CN106441595B - 红外探测器阵列级封装结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种红外探测器阵列级封装结构及其制造方法，所述红外探测器阵列级封装结构包括：基底，所述基底包括衬底以及位于部分衬底表面的读出电路；薄膜层，所述薄膜层部分位于所述读出电路外侧的衬底表面，与所述衬底之间形成真空腔；吸气剂层，所述吸气剂层位于所述真空腔内部的基底表面；红外传感器单元，所述红外传感器单元位于所述真空腔内的读出电路上方与所述读出电路连接。上述红外探测器阵列级封装结构的结构紧凑，能有效地降低器件的成本。
Description
技术领域
本发明涉及红外探测技术领域，尤其涉及一种红外探测器阵列级封装结构及其制造方法。
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(IRFPA)。根据工作原理分类可分为：制冷型红外探测器和非制冷红外探测器。制冷型探测器主要利用窄禁带半导体光电效应将红外光信号转化为电信号，又称为光子探测器，通常工作在77K或更低温度下，这就需要笨重而又昂贵的制冷设备。此外，制作光子探测器所用的HgCdTe、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。
非制冷热型红外探测器通过红外探测单元吸收红外线，将红外能量转化为热能，热能引起探测器材料电学特性变化从而将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。非制冷型红外探测器也叫室温探测器，可在室温条件下工作而无需制冷，因此具有更易于便携等优点。非制冷红外探测器一般是热探测器，即通过探测红外辐射的热效应来工作。常用的红外热探测器包括热堆、热释电、以及微测辐射热计。
对于非制冷红外探测器来说，传统的封装类型主要是芯片级封装，通常采用金属或陶瓷管壳。主要工艺流程包括如下步骤：(1)硅晶圆上制备非制冷红外探测器的读出电路及敏感结构；(2)将上述制备好的晶圆切割成单个探测器芯片；(3)贴片、打线；(4)真空封盖。目前，利用传统封装类型的非制冷红外探测器的封装成本占到了整个探测器成本的90％。非制冷红外探测器的成本居高不下，封装是个很重要的原因。因此，要实现非制冷红外探测器的大批量应用，必须降低非制冷红外探测器的成本，首先就必须降低封装的成本。只有在整个晶圆上实现阵列级封装才能大幅度降低封装成本。
早期研究的非制冷红外探测器晶圆级封装多数是先在封盖晶圆表面沉积抗反射膜，然后对封盖晶圆进行刻蚀形成腔体，通过特定工艺将封盖晶圆与探测器晶圆键合到一起，这种封装方式需要制作单独的封盖晶圆，且很多工艺不能与半导体工艺兼容，因此，早期红外探测器的晶圆级封装并不能很好地降低探测器成本，同时探测器性能也会受到影响。
所以，需要一种新的封装方法降低红外探测器的成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种红外探测器阵列级封装及其制造方法，以降低红外探测器的成本。
为了解决上述问题，本发明提供了一种红外探测器阵列级封装结构，包括：基底，所述基底包括衬底以及位于部分衬底表面的读出电路；薄膜层，所述薄膜层部分位于所述读出电路外侧的衬底表面，与所述衬底之间形成真空腔；吸气剂层，所述吸气剂层位于所述真空腔内部的基底表面；红外传感器单元，所述红外传感器单元位于所述真空腔内的读出电路上方，与所述读出电路连接。
可选的，所述红外传感器单元包括传感器像元阵列，所述传感器像元包括：电连接柱、由所述电连接柱支撑的悬空的微桥结构，所述电连接柱与读出电路连接；所述薄膜层包括：第一支撑薄膜和位于所述第一支撑薄膜表面的第二支撑薄膜；还包括：位于衬底表面焊盘、位于衬底内的连接电路，所述连接电路连接所述焊盘与读出电路。
可选的，所述微桥结构包括：微桥桥面、连接所述微桥桥面的绝热梁、以及连接所述绝热梁与电连接柱的支撑桥柱；所述微桥桥面包括：电极接触薄膜、绝缘保护薄膜、热敏电阻薄膜以及红外吸收薄膜；所述电极接触薄膜与热敏电阻直接接触，所述绝缘保护薄膜位于最上层和最下层。
可选的，所述第一支撑薄膜具有释放通道，所述第二支撑薄膜填充满所述释放通道；所述薄膜层还包括支撑结构，位于所述传感器像元的支撑桥柱表面，用于支撑所述薄膜层；所述薄膜层还包括位于所述第二支撑薄膜表面的光学增透膜；所述第一支撑薄膜和第二支撑薄膜对红外光线透明。
可选的，所述吸气剂层位于红外传感器单元外围的衬底表面、位于所述微桥结构下方的读出电路上、或者位于红外传感器单元外围的衬底表面以及所述微桥结构下方的读出电路上；当吸气剂层位于读出电路上时，所述读出电路与吸气剂层之间具有绝缘层；所述吸气剂层的材料为具有活性表面的金属或非蒸散型吸气剂。
