CN101691200A - 非致冷红外探测器的低温真空封装结构及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种非致冷红外探测器的低温真空封装结构及制作方法，其特征在于所述低温真空封装的结构包括1)一包含悬浮红外敏感元件的硅基底传感器芯片；2)一包含凹腔结构硅基底红外滤光片盖板；3)包含凹腔结构红外滤光片盖板通过真空圆片对准键合固定在硅基底传感器芯片上，两者组成一个完整的非致冷红外探测器。本发明的制作是利用圆片级低温对准键合技术将包含红外敏感元件的硅衬底圆片与包含红外滤光薄膜的硅衬底圆片进行低温真空键合，实现了探测器红外滤光片与探测器的红外敏感元件制作工艺的集成。不仅可以保护红外敏感元件免受外界的污染和破坏，还通过圆片对准键合对红外探测器的红外敏感元件进行真空封装，提高了红外探测器的性能。

Description

非致冷红外探测器的低温真空封装结构及制作方法
技术领域
本发明涉及一种非致冷红外探测器的低温真空封装结构及制作方法，属于非致冷红外探测及微细加工技术领域。
背景技术
随着红外探测技术在军事和民用领域的地位日益提高，红外探测器的应用范围也在不断增加。其中非致冷红外探测器由于无需致冷、操作简单而备受关注，并且得到迅速发展。非致冷红外探测器包括两部分，一个是非致冷红外敏感元件，另一个就是红外滤光镜。目前制作的非致冷红外探测器主要采用普通的后封工艺(J.Schieferdecker，R.Quad，E.
Figure G2009101967957D0000011
and M.Schulze，“Infrared thermopile sensors with high sensitivity and very lowtemperature coefficient，”Sens.Actuators A：Phys.vol.46-47，pp.422-427，1995.)，即先将包含红外敏感元件的圆片进行划片，然后将通过划片得到的包含红外敏感元件的裸芯片置放在凸型金属底座(通常为TO型)上，通过金丝球焊等方法与管脚相连，最后通过将带有滤光片的管帽焊接在底座上，完成非致冷红外探测器的整体制作及封装。管帽与金属底座的焊接共有下列几种类型：粘封、储能焊以及其它焊接工艺。
这种传统的非致冷红外探测器的封装方法存在以下问题：第一，由于要先将圆片进行划片以得到裸芯片，而非致冷红外探测器中的红外敏感元件一般都是采用悬浮结构来进行绝热处理，因此划片过程中悬浮微结构非常容易被破坏，所以成品率很难提高；第二，探测器的封装由于是采用芯片级封装，因此封装效率低；第三，由于滤光片是通过胶粘结在管帽上，管帽与底座焊接的方法来完成探测器的气密性封装，因此很难获得真空封装。所以普通的非致冷红外探测器的封装结构一般都只能通过充N2等惰性气体以减小封装环境气体热对流，很难采用真空封装以彻底消除封装环境气体热对流对探测器性能的影响，这就导致红外探测器的性能无法得到很大的提高(R.Gooch，T.Schimert，W.McCardel，B.Ritchey，D.Gilmour and W.Koziarz，“Wafer-levelvacuum packaging for MEMS，”J.Vac.Sci.Technol.A.vol.17，pp.2295-2299，1999.)；第四，由于金属管壳成本一般都较高，因此普通封装制作的非致冷红外探测器成本也很难降低。
发明内容
针对非致冷红外探测器的传统封装方法中存在的问题，特别封装后的红外探测器性能低、封装效率低、封装成本高、封装工艺复杂及成品率低等缺点，本发明提出了一种非致冷红外探测器的低温真空封装结构及制作方法。本发明提出的低温真空封装结构主要包括两部分：1)从正面释放制作的悬浮红外敏感元件的硅基底传感器芯片；2)具有凹腔结构的低掺杂硅基底红外滤光片盖板。其中所述的硅基底传感器芯片由具有正面腐蚀制作的空腔结构的硅衬底和悬浮在空腔上方的红外敏感元件组成。所述的红外滤光片盖板则为一个典型的三明治结构，具体包括三部分：1)背面具有凹腔结构的轻掺杂硅片基底；2)位于盖板背面的光学膜和焊料层；3)位于盖板正面的光学薄膜和视场范围限制层。滤光片盖板通过真空圆片对准键合固定在硅基底传感器芯片上方，硅基底传感器芯片的空腔与滤光片盖板上的空腔组成一个真空腔室，而红外敏感元件则正好位于此真空腔室之中。
