CN104157719A - 晶圆级封装红外探测器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种晶圆级封装红外探测器及其制备方法，所述晶圆级封装红外探测器包括聚光基板和探测器基板，所述聚光基板与所述探测器基板通过一焊料层连接，所述聚光基板允许红外光穿过并将红外光汇聚在探测器基板上。本发明优点是，将常规红外探测器封装中的光学窗口和红外透镜简并成一体，在一块聚光基板上实现两者功能，该封装方式具有结构紧凑，成本低的优势；采用双面抗反射设计提高红外抗反射性能，器件性能也能极大提升；实现晶圆级封装，降低封装成本，从而降低红外探测器制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及红外热成像领域，尤其涉及一种晶圆级封装红外探测器及其制备方法。
背景技术
红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域，其核心部件是红外焦平面阵列（IRFPA）。根据工作原理分类可分为：制冷型红外探测器和非制冷红外探测器。制冷型探测器主要利用窄禁带半导体光电效应将红外光信号转化为电信号，又称为光子探测器，通常工作在77K或更低温度下，这就需要笨重而又昂贵的制冷设备。此外，制作光子探测器所用的HgCdTe 、InSb 等材料价格昂贵、制备困难，且与CMOS 工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。
非制冷热型红外探测器通过红外探测单元吸收红外线，将红外能量转化为热能，热能引起探测器材料电学特性变化从而将红外能量转化为电信号，通过读出电路读取该信号并进行处理。非制冷型红外探测器也叫室温探测器，可在室温条件下工作而无需制冷，因此具有更易于便携等优点。非制冷红外探测器一般是热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的红外热探测器包括热堆、热释电、以及微测辐射热计。
对于非制冷红外探测器来说，传统的封装类型主要是芯片级封装，通常采用金属或陶瓷管壳。主要工艺流程包括如下步骤：(1) 硅晶圆上制备非制冷红外探测器的读出电路及敏感结构；(2) 将上述制备好的晶圆切割成单个探测器芯片；(3) 贴片、打线；(4) 真空封盖。上述步骤(3) 和(4) 是针对单个芯片的。由于一个晶圆上可以切出上百个探测器芯片，因此，这种封装形式不仅效率低下而且成本高昂。目前，利用传统封装类型的非制冷红外探测器的封装成本占到了整个探测器成本的90％。非制冷红外探测器的成本居高不下，封装是个很重要的原因。因此，要实现非制冷红外探测器的大批量应用，必须降低非制冷红外探测器的成本，首先就必须降低封装的成本。只有实现晶圆级封装才能大幅度降低封装成本。
晶圆级真空封装主要是晶圆制造过程中制作封装所需要的焊料，然后在对晶圆进行切割前完成两片或多片晶圆的键合封装，这样做的好处是可以大大减小封装后的器件尺寸，满足目前在移动设备中对小型化芯片的需求。同时无需使用金属或陶瓷管壳，能有效地降低器件的成本。
早期研究的非制冷红外探测器晶圆级封装多数是先在封盖晶圆上表面沉积抗反射膜，然后对封盖晶圆进行刻蚀形成腔体，通过特定工艺将封盖晶圆与探测器晶圆键合到一起，在这种封装方法中封盖晶圆只能起到窗口作用，对于红外探测器所需要的透镜仍需另行封装。此外这种封装方法只是在封装晶圆外表面做抗反射处理，通常抗反射性能不高。因此，早期红外探测器的晶圆级封装并不能很好地降低探测器成本，同时探测器性能也会受到影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种晶圆级封装红外探测器及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供了一种晶圆级封装红外探测器，包括聚光基板和探测器基板，所述聚光基板与所述探测器基板通过一焊料层连接，所述聚光基板允许红外光穿过并将红外光汇聚在探测器基板上。
进一步，所述聚光基板朝向和/或背向所述探测器基板的表面覆盖有抗反射膜。
进一步，所述抗反射膜为用于窄带增透的单层抗反射膜或者为用于宽带增透的多层膜系。
