晶圓級封裝紅外探測器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種晶圓級封裝紅外探測器及其制備方法，所述晶圓級封裝紅外探測器包括聚光基板和探測器基板，所述聚光基板與所述探測器基板通過一焊料層連接，所述聚光基板允許紅外光穿過并將紅外光匯聚在探測器基板上。本發(fā)明優(yōu)點是，將常規(guī)紅外探測器封裝中的光學窗口和紅外透鏡簡并成一體，在一塊聚光基板上實現兩者功能，該封裝方式具有結構緊湊，成本低的優(yōu)勢；采用雙面抗反射設計提高紅外抗反射性能，器件性能也能極大提升；實現晶圓級封裝，降低封裝成本，從而降低紅外探測器制作成本。
【專利說明】晶圓級封裝紅外探測器及其制備方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及紅外熱成像領域，尤其涉及一種晶圓級封裝紅外探測器及其制備方 法。

【背景技術】
[0002] 紅外成像技術廣泛應用于軍事、工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療、森林防火、環(huán)境保護等各領域， 其核心部件是紅外焦平面陣列（IRFPA)。根據工作原理分類可分為：制冷型紅外探測器和 非制冷紅外探測器。制冷型探測器主要利用窄禁帶半導體光電效應將紅外光信號轉化為電 信號，又稱為光子探測器，通常工作在77K或更低溫度下，這就需要笨重而又昂貴的制冷設 備。此外，制作光子探測器所用的HgCdTe、InSb等材料價格昂貴、制備困難，且與CMOS工 藝不兼容，所以光子型紅外探測器的價格一直居高不下。
[0003] 非制冷熱型紅外探測器通過紅外探測單元吸收紅外線，將紅外能量轉化為熱能， 熱能引起探測器材料電學特性變化從而將紅外能量轉化為電信號，通過讀出電路讀取該信 號并進行處理。非制冷型紅外探測器也叫室溫探測器，可在室溫條件下工作而無需制冷，因 此具有更易于便攜等優(yōu)點。非制冷紅外探測器一般是熱探測器，即通過探測紅外輻射的熱 效應來工作。常用的紅外熱探測器包括熱堆、熱釋電、以及微測輻射熱計。
[0004] 對于非制冷紅外探測器來說，傳統(tǒng)的封裝類型主要是芯片級封裝，通常采用金屬 或陶瓷管殼。主要工藝流程包括如下步驟：（1)硅晶圓上制備非制冷紅外探測器的讀出電 路及敏感結構；（2)將上述制備好的晶圓切割成單個探測器芯片；（3)貼片、打線；(4)真 空封蓋。上述步驟（3)和（4)是針對單個芯片的。由于一個晶圓上可以切出上百個探測 器芯片，因此，這種封裝形式不僅效率低下而且成本高昂。目前，利用傳統(tǒng)封裝類型的非制 冷紅外探測器的封裝成本占到了整個探測器成本的90%。非制冷紅外探測器的成本居高不 下，封裝是個很重要的原因。因此，要實現非制冷紅外探測器的大批量應用，必須降低非制 冷紅外探測器的成本，首先就必須降低封裝的成本。只有實現晶圓級封裝才能大幅度降低 封裝成本。
[0005] 晶圓級真空封裝主要是晶圓制造過程中制作封裝所需要的焊料，然后在對晶圓進 行切割前完成兩片或多片晶圓的鍵合封裝，這樣做的好處是可以大大減小封裝后的器件尺 寸，滿足目前在移動設備中對小型化芯片的需求。同時無需使用金屬或陶瓷管殼，能有效地 降低器件的成本。
[0006] 早期研究的非制冷紅外探測器晶圓級封裝多數是先在封蓋晶圓上表面沉積抗反 射膜，然后對封蓋晶圓進行刻蝕形成腔體，通過特定工藝將封蓋晶圓與探測器晶圓鍵合到 一起，在這種封裝方法中封蓋晶圓只能起到窗口作用，對于紅外探測器所需要的透鏡仍需 另行封裝。此外這種封裝方法只是在封裝晶圓外表面做抗反射處理，通?？狗瓷湫阅懿桓摺?因此，早期紅外探測器的晶圓級封裝并不能很好地降低探測器成本，同時探測器性能也會 受到影響。