本发明通过以下技术方案实现发明目的：
(1)首先通过微细加工工艺在硅衬底上完成红外敏感元件结构的制作。此外根据键合焊料层的选择，也可在器件圆片上制作一层焊料层。
(2)通过涂胶光刻及腐蚀的方法硅片正面制作腐蚀开口，形成红外敏感元件释放的通道，然后使用干法或湿法腐蚀的方法腐蚀开口正面腐蚀硅衬底，形成悬浮薄膜结构，释放红外敏感元件。
(3)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在另外一轻掺杂的硅衬底的背面制作出凹腔结构。
(4)在步骤(3)制作的硅衬底正面和背面沉积光学薄膜，以实现红探测器外波长过滤选择功能。
(5)在步骤(4)制作的硅衬底的背面沉积一层焊料层，并通过涂胶光刻或丝网印刷的方法对焊料层进行图形化处理。
(6)将包含红外敏感元件的器件圆片与包含红外滤光薄膜的盖板圆片在真空氛围下进行圆片级低温对准键合。
(7)在键合好后的圆片正面沉积一层红外反射金属层。通过涂胶光刻及金属腐蚀在沉积的金属层上制作出图形，实现红外探测器视线范围控制功能。
(8)采用划片机对步骤(7)的所述键合圆片进行一个方向上的划片，通过划片的方法将红外探测器芯片焊盘上的划片槽划开。
(9)采用划片机对步骤(8)中所述键合圆片进行横轴和纵轴方向上的划片，将圆片上的红外探测器单元进行分离，同时将红外探测器芯片焊盘上的顶层硅去除。
(10)将划片后得到的单个红外探测器芯片固定于一基板上，并通过打线的方法与基板进行电连接。
(11)芯片周边涂上一层封胶以保护金属导线。
由此可见，本发明提供的非致冷红外探测器的低温真空封装结构的特征是：
(1)其结构包括1)一包含悬浮红外敏感元件的硅基底传感器芯片；2)一包含凹腔结构硅基底红外滤光片盖板；3)包含凹腔结构红外滤光片盖板通过真空圆片对准键合固定在硅基底传感器芯片上，两者组成一个完整的非致冷红外探测器；
(2)所述的硅基底传感器芯片的空腔与滤光片盖板上的空腔组成一个真空腔室，而红外敏感元件则正好位于此真空腔室之中；
(3)所述的焊料层为Au-Au、Au-非晶硅Si、Au-Sn中的一种；或者为低温玻璃浆料或聚合物；所述硅片的轻掺杂浓度为1×1010～1×1015cm-3。
(4)在红外探测器芯片的正面沉积一层图形化金属薄膜用于限制非红外探测器的视线范围。
本发明提供的非致冷红外探测器的低温真空封装结构的制作方法特征在于利用圆片级低温对准键合技术将包含红外敏感元件的硅衬底圆片与包含红外滤光薄膜的硅衬底圆片进行低温真空键合，实现探测器红外滤光片与探测器的红外敏感元件制作工艺的集成，其特征在于：
(1)焊料层选择Au-Au、Au-非晶硅Si或Au-Sn，则红外敏感元件释放之前将焊料层在器件圆片上制备好；红外敏感元件的释放是通过圆片级的硅微加工技术进行释放的；
(2)在探测器芯片划片前，先通过划片的方法将红外探测器芯片焊盘上的划片槽划开，划片应该在焊盘划片槽处进行，并且划片只需在一个方向上进行，划片厚度应控制在滤光片盖板硅片的厚度；在通过划片的方法将红外探测器芯片焊盘上的划片槽划开后，再通过划片的方法将圆片上的红外探测器单元进行分离，并同时将红外探测器焊盘上的盖板硅片去除；此时划片应该分别在横轴方向和纵轴方向上进行，划片厚度为键合片的厚度；划片后得到的单个探测器芯片直接固定在一基板上，通过打线的方法与基板进行电连接，所述的基板可为印刷电路板、陶瓷基板或封装管壳；
(3)芯片周边封胶为环氧胶或硅胶；低温真空键合封装温度为300～500℃。
