CN112951947B - 转移和直接键合含吸气剂材料的薄层的检测装置制造方法 - Google Patents

转移和直接键合含吸气剂材料的薄层的检测装置制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造检测装置1的方法，包括以下步骤：形成堆叠件10，其包括热检测器20、矿物牺牲层15以及具有横向凹口4的薄封装层16；形成堆叠件30，其包括薄支撑层33、吸气剂部分34以及薄保护层35；将薄支撑层33与薄封装层16直接键合，使得吸气剂部分34位于横向凹口4中；形成进出口17，并且去除矿物牺牲层15和薄保护层35；沉积薄密封层5，阻塞进出口17。

Description

转移和直接键合含吸气剂材料的薄层的检测装置制造方法
技术领域
本发明的领域是用于检测电磁辐射、特别是红外或太赫兹辐射的装置的领域，该装置包括至少一个封装在密封腔中的热检测器，其中吸气剂材料也位于该密封腔中。本发明特别适用于红外成像和热成像的领域。
背景技术
用于检测电磁辐射、例如红外或太赫兹辐射的装置可以包括热检测器的阵列，每个热检测器包括用于吸收待检测的电磁辐射的吸收部分。
为了为热检测器提供热绝缘，吸收部分通常采用膜的形式，通过锚定柱悬浮在衬底上方，并且通过支撑和隔热臂与衬底热绝缘。通过将悬浮膜电连接到通常定位在衬底中的读出电路，这些锚定柱和隔热臂还具有电气功能。
读出电路通常采用CMOS电路的形式。它可以用于向热检测器施加控制信号，并且用于读取检测器响应于待检测的电磁辐射的吸收而生成的检测信号。读出电路包括由金属线形成的不同级别的电互连，该金属线通过称为金属间层的介电层彼此隔开。读出电路的至少一个电连接块以能够从检测装置的外侧接触的这种方式定位在衬底上。
文件EP3239670A1描述了一种用于制造检测装置的方法，该检测装置使用矿物牺牲层来形成热检测器，这些层随后通过湿法化学蚀刻去除。例如由钛制成的吸气剂材料的一部分位于每个吸收膜的下面，并且通过碳质牺牲薄层保护其免受湿法化学蚀刻，该碳质牺牲薄层随后通过特殊的干法化学蚀刻去除。因此，矿物牺牲层暂时覆盖碳质牺牲薄层。然而，需要提高在制造方法的不同步骤期间，特别是当执行平面化牺牲薄层的步骤时产生的堆叠件的机械强度，并且需要限制形成该堆叠件的元件或层的结构劣化的风险。
文件EP3399290A1描述了用于制造检测装置的另一方法，其中限定密封腔的封装结构通过薄盖的转移来形成。更精确地，形成了第一堆叠件，其包括热检测器和***柱，并且具有由例如铜的金属材料制成的***密封表面。形成了第二堆叠件，其包括形成薄盖的薄层，该薄层具有吸气剂部分和由例如铜的金属材料所制成的***密封表面。将该第二堆叠件施加到第一堆叠件上(即转移到第一堆叠件上)，并且使***密封表面接触并彼此键合。吸气剂部分覆盖有保护层，以防止其在用于去除矿物牺牲层的湿法化学蚀刻期间劣化。然而，一方面检测装置的结构需要简化，另一方面制造方法需要简化，特别是通过避免使用铜来键合两个堆叠件，因为这种材料在一些工艺规程中可能不适用。
发明内容
本发明的目的是至少部分克服现有技术的缺点。为此目的，本发明提出了一种用于制造用于检测电磁辐射的装置的方法，包括以下步骤：
-形成第一堆叠件，其包括：至少一个热检测器，其放置在第一衬底上，旨在检测电磁辐射，并且覆盖有由能够通过化学蚀刻去除的矿物材料制成的至少一个矿物牺牲层；以及薄封装层，其在热检测器上方延伸，并且有助于界定热检测器所在的空腔，该薄封装层包括放置在矿物牺牲层上的上部；至少一个凹口，其被称为横向凹口，延伸穿过薄封装层的上部和矿物牺牲层的一部分，并且在与第一衬底的平面平行的平面中与热检测器相距一定
距离；
-形成第二堆叠件，其包括：被称为支撑层的薄层，其对于电磁辐射是透明的，放置在支撑衬底上；至少一个吸气剂部分，其定位在薄支撑层上，并且部分覆盖该薄支撑层；以及薄保护层，其覆盖吸气剂部分，并且由能够
通过第二化学蚀刻去除的碳质材料制成；
-通过使薄支撑层接触薄封装层的上部并与其直接键合来组装第一堆叠件和第二堆叠件，使得吸气剂部分位于横向凹口中；然后
-穿过薄支撑层和薄封装层的上部形成至少一个释放进出口，其在矿物牺牲层上开口；然后
-通过第一化学蚀刻去除矿物牺牲层；
-通过第二化学蚀刻去除薄保护层；
-在薄支撑层上沉积薄密封层，以阻塞释放进出口。
该方法的某些优选但非限制性方面如下。
薄封装层可以在热检测器上面和周围连续延伸。因此，它可以包括上部以及延伸穿过矿物牺牲层并设置在第一衬底上的***部分。
组装步骤可以在环境温度下在小于或等于10-5Pa的真空压力下执行。
薄保护层的碳质材料可以选自无定形碳和聚酰亚胺。
横向凹口的尺寸可以使得在组装步骤中，薄保护层与矿物牺牲层相距一定距离，优选在平行于衬底的平面的平面上并且沿着与衬底的平面正交的轴线。
薄封装层可以是硅基的，并且薄支撑层可以是硅基或锗基的。