进一步，所述聚光基板朝向所述探测器基板的表面设置有微结构，所述微结构用于提高所述聚光基板的红外光抗反射性能。
进一步，所述微结构表面设置有抗反射膜。
进一步，所述聚光基板为凸透镜基板。
进一步，所述探测器基板包括读出电路、桥墩、桥腿和桥面，所述读出电路设置于所述探测器基板内部，所述桥墩设置在所述探测器基板表面且与所述读出电路电连接，所述桥腿设置在所述桥墩上且与所述桥面连接，使得所述桥面悬浮在所述探测器基板表面，在所述探测器基板的表面与所述桥面相对的部分设置有红外抗反射膜，所述红外抗反射膜与所述桥面形成红外共振腔。
本发明还提供一种晶圆级封装红外探测器的制备方法，包括如下步骤：提供一第一基板和一探测器基板，所述探测器基板含有红外探测元件；在所述第一基板的一表面制作聚光结构，以形成聚光基板，用以将红外光汇聚；在所述第一基板的另一表面制作焊环；在所述探测器基板含有红外探测元件的表面制作焊环；以所述第一基板的焊环及所述探测器基板的焊环为中间层，将所述第一基板和探测器基板键合，所述第一基板允许红外光穿过并将红外光汇聚在探测器基板上。
进一步，在所述制作聚光结构步骤后，进一步包括一在所述第一基板朝向和/或背向所述探测器基板的表面覆盖抗反射膜的步骤。
进一步，在所述第一基板的另一表面制作焊环步骤之前，进一步包括一在所述第一基板朝向所述探测器基板的表面制作微结构的步骤。
本发明的一个优点在于，将常规红外探测器封装中的光学窗口和红外透镜简并成一体，在一块聚光基板上实现两者功能，该封装方式具有结构紧凑，成本低的优势。
本发明的另一个优点在于，采用双面抗反射设计大大提高红外抗反射性能，器件性能也能极大提升。
本发明的另一个优点在于，实现晶圆级封装，降低封装成本，从而降低红外探测器制作成本。
附图说明
图1为本发明晶圆级封装红外探测器的结构示意图；
图2A~图2C为微结构的俯视示意图；
图2D为桥墩、桥腿和桥面的相对位置关系示意图；
图2E为本发明晶圆级封装红外探测器入射光路示意图；
图3为本发明晶圆级封装红外探测器的制备方法步骤示意图；
图4A~图4F为本发明晶圆级封装红外探测器的制备方法的工艺流程图；
图5A~图5D为在第一基板的一表面制作凸透镜的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的晶圆级封装红外探测器及其制备方法的具体实施方式做详细说明。
参见图1，本发明晶圆级封装红外探测器包括聚光基板10和探测器基板20。所述聚光基板10与所述探测器基板20通过一焊料层30连接。所述聚光基板10允许红外光穿过并将红外光汇聚在探测器基板20上，所述探测器基板20接收所述红外光。
在本具体实施方式中，所述聚光基板10为凸透镜基板。所述凸透镜的凸面11背向所述探测器基板20。在本发明其他具体实施方式中，所述聚光基板10还可以为菲涅尔透镜或者利用不同折射率材料复合而成的折射率透镜。所述聚光基板10由硅、锗、硫化锌或硒化锌等常用的红外光学窗口材料制成。
进一步，所述聚光基板10朝向和/或背向所述探测器基板10的表面覆盖有抗反射膜12，以提高所述聚光基板10的红外抗反射性能。图1仅显示在所述聚光基板10背向所述探测器基板10的表面设置抗反射膜12。抗反射膜12可以是应用于窄带增透的单层抗反射膜，也可以是应用于宽带增透的多层膜系，其材料通常选用氟化镁、氧化钛、硫化铅、硒化铅以及陶瓷红外光红外增透膜或乙烯基倍半硅氧烷杂化膜等。
进一步，所述聚光基板10朝向所述探测器基板20的表面设置有微结构13。所述微结构13用于提高所述聚光基板10的红外光抗反射性能。所述微结构13可以为衍射光栅。所述微结构13可以为凹陷结构，也可以为凸起结构，微结构13的俯视图形可以是圆、矩形、多边形等，参见图2A、图2B和图2C所示。在所述聚光基板10朝向所述探测器基板20的表面覆盖有抗反射膜的情况下，在所述抗反射膜上制作所述微结构13。在所述聚光基板10朝向所述探测器基板20的表面没有覆盖有抗反射膜的情况下，在所述微结构13的表面覆盖抗反射膜（附图中未标示），以进一步提高所述聚光基板10的红外光抗反射性能。
