CN105449008A - 一种红外传感器及其封装结构和制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种红外传感器及其封装结构以及制备方法，其中，该红外传感器及其封装结构包括：读出电路衬底，用于采集和处理红外传感器的输出信号；红外传感器单元，包括红外传感器阵列中的部分像素，用于将入射到红外传感器单元上的红外辐射转换为电信号并由读出电路衬底输出；真空微腔结构，将所述红外传感器单元封装在其内部区域的真空环境中，该真空微腔结构包括具有释放通道的支撑外壳、位于所述支撑外壳上方且堵塞所述释放通道的红外增透膜、位于所述真空微腔结构内部的吸气剂薄膜。根据本实施例的方案，可实现红外传感器的像素级封装，且可增加红外传感器对红外辐射的吸收效率，提高红外传感器的灵敏度。

Description

一种红外传感器及其封装结构和制备方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种红外传感器及其封装结构，以及一种用于制备红外传感器及其封装结构的方法。

背景技术

现有技术中，在对红外传感器进行封装时，采用键合工艺，在真空环境下将整个红外传感器阵列密封在一个由陶瓷或金属壳和红外窗口构成的封装体内，如图1中所示。目前通常采用的封装技术为器件级封装和多芯片批量封装技术，然而，该等封装技术的红外透过率低，且工艺复杂、成本高昂且产能低下，并且，键合工艺需要专用的设备和工艺，其难度较大、成本较高，且与标准的集成电路加工以及集成电路封装工艺不兼容。

发明内容

本发明的目的是提供一种红外传感器及其封装结构，以及一种用于制备红外传感器及其封装结构的方法。

根据本发明的一个方面，提供一种红外传感器及其封装结构，其中，该红外传感器及其封装结构包括：

读出电路衬底，用于采集和处理红外传感器的输出信号；

红外传感器单元，包括红外传感器阵列中的部分像素，用于将入射到红外传感器单元上的红外辐射转换为电信号并由读出电路衬底输出；

真空微腔结构，将所述红外传感器单元封装在其内部区域的真空环境中，该真空微腔结构包括具有释放通道的支撑外壳、位于所述支撑外壳上方且堵塞所述释放通道的红外增透膜、位于所述真空微腔结构内部的吸气剂薄膜。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种焦平面阵列，其中，该焦平面阵列包括本发明所述的红外传感器及其封装结构形成的阵列。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于制备红外传感器及其封装结构的方法，其中，该方法包括以下步骤：

a.在读出电路衬底上生成第一层金属薄膜，作为真空微腔结构内的吸气剂薄膜以及红外传感器单元的红外反射层；

b.通过在所述第一层金属薄膜上方涂覆第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成红外传感器单元，该红外传感器单元包括红外传感器阵列中的部分像素；

c.通过在所述红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层，并在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上形成第二凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成内部包含所述红外传感器单元的支撑外壳以及支撑外壳上的释放通道，其中，所述第二凹槽包括位于所述红外传感器单元外的一圈连续的凹槽；

d.经由所述释放通道去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，并在真空环境下加热衬底以激活所述吸气剂薄膜，并在所述支撑外壳上方生成红外增透膜，同时堵塞释放通道，以形成封装有所述红外传感器单元的真空微腔结构。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)可将红外传感器阵列的部分像素直接真空封装在读出电路衬底上，以实现红外传感器的像素级封装；并且，该像素级封装，允许对红外传感器芯片中的部分像素单独进行后续加工，从而可降低工艺成本和难度；2)支撑外壳或红外增透膜具有聚光结构，以将红外辐射聚集到微腔中心区域的结构，增强红外传感器对红外辐射的吸收效率，并增加传感器像素的有效填充系数；3)在制备红外传感器及其封装结构的过程中，不需要采用键合工艺，从而大大减少了制备成本，且使得制备红外传感器及其封装结构的工艺流程更易操作。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为现有技术中一个示例的红外传感器及其封装结构的示意图；

图2a为本发明一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；

图2b为图2a所示的红外传感器及其封装结构的俯视剖面图；

图3为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；

图4为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；

图5为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；

图6为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；

图7为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；

图8为本发明一个实施例的用于制备红外传感器及其封装结构的方法的流程示意图；

图9为用于制备图6所示的红外传感器及其封装结构的工艺流程示意图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明提供了一种红外传感器及其封装结构，其中，该红外传感器及其封装结构包括：

读出电路衬底，用于采集和处理红外传感器的输出信号；

红外传感器单元，包括红外传感器阵列中的部分像素，用于将入射到红外传感器单元上的红外辐射转换为电信号并由读出电路衬底输出；

真空微腔结构，将所述红外传感器单元封装在其内部区域的真空环境中，该真空微腔结构包括具有释放通道的支撑外壳、位于所述支撑外壳上方且堵塞所述释放通道的红外增透膜、位于所述真空微腔结构内部的吸气剂薄膜。

图2至图7为本发明的红外传感器及其封装结构的示例结构的示意图，以下将分别予以说明。需要说明的是，为简单起见，将图2a和图2b统称为图2。

需要说明的是，为简单起见，图2至图7所示的示例结构中，仅示出了前述红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素的情况。但本领域技术人员应能理解，根据本发明的红外传感器及其封装结构中的红外传感器单元并非仅能包括红外传感器阵列的一个像素，事实上，所述红外传感器及其封装结构可包括红外传感器阵列的全部像素中的部分像素。例如，红外传感器及其封装结构中的红外传感器单元包括一个8×8红外传感器阵列中的2×2的像素。