与传统的非致冷红外探测器的封装方法相比，本发明由于采用圆片级封装将滤光片与红外敏感元件进行封装组合，可以大大提高器件封装效率，封装后器件的体积也可以大大减小，并且封装后器件可以通过贴片的方式与***电路连接，不需要采用金属管壳，封装成本亦可大大降低。同时，由于在芯片分割前，进行了封装，这就保护了器件的红外敏感元件不受后续工艺的影响，提高了器件的成品率。此外，由于红外敏感元件是封装在一真空腔体之中，封装环境气体热对流对探测器的影响可以完全消除，探测器的性能可以获得很大的提高。
附图说明
图1～图11为实施例1所述器件的具体工艺流程：
图1为制作红外敏感元件芯片的结构层；
图2为对焊料层进行图形化处理；
图3为释放红外敏感元件；
图4为由轻掺杂的硅片制作出凹腔结构；
图5硅片的正面和背面沉积光学薄膜；
图6沉积焊料层并进行图形化处理；
图7为图3包含红外敏感元件的硅衬底圆片和图形化处理的焊料层进行键合；
图8为限制探测器视场范围的制作；
图9为去除红外探测器焊盘处的盖板硅片；
图10为将红外探测器安装固定于基板或管座上；
图11涂上封胶保护金属引线；
图12是探测器圆片划片的示意图。
图中：
11绝热结构层；12芯片焊盘；13轻掺杂的硅衬底；14光学薄膜；15红外反射金属层；16焊料层；17红外敏感元件的硅衬底；19红外吸收层；20绝缘层；21红外敏感元件；22红外敏感元件的空腔部；23滤光片盖板的凹腔；24正面腐蚀开口；25金属引线；26基板或管座；27基板或管座上的引脚区；29焊盘划片槽；30探测器芯片在纵轴方向上的划片槽；31探测器芯片在横轴方向上的划片槽；32封胶。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行详细的描述。
实施例1
红外敏感元件和滤光片盖板键合的焊料层选用TiW/Au。在红外敏感元件圆片和滤光片盖板圆片上都沉积了一层TiW/Au焊料层，通过光刻及腐蚀的方法对器件圆片和滤光片圆片上的焊料层进行图形化。主要工艺步骤包括：
(1)在抛光的单晶硅片上，通过热氧化、LPCVD沉积多晶硅、PECVD沉积SiO2及Si3N4、金属溅射、涂胶光刻及腐蚀等工艺制备隔热薄膜11，芯片焊盘12，红外吸收薄膜19，绝缘薄膜20及红外敏感元件21，完成红外敏感元件的结构层。见图1。
(2)在步骤(1)中的硅片上沉积一层TiW/Au作为器件圆片上的焊料层，并通过涂胶光刻及化学腐蚀的方法对TiW/Au焊料层进行图形化处理。图形化好后的金层作为敏感元件圆片上的焊料层，定义出包含红外敏感元件的硅衬底圆片上的键合区域。见图2。
(3)通过涂胶光刻及腐蚀的方法在步骤(2)中的硅片正面制作腐蚀开口，形成红外敏感元件释放的通道。然后通过干法或湿法腐蚀的方法从腐蚀开口正面腐蚀硅衬底，形成悬浮膜结构，释放红外敏感元件。见图3。
(4)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在另外一轻掺杂的硅片的背面制作出凹腔结构。见图4。
(5)在步骤(4)中的硅片正面和背面沉积光学薄膜。见图5。
(6)在步骤(5)中的硅片的背面沉积一层TiW/Au作为滤光片圆片上的焊料层，并通过涂胶光刻及化学腐蚀的方法对TiW/Au焊料层进行图形化处理。图形化好后的金层作为盖板圆片上的焊料层，定义出滤光片盖板圆片上的键合区域。见图6。
(7)将步骤(3)中的包含红外敏感元件的硅衬底圆片与步骤(6)中的滤光片盖板硅衬底圆片在真空氛围下进行金-金低温对准键合，键合温度范围为300～500℃。见图7。
(8)在步骤(7)的键合硅片正面沉积一层金属铝，通过涂胶光刻及铝腐蚀的方法对铝层进行图形化，以限制探测器的视场范围。见图8。
(9)将步骤(8)中的键合圆片通过划片机在红外探测器芯片焊盘上的焊盘划片槽处进行划片，将焊盘划片槽划开，划片厚度控制为滤光片盖板硅片的厚度。如图12所示，在纵轴方向沿划片槽29将划片槽划开即可。