所述吸气剂层还位于所述微桥结构下方的读出电路上，所述读出电路与吸气剂层之间具有绝缘层；所述吸气剂层的材料为具有活性表面的金属或非蒸散型吸气剂。
为解决上述问题，本发明的技术方案还提供一种红外探测器阵列级封装结构制造方法，包括：提供基底，所述基底包括衬底以及位于部分衬底表面的读出电路，所述基底上还具有与所述读出电路连接的红外传感器单元；在所述基底表面形成吸气剂层；在所述基底上形成薄膜层，所述薄膜层部分位于所述读出电路外侧的衬底表面，与所述衬底之间形成真空腔，使所述读出电路、红外传感器单元及吸气剂层位于所述真空腔内。
可选的，所述红外传感器单元由像元阵列组成，所述传感器像元包括：电连接柱、由所述电连接柱支撑的悬空的微桥结构，所述电连接柱与读出电路连接。
可选的，所述薄膜层包括第一支撑薄膜和位于所述第一支撑薄膜表面的第二支撑薄膜，所述薄膜层与吸气剂层的形成方法包括：在所述基底表面以及红外传感器单元表面形成第一牺牲层；在所述第一牺牲层内形成第一凹槽，所述第一凹槽暴露出读出电路外侧的部分衬底表面；在所述第一凹槽底部的衬底表面形成吸气剂层；在所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层；刻蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层至衬底表面，形成第二凹槽，所述第二凹槽位于读出电路外围；在所述第二牺牲层表面以及第二凹槽内壁表面形成第一支撑薄膜；刻蚀所述第一支撑薄膜，形成释放通道，所述释放通道暴露出第二牺牲层；沿所述释放通道，去除部分第一牺牲层和第二牺牲层，形成位于第一支撑膜与基底之间的空腔；在所述第一支撑薄膜表面形成第二支撑薄膜，所述第二支撑薄膜填充满所述释放通道；其中，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材料为可去除材料，厚度均大于0.1um。
可选的，所述微桥结构下方的读出电路上也具有吸气剂层，所述吸气剂层与读出电路之间具有绝缘层；还包括：在形成所述第二支撑薄膜之前，在真空环境下，对衬底加热，激活所述吸气剂层。
可选的，还包括：在第二支撑薄膜表面形成光学增透膜；还包括：在第一支撑薄膜内形成释放通道的同时，刻蚀第一支撑薄膜、第二牺牲层以及第一牺牲层，形成释放小孔。
本发明的红外探测器阵列级封装结构直接在基底表面具有薄膜作为封装盖板，允许红外光穿过照射在基底上，将常规红外探测器封装中的光学窗口和封装盖板简并成一体，实现两者功能，封装结构紧凑，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。
本发明的红外探测器阵列级封装结构的制造方法利用微机电或半导体兼容工艺进行封装，将薄膜以阵列级的形式直接覆盖在单个芯片的全部或部分像元上，完成真空密封腔的制造，不是针对单一像元，该封装方式具有结构紧凑、成本低的优势。
附图说明
图1A至图1D为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图2A至图2C为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图3A至图3C为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图4A至图4C为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图5A至图5C为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图6A至图6C为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图7A至图7C为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图8A至图8C为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图；
图9为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的制造方法的流程示意图；
图10A至图10L为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构制造过程的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的红外探测器阵列级封装及其制造方法的具体实施方式做详细说明。