图2为本发明一个实施例的红外传感器及其封装结构的示意图，其中图2a为红外传感器及其封装结构的侧视剖面图(沿图2b中B-B剖面)，图2b为该红外传感器及其封装结构的俯视剖面图(沿图2a中A-A剖面)。

如图2a和图2b所示，红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底201、红外传感器单元、和内部封装该红外传感器单元的真空微腔结构；其中，图示200为入射的红外线的方向示意。

其中，所述读出电路衬底201为在衬底上加工了集成电路后所形成的衬底，其用于采集和处理红外传感器的输出信号，如对红外传感器输出的信号进行采集读出、校准处理等。优选地，所述衬底的材料为硅(Si)；下文将该在衬底上加工得到的集成电路简称为“读出电路”。

以下对该红外传感器及其封装结构中的红外传感单元进行详细说明。

本实施例中，红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素，该像素采用微桥结构，该微桥结构可进一步包括支撑柱202、电极连接柱203、绝热梁209(请见图2b)和多层功能薄膜204。

其中，所述电极连接柱203用于作为电极将电信号传输给读出电路。

其中，所述多层功能薄膜204包括任何红外传感器单元的薄膜层所需要的薄膜；优选地，所述多层功能薄膜204包括但不限于电极接触薄膜、绝缘保护薄膜、热敏电阻薄膜、红外吸收薄膜等。其中，电极接触薄膜与热敏电阻薄膜直接接触。其中，绝缘保护薄膜位于多层功能薄膜204中的最上层和最下层，用于提供绝缘保护。其中，热敏电阻薄膜的电阻在温度变化时发生变化，读出电路可读取该电阻的变化，并将读出的信号经放大后输出，优选地，热敏电阻薄膜的电阻信号经过电极接触薄膜、绝热梁、电极连接柱之后被读出电路读取；优选地，该热敏电阻薄膜的材料包括但不限于氧化钒(VOx)、非晶硅(a-Si)等材料。其中，红外吸收薄膜通过吸收红外辐射的能量并将其传递给热敏电阻薄膜，引起热敏电阻薄膜温度的升高；优选地，红外吸收薄膜的材料包括但不限于氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO)、氮化钛(TiN)、钛(Ti)等。优选地，电极接触薄膜或绝缘保护薄膜可同时作为红外吸收薄膜。

其中，所述绝热梁209的功能包括但不限于：1)用于电极连接，将多层功能薄膜204中的电极接触薄膜连接到电极连接柱203；2)用于机械支撑，与支撑柱202一起支撑多功能薄膜204，保证整个微桥结构具有一定的机械强度，以避免多功能薄膜204在冲击、振动等条件下粘附到衬底或者产生脱落、倾斜等，并保证多功能薄膜204位于吸气剂薄膜205(同时作为红外反射层)上方一定距离处，该距离使得多功能薄膜204中的红外吸收薄膜与红外反射层构成红外吸收谐振腔，以使对入射红外辐射的吸收率更为优化；3)保证热敏电阻薄膜与读出电路衬底之间足够的热阻，该热阻保证在吸收红外辐射后热敏电阻薄膜产生足够的温升以产生输出信号。

其中，所述支撑柱202的功能包括但不限于：1)用于电极连接，将多层功能薄膜204中的电极接触薄膜连接到电极连接柱203；2)用于机械支撑，与绝热梁一起支撑多功能薄膜204，保证整个微桥结构具有一定的机械强度，以避免多功能薄膜204在冲击、振动等条件下粘附到衬底或者产生脱落、倾斜等，并保证多功能薄膜204位于吸气剂薄膜205(同时作为红外反射层)上方一定距离处，该距离使得多功能薄膜204中的红外吸收薄膜与红外反射层构成红外吸收谐振腔，以使对入射红外辐射的吸收率更为优化。

需要说明的是，通过将红外传感器单元封装在真空微腔结构中，来保证红外传感器单元工作在真空环境中，从而保证多层功能薄膜204中的红外吸收薄膜所吸收的红外辐射不会通过空气以对流、传导的方式被传输到读出电路衬底201，从而避免由此降低红外传感器单元对红外辐射的灵敏度。

以下对该红外传感器及其封装结构中的真空微腔结构进行详细说明。

真空微腔结构包括具有释放通道208的支撑外壳206、位于支撑外壳206上方的红外增透膜207以及位于真空微腔结构内部的吸气剂薄膜205。

其中，所述吸气剂薄膜205直接沉积在读出电路衬底201上，且可用于保持真空微腔结构内部的真空环境的长期稳定性。优选地，吸气剂薄膜205的材料包括但不限于：1)具有活性表面的金属，如钛(Ti)、锆(Zr)、钒(V)等，以及上述具有活性表面的金属之间的合金；2)其他通用的非蒸散型吸气剂材料(Non-evaporableGetter，NEG)等。优选地，吸气剂薄膜205可优先选择对红外辐射具有良好反射的材料，如能够反射80％以上波长在8μm～14μm之间的红外辐射的金属材料。优选地，吸气剂薄膜205可作为红外反射层，且与多层功能薄膜204中所包含的红外吸收薄膜以及真空微腔构成谐振腔，从而增强红外传感器单元对红外辐射的有效吸收。

