晶圆级封装件中的热红外传感器阵列制造技术

技术编号:18465304 阅读:63 留言:0更新日期:2018-07-18 15:39
本发明专利技术涉及WLP中的热红外传感器阵列,其包括至少一个使用硅微观机械加工生产的红外敏感像素,包括硅基底中的热绝缘腔体,所述热绝缘腔体被硅边缘围绕,并且包括薄膜,所述薄膜通过细梁连接到硅边缘,其中所述腔体穿过硅基底延伸到膜上,其中在膜、梁和硅边缘之间存在槽。本发明专利技术提供了一种WLP中的高灵敏度传感器,其包括用于感测器晶圆的简单CMOS兼容工艺技术和真空密封封闭,其中吸气装置可以以与盖子晶圆的过滤层在空间分开的方式施加。这是通过以下方式实现的:多个红外敏感的单独的像素(14)布置成线或阵列并且设计在形成膜(12)的介电层(10λ)中的CMOS堆叠(10)中,并且布置在至少一个设计成盖的形式并具有腔体(20)的盖子晶圆(1)和基部晶圆(11)之间,其中盖子晶圆(1)、硅基底(3)和基部晶圆(11)以真空密封的方式相互连接并封闭气体真空。

Thermal infrared sensor array in wafer level package

The invention relates to an array of thermal infrared sensors in WLP, which includes at least one infrared sensitive pixel using silicon micromachining production, including a thermal insulating cavity in a silicon substrate, the thermal insulating cavity surrounded by a silicon edge, and a thin film connected to a silicon edge through a thin beam, wherein the cavity is worn. The silicon substrate extends to the membrane, and there are grooves between the membrane, the beam and the silicon edge. The present invention provides a high sensitivity sensor in WLP, which includes a simple CMOS compatible technology and a vacuum seal for the wafer of a sensor, in which the suction device can be applied in a space separated from the filter layer of the lid wafer. This is achieved in the following way: a plurality of infrared sensitive individual pixels (14) are arranged into lines or arrays and are designed in the CMOS stack (10) in the dielectric layer (10) of the formation membrane (12), and arranged between at least one designed cover form and with a cavity (20) with a cover wafer (1) and a base wafer (11), of which Gai Zijing The circular (1), silicon substrate (3) and base wafer (11) are interconnected and sealed in a vacuum sealed manner.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】晶圆级封装件中的热红外传感器阵列本专利技术涉及一种晶圆(又称晶片)级封装件中的热红外传感器阵列,其包括至少一个使用硅微机械加工生产的红外敏感像素,其包括硅基底中的热绝缘凹坑,所述凹坑由硅边缘包围,并且包括薄膜,借助于细梁将其连接到硅边缘,其中在膜、梁和硅边缘之间有槽。人们已经充分知晓各种形式和设计的红外热电堆传感器和阵列。在基底上使用硅微机械加工生产的热电堆传感器通常由薄膜组成,薄膜上有使用薄膜技术生产的热电偶。