一种晶圆级真空封装的irfpa器件及其制造方法

专利名称：一种晶圆级真空封装的ir fpa器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种IR FPA器件及其制造方法，尤其是一种采用晶圆级真空封装的IR FPA器件及其制造方法。
背景技术：
红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域， 其核心部件是红外焦平面阵列(Infrared Focal Plane Array, IRFPA)。根据工作原理分类，可分为光子型红外探测器和非制冷红外探测器。光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换；因而需要工作在 77K或更低的温度下，这就需要笨重而又复杂的制冷设备，难以小型化，携带不方便。另一方面，HgCdTe和InSb等材料价格昂贵、制备困难，且与CMOS工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。这些都极大地阻碍了红外摄像机的广泛应用，特别是在民用方面，迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。在目前已经商品化的红外焦平面阵列器件，其成本主要在于封装与测试，约占芯片成本的70-80%，主要采用金属或陶瓷管壳式的真空封装，成本高企，目前为了降低器件成本，国际国内都把研究方向投向晶圆级封装或芯片级封装，这是为了降低芯片成本的一条重要途径，也是其发展方向。非制冷热型红外探测器通过红外探测单元吸收红外线，红外能量引起红外探测单元的电学特性发生变化，把红外能量转化为电信号，通过读出电路读取该信号并进行处理。 晶圆级真空封装主要是晶圆制造过程中制作封装所需要的焊料，然后在对晶圆进行切割前完成两片或多片晶圆的键合封装，这样做的好处是可以大大减小封装后的器件尺寸，满足目前在移动设备中对小型化芯片的需求。同时无需使用金属或陶瓷管壳，能有效地降低器件的成本。图I是一种非制冷红外探测器单元制作的微结构(来自美国专利公开文本 5286976 2/1994)，主要是采用非晶硅和VOx (氧化钒)来作为温敏电阻来实现对红外线的探测。其结构包括器件10、微桥探测层11、表面平坦的半导体衬底13、衬底表面14、集成电路15、氮化硅16、薄膜反光材料18、氮化硅层20、薄膜电阻层21、氮化硅层22、红外吸收层 23、空腔或空腔高度26、斜面30、第一接触垫31、第二接触垫32、第一氮化硅层20’、第二氮化硅层22’、斜面30’。该结构是制造在已完成读出电路制造的硅片上，由于读出电路硅片上有比较厚的介质层，因而形成一个较大的热容，像元上吸收的红外能量无法及时耗散出去，会带来像元之间的串扰，从而降低成像质量。图I中的VOx材料同时也是与IC工艺不兼容的，因而该结构不能在IC工厂进行制造，造成成本比较高。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种晶圆级真空封装的IR FPA 器件及其制造方法。采用2片晶圆键合的方式来实现红外探测器的制作及实现其晶圆级封装，把CMOS IC与MEMS器件分开制作，既实现与CMOS IC的集成，又增加MEMS红外探测器器件制作的灵活性，又能同时实现晶圆级封装，降低封装成本，从而降低IR FPA器件的制作成本。按照本发明提供的技术方案，一种晶圆级真空封装的IR FPA器件，包括第一片晶圆和第二片晶圆，其特征是所述第一片晶圆为常规的硅片，采用常规IC制作工艺制作出 IR FPA的读出电路，同时以第一片晶圆最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板；在第一片晶圆有反光板的一面淀积有介质材料，贯穿所述第一片晶圆和介质材料制有TSV结构用于电连接及实现贴片式封装，在TSV结构和介质材料的电连接点制作第一低温焊接材料；在第二片晶圆的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆正面制作有阻挡氧化层，在阻挡氧化层上制作有金属连线，形成MEMS结构的电连线，热隔离悬臂梁中的金属与所述电连线相连，热隔离悬臂梁中的金属与敏感层中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层上还制作有用于真空封装的吸气剂以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料，第二低温焊接材料与电连线相连，所述敏感层、热隔离悬臂梁、吸气剂、 第二低温焊接材料之间形成真空腔，在第二片晶圆的上下两面还制作有红外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圆与第二片晶圆的键合实现晶圆级真空封装。进一步的，在所述第二片晶圆背面与凹槽相对的区域制作有用于聚能的微透镜阵列。进一步的，所述敏感层中的共振吸收层位于敏感层的上方或下方。上述晶圆级真空封装的IR FPA器件晶圆级真空封装的制作方法，其步骤如下 第一步、在第一片晶圆的硅衬底上，通过常规IC工艺制作出IR FPA所需的读出电路，
利用硅衬底最上层金属制作出IR FPA共振吸收结构所需要的反光板，然后在第一片晶圆有反光板的一面完成钝化层介质的淀积形成介质材料；
第二步、通过光刻、刻蚀方法在读出电路的外围制作出深孔，然后通过PECVD方法在深孔内壁淀积介质层，用于电隔离，然后通过蒸发或溅射方法在深孔内壁溅射金属阻挡层或电镀的种子层，然后通过溅射、CVD或电镀方法完成深孔中金属材料的填充，最后通过CMP 方法去除多余的金属材料，实现平坦化和完成TSV结构的制作；并通过光刻、刻蚀的方法刻掉反光板上多余的介质层；