请参考图1A至图1D，为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图，图1A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图，图1B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的俯视示意图，图1C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图，图1D为像元的俯视示意图。
所述红外探测器阵列级封装结构包括：基底，所述基底包括衬底101以及位于衬底101部分表面的读出电路102；薄膜层110，所述薄膜层110部分位于所述读出电路102外侧的衬底101表面，与所述衬底101之间形成真空腔；红外传感器单元，所述红外传感器单元位于所述真空腔内的读出电路102上方与所述读出电路102连接。
所述衬底101可以为硅、锗或锗硅等半导体材料，用于承载读出电路102等结构。
所述读出电路102通常为集成电路，用于采集和处理红外传感器单元的输出信号，包括对红外传感器单元输出的信号进行读出、校准等。在本发明的一个具体实施方式中，所述衬底101表面还具有焊盘107，所述衬底101内还具有连接电路108，所述读出电路102通过连接电路108与焊盘107连接，用于将信号通过焊盘107输出。
部分所述薄膜层110与读出电路102外围的衬底101接触，与衬底101之间形成真空腔，用于给红外传感器单元提供真空环境，保证红外传感器单元吸收的红外辐射不会通过空气以对流、传导的方式传输到所述基底，避免降低红外传感器的灵敏度。所述薄膜层110为对红外光透明的材料，利于红外线透过被红外传感器单元吸收。
在本发明的一个实施方式中，所述薄膜层110包括第一支撑薄膜111和位于所述第一支撑薄膜111表面的第二支撑薄膜112，所述第一支撑薄膜111和第二支撑薄膜112均对红外光线透明，例如可以是红外增透膜。所述第一支撑薄膜111的材料包括硫化锌、硅、锗或非晶硅锗等；所述第二支撑薄膜112的材料包括硫化锌、硅、锗或非晶硅锗等。所述第一支撑薄膜111的材料与第二支撑薄膜112的材料可以相同或不同。所述薄膜层110还包括位于第二支撑薄膜112薄膜的光学增透膜113，具体的，所述光学增透膜113可以是红外增透膜，能够增加红外辐射透过率，提高红外探测器的性能。所述光学增透膜113的材料可以选用对红外透明的薄膜材料，比如硅、锗、硫化锌、硒化锌等，用于降低封装结构对入射红外辐射的反射率，优选的，所述光学增透膜113可以是上述材料中的一种材料的单一膜层或者多种材料层交替的、不同厚度的复合膜层。
所述红外传感器单元包括传感器像元阵列，本发明的具体实施方式中，所述传感器像元包括：电连接柱104、由所述电连接柱104支撑的悬空的微桥结构，所述电连接柱104与读出电路102连接。所述电连接柱104的位置位于微桥结构的对角线上，有利于维持微桥结构的悬空稳定性。所述微桥结构进一步包括：微桥桥面106、连接所述微桥桥面106的绝热梁105、以及连接所述绝热梁105与电连接柱104的支撑桥柱103。在本发明的其他实施方式中，所述传感器像元还可以是任何其他结构的像素结构。
所述微桥桥面106由多层功能薄膜构成，包括任何红外传感器像元的薄膜层所需的薄膜，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。优选地，其中，电极接触薄膜与热敏电阻薄膜直接接触，绝缘保护薄膜位于微桥桥面各层薄膜的最上层和最下层，用于绝缘保护。
所述绝热梁105的材料为热传导效率较低的材料，例如陶瓷、塑料等。所述绝热梁105一端连接至微桥桥面106，用于支撑微桥桥面106，使其悬空，并且所述绝热梁105使得所述微桥桥面与支撑桥柱103之间绝热，避免微桥桥面106吸收的红外辐射由于热传导而损失，从而提高红外探测器的性能。
所述绝热梁105另一端连接至支撑桥柱103，所述支撑桥柱103一方面用于将微桥面106中的电极接触薄膜连接至电极连接柱104，另一方面用于机械支撑，与绝热梁105一起支撑所述微桥桥面106，保证整个微桥结构具有一定的机械强度，以避免微桥桥面106在冲击、振动等条件下粘连到基底或者脱落、倾斜等。
所述电极连接柱104垂直于衬底101表面设置，作为电极，将微桥桥面106输出的电信号传输给读出电路102。