【發(fā)明內容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，提供一種晶圓級封裝紅外探測器及其制備方法。
[0008] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種晶圓級封裝紅外探測器，包括聚光基板和 探測器基板，所述聚光基板與所述探測器基板通過一焊料層連接，所述聚光基板允許紅外 光穿過并將紅外光匯聚在探測器基板上。
[0009] 進一步，所述聚光基板朝向和/或背向所述探測器基板的表面覆蓋有抗反射膜。
[0010] 進一步，所述抗反射膜為用于窄帶增透的單層抗反射膜或者為用于寬帶增透的多 層膜系。
[0011] 進一步，所述聚光基板朝向所述探測器基板的表面設置有微結構，所述微結構用 于提高所述聚光基板的紅外光抗反射性能。
[0012] 進一步，所述微結構表面設置有抗反射膜。
[0013] 進一步，所述聚光基板為凸透鏡基板。
[0014] 進一步，所述探測器基板包括讀出電路、橋墩、橋腿和橋面，所述讀出電路設置于 所述探測器基板內部，所述橋墩設置在所述探測器基板表面且與所述讀出電路電連接，所 述橋腿設置在所述橋墩上且與所述橋面連接，使得所述橋面懸浮在所述探測器基板表面， 在所述探測器基板的表面與所述橋面相對的部分設置有紅外抗反射膜，所述紅外抗反射膜 與所述橋面形成紅外共振腔。
[0015] 本發(fā)明還提供一種晶圓級封裝紅外探測器的制備方法，包括如下步驟：提供一第 一基板和一探測器基板，所述探測器基板含有紅外探測元件；在所述第一基板的一表面制 作聚光結構，以形成聚光基板，用以將紅外光匯聚；在所述第一基板的另一表面制作焊環(huán)； 在所述探測器基板含有紅外探測元件的表面制作焊環(huán)；以所述第一基板的焊環(huán)及所述探測 器基板的焊環(huán)為中間層，將所述第一基板和探測器基板鍵合，所述第一基板允許紅外光穿 過并將紅外光匯聚在探測器基板上。
[0016] 進一步，在所述制作聚光結構步驟后，進一步包括一在所述第一基板朝向和/或 背向所述探測器基板的表面覆蓋抗反射膜的步驟。
[0017] 進一步，在所述第一基板的另一表面制作焊環(huán)步驟之前，進一步包括一在所述第 一基板朝向所述探測器基板的表面制作微結構的步驟。
[0018] 本發(fā)明的一個優(yōu)點在于，將常規(guī)紅外探測器封裝中的光學窗口和紅外透鏡簡并成 一體，在一塊聚光基板上實現兩者功能，該封裝方式具有結構緊湊，成本低的優(yōu)勢。
[0019] 本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，采用雙面抗反射設計大大提高紅外抗反射性能，器件 性能也能極大提升。
[0020] 本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于，實現晶圓級封裝，降低封裝成本，從而降低紅外探測器 制作成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明晶圓級封裝紅外探測器的結構示意圖； 圖2A圖2C為微結構的俯視7]^意圖； 圖2D為橋壤、橋腿和橋面的相對位置關系不意圖； 圖2E為本發(fā)明晶圓級封裝紅外探測器入射光路示意圖； 圖3為本發(fā)明晶圓級封裝紅外探測器的制備方法步驟示意圖； 圖4A~圖4F為本發(fā)明晶圓級封裝紅外探測器的制備方法的工藝流程圖； 圖5A?圖?為在第一基板的一表面制作凸透鏡的工藝流程圖。

【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本發(fā)明提供的晶圓級封裝紅外探測器及其制備方法的具體實施 方式做詳細說明。
