DE102011119158B4

DE102011119158B4 - Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package

Info

Publication number: DE102011119158B4
Application number: DE102011119158.9A
Authority: DE
Inventors: Steven H. Black; Thomas A. Kocian
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2010-11-23
Filing date: 2011-11-22
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2031-11-23
Also published as: JP5759345B2; JP2012137479A; FR2967819B1; IL216514A0; DE102011119158A1; FR2967819A1; TWI471897B; TW201232603A; US8608894B2; US20120139072A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package mit den SchrittenBilden eines Detektor-Wafers, wobei das Bilden des Detektor-Wafers die SchritteBilden mehrerer Detektor-Arrays, wobei jedes Detektor-Array eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Detektoren aufweist, undBilden mehrerer Ausleseschaltungen umfasst, wobei jede Ausleseschaltung einem anderen Detektor-Array zugeordnet ist, Bilden eines Deckel-Wafers, wobei das Bilden des Deckel-Wafers die SchrittePolieren mindestens einer Oberfläche eines magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers,Verbinden eines Czochralski-Wafers und des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers miteinander undBilden mehrerer Taschen in dem Czochralski-Wafer umfasst, wobei jede Tasche einen Teil der mindestens einen polierten Oberfläche des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers freilegt, Verbinden des Deckel-Wafers und des Detektor-Wafers miteinander, so dass jedes Detektor-Array und jede Ausleseschaltung jeweils in einer anderen Tasche eingeschlossen sind, um mehrere Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package zu bilden, und Trennen mindestens eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package von den mehreren Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package.
HINTERGRUND
Ein gepacktes Focal Plane Array umfasst ein Detektor-Array, eine zugehörige Ausleseschaltung und eine durchlässige Abdeckung, die das Detektor-Array und die Ausleseschaltung einschließt. Eine Methode, mit der Focal Plane Arrays gepackt werden, umfasst zunächst das Herstellen mehrerer Detektor-Arrays mit ihren entsprechenden Ausleseschaltungen. Jedes Focal Plane Array wird dann einzeln mit einer durchlässigen Abdeckung abgedeckt und eingeschlossen. Die Abdeckung wird typischerweise in einem getrennten Verfahren aufgebracht und besteht aus Germanium oder Float-Zone-Silizium. Ein Verfahren zur Herstellung eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package ist aus US 2008 / 0 277 672 A1 bekannt, wobei darin eine strukturierte Oberfläche der Abdeckung freigelegt wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Nach bestimmten Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Focal Plane Array (FPA) in Form eines Wafer Level Package (WPA) das Bilden eines Detektor-Wafers. Das Bilden des Detektor-Wafers kann das Bilden mehrerer Detektor-Arrays umfassen. Jedes Detektor-Array kann mehrere einzelne Detektoren umfassen. Das Bilden eines Detektor-Wafers kann weiter das Bilden mehrerer Ausleseschaltungen umfassen. Jede Ausleseschaltung kann einem anderen Detektor-Array zugeordnet sein. Das Verfahren kann auch das Bilden eines Deckel-Wafers umfassen. Das Bilden des Deckel-Wafers kann das Polieren mindestens einer Oberfläche eines magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers (MCZ-Wafer) umfassen. Das Bilden des Deckel-Wafers kann zusätzlich das Verbinden eines Czochralski-Wafers und des MCZ-Wafers miteinander umfassen. Das Bilden des Deckel-Wafers kann weiter das Bilden mehrerer Taschen in dem Czochralski-Wafer umfassen. Jede Tasche kann einen Teil der mindestens einen polierten Oberfläche des MCZ-Wafers freilegen. Das Verfahren kann auch das Verbinden des Deckel-Wafers und des Detektor-Wafers miteinander umfassen, so dass jedes Detektor-Array und jede Ausleseschaltung jeweils in einer anderen Tasche eingeschlossen sind. Dadurch können mehrere Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package gebildet werden. Das Verfahren kann weiter das Trennen mindestens eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package von den mehreren Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package umfassen.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere technische Vorteile bieten. Ein technischer Vorteil einer Ausführungsform kann zum Beispiel sein, dass ein oder mehrere Focal Plane Arrays mit einem MCZ-Wafer in einem Detektor in Form eines Wafer Level Package hergestellt werden können. Dies kann die Kosten der Detektoren verringern und/oder die Herstellungszeit verkürzen. Weitere technische Vorteile sind für den Fachmann aus den nachfolgenden Zeichnungen, Beschreibungen und Ansprüchen ersichtlich. Außerdem können, auch wenn vorstehend spezifische Vorteile aufgezählt worden sind, verschiedene Ausführungsformen alle, einige oder keine der genannten Vorteile aufweisen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis bestimmter Ausführungsformen und ihrer Vorteile wird auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen verwiesen.

1 zeigt einen beispielhaften Deckel-Wafer zur Herstellung eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach besonderen Ausführungsformen.
2 zeigt ein Schnittdiagramm eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach besonderen Ausführungsformen.