本实施例中，所述薄膜层110还具有支撑结构，所述支撑结构包括连接支撑桥柱103与第一支撑薄膜111的第一支撑结构111a以及连接支撑桥柱103与第二支撑薄膜112的第二支撑结构112a，本实施方式中，所述第一支撑结构111a为第一支撑薄膜111的一部分，第二支撑结构112a为第二支撑薄膜112的一部分。具体的，所述第一支撑薄膜111内具有释放通道，第二支撑结构112a填充满所述释放通道，且穿过所述释放通道至传感器像元的一侧支撑桥柱103表面。在本发明的其他实施方式中，所述第一支撑薄膜111内还具有释放小孔，所述第二支撑薄膜112填充满所述释放小孔。
本发明的一个具体实施方式中，所述红外探测器阵列级封装结构还可以包括吸气剂层109，所述吸气剂层109位于所述真空腔内部的基底表面。本实施方式中，所述吸气剂层109环形设置于读出电路102外围(请参考图2B)的衬底101表面。所述吸气剂层109用于保持真空腔内部真空度的长期稳定。所述吸气剂层109的材料可以是具有活性表面的金属，比如钒(V)、镐(Zr)、钛(Ti)等，吸气剂层109的材料还可以是其他通用的非蒸散型吸气剂材料。在一个具体实施方式中，吸气剂层109的材料可以优先选择对红外辐射具有良好反射的材料，尤其是能够反射80％以上8～14μm红外辐射的金属材料。
请参考图2A至图2C，为本发明另一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图。图2A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图；图2B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的剖面示意图；图2C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图。
在上述具体实施方式的基础上，该实施方式的红外探测器阵列极封装结构中，不仅在读出电路102周边的衬底101表面具有所述吸气剂层109，所述微桥结构下方的读出电路102表面也具有吸气剂层109，具体的位于微桥桥面106下方，且与所述微桥桥面106之间具有一定距离，所述吸气剂层109可以采用对红外辐具有良好反射的材料，此时，吸气剂层109可以作为红外反射层，由于所述吸气剂层109与微桥桥面106之间具有一定距离，可以使的微桥桥面106的红外吸收薄膜与下方的吸气剂层109构成红外反射腔，优化入射红外辐射的吸收率。所述吸气剂层109与其下方的读出电路102之间有绝缘薄膜隔离，避免所述吸气剂层109与读出电路102之间发生电连接。在本发明的其他具体实施方式中，所述吸气剂层109也可以仅位于所述读出电路102表面。
请参考图3A至图3C，为本发明另一实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图。图3A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图；图3B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的剖面示意图；图3C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图。
该实施方式中，吸气剂层109仅位于读出电路102外围的衬底101表面，所述薄膜110没有与支撑桥柱103连接的支撑结构，所述第一支撑薄膜111具有释放通道，所述第二支撑薄膜112填充满所述释放通道。
请参考图4A至图4C，为本发明另一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图。图4A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图；图4B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的剖面示意图；图4C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图。
在上述具体实施方式的基础上，所述红外探测器阵列级封装结构的微桥桥面106下方的读出电路102上形成有吸气剂层109，所述薄膜110没有与支撑桥柱103连接的支撑结构，所述第一支撑薄膜111具有释放通道，所述第二支撑薄膜112填充满所述释放通道。
