(fā)或?yàn)R射、剝離的方法在第二襯底201上形成第二襯底焊料202 ；
I、第二襯底201上的第二襯底焊料202與第一襯底101上的第一襯底焊料112通過(guò)真空鍵合焊接，以使得第一襯底101與第二襯底201連接成一體。如圖10所示當(dāng)形成上述結(jié)構(gòu)后，需要將第一襯底101與第二襯底201鍵合連接成一體；具體地，采用晶圓級(jí)真空鍵合設(shè)備，將第一襯底焊料112與第二襯底焊料202對(duì)準(zhǔn)后焊接，直至將第一襯底101與第二襯底201連接成一體；同時(shí)，能夠得到真空的空腔113， 完成晶圓級(jí)的封裝。在采用晶圓級(jí)真空鍵合時(shí)，第一襯底101與第二襯底201鍵合焊接時(shí)的溫度不高于400°C，鍵合溫度的選擇應(yīng)根據(jù)第一襯底焊料112與第二襯底焊料202的材料熔點(diǎn)來(lái)進(jìn)行。當(dāng)在第一襯底101內(nèi)設(shè)置多個(gè)凹槽，以形成多個(gè)均勻分布的空腔113時(shí)，多個(gè)空腔 113對(duì)應(yīng)的共振吸收結(jié)構(gòu)能夠形成陣列器件。當(dāng)具有多個(gè)凹槽時(shí)，為了能夠在空腔113對(duì)應(yīng)的位置形成共振吸收結(jié)構(gòu)，當(dāng)濺射紅外吸收層材料時(shí)，選擇性地掩蔽和刻蝕下相應(yīng)地的紅外吸收層材料，同時(shí)，在后續(xù)形成絕熱梁105、形變梁106、散熱架體108、折射介質(zhì)層107及反射層109結(jié)構(gòu)時(shí)，調(diào)整相應(yīng)的工藝調(diào)節(jié)，就能夠得到對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)，此處不再詳述。當(dāng)需要形成微透鏡114的結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)已經(jīng)減薄的第一襯底101背面通過(guò)光刻、熔融的方法制作出膠透鏡圖形，然后通過(guò)刻蝕的方法把膠透鏡轉(zhuǎn)移到第一襯底101上，完成微透鏡114的制作， 然后再通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射的方法在微透鏡114上制作抗反射層110 ;另一種制造方法是通過(guò)多次光刻、刻蝕的循環(huán)工藝制作菲涅爾透鏡，然后再蒸發(fā)或?yàn)R射得到抗反射層110。如圖廣圖10所示通過(guò)第一襯底焊料112與第二襯底焊料202真空鍵合后，使得第一襯底101與第二襯底201相互連接成整體，第一襯底101內(nèi)空腔113處于真空狀態(tài)，由紅外吸收層104、折射介質(zhì)層107及反射層109形成的共振吸收結(jié)構(gòu)形成MEMS結(jié)構(gòu)，形變梁 106、絕熱梁105及散熱架體108構(gòu)成了共振吸收結(jié)構(gòu)的散熱結(jié)構(gòu)，空腔113使得共振吸收結(jié)構(gòu)懸空，能防止共振吸收結(jié)構(gòu)吸收紅外熱量后從其他途徑散發(fā)出去，且懸空后，在真空狀態(tài)下可以忽略空氣的熱對(duì)流，熱量只能通過(guò)絕熱梁105、形變梁106傳遞到散熱架體108上散熱，同時(shí)能使得形變梁106的復(fù)合結(jié)構(gòu)形變，使得共振吸收結(jié)構(gòu)跟隨偏轉(zhuǎn)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)紅外能量的檢測(cè)。通過(guò)吸氣劑111能保持空腔113的真空狀態(tài)，防止MEMS結(jié)構(gòu)的材料放氣現(xiàn)象，延長(zhǎng)整個(gè)器件的使用壽命，保證整個(gè)器件的性能。工作時(shí)，紅外線從第一襯底101的背面射入，即從設(shè)置抗反射層110的表面射入， 紅外線在抗反射層Iio及微透鏡114的作用下入射到共振吸收結(jié)構(gòu)上。共振吸收結(jié)構(gòu)的紅外吸收層104能對(duì)紅外的能量進(jìn)行吸收，同時(shí)會(huì)有部分紅外線穿過(guò)紅外吸收層104進(jìn)入折射介質(zhì)層107，折射介質(zhì)層107的厚度一般為紅外線/ (4X折射介質(zhì)層107的折射率)，紅外線通過(guò)折射介質(zhì)層107折射后再入射到反射層109上，由反射層109反射回到紅外吸收層104，這樣紅外吸收層104能夠達(dá)到對(duì)紅外線能量的最大吸收效果。共振吸收結(jié)構(gòu)吸收熱量后，由于空腔113的真空作用，只能通過(guò)形變梁106、 絕熱梁105后傳遞到散熱架體108上散熱，熱量經(jīng)過(guò)形變梁106后，由于形變梁106的復(fù)合膜層結(jié)構(gòu)能使得形變梁106偏轉(zhuǎn)，并驅(qū)動(dòng)共振吸收結(jié)構(gòu)跟隨偏轉(zhuǎn)；絕熱梁105的材料使得熱量能慢慢傳遞到散熱架體108上，能確保足夠的散熱時(shí)間。