优选地，所述支撑外壳206由对红外透明的材料构成；优选地，所述支撑外壳206的材料包括但不限于：硅(如非晶硅(a-Si))、锗(Ge)(如非晶锗(a-Ge))、非晶锗硅(a-GeSi)、硫化锌(ZnS)等；其中，所述支撑外壳可由多种工艺沉积生成，例如，支撑外壳可由PECVD工艺或溅射工艺沉积而成。

其中，所述释放通道208用于在红外传感器及其封装结构的加工过程中释放真空微腔结构内部的牺牲层材料，以构成内部悬空的微桥结构，以及微桥结构与支撑外壳206之间的间隙。本实施例中，所述释放通道208呈直线形，且其一端位于所述红外传感器单元的支撑柱202上方且紧靠支撑柱202。释放通道208的该结构具有以下优势：

1)在后续工艺，如沉积红外增透膜207，的实施过程中，部分通过释放通道进入微腔内部的薄膜材料将被限制在支撑柱202上，使其不会引起微桥结构的热短路或电学上的短路；

2)支撑柱202与支撑外壳206之间的间隙较小，有利于释放通道208的密封。

事实上，释放通道208及其紧靠支撑柱202的结构，可阻止红外增透膜过于进入支撑外壳内部并利用红外增透膜所沉积薄膜自动封闭住释放通道。

需要说明的是，支撑外壳206可位于红外传感器单元周围且与读出电路衬底201一起构成一个完整的封闭结构；也可仅位于红外传感器单元周围的部分节点处，以保持红外传感器阵列的各个像素之间的联通，并最终通过对整个红外传感器阵列的周围进行密封来完成真空封装。

其中，红外增透膜207由对红外透明的材料构成，用于降低封装结构对入射红外辐射的反射率。优选地，所述红外增透膜207可作为堵塞释放通道208的堵塞结构，以使真空微腔结构内外的气体隔离。

其中，所述红外增透膜207可通过在真空环境下以物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)的方式形成；该红外增透膜207的材料优选地采用对红外透明的薄膜材料，如锗(Ge)、硅(Si)、硫化锌(ZnS)、硒化锌、硫系锗等。其中，所述红外增透膜207可以为由上述材料中的一种形成的单一膜层，或者，为由上述材料中的多种交替沉积形成的多层复合膜。优选地，红外增透膜207可为增透膜复合膜层，该增透膜复合膜层由折射率高低交替的材料构成，如沉积一层高折射率的薄膜，再沉积一层低折射率的薄膜，再沉积一层高折射率的薄膜等；作为一个举例，红外增透膜207以硫化锌作为低折射率材料、以锗和硅作为高折射率材料，来交替沉积并形成增透膜复合膜层。更优选地，当红外增透膜207为多层复合膜时，可通过薄膜层数和厚度的控制来进一步地降低反射率。

现有技术中，在对红外传感器进行封装时，通常采用键合工艺，在真空环境下将整个红外传感器阵列密封在一个由陶瓷或金属壳和红外窗口构成的封装体内。例如，图1为现有技术中一个示例的红外传感器及其封装结构的示意图，该红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底101、封装外壳102、红外传感器阵列103、吸气剂薄膜104、红外窗口105；其中，100为入射的红外线。其中，封装外壳102位于读出电路衬底101的上方，吸气剂薄膜沉积在封装外壳102的上方，红外窗口105与封装外壳102构成一个封装体，该封装体内部封装有整个红外传感器阵列103。图1所示的红外传感器及其封装结构的红外透过率低，且制备工艺复杂、产能低下，并且，其与传统的集成电路封装无法兼容，其成本一般占到传感器总成本的一半以上。

根据本实施例的方案，可将红外传感器阵列的部分像素直接真空封装在读出电路衬底上，以实现红外传感器的像素级封装；并且，该像素级封装，允许对红外传感器芯片中的部分像素单独进行后续加工，从而可降低工艺成本和难度。

需要说明的是，红外传感器单元和真空微腔结构作为一个整体(以下称为封装体)，当红外线辐射到封装体表面时，除了被反射的红外线，入射的红外线均可被红外传感器单元所吸收。因此，针对本发明公开的方案，可通过光学软件模拟计算来优化封装体设计，以降低封装体对红外辐射的反射率，且提高红外传感器单元中所包括的红外传感器阵列的部分像素对红外辐射的吸收率，从而增加红外传感器的灵敏度。其中，针对本发明公开的方案，可优化的封装体结构参数包括但不限于：红外传感器单元与吸气剂薄膜之间的间隙、红外传感器单元的薄膜厚度、红外传感器单元与支撑外壳之间的间隙、支撑外壳的薄膜厚度、红外增透膜的厚度等。

图3为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖视图。其中，该红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底301、红外传感器单元、和内部封装该红外传感器单元的真空微腔结构；本实施例中，红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素，该像素采用微桥结构，该微桥结构可进一步包括支撑柱302、电极连接柱303、多层功能薄膜304和绝热梁(图未示)；真空微腔结构包括具有释放通道308的支撑外壳306、位于支撑外壳306上方的红外增透膜307以及位于真空微腔结构内部的吸气剂薄膜305；其中，图示300为入射的红外线的方向示意。

其中，所述读出电路衬底301、支撑柱302、电极连接柱303、多层功能薄膜304、吸气剂薄膜305、绝热梁、支撑外壳306和红外增透膜307分别与参照图2中所述的读出电路衬底201、支撑柱202、电极连接柱203、多层功能薄膜204、吸气剂薄膜205、绝热梁、支撑外壳206、红外增透膜207相同或者相似，在此不再赘述。