所述探测器基板20为现有的探测器基板，在此简略描述其结构。所述探测器基板20包括读出电路21、桥墩22、桥腿23和桥面24。所述读出电路21设置于所述探测器基板20内部。所述桥墩22设置在所述探测器基板20表面且与所述读出电路21电连接。所述桥腿23设置在所述桥墩22上且与所述桥面24连接，使得所述桥面24悬浮在所述探测器基板20表面。所述桥墩22、桥腿23和桥面24的相对位置关系参见图2D。所述聚光基板10将红外光聚焦在所述桥面24上。所述聚光基板10与探测器基板20之间的间距设置为使得入射红外线可汇聚到桥面24上，参见图2E所示。进一步，在所述探测器基板20的表面与所述桥面24相对的部分设置有红外抗反射膜25，以反射红外光，所述红外抗反射膜25与所述桥面24形成红外共振腔。
参见图3，本发明还提供一种晶圆级封装红外探测器的制备方法。所述方法包括如下步骤：步骤S30，提供一第一基板和一探测器基板，所述探测器基板含有红外探测元件；步骤S31，在所述第一基板的一表面制作聚光结构，以形成聚光基板，用以将红外光汇聚；步骤S32，在所述第一基板朝向和/或背向所述探测器基板的表面覆盖抗反射膜；步骤S33，所述第一基板背向所述探测器基板的表面制作微结构；步骤S34，在所述第一基板的另一表面制作焊环；步骤S35，在所述探测器基板含有红外探测元件的表面制作焊环；步骤S36，以所述第一基板的焊环及所述探测器基板的焊环为中间层，将所述第一基板和探测器基板键合。
图4A~图4F为本发明晶圆级封装红外探测器的制备方法的工艺流程图。
参见图4A及步骤S30，提供一第一基板400和一探测器基板410，所述探测器基板410含有红外探测元件。
所述第一基板400由硅、锗、硫化锌或硒化锌等常用的红外光学窗口材料制成。
所述探测器基板410包括读出电路411、桥墩412、桥腿413和桥面414。所述读出电路411设置于所述探测器基板410内部。所述桥墩412设置在所述探测器基板410表面且与所述读出电路411电连接。所述桥腿413设置在所述桥墩412上且与所述桥面414连接，使得所述桥面414悬浮在所述探测器基板410表面。所述桥墩412、桥腿413和桥面414的相对位置关系参见图2。所述第一基板10将红外光聚焦在所述桥面414上。所述第一基板400与探测器基板410之间的间距设置为使得入射红外线可汇聚到桥面414上。进一步，在所述探测器基板410的表面与所述桥面414相对的部分设置有红外反射膜415，以反射红外光，所述红外抗反射膜415与所述桥面414形成红外共振腔。
参见图4B及步骤S31，在所述第一基板400的一表面制作聚光结构401，以形成聚光基板，用以将红外光汇聚。所述聚光结构401的构型在本发明中不进行限制，只要能够起到将红外光汇聚的作用即可。在本具体实施方式中，以聚光结构401为凸透镜为例，进行讲解。所述凸透镜在第一基板400的一表面直接加工制成。
图5A~图5D为在所述第一基板400的一表面制作凸透镜的工艺流程图。
参见图5A，在所述第一基板400的需要制作凸透镜的表面旋涂光刻胶，对该光刻胶进行曝光显影，形成方形光刻胶块501。在本具体实施方式中，以形成两个单元的微透镜为例。
参见图5B，熔融所述方形光刻胶块501并迅速冷却至室温，形成具有凸透镜形状的光刻胶掩膜502。
参见图5C，采用等离子体刻蚀方法对第一基板400进行过刻蚀，形成如图5D所示的具有聚光结构401的第一基板400。
参见图4C及步骤S32，在所述第一基板400朝向和/或背向所述所述探测器基板410的表面覆盖抗反射膜402，以提高所述第一基板400的红外抗反射性能。在本具体实施方式中仅在所述第一基板400背向所述探测器基板410的表面设置抗反射膜402。抗反射膜402可以是应用于窄带增透的单层抗反射膜，也可以是应用于宽带增透的多层膜系，其材料通常选用氟化镁、氧化钛、硫化铅、硒化铅以及陶瓷红外光红外增透膜或乙烯基倍半硅氧烷杂化膜等。所述设置抗反射膜402的方法为现有技术，在此不赘述。
参见图4D及步骤S33，在所述第一基板400朝向所述探测器基板410的表面制作微结构403。该步骤可以设置于所述步骤S31之前。制作微结构403的方法为现有技术，在此不赘述。在本具体实施方式中，以圆形微结构为例，刻蚀深度为1~5微米，圆形直径为1~3微米，微结构403的排列周期为1~5微米。