请参考图5A至图5C，为本发明另一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图。图5A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图；图5B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的剖面示意图；图5C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图。
所述薄膜110的第一支撑薄膜111a的材料与第二支撑薄膜112的材料一致，且所述薄膜110具有位于支撑桥柱表面的支撑结构。所述吸气剂层109仅形成在读出电路102外围的衬底101表面。
请参考图6A至图6C，为本发明另一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图。图6A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图；图6B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的剖面示意图；图6C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图。
在上一实施方式的基础上，该实施方式的所述红外探测器阵列级封装结构的微桥桥面106下方的读出电路102上形成有吸气剂层109。
请参考图7A至图7C，为本发明另一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图。图7A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图；图7B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的剖面示意图；图7C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图。
在上一实施方式的基础上，所述薄膜110没有与支撑桥柱103连接的支撑结构，所述第一支撑薄膜111a具有释放通道，所述第二支撑薄膜112填充满所述释放通道，且所述吸气剂层109仅位于读出电路102外围的衬底101表面。
请参考图8A至图8C，为本发明另一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构的示意图。图8A为所述红外探测器阵列级封装结构的剖面示意图；图8B为所述红外探测器阵列级封装结构的读出电路所在平面的剖面示意图；图8C为所述红外探测器阵列级封装结构的红外传感器单元所在位置的局部剖面示意图。
在上一实施方式的基础上，所述薄膜110的第一支撑薄膜111a的材料与第二支撑薄膜112的材料一致，且所述薄膜110没有位于支撑桥柱103表面的支撑结构。不仅在读出电路102周边的衬底101表面具有所述吸气剂层109，所述微桥结构下方的读出电路102表面也具有吸气剂层109。
上述红外探测器阵列级封装结构直接在基底表面具有薄膜作为封装盖板，允许红外光穿过照射在基底上，将常规红外探测器封装中的光学窗口和封装盖板简并成一体，实现两者功能，封装结构紧凑，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。
本发明还提供一种上述红外探测器阵列级封装结构的制造方法。
所述红外探测器阵列级封装结构制造方法，包括：提供基底，所述基底包括衬底以及位于部分衬底表面的读出电路，所述基底上还具有与所述读出电路连接的红外传感器单元；在所述基底上形成薄膜层，所述薄膜层部分位于所述读出电路外侧的衬底表面，与所述衬底之间形成真空腔，使所述读出电路和红外传感单元位于所述真空腔内。
请参考图9，为本发明一具体实施方式的红外探测器阵列级封装结构制造方法的流程示意图。
步骤S101：提供基底(如图10A所示)，所述基底包括衬底201以及位于部分衬底201表面的读出电路202，所述基底上还具有与所述读出电路202连接的红外传感器单元。
所述衬底201可以为硅、锗或锗硅等半导体材料，用于承载读出电路202等结构。所述读出电路202通常为集成电路，用于采集和处理红外传感器单元的输出信号，包括对红外传感器单元输出的信号进行读出、校准等。该具体实施方式中，所述衬底201表面还具有焊盘207，所述衬底201内还具有连接电路208，所述读出电路202通过连接电路208与焊盘207连接，用于将信号通过焊盘207输出。