其中，图3与图2所示的红外传感器及其封装结构的主要区别在于：

1)支撑外壳306与红外增透膜307无需在靠近支撑柱302的部位具有下陷结构。

2)图3中的释放通道308为弯折的，且可不紧靠支撑柱302；优选地，释放通道308的一端位于红外传感器单元的支撑柱302上方。

事实上，释放通道308的弯折结构，可阻止红外增透膜过于进入支撑外壳内部并利用红外增透膜所沉积薄膜自动封闭住释放通道。

根据本实施所示红外传感器及其封装结构，实现了红外传感器的像素级封装，且其释放通道是弯折的，从而更易于释放通道的真空密封。

图4为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图。其中，该红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底401、红外传感器单元、和内部封装该红外传感器单元的真空微腔结构；本实施例中，红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素，该像素采用微桥结构，该微桥结构可进一步包括支撑柱402、电极连接柱403、多层功能薄膜404和绝热梁(图未示)；真空微腔结构包括具有释放通道408的支撑外壳406、位于支撑外壳406上方的红外增透膜407以及位于真空微腔结构内部的吸气剂薄膜405；其中，图示400为入射的红外线的方向示意。

其中，所述读出电路衬底401、支撑柱402、电极连接柱403、多层功能薄膜404、吸气剂薄膜405、绝热梁、支撑外壳406和释放通道408分别与参照图3中所述的读出电路衬底301、支撑柱302、电极连接柱303、多层功能薄膜304、吸气剂薄膜305、绝热梁、支撑外壳306和释放通道308相同，在此不再赘述。

本实施例与图3所示红外传感器及其封装结构的主要区别在于：本实施例中的红外增透膜407具有能够将红外辐射聚集到真空微腔结构的中心区域的聚光结构；其中，该聚光结构为边缘棱镜结构，该边缘棱镜结构可将微腔边缘的红外辐射聚集到微腔中心区域。其中，基于图3的红外传感器及其封装结构，可通过在微腔边缘对红外增透膜307进行刻蚀加工来形成具有边缘棱镜结构的红外增透膜407。

根据本实施例的红外传感器及其封装结构，其红外增透膜具有边缘棱镜结构，可将微腔边缘的红外辐射聚集到微腔中心区域，以有效地提高红外传感器对红外辐射的吸收效率，从而提高了红外传感器的灵敏度。

图5为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图。其中，该红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底501、红外传感器单元、和内部封装该红外传感器单元的真空微腔结构；本实施例中，红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素，该像素采用微桥结构，该微桥结构可进一步包括支撑柱502、电极连接柱503、多层功能薄膜504和绝热梁(图未示)；真空微腔结构包括具有释放通道508的支撑外壳506、位于支撑外壳506上方的红外增透膜507以及位于真空微腔结构内部的吸气剂薄膜505；其中，图示500为入射的红外线的方向示意。

其中，所述读出电路衬底501、支撑柱502、电极连接柱503、多层功能薄膜504、吸气剂薄膜505、绝热梁、支撑外壳506和释放通道508分别与参照图3中所述的读出电路衬底301、支撑柱302、电极连接柱303、多层功能薄膜304、吸气剂薄膜305、绝热梁、支撑外壳306和释放通道308相同，在此不再赘述。

本实施例与图3所示红外传感器及其封装结构的主要区别在于：本实施例中的红外增透膜507具有能够将红外辐射聚集到真空微腔结构的中心区域的聚光结构；其中，该聚光结构为凸透镜结构，该凸透镜结构可将红外辐射聚集到微腔中心区域。其中，基于图3的红外传感器及其封装结构，可通过三维曲面加工将红外增透膜307的表面加工成凸面，来形成具有边缘棱镜结构的红外增透膜507。

根据本实施例的红外传感器及其封装结构，其红外增透膜具有凸透镜结构，可将红外辐射聚集到微腔中心区域，大大地提高了红外传感器对红外辐射的吸收效率，从而提高了红外传感器的灵敏度。

图6为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图。其中，该红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底601、红外传感器单元、和内部封装该红外传感器单元的真空微腔结构；本实施例中，红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素，该像素采用微桥结构，该微桥结构可进一步包括支撑柱602、电极连接柱603、多层功能薄膜604和绝热梁(图未示)；真空微腔结构包括具有释放通道608的支撑外壳606、位于支撑外壳606上方的红外增透膜507以及位于真空微腔结构内部的吸气剂薄膜605；其中，图示600为入射的红外线的方向示意。

其中，所述读出电路衬底601、支撑柱602、电极连接柱603、多层功能薄膜604、吸气剂薄膜605、绝热梁、支撑外壳606和释放通道608分别与参照图3中所述的读出电路衬底301、支撑柱302、电极连接柱303、多层功能薄膜304、吸气剂薄膜305、绝热梁、支撑外壳306和释放通道308相同，在此不再赘述。

本实施例与图3所示红外传感器及其封装结构的主要区别在于：本实施例中的红外增透膜607具有能够将红外辐射聚集到真空微腔结构的中心区域的聚光结构；其中，该聚光结构为二维图形结构，该二维图形结构可基于折射原理将红外辐射聚集到微腔中心区域。优选地，该二维图形结构中心区域密集且边缘区域松散。其中，基于图3的红外传感器及其封装结构，可通过二维图形加工将红外增透膜307的表面加工为所述二维图形结构，来形成具有二维图形结构的红外增透膜607。

