晶圆级封装红外探测器制造技术

本实用新型专利技术提供了一种晶圆级封装红外探测器，涉及红外探测器技术领域。其包括：盖帽、红外像元衬底和红外敏感像元；红外像元衬底上设有第二金属密封环，盖帽为对8～14μm红外波段透明的硅窗口，盖帽设有第一金属密封环，第一金属密封环和第二金属密封环通过焊料层真空键合焊接，以使得盖帽和红外像元衬底密封并具有一腔室；红外敏感像元设置在腔室内的红外像元衬底上并与红外像元衬底的读出电路电连接；盖帽相对于红外敏感像元一侧刻蚀有一凹槽以形成盖帽窗口，凹槽内圆周壁设有吸气剂层。本实用新型专利技术提供的一种晶圆级封装红外探测器，使用硅窗盖帽、红外像元衬底两片晶圆通过熔融焊料实现整片探测器真空封装，从而实现更低成本的的探测系统。

Wafer-level Packaged Infrared Detector

The utility model provides a wafer-level packaging infrared detector, which relates to the technical field of infrared detector. It includes: cap, infrared pixel substrate and infrared sensitive pixel; second metal sealing ring is arranged on infrared pixel substrate, cap is a transparent silicon window for infrared band of 8-14 um, cap is equipped with first metal sealing ring, first metal sealing ring and second metal sealing ring are welded through vacuum bonding of solder layer, so that cap and infrared pixel substrate are sealed and have a chamber; The infrared sensitive pixels are arranged on the infrared pixel substrate in the chamber and electrically connected with the readout circuit of the infrared pixel substrate. A groove is etched on the side of the cap relative to the infrared sensitive pixel to form a cap window, and an aspirant layer is arranged on the circumferential wall of the groove. The utility model provides a wafer-level encapsulated infrared detector, which uses two wafers of silicon window cap and infrared pixel substrate to realize vacuum encapsulation of the whole detector by melting solder, thereby realizing a lower cost detection system.