所述红外传感器单元包括传感器像元阵列，本发明的具体实施方式中，所述传感器像元包括：电连接柱204、由所述电连接柱204支撑的悬空的微桥结构，所述电连接柱204与读出电路202连接。所述电连接柱204的位置位于微桥结构的对角线上，有利于维持微桥结构的悬空稳定性。所述微桥结构进一步包括：微桥桥面206、连接所述微桥桥面206的绝热梁、以及连接所述绝热梁与电连接柱204的支撑桥柱203，所述传感器像元具体结构可参考图1D。在本发明的其他实施方式中，所述传感器像元还可以是任何其他结构的像素结构。所述传感器像元的微桥桥面206下方的读出电路202上还可以形成有吸气剂层，所述吸气剂层与读出电路202之间通过绝缘层隔离。
后续所述基底上形成薄膜层，作为封装结构的封装盖板以及红外窗口。在该实施例中，所述薄膜层的形成方法包括：在所述基底表面以及红外传感器单元表面形成第一牺牲层；在所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层；刻蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层至衬底表面，形成第二凹槽，所述第二凹槽位于读出电路外围；在所述第二牺牲层表面以及第二凹槽内壁表面形成第一支撑薄膜；刻蚀所述第一支撑薄膜，形成释放通道，所述释放通道暴露出第二牺牲层的表面；沿所述释放通道，去除部分第一牺牲层和第二牺牲层，形成位于第一支撑膜与基底之间的空腔；在所述第一支撑膜薄膜形成第二支撑薄膜，所述第二支撑薄膜填充满所述释放通道。
在一个具体实施方式中，所述薄膜层的形成方法包括如下步骤。
步骤S102：在所述基底表面以及红外传感器单元表面形成第一牺牲层300(请参考图10B)。
所述第一牺牲层300还覆盖焊盘207，用于在后续工艺中对焊盘207进行保护。所述第一牺牲层300的材料为可去除材料，包括聚酰亚胺、非晶硅、多晶硅、石墨、氮化硅和氧化硅中的至少一种。在一个具体实施方式中，所述第一牺牲层300的材料包括但不限于多种可溶性材料，例如聚酰亚胺(PI)等。优选的，第一牺牲层300的厚度大于0.1μm。
步骤S103：在所述第一牺牲层300内形成第一凹槽301，所述第一凹槽301暴露出读出电路202外侧的部分衬底201表面(请参考图10C)。
可以采用干法刻蚀工艺对所述第一牺牲层300进行刻蚀，形成所述第一凹槽301。
步骤S104：在所述第一凹槽301底部的衬底201表面形成吸气剂层209(请参考图10D)。
通过薄膜的沉积以及刻蚀工艺形成位于第一凹槽301底部的吸气剂层309，具体的，在第一凹槽301内壁表面以及第一牺牲层300表面沉积吸气剂材料层之后，刻蚀所述吸气剂材料层，去除位于第一牺牲层300表面以及第一凹槽301侧壁表面的吸气剂材料，形成位于第一凹槽301底部的吸气剂层209；若采用剥离工艺(Lift-off)沉积吸气剂层则不需要对沉积后的吸气剂层进行刻蚀工艺。
所述吸气剂层209环形设置于读出电路202外围。所述吸气剂层209用于保持真空腔内部真空度的长期稳定。所述吸气剂层209的材料可以是具有活性表面的金属，比如钒(V)、镐(Zr)、钛(Ti)等，吸气剂层209的材料还可以是其他通用的非蒸散型吸气剂材料。在一个具体实施方式中，吸气剂层209的材料可以优先选择对红外辐射具有良好反射的材料，尤其是能够反射80％以上8～14μm红外辐射的金属材料。
在本发明的其他实施方式中，也可以不形成所述第一凹槽301以及吸气剂层209。
步骤S105：在所述第一牺牲层300表面形成第二牺牲层302(请参考图10E)。
所述第二牺牲层302的材料为可去除材料，包括聚酰亚胺、非晶硅、多晶硅、石墨、氮化硅和氧化硅中的至少一种。在一个具体实施方式中，所述第二牺牲层302的材料包括但不限于多种可溶性材料，例如聚酰亚胺(PI)等。优选的，第二牺牲层302的厚度大于0.1μm。
步骤S106：刻蚀所述第二牺牲层302和第一牺牲层301至衬底101表面，形成第二凹槽303(请参考图10F)，所述第二凹槽303位于读出电路202外围。
本实施方式中，在形成所述第二凹槽303的同时，还刻蚀位于微桥桥面206一侧的支撑桥柱203表面第一牺牲层300和第二牺牲层302，形成通孔304，所述通孔304暴露出微桥桥面206一侧的支撑桥柱203的表面。所述通孔304的孔径尺寸略小于支撑桥柱203的表面尺寸，避免刻蚀过程伤及传感器像元的其他部位。
步骤S107：在第二牺牲层302表面以及第二凹槽303内壁表面形成第一支撑薄膜211(请参考图10G)。
在该实施方式中，所述第一支撑薄膜211还填充满所述通孔304(请参考图10F)，所述通孔304内的位于支撑桥柱203表面的部分第一支撑薄膜211作为支撑结构。在后续去除所述第一牺牲层300以及第二牺牲层302之后，所述第一支撑薄膜211的位于支撑桥柱203表面的支撑结构以及位于衬底201表面的部分可以支撑所述第一支撑薄膜211，使所述第一支撑薄膜211不塌陷。
