CN108982973B - 通过薄层转移封装的电磁辐射探测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种通过薄层转移封装的电磁辐射探测器，该电磁辐射探测器包括：悬浮在衬底(101)之上的至少一个膜(108)；以及盖(110)，封闭包括该至少一个膜的密封腔体(115)。根据本发明：盖(110)的厚度(E)小于或等于10μm；盖至少支承在围绕膜的支撑壁(106)上；以及探测器具有在盖和支撑壁之间相互嵌套的第一金属密封层和第二金属密封层(112A、112B)，外围接合区(112C)在该第一金属密封层和第二金属密封层之间延伸。本发明还涉及制造这种探测器的方法。本发明提供一种使用薄盖的封装方案，其中膜不经受高温。

Description

通过薄层转移封装的电磁辐射探测器
技术领域
本发明涉及电磁探测器的敏感元件的封装领域，以将该敏感元件或这些敏感元件置于封闭腔体内。
在这种情况下，每个敏感元件为悬浮在衬底之上的膜，以吸收电磁辐射并将该电磁辐射转换为热量。
封闭腔体，优选地在真空下，确保了膜与衬底之间的良好隔热性。
背景技术
现有技术中已知封装微辐射热测量计探测器类型的电磁探测器的悬浮膜的多个不同方案。
文献US 2004/0140570描述了在矩阵探测器的像素之上沉积厚盖以封闭腔体。
盖的厚度为500μm，具有的沟槽的厚度仅为100μm。
在盖中、在沟槽处穿孔形成气体疏散开口。
然而这种类型的盖具有多个缺点。
首先，由于盖的厚度较大，因为部分光信号在穿过盖的过程中被吸收，所以其传输减少。这使得必须使用具有高光学质量的材料，因此，其相对昂贵。
其次，为了避免干扰探测，沟槽不能位于探测器的敏感元件之上。
因此它们位于这些敏感元件的外围，这增加了具有盖的探测器的总体尺寸。
此外，由于盖很厚，所以盖使得接近位于探测器像素的边缘且与附属电子设备进行连接的被称为“接合垫”的电连接垫更加复杂。仅通过蚀刻盖的整个厚度来获得对电连接垫的接近。除了执行该蚀刻步骤的困难之外，盖的大厚度使得需要将接合垫远离盖的边缘放置，以便可以执行引线接合(互连)步骤，这增加了探测器的尺寸。
已知制造盖的其它方法，这些方法使用在包围微辐射热测量计探测器类型的电磁探测器的膜的牺牲层上沉积薄层。
例如在专利申请FR 2 966 595中描述了这种方法。
因此可以获得更薄的盖，且该盖没有沟槽。
然而，该方案的一个缺点是薄层沉积的步骤可能涉及会导致探测器的敏感元件损坏的温度。
本发明的一个目的在于公开一种用于封装电磁辐射探测器的至少一个悬浮膜的方案，其不具有现有技术的缺点。
发明内容
该目的通过一种封装电磁辐射探测器的至少一个敏感元件的方法来实现，该方法包括以下步骤：
a)制造被称为传感器堆叠的堆叠，该堆叠包括：
-被称为主衬底的第一衬底；
-在所述主衬底之上延伸的至少一个膜，所述至少一个膜形成所述电磁辐射探测器的至少一个敏感元件，并被配置为吸收入射的电磁辐射并将所述电磁辐射转换为热量；
-支撑壁，所述支撑壁在所述主衬底之上延伸并且包围所述至少一个膜；以及
-第一金属密封层，所述第一金属密封层位于与所述主衬底相对的一侧上的所述支撑壁的上表面之上；
b)在被称为转移衬底的第二衬底之上沉积被称为盖层的层，所述盖层在所述电磁辐射探测器的光谱灵敏度范围内是透明的且具有小于或等于10μm的厚度；
c)在所述盖层上制造第二金属密封层；
d)将所述转移衬底转移到所述主衬底上，以将所述第一密封层和所述第二密封层对准并将所述第一密封层和所述第二密封层彼此接合；以及
e)移除所述转移衬底。
因此，制造了一种电磁辐射探测器，该电磁辐射探测器包括：
-悬浮在衬底之上的至少一个膜，所述至少一个膜被配置为吸收入射的电磁辐射并将所述电磁辐射转换为热量；以及
-盖，所述盖在所述电磁辐射探测器的光谱灵敏度范围内是透明的，且封闭包含所述至少一个膜的密封腔体；
以及其中：
-所述盖的厚度小于或等于10μm；