3A und 3B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach besonderen Ausführungsformen.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt einen beispielhaften Deckel-Wafer zur Herstellung eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach besonderen Ausführungsformen. Der Deckel-Wafer 100 kann als eine Abdeckung für mehrere unterschiedliche Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package dienen. Als solches kann der Deckel-Wafer 100 mehrere Detektor-Arrays und deren entsprechende Ausleseschaltungen gegenüber der Umgebung einschließen. Der Einfachheit halber können ein Detektor-Array und seine entsprechende Ausleseschaltung allgemein als ein Focal Plane Array (FPA) bezeichnet werden. Das Detektor-Array eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package kann einen von vielen verschiedenen Detektoren umfassen, so etwa Langwellen-Infrarot-Detektoren, Kurzwellen-Infrarot-Detektoren, Nah-Infrarot-Detektoren oder einen beliebigen anderen Detektor, der in der Lage ist, Bilder auf thermische oder sonstige Weise zu erfassen. In 1, ist der Deckel-Wafer 100 aus einer Perspektive gezeigt, die die Unterseite des Deckel-Wafers 100 zeigt. Die Unterseite des Deckel-Wafers 100 kann die Oberfläche des Deckel-Wafers 100 umfassen, der mit einem Substrat eines Detektor-Wafers verbunden ist, der mehrere Focal Plane Arrays umfasst. Der Deckel-Wafer 100 kann mit dem Detektor-Wafer so ausgerichtet sein, dass jede Tasche 130 mit einem anderen Focal Plane Array ausgerichtet ist.
In der gezeigten Ausführungsform kann der Deckel-Wafer 100 mehrere Taschen 130 umfassen, die in dem Czochralski-Wafer (CZ-Wafer) 120 gebildet sind. Jede Tasche 130 kann einem anderen Focal Plane Array entsprechen und so beschaffen sein, dass das Focal Plane Array in die entsprechende Tasche 130 passen kann. Die Taschen 130 können mit einem polierten magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafer (MCZ-Wafer) 110 abgedeckt sein.
Der MCZ-Wafer 110 kann aus hochreinem Silizium mit geringem Sauerstoffgehalt gebildet werden. In einigen Szenarien kann der MCZ-Wafer 110 ein Silizium-Wafer sein, der problemlos in Wafer-Größen von 200 Millimeter und 300 Millimeter erhältlich ist. In einigen Ausführungsformen kann der MCZ-Wafer 110 durchlässig sein für eine Vielzahl von Wellenlängen einer einfallenden Strahlung, einschließlich sowohl Mittelwellen-Infrarotstrahlung (z.B. Licht zwischen 3 Mikrometer und 5 Mikrometer) als auch Langwellen-Infrarotstrahlung (z.B. Licht zwischen 7 Mikrometer und 14 Mikrometer). Der MCZ-Wafer 110 kann zum Beispiel als Abdeckung für einen Langwellen-Infrarot-Detektor für Infrarotbildaufnahmen verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann der MCZ-Wafer 110 mit einem oder mehreren Materialien beschichtet sein, um die Bandbreite zu verfeinern oder zu filtern, für die der Deckel-Wafer 110 durchlässig ist. Der MCZ-Wafer 110 kann zum Beispiel mit einer Antireflexbeschichtung versehen werden. Als ein weiteres Beispiel kann der MCZ-Wafer 110 mit einer Sub-Wellenlängenstruktur strukturiert sein, damit Langwellen-Infrarotlicht ein abgedecktes Focal Plane Array effizienter erreichen kann. In bestimmten Ausführungsformen kann der MCZ-Wafer 110 auf beiden Seiten poliert sein, um den Einfluss des MCZ-Wafers 110 auf die einfallende Strahlung zu verringern, die den MCZ-Wafer 110 durchsetzt, damit das Licht besser durchgelassen wird. Der MCZ-Wafer 110 kann zum Beispiel nach optischen Qualitätsstandards poliert werden. In einigen Ausführungsformen kann der MCZ-Wafer 110 zwischen ca. 200 und 1500 Mikrometer dick sein. In bestimmten Ausführungsformen kann der MCZ-Wafer 110 zum Beispiel ca. 725 Mikrometer dick sein.
Während der CZ-Wafer 120 in 1 aus CZ-Silizium besteht, kann jeder einer Vielzahl von Bulk-Silizium-Wafern für den CZ-Wafer 120 verwendet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der CZ-Wafer 120 ein Träger sein, der den MCZ-Wafer 110 über einem entsprechenden Focal Plane Array hält, das mit dem Deckel-Wafer 100 abgedeckt ist. Die Dicke des CZ-Wafers 120 kann je nach der Dicke des Focal Plane Array, das mit dem Deckel-Wafer 100 abgedeckt ist, und/oder einem gewünschten Abstand zwischen dem Focal Plane Array und dem MCZ-Wafer 110 variieren. Je nach Szenario kann der CZ-Wafer 120 zwischen ca. 50 und 1000 Mikrometer dick sein. In einigen Ausführungsformen kann der CZ-Wafer 120 zum Beispiel ca. 300 Mikrometer dick sein.