當(dāng)形變梁106驅(qū)動(dòng)共振吸收結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)后，從第二襯底201方向入射一可見(jiàn)光,可見(jiàn)光穿過(guò)第二襯底201后輸入到反射層109上， 通過(guò)反射層109反射后被外部的光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)到，光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)反射偏轉(zhuǎn)角度能夠完成對(duì)紅外能量的檢測(cè)。當(dāng)?shù)谝灰r底101內(nèi)具有多個(gè)空腔113及與多個(gè)空腔113分別對(duì)應(yīng)的共振吸收結(jié)構(gòu)時(shí)，能形成紅外焦平面陣列器件，能夠完成多個(gè)紅外能量的檢測(cè)，提高檢測(cè)效率。本發(fā)明第一襯底101內(nèi)設(shè)置一個(gè)或多個(gè)空腔113，每個(gè)空腔113均對(duì)應(yīng)設(shè)置共振吸收結(jié)構(gòu)，并使得共振吸收結(jié)構(gòu)懸空；共振吸收結(jié)構(gòu)的外圈通過(guò)形變梁106、絕熱梁105與散熱架體108相連，散熱架體108的外圈設(shè)置吸氣劑113，保證空腔113的真空度；第一襯底101與第二襯底201通過(guò)真空鍵合連接，形成真空密閉結(jié)構(gòu)；第一襯底101的背面通過(guò)抗反射層110及微透鏡114提高對(duì)紅外線的聚集與吸收，提高器件的性能；共振吸收結(jié)構(gòu)能提高對(duì)紅外能量的吸收，形變梁106的偏轉(zhuǎn)能驅(qū)動(dòng)共振吸收結(jié)構(gòu)跟隨偏轉(zhuǎn)，通過(guò)反射層109對(duì)可見(jiàn)光的反射角度能檢測(cè)紅外線的能量，結(jié)構(gòu)緊湊，與IC工藝相兼容，檢測(cè)精度高，制造方便。
權(quán)利要求
1.一種晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，其特征是包括第一襯底(101)及位于所述第一襯底(101)下方的第二襯底(201);所述第一襯底(101)內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)凹槽，在所述凹槽的內(nèi)壁及第一襯底(101)表面覆蓋有工藝阻擋層(103);在所述凹槽的槽口設(shè)有共振吸收結(jié)構(gòu)，所述共振吸收結(jié)構(gòu)包括紅外吸收層(104)及位于所述紅外吸收層(104)下方的反射層(109)，所述反射層(109)鄰近第二襯底(201 )，且紅外吸收層(104)與反射層(109) 間設(shè)置折射介質(zhì)層(107);在共振吸收結(jié)構(gòu)的外圈依次設(shè)置形變梁(106)、絕熱梁(105)、散熱架體(108)及吸氣劑(111);散熱架體(108)通過(guò)絕熱梁(105)、形變梁(106)與共振吸收結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)連接配合；在所述吸氣劑(111)的外圈設(shè)置第一襯底焊料(112)，所述第一襯底焊料(112)與第二襯底(201)上的第二襯底焊料(202)相對(duì)應(yīng)，且第一襯底(101)與第二襯底(201)通過(guò)第一襯底焊料(I 12)及第二襯底焊料(202)真空焊接固定連成一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，其特征是所述共振吸收結(jié)構(gòu)、絕熱梁(105)及形變梁(106)位于凹槽的槽口，以使得第一襯底(101)內(nèi)的凹槽形成空腔(113);散熱架體(108)位于凹槽槽口外圈的工藝阻擋層(103)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，其特征是所述第一襯底(101)對(duì)應(yīng)與第二襯底(201)相連的另一側(cè)表面覆蓋有抗反射層(110)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，其特征是在抗反射層(110)與第一襯底(101)間設(shè)有微透鏡(114)，所述微透鏡(114)位于凹槽的正上方。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，其特征是所述微透鏡(114)包括半凸透鏡或菲涅耳透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，其特征是所述第一襯底(101)的材料為單晶硅、Ge、GaAs或GeSi ;第二襯底(201)的材料包括透光玻璃。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件，其特征是所述紅外吸收層(104)的材料包括Ti或TiN;反射層(109)的材料包括Al、Ti、TiN或Au。