-所述盖被悬浮在所述衬底之上，至少支承在围绕所述膜的支撑壁上；以及
-所述探测器具有在所述盖和所述支撑壁之间相互嵌套的第一金属密封层和第二金属密封层，外围接合区在所述第一金属密封层和所述第二金属密封层之间延伸。
电磁辐射探测器的衬底对应于在该方法的陈述中提到的主衬底。
本发明的基本构思是通过在转移衬底上沉积薄层来制造盖，该转移衬底与电磁辐射探测器的膜所在的衬底不同。
因此，对于沉积薄层来说不需要特别的预防措施，因为不直接在电磁辐射探测器的至少一个膜之上制造薄层。
因此，本发明提供了一种使用薄盖的封装方案，其中膜不经受高温(在实施封装方法期间，温度保持低于400℃或甚至低于300℃)。
制造盖所用的薄层不是单独被操作，而是总是与所述转移衬底一起被操作。因此薄层可以更薄，具有小于或等于10μm的厚度，甚至更优选地具有小于或等于5μm的厚度。这种小厚度能够避免盖对于入射信号的吸收。
盖的小厚度使得容易制造用于排出气体的小开口或通风孔，并且不需要任何沟槽。
此外，电磁辐射探测器提供对电连接垫的容易接近以及最小尺寸。
根据本发明的方法使用在第一密封层上接合第二密封层，以将在转移衬底上形成的薄层和电磁辐射探测器的其余部分固定在一起。因此，这两个彼此叠置且接合的密封层是本发明的特征。
根据本发明的探测器和方法还可以具有从属权利要求中提到的一个或多个特征。
附图说明
在阅读仅用于参考并且以非限制性的方式参照附图给出的示例实施例的描述之后，本发明将被更好地理解，在附图中：
-图1A示意性地示出了根据本发明的电磁辐射探测器的第一实施例的细节的剖视图；
-图1B是示出图1A的探测器的俯视图的示意图；
-图2A至图2C示意性地示出了根据本发明的探测器的第二实施例中的像素，其中用于排出牺牲层的通风孔的位置和盖支撑柱的位置是特别设计的；
-图3A和3B示出了根据本发明的用于制造根据本发明的电磁辐射探测器的方法的步骤；
-图4和图5示出了图3A和图3B所示的方法的两个变体；以及
-图6A和图6B示出了根据本发明的方法的使用，以同时制造根据本发明的多个探测器。
具体实施方式
在下面的描述中，术语“在...上方”、“在...之上”、“上部”、“在...下方”、“在...之下”、“下部”涉及相应附图的方向。
为了清楚起见，在一些图上示出了正交坐标系的(Ox)轴、(Oy)轴和/或(Oz)轴。
图1A是示意性地示出根据本发明的第一实施例的电磁辐射探测器的细节的剖视图。
图1B是示意性地示出该探测器的俯视图。
电磁辐射探测器100是在环境温度下操作的红外探测器或太赫兹(teraHertz)探测器。
该探测器100包括例如由硅制成的衬底101，读取电路被例如使用CMOS技术集成在该衬底101中。
衬底101被由电绝缘材料组成的可选中间层102覆盖。
在这种情况下，如有需要，该中间层102被可选的薄保护层103覆盖，该薄保护层103在薄膜被释放的步骤期间保护读取电路。
探测器100还包括膜的矩阵108，每个膜悬于衬底101之上。
膜108在衬底之上以行和列分布。
每个膜定义探测器100的一个像素。
每个膜108或悬浮板由在红外(波长在0.8μm到100μm之间)和/或太赫兹范围(波长在100μm到5mm之间)内具有高吸收率的材料组成。
每个膜与测温元件(未示出)相关联以测量膜的温度。
膜108的测温元件被电连接至衬底101的读取电路。
每个测温元件可以由与膜相邻的热电阻元件形成，热电阻元件具有取决于温度的电阻。
测温元件和膜之后一起形成微辐射热测量计的辐射热测量板。
作为一个变体，每个测温元件可以由与膜相邻的晶体管或二极管形成，该晶体管或该二极管中的电流取决于温度。该膜可形成晶体管(或二极管)的元件之一。
除了膜的温度导致晶体管或二极管中的电流变化且不限定热敏元件的电阻变化之外，测温元件与膜之后一起限定类似于微辐射热测量计的传感器的悬浮板。
在下文中，表述“微辐射热测量计型传感器”用于表示这些变体中的一个或另一个。
由于微辐射热测量计型传感器是本领域技术人员所熟知的，因此将不再详细描述微辐射热测量计型传感器。