In einigen Ausführungsformen kann der CZ-Wafer 120 durch eine thermische Oxidschicht 140 mit dem MCZ-Wafer 120 verbunden sein. Die thermische Oxidschicht 140 kann zum Beispiel vor dem Verbinden auf dem MCZ-Wafer 110 oder dem CZ-Wafer 120 gezüchtet werden. Danach kann die Oxidschicht 140 für das thermische Verbinden des CZ-Wafers 120 mit dem MCZ-Wafer 110 verwendet werden. Zusätzlich zur Unterstützung beim Verbinden des CZ-Wafers 120 und des MCZ-Wafers 110 kann die thermische Oxidschicht 140 als ein Ätzstopp dienen, wenn die Taschen 130 gebildet werden.
Die Länge, Breite und Tiefe der Taschen 130 können der Länge, Breite und Höhe eines Focal Plane Array entsprechen. Dies kann es ermöglichen, dass das Focal Plane Array in die Tasche 130 passt. Die Tiefe der Taschen 130 kann durch die Dicke des CZ-Wafers 120 gesteuert werden. Die Taschen 130 können in dem CZ-Wafer 120 mit einem von zahlreichen Verfahren gebildet werden, das entweder vor oder nach dem Verbinden des CZ-Wafers 120 mit dem MCZ-Wafer 110 durchgeführt wird. In einigen Ausführungsformen können die Taschen 130 zum Beispiel durch reaktives Ionenätzen des CZ-Wafers 120 gebildet werden. In einer solchen Ausführungsform kann die thermische Oxidschicht 140 verhindern, dass das reaktive Ionenätzen den MCZ-Wafer 110 erreicht. Dies kann dazu beitragen, eine korrosive Wirkung des reaktiven Ionenätzens auf die Polierung des MCZ-Wafers 110 zu verhindern. Nachdem die Taschen 130 in dem CZ-Wafer 120 geätzt worden sind, kann die thermische Oxidschicht 140 von den Taschen 130 entfernt werden und die polierte Oberfläche des MCZ-Wafers 110 kann freigelegt werden. Dies kann es ermöglichen, dass Licht durch den MCZ-Schicht-Wafer 110 gelangt und das darunter liegende Focal Plane Array erreicht. Als ein weiteres Beispiel können die Taschen 130 in dem CZ-Wafer 120 gebildet werden, bevor er mit dem MCZ-Wafer 110 verbunden wird. Die Taschen 130 können zum Beispiel aus dem CZ-Wafer 120 ausgeschnitten werden oder der CZ-Wafer 120 kann mit darin ausgebildeten Taschen 130 hergestellt werden.
2 zeigt ein Schnittdiagramm eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach besonderen Ausführungsformen. In der gezeigten Ausführungsform ist das WLP-FPA 200 gezeigt, wie es einfallende Strahlung 280 (z.B. Langwellen-Infrarotlicht, Kurzwellen-Infrarotlicht, Mittelwellen-Infrarotlicht usw.) von der Szene 270 empfängt. Die einfallende Strahlung 280 gelangt durch die MCZ-Schicht 210 und wird von dem Detektor-Array 250 und der Ausleseschaltung 260 gemessen. Die Ausleseschaltung 260 kann zum Beispiel Änderungen des Widerstands einzelner Detektoren in dem Detektor-Array 250 als Reaktion auf die einfallende Strahlung 280 feststellen. Diese Widerstandsänderungen können verwendet werden, um ein Bild von der Szene 270 zu erzeugen.
Der Bandbreitenbereich oder das Spektrum der einfallenden Strahlung 280, die das Detektor-Array 250 erreicht, kann von einer Beschichtung auf der MCZ-Schicht 210 abhängen. Die MCZ-Schicht 210 kann zum Beispiel einen niedrigen Sauerstoffgehalt und polierte Oberflächen aufweisen, die ein breites Spektrum der einfallenden Strahlung durchlassen können, ohne einen wesentlichen Teil der Strahlung 280 zu absorbieren oder zu reflektieren. Eine Beschichtung aus einer oder mehreren Schichten eines Materials wie etwa Zinksulfid und/oder Germanium kann auf die MCZ-Schicht 210 aufgebracht werden. Die Beschichtung kann bestimmte Bänder der einfallenden Strahlung 280 filtern. Das Filtern kann auf der vorgesehenen Anwendung oder Verwendung des WLP-FPA 200 basieren. Die Verwendung von MCZ-Silizium für die MCZ-Schicht 210 kann im Gegensatz zu herkömmlich gepackten FPA stehen, bei denen das Abdeckungsfenster aus Germanium oder Float-Zone-Silizium bestehen kann.
