一种晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器及其制备方法，其特点是传感器晶圆上设有热隔离槽、通孔和隔离墙，滤光片晶圆上或设有隔离墙，所述通孔与PAD器件相连接，并将其引入到晶圆背面；所述隔离墙设置在热隔离槽内，将热电堆像素包围；所述热隔离槽设置在两相邻的热电堆像素之间，使每个像素之间被A隔离墙所隔离；所述隔离墙设有反射层将红外辐射反射到热电堆像素的吸收层，隔离墙顶部设有键合层，两键合层将传感器晶圆与滤光片晶圆通过真空热压键合在一起，封装成红外热电堆阵列传感器。本发明专利技术与现有技术相比具有降低热串扰和红外辐射串扰，提高了传感器的能量利用率，可直接应用于红外目标为人体的场景。可直接应用于红外目标为人体的场景。可直接应用于红外目标为人体的场景。

【技术实现步骤摘要】
一种晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及CMOS与半导体集成封装
，尤其是一种可实现热隔离、红外辐射隔离的晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]微电子机械系统（MEMS）是在微电子制造技术基础上发展起来，融合了多种微细加工技术，能够实现传感器的微型化、批量化、低成本化，成为国家大力发展的对象。
[0003]红外热电堆传感器采用MEMS工艺可实现对红外目标的红外辐射进行非接触测量，因此在人体体温测量方面产生大量的应用。将单个的红外热电堆传感器以阵列的形式排列，其可获得红外目标热图像。
[0004]现有技术的红外热电堆阵列传感器存在热串扰和红外串扰问题，使得阵列传感器的分辨率降低，其得到的红外图像清晰度、对比度较差，分辨率是图像重要的衡量标准。热串扰问题来源于阵列中的传感器之间间距较小，使得两者之间存在热传导，热传导对两者信号产生干扰。红外串扰是由于红外辐射入射到相邻传感器之间的部分，再经过反射，最终入射到其他传感器的吸收层，即引起干扰，将不属于此位置的红外辐射经过一系列的反射进入到该位置的传感器吸收层。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术的不足而提供的一种晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器及其制备方法，采用在红外热电堆阵列传感器上设置热隔离槽和隔离墙，以及背部刻蚀释放热电堆结构的方法，以降低热串扰和红外辐射串扰，提高分辨率，并通过TSV技术建立导电通孔，将热电堆传感器的PAD引入晶圆背面，使其能够通过表面贴片技术与后端电路的PCB板相连接，将镀有红外增透膜的滤光片晶圆与传感器晶圆进行晶圆级封装，大大减小传感器面积，通过改变隔离墙的高度可实现对传感器视角的改变，若要进一步降低视角，本专利技术在滤光片晶圆上建立隔离墙，将此晶圆的隔离墙与传感器晶圆的隔离墙键合可实现对视角的降低。
[0006]实现本专利技术目的的具体技术方案是：一种晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器，包括由传感器晶圆与滤光片晶圆组成的红外热电堆阵列传感器，其特点是传感器晶圆上设有热隔离槽、通孔和A隔离墙，滤光片晶圆上设有B隔离墙，传感器晶圆与滤光片晶圆键合，封装成红外热电堆阵列传感器；所述通孔与热电堆传感器的PAD器件相连接，并将其引入到晶圆背面；所述A隔离墙设置在热隔离槽内，将热电堆像素包围；所述热隔离槽设置在两相邻的热电堆像素之间，使每个像素之间被A隔离墙所隔离；所述A隔离墙和B隔离墙的墙表面分别设有反射层，其顶部设有键合层，两键合层将传感器晶圆与滤光片晶圆通过真空热压键合在一起，封装成红外热电堆阵列传感器。
[0007]所述反射层可将红外辐射反射到热电堆像素的吸收层。
[0008]所述A隔离墙与B隔离墙为两两对应分别设置在两晶圆上，并可通过改变隔离墙的
高度调整红外热电堆阵列传感器的视角。
[0009]一种晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器的制备方法，其特点是红外热电堆阵列传感器的制备具体包括以下步骤：步骤1：选取硅晶圆作为传感器晶圆，在其表面生成钝化层；步骤2：采用干法或湿法刻蚀制备热隔离槽和通孔；步骤3：:使用导电金属对通孔进行填充，并在热隔离槽内生长出底层的A隔离墙；步骤4：在支撑层（钝化层）表面依次生成第一热电偶层、绝缘层、第二热电偶层和吸收层，同时底层的A隔离墙也在此步骤中继续生长；步骤5：继续生长A隔离墙，使其达到设计高度；步骤6：在A隔离墙顶层上生成A键合层，墙壁表面生成A反射层；步骤7：在传感器晶圆背面生成PAD器件，使其与导电通孔形成电连接；步骤8：选取硅晶圆作为滤光片晶圆，在表面生成B键合层或生成B隔离墙，并在墙壁表面生成B反射层，墙顶部生成B键合层；步骤9：将传感器晶圆和滤光片晶圆之间的两键合层通过真空热压键合在一起；步骤10：在传感器晶圆背面刻蚀出空腔，释放出热电堆像素的结构。