垂直结构在位于膜108和衬底101之间的空间中延伸。据说这些结构是垂直的，因为每个结构沿与衬底101的平面正交的(Oz)轴延伸。这些垂直结构包括：
-支撑壁106，用于支撑如下所述的盖；
-支撑柱104，也用于支撑盖；
-支承柱105，用于支撑如下所述的膜108，并且还用于将每个膜与衬底中的读取电路电连接；以及
-凸出块107，其上形成电连接垫。
在这种情况下，不同的垂直结构沿垂直轴(Oz)具有相同的高度，并且由相同的材料或相同的材料组件组成。
例如，垂直结构可以由硅(特别是非晶硅或多晶硅)或者金属层的堆叠(氮化钛和铜或氮化钛和钨等)组成。
每个支承柱105具有的直径D大约为1μm，例如在0.4μm到1.5μm之间，特别是1μm。
每个支承柱105具有水平基座1051，该水平基座在平行于衬底的平面中延伸并穿过电绝缘层102。
每个膜支承在至少两个支承柱105上。
支撑壁106包围膜矩阵108。
在这种情况下，支撑壁包括在衬底101之上界定正方形或矩形表面的四个垂直壁。可以增加壁的数量以增加壁之间的凸角(超过90°的角度)的数量以避免90°角度的机械应力。支撑壁之后界定多边形表面。
在这种情况下，支撑壁106包括多个基本支撑壁1061。
基本支撑壁1061界定彼此嵌套的同心表面。
位于形成支撑壁106的结构内的所谓的内部基本壁1061可以以不连续的方式界定表面。另一方面，外部基本壁优先连续地界定表面。
基本壁1061彼此隔开且每个基本壁具有例如等于直径D的宽度L。
两个相邻的基本壁1061之间的空间填充有所谓的牺牲材料1062，牺牲材料1062在根据本发明的探测器100的制造步骤结束时不会被排出。
作为一个变体，支撑壁不由在其之间存在牺牲材料的基本壁组成，而是由宽壁组成。
支撑壁106还具有水平基座1063和上部板1064，水平基座1063和上部板1064均在平行于衬底的平面中延伸。
例如，支撑柱104具有的截面可与支承柱105的截面相同，或具有更小的截面。
在这种情况下，每个支撑柱具有水平基座1041和上部板1042，水平基座1041和上部板1042均在平行于衬底的平面中以单件延伸。
支撑柱104在由支撑壁106界定的容积内延伸。
在这种情况下，支撑柱沿着衬底平面的每个维度在膜108之间以与膜相同的分布间距P延伸。例如，该间距可以在5μm到17μm之间，例如为10μm。
在衬底平面的每个维度上分别存在Nx个膜和Mx个支撑柱以及Ny个膜和My个支撑柱，例如Mx＝Nx和My＝Ny(每个像素具有一个支撑柱)，或者Mx＝Nx-1和My＝Ny-1。
支撑柱104的分布间距也可以是膜的间距P的倍数，沿x方向和y方向分别等于n(x)×P和n(y)×P，其中n(x)和n(y)为整数。然后，在衬底平面的每个维度上分别存在Nx个膜和Ny个膜以及Mx个支撑柱和My个支撑柱，例如Mx＝Nx/n(x)和My＝Ny/n(y)(沿x方向和y方向，分别是n(x)个像素具有一个支撑柱和n(y)个像素具有一个支撑柱)，或者Mx＝[Nx/n(x)]-1并且My＝[Ny/n(y)]-1。
支撑柱104和支撑壁106一起工作以支撑盖110。
对于具有少量像素(换句话说，在这种情况下，具有少量膜)的探测器，支撑柱104并不是绝对需要的。
凸出块107包括多个基本壁或柱1071，例如每个基本壁或柱具有等于直径D的宽度或直径。
两个基本壁或柱1071之间的空间填充有所谓的牺牲材料1072，牺牲材料1072在根据本发明的探测器100的制造步骤结束时不会被排出。
作为一个变体，凸出块不是由通过牺牲材料所分开的基本壁或柱构成，而是由直径大于D的宽柱构成。
在这种情况下，每个凸出块107具有水平基座1073和上部板1074，水平基座1073和上部板1074均在平行于衬底的平面中延伸。
在每个凸出块107上存在电连接垫109，电连接垫109被电连接到集成在衬底101中的读取电路。
电连接垫109或接合垫为集成在衬底101中的读取电路提供电连接点，为附属电子电路提供电连接点。