第三步、在保护正面的情况下，利用减薄工艺把硅衬底减薄到从背面露出TSV结构中的金属材料；
第四步、在第二片晶圆上制作出IR FPA器件采用LPCVD、PECVD、光刻、刻蚀、蒸发和溅射工艺，在第二片晶圆上制作阻挡氧化层，然后在阻挡氧化层上面制作金属连线，形成电连线，然后覆盖上牺牲层，在牺牲层上制作用于连接电连线和热隔离悬臂梁的孔，然后制作敏感层和热隔离悬臂梁，热隔离悬臂梁中的导电材料与敏感层中的敏感电阻材料相连；所述牺牲层为通过旋涂平坦化制作的聚酰亚胺材料或通过PECVD淀积的非晶硅或非晶GeSi，然后通过CMP方法实现平坦化；
第五步、采用光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出吸气剂、第二低温焊接材料后，采用氧等离子灰化技术或XeF2气相腐蚀技术释放掉牺牲层，释放出空腔；所述氧等离子灰化技术是针对牺牲层材料为聚酰亚胺，所述XeF2气相腐蚀技术是针对牺牲层材料为非晶硅或非晶 GeSi ；
第六步、在第一片晶圆的TSV结构和介质材料的电连接点上采用IC中常规工艺光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出第一低温焊接材料；
第七步、通过晶圆键合工艺实现第一片晶圆和第二片晶圆的对准及键合，实现IR FPA 和读出电路的电连接及整个IR FPA器件的真空封装；在清洗完成后通过蒸发或溅射工艺在第二片晶圆背面制作红外光窗的抗反射层材料，完成整个IR FPA器件的制作，最后完成对IR FPA器件的切割。一种晶圆级真空封装的IR FPA器件，包括第一片晶圆和第二片晶圆，其特征是 所述第一片晶圆为常规的硅片，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA的读出电路，同时以第一片晶圆最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板；在第一片晶圆有反光板的一面淀积有介质材料，所述介质材料包括中部一个凸台，凸台四周低于中部形成边沿，所述凸台内制有TSV结构，所述边沿上设有通孔，在TSV结构和介质材料的电连接点制作第一低温焊接材料；在第二片晶圆的硅衬底上，通过常规IC工艺制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆正面制作有阻挡氧化层，在阻挡氧化层上制作有金属连线，形成MEMS结构的电连线，热隔离悬臂梁中的金属与所述电连线相连，热隔离悬臂梁中的金属与敏感层中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层上还制作有用于真空封装的吸气剂以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料，第二低温焊接材料与电连线相连，所述敏感层、热隔离悬臂梁、吸气剂、第二低温焊接材料之间形成真空腔，在第二片晶圆的上下两面还制作有红外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圆与第二片晶圆的键合实现晶圆级真空封装。进一步的，在所述第二片晶圆背面与凹槽相对的区域制作有用于聚能的微透镜阵列。进一步的，所述敏感层中的共振吸收层位于敏感层的上方或下方。上述晶圆级真空封装的IR FPA器件晶圆级真空封装的制作方法，其步骤如下 第一步、在第一片晶圆的硅衬底上，通过常规IC工艺制作出IR FPA所需的读出电路，
利用硅衬底最上层金属制作出IR FPA共振吸收结构所需要的反光板，然后在第一片晶圆有反光板的一面完成钝化层介质的淀积形成介质材料；
第二步、通过光刻、刻蚀方法在读出电路的外围制作出深孔，然后通过蒸发或溅射方法在深孔内壁溅射金属阻挡层或电镀的种子层，然后通过溅射、CVD或电镀方法完成深孔中金属材料的填充，最后通过CMP方法去除多余的金属材料，实现平坦化和完成TSV结构的制作；并通过光刻、刻蚀的方法刻掉反光板上多余的介质层；
第三步在第二片晶圆上制作出IR FPA器件采用LPCVD、PECVD、光刻、刻蚀、蒸发和溅射工艺，在第二片晶圆上制作阻挡氧化层，然后在阻挡氧化层上面制作金属连线，形成电连线，然后覆盖上牺牲层，在牺牲层上制作用于连接电连线和热隔离悬臂梁的孔，然后制作敏感层和热隔离悬臂梁，热隔离悬臂梁中的导电材料与敏感层中的敏感电阻材料相连；所述牺牲层为通过旋涂平坦化制作的聚酰亚胺材料或通过PECVD淀积的非晶硅或非晶GeSi，然后通过CMP方法实现平坦化；
第四步、采用光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出吸气剂、第二低温焊接材料后，采用氧等离子灰化技术或XeF2气相腐蚀技术释放掉牺牲层，释放出空腔；所述氧等离子灰化技术是针对牺牲层材料为聚酰亚胺，所述XeF2气相腐蚀技术是针对牺牲层材料为非晶硅或非晶 GeSi ；第五步、在第一片晶圆的TSV结构和介质材料的电连接点上采用IC中常规工艺光刻、 蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出第一低温焊接材料；
第六步、通过晶圆键合工艺实现第一片晶圆和第二片晶圆的对准及键合，实现IR FPA 和读出电路的电连接及整个IR FPA器件的真空封装；在清洗完成后通过蒸发或溅射工艺在第二片晶圆背面制作红外光窗的抗反射层材料，完成整个IR FPA器件的制作；