根据本实施例的方案，可通过对红外增透膜进行二维图形加工以使该红外增透膜具有二维图形结构，且通过该红外增透膜可将红外辐射由微腔边缘聚集到中心区域，从而提高红外传感器的灵敏度。

图7为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图。其中，该红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底701、红外传感器单元、和内部封装该红外传感器单元的真空微腔结构；本实施例中，红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素，该像素采用微桥结构，该微桥结构可进一步包括支撑柱702、电极连接柱703、多层功能薄膜704和绝热梁(图未示)；真空微腔结构包括具有释放通道708以及红外微透镜709的支撑外壳706、位于支撑外壳706上方的红外增透膜707以及位于真空微腔结构内部的吸气剂薄膜705；其中，图示700为入射的红外线的方向示意。

其中，所述读出电路衬底701、支撑柱702、电极连接柱703、多层功能薄膜704、吸气剂薄膜705、绝热梁和释放通道608分别与参照图3中所述的读出电路衬底301、支撑柱302、电极连接柱303、多层功能薄膜304、吸气剂薄膜305、绝热梁和释放通道308相同，在此不再赘述。

本实施例中，所述支撑外壳706具有能够将红外辐射聚集到真空微腔结构的中心区域的聚光结构，即红外微透镜709；该聚光结构为凸透镜结构；所述红外增透膜707覆盖在红外微透镜709上方且为凸透镜结构。

其中，所述红外微透镜709为用于对红外辐射产生聚集作用的微透镜，其可用于增强红外传感器单元对入射红外线的有效吸收。其中，所述红外微透镜709可通过对所述支撑外壳进行三维曲面加工或二维图形加工来形成。

需要说明的是，图7中的红外增透膜707与图5中红外增透膜507均具有凸透镜结构，两者的主要区别在于：图7中的红外增透膜707是直接在红外微透镜709上沉积形成的，而图5中的红外增透膜507是通过三维曲面加工来形成的。

需要说明的是，由于红外增透膜707同时可作为真空密封释放通道708的堵塞结构，对图7所示的红外增透膜707进行进一步地三维曲面加工或二维图形加工都容易破坏已经完成真空密封的微腔结构，故优选地，无需对红外增透膜707进行工艺加工。

根据本实施例的方案，可在支撑外壳上形成红外微透镜，来将红外辐射聚集到微腔中心区域，以提高红外传感器对红外辐射的吸收效率，从而提高红外传感器的灵敏度；且本实施例的方案可在红外微透镜上直接沉积形成具有凸透镜结构的红外增透膜，而无需再对沉积后的红外增透膜进行工艺加工。

需要说明的是，尽管参照上述图2至图7所示的实施例中，一个像素均包括微桥结构，但本领域技术人员应能理解，本发明公开的方案适用于任何结构的像素，因为其他结构的像素，同样能够适用于本发明的封装方案。此外，尽管图2至图7主要列举了三种聚光结构，但需要说明的是，上述聚光结构仅为举例，而非对本发明的限制，本领域技术人员应能理解，任何能够将红外辐射聚集到真空微腔结构的中心区域的结构，均应包含在本发明所述的聚光结构的范围内。

图8为本发明一个实施例的用于制备红外传感器及其封装结构的的方法的流程示意图。其中，本实施例的方法用于制备本发明所提出的红外传感器及其封装结构。根据本实施例的方法包括步骤S101、步骤S102、步骤S103和步骤S104。

在步骤S101中，在读出电路衬底上生成第一层金属薄膜，作为真空微腔结构内的吸气剂薄膜以及红外传感器单元的红外反射层。

其中，所述读出电路衬底和吸气剂薄膜可参见前述图2至图7所示实施例。

其中，所述第一层金属薄膜的材料包括任何可用于构成吸气剂薄膜的材料。

优选地，可通过控制生成第一层金属薄膜所使用的沉积工艺，以使吸气剂薄膜表面有较高的粗糙度，从而增强表面积，以提高对气体的吸附效果。

具体地，可在完成集成电路(如CMOS集成电路)的读出电路衬底上沉积第一层金属薄膜；并确定吸气剂薄膜的图形位置，对所述第一层金属薄膜进行图形加工，并去除所述吸气剂薄膜的图形位置以外的其他位置的薄膜，来形成吸气剂薄膜，且该吸气剂薄膜同时作为红外传感器单元的红外反射层。

在步骤S102中，通过在所述第一层金属薄膜上方涂覆第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成红外传感器单元。

其中，所述红外传感器单元可参见前述图2至图7所示实施例。

优选地，步骤S102进一步包括以下步骤：在所述吸气剂薄膜上方涂覆第一牺牲层；在所述第一牺牲层上刻蚀第一凹槽；在所述第一凹槽内沉积金属薄膜，形成红外传感器单元的连接柱图形；在所述连接柱图形和所述第一牺牲层上沉积所述红外传感器单元的多层功能薄膜，形成所述红外传感器单元。

其中，所述第一牺牲层的材料包括但不限于多种可溶性材料，例如聚酰亚胺(PI)(如可溶性PI)等。优选地，第一牺牲层的厚度为1um～2.5um。

其中，所述连接柱图形包括支撑柱和电极连接柱所在位置的图形。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何通过在所述第一层金属薄膜上方涂覆第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成红外传感器单元的实现方式，均应包含在本发明的范围内。