薄封装层可以具有由硅制成的接触表面，并且薄支撑层可以具有由硅或锗制成的接触表面。通过直接键合进行组装的步骤可以包括通过部分离子束蚀刻和真空键合来激活所述接触表面。
薄封装层的上部可以通过由硅制成的子层和第一键合子层形成，并且薄支撑层可以由硅基或锗基子层和第二键合子层形成，这两个键合子层对待检测的电磁辐射是透明的。通过直接键合进行组装的步骤可以包括使两个金属子层在真空下彼此接触。
所述键合子层可以均具有小于或等于1nm的厚度。
所述键合子层可以由金属材料或无定形碳制成。
第一堆叠件可以包括热检测器的多个阵列，每个热检测器的阵列位于至少部分由薄封装层限定的不同空腔中，薄支撑层与不同的薄封装层的上部接触。
吸气剂部分可以定位成面向被称为补偿检测器的热检测器，其目的是不接收电磁辐射，吸气剂部分对电磁辐射不透明。
本发明还涉及一种用于检测电磁辐射的装置，因此，封装结构的一部分是具有平坦上表面的薄支撑层，这当需要添加光学部件(例如滤波器)时是有利的。它包括：
○衬底；
○至少一个热检测器，其放置在衬底上，旨在检测电磁辐射；
○薄封装层，其在热检测器上方延伸，并且有助于界定热检测器所在的空腔，该薄封装层包括上部；
·至少一个凹口，其被称为横向凹口，延伸穿过薄封装层的上部，并且在与衬底的平面平行的平面中的与热检测器相距一定距离；
○被称为支撑层的薄层，其对电磁辐射是透明的，与薄封装层的上部接触放置，薄支撑层具有与衬底相对的平坦上表面；
○至少一个吸气剂部分，其组装在薄支撑层上并且定位在横向凹口中；
○至少一个释放进出口，其延伸通过薄支撑层和薄封装层的上部；
○薄密封层，其覆盖薄支撑层并且阻塞释放进出口。
附图说明
当阅读参考附图以非限制性示例的方式提供的优选实施例的以下详细描述时，本发明的其他方面、目的、优点和特征将变得更加明显，在附图中：
图1A至1H示出了根据第一实施例的用于制造检测装置的方法的不同步骤，其中直接键合是SAB(用于表面活化键合)类型；
图2是根据本发明第一实施例的变体产生的检测装置的示意图和部分截面图，其中吸气剂部分定位成面向补偿热检测器；
图3A至3F示出了根据第二实施例的用于制造检测装置的方法的不同步骤，其中直接键合是ADB(用于原子扩散键合)类型。
具体实施方式
在附图和说明书的其余部分中，相同的附图标记已用于表示相同或相似的元件。此外，为了附图的清晰，各种元件没有按比例显示。此外，各种实施例和变形不是相互排斥的，并且可以彼此组合。除非另有说明，术语“基本上”、“约”、“大约”意味着在10％以内，并且优选在5％以内。此外，除非另有说明，术语“在…与…之间”等意味着界限包括在内，
本发明一般涉及一种用于制造能够检测红外或太赫兹辐射的电磁辐射检测装置的方法。该检测装置包括位于密封腔中的一个或更多个热检测器，以及至少一种用作吸气剂的材料。密封腔由封装结构界定，该封装结构由对于待检测的电磁辐射透明的多个薄层形成，该薄层特别包括薄封装层，该薄封装层在热检测器上连续地延伸，并且如有必要，在热检测器上方和周围连续地延伸。“薄层”是指通过微电子学中使用的材料沉积技术形成的层，其厚度优选小于或等于10μm。当薄层对于待检测的电磁辐射的光谱范围的中心波长具有大于或等于50％、优选等于75％、或者可能等于90％的透射系数时，该薄层被称为是透明的。
一般来说，用作吸气剂的材料是一种旨在暴露于密封腔的空气并且能够通过吸收和/或吸附来执行气体泵送的材料。它是一种金属材料，其可以从钛、锆、钒、铬、钴、铁、锰、钯、钡和/或铝或这些金属的合金(例如TiZrV)中选择。
该制造方法还包括通过使用由矿物或无机材料制成的至少一个被称为矿物层的牺牲层来产生一个或多个热检测器的步骤。在这种情况下，该材料是硅基介电材料，该硅基介电材料还能够用于形成读出电路的金属内介电层，即电绝缘材料，该电绝缘材料例如具有小于或等于3.9的介电常数或相对介电常数，从而限制了互连之间的寄生电容。该矿物材料没有碳链，并且可以是氧化硅SiOx或氮化硅SixNy、或者诸如SiOC、SiOCH之类的有机硅材料、或者诸如SiOF之类的氟化物玻璃型的材料。可以通过诸如在酸性介质中的化学蚀刻之类的湿法化学蚀刻工艺、例如在气相(HF蒸气)中使用氢氟酸来去除矿物牺牲层。“湿法蚀刻”在一般方式下是指蚀刻剂存在于液相或气相中，在这种情况下优选在气相中。
根据本发明，吸气剂材料形成定位在薄支撑层上的所谓的吸气剂部分或吸气剂块，该薄支撑层通过直接键合来施加和组装到薄封装层上。直接键合，有时被称为分子键合或通过分子粘附的键合，是将两个彼此接触的表面固定，而无需添加诸如树脂或聚合物之类的特殊的键合材料，而是使用在待键合的表面之间的原子或分子相互作用的吸引力，例如范德华力或共价键或金属键。它是在环境温度下自发形成的键合。环境温度可以是40℃或更低的温度，例如大约25℃。直接键合可以是温度辅助的，以便增加键能，从而加强表面的附着力，从而加强空腔的密封性，例如通过在环境温度下键合的步骤之后的退火来进行。