8.一種晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件制造方法，其特征是，所述紅外焦平面陣列器件制造方法包括如下步驟(a)、提供第一襯底(101)，并在第一襯底(101)內(nèi)刻蝕得到所需的凹槽；(b)、在上述第一襯底(101)上淀積工藝阻擋層(103)，所述工藝阻擋層(103)覆蓋凹槽的內(nèi)壁及底部，并覆蓋在第一襯底(101)相對(duì)應(yīng)的表面；(C)、在上述第一襯底(101)上淀積埋層犧牲層(102)，并去除第一襯底(101)上相對(duì)應(yīng)的埋層犧牲層(102)，得到填充在凹槽內(nèi)的埋層犧牲層(102);(d)、在第一襯底(101)對(duì)應(yīng)設(shè)置埋層犧牲層(102)的表面上濺射紅外吸收層材料，并通過(guò)光刻、刻蝕紅外吸收層材料得到位于凹槽槽口的紅外吸收層(104)；(e)、在上述第一襯底(101)的表面上通過(guò)PECVD淀積氧化層，選擇性地掩蔽和刻蝕氧化層，得到位于紅外吸收層(104)上的折射介質(zhì)層(107)，以及位于紅外吸收層(104)外圈的第一膜層與第一膜層外圈的絕熱梁(105)；(f)、在上述第一襯底(101)的表面通過(guò)濺射金屬材料層，選擇性地掩蔽和刻蝕金屬材料層，得到位于折射介質(zhì)層(107)上的反射層(109)，以及第一膜層上的第二膜層與第二膜層外圈的散熱架體(108)，第一膜層與第二膜層形成形變梁(106)，散熱架體(108)位于凹槽外圈的工藝阻擋層(103)上；(g)、在上述第一襯底(101)的表面上設(shè)置吸氣劑(111)，所述吸氣劑(ill)位于工藝阻擋層(103)上，并位于散熱架體(108)的外圈；(h)、在上述第一襯底(101)的表面上設(shè)置第一襯底焊料(112)，所述第一襯底焊料 (112)位于吸氣劑(111)的外圈；(i)、對(duì)上述第一襯底(101)對(duì)應(yīng)設(shè)置第一襯底焊料(112)的另一表面進(jìn)行減薄至所需的厚度，并在減薄后的表面設(shè)置抗反射層(110)，所述抗反射層(110)覆蓋于第一襯底(101)相對(duì)應(yīng)的表面；(j)、采用氣相腐蝕方法腐蝕凹槽內(nèi)的埋層犧牲層(102)，以在第一襯底(101)內(nèi)形成所需的空腔(113)；(k)、提供第二襯底(201)，并在第二襯底(201)上對(duì)應(yīng)的表面設(shè)置第二襯底焊料(202)；(I)、第二襯底(201)上的第二襯底焊料(202)與第一襯底(101)上的第一襯底焊料 (112)通過(guò)真空鍵合焊接，以使得第一襯底(101)與第二襯底(201)連接成一體。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件制造方法，其特征是所述埋層犧牲層(102)為多晶硅或非晶硅。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件制造方法，其特征是所述步驟(i)中，在第一襯底(101)減薄后的表面上設(shè)置微透鏡(114)，所述微透鏡(114)位于凹槽槽口的正上方；抗反射層(110)覆蓋于微透鏡(114)及第一襯底(101)相對(duì)應(yīng)的表面上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種晶圓級(jí)封裝的紅外焦平面陣列器件及其制造方法，其包括第一襯底及第二襯底；第一襯底內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)凹槽，在凹槽的內(nèi)壁及第一襯底表面覆蓋有工藝阻擋層；凹槽的槽口設(shè)有共振吸收結(jié)構(gòu)，共振吸收結(jié)構(gòu)包括紅外吸收層及反射層，反射層鄰近第二襯底，且紅外吸收層與反射層間設(shè)置折射介質(zhì)層；在共振吸收結(jié)構(gòu)的外圈依次設(shè)置形變梁、絕熱梁、散熱架體及吸氣劑；散熱架體通過(guò)絕熱梁、形變梁與共振吸收結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)連接配合；在吸氣劑的外圈設(shè)置第一襯底焊料，第一襯底焊料與第二襯底上的第二襯底焊料相對(duì)應(yīng)，且第一襯底與第二襯底通過(guò)第一襯底焊料及第二襯底焊料真空焊接固定連成一體。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，與IC工藝相兼容，檢測(cè)精度高，制造方便。
文檔編號(hào)G01J5/02GK102620840SQ20121008844
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月29日
發(fā)明者歐文 申請(qǐng)人:江蘇物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展中心