在步骤S103中，通过在所述红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层，并在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上形成第二凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成内部包含所述红外传感器单元的支撑外壳以及支撑外壳上的释放通道。其中，所述支撑外壳和释放通道，可参见前述图2至图7所示实施例。

其中，所述第二凹槽包括位于所述红外传感器单元外的一圈连续的凹槽；其中，可根据要生成的支撑外壳的形状，来在第一牺牲层和第二牺牲层上形成具有相应形状的第二凹槽。

其中，所述第二牺牲层的材料包括但不限于聚酰亚胺(PI)(如可溶性PI)等。优选地，第二牺牲层的厚度为0.5um～2um。

其中，所述支撑外壳的表面可以为平面结构。或者，优选地，生成所述支撑外壳的步骤包括：将支撑外壳生成为包含聚光结构的支撑外壳，该聚光结构可将微腔边缘的红外辐射聚集到微腔中心区域。具体地，可在用于生成支撑外壳的材料的表面进行图像加工，如三维曲面加工或二维图形加工等，来获得包含聚光结构的支撑外壳。

优选地，步骤S103进一步包括以下步骤：在红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层；在第一牺牲层和第二牺牲层上刻蚀第二凹槽，该第二凹槽包括位于所述红外传感器单元外的一圈连续的凹槽；在第二牺牲层以及第二凹槽上沉积外壳薄膜；在所沉积的外壳薄膜上刻蚀通孔，以生成所述支撑外壳以及所述释放通道。其中，所述外壳薄膜为用于构成支撑外壳的薄膜，其材料包括前述用于构成支撑外壳的材料。

其中，所述第三牺牲层的材料包括但不限于可溶性材料，例如聚酰亚胺(PI)(如可溶性PI)。优选地，第三牺牲层的厚度为0.2um～1um。

作为一种优选方案，释放通道为呈直线形，如图2a所示实施例中的释放通道208。前述生成所述支撑外壳以及所述释放通道的步骤包括以下步骤：生成紧靠红外传感器单元的支撑柱的支撑外壳，并在所述紧靠的部位形成直线形的释放通道。

作为另一种优选方案，释放通道为弯折的，如图3至图7所示实施例中的释放通道308至708。前述生成所述支撑外壳以及所述释放通道的步骤包括以下步骤：在所沉积的外壳薄膜上刻蚀第一通孔；在所述外壳薄膜上涂覆第三牺牲层；对所述第三牺牲层进行图形加工，生成所述释放通道的弯折部分的通道图形，该通道图形的一端连接所述第一通孔；在所述通道图形以及所述外壳薄膜上再次沉积外壳薄膜；在再次沉积的外壳薄膜上刻蚀第二通孔，以形成所述支撑外壳以及所述释放通道，该第二通孔连接所述通道图形的另一端。其中，所述第一通孔、第二通孔和通道图形共同构成释放通道。其中，通过第二通孔可释放第三牺牲层薄膜，通过第一通孔可释放第一牺牲层和第二牺牲层薄膜。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何通过在所述红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层，并在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上形成第二凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成内部包含所述红外传感器单元的支撑外壳以及支撑外壳上的释放通道的实现方式，均应包含在本发明的范围内。

在步骤S104中，经由释放通道去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，并在真空环境下加热衬底以激活所述吸气剂薄膜，并在所述支撑外壳上方生成红外增透膜，同时堵塞释放通道，以形成封装有所述红外传感器单元的真空微腔结构。

其中，所述真空微腔结构包括具有释放通道的支撑外壳、吸气剂薄膜以及红外增透膜。具体地，红外增透膜请参见图2至图7所示实施例。

其中，红外增透膜可为多种结构，如平面结构、聚光结构等。优选地，生成红外增透膜的步骤包括：将红外增透膜生成为包含聚光结构的红外增透膜。具体地，可在红外增透膜表面进行图像加工，如三维曲面加工或二维图形加工等，来将红外增透膜加工为包含聚光结构的红外增透膜。

其中，所述聚光结构包括但不限于：

1)边缘棱镜结构。

该结构可通过在微腔边缘对红外增透膜进行刻蚀加工来形成。例如，对于沉积为平面的红外增透膜，可在微腔边缘对该红外增透膜进行斜坡刻蚀来形成具有边缘棱镜结构的红外增透膜。

其中，边缘棱镜结构的红外增透膜可将微腔边缘的红外辐射聚集到微腔中心区域。

2)凸透镜结构。

该结构可通过将红外增透膜的表面加工为凸面来形成。例如，对于沉积为平面的红外增透膜，可通过三维曲面加工将该红外增透膜的表面加工成凸面，来形成具有凸透镜结构的红外增透膜。

其中，凸透镜结构的红外增透膜可将红外辐射聚集到微腔中心区域。

3)二维图形结构。

该结构可通过对红外增透膜的表面进行二维图形化加工来形成。例如，可将该红外增透膜的表面加工为二维图形结构；优选地，该二维图形结构中心区域密集且边缘区域松散。

其中，二维图形结构的红外增透膜可基于折射原理将红外辐射聚集到微腔中心区域。

需要说明的是，上述举例仅为更好地说明本发明的技术方案，而非对本发明的限制，本领域技术人员应该理解，任何经由释放通道去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，并在真空环境下加热衬底以激活所述吸气剂薄膜，并在所述支撑外壳上方生成红外增透膜，同时堵塞释放通道，以形成封装有所述红外传感器单元的真空微腔结构的实现方式，均应包含在本发明的范围内。