此外，由于在该转移和直接键合的步骤之后去除了一个或多个矿物牺牲层，所以吸气剂部分涂覆有碳质材料的薄保护层。碳质材料是由包括碳原子的至少一种的化学物质形成的材料。因此，它可以是诸如无定形碳之类的矿物材料、可能是DLC(用于类金刚石碳)或诸如聚酰亚胺之类的有机材料。DLC类型的碳是具有高碳sp3杂化率的无定形碳。优选地，碳质材料不包括硅，从而在去除该牺牲层的步骤之后避免存在任何残留物。因此，薄保护层相对于用于去除矿物牺牲层的湿法化学蚀刻是基本上惰性的。“基本上惰性的”是指碳质材料基本上不与在去除矿物牺牲层的步骤中使用的蚀刻剂发生反应，或者仅发生轻微反应，从而在该去除步骤结束时，薄保护层仍然完整覆盖吸气剂材料。薄保护层能够通过化学蚀刻去除，例如干法化学蚀刻，其中蚀刻剂的示例是等离子体中包含的氧。
在转移步骤中，为了使被碳质材料保护的吸气剂部分能够被引入空腔，横向凹口以其通过薄封装层和部分矿物牺牲层朝着读出衬底延伸的方式形成。该凹口(也被称为缺口)被称为横向凹口，因为它在平行于衬底的平面中与旨在接收电磁辐射的一个或多个热检测器相距一定距离。
图1A至1F示出了根据第一实施例的用于制造检测装置1的方法的不同步骤，其中直接键合是SAB(表面活化键合)类型。为了清楚起见，仅在附图中示出了检测装置1的一部分。在本示例中，该方法使多个检测装置1(优选彼此相同)能够同时制造。
作为示例，在这种情况下，热检测器20能够检测在波长约为8μm至14μm的LWIR(长波红外)范围中的红外辐射。在这种情况下，每个检测装置1包括一个或更多个热检测器20，并且在这种情况下，相同热检测器20的阵列连接到位于衬底11(其随后被称为读出衬底)中且位于相同密封腔2中的读出电路。因此，热检测器20形成周期设置的敏感像素，并且在读出衬底11的平面中可以具有几十微米数量级的横向尺寸，例如等于或小于约10μm。在这种情况下，薄封装层也在热检测器的上方和周围连续延伸。然而，薄封装层的其他构造是可能的。
此时，对于说明书的其余部分，将定义三维直接参考***XYZ，其中，平面XY基本平行于读出衬底11的平面，轴线Z以与朝向热检测器20的读出衬底11的平面基本正交的方向定向。术语“垂直的”和“垂直地”将解释为与基本平行于轴线Z的方向有关，并且术语“平行的”和“平行地”将解释为与基本平行于平面XY的方向有关。此外，术语“下部”和“上部”将解释为在方向+Z上与随着距读出衬底11的距离增加的位置有关。
参考图1A，形成第一堆叠件10，包括：
-第一衬底11，其被称为读出衬底；
-热检测器20的至少一个阵列，其设置在读出衬底11上，旨在检测电磁辐
射，并且覆盖有至少一个矿物牺牲层15；
-薄封装层16，其沿着轴线Z在热检测器20的阵列的上面并且在平面XY中围绕阵列连续延伸。
在本示例中，热检测器20的多个阵列设置在读出衬底11上，并且每个热检测器的阵列被相同的薄封装层16包围，该薄封装层旨在随后形成彼此不同的薄封装层。然后，每个薄封装层16旨在界定空腔2，在这种情况下，该空腔容纳热检测器20的阵列。
读出衬底11是硅基的，并且由包含读出电路(未示出)的支撑衬底形成，该读出电路能够控制并读取热检测器20。在这种情况下，读出电路采用CMOS集成电路的形式。除其他元件外，它包括通过由介电材料制成的金属间绝缘层彼此隔开的导线部分，该介电材料例如为硅基矿物材料，诸如氧化硅SiOx、氮化硅SiNx等。导电部分12与支撑衬底的表面齐平，并且提供热检测器20的锚定柱21与读出电路的电连接。此外，在这种情况下，一个或更多个连接部分13与支撑衬底的表面齐平，并且使读出电路能够连接到外部电子器件。
读出衬底11可以包括面向每个热检测器20定位的反射器(未示出)。反射器可以由最后一级互连的导线的一部分形成，该导线由能够反射待检测的电磁辐射的材料制成。它面向热检测器20的吸收膜22延伸，并且旨在与热检测器形成用于待检测的电磁辐射的四分之一波干涉腔。
最后，在这种情况下，读出衬底11包括保护层14，使得上部金属间绝缘层特别被覆盖。在这种情况下，该保护层14对应于蚀刻停止层，该蚀刻停止层由对例如在气相的HF介质中随后用于去除不同矿物牺牲层15的化学蚀刻剂基本上惰性的材料制成。因此，该保护层14形成密封的化学惰性层，该化学惰性层电绝缘以防止锚定柱21之间的任何短路。因此，它能够防止底层金属间绝缘层在去除矿物牺牲层15的步骤期间被蚀刻。它可以由氧化铝或氮化铝、或者氟化铝、或者无意掺杂的非晶硅形成。保护层14不覆盖连接部分13，从而使它们电连接到外部电子器件。
然后，热检测器20在读出衬底11上形成。这些生产步骤与在文件EP3239670A1中特别描述的那些生产步骤相同或相似。在这种情况下，热检测器20是微测热辐射计，其分别包括吸收膜22，即能够吸收待检测的电磁辐射的膜，其通过锚定柱21悬挂在读出衬底11上方并通过支撑和隔热臂与衬底热绝缘。吸收膜22通常由表面微加工技术制造，该技术包括通过第一矿物牺牲层形成锚定柱21，以及在牺牲层的上表面上形成隔热臂和吸收膜22。每个吸收膜还包括测温传感器，例如热敏电阻材料，其通过在隔热臂和锚定柱21中提供的电连接件连接到读出电路。