第七步、通过光刻、刻蚀的方法刻掉第二片晶圆多余的抗反射层材料、衬底以及阻挡氧化层，露出通孔；最后通过切割完成各IR FPA器件的分离。一种晶圆级真空封装的IR FPA器件，包括第一片晶圆、第二片晶圆和第三片晶圆， 其特征是所述第一片晶圆的硅衬底上，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA的读出电路， 同时以第一片晶圆最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板；在第一片晶圆有反光板的一面淀积有介质材料，所述介质材料包括中部一个凸台，凸台四周低于中部形成边沿，所述凸台内制有TSV结构，所述边沿上设有通孔，在TSV结构和介质材料的电连接点制作第一低温焊接材料；在第二片晶圆的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆正面制作有阻挡氧化层，在阻挡氧化层上制作有金属连线，形成 MEMS结构的电连线，热隔离悬臂梁中的金属与所述电连线相连，热隔离悬臂梁中的金属与敏感层中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层上还制作有用于真空封装的吸气剂以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料，第二低温焊接材料与电连线相连，然后所述第二片晶圆的硅材料被被完全去除；所述第三片晶圆的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件真空封装的盖帽，包括凹槽及在凹槽表面制作的抗反射层材料，以及第三片晶圆背面的抗反射层材料；由所述第一片晶圆、第二片晶圆和第三片晶圆的依次键合实现晶圆级真空封装。本发明的优点是通过在一片晶圆上制作CMOS读出电路和共振吸收结构的反光板，利用另外一片晶圆制造IR FPA的MEMS结构部分，同时利用这片晶圆做IR FPA的红外光窗，既利用共振吸收结构提供了红外IR FPA器件的红外吸收效率，同时实现IR FPA器件的晶圆级封装，有利于减小IR FPA器件的尺寸和降低制作成本。


图I是现有技术剖面结构示意图。图2是本发明实施例I的剖面结构示意图。图3是本发明实施例2的剖面结构示意图。图4是本发明实施例3的剖面结构示意图。图5是本发明实施例4的剖面结构示意图。图6是本发明实施例5的剖面结构示意图。图7是本发明实施例6的剖面结构示意图。图8是本发明实施例7的剖面结构示意图。图9-1是本发明实施例I的制作方法第一步示意图。图9-2是本发明实施例I的制作方法第二步示意图。图9-3是本发明实施例I的制作方法第三步示意图。图9-4是本发明实施例I的制作方法第四步示意图。图9-5是本发明实施例I的制作方法第五步示意图。
图9-6是本发明实施例I的制作方法第六步示意图。图9-7是本发明实施例I的制作方法第七步示意图。图10-1是本发明实施例2的制作方法第一步示意图。图10-2是本发明实施例2的制作方法第二步示意图。图10-3是本发明实施例2的制作方法第三步示意图。图10-4是本发明实施例2的制作方法第四步示意图。图10-5是本发明实施例2的制作方法第五步示意图。图10-6是本发明实施例2的制作方法第六步示意图。图10-7是本发明实施例2的制作方法第七步示意图。图11-1是本发明实施例7的制作方法第一步示意图。图11-2是本发明实施例7的制作方法第二步示意图。图11-3是本发明实施例7的制作方法第三步示意图。图11-4是本发明实施例7的制作方法第四步示意图。图11-5是本发明实施例7的制作方法第五步示意图。图11-6是本发明实施例7的制作方法第六步示意图。图11-7是本发明实施例7的制作方法第七步示意图。图11-8是本发明实施例7的制作方法第八步示意图。图11-9是本发明实施例7的制作方法第九步示意图。图11-10是本发明实施例7的制作方法第十步示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进ー步说明。本发明采用两块晶圆通过键合的方式来实现晶圆级真空封装的IR FPA器件，第一 片晶圆101的衬底为IC常用的硅片，通过常规的ICエ艺流程制造出IR FPA所需的读出电 路，同时以其最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104(A1或AlCu或 Cu或AlSiCu)，以及TSV结构103和与第2块晶圆进行焊接的第一低温焊接材料105。第2 块晶圆主要制作IR FPA的MEMS结构电连线204 (Al或AlCu或AlSiCu或Cu)、敏感层205 (是ー种复合材料结构，由包裹该区域的介质材料、电阻材料非晶硅或非晶VOx或非晶GeSi 或掺杂非晶硅或掺杂VOx或掺杂非晶GeSi、共振吸收层半透明金属Ti或TiN等组成)、热隔 离悬臂梁206 (由包裹绝热梁的介质以及TiN或掺杂非晶硅导电材料組成)，以及用于真空 封装所需的吸气剂207 (Ti或Ni或Pd或Zr或其复合材料)和两片晶圆焊接时所需的第二 低温焊接材料208 (Al或Cu或AlSiCu或Au或Ag或Sn或其复合材料)，以及完成真空腔 210的释放，以及红外光窗所需要的抗反射材料(SiON或ZnS或MgF2或其组合)，这制作于 弟2块晶圆201的上下两面(图中未标识出来)。然后通过晶圆键合设备完成两块晶圆的对 准及键合，实现所发明的晶圆级真空封装的IR FPA器件。