根据本实施例的方案，能够，如采用MEMS加工技术，将红外传感器阵列的部分像素直接真空封装在其读出电路衬底上，从而实现红外传感器的像素级封装，经像素级封装后，该部分像素可被单独加工，且降低了工艺成本和难度；根据本实施例的方案，支撑外壳或红外增透膜可具有聚光结构，以将红外辐射聚集到微腔中心区域的结构，增强红外传感器对红外辐射的吸收效率，并增加了传感器像素的有效填充系数。

此外，根据本实施例的方案，在制备红外传感器及其封装结构的过程中，不需要采用键合工艺，从而大大减少了制备成本，且使得制备红外传感器及其封装结构的工艺流程更易操作。

图9为用于制备图6所示的红外传感器及其封装结构的工艺流程示意图。该工艺流程包括以下步骤：S201、S202、S203、S204、S205、S206、S207、S208、S209、S210、S211、S212、S213、S214、S215、S216、S217、S218、S219、S220。

其中，步骤S201、步骤S202和步骤S203为制备图6所示红外传感器及其封装结构时前述步骤S101所对应的具体工艺流程。

在步骤S201中，在衬底上，如硅片衬底上，加工用于红外传感器信号读出的集成电路，如CMOS集成电路，并在红外传感器阵列区域留出电极连接通孔，以形成读出电路衬底。

在步骤S202中，在读出电路衬底表面沉积第一层金属薄膜，该第一层金属薄膜的材料包括前述构成吸气剂薄膜的材料。

在步骤S203中，确定图形位置，对该薄膜进行图形加工，去除图形位置以外的其他位置的薄膜，以形成吸气剂薄膜，该吸气剂薄膜同时作为红外反射层。

其中，步骤S204、步骤S205、步骤S206、步骤S207、步骤S208和步骤S209为制备图6所示红外传感器及其封装结构时前述步骤S102所对应的具体工艺流程。

在步骤S204中，在吸气剂薄膜上方涂覆第一牺牲层。

在步骤S205中，在第一牺牲层上去除用于形成第一凹槽位置的薄膜，以形成第一凹槽的图形。

在步骤S206中，在第一凹槽内及第一牺牲层上沉积金属薄膜，以在第一凹槽位置形成支撑柱和电极连接柱，其中，所述金属薄膜的材料为前述用于构成支撑外壳的材料。

在步骤S207中，去除支撑柱和电极连接柱以外位置的薄膜，形成连接柱图形。

在步骤S208中，在支撑柱、电极连接柱以及第一牺牲层上依次沉积构成红外传感器单元所需的多层功能薄膜。

在步骤S209中，去除多层功能薄膜图形以外的膜层，形成红外传感器单元。

其中，步骤S210、步骤S211、步骤S212、步骤S213、步骤S214、步骤S215、步骤S216和步骤S217为制备图6所示红外传感器及其封装结构(释放通道为弯折的)时前述步骤S103所对应的具体工艺流程。

在步骤S210中，在红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层。

在步骤S211中，在第一牺牲层和第二牺牲层上刻蚀第二凹槽，该第二凹槽位于所述红外传感器单元外且为一圈连续的凹槽。

在步骤S212中，在第二牺牲层上以及所述第二凹槽内沉积外壳薄膜。

在步骤S213中，在所沉积的外壳薄膜正对所述红外传感器单元的支撑柱的位置上刻蚀第一通孔。

在步骤S214中，在外壳薄膜上涂覆第三牺牲层。

在步骤S215中，对所述第三牺牲层进行图形加工，生成释放通道的弯折部分的通道图形，该通道图形的一端连接所述第一通孔。

在步骤S216中，在通道图形以及外壳薄膜上再次沉积外壳薄膜。

在步骤S217中，在再次沉积的外壳薄膜上刻蚀第二通孔，以形成所述支撑外壳以及支撑外壳上的释放通道，其中，该第二通孔连接所述通道图形的另一端。

步骤S218、步骤S219和步骤S220为制备图6所示红外传感器及其封装结构时实现前述步骤S104的具体工艺流程。

在步骤S218中，通过等离子刻蚀的方法，经过第二通孔，去除通道图形的第三牺牲层薄膜，再经过第一通孔，去除真空微腔结构内部的第二牺牲层薄膜、第一牺牲层薄膜，形成在真空微腔结构内部的红外传感器单元的悬空结构。

在步骤S219中，在真空环境内沉积薄膜，该薄膜同时堵塞上述第二通孔，将微腔内部的真空环境与外部隔离，其步骤中的薄膜材料为前述用于构成红外增透膜的材料。

在步骤S220中，对步骤S219中沉积的薄膜进行二维图形加工，形成中心区域密集且边缘区域稀疏的图形分布。

需要说明的是，本实施例仅给出了制备图6所示红外传感器及其封装结构的工艺流程，本领域技术人应能理解，在本发明已经公开了多种红外传感器及其封装结构，以及两者的制备方法的基础上，通过简单改变该等工艺流程中的一些步骤，即可制备图6所示实施例以外的其他实施例中的红外传感器及其封装结构。例如，在步骤S220中，对步骤S219中沉积的薄膜进行斜坡刻蚀，可形成图4所示的红外传感器及其封装结构；又例如，对步骤S219中沉积的薄膜进行三维曲面加工，可形成图5所示的红外传感器及其封装结构；再例如，在步骤S211中将第二凹槽刻蚀为图2所示红外传感器及其封装结构中支撑外壳的形状，且将步骤S213中的第一通孔直接作为释放通道，并在步骤S213之后直接执行步骤S218来去除第一牺牲层和第二牺牲层薄膜，再执行步骤S219沉积构成红外增透膜的薄膜，即可形成图2所示的红外传感器及其封装结构。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。