在膜下方的基板中有空洞,所述空洞由硅边缘(承载体)包围。细长热电堆元件形式的热电偶在一端具有“热”触点而在另一端具有“冷”触点,其通过导电轨彼此连接,其中“热”触点在中心部分上或中心部分内,而“冷”触点作为热沉在硅边缘上。在硅边缘和膜之间具有将膜的中心部分(吸收体区域)连接到热沉(相应像素的硅边缘)且包括一个或多个热电偶的长的窄梁(腹板),其中热电堆元件的导电轨在梁上延伸。在长梁的两侧具有将梁从中心部分和像素的硅边缘(即热沉)分开的槽。红外辐射的吸收大部分发生在膜的中心区域。特别是在阵列具有高空间分辨率的的情况下,像素很小并且槽非常狭窄。正如从WO2013/120652A1中显而易见的,为了增加传感器的填充水平,红外屏可以被夹在膜或像素上方,以便能够由于较大的面积而吸收更多的红外辐射。填充水平应理解为表示吸收面积的尺寸与像素本身的尺寸之比。梁上的热电偶在热沉(硅边缘)附近,使得较大部分的热量可以通过在其间的气体流到热沉。这会导致信号丢失。为了抵消这种情况,通常需要对热电堆红外阵列传感器进行真空密封。例如,在文献中已知的使用表面微机械加工生产的所谓封装热电堆传感器,如Arndt,M.和Sauer,M.,“Spectroscopiccarbondioxidesensorforautomotiveapplications”,Proc.IEEESensors2004,Vienna,2004,vol.1,252-255。在这种情况下,膜中的槽用于在下面产生腔体。通过穿过槽的各向异性蚀刻产生腔体,其中保护周围的电子器件是必需的,以便实现只有膜下方的硅被蚀刻液体蚀刻的效果。为了生产气密密封的封装,需要另外的晶圆接合到该布置上。如果没有封装,热量将再次释放到空气,并且还会释放到腔体周围的侧面硅壁。凭借封装,所述热量不能再通过气体逸出。US8519336B2提出了一种配置,其中红外接收器在反射层之上。评估电路在下面的电路上。这涉及三个硅基底(晶圆)组合在一起的系统。所需的接收单元由在紧邻接收单元的减压的和密封的凹坑上方的热电堆组成。此外,由反射材料(例如,金或铝)组成的反射层在接收单元下方,使得在接收单元中未主要检测到的红外辐射被反射并反过来再次聚焦到接收单元上并且可用于更新的检测的可能性。不言而喻,检测单元必须电连接至评估电路,其可以通过例如电镀的通孔(穿硅导孔(Through-Silicon-Via))实现。然而,由于晶圆必须彼此非常精确地对准以实际上能够产生电连接,所以这种变型需要高对准精度。CN103148947A描述了一种提高热电堆检测器响应率的晶圆级封装结构。为此,热电堆结构在倒置的硅晶圆上,倒置的硅晶圆通过倒装芯片(Flip-Chip)技术施加在PCT(印刷电路板)上。热电堆结构的热触点在膜上,并通过热电偶与冷触点连接。红外反射层在PCB上,从而将部分透射的红外辐射部分地再次反射到膜上,以及能够再次检测这部分红外辐射。在这种布置中,硅晶圆本身的硅用作透镜。由于透镜的焦距短而难以检测到远处的物体,因而这样的设计似乎主要适用于相对接近传感器(热电堆结构)的温度测量。此外,US2008/0128620描述了一种包括三个接合晶圆的系统,其中多个热电堆在另两个晶圆之间的减薄的晶圆上,并且上晶圆和下晶圆各自设置有围绕热电堆的凹坑。在该布置中,在下晶圆中,通过在晶圆里蚀刻凹坑来提供硅基底以用于热电堆。第二、中间的晶圆减薄到一定程度,使得只剩下薄膜。具有连接电子器件的热电堆构造在所述薄膜上。在膜已经接合到硅基底上之后,将由半导体材料(即上晶圆)组成的盖接合到薄膜上。这种布置的缺点可以从以下事实看出:显然后来热电堆施加到的减薄的晶圆上,这非常复杂。此处热电堆施加在膜上,在两个凹坑之间没有槽或敞口通道。此外,热电堆周围需要真空以防止气体传热。产生真空还需要在两个凹坑中吸气剂材料,这是非常昂贵的。该生产工艺与CMOS工艺的兼容性仅限于信号处理,并且需要复杂的生产方法。EP2172755A1涉及一种红外传感器,其包括在前侧上的带通滤波器和真空腔体。在真空腔体中,温度传感器在传感器上方预定距离处。后者同时组成腔体的顶侧。此外,EP2172755A1描述了一种具有晶圆的解决方案,其在传感器下方具有倾斜壁的开口穿过整个基部晶圆。为了气密密封所述开口,使用一种基部晶圆。对于单个元件传感器而言,通过倾斜凹坑的驱动或湿化学刻蚀来实现气密密封的这种解决方案是足够的,但是对于具有许多单独的传感器/像素的热电堆传感器阵列而言,会导致传感器或焦平面阵列(FPA)区域非常大,这不光大大增加了芯片本身的成本,还增加了相关光学器件的成本。在晶圆背侧上的掩膜与前侧上的膜之间的必要偏移妨碍了许多像素的小型化布置。因此,不能生产d<400μm的小像素。由于传感器或FPA区域变得更大,因此只有通过减少像素数量并因此削弱光学成像才能实现我们努力想获得的小型化。