该发明主要是把CMOS IC和MEMS IR FPA器件分开制造，在不影响CMOS IC性能的情况下，增加了 MEMS IR FPA制作的灵活 性，同时IR FPA像元的散热通道末端(电连线204)紧贴着ー个大热沉(第二片晶圆201)，有 利于减小像元之间的串扰，提高器件性能，对于集成微透镜的方式(图4和图5所示)，可以 通过透镜来更好地提高器件的填充因子，提高器件性能。本发明采用共振吸收结构来提高红外敏感单元对红外线的吸收效率。红外敏感单元与反射层之间的间距在1-3. 5um，其间距可以通过CMOSIC上层介质(介质材料102)和低温焊接材料105、208厚度来调整。该间距调整可以用于针对不同波段红外线的吸收，从而应用于针对l-3um，5-7um，8-14um红外波段的探测，实现不同波段的室温成像。红外焦平面阵列器件有很多的这样的红外探测单元组成，通过读出电路处理，从而实现面阵的成像。图4和图5是本发明实施例3和实施例4的结构剖面图，主要是在进行完晶圆键合后，在第2片晶圆201上制造用于聚能的微透镜阵列212，提高器件的填充因子，提高器件性能。图6和图7是本发明实施例5和实施例6的结构剖面图，与实施例I和实施例2 的不同之处在于把敏感层205中的共振吸收层作于敏感层的上方。该两种实施例同样有集成微透镜阵列的实施方式。实施例I
本发明实施例I的结构剖面图如图2所示，包括第一片晶圆101和第二片晶圆201，在第二片晶圆201硅衬底上，通过常规IC工艺的光刻、刻蚀制造出用于红外焦平面阵列器件的微结构。具体结构为所述第一片晶圆101为常规的硅片，采用常规IC制作工艺制作出 IR FPA的读出电路，同时以第一片晶圆101最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104 ;在第一片晶圆101有反光板104的一面淀积有介质材料102,贯穿所述第一片晶圆101和介质材料102制有TSV结构103用于电连接及实现贴片式封装，在TSV结构103和介质材料102的电连接点制作第一低温焊接材料105 ;在第二片晶圆201的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆201正面制作有阻挡氧化层 202，在阻挡氧化层202上制作有金属连线203，形成MEMS结构的电连线204，热隔离悬臂梁 206中的金属与所述电连线204相连，热隔离悬臂梁206中的金属与敏感层205中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层202上还制作有用于真空封装的吸气剂207以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料208，第二低温焊接材料208与电连线204相连，所述敏感层205、 热隔离悬臂梁206、吸气剂207、第二低温焊接材料208之间形成真空腔210，在第二片晶圆 201的上下两面还制作有红外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圆101与第二片晶圆201的键合实现晶圆级真空封装。敏感层205为红外敏感材料，本实施例中红外敏感材料为非晶硅或非晶锗硅。本发明实施例I的具体制作方法步骤如下
第一步(如图9-1所示):在第一片晶圆101的硅衬底上，通过标准的IC工艺制作出IR FPA所需的读出电路，利用其最后一层金属制作出IR FPA共振吸收结构所需要的反光板 104，然后完成最后的钝化层介质的淀积形成介质材料102。第二步(如图9-2所示)通过IC工艺中的光刻、刻蚀方法制作出深孔，然后通过 PECVD方法完成介质层的淀积(用于电隔离)，以及通过蒸发或溅射方法溅射金属阻挡层或电镀的种子层，然后通过溅射、CVD或电镀方法完成金属材料的填充，最后通过CMP方法实现平坦化和完成TSV结构103的制作，再通过光刻、刻蚀的方法刻掉反光板104上多余的介质层。刻掉反光板104上多余的介质层与制备TSV结构103的顺序可以反过来，即先刻掉反光板104上多余的介质层，然后再制作TSV结构103。第三步(如图9-3所示)在保护正面的情况下，利用IC中的减薄工艺把第一片晶圆101的硅衬底减薄到从背面露出TSV结构103中的金属材料。第四步(如图9-4所示):在第2块晶圆上制作出IR FPA器件采用常规的IC工艺 LPCVD, PECVD、光刻、刻蚀、蒸发和溅射，制作出如图所示的IR FPA器件，其中的牺牲层211 可以说通过旋涂平坦化制作的聚酰亚胺材料或通过PECVD淀积的非晶硅或非晶GeSi，然后通过CMP方法实现如图所示的平坦化，然后在上面制作IR FPA器件的敏感层205、热隔离悬臂梁206。第五步(如图9-5所示):采用IC中常规光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出吸气剂 207和低温焊接材料208后，采用氧等离子灰化技术(对牺牲层材料为聚酰亚胺)或XeF2气相腐蚀技术(对牺牲层材料为非晶硅或非晶GeSi)释放掉牺牲层211，释放出空腔212。第六步(如图9-6所示):在第I块晶圆上采用IC中常规工艺光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出低温焊接材料105。第七步(如图9-7所示)通过晶圆键合工艺实现两片晶圆的对准及键合，实现IR FPA和读出电路的电连接及整个IR FPA器件的真空封装。然后根据需要对晶圆201进行减薄，在清洗完成后通过蒸发或溅射工艺制作红外光窗的抗反射层材料213。完成整个IR FPA器件的制作，最后完成对IR FPA器件的切割。实施例2