In der gezeigten Ausführungsform kann die MCZ-Schicht 210 durch die thermische Oxidschicht 240 mit der CZ-Schicht 220 verbunden sein. Die thermische Oxidschicht 240 kann sowohl als Verbindungsmaterial beim Verbinden der MCZ-Schicht 210 mit der CZ-Schicht 220 als auch als Ätzstopp beim Bilden der Tasche 230 dienen. Bevor die CZ-Schicht 220 mit dem Siliziumsubstrat 290 verbunden wird, kann eventuelles thermisches Oxid in der Tasche 230 entfernt werden, so dass es die einfallende Strahlung 280 nicht daran hindert, das Detektor-Array 250 zu erreichen.
Nachdem die CZ-Schicht 220 mit dem Siliziumsubstrat 290 verbunden ist, kann die CZ-Schicht 220 die MCZ-Schicht 210 über dem Detektor-Array 250 und der Ausleseschaltung 260 halten und tragen. Hierdurch kann eine hermetisch gekapselte Vertiefung entstehen, in der das Detektor-Array 250 und die Ausleseschaltung 260 untergebracht werden.
Das Detektor-Array 250 kann einen von vielen verschiedenen Detektoren umfassen, die so beschaffen sind, dass sie eine beliebige von verschiedenen Wellenlängen der einfallenden Strahlung 280 erfassen können. Die Art der Detektoren des Detektor-Array 250 und die auf die MCZ-Schicht 210 aufgebrachte Beschichtung können einander entsprechen. Wenn das Detektor-Array 250 zum Beispiel zum Erfassen von Kurzwellen-Infrarotlicht ausgelegt ist, kann die MCZ-Schicht 210 mit einem Material beschichtet sein, dass durchlässig für Kurzwellen-Infrarotlicht ist und/oder andere Wellenlängen als Kurzwellen-Infrarotlicht absorbiert oder reflektiert.
In bestimmten Ausführungsformen kann das Detektor-Array 250 eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Detektoren umfassen, wobei jeder Detektor einzeln auf einfallende Strahlung 280 reagieren kann. Die Abmessungen der zweidimensionalen Anordnung können je nach der vorgesehenen Anwendung variieren. In einigen Ausführungsformen kann die zweidimensionale Anordnung zum Beispiel 640 Spalten mal 480 Zeilen umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das Detektor-Array 250 ein Mikrobolometer-Detektor-Array umfassen. Jedes Mikrobolometer kann aufgrund einer durch die einfallende Strahlung 280 verursachten Temperaturänderung eine Änderung des Widerstands erfahren. Die Änderung des Widerstands kann mit der Ausleseschaltung 260 bestimmt und/oder interpretiert werden. Das resultierende Signal aus der Ausleseschaltung 260 kann verwendet werden, um ein Bild, etwa ein Wärmebild, von der Szene 270 zu erzeugen.
Das Detektor-Array 250 und die Ausleseschaltung 260 können auf dem Substrat 290 ausgebildet sein. Das Substrat 290, das Detektor-Array 250 und die Ausleseschaltung 260 können ein Teil eines größeren Detektor-Wafers sein. Der Detektor-Wafer kann in etwa dieselbe Größe und Form wie der in 1 gezeigte Deckel-Wafer 100 haben. Der Detektor-Wafer kann eine Anzahl von Detektor-Arrays und Ausleseschaltungen umfassen, die auf einem einzigen Substrat 290 gebildet sind. Die Anzahl der Detektor-Arrays und Ausleseschaltungen kann der Anzahl der Taschen auf dem Deckel-Wafer entsprechen.
3A und 3B zeigen ein Verfahren zur Herstellung eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach besonderen Ausführungsformen. 3A zeigt ein Ablaufdiagramm mit bestimmten Schritten eines Verfahrens zur Herstellung von WLP-FPAs. 3B zeigt die verschiedenen Schichten eines WLP-FPA in den verschiedenen Phasen während der Herstellung eines WLP-FPA. Die Schichten in 3B können entsprechend der Nummerierung der in 3A gezeigten Schritte nummeriert sein. Die Schicht 315b kann zum Beispiel Schritt 315a entsprechen.
Das Verfahren beginnt in Schritt 305a mit dem Bilden mehrerer Detektor-Arrays. Die Detektor-Arrays können auf einem einzelnen Siliziumsubstrat gebildet werden. Jedes Detektor-Array kann ein separates Detektor-Array sein. Jedes in Schritt 305a gebildete Detektor-Array kann eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Detektoren umfassen. Die Art der Detektoren kann je nach Ausführungsform oder Szenario variieren. In einigen Ausführungsformen können die einzelnen Detektoren zum Beispiel Mikrobolometer-Detektoren umfassen, die zur Erzeugung von Wärmebildern verwendet werden können.