进一步，在本发明其他具体实施方式中，若在所述第一基板400朝向所述探测器基板410的表面覆盖有抗反射膜402的情况下，步骤S33则是在所述抗反射膜402上制作所述微结构403。若在所述第一基板400朝向所述探测器基板410的表面没有覆盖有抗反射膜402的情况下，则在步骤S33之后，还包括一在所述微结构403的表面覆盖抗反射膜的步骤，以进一步提高所述第一基板400的红外光抗反射性能。
参见图4E、步骤S34及步骤S35，在所述第一基板400的另一表面制作焊环404；在所述探测器基板410含有红外探测元件的表面制作焊环416。所述制作焊环404和焊环416的方法为现有技术，在此不赘述。所述焊环404和焊环416的焊料通常选用铜锡合金、金锡合金、金硅合金等，厚度为1-100微米。在所述探测器基板410含有红外探测元件的表面制作焊环416后，还包括一释放牺牲层，以得到完整的探测器基板410的步骤。
参见图4F及步骤S36，以所述聚光基板的焊环404及所述探测器基板的焊环416为中间层，将所述第一基板400和探测器基板410键合。键合之后的第一基板400与探测器基板410之间的间距设置为使得外部入射红外光线汇聚到桥面414上。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种晶圆级封装红外探测器，其特征在于，包括聚光基板和探测器基板，所述聚光基板与所述探测器基板通过一焊料层连接，所述聚光基板允许红外光穿过并将红外光汇聚在探测器基板上。
2.根据权利要求1所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述聚光基板朝向和/或背向所述探测器基板的表面覆盖有抗反射膜。
3.根据权利要求2所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述抗反射膜为用于窄带增透的单层抗反射膜或者为用于宽带增透的多层膜系。
4.根据权利要求1所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述聚光基板朝向所述探测器基板的表面设置有微结构，所述微结构用于提高所述聚光基板的红外光抗反射性能。
5.根据权利要求4所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述微结构表面设置有抗反射膜。
6.根据权利要求1所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述聚光基板为凸透镜基板。
7.根据权利要求1所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述探测器基板包括读出电路、桥墩、桥腿和桥面，所述读出电路设置于所述探测器基板内部，所述桥墩设置在所述探测器基板表面且与所述读出电路电连接，所述桥腿设置在所述桥墩上且与所述桥面连接，使得所述桥面悬浮在所述探测器基板表面，在所述探测器基板的表面与所述桥面相对的部分设置有红外抗反射膜，所述红外抗反射膜与所述桥面形成红外共振腔。
8.一种晶圆级封装红外探测器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 提供一第一基板和一探测器基板，所述探测器基板含有红外探测元件； 在所述第一基板的一表面制作聚光结构，形成聚光基板，用以将红外光汇聚； 在所述第一基板的另一表面制作焊环； 在所述探测器基板含有红外探测元件的表面制作焊环； 以所述第一基板的焊环及所述探测器基板的焊环为中间层，将所述第一基板和探测器基板键合，所述第一基板允许红外光穿过并将红外光汇聚在探测器基板上。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述制作聚光结构步骤后，进一步包括一在所述第一基板朝向和/或背向所述探测器基板的表面覆盖抗反射膜的步骤。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在所述第一基板的另一表面制作焊环步骤之前，进一步包括一在所述第一基板朝向所述探测器基板的表面制作微结构的步骤。
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