Claims (19)

1.一种红外传感器及其封装结构，其中，该红外传感器及其封装结构包括：

读出电路衬底，用于采集和处理红外传感器的输出信号；

红外传感器单元，包括红外传感器阵列中的部分像素，用于将入射到红外传感器单元上的红外辐射转换为电信号并由读出电路衬底输出；

真空微腔结构，将所述红外传感器单元封装在其内部区域的真空环境中，该真空微腔结构包括具有释放通道的支撑外壳、位于所述支撑外壳上方且堵塞所述释放通道的红外增透膜、位于所述真空微腔结构内部的吸气剂薄膜。

2.根据权利要求1所述的红外传感器及其封装结构，其中，所述支撑外壳或所述红外增透膜具有能够将红外辐射聚集到真空微腔结构的中心区域的聚光结构。

3.根据权利要求2所述的红外传感器及其封装结构，其中，所述聚光结构包括以下至少一种：

-边缘棱镜结构；

-凸透镜结构；

-二维图形结构。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的红外传感器及其封装结构，其中，所述释放通道是弯折的。

5.根据权利要求4所述的红外传感器及其封装结构，其中，所述释放通道呈直线形，且其一端位于所述红外传感器单元的支撑柱上方且紧靠支撑柱。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的红外传感器及其封装结构，其中，所述红外传感器阵列的一个像素包括微桥结构。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的红外传感器及其封装结构，所述支撑外壳的材料包括硅或锗。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的红外传感器及其封装结构，所述红外增透膜由对红外透明的材料构成，用于降低封装结构对入射红外辐射的反射率。

9.一种焦平面红外传感器阵列，其中，该焦平面红外传感器阵列包括如权利要1至8中任一项所述的红外传感器及其封装结构形成的阵列。

10.一种用于制备红外传感器及其封装结构的方法，其中，该方法包括以下步骤：

a.在读出电路衬底上生成第一层金属薄膜，作为真空微腔结构内的吸气剂薄膜以及红外传感器单元的红外反射层；

b.通过在所述第一层金属薄膜上方涂覆第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成红外传感器单元，该红外传感器单元包括红外传感器阵列中的部分像素；

c.通过在所述红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层，并在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上形成第二凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成内部包含所述红外传感器单元的支撑外壳以及支撑外壳上的释放通道，其中，所述第二凹槽包括位于所述红外传感器单元外的一圈连续的凹槽；

d.经由所述释放通道去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，并在真空环境下加热衬底以激活所述吸气剂薄膜，并在所述支撑外壳上方生成红外增透膜，同时堵塞释放通道，以形成封装有所述红外传感器单元的真空微腔结构。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，生成所述支撑外壳或所述红外增透膜的步骤包括将所述支撑外壳或所述红外增透膜生成为包含聚光结构的支撑外壳或红外增透膜的步骤，所述聚光结构能够将红外辐射聚集到真空微腔结构的中心区域。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述聚光结构包括以下至少一种：

-边缘棱镜结构；

-凸透镜结构；

-二维图形结构。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，生成所述支撑外壳以及所述释放通道的步骤包括生成紧靠所述红外传感器单元的支撑柱的支撑外壳并在所述紧靠的部位形成直线形的释放通道的步骤。

14.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其中，所述释放通道是弯折的，形成所述支撑外壳以及所述释放通道的步骤包括：

-在所沉积的外壳薄膜上刻蚀第一通孔；

-在所述外壳薄膜上涂覆第三牺牲层；

-对所述第三牺牲层进行图形加工，生成所述释放通道的弯折部分的通道图形，该通道图形的一端连接所述第一通孔；

-在所述通道图形以及所述外壳薄膜上再次沉积外壳薄膜；

-在再次沉积的外壳薄膜上刻蚀第二通孔，以生成所述支撑外壳以及所述释放通道，该第二通孔连接所述通道图形的另一端。

15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述步骤c包括以下步骤：

-在所述红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层；

-在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上刻蚀第二凹槽，该第二凹槽包括位于所述红外传感器单元外的一圈连续的凹槽；

-在所述第二牺牲层以及所述第二凹槽上沉积外壳薄膜；

-在所沉积的外壳薄膜上刻蚀通孔，以形成所述支撑外壳以及所述释放通道。

16.根据权利要求10至15中任一项所述的方法，其中，所述步骤b包括以下步骤：

-在所述第一层金属薄膜上方涂覆第一牺牲层；

-在所述第一牺牲层上刻蚀第一凹槽；

-在所述第一凹槽内沉积金属薄膜，形成所述红外传感器单元的连接柱图形；

-在所述连接柱图形和所述第一牺牲层上沉积所述红外传感器单元的多层功能薄膜，形成所述红外传感器单元。

17.根据权利要求10至16中任一项所述的方法，其中，所述红外传感器阵列的一个像素包括微桥结构。

18.根据权利要求10至17中任一项所述的方法，所述支撑外壳的材料包括硅或锗。

19.根据权利要求10至18中任一项所述的方法，其中，所述红外增透膜由对红外透明的材料构成，用于降低封装结构对入射红外辐射的反射率。