(10)将步骤(9)中的键合圆片通过划片机在横轴和纵轴方向上进行划片，划片厚度控制为键合圆片的厚度。通过划片的方法将圆片上的红外探测器单元进行分离，得到红外滤光片与红外敏感元件集成的红外探测器芯片，同时将红外探测器焊盘处的盖板硅片去除，得到的结构见图9。如图12所示，沿划片槽30和31将键合圆片划透即可。
(11)将探测器芯片安装固定于一基板或管座，并通过打线的方法将探测器与基板或管座进行电连接。见图10。
(12)芯片周边涂上一层封胶以保护金属导线。见图11。
实施例2
红外敏感元件和滤光片盖板键合的焊料层选用玻璃浆料。红外敏感元件圆片上没有沉积焊料层，只在滤光片盖板圆片上都沉积了一层玻璃浆料焊料层，通过丝网印刷的方法对焊料层进行图形化。主要工艺步骤包括：
(1)在抛光的单晶硅片上，通过热氧化、LPCVD沉积多晶硅、PECVD沉积SiO2及Si3N4、金属溅射、涂胶光刻及腐蚀等工艺完成红外敏感元件的结构层。
(2)通过涂胶光刻及腐蚀的方法硅片正面制作腐蚀开口，形成红外敏感元件释放的通道，然后使用干法或湿法腐蚀的方法腐蚀开口正面腐蚀硅衬底，形成悬浮薄膜结构，释放红外敏感元件。
(3)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在另外一低掺杂的硅片上制作出凹腔结构。
(4)在步骤(3)中的硅片的正面和背面沉积光学薄膜。
(5)在步骤(4)中的硅片的背面通过丝网印刷的方法涂覆上一层图形化的玻璃浆料，形成盖板上的焊料层。然后对玻璃浆料进行烧结处理。
(6)将步骤(2)中的包含红外敏感元件的硅衬底圆片与步骤(5)中的滤光盖板硅衬底圆片在真空氛围下进行玻璃浆料低温圆片对准键合，键合温度范围为300～500℃。
(7)在步骤(6)的键合硅片的正面沉积一层金属铝，通过涂胶光刻及铝腐蚀的方法对铝层进行图形化，以限制探测器的视场范围。
(8)将步骤(7)中的键合圆片通过划片机在红外探测器芯片焊盘上的焊盘划片槽处进行划片，将焊盘划片槽划开，划片厚度控制为滤光片盖板硅片的厚度。如图12所示，在纵轴方向沿划片槽29将划片槽划开即可。
(9)将步骤(8)中的键合圆片通过划片机在横轴和纵轴方向上进行划片，划片厚度控制为键合圆片的厚度。通过划片的方法将圆片上的红外探测器单元进行分离，得到红外滤光镜与红外敏感元件集成的红外探测器芯片，同时将红外探测器焊盘处的盖板硅片去除，得到的结构见图10。如图12所示，沿划片槽30和31将键合圆片划透即可。
(10)将探测器芯片安装固定于一基板或管座，并通过打线的方法将探测器与基板或管座进行电连接。
(11)芯片周边涂上一层封胶以保护金属导线。
实施例3
红外敏感元件圆片的焊料层选用TiW/Au，滤光片盖板圆片的焊料层选用Sn。在红外敏感元件圆片上沉积一层TiW/Au焊料层，在滤光片盖板圆片上沉积一层Sn焊料层，通过光刻及腐蚀的方法对器件圆片和滤光片圆片上的焊料层进行图形化。
其具体实施步骤部分与实施例1相同，主要区别在于：第一，将实施例1步骤(6)修改为在盖板键合面沉积一层TiW/Au种子层，然后涂胶光刻得到键合面图形，再在此键合面电镀沉积一层金属锡(Sn)，最后将光刻胶与非图形区域的种子层去除。第二，将实施例1步骤(7)中的金-金键合修改为金-锡键合，其余部分不变。其它步骤与实施例1中的相应步骤相同。

Claims (10)

1.一种非致冷红外探测器的低温真空封装结构，其特征在于其结构包括：
1)一包含悬浮红外敏感元件的硅基底传感器芯片；
2)一包含凹腔结构硅基底红外滤光片盖板；
3)包含凹腔结构红外滤光片盖板通过真空圆片对准键合固定在硅基底传感器芯片上，两者组成一个完整的非致冷红外探测器。
2.按权利要求1所述的非致冷红外探测器的低温真空封装结构，其特征在于所述的硅基底传感器芯片是由具有正面腐蚀制作的空腔结构的硅衬底的和悬浮在空腔上方的红外敏感元件组成。