本发明实施例2的结构剖面图如图3所示，与实施例I的不同之处在于最后焊点的引出，实施例I的焊点通过TSV的方法从第一片晶圆下面引出，实施方案2是在第一片晶圆的读出电路的四周引出。具体结构为第一片晶圆101为常规的硅片，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA 的读出电路，同时以第一片晶圆101最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104 ;在第一片晶圆101有反光板104的一面淀积有介质材料102，所述介质材料102包括中部一个凸台，凸台四周低于中部形成边沿，所述凸台内制有TSV结构103，所述边沿上设有通孔107，在TSV结构103和介质材料102的电连接点制作第一低温焊接材料105 ;在第二片晶圆201的硅衬底上，通过常规IC工艺制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆201正面制作有阻挡氧化层202，在阻挡氧化层202上制作有金属连线203， 形成MEMS结构的电连线204，热隔离悬臂梁206中的金属与所述电连线204相连，热隔离悬臂梁206中的金属与敏感层205中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层202上还制作有用于真空封装的吸气剂207以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料208，第二低温焊接材料208与电连线204相连，所述敏感层205、热隔离悬臂梁206、吸气剂207、第二低温焊接材料208之间形成真空腔210，在第二片晶圆201的上下两面还制作有红外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圆101与第二片晶圆201的键合实现晶圆级真空封装。本发明实施例2的具体制作方法步骤如下
第一步(如图10-1所示)在第一片晶圆101的硅衬底上，通过标准的IC工艺制作出 IR FPA所需的读出电路，利用其最后一层金属制作出IR FPA共振吸收结构所需要的反光板 104，然后完成最后的钝化层介质的淀积形成介质材料102。第二步(如图10-2所示)通过IC工艺中的光刻、刻蚀方法制作出通孔，然后通过蒸发或溅射方法溅射金属阻挡层或电镀的种子层，然后通过溅射、CVD或电镀方法完成金属材料的填充，最后通过CMP方法实现平坦化和完成电连接孔103的制作，再通过光刻、刻蚀的方法刻掉反光板104上多余的介质层。刻掉反光板104上多余的介质层与制备电连接孔 103的顺序可以反过来，即先刻掉反光板104上多余的介质层，然后再制作电连接孔103。第三步(如图10-3所示):在第2块晶圆上制作出IR FPA器件采用常规的IC工艺 LPCVD, PECVD、光刻、刻蚀、蒸发和溅射，制作出如图所示的IR FPA器件，其中的牺牲层211 可以说通过旋涂平坦化制作的聚酰亚胺材料或通过PECVD淀积的非晶硅或非晶GeSi，然后通过CMP方法实现如图所示的平坦化，然后在上面制作IR FPA器件的敏感层205、热隔离悬臂梁206。第四步(如图10-4所示)采用IC中常规光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出吸气剂207和低温焊接材料208后，采用氧等离子灰化技术(对牺牲层材料为聚酰亚胺)或XeF2 气相腐蚀技术(对牺牲层材料为非晶硅或非晶GeSi)释放掉牺牲层211，释放出空腔212。第五步(如图10-5所示)在第I块晶圆上采用IC中常规工艺光刻、蒸发或溅射、 刻蚀工艺制作出低温焊接材料105。第六步(如图10-6所示)通过晶圆键合工艺实现两片晶圆的对准及键合，实现IR FPA和读出电路的电连接及整个IR FPA器件的真空封装。然后根据需要对晶圆201进行减薄，在清洗完成后通过蒸发或溅射工艺制作红外光窗的抗反射层材料213。完成整个IR FPA器件的制作。第七步(如图10-7所示)通过光刻、刻蚀的方法刻掉第2块晶圆多余的抗反射层材料213、衬底201、以及晶圆201下面的抗反射层材料(图中未表示出来)、以及阻挡氧化层 202，露出金属垫106。最后通过切割完成各IR FPA器件的分离。实施例3
本发明实施例3的结构剖面图如图4所示，其主要结构与实施例I类似，主要不同是增加了聚光集成微透镜，从而提高结构的填充因子，改善器件的性能。主要制作步骤差异在第七步(如图9-7所示)，在制作抗反射层材料213之前，先通过光刻、刻蚀的方法制作出微凸透镜阵列或菲涅尔透镜阵列之后，再制作抗反射层材料 213，完成整个器件的制作。实施例4
本发明实施例4的结构剖面图如图5所示，其主要结构与实施方案2类似，主要不同是增加了聚光集成微透镜，从而提高结构的填充因子，改善器件的性能。主要制作步骤差异在第六步(如图10-6所示)，在制作抗反射层材料213之前，先通过光刻、刻蚀的方法制作出微凸透镜阵列或菲涅尔透镜阵列之后，再制作抗反射层材料 213，完成整个器件的制作。实施例5
本发明实施例5的结构剖面图如图6所示，其主要结构与实施例I类似，只是在制作敏感层205时把共振吸收层半透明金属材料制作在上面。实施例6
本发明实施例6的结构剖面图如图7所示，其主要结构与实施例2类似，只是在制作敏感层205时把共振吸收层半透明金属材料制作在上面。实施例7