[0023] 參見圖1，本發(fā)明晶圓級封裝紅外探測器包括聚光基板10和探測器基板20。所述 聚光基板10與所述探測器基板20通過一焊料層30連接。所述聚光基板10允許紅外光穿 過并將紅外光匯聚在探測器基板20上，所述探測器基板20接收所述紅外光。
[0024] 在本【具體實施方式】中，所述聚光基板10為凸透鏡基板。所述凸透鏡的凸面11背 向所述探測器基板20。在本發(fā)明其他【具體實施方式】中，所述聚光基板10還可以為菲涅爾透 鏡或者利用不同折射率材料復合而成的折射率透鏡。所述聚光基板10由硅、鍺、硫化鋅或 硒化鋅等常用的紅外光學窗口材料制成。
[0025] 進一步，所述聚光基板10朝向和/或背向所述探測器基板10的表面覆蓋有抗反 射膜12,以提高所述聚光基板10的紅外抗反射性能。圖1僅顯示在所述聚光基板10背向 所述探測器基板10的表面設置抗反射膜12。抗反射膜12可以是應用于窄帶增透的單層抗 反射膜，也可以是應用于寬帶增透的多層膜系，其材料通常選用氟化鎂、氧化鈦、硫化鉛、硒 化鉛以及陶瓷紅外光紅外增透膜或乙烯基倍半硅氧烷雜化膜等。
[0026] 進一步，所述聚光基板10朝向所述探測器基板20的表面設置有微結構13。所述 微結構13用于提高所述聚光基板10的紅外光抗反射性能。所述微結構13可以為衍射光 柵。所述微結構13可以為凹陷結構，也可以為凸起結構，微結構13的俯視圖形可以是圓、 矩形、多邊形等，參見圖2A、圖2B和圖2C所示。在所述聚光基板10朝向所述探測器基板 20的表面覆蓋有抗反射膜的情況下，在所述抗反射膜上制作所述微結構13。在所述聚光基 板10朝向所述探測器基板20的表面沒有覆蓋有抗反射膜的情況下，在所述微結構13的表 面覆蓋抗反射膜（附圖中未標示)，以進一步提高所述聚光基板10的紅外光抗反射性能。
[0027] 所述探測器基板20為現有的探測器基板，在此簡略描述其結構。所述探測器基板 20包括讀出電路21、橋墩22、橋腿23和橋面24。所述讀出電路21設置于所述探測器基板 20內部。所述橋墩22設置在所述探測器基板20表面且與所述讀出電路21電連接。所述 橋腿23設置在所述橋墩22上且與所述橋面24連接，使得所述橋面24懸浮在所述探測器 基板20表面。所述橋壤22、橋腿23和橋面24的相對位置關系參見圖2D。所述聚光基板 10將紅外光聚焦在所述橋面24上。所述聚光基板10與探測器基板20之間的間距設置為 使得入射紅外線可匯聚到橋面24上，參見圖2E所示。進一步，在所述探測器基板20的表 面與所述橋面24相對的部分設置有紅外抗反射膜25,以反射紅外光，所述紅外抗反射膜25 與所述橋面24形成紅外共振腔。
[0028] 參見圖3,本發(fā)明還提供一種晶圓級封裝紅外探測器的制備方法。所述方法包括如 下步驟：步驟S30,提供一第一基板和一探測器基板，所述探測器基板含有紅外探測元件； 步驟S31，在所述第一基板的一表面制作聚光結構，以形成聚光基板，用以將紅外光匯聚； 步驟S32,在所述第一基板朝向和/或背向所述探測器基板的表面覆蓋抗反射膜；步驟S33， 所述第一基板背向所述探測器基板的表面制作微結構；步驟S34,在所述第一基板的另一 表面制作焊環(huán)；步驟S35,在所述探測器基板含有紅外探測元件的表面制作焊環(huán)；步驟S36， 以所述第一基板的焊環(huán)及所述探測器基板的焊環(huán)為中間層，將所述第一基板和探測器基板 鍵合。
[0029] 圖4A?圖4F為本發(fā)明晶圓級封裝紅外探測器的制備方法的工藝流程圖。
[0030] 參見圖4A及步驟S30,提供一第一基板400和一探測器基板410,所述探測器基板 410含有紅外探測元件。