【技术实现步骤摘要】
晶圆级封装红外探测器
本技术涉及红外探测器
，特别是涉及一种晶圆级封装红外探测器。
技术介绍
任何物体在绝度零度以上都会向外界发射红外电磁热辐射，这种辐射的光波范围约是0.8～1000μm，并不能为人眼所直接看见。能够探测红外光波的红外辐射探测器，按探测原理分为光子型和热敏电阻型探测器。光子型需要工作在液氮（约77K）制冷的环境中，而热敏电阻型探测器通常工作在室温下，是种“非制冷式”探测器，多个该种探测器单元pixel以二维阵列的形式（例如384×288、640×480）排列在芯片衬底上，则构成了非制冷红外阵列探测器（IRFPA）。对于非制冷红外探测器，工作典型波段为：8～14μm。在常温下（300K），黑体辐射的发射谱中心波长正好在10μm波段附近；并且人体以及环境中温度相近的其它物体所发射的红外热辐射，38%的能量集中在波长8～14μm范围内，该波段更适合强烈阳光、漆黑夜晚或者恶劣天气下的探测需要。对于非制冷红外探测器，没有液氮制冷机构，体积上比制冷式探测器小，功耗低，价格优势较明显，使得其在视频监控、消防搜救、电网测温、医疗病理、辅助驾驶、单兵枪瞄头盔等方面的使用具有不可替代的优势。但，目前非制冷红外探测器还以金属可阀(Kovar)管壳、陶瓷管壳封装为主，单个管壳本身、以及温控装置(TEC)、圆柱状吸气剂(Getter)的使用，使得封装完毕后价格70%以上价格在封装上，探测器优势难以充分体现。而且封装前，首先将红外像元衬底进行切割成单颗芯片，每次封装数量限制在10颗上下，也成为大批量生产的瓶颈。
技术实现思路
本技术的一个目的是要提供一种晶圆级封装红外探测器，以解决上述技术问题，使用硅窗盖帽、红外像元衬底两片晶圆通过熔融焊料实现整片探测器真空封装，从而实现更低成本的的探测系统。特别地，本技术提供了一种晶圆级封装红外探测器，包括：盖帽、红外像元衬底和红外敏感像元；所述红外像元衬底上设有第二金属密封环，所述盖帽为对8～14μm红外波段透明的硅窗口，所述盖帽设有第一金属密封环，所述第一金属密封环和所述第二金属密封环通过焊料层真空键合焊接，以使得所述盖帽和所述红外像元衬底密封并具有一腔室；所述红外敏感像元设置在所述腔室内的所述红外像元衬底上并与所述红外像元衬底的读出电路电连接；所述盖帽相对于所述红外敏感像元一侧刻蚀有一凹槽以形成盖帽窗口，所述凹槽内圆周壁设有吸气剂层。可选地，所述盖帽为对8～14μm波段吸收较低的磁约束直拉硅或者浮带硅。可选地，所述盖帽窗口的正面和\或背面镀有红外透射的抗反射膜层。可选地，所述抗反射膜层为硫化锌、硒化锌和锗材料其中一种或者多种。可选地，所述凹槽的结构高度为10～500μm。可选地，所述第一金属密封环和所述第二金属密封环分别包括金属粘附层、阻挡层和抗氧化层。可选地，所述第一金属密封环和所述第二金属密封环为钛/氮化钛/金、钛/铂金/金、钛/镍/金中的一种。可选地，所述焊料层为锡、金/锡、锡/铅、锡/银、锡/银/铜、铟/铅中的一种。可选地，所述焊料层的厚度为1～50μm。可选地，所述吸气剂层的材料为钛、钛锆合金、钛锆钒合金或铝钡合金中的一种。本技术提供的一种晶圆级封装红外探测器，其晶圆级封装是两片晶圆参与封装，分别为用作红外透射窗口的盖帽晶圆，以及红外像元所在衬底晶圆。两片晶圆均可以通过半导体传统方法制作。两片晶圆在真空环境中，通过熔融焊料粘接在一起，节省了成本、时间要素。本技术提供的一种晶圆级封装红外探测器，用于非制冷红外探测器晶圆级封装，由盖帽、红外像元衬底和红外敏感像元组成。盖帽晶圆为在8～14μm红外波段损耗较少的磁约束直拉硅（MCZ硅）或者浮带硅（FZ硅）。表面蒸镀红外透射的抗反射膜ARC层，从而进一步增加红外光线的透射；盖帽晶圆背面刻蚀凹槽结构，用来做盖帽晶圆与红外像元的隔离间隙；盖帽背面沉积有金属密封环，包括金属粘附层、阻挡层，抗氧化层，分别例如是Ti/Pt/Au、或者Ti/Ni/Au组合金属材料；密封环上面电镀厚金属例如Sn、或者Au/Sn，厚度大约是10μm上下；凹槽里面蒸镀或者溅射吸气剂材料，钛、或者钛锆合金、或者钛锆钒合金，为了吸收残余气体以保持、提高封装真空度。在红外像元衬底晶圆上，制备读出电路、红外敏感像元结构、以及金属密封环。在键合设备中，两片晶圆的密封环对准，加热，Au/Sn焊料熔融后两片晶圆粘接成一个整体，划片后，裂成单颗红外芯片以便成像系统使用。