3.按权利要求1所述的非致冷红外探测器的低温真空封装结构，其特征在于所述的红外滤光片盖板为三明治结构，即1)背面具有凹腔结构的轻掺杂硅片基底；2)位于盖板背面的光学膜和焊料层；3)位于盖板正面的光学薄膜和视场范围限制层。
4.按权利要求1、2或3所述的非致冷红外探测器的低温真空封装结构，其特征在于硅基底传感器芯片的空腔与滤光片盖板上的空腔组成一个真空腔室，而红外敏感元件则正好位于此真空腔室之中。
5.按权利要求3所述的非致冷红外探测器的低温真空封装结构，其特征在于：
a)所述的焊料层为Au-Au、Au-非晶硅Si、Au-Sn中的一种；或者为低温玻璃浆料或聚合物；
b)所述硅片的轻掺杂浓度为1×1010～1×1015cm-3。
6.按权利要求1或3所述的非致冷红外探测器的低温真空封装结构，其特征在于在红外探测器芯片的正面沉积一层图形化金属薄膜用于限制非红外探测器的视线范围。
7.制作如权利要求1、2、3或5所述的非致冷红外探测器的低温真空封装结构的方法，其特征在于利用圆片级低温对准键合技术将包含红外敏感元件的硅衬底圆片与包含红外滤光薄膜的硅衬底圆片进行低温真空键合，实现探测器红外滤光片与探测器的红外敏感元件制作工艺的集成，包括以下步骤：
(a)首先通过微细加工工艺在硅衬底上完成红外敏感元件结构的制作；
(b)通过涂胶光刻及腐蚀的方法硅片正面制作腐蚀开口，形成红外敏感元件释放的通道，然后使用干法或湿法腐蚀的方法腐蚀开口正面腐蚀硅衬底，形成悬浮薄膜结构，释放红外敏感元件；
(c)通过氧化、涂胶光刻、氧化硅腐蚀、硅腐蚀等方法在另外一轻掺杂的硅衬底的背面制作出凹腔结构；
(d)在步骤(c)制作的硅衬底正面和背面沉积光学薄膜，以实现红探测器外波长过滤选择功能；
(e)在步骤(d)制作的硅衬底的背面沉积一层焊料层，并通过涂胶光刻或丝网印刷的方法对焊料层进行图形化处理；
(f)将包含红外敏感元件的器件圆片与包含红外滤光薄膜的盖板圆片在真空氛围下进行圆片级低温对准键合；
(g)在键合好后的圆片正面沉积一层红外反射金属层；通过涂胶光刻及金属腐蚀在沉积的金属层上制作出图形，实现红外探测器视线范围控制功能；
(h)采用划片机对步骤(g)的所述键合圆片进行一个方向上的划片，通过划片的方法将红外探测器芯片焊盘上的划片槽划开；
(i)采用划片机对步骤(h)中所述键合圆片进行横轴和纵轴方向上的划片，将圆片上的红外探测器单元进行分离，同时将红外探测器芯片焊盘上的顶层硅去除；
(j)将划片后得到的单个红外探测器芯片固定于一基板上，并通过打线的方法与基板进行电连接；
(k)芯片周边涂上一层封胶以保护金属导线。
8.按权利要求7所述的制作方法，其特征在于a)焊料层选择Au-Au、Au-非晶硅Si或Au-Sn，则红外敏感元件释放之前将焊料层制备在器件圆片上；
b)红外敏感元件的释放是通过圆片级的硅微加工技术进行释放的。
9.根据权利要求7所述的非致冷红外探测器的低温真空封装的制作方法，其特征在于：
(a)在探测器芯片划片前，先通过划片的方法将红外探测器芯片焊盘上的划片槽划开，划片应该在焊盘划片槽处进行，并且划片只需在一个方向上进行，划片厚度应控制在滤光片盖板硅片的厚度；
(b)在通过划片的方法将红外探测器芯片焊盘上的划片槽划开后，再通过划片的方法将圆片上的红外探测器单元进行分离，并同时将红外探测器焊盘上的盖板硅片去除；此时划片应该分别在横轴方向和纵轴方向上进行，划片厚度为键合片的厚度；
(c)划片后得到的单个探测器芯片直接固定在一基板上，通过打线的方法与基板进行电连接，所述的基板可为印刷电路板、陶瓷基板或封装管壳。
10.根据权利要求7所述的非致冷红外探测器的低温真空封装的制作方法，其特征在于：
a)芯片周边涂的封胶为环氧胶或硅胶；
b)低温真空键合封装温度为300～500℃。
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