[0031] 所述第一基板400由硅、鍺、硫化鋅或硒化鋅等常用的紅外光學窗口材料制成。
[0032] 所述探測器基板410包括讀出電路411、橋墩412、橋腿413和橋面414。所述讀 出電路411設置于所述探測器基板410內部。所述橋墩412設置在所述探測器基板410表 面且與所述讀出電路411電連接。所述橋腿413設置在所述橋墩412上且與所述橋面414 連接，使得所述橋面414懸浮在所述探測器基板410表面。所述橋墩412、橋腿413和橋面 414的相對位置關系參見圖2。所述第一基板10將紅外光聚焦在所述橋面414上。所述第 一基板400與探測器基板410之間的間距設置為使得入射紅外線可匯聚到橋面414上。進 一步，在所述探測器基板410的表面與所述橋面414相對的部分設置有紅外反射膜415,以 反射紅外光，所述紅外抗反射膜415與所述橋面414形成紅外共振腔。
[0033] 參見圖4B及步驟S31，在所述第一基板400的一表面制作聚光結構401，以形成聚 光基板，用以將紅外光匯聚。所述聚光結構401的構型在本發(fā)明中不進行限制，只要能夠起 到將紅外光匯聚的作用即可。在本【具體實施方式】中，以聚光結構401為凸透鏡為例，進行講 解。所述凸透鏡在第一基板400的一表面直接加工制成。
[0034] 圖5A?圖?為在所述第一基板400的一表面制作凸透鏡的工藝流程圖。
[0035] 參見圖5A，在所述第一基板400的需要制作凸透鏡的表面旋涂光刻膠，對該光刻 膠進行曝光顯影，形成方形光刻膠塊501。在本【具體實施方式】中，以形成兩個單元的微透鏡 為例。
[0036] 參見圖5B，熔融所述方形光刻膠塊501并迅速冷卻至室溫，形成具有凸透鏡形狀 的光刻膠掩膜502。
[0037] 參見圖5C，采用等離子體刻蝕方法對第一基板400進行過刻蝕，形成如圖?所示 的具有聚光結構401的第一基板400。
[0038] 參見圖4C及步驟S32,在所述第一基板400朝向和/或背向所述所述探測器基板 410的表面覆蓋抗反射膜402,以提高所述第一基板400的紅外抗反射性能。在本具體實施 方式中僅在所述第一基板400背向所述探測器基板410的表面設置抗反射膜402?？狗瓷?膜402可以是應用于窄帶增透的單層抗反射膜，也可以是應用于寬帶增透的多層膜系，其 材料通常選用氟化鎂、氧化鈦、硫化鉛、硒化鉛以及陶瓷紅外光紅外增透膜或乙烯基倍半硅 氧烷雜化膜等。所述設置抗反射膜402的方法為現有技術，在此不贅述。
[0039] 參見圖4D及步驟S33,在所述第一基板400朝向所述探測器基板410的表面制作 微結構403。該步驟可以設置于所述步驟S31之前。制作微結構403的方法為現有技術， 在此不贅述。在本【具體實施方式】中，以圓形微結構為例，刻蝕深度為1飛微米，圓形直徑為 廣3微米，微結構403的排列周期為1飛微米。
[0040] 進一步，在本發(fā)明其他【具體實施方式】中，若在所述第一基板400朝向所述探測器 基板410的表面覆蓋有抗反射膜402的情況下，步驟S33則是在所述抗反射膜402上制作 所述微結構403。若在所述第一基板400朝向所述探測器基板410的表面沒有覆蓋有抗反 射膜402的情況下，則在步驟S33之后，還包括一在所述微結構403的表面覆蓋抗反射膜的 步驟，以進一步提高所述第一基板400的紅外光抗反射性能。
[0041] 參見圖4E、步驟S34及步驟S35,在所述第一基板400的另一表面制作焊環(huán)404 ; 在所述探測器基板410含有紅外探測元件的表面制作焊環(huán)416。所述制作焊環(huán)404和焊環(huán) 416的方法為現有技術，在此不贅述。所述焊環(huán)404和焊環(huán)416的焊料通常選用銅錫合金、 金錫合金、金硅合金等，厚度為1-100微米。在所述探測器基板410含有紅外探測元件的表 面制作焊環(huán)416后，還包括一釋放犧牲層，以得到完整的探測器基板410的步驟。