本发明实施例7的结构剖面图如图8所示，其结构包括第一片晶圆101、第二片晶圆和第三片晶圆301，所述第一片晶圆101的硅衬底上，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA的读出电路，同时以第一片晶圆101最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板104 ;在第一片晶圆101有反光板104的一面淀积有介质材料102，所述介质材料102包括中部一个凸台，凸台四周低于中部形成边沿，所述凸台内制有TSV结构103，所述边沿上设有通孔107，在TSV结构103和介质材料102的电连接点制作第一低温焊接材料105 ;在第二片晶圆的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆201正面制作有阻挡氧化层202，在阻挡氧化层202上制作有金属连线203，形成MEMS结构的电连线204，热隔离悬臂梁206中的金属与所述电连线204相连，热隔离悬臂梁206中的金属与敏感层205中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层202上还制作有用于真空封装的吸气剂 207以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料208，第二低温焊接材料208与电连线204 相连，然后所述第二片晶圆的硅材料被被完全去除；所述第三片晶圆301的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件真空封装的盖帽，包括凹槽及在凹槽表面制作的抗反射层材料302，以及第三片晶圆301背面的抗反射层材料；由所述第一片晶圆101、第二片晶圆和第三片晶圆 301的依次键合实现晶圆级真空封装。其具体制作步骤如下
第一步(如图11-1所示)在第一片晶圆101的硅衬底上，通过标准的IC工艺制作出 IR FPA所需的读出电路，利用其最后一层金属制作出IR FPA共振吸收结构所需要的反光板 104，然后完成最后的钝化层介质的淀积形成介质材料102。第二步(如图11-2所示)通过IC工艺中的光刻、刻蚀方法制作出深孔，然后通过 PECVD方法完成介质层的淀积(用于电隔离)，以及通过蒸发或溅射方法溅射金属阻挡层或电镀的种子层，然后通过溅射、CVD或电镀方法完成金属材料的填充，最后通过CMP方法实现平坦化和完成TSV结构103的制作，再通过光刻、刻蚀的方法刻掉反光板104上多余的介质层。刻掉反光板104上多余的介质层与制备TSV结构103的顺序可以反过来，即先刻掉反光板104上多余的介质层，然后再制作TSV结构103。第三步(如图11-3所示):在保护正面的情况下，利用IC中的减薄工艺把第一片晶圆101的硅衬底减薄到从背面露出TSV结构103中的金属材料。第四步(如图11-4所示)在第2块晶圆上制作出IR FPA器件采用常规的IC工艺LPCVD、PECVD、光刻、刻蚀、蒸发和溅射，制作出如图所示的IR FPA器件。第五步(如图11-5所示)采用IC中常规光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出吸气剂207和低温焊接材料208后。第六步(如图11-6所示)在第I块晶圆上采用IC中常规工艺光刻、蒸发或溅射、 刻蚀工艺制作出第一低温焊接材料105。第七步(如图11-7所示):通过晶圆键合工艺实现第一片晶圆和第二片晶圆的对准及键合，实现IR FPA和读出电路的电连接。第八步(如图11-8所示)对晶圆201进行减薄工艺，完全去除第二片晶圆201的硅材料。第九步(如图11-9所示)在第三块晶圆301上，采用常规IC的光刻、刻蚀、溅射、 蒸镀的方法制备出如图所示的凹槽及凹槽表面的抗反射层材料302(Si0N或ZnS或MgF2或其组合)，根据需要对晶圆301进行减薄，并在晶圆301背面制作所需要的抗反射层材料(图
13中未表不出来)。第十步(如图11-10所示)通过晶圆键合工艺实现第三片晶圆301与第七步所制作的结构的对准及键合，完成整个IR FPA器件的真空封装。完成整个IR FPA器件的制作， 最后完成对IR FPA器件的切割。
权利要求
1.晶圆级真空封装的IRFPA器件，包括第一片晶圆(101)和第二片晶圆(201)，其特征是所述第一片晶圆(101)为常规的硅片，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA的读出电路，同时以第一片晶圆(101)最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板(104);在第一片晶圆(101)有反光板(104)的一面淀积有介质材料(102),贯穿所述第一片晶圆(101)和介质材料(102)制有TSV结构(103 )用于电连接及实现贴片式封装，在TSV结构(103)和介质材料(102)的电连接点制作第一低温焊接材料(105);在第二片晶圆(201) 的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆(201)正面制作有阻挡氧化层(202)，在阻挡氧化层(202)上制作有金属连线(203)，形成MEMS结构的电连线 (204)，热隔离悬臂梁(206)中的金属与所述电连线(204)相连，热隔离悬臂梁(206)中的金属与敏感层(205)中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层(202)上还制作有用于真空封装的吸气剂(207)以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料(208)，第二低温焊接材料 (208)与电连线(204)相连，所述敏感层(205)、热隔离悬臂梁(206)、吸气剂(207)、第二低温焊接材料(208)之间形成真空腔(210)，在第二片晶圆(201)的上下两面还制作有红外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圆(101)与第二片晶圆(201)的键合实现晶圆级真空封装。