然后沉积第二矿物牺牲层，其优选与第一矿物牺牲层种类相同。第二矿物牺牲层覆盖矿物牺牲层和热检测器20。在附图中，两个矿物牺牲层一起以附图标记15示出。
然后，对于热检测器20的每个阵列，封装结构的薄封装层16以与文件EP3239670A1中描述的类似的方式形成。首先，使用传统的光刻技术来局部蚀刻矿物牺牲层15，以形成在读出衬底11上开口的沟槽。然后，在这种情况下，例如通过化学气相沉积(CVD，用于化学气相沉积)执行非晶硅的薄封装层16的一致沉积，该层延伸到矿物牺牲层15上面并进入沟槽中。显然，封装层16可以包括如在文件EP3067674A2中特别描述的支撑柱。
因此，薄封装层16包括上部部分16.1(也被称为上壁)和***部分16.2(也被称为***壁)，该上部部分在热敏检测器20上方并且沿着轴线Z与其相距一定距离地延伸，该***部分在平面XY中连续包围热检测器20。因此，上壁16.1设置在矿物牺牲层15上并与其接触。薄封装层16旨在沿着方向+Z在平面XY中界定空腔2。
在本示例中，相同的薄封装层16以使得其连续覆盖热检测器20的不同阵列并且延伸到不同沟槽中的方式沉积。此外，在热检测器20的相邻阵列上方延伸的上壁16.1通过中间上壁16.3互连，在这种情况下，该中间上壁16.3悬垂于连接部分13。然后，横向空腔2.1在两个相邻空腔2之间形成。它由中间上壁16.3和***壁16.2界定，该***壁界定两个相邻空腔2。它由矿物牺牲层15填充。它可以延伸以使其在平面XY中至少部分地包围热检测器20的相同阵列。薄封装层16也在热检测器20上面和周围连续延伸。上壁16.1在热检测器20的上方延伸，并且***壁16.2在平面XY中围绕热检测器20。因此，上壁16.1和***壁16.2形成为一体，并且是相同的材料。
在一种变型中，可以形成不同的薄封装层16，然后这些层彼此不同，分别属于不同的检测装置1。为此目的，中间上壁16.3被局部蚀刻，以便将不同的薄封装层16分开。然后可以形成***开口，使得封装材料不在一个或多个连接部分13的上方延伸。
参考图1B，至少被称为横向凹口的第一凹口4通过光刻和蚀刻在薄封装层16中和矿物牺牲层15的一部分中形成。横向凹口4通过各向异性干法蚀刻(物理蚀刻)形成，例如RIE蚀刻。在这个阶段，用于允许矿物牺牲层15从空腔2排出的释放进出口17.1尚未形成。
横向凹口4旨在允许将至少一个吸气剂部分34引入空腔2，该至少一个吸气剂部分被薄保护层35覆盖，吸气剂部分34固定到薄支撑层33上，该薄支撑层通过直接键合来施加和组装到薄封装层16上。横向凹口4具有与被薄保护层35覆盖的吸气剂部分34的尺寸相适应的尺寸，以便允许以这种方式保护的吸气剂部分34被引入由横向凹口4界定的空间中。优选地，调整横向凹口4的尺寸，从而在转移和直接键合之后，薄保护层35与矿物牺牲层15相距一定距离，也就是说在平面XY中并且沿着轴线Z以非零的距离与矿物牺牲层15间隔开。
横向凹口4是从第一堆叠件的上表面以-Z方向形成的凹部。它以-Z方向延伸通过薄封装层16，然后部分延伸到矿物牺牲层15中。它通过矿物牺牲层15的一部分沿着轴线Z与读出衬底间隔开。因此，它具有底部表面4.1和边缘表面4.2，该底部表面由矿物牺牲层15的上表面限定，并且以基本平行于平面XY的方式延伸，该边缘表面由矿物牺牲层15和薄封装层16限定，并且以基本平行于轴线Z的方式延伸。
凹口4被称为是横向的，因为它在与读出衬底11的平面平行的平面上与光学有源热检测器20，即旨在检测红外辐射的热检测器20相距一定距离，使得吸气剂部分34的存在不干扰待检测的电磁辐射的传输。因此，横向凹口4与这些热检测器20以非零距离间隔，并且更精确地与吸收膜22间隔，并且还优选与隔热臂和锚定柱21间隔。然而，如下所述，它可以悬垂补偿热检测器7，即被称为盲检测器的热检测器，因为其目的是不接收或检测电磁辐射。
作为示例，横向凹口4在平面XY中的尺寸和沿着轴线Z的深度使其能够通过堆叠件的键合中的对准边缘来容纳被薄保护层35覆盖的吸气剂部分34。吸气剂部分34在平面XY中的尺寸取决于吸气剂部分与一个或多个检测器有关的布置。因此，这些尺寸可以是几mm2的数量级，从而例如该部分在多个补偿检测器上面垂直延伸，或者可以特别当提供了吸气剂部分的网格时具有更小的尺寸。吸气剂部分的厚度可以是约100nm至1μm，通常为300nm。薄保护层35可以具有几十至几百纳米的厚度，通常为200nm。
参考图1C，形成第二堆叠件30。该步骤可以在先前所述的步骤之前、期间或之后执行。第二堆叠件30包括：
-支撑衬底31、32；
-被称为密封层的薄层33，其设置在支撑衬底上并且由对待检测的电磁辐射
透明的材料制成；