所述第一支撑薄膜211的材料对红外光线透明，例如可以是红外增透膜。具体的，所述第一支撑薄膜211的材料包括硫化锌、硅、锗或非晶硅锗等。
步骤S108：刻蚀所述第一支撑薄膜211，形成释放通道305，所述释放通道305暴露出第二牺牲层302(请参考图10H)。
可以采用深反应离子刻蚀的方法对第一支撑薄膜211进行刻蚀形成所述释放通道305，在该实施方式中，不仅刻蚀所述第一支撑薄膜211，还继续刻蚀所述第二牺牲层302和第一牺牲层300至所述微桥桥面206另一侧的支撑桥柱203表面，所述释放通道305的孔径尺寸略小于支撑桥柱203的表面尺寸，避免刻蚀过程对传感器像元的其他部分造成损伤。在本发明的其他实施方式中，所述释放通道305还可以位于所述第一支撑薄膜211的其他位置，暴露出第二牺牲层302。
在本发明的其他实施方式中，在形成所述释放通道305的同时，还可以在吸气剂层209上方周边的第一支撑薄膜211、第二牺牲层302以及第一牺牲层300内刻蚀形成一排释放小孔直至吸气剂层209周边的衬底101表面，可以提高后续去除第二牺牲层302和第一牺牲层300时的效率，之后沉积的第二支撑薄膜会堵塞所述释放小孔。
步骤S109：沿所述释放通道305，去除部分第一牺牲层300和第二牺牲层302，形成位于第一支撑薄膜211与基底之间的空腔(请参考图10I)。
可以采用干法刻蚀工艺沿所述释放通道305刻蚀所述第一牺牲层300和第二牺牲层302。在一个实施方式中，可以采用XeF2等气体经由所述释放通道305刻蚀所述第一牺牲层300和第二牺牲层302，形成位于第一支撑薄膜211与基底之间的空腔，所述空腔内具有传感器像元、吸气剂层209。
本实施方式中，在去除所述第一牺牲层300和第二牺牲层302之后，还包括：在真空环境下，对吸气剂层209进行激活，可以采用热激活、电激活或者其他方式中的一种或几种方式对所述吸气剂层209进行激活，激活后的吸气剂层209可以保持空腔内部真空度的长期稳定。
步骤S110：在所述第一支撑膜薄膜211表面形成第二支撑薄膜212，所述第二支撑薄膜212填充满所述释放通道305，并使所述空腔内保持真空(请参考图10J)。
所述第二支撑薄膜212的材料对红外光线透明，例如可以是红外增透膜。具体的，所述第二支撑薄膜212的材料包括硫化锌、硅、锗或非晶硅锗等。
所述第二支撑薄膜212填充满所述释放通道，使所述空腔成为密闭空腔，并且在真空环境下形成所述第二支撑薄膜212，从而保持所述密闭空腔为真空腔。本实施方式中，所述第二支撑薄膜212不仅填充满释放通道305，还穿过所述释放通道形成位于支撑桥柱203表面的支撑结构，用于对第二支撑薄膜212进行支撑。
请参考图10K，在形成第二支撑薄膜212之后，在所述第二支撑薄膜212薄膜形成光学增透膜213。
具体的，所述光学增透膜213可以是红外增透膜，能够增加红外辐射透过率，提高红外探测器的性能。所述光学增透膜213的材料可以选用对红外透明的薄膜材料，比如硅、锗、硫化锌、硒化锌等，用于降低封装结构对入射红外辐射的反射率，优选的，所述光学增透膜213可以是上述材料中的一种材料的单一膜层或者多种材料层交替的、不同厚度的复合膜层。
请参考图10L，去除焊盘207上方的第一牺牲层300、第二牺牲层302、第一支撑薄膜211、第二支撑薄膜212以及光学增透膜213，暴露出焊盘207。
在光学增透膜213薄膜涂覆光刻胶，对所述光刻胶层进行图形化后，以所述图形化后的光刻胶层作为掩膜，对所述第一支撑薄膜211、第二支撑薄膜212以及光学增透膜213进行刻蚀，然后采用等离子体或XeF2等气体刻蚀去除第一牺牲层300和第二牺牲层302，暴露出焊盘207，完成红外探测器的阵列级封装。其中，由于传感器像元已经释放，比较脆弱，光刻胶层可以采用喷胶等相对温和的方式进行。
在一个实施方式中，在晶圆上形成若干如图10K所示的红外传感单元的封装结构后，对焊盘207上方的所述第一支撑薄膜211、第二支撑薄膜212以及光学增透膜213进行刻蚀；然后对晶圆进行划片，再去除第一牺牲层300和第二牺牲层302，暴露出焊盘207。
上述红外探测器阵列极封装结构的制造方法利用微机电或半导体兼容工艺进行封装，将薄膜覆盖以阵列级的形式直接覆盖在单个芯片的全部或部分像元上，完成真空密封腔的制造，不是针对单一像元，该封装方式具有结构紧凑，成本低的优势。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种红外探测器阵列级封装结构，其特征在于，包括：