2.如权利要求I所述晶圆级真空封装的IRFPA器件，其特征是，在所述第二片晶圆 (201)背面与凹槽相对的区域制作有用于聚能的微透镜阵列(212)。
3.如权利要求I所述晶圆级真空封装的IRFPA器件，其特征是，所述敏感层(205)中的共振吸收层位于敏感层(205)的上方或下方。
4.晶圆级真空封装的IRFPA器件晶圆级真空封装的制作方法，其特征是，步骤如下 第一步、在第一片晶圆(101)的硅衬底上，通过常规IC工艺制作出IR FPA所需的读出电路，利用硅衬底最上层金属制作出IR FPA共振吸收结构所需要的反光板(104)，然后在第一片晶圆(101)有反光板(104)的一面完成钝化层介质的淀积形成介质材料(102)； 第二步、通过光刻、刻蚀方法在读出电路的外围制作出深孔，然后通过PECVD方法在深孔内壁淀积介质层，用于电隔离，然后通过蒸发或溅射方法在深孔内壁溅射金属阻挡层或电镀的种子层，然后通过溅射、CVD或电镀方法完成深孔中金属材料的填充，最后通过CMP 方法去除多余的金属材料，实现平坦化和完成TSV结构(103)的制作；并通过光刻、刻蚀的方法刻掉反光板(104)上多余的介质层；第三步、在保护正面的情况下，利用减薄工艺把硅衬底(101)减薄到从背面露出TSV结构(103)中的金属材料；第四步、在第二片晶圆(201)上制作出IR FPA器件采用LPCVD、PECVD、光刻、刻蚀、蒸发和溅射工艺，在第二片晶圆(201)上制作阻挡氧化层(202)，然后在阻挡氧化层(202)上面制作金属连线(203)，形成电连线(204)，然后覆盖上牺牲层(211)，在牺牲层(211)上制作用于连接电连线(204)和热隔离悬臂梁(206)的孔，然后制作敏感层(205)和热隔离悬臂梁(206)，热隔离悬臂梁(206)中的导电材料与敏感层(205)中的敏感电阻材料相连；所述牺牲层(211)为通过旋涂平坦化制作的聚酰亚胺材料或通过PECVD淀积的非晶硅或非晶 GeSi，然后通过CMP方法实现平坦化；第五步、采用光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出吸气剂(207)、第二低温焊接材料 (208)后，采用氧等离子灰化技术或XeF2气相腐蚀技术释放掉牺牲层(211)，释放出空腔(210);所述氧等离子灰化技术是针对牺牲层材料为聚酰亚胺，所述XeF2气相腐蚀技术是针对牺牲层材料为非晶硅或非晶GeSi ；第六步、在第一片晶圆(101)的TSV结构(103)和介质材料(102)的电连接点上采用IC 中常规工艺光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出第一低温焊接材料(105);第七步、通过晶圆键合工艺实现第一片晶圆(101)和第二片晶圆(201)的对准及键合， 实现IR FPA和读出电路的电连接及整个IR FPA器件的真空封装；在清洗完成后通过蒸发或溅射工艺在第二片晶圆(201)背面制作红外光窗的抗反射层材料(213)，完成整个IR FPA器件的制作，最后完成对IR FPA器件的切割。
5.晶圆级真空封装的IRFPA器件，包括第一片晶圆(101)和第二片晶圆(201)，其特征是所述第一片晶圆(101)为常规的硅片，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA的读出电路， 同时以第一片晶圆(101)最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板(104); 在第一片晶圆(101)有反光板(104)的一面淀积有介质材料(102)，所述介质材料(102)包括中部一个凸台，凸台四周低于中部形成边沿，所述凸台内制有TSV结构(103)，所述边沿上设有通孔(107)，在TSV结构(103)和介质材料(102)的电连接点制作第一低温焊接材料(105);在第二片晶圆(201)的硅衬底上，通过常规IC工艺制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆(201)正面制作有阻挡氧化层(202)，在阻挡氧化层(202)上制作有金属连线(203)，形成MEMS结构的电连线(204)，热隔离悬臂梁(206)中的金属与所述电连线(204)相连，热隔离悬臂梁(206)中的金属与敏感层(205)中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层(202 )上还制作有用于真空封装的吸气剂(207 )以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料(208 )，第二低温焊接材料(208 )与电连线(204 )相连，所述敏感层(205 )、热隔离悬臂梁(206)、吸气剂(207)、第二低温焊接材料(208)之间形成真空腔(210)，在第二片晶圆(201)的上下两面还制作有红外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圆(101) 与第二片晶圆(201)的键合实现晶圆级真空封装。
6.如权利要求5所述晶圆级真空封装的IRFPA器件，其特征是，在所述第二片晶圆(201)背面与凹槽相对的区域制作有用于聚能的微透镜阵列(212)。
7.如权利要求5所述晶圆级真空封装的IRFPA器件，其特征是，所述敏感层(205)中的共振吸收层位于敏感层(205)的上方或下方。