-至少一个吸气剂部分34，其设置在薄支撑层33上并且部分覆盖该薄支撑层；
-薄保护层35，其覆盖吸气剂部分34，由能够通过诸如O2等离子体蚀刻之类的化学蚀刻去除的碳质材料制成。
第二堆叠件30可以基于SOI衬底或GeOI衬底。然后，支撑衬底从具有例如几百微米的厚度的硅衬底31以及埋入氧化(BOX)层32形成。薄支撑层33在SOI衬底的情况下可以由硅制成，或者在GeOI衬底的情况下可以由锗制成。选择薄支撑层33的材料和厚度，使其对待检测的电磁辐射透明。因此，其厚度可以小于或等于200μm或者可能10μm，或者优选小于或等于5μm，例如等于约100nm。
在本示例中，薄封装层16由单一材料形成，在这种情况下是非晶硅，使得上壁16.1和***壁完全由非晶硅制成。薄支撑层33也由单一材料形成，在这种情况下是硅(用于SOI衬底)或锗(用于GeOI衬底)。在一种变型中，如下所述，薄封装层16和薄支撑层33可以至少局部为多层，然后，待接触的表面通过键合子层形成。
吸气剂部分34由具有吸气剂作用的材料，例如钛制成。它完全被由碳质材料制成薄保护层35覆盖，该薄保护层优选由无定形碳制成，并且具有几十纳米至几百纳米的厚度，例如50nm至500nm，或者可能为100nm至300nm，以便提供吸气剂部分34的良好覆盖。
如果碳质材料是无定形碳，则它可以通过诸如等离子体增强化学气相沉积(PECVD，用于等离子体增强化学气相沉积)或物理气相沉积(PVD，用于物理气相沉积)之类的适当的化学沉积技术，例如通过用离子束(IBS)溅射碳靶来在薄层中沉积。在聚酰亚胺的情况下，它可以通过分配然后离心(旋涂)来沉积。沉积薄保护层35以便完整覆盖吸气剂部分34，但是在这种情况下，它基本上不会在薄支撑层33上面延伸(除了在吸气剂部分34的边缘处之外)，从而留下薄支撑层33的表面，旨在在通过直接键合进行组装的步骤中与薄封装层16接触。
因此，碳质材料相对于蚀刻剂，特别是气相氢氟酸是惰性的，该蚀刻剂用于随后执行的化学蚀刻，以去除矿物牺牲层15。这是聚酰亚胺的情况，它与氢氟酸几乎没有反应，因此在湿法化学蚀刻步骤结束时没有去除其整个厚度，因此，吸气剂部分34保持被薄保护层35的非零厚度完全覆盖。这也是无定形碳的情况，它基本上与这种蚀刻剂没有反应。然而，碳质材料能够与用于随后执行的化学蚀刻的蚀刻剂反应，特别是与存在于干法化学蚀刻等离子体中的氧发生反应，以去除该薄保护层35。
参考图1D，第二堆叠件30通过使薄支撑层33在真空下与薄封装层16接触并且将其直接与之键合来组装到第一堆叠件10上。在本示例中，第二堆叠件30的相同薄支撑层33与不同上壁16.1接触，并且在这种情况下与中间上壁16.3接触。
相互接触并通过直接键合进行组装的表面基本上是平坦的。因此，可以在形成横向凹口4之前执行平坦化薄封装层16平坦化的初步步骤。还可以在形成吸气剂部分34和沉积薄保护层35之前执行平坦化薄支撑层33的步骤。
直接键合优选被称为SAB(表面活化键合)。这种键合技术特别适用于环境温度下两个硅层的直接键合，不需要任何中间键合材料，例如树脂或聚合物。对于这种的直接键合，键合期间的压力可以增加键能。这种键合技术特别在Takagi等人的文献Surfaceactivated bonding of silicon wafers at room temperature,Appl.Phys.Lett.68,2222(1996)中描述。它还可以用于将锗的薄支撑层33直接键合到硅的薄封装层16上。
为此目的，已经通过部分离子束蚀刻，例如通过使用氩或氦、氖、氙或氪的原子束来预先激活上壁16.1和薄支撑层33的游离硅表面(接触表面)。如果该表面处理导致轻微蚀刻，则在该步骤中，薄保护层35对吸气剂部分34提供补充保护。此外，在该步骤中，热检测器20被矿物牺牲层15完全覆盖，并且因此免受部分氩束蚀刻会导致的任何退化。
因此，薄支撑层33的游离硅(或锗)表面直接与薄封装层16的上壁16.1的上硅表面接触。硅接触表面在真空下接触，优选其真空压力小于或等于10-7mbar(即10-5Pa)。例如，可以在传感器层叠的方向上施加0.05至1.6MPa的压力。
这通过共价硅-硅或硅-锗键合导致接触表面之间的直接键合。由于共价键的附接，键能很高，并且因此加强了空腔2的密封。在环境温度下，可以获得至少2J/m2的附着力。在这种情况下，无需焊后退火。这避免了由于在高于衬底11中包含的CMOS读出电路的热预算的温度(约为350℃至400℃)下退火而引起的读出电路退化的风险。此外，键合界面在此由硅-硅(或硅-锗)表面形成，并且不含可以减少光辐射朝向热检测器20的传输的氧化物。因此，保持检测装置1的性能。
可以对两个堆叠件10、30施加温差，以便在第二层堆叠件30内生成较小的机械拉应力，从而改善其平坦度并降低在组装之后的残余机械应力。该温差可以大于0℃且小于或等于150℃，例如等于约50℃，以便在第二堆叠30内生成约25MPa的拉应力。