In Schritt 310a werden mehrere Ausleseschaltungen gebildet. Jede Ausleseschaltung kann einem anderen Detektor-Array zugeordnet sein. In bestimmten Ausführungsformen können sowohl das Detektor-Array als auch die Ausleseschaltung auf demselben Siliziumsubstrat gebildet werden. Je nach Ausführungsform können die Ausleseschaltungen vor, nach oder gleichzeitig mit den Detektor-Arrays gebildet werden. Jede Ausleseschaltung kann so beschaffen sein, dass sie basierend auf den Reaktionen von den Detektoren des entsprechenden Detektor-Array ein Signal wie etwa ein Bildsignal erzeugt.
Jedes Paar eines Detektor-Array und einer Ausleseschaltung kann ein Focal Plane Array bilden. Die mehreren Detektor-Arrays und Ausleseschaltungen können daher mehrere Focal Plane Arrays bilden. Die mehreren Focal Plane Arrays können auf demselben Silizium-Wafer gebildet werden. Der Wafer mit den mehreren Focal Plane Arrays kann als ein Detektor-Wafer bezeichnet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Detektor-Wafer als ein MEMS-Wafer (mikroelektromechanisches System) angesehen werden. In einigen Ausführungsformen können die Schritte 305a und 310a in einem einzigen Schritt des Aufnehmens eines Detektor-Wafer kombiniert werden.
In Schritt 315a wird ein magnetisch eingeschlossener Czochralski-Wafer (MCZ-Wafer) poliert. Der MCZ-Wafer kann nach einem Halbleiter-Standard (z.B. mit einer Rauheit von weniger als 1 Nanometer) poliert werden. Der MCZ-Wafer kann zum Beispiel mit Verfahren zum Polieren von Glaslinsen poliert werden. Dies kann dazu beitragen, den Einfluss des MCZ-Wafers auf die einfallende Strahlung zu verringern, die durch den polierten MCZ-Wafer gelangen kann. Der polierte MCZ-Wafer kann als ein Fenstersubstrat dienen, das die mehreren Focal Plane Arrays abdeckt. In einigen Ausführungsformen kann der MCZ-Wafer zum Beispiel mehrere nicht gekühlte Langwellen-Infrarot-Detektoren abdecken.
In bestimmten Ausführungsformen kann mit dem MCZ-Verfahren gezüchtetes Silizium zur Herstellung von MCZ-Wafern verwendet werden, die einen niedrigen Sauerstoffgehalt aufweisen. In typischen Silizium-Wafern ist der Sauerstoffgehalt so, dass Wellenlängen über 9 Mikrometer aufgrund des Vorhandenseins von Sauerstoff in dem Silizium oft absorbiert werden. Diese Wellenlängen werden oft bei Infrarot-Detektoren verwendet, was typisches Silizium zu einem weniger wünschenswerten Material für eine Abdeckung für einen Langwellen-Infrarot-Detektor macht. Daher kann der MCZ-Wafer wegen des relativ geringen Sauerstoffgehalts von nach dem MCZ-Verfahren gezüchtetem Silizium für Licht in einem Band von etwa 7 Mikrometer bis 14 Mikrometer durchlässig sein. Das MCZ-Silizium kann in jeder geeigneten Wafer-Größe wie etwa 200 Millimeter (mm) oder 300 mm gezüchtet werden. Die optischen Eigenschaften eines MCZ-Wafers können dem eines Float-Zone-Silizium-Wafers gleichwertig sein. Die Schicht 315b zeigt eine Seitenansicht eines Teils eines MCZ-Wafers.
In Schritt 320a wird eine thermische Oxidschicht auf dem MCZ-Wafer gezüchtet. Die thermische Oxidschicht kann zwei Funktionen erfüllen. Erstens kann die thermische Oxidschicht die Haftung zwischen dem MCZ-Wafer und dem CZ-Wafer ermöglichen, um die beiden Wafer in Schritt 325a, wie nachstehend beschrieben, miteinander zu verbinden. Zweitens kann die thermische Oxidschicht einen Ätzstopp bilden. Als ein Ätzstopp kann die thermische Oxidschicht verhindern, dass das beim Bilden der Taschen in dem CZ-Wafer in Schritt 330a verwendete chemische Ätzmittel, wie nachstehend beschrieben, den MCZ-Wafer erreicht. Dies kann verhindern, dass das chemische Ätzmittel die polierte Oberfläche des MCZ-Wafers beschädigt. Die Schicht 320b zeigt die entlang der Unterseite des MCZ-Wafers gebildete thermische Oxidschicht.