8.晶圆级真空封装的IRFPA器件晶圆级真空封装的制作方法，其特征是，步骤如下第一步、在第一片晶圆(101)的硅衬底上，通过常规IC工艺制作出IR FPA所需的读出电路，利用硅衬底最上层金属制作出IR FPA共振吸收结构所需要的反光板(104)，然后在第一片晶圆(101)有反光板(104)的一面完成钝化层介质的淀积形成介质材料(102)；第二步、通过光刻、刻蚀方法在读出电路的外围制作出深孔，然后通过蒸发或溅射方法在深孔内壁溅射金属阻挡层或电镀的种子层，然后通过溅射、CVD或电镀方法完成深孔中金属材料的填充，最后通过CMP方法去除多余的金属材料，实现平坦化和完成TSV结构(103) 的制作；并通过光刻、刻蚀的方法刻掉反光板(104)上多余的介质层；第三步在第二片晶圆(201)上制作出IR FPA器件采用LPCVD、PECVD、光刻、刻蚀、 蒸发和溅射工艺，在第二片晶圆(201)上制作阻挡氧化层(202)，然后在阻挡氧化层(202) 上面制作金属连线(203)，形成电连线(204)，然后覆盖上牺牲层(211)，在牺牲层(211)上制作用于连接电连线(204)和热隔离悬臂梁(206)的孔，然后制作敏感层(205)和热隔离悬臂梁(206)，热隔离悬臂梁206中的导电材料与敏感层(205)中的敏感电阻材料相连；所述牺牲层(211)为通过旋涂平坦化制作的聚酰亚胺材料或通过PECVD淀积的非晶硅或非晶 GeSi，然后通过CMP方法实现平坦化；第四步、采用光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出吸气剂(207)、第二低温焊接材料(208)后，采用氧等离子灰化技术或XeF2气相腐蚀技术释放掉牺牲层(211)，释放出空腔(210);所述氧等离子灰化技术是针对牺牲层材料为聚酰亚胺，所述XeF2气相腐蚀技术是针对牺牲层材料为非晶硅或非晶GeSi ；第五步、在第一片晶圆(101)的TSV结构(103)和介质材料(102)的电连接点上采用IC 中常规工艺光刻、蒸发或溅射、刻蚀工艺制作出第一低温焊接材料(105);第六步、通过晶圆键合工艺实现第一片晶圆(101)和第二片晶圆(201)的对准及键合， 实现IR FPA和读出电路的电连接及整个IR FPA器件的真空封装；在清洗完成后通过蒸发或溅射工艺在第二片晶圆(201)背面制作红外光窗的抗反射层材料(213)，完成整个IR FPA器件的制作；第七步、通过光刻、刻蚀的方法刻掉第二片晶圆(201)多余的抗反射层材料(213)、衬底以及阻挡氧化层(202)，露出通孔(107);最后通过切割完成各IR FPA器件的分离。
9.晶圆级真空封装的IR FPA器件，包括第一片晶圆(101)、第二片晶圆和第三片晶圆 (301)，其特征是所述第一片晶圆(101)的硅衬底上，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA 的读出电路，同时以第一片晶圆(101)最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板(104);在第一片晶圆(101)有反光板(104)的一面淀积有介质材料(102),所述介质材料(102)包括中部一个凸台，凸台四周低于中部形成边沿，所述凸台内制有TSV结构(103)，所述边沿上设有通孔(107)，在TSV结构(103)和介质材料(102)的电连接点制作第一低温焊接材料(105);在第二片晶圆的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件的微结构，包括所述第二片晶圆(201)正面制作有阻挡氧化层(202)，在阻挡氧化层(202)上制作有金属连线(203 )，形成MEMS结构的电连线(204 )，热隔离悬臂梁(206 )中的金属与所述电连线(204)相连，热隔离悬臂梁(206)中的金属与敏感层(205)中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层(202)上还制作有用于真空封装的吸气剂(207)以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料(208)，第二低温焊接材料(208)与电连线(204)相连，然后所述第二片晶圆的硅材料被被完全去除；所述第三片晶圆(301)的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件真空封装的盖帽，包括凹槽及在凹槽表面制作的抗反射层材料(302)，以及第三片晶圆(301)背面的抗反射层材料；由所述第一片晶圆(101)、第二片晶圆和第三片晶圆(301)的依次键合实现晶圆级真空封装。
全文摘要
本发明公开了一种晶圆级真空封装的IRFPA器件及其制造方法，采用2片晶圆键合的方式来实现红外探测器的制作及实现其晶圆级封装，把CMOSIC与MEMS器件分开制作，既实现与CMOSIC的集成，又增加MEMS红外探测器器件制作的灵活性，又能同时实现晶圆级封装。本发明的优点是通过在一片晶圆上制作CMOS读出电路和共振吸收结构的反光板，利用另外一片晶圆制造IRFPA的MEMS结构部分，同时利用这片晶圆做IRFPA的红外光窗，既利用共振吸收结构提供了红外IRFPA器件的红外吸收效率，同时实现IRFPA器件的晶圆级封装，有利于减小IRFPA器件的尺寸和降低制作成本。
文档编号G01J5/20GK102610619SQ201210088348
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者欧文, 蒋文静 申请人:江苏物联网研究发展中心