参考图1E，有利地去除了第二堆叠件30的支撑衬底的至少一部分，在这种情况下为硅衬底31。为此目的，可以对硅衬底31的一部分进行研磨以获得厚度为几微米的残余层，然后对残余层进行化学蚀刻，蚀刻停止在氧化层32上。还有其他可能的技术。例如，氧化层32可以与矿物牺牲层15同时去除。
然后形成释放进出口17.1，以允许在对矿物牺牲层15进行湿法化学蚀刻期间将蚀刻产物从空腔2排出。它们由各向异性干法蚀刻形成，例如RIE蚀刻。它们可以定位在两个相邻的热检测器20之间，或者可以如申请EP3067675A1中所述，沿着轴线Z面向吸收膜22定位，或者优选定位在锚定柱的上方。然后，吸收膜22可以具有垂直于相应孔的穿透开口，如该申请EP3067675A1中所述。释放进出口17.1延伸通过氧化层32(如有必要)、薄支撑层33和薄封装层16，以在下层的矿物牺牲层15上开口。横向释放进出口17.2也形成为通过中间上壁16.3。
参考图1F，然后执行能够去除矿物牺牲层15的化学蚀刻，在这种情况下是通过气相氢氟酸的作用的湿法化学蚀刻。化学反应产物通过释放进出口17.1排放。由于这种湿法化学蚀刻是各向同性的，它导致吸收膜22与隔热臂悬浮，并且锚定柱21被释放。在这种情况下，覆盖一个或多个连接部分13的矿物牺牲层15的部分也在该化学蚀刻期间经由横向释放进出口17.2去除。
因此，由薄封装层16界定的空腔2从矿物牺牲层15释放，其蚀刻产物通过释放进出口17.1、17.2排出。同时去除氧化层32。然后，薄封装层16仅被薄支撑层33覆盖。然后，由其薄保护层35覆盖的吸气剂部分34位于空腔2中，并且由薄支撑层33悬浮在读出衬底11的上方。
参考图1G，执行第二化学蚀刻，用于去除薄保护层35并且使吸气剂部分34的表面自由化。在这种情况下，化学蚀刻是干法化学蚀刻，并且蚀刻剂是存在于等离子体中的氧。由于该干法化学蚀刻是各向同性的，因此保持了释放结构的完整性，同时促进蚀刻剂通过释放进出口17.1进入空腔2。
参考图1H，薄密封层5沉积在薄支撑层33上，其厚度足以确保开口到空腔2的释放进出口17.1的密封或堵塞。薄密封层5对待检测的电磁辐射是透明的。
在这种情况下，它被薄抗反射层6覆盖，以优化辐射通过封装结构的传输。为此目的，薄密封层5可以由厚度约为1.7μm的锗制成，并且薄抗反射层6可以由厚度约为1.2μm的硫化锌制成，其中待检测辐射的波长为8μm至12μm。可以使用其他类型的抗反射层。
薄密封层5和抗反射层6可以通过薄层真空沉积技术沉积，例如在由电子束(EBPVD)或阴极或离子束溅射加热的源的真空下的蒸发。这形成了在真空或减压下的密封腔2，热检测器20位于该密封腔中。
然后，沉积在读出衬底11上的薄密封层5和抗反射层6的部分被局部蚀刻，以便接近连接部分13，并且使得可以例如在连接部分13与外部电子器件之间提供线类型(线键合)的电连接。
还可以执行切除所得到的整体结构的步骤，以便使不同的检测装置彼此分离。该切除步骤可以通过以下由诸如机械和/或激光切割、化学蚀刻、物理蚀刻或其他之类的已知技术预定义的切割线来执行。
通过使检测装置1在烘箱或炉子中进行适当的热处理来激活吸气剂部分34的化学吸附，以使吸气剂材料与存在于密封腔中的残余气体分子反应，从而形成稳定的化合物。这导致密封腔中的真空度持续或降低，从而提高检测装置的使用寿命。
因此，该制造方法可以用于生产检测装置1，该检测装置包括限定密封腔2的封装结构，在这种情况下，多个热检测器20与至少一个吸气剂部分34一起位于其中。封装结构由在热检测器20上方和其周围连续延伸的薄封装层16以及通过在薄封装层16上直接键合而组装的薄支撑层33形成。吸气剂部分34固定在薄支撑层33上，并且在薄封装层16通过横向凹口4的转移期间引入空腔2中，该薄封装层在平面XY中与光学有源热检测器20相距一定距离。
因此，与文件EP3399290A1相比，封装结构3具有简化的构造。它由薄封装层16、支撑层33和密封层5形成，因此不是由设置了铜键合块、薄盖和密封层的***壁形成的。此外，将第二堆叠件30组装到第一堆叠件10上不需要使用铜来直接键合，因此简化了该制造方法。由于在薄封装层16与薄支撑层33之间的接触面可以较大，因此键合面也增加，从而提高机械强度。
此外，通过SAB键合或如下所述的ADB键合的组装可在环境温度下执行，同时获得空腔2的高质量密封。因此，可以避免使第一衬底11中的读出电路劣化，或者导致吸气剂的特性发生不期望的变化。吸气剂也能够在组装步骤之前或之后激活。
由于吸气剂部分34通过薄支撑层33引入空腔2中，因此在平坦化沉积的不同矿物牺牲层15的步骤期间能够保持矿物牺牲层15的机械支撑。这避免了文件EP3239670A1中提到的机械脆性，这在当矿物牺牲层15设置在聚酰亚胺的薄保护层35上时对其进行平坦化的过程中是显而易见的，在该情况下，吸气剂部分34位于热检测器下面并且被聚酰亚胺碳质层保护以免受HP蒸气蚀刻。这是因为，在本发明的情况下，矿物牺牲层15不设置在保护设置在衬底11上的吸气剂部分34的碳质牺牲层上，因此在这种情况下避免了这种机械脆性。