基底，所述基底包括衬底以及位于部分衬底表面的读出电路；
薄膜层，所述薄膜层部分位于所述读出电路外侧的衬底表面，与所述衬底之间形成真空腔，所述薄膜层包括：第一支撑薄膜和位于所述第一支撑薄膜表面的第二支撑薄膜，所述第一支撑薄膜包括第一支撑结构，所述第二支撑薄膜包括第二支撑结构，所述第一支撑薄膜具有释放通道，所述第二支撑薄膜填充满所述释放通道且穿过所述释放通道；
吸气剂层，至少位于红外传感器单元外围的衬底表面；
红外传感器单元，所述红外传感器单元由像元阵列组成，所述红外传感器单元位于所述真空腔内的读出电路上方，与所述读出电路连接，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构支撑于所述红外传感器单元表面。
2.根据权利要求1所述的红外探测器阵列级封装结构，其特征在于，所述传感器像元包括：电连接柱、由所述电连接柱支撑的悬空的微桥结构，所述电连接柱与读出电路连接；还包括：位于衬底表面焊盘、位于衬底内的连接电路，所述连接电路连接所述焊盘与读出电路。
3.根据权利要求2所述的红外探测器阵列级封装结构，其特征在于，所述微桥结构包括：微桥桥面、连接所述微桥桥面的绝热梁、以及连接所述绝热梁与电连接柱的支撑桥柱；所述微桥桥面包括：电极接触薄膜、绝缘保护薄膜、热敏电阻薄膜以及红外吸收薄膜；所述电极接触薄膜与热敏电阻直接接触，所述绝缘保护薄膜位于最上层和最下层。
4.根据权利要求3所述的红外探测器阵列级封装结构，其特征在于，所述第一支撑结构和所述第二支撑结构位于所述传感器像元的支撑桥柱表面，用于支撑所述薄膜层；所述薄膜层还包括位于所述第二支撑薄膜表面的光学增透膜；所述第一支撑薄膜和第二支撑薄膜对红外光线透明。
5.根据权利要求2所述的红外探测器阵列级封装结构，其特征在于，所述吸气剂层还位于所述微桥结构下方的读出电路上；当吸气剂层位于读出电路上时，所述读出电路与吸气剂层之间具有绝缘层；所述吸气剂层的材料为具有活性表面的金属或非蒸散型吸气剂。
6.一种红外探测器阵列级封装结构制造方法，其特征在于，包括：
提供基底，所述基底包括衬底以及位于部分衬底表面的读出电路，所述基底上还具有与所述读出电路连接的红外传感器单元，所述红外传感器单元由像元阵列组成；
在所述基底表面形成吸气剂层；
在所述基底上形成薄膜层，所述薄膜层部分位于所述读出电路外侧的衬底表面，与所述衬底之间形成真空腔，使所述读出电路、红外传感器单元及吸气剂层位于所述真空腔内；
所述薄膜层包括第一支撑薄膜和位于所述第一支撑薄膜表面的第二支撑薄膜，所述薄膜层与吸气剂层的形成方法包括：
在所述基底表面以及红外传感器单元表面形成第一牺牲层；
在所述第一牺牲层内形成第一凹槽，所述第一凹槽暴露出读出电路外侧的部分衬底表面；
在所述第一凹槽底部的衬底表面形成吸气剂层；
在所述第一牺牲层表面形成第二牺牲层；
刻蚀所述第二牺牲层和第一牺牲层至衬底表面，形成第二凹槽和通孔，所述第二凹槽位于读出电路外围，所述通孔位于所述红外传感器单元表面；
在所述第二牺牲层表面以及第二凹槽内壁表面、通孔内形成第一支撑薄膜，通孔内的第一支撑薄膜作为第一支撑结构支撑于所述红外传感器单元表面；
刻蚀所述第一支撑薄膜，形成释放通道并贯穿所述第一牺牲层和第二牺牲层；
沿所述释放通道，去除部分第一牺牲层和第二牺牲层，形成位于第一支撑薄膜与基底之间的空腔；
在所述第一支撑薄膜表面形成第二支撑薄膜，所述第二支撑薄膜填充满且穿过所述释放通道的部分作为第二支撑结构，支撑于所述红外传感器单元表面。
7.根据权利要求6所述的红外探测器阵列级封装结构制造方法，其特征在于，所述传感器像元包括：电连接柱、由所述电连接柱支撑的悬空的微桥结构，所述电连接柱与读出电路连接。
8.根据权利要求6所述的红外探测器阵列级封装结构制造方法，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材料为可去除材料，厚度均大于0.1um。
9.根据权利要求7所述的红外探测器阵列级封装结构制造方法，其特征在于，所述微桥结构下方的读出电路上也具有吸气剂层，所述吸气剂层与读出电路之间具有绝缘层；还包括：在形成所述第二支撑薄膜之前，在真空环境下，对衬底加热，激活所述吸气剂层。
10.根据权利要求6所述的红外探测器阵列级封装结构制造方法，其特征在于，还包括：在第二支撑薄膜表面形成光学增透膜；还包括：在第一支撑薄膜内形成释放通道的同时，刻蚀第一支撑薄膜、第二牺牲层以及第一牺牲层，形成释放小孔。
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