In Schritt 325a werden der CZ-Wafer und der MCZ-Wafer miteinander verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform kann die in Schritt 320a gezüchtete thermische Oxidschicht verwendet werden, um den CZ-Wafer und den MCZ-Wafer durch Oxidbonden miteinander zu verbinden. Obwohl in dieser beispielhaften Ausführungsform das Oxidbonden verwendet wird, um die beiden Wafer miteinander zu verbinden, können in anderen Ausführungsformen andere Verfahren zum Verbinden der beiden Wafer verwendet werden, beispielsweise das Silizium-Direktbonden ohne Oxid. Als ein weiteres Beispiel kann das Kleben verwendet werden. Wie ersichtlich kann, wenn die beiden Wafer mit etwas anderem als der in Schritt 320a gezüchteten thermischen Oxidschicht verbunden werden, Schritt 320a weggelassen oder durch einen anderen Schritt ersetzt werden, mit dem die zum Verbinden der beiden Wafer verwendete Haftung aufgebracht oder gezüchtet wird. Wie vorstehend beschrieben, kann der CZ-Wafer eine Dicke basierend auf der Höhe des Focal Plane Array und/oder der Größe des gewünschten Abstands zwischen dem Focal Plane Array und dem MCZ-Wafer haben. Je größer zum Beispiel die Höhe des Focal Plane Array über seinem Siliziumsubstrat, desto dicker der CZ-Wafer. Wie in Schicht 325b zu sehen, werden der MCZ-Wafer und der CZ-Wafer in einem einzelnen Stapel mit der thermischen Oxidschicht dazwischen verbunden.
In Schritt 330a werden die Taschen in dem CZ-Wafer gebildet. In einigen Ausführungsformen können die in dem CZ-Wafer gebildeten Taschen durch tiefes reaktives Ionenätzen (DRIE) gebildet werden. Beim DRIE-Verfahren kann die auf der Unterseite des MCZ-Wafers gezüchtete thermische Oxidschicht als ein Ätzstopp dienen, der verhindert, dass das Ionenätzmittel die polierte Oberfläche des MCZ-Wafers beschädigt. Die Größe der in Schritt 330a gebildeten Taschen kann der Größe des Detektor-Array und seiner entsprechenden Ausleseschaltung entsprechen. Nachdem der CZ-Wafer geätzt worden ist, kann die thermische Oxidschicht entfernt werden. Daher kann, nachdem die Taschen gebildet sind, eine entsprechende Fläche des MCZ-Wafers für jede gebildete Tasche freigelegt werden. Die Schicht 330b zeigt die in der CZ-Schicht gebildeten Taschen sowie die thermische Oxidschicht. Die Schicht 330b kann einen Teil eines fertigen Deckel-Wafers zeigen.
In Schritt 335a wird eine Schicht eines durchlässigen Materials auf die Taschen und/oder die Oberseite des MCZ-Wafers aufgebracht. Das Material kann aufgebracht werden, um bestimmte Bandbreiten der einfallenden Strahlung zu filtern. Die Art des aufgebrachten Materials kann je nach der vorgesehenen Anwendung variieren. Das heißt, je nach den Wellenlängen der Strahlung, die das Focal Plane Array erreichen sollen, können unterschiedliche durchlässige Materialien auf den MCZ-Wafer aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann das aufgebrachte Material für Licht mit Wellenlängen zwischen 7 Mikrometer und 14 Mikrometer durchlässig sein. Dies kann ein üblicher Bandbreitenbereich sein, der für Langwellen-Infrarotbildaufnahmen verwendet wird. In einigen Ausführungsformen kann eine aus abwechselnden Schichten von Germanium und Zinkselenid bestehende Mehrschichtbeschichtung auf die Oberseite, die polierte Oberfläche des MCZ-Wafers und/oder die Taschen des MCZ-Wafers aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann das durchlässige Material eine Antireflexbeschichtung umfassen, die auf den MCZ-Wafer aufgebracht werden kann. In bestimmten Ausführungsformen kann mehr als eine Schicht des durchlässigen Materials aufgebracht werden. Obwohl gezeigt ist, dass das durchlässige Material aufgebracht wird, nachdem der Deckel-Wafer und der Detektor-Wafer miteinander verbunden worden sind, kann in bestimmten Ausführungsformen das durchlässige Material aufgebracht werden, bevor der Deckel-Wafer und der Detektor-Wafer miteinander verbunden werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das durchlässige Material nach dem Verbinden auf die Oberseite des MCZ-Wafers aufgebracht werden.
In Schritt 340a werden der Deckel-Wafer und der Detektor-Wafer miteinander verbunden. Der Deckel-Wafer kann einem in den Schritten 315a bis 330a gebildeten Wafer entsprechen, und der Detektor-Wafer kann einem in den Schritten 305a bis 310a gebildeten Wafer entsprechen. Der Deckel-Wafer und der Detektor-Wafer können so miteinander verbunden werden, dass die in Schritt 330a in dem Deckel-Wafer gebildeten Taschen den in den Schritten 305a und 310a in dem Detektor-Wafer gebildeten Focal Plane Arrays entsprechen. Beim Verbinden des Deckel-Wafers und des Detektor-Wafers kann der Deckel-Wafer die Komponenten des Detektor-Wafers in den einzelnen Taschen abdecken und/oder einschließen. Dies bietet Schutz für jedes der Focal Plane Arrays. Der einzelne Deckel-Wafer, der zum Abdecken und Einschließen jedes der Focal Plane Arrays des Detektor-Wafers verwendet wird, kann es ermöglichen, dass ein ganzer Wafer von Focal Plane Arrays in einem einzigen Schritt abgedeckt wird (im Gegensatz zum individuellen Abdecken und Einschließen jedes einzelnen Focal Plane Array). Weil ein einzelner Deckel-Wafer für einen einzelnen Detektor-Wafer verwendet wird, kann das resultierende Focal Plane Array als ein Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package angesehen werden. Dies kann in Gegensatz zu herkömmlich gepackten Focal Plane Arrays stehen, bei denen eine Abdeckung für das Focal Plane Array aufgebracht wird, nachdem der Detektor-Wafer in einzelne Detektoren zersägt worden ist. Das Packen der Focal Plane Arrays auf der Wafer-Ebene kann die Kosten verringern und die benötigte Produktionszeit zur Herstellung gepackter Focal Plane Arrays verkürzen.