此外，矿物牺牲层15在与包括薄保护层35的第二堆叠件20组装之前在第一堆叠件10中形成。因此，它们不沉积在薄保护层35上并且与其接触，如文件EP3239670A1中所述，使得可以相对于用于去除矿物牺牲层15的湿法蚀刻保持无定形碳的惰性性质。事实上，发明人已经发现矿物牺牲层15沉积在无定形碳层上并与其接触可以导致无定形碳相对于诸如HF蒸气蚀刻之类的湿法蚀刻的惰性性质退化。
此外，薄保护层35有利地与矿物牺牲层15保持一定距离。然后，空气层位于薄保护层35与矿物牺牲层15之间，使得在矿物牺牲层15与薄保护层35之间具有间隔。空气层提供了足够的公差，特别是与对准误差有关的公差。
此外，吸气剂部分34没有如在文档EP3239670A1中的情况那样面向吸收膜22，使得可以使用更大的吸气剂材料的表面积。此外，吸气剂材料仅可以基于其化学吸附性质选择，而不可以基于光学反射的补充性质选择。因此，可以选择具有高化学吸附性能的吸气剂材料。
图2是通过根据第一实施例的变型的制造方法制造的检测装置1的示意图和部分截面图。
在这种情况下，检测设备1基本上与先前描述的那些不同，因为它包括至少一个补偿热检测器7，其定位于密封腔2中，其中吸气剂部分34朝向它。因此，吸气剂部分34定位于与旨在检测红外辐射的热检测器20相距一定距离处，以便不干扰电磁辐射向这些热检测器20的传输。然而，它定位成面向补偿热检测器7，并且特别地面向其整个悬浮膜，以阻止电磁辐射向该热检测器7的传输。因此，吸气剂部分34由材料制成，并且其厚度使其不传输待检测的电磁辐射。换句话说，吸气剂部分34对待检测的电磁辐射不透明。
图3A至3F示出了根据第二实施例的制造方法的不同步骤，其中直接键合是ADB(原子扩散键合)类型。这种键合技术特别适用于环境温度下两个子层的键合，不需要任何中间键合材料，例如树脂或聚合物。该键合技术特别在Shimatsu和Uomoto的文献Atomicdiffusion bonding of wafers with thinnanocrystalline metal films,J.Vac.Sci.Technol.B 28,706(2010)中描述。
为此目的，薄封装层16和薄支撑层33的键合表面由优选由钛Ti或无定形碳制成的子层19、37形成，其厚度选择为用于限制待检测的电磁辐射的吸收，例如厚度小于或等于1nm，例如等于0.5nm。与钛相比，无定形碳由于其相对于HF蒸汽湿法蚀刻更高的选择性(惰性)而是有利的。在HF蒸汽蚀刻中，从进出口对键合子层的任何蚀刻仍然受到限制。
参考图3A，在这种情况下，形成与参考图1A描述的堆叠件类似的第一堆叠件10。该步骤与先前描述的步骤相同，将不再详述。
参考图3B，以与参考图1B描述的步骤相同或相似的方式形成横向凹口4。然后在真空下，例如在小于或等于2×10-6pa的压力下，通过气相物理沉积(蒸发、溅射等)来沉积键合子层19，从而覆盖薄封装层16的上表面。在这种情况下，键合子层19也沉积在横向凹口4的底面4.2上。在一种变型中，键合子层19可以在形成横向凹口4之前沉积。因此，薄封装层16的上壁16.1由例如与***壁16.2一体制成的硅的子层19和键合子层19形成。
参考图3C，形成与先前描述的堆叠件相似的第二堆叠件30。然而，在厚度和材料上优选与第一键合子层19相同的第二键合子层37沉积在薄支撑层33上，并且在这种情况下沉积在薄保护层35上。在这种情况下，该子层是厚度约为0.5nm的钛或无定形碳的薄层37。更精确地说，薄支撑层33由硅(用于SOI衬底)或锗(用于GeOI衬底)的子层36和第二键合子层37形成。键合子层37的一部分沉积在薄保护层35的上表面上。
参考图3D，第二堆叠件30通过将两个键合子层19、37在真空下以环境温度接触来组装在第一堆叠件10上，这两个键合子层分别覆盖子层18和子层36。由于这些键合子层19、37由纳米晶体材料，即厚度最大约为即纳米的纳米晶体材料形成，因此在这两个金属表面之间实现了直接键合。键合界面处的原子扩散使空腔2的密封更强。在这种情况下，覆盖薄保护层35的键合子层37的一部分沿着轴线Z与位于横向凹口4的底面4.2上的键合子层19的一部分以非零距离间隔开。
参考图3E，在位于空腔2中的矿物牺牲层15上开口的释放进出口17.1与在横向空腔2.1中开口的横向进出口17.2一起形成。
参考图3F，执行用于去除矿物牺牲层15从而去除氧化层32的湿法化学蚀刻。在这种情况下，如果键合子层37由钛制成，则其覆盖薄保护层35的部分被去除。然后，执行干法化学蚀刻，以便去除薄保护层35。当键合子层37由无定形碳制成时，其覆盖薄保护层35的部分在干法化学蚀刻的步骤中被去除。因此，吸气剂部分34的表面保持自由化。然后，薄密封层5、并且在这种情况下薄抗反射层6被沉积。