在US7180064B2中,使用红外传感器封装件来保护膜免受外部影响。此处的热电堆芯片在膜中没有这样的穿孔,通过该穿孔,可以减少经由膜从热触点朝硅沉的传热。此外,没有关于传感器布置的真空封闭的迹象,并且虽然这使得能够以明显较低的费用实现在标准大气压下的生产,但另一方面在小像素的情况下阻止了足够高的信号分辨率。硅元件之间的连接不一定必须导致气密密封封装件,或者吸气介质必须在上部和下部凹坑中彼此独立地施加,这将增加成本。US2012/0319303A1涉及一种用于微机械系统的气密密封,其包括具有高相对介电常数的气体的限制的金属合金。此外,US5323051描述了一种半导体晶圆级封装件,其中在将晶圆切割成单独的芯片之前,在具有结构的实际晶圆上施加封装晶圆。US2006/0016995A1描述了一种封装件中的微结构红外传感器,其包括被称为盖芯片并且包含用于聚焦的集成透镜表面的盖。然而,这种解决方案仅适用于单个元件传感器的相对较大的像素。US2005/0081905A1公开了一种热电堆红外封装件,其包括在凹坑上方的膜,其中为了密封目的同样将盖施加到基底上。密封膜下方的凹坑不是必须的,但是通过在那里的气体可以在膜下方传热,而膜上方的凹坑的实际密封效果会丧失。最后,DE102004020685B3描述了一种包括吸气剂层的红外传感器,其中凹坑直接在穿孔的膜区域的下方。这种布置是用盖子晶圆覆盖的。总而言之,可以说没有一个所述文献描述了一种包含小像素的高分辨率红外传感器阵列,其可以以与CMOS兼容的工艺生产,允许将反射层简单地放置在传感器像素下方的腔体上,并且可以通过施加单独的吸气介质进行气密密封。因此,本专利技术的目的在于,在包括小像素的晶圆级封装件中指定高灵敏度热电堆红外阵列传感器,其具有用于传感器晶圆本身的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶圆级封装件中的热红外传感器阵列,包括至少一个使用硅微机械加工生产的红外敏感像素,包括在硅基底中的热绝缘凹坑,所述凹坑被硅边缘包围,并且包括通过细梁连接到硅边缘的薄膜,其中,凹坑通过硅基底延伸直到膜,其中,在膜、梁和硅边缘之间有槽,其特征在于,多个红外线敏感的单独的像素(14)布置成以线或阵列,并以形成膜(12)的方式配置在CMOS堆叠(10)中的介电层(10')上,并且布置在至少一个盖子晶圆(1)之间,盖子晶圆以盖状形式配置并具有腔体(20)和基部晶圆(11),其中,盖子晶圆(1)、硅基底(3)和基部晶圆(11)以真空密封的形式、封闭气体真空的方式彼此连接。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.27 DE 102015120685.4;2015.11.30 DE 10201511.一种晶圆级封装件中的热红外传感器阵列,包括至少一个使用硅微机械加工生产的红外敏感像素,包括在硅基底中的热绝缘凹坑,所述凹坑被硅边缘包围,并且包括通过细梁连接到硅边缘的薄膜,其中,凹坑通过硅基底延伸直到膜,其中,在膜、梁和硅边缘之间有槽,其特征在于,多个红外线敏感的单独的像素(14)布置成以线或阵列,并以形成膜(12)的方式配置在CMOS堆叠(10)中的介电层(10')上,并且布置在至少一个盖子晶圆(1)之间,盖子晶圆以盖状形式配置并具有腔体(20)和基部晶圆(11),其中,盖子晶圆(1)、硅基底(3)和基部晶圆(11)以真空密封的形式、封闭气体真空的方式彼此连接。2.根据权利要求1所述的热红外传感器阵列,其特征在于,所述盖子晶圆(1)由诸如硅-锗、硫化锌、硫族化物、氟化钡或聚合物的红外透射材料组成。3.根据权利要求1所述的热红外传感器阵列,其特征在于,所述基部晶圆(11)由硅或诸如玻璃的一些其他热适应材料,或金属材料组成。4.根据权利要求3所述的热红外传感器阵列,其特征在于,在基部晶圆(11)上有诸如铝、金、银或氮化钛的材料组成的整个区域或结构化的反射层(17)。5.根据权利要求1所述的热红外传感器阵列,其特征在于,在所述膜(12)的中心部分和所述梁(4)上有吸收预定波长范围内的红外辐射的吸收层6。6.根据权利要求1和2所述的热红外传感器阵列,其特征在于,所述盖子晶圆(1)在朝向测量对象的外侧上以及在具有腔体(20)的内侧上设置有红外透射抗反射层或过滤层。7.根据权利要求6所述...

【专利技术属性】
技术研发人员:F·赫尔曼C·施密特J·希福尔戴克W·莱纳克B·弗尔格M·西蒙M·施诺尔
申请(专利权)人:海曼传感器有限责任公司
类型:发明
国别省市:德国,DE

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