[0042] 參見圖4F及步驟S36,以所述聚光基板的焊環(huán)404及所述探測器基板的焊環(huán)416 為中間層，將所述第一基板400和探測器基板410鍵合。鍵合之后的第一基板400與探測 器基板410之間的間距設置為使得外部入射紅外光線匯聚到橋面414上。
[0043] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人 員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發(fā)明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種晶圓級封裝紅外探測器，其特征在于，包括聚光基板和探測器基板，所述聚光基 板與所述探測器基板通過一焊料層連接，所述聚光基板允許紅外光穿過并將紅外光匯聚在 探測器基板上。
2. 根據權利要求1所述的晶圓級封裝紅外探測器，其特征在于，所述聚光基板朝向和/ 或背向所述探測器基板的表面覆蓋有抗反射膜。
3. 根據權利要求2所述的晶圓級封裝紅外探測器，其特征在于，所述抗反射膜為用于 窄帶增透的單層抗反射膜或者為用于寬帶增透的多層膜系。
4. 根據權利要求1所述的晶圓級封裝紅外探測器，其特征在于，所述聚光基板朝向所 述探測器基板的表面設置有微結構，所述微結構用于提高所述聚光基板的紅外光抗反射性 能。
5. 根據權利要求4所述的晶圓級封裝紅外探測器，其特征在于，所述微結構表面設置 有抗反射膜。
6. 根據權利要求1所述的晶圓級封裝紅外探測器，其特征在于，所述聚光基板為凸透 鏡基板。
7. 根據權利要求1所述的晶圓級封裝紅外探測器，其特征在于，所述探測器基板包括 讀出電路、橋墩、橋腿和橋面，所述讀出電路設置于所述探測器基板內部，所述橋墩設置在 所述探測器基板表面且與所述讀出電路電連接，所述橋腿設置在所述橋墩上且與所述橋面 連接，使得所述橋面懸浮在所述探測器基板表面，在所述探測器基板的表面與所述橋面相 對的部分設置有紅外抗反射膜，所述紅外抗反射膜與所述橋面形成紅外共振腔。
8. -種晶圓級封裝紅外探測器的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：提供一第一 基板和一探測器基板，所述探測器基板含有紅外探測元件；在所述第一基板的一表面制 作聚光結構，形成聚光基板，用以將紅外光匯聚；在所述第一基板的另一表面制作焊環(huán)； 在所述探測器基板含有紅外探測元件的表面制作焊環(huán)；以所述第一基板的焊環(huán)及所述探 測器基板的焊環(huán)為中間層，將所述第一基板和探測器基板鍵合，所述第一基板允許紅外光 穿過并將紅外光匯聚在探測器基板上。
9. 根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，在所述制作聚光結構步驟后，進一步 包括一在所述第一基板朝向和/或背向所述探測器基板的表面覆蓋抗反射膜的步驟。
10. 根據權利要求8所述的制備方法，其特征在于，在所述第一基板的另一表面制作 焊環(huán)步驟之前，進一步包括一在所述第一基板朝向所述探測器基板的表面制作微結構的步 驟。
【文檔編號】H01L31/101GK104157719SQ201410321574
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權日:2014年7月8日
【發(fā)明者】孟如男, 錢良山, 姜利軍 申請人:浙江大立科技股份有限公司