以上描述了特定的实施例。对本领域技术人员而言，各种修改和变形将是显而易见的。特别如文件EP3196615A1所述，可以构造薄封装层16的下表面，以向其添加光学功能(抗反射等)，从而改进检测装置的性能。

Claims (12)

1.一种用于制造用于检测电磁辐射的装置的方法，其包括以下步骤：
形成第一堆叠件，其包括：
至少一个热检测器，其放置在第一衬底上，旨在检测电磁辐射，并且覆盖有由能够通过第一化学蚀刻去除的矿物材料制成的至少一个矿物牺牲层；
薄封装层，其在热检测器上方延伸，并且有助于界定所述热检测器所在的空腔，所述薄封装层包括放置在矿物牺牲层上的上部；
被称为横向凹口的至少一个凹口，其延伸穿过所述薄封装层的上部和所述矿物牺牲层的一部分，并且在与第一衬底的平面平行的平面中与热检测器相距一定距离；
形成第二堆叠件，其包括：
被称为支撑层的薄支撑层，其对电磁辐射是透明的，放置在支撑衬底上，
至少一个吸气剂部分，其设置在薄支撑层上并且部分覆盖所述薄支撑层，以及
薄保护层，其覆盖所述吸气剂部分，由能够通过第二化学蚀刻去除的碳质材料制成；
通过使薄支撑层接触所述薄封装层的上部并与其直接键合来组装第一堆叠件和第二堆叠件，使得吸气剂部分位于所述横向凹口中；然后
穿过所述薄支撑层和所述薄封装层的上部形成至少一个释放进出口，其在所述矿物牺牲层上开口；然后
通过所述第一化学蚀刻去除矿物牺牲层；
通过所述第二化学蚀刻去除薄保护层；
在所述薄支撑层上沉积薄密封层，以阻塞所述释放进出口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述组装步骤在环境温度下在小于或等于10-5Pa的真空压力下执行。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄保护层的碳质材料从无定形碳和聚酰亚胺中选择。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述横向凹口的尺寸使得在组装步骤中，薄保护层与矿物牺牲层相距一定距离。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄封装层是硅基的，并且所述薄支撑层是硅基或锗基的。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄封装层具有由硅制成的接触表面，并且所述薄支撑层具有由硅或锗制成的接触表面，并且其中，通过直接键合进行组装的步骤包括：通过部分离子束蚀刻和真空键合来激活所述接触表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述薄封装层的上部通过由硅制成的子层和第一键合子层形成，所述薄支撑层由硅基或锗基子层和第二键合子层形成，所述第一键合子层和所述第二键合子层对待检测的电磁辐射是透明的，并且其中，通过直接键合进行组装的步骤包括使所述第一键合子层和所述第二键合子层在真空下彼此接触。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一键合子层和所述第二键合子层均具有小于或等于1nm的厚度。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述第一键合子层和所述第二键合子层由金属材料或无定形碳制成。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一堆叠件包括多个热检测器的阵列，每个热检测器的阵列位于至少部分由薄封装层限定的不同空腔中，所述薄支撑层与不同的薄封装层的上部接触。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述吸气剂部分定位成面向被称为补偿检测器的热检测器，其目的是不接收电磁辐射，所述吸气剂部分对电磁辐射不透明。
12.一种用于测量电磁辐射的装置，包括：
衬底，
至少一个热检测器，其放置在所述衬底上，并且旨在检测电磁辐射；
薄封装层，其在热检测器上方和周围延伸，并且有助于界定所述热检测器所在的空腔，所述薄封装层包括在所述热检测器上方延伸的上部和在平行于所述衬底的平面中围绕热检测器延伸的***部分；
被称为横向凹口的至少一个凹口，其延伸穿过所述薄封装层的上部，并且在与所述衬底的平面平行的平面中与热检测器相距一定距离；
被称为支撑层的薄支撑层，其对电磁辐射是透明的，与所述薄封装层的上部接触放置，所述薄支撑层具有与衬底相对的平坦上表面；
至少一个吸气剂部分，其组装在所述薄支撑层上并且定位在所述横向凹口中；
至少一个释放进出口，其延伸穿过所述薄支撑层和所述薄封装层的上部；薄密封层，其覆盖所述薄支撑层并且阻塞所述释放进出口。
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