[0010]所述通孔为TSV技术制备且与PAD器件相连，将热电堆传感器信号引入到传感器晶圆的背面，使其能够通过表面贴片技术与后端电路的PCB板相连接。
[0011]所述热电堆像素的数量取决于阵列传感器的阵列数，其热电堆释放结构为背部刻蚀。
[0012]所述滤光片晶圆为硅晶圆或镀增透膜的硅晶圆，且增透膜的透射波段不限。
[0013]所述A键合层和B键合层为兼容CMOS工艺的材料，如金或铜。
[0014]所述第一热电偶层为多晶硅层，所述第二热电偶层为铝层；所述吸收层为氮化硅层。
[0015]所述A反射层和B反射层采用对红外辐射反射率高的材料，比如金。
[0016]所述导电金属为钨或铝。
[0017]本专利技术与现有技术相比具有降低热串扰和红外辐射串扰的技术效果和显著进步，本专利技术的热隔离槽和隔离墙解决热串扰、红外辐射串扰，并提出将上述结构集成到热电堆阵列传感器的工艺流程，使传感器本身和隔离结构集成。隔离墙上设有对红外辐射具有良好的反射性的涂层，若反射层材料为金，由于金层对红外辐射具有良好的反射性，因此当红外辐射入射到墙壁表面的金层时，由于反射，使红外射线进入其所包围的热电堆传感器的红外吸收层，因此不仅解决了辐射串扰还提高了传感器的能量利用率。同时墙壁本身会改变传感器的视角，通过调整墙壁的高度，可调整视角，若要进一步降低视角，可对滤光片晶圆做类似的墙壁，提高墙壁的高度，视角的降低会提高传感器的检测距离。并通过引入TSV技术建立通孔将热电堆像素的信号从通孔引到传感器晶圆背面，可实现表面贴片封装。本专利技术使用晶圆级封装，将滤光片晶圆与传感器晶圆通过真空热压键合，若选择滤光片在5um
‑
14u的平均透过率为75%,而人体的红外辐射峰值波长为10um，故该结构可直接应用于红外目标为人体的场景。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的步骤1~5工艺流程图；图2为本专利技术的步骤6~8工艺流程图；图3为本专利技术的步骤9~10工艺流程图；图4为实施例1的步骤1~5工艺流程图；图5为实施例1的步骤6~10工艺流程图；图6为实施例1的步骤11~13工艺流程图；图7为实施例1制备的红外热电堆阵列传感器结构示意图；图8为实施例2的步骤1~3工艺流程图；图9为实施例2的步骤4~5工艺流程图。
具体实施方式
[0019]参阅图1~图3，本专利技术包括：热电堆像素18、A隔离墙6、B隔离墙16、热隔离槽3、滤光片晶圆15、通孔4、传感器晶圆1、PAD器件13、A反射层12、B反射层22、A键合层11和B键合层21，所述热电堆像素18位于传感器晶圆1上，每个像素之间被A隔离墙6所隔离；所述A隔离墙6位于传感器晶圆1上，将每个热电堆像素像素18包围；所述热隔离槽3为干法或湿法刻蚀而成，位于A隔离墙6下方，将热电堆像素18进行热隔离；所述导电通孔4贯穿整个传感器晶圆1，位于热电堆像素18附近与其形成电连接，将信号引入晶圆背面的PAD器件13；所述B隔离墙16位于滤光片晶圆15上；所述A、B两键合层11和21分别位于A、B两隔离墙6和16的顶层，用于将两隔离墙进行键合；所述A、B两反射层12本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器，包括由传感器晶圆与滤光片晶圆组成的红外热电堆阵列传感器，其特征在于传感器晶圆上设有热隔离槽、导电通孔和A隔离墙，滤光片晶圆上设有B隔离墙，传感器晶圆与滤光片晶圆键通过设置在两隔离墙上的键合层键合在一起，封装成红外热电堆阵列传感器；所述导电通孔与热电堆传感器的PAD器件相连接，将其引入到晶圆背面；所述A隔离墙设置在热隔离槽内，将热电堆像素包围；所述热隔离槽设置在两相邻的热电堆像素之间，使每个像素之间被A隔离墙所隔离；所述A隔离墙和B隔离墙的墙表面分别设有反射层，其顶部设有键合层，两键合层将传感器晶圆与滤光片晶圆通过真空热压键合在一起，封装成红外热电堆阵列传感器。2.根据权利要求1所述晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器，其特征在于所述反射层可将红外辐射反射到热电堆像素的吸收层。3.根据权利要求1所述晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器，其特征在于所述A隔离墙与B隔离墙为两两对应分别设置，并可通过改变隔离墙高度调整传感器的视角。4.一种权利要求1所述晶圆级封装的红外热电堆阵列传感器的制备方法，其特征在于红外热电堆阵列传感器的制备具体包括以下步骤：步骤1：在传感器晶圆表面生成钝化层；步骤2：采用干法或湿法刻蚀制备热隔离槽和通孔；步骤3：使用导电金属对通孔进行填充，并在热隔离槽内生长A隔离墙；步骤4：在钝化层依次表面生成第一热电偶层、绝缘层、第二热电偶层、吸收层，同时底层的A隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡春华，杨焘，毕恒昌，吴幸，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：