In Schritt 345a werden die einzelnen Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package getrennt. Jedes Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package, das getrennt wird, umfasst sowohl ein Focal Plane Array als auch eine Abdeckung. Damit kann jedes Focal Plane Array gekapselt, geschützt und gebrauchsfertig gemacht werden, um es in einer gewünschten Anwendung zu verwenden.
Einige der in 3 gezeigten Schritte können gegebenenfalls kombiniert, modifiziert oder gestrichen werden, und zusätzliche Schritte können auch zum Ablaufdiagramm hinzugefügt werden. Zusätzlich können die Schritte in jeder geeigneten Reihenfolge durchgeführt werden, ohne vom Umfang der bestimmten Ausführungsformen abzuweichen. Die in 3A gezeigten Schritte sind nur ein Beispiel für die Schritte, die für eine bestimmte Ausführungsform durchgeführt werden, und andere Ausführungsformen können unterschiedliche Schritte in einer unterschiedlichen Reihenfolge verwenden. In einigen Ausführungsformen kann der MCZ-Wafer zum Beispiel mehr als einmal poliert werden. Zuerst kann zum Beispiel in Schritt 315a die Unterseite des MCZ-Wafers poliert werden. Danach kann zu einem späteren Zeitpunkt (z.B. nach Schritt 340a) die Oberseite des MCZ-Wafers poliert werden. Als ein weiteres Beispiel kann in einigen Ausführungsformen das Verfahren das Aufnehmen eines bereits gebildeten Detektor-Wafers umfassen. In einem solchen Szenario können die Schritte 305a und 310a durch einen einzelnen Schritt des Aufnehmens eines Detektor-Wafers ersetzt werden. Als ein weiteres Beispiel können in einigen Ausführungsformen die Taschen in dem CZ-Wafer geätzt (oder auf andere Weise gebildet) werden, bevor der CZ-Wafer mit dem MCZ-Wafer verbunden wird. In einer solchen Ausführungsform können die Schritte 325a und 330a getauscht werden. Als noch ein weiteres Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Schicht des durchlässigen Materials früher als in Schritt 335a auf den MCZ-Wafer aufgebracht werden. Das durchlässige Material kann zum Beispiel aufgebracht werden, nachdem der MCZ-Wafer in Schritt 315a poliert worden ist.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen ausführlich beschrieben worden sind, sollte klar sein, dass verschiedene andere Änderungen, Ersetzungen, Kombinationen und Abänderungen hieran vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der Offenlegung abzuweichen. Es ist beabsichtigt, dass bestimmte Ausführungsformen alle diese Änderungen, Ersetzungen, Variationen, Anpassungen und Modifikationen als unter den Gedanken und Umfang der anliegenden Ansprüche fallend einschließen. Obwohl zum Beispiel eine Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Anzahl der in einem WLP-FPA enthaltenen Elemente wie etwa Taschen, Detektor-Arrays, Ausleseschaltungen, einer MCZ-Schicht und einer CZ-Schicht beschrieben worden ist, können diese Elemente kombiniert, anders angeordnet oder positioniert werden, um bestimmte Erfassungsanforderungen zu berücksichtigen. Darüber hinaus können alle diese Elemente gegebenenfalls als integrierte interne oder separate externe Komponenten zueinander vorgesehen werden. Besondere Ausführungsformen sehen große Flexibilität bei der Anordnung dieser Elemente sowie ihrer internen Komponenten vor.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package mit den Schritten Bilden eines Detektor-Wafers, wobei das Bilden des Detektor-Wafers die Schritte Bilden mehrerer Detektor-Arrays, wobei jedes Detektor-Array eine zweidimensionale Anordnung von einzelnen Detektoren aufweist, und Bilden mehrerer Ausleseschaltungen umfasst, wobei jede Ausleseschaltung einem anderen Detektor-Array zugeordnet ist, Bilden eines Deckel-Wafers, wobei das Bilden des Deckel-Wafers die Schritte Polieren mindestens einer Oberfläche eines magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers, Verbinden eines Czochralski-Wafers und des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers miteinander und Bilden mehrerer Taschen in dem Czochralski-Wafer umfasst, wobei jede Tasche einen Teil der mindestens einen polierten Oberfläche des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers freilegt, Verbinden des Deckel-Wafers und des Detektor-Wafers miteinander, so dass jedes Detektor-Array und jede Ausleseschaltung jeweils in einer anderen Tasche eingeschlossen sind, um mehrere Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package zu bilden, und Trennen mindestens eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package von den mehreren Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package.