根据下文结合附图对本技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是本技术一个实施例的一种晶圆级封装红外探测器的示意性结构图；图2是本技术的另一个实施例的一种晶圆级封装红外探测器的示意性结构图。具体实施方式图1是本技术一个实施例的一种晶圆级封装红外探测器的示意性结构图。如图1所示，一种晶圆级封装红外探测器，一般地可以包括：盖帽1、红外像元衬底201和红外敏感像元203。红外像元衬底201上设有第二金属密封环202。盖帽1为对8～14μm红外波段透明的硅窗口。盖帽1设有第一金属密封环102。第一金属密封环102和第二金属密封环202通过焊料层104真空键合焊接，以使得盖帽1和红外像元衬底201密封并具有一腔室。红外敏感像元203设置在腔室内的红外像元衬底201上，并与红外像元衬底201的读出电路电连接。盖帽1相对于红外敏感像元203一侧刻蚀有一凹槽103以形成盖帽窗口。凹槽内圆周壁设有吸气剂层。具体地，盖帽1为对8～14μm波段吸收较低的磁约束直拉硅（MCZ硅，MagneticallyconfinedCzochralskisilicon）或者浮带硅（FZ硅，FloatZonesilicon）。一般地，盖帽1作为红外光线透射窗口，含氧量较低，一般是高阻硅。第一金属密封环102和第二金属密封环202分别包括金属粘附层、阻挡层和抗氧化层。第一金属密封环102和第二金属密封环202的材料为钛/氮化钛/金、钛/铂金/金、钛/镍/金中的一种。可选地，盖帽1硅窗口的背面沉积第一金属密封环102，并且通过刻蚀、剥离(lift-off)方式实现第一金属密封环102的图形化。第一金属密封环102一般为钛/氮化钛/金(Ti/TiN/Au)、钛/铂金/金(Ti/Pt/Au)、钛/镍/金(Ti/Ni/Au)。在一个具体的实施方式中，金属密封环102为Ti/Ni/Au，厚度对应为2000Å/2500Å/1500Å。需要声明的是，本专利技术不局限于本实施案例中材料与厚度。焊料层为锡、金/锡、锡/铅、锡/银、锡/银/铜、铟/铅中的一种。焊料层的厚度为1～50μm。可选地，焊料层104通过电镀的方式沉积。焊料层104为锡(Sn)、金/锡(Au/Sn)、锡/铅(Sn/Pb)、锡/银(Sn/Ag)、锡/银/铜(Sn/Ag/Cu)、铟/铅(In/Pb)等;厚度为1～50μm范围内。在一个具体的实施方式中，焊料层104材料为金/锡(Au/Sn)，典型厚度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种晶圆级封装红外探测器，其特征在于，包括：盖帽、红外像元衬底和红外敏感像元；所述红外像元衬底上设有第二金属密封环，所述盖帽为对8～14μm红外波段透明的硅窗口，所述盖帽设有第一金属密封环，所述第一金属密封环和所述第二金属密封环通过焊料层真空键合焊接，以使得所述盖帽和所述红外像元衬底密封并具有一腔室；所述红外敏感像元设置在所述腔室内的所述红外像元衬底上并与所述红外像元衬底的读出电路电连接；所述盖帽相对于所述红外敏感像元一侧刻蚀有一凹槽以形成盖帽窗口，所述凹槽内圆周壁设有吸气剂层。

【技术特征摘要】
1.一种晶圆级封装红外探测器，其特征在于，包括：盖帽、红外像元衬底和红外敏感像元；所述红外像元衬底上设有第二金属密封环，所述盖帽为对8～14μm红外波段透明的硅窗口，所述盖帽设有第一金属密封环，所述第一金属密封环和所述第二金属密封环通过焊料层真空键合焊接，以使得所述盖帽和所述红外像元衬底密封并具有一腔室；所述红外敏感像元设置在所述腔室内的所述红外像元衬底上并与所述红外像元衬底的读出电路电连接；所述盖帽相对于所述红外敏感像元一侧刻蚀有一凹槽以形成盖帽窗口，所述凹槽内圆周壁设有吸气剂层。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，所述盖帽为对8～14μm波段吸收较低的磁约束直拉硅或者浮带硅。3.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，所述盖帽窗口的正面和\或背面镀有红外透射的抗反射膜层。4.根据权利要求3所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：许勇，王大甲，周龙飞，王春雷，
申请(专利权)人：无锡元创华芯微机电有限公司，
类型：新型
国别省市：江苏,32