Verfahren mit den Schritten Polieren mindestens einer Oberfläche eines magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers, Verbinden eines Czochralski-Wafers und des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers miteinander und Bilden mehrerer Taschen in dem Czochralski-Wafer, wobei die mehreren Taschen so beschaffen sind, dass sie entsprechend mehrere Focal Plane Arrays abdecken, und jede Tasche einen anderen Teil der mindestens einen polierten Oberfläche des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers freilegt.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend das Abdecken der entsprechenden mehreren Focal Plane Arrays mit den verbundenen magnetisch eingeschlossenen Czochralski- und Czochralski-Wafern, um entsprechend mehrere Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend das Trennen mindestens eines Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package von den verbleibenden mehreren Focal Plane Arrays in Form eines Wafer Level Package.
Verfahren nach Anspruch 3, weiter umfassend das Aufbringen mindestens einer Schicht eines lichtdurchlässigen Materials auf den magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafer wobei die Schicht des lichtdurchlässigen Materials und der magnetisch eingeschlossene Czochralski-Wafer Licht mit einer Wellenlänge zwischen ca. 7 und 14 Mikrometern durchlassen, so dass es die entsprechenden mehreren Focal Plane Arrays erreicht.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend das Polieren einer zweiten Oberfläche des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die mehreren Taschen in dem Czochralski-Wafer gebildet werden, bevor der Czochralski-Wafer und der magnetisch eingeschlossene Czochralski-Wafer miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend vor dem Verbinden des Czochralski-Wafers und des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers das Züchten einer thermischen Oxidschicht auf der mindestens einen polierten Oberfläche des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bilden mehrerer Taschen in dem Czochralski-Wafer das Ätzen mehrerer Taschen in dem Czochralski-Wafer durch reaktives Ionenätzen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend das Aufbringen einer Antireflexbeschichtung vor dem Verbinden des Czochralski-Wafers und des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers miteinander.
Verfahren nach Anspruch 2, weiter umfassend das Aufbringen einer Antireflexbeschichtung nach dem Verbinden des Czochralski-Wafers und des magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers miteinander.
Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package mit einem Focal Plane Array mit einer zweidimensionalen Anordnung von Detektoren (250) und einer Ausleseschaltung (260), einer Czochralski-Schicht (220), die mit dem Focal Plane Array verbunden ist und die zweidimensionale Anordnung von Detektoren und die Ausleseschaltung umgibt, und einer magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Siliziumschicht (210), die mit der Czochralski-Schicht verbunden und so beschaffen ist, dass sie mindestens die zweidimensionale Anordnung von Detektoren und die Ausleseschaltung des Focal Plane Array in einer Vertiefung (230) einschließt, wobei die magnetisch eingeschlossene Czochralski-Siliziumschicht mindestens eine polierte Oberfläche aufweist, die zu der Vertiefung hin ausgerichtet ist.
Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach Anspruch 12, weiter aufweisend eine thermische Oxidschicht, die so beschaffen ist, dass sie die magnetisch eingeschlossene Czochralski-Siliziumschicht und die Czochralski-Schicht miteinander verbindet.
Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach Anspruch 12, weiter aufweisend mindestens eine auf die magnetisch eingeschlossene Czochralski-Siliziumschicht aufgebrachte Materialschicht, wobei die mindestens eine Materialschicht und die magnetisch eingeschlossene Czochralski-Siliziumschicht so beschaffen sind, dass sie Licht mit einer Wellenlänge zwischen ca. 7 und 14 Mikrometern durchlassen, so dass es das Detektor-Array erreicht.
Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach Anspruch 12, wobei die magnetisch eingeschlossene Czochralski-Siliziumschicht ein Teil eines magnetisch eingeschlossenen Czochralski-Wafers ist und der magnetisch eingeschlossene Czochralski-Wafer so beschaffen ist, dass er mehrere Focal Plane Arrays abdeckt, die auf einem Detektor-Wafer gebildet sind.
Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach Anspruch 12, wobei die mit dem Detektor-Array verbundene Czochralski-Schicht ein Teil eines Czochralski-Wafers ist und der Czochralski-Wafer so beschaffen ist, dass er einzeln mehrere Focal Plane Arrays umgibt, die auf einem Detektor-Wafer gebildet sind.
Focal Plane Array in Form eines Wafer Level Package nach Anspruch 16, wobei der Czochralski-Wafer mehrere in den Czochralski-Wafer geätzte Taschen umfasst und jede der mehreren Taschen so beschaffen ist, dass sie ein anderes Focal Plane Array umgibt, das auf dem Detektor-Wafer gebildet ist.