在这种情况下，每个电连接垫109以与凸出块107的上部板1074直接物理接触的方式延伸。
例如，电连接垫可以由铝制成。
如图1B所示，例如，电连接垫在由支撑壁106界定的容积之外沿位于膜矩阵的每一侧上的两个平行柱延伸。电连接垫还可以存在于该矩阵的四个侧上。
盖110在平行于衬底101的平面中延伸，且具有介于0.5μm到10μm之间的恒定厚度E，包括优选地位于0.5μm到5μm之间的端子，包括例如2μm的端子。
盖110在由探测器100的辐射热测量型传感器所检测的波长处是透明的。例如，盖的透射系数可以大于或等于至少由探测器100所检测的一个波长处的透射系数的70％。
虽然盖由透射性能差的材料制成，但由于盖的厚度小，因此盖能够符合该透明度条件。例如，盖可以由除高质量硅之外的材料制成。因此，本发明在盖材料的选择方面提供了相当大的自由度，更重要的是因为盖可在没有温度或一致性约束的情况下被安置(见下文)。
例如，盖110可以由硅或锗制成。
盖在膜之上延伸，但不行进到连接垫109的上方。然而，盖可稍微突出到支撑壁106之外。图1B中用虚线表示盖110的外部轮廓。
盖可以具有例如通过光刻制成的面向膜108放置的纹理化区域1101。这些纹理过滤入射辐射或充当辐射的抗反射装置，从而改善到膜108的光传输。
盖110还包括贯通开口1102或通风孔或孔。
例如，每个贯通开口1102的形状可以是矩形或椭圆形，其中小尺寸小于0.8μm，例如约为0.5μm。如下所述，还可以提供直径小于0.8μm(例如为0.5μm)的圆形贯通开口。
贯通开口沿着衬底平面的每个维度均匀地分布在衬底之上，优选地遵循与膜具有相同分布间距P的图案。
优选地，探测器100的每个像素包括至少一个贯通开口1102。
贯通开口1102尤其使得能够排出用于制造探测器100的牺牲材料。
在这种情况下，然后使用覆盖盖(但不覆盖连接垫)的透明封闭层111将这些贯通开口封闭。然后，封闭层111有助于对密封腔体115进行气密性密封。
封闭层111还可以执行例如抗反射或光谱过滤功能的光学功能。
根据未示出的变体，与封闭层111不同的薄层(例如抗反射处理层和/或光谱过滤器)可以在盖110之上延伸。
优选地，贯通开口1102面向膜108之间的区域延伸。
该位置防止在关闭贯通开口1102的步骤期间膜的任何降解，这是因为如果这些膜面向贯通开口，则一部分封闭材料可以落在膜上。
该位置意味着膜108之间的距离至少等于贯通开口1102的直径。
由于盖110的厚度小，所以贯通开口1102的直径可以非常小，例如可以为0.5μm。贯通开口的最小直径实际上取决于盖的厚度，该厚度与所述最小直径之比约为10。
因此，可以通过膜108以及面向膜之间的空间的贯通开口1102获得较高的表面占有率，同时具有较小的膜分布间距。
贯通开口的小直径还可以避免待检测的电磁辐射的任何光学干扰，与由探测器100所检测的波长相比，该直径保持较小。
探测器100还包括第一密封层112A和第二密封层112B。
两个密封层112A和112B由金属制成，并且彼此叠置并接合。
“接合”是指例如通过混合接合或需要熔化材料的粘合而相互固定。
该接合在这两个层之间形成被称为外围的接合区112C。
两个结合层112A和112B在支撑壁106和盖110之间延伸。
具体地，第一密封层112A以与在与衬底101相对的一侧上的支撑壁106的上表面(在这种情况下是与上部板1064的上表面)直接物理接触的方式延伸。
第一密封层112A沿着闭环路径延伸，且在衬底101之上界定与由支撑壁106所界定的表面相同的表面。
本文中的第二密封层112B以与盖110的下表面直接物理接触的方式延伸。
第二密封层112B仅通过外围接合区112C与第一密封层112A分开。
外围接合区112C例如可以由与第一密封层和第二密封层中所使用的金属不同的金属所制成的薄金属层构成，或者由在接合步骤期间熔化的所述密封层的薄金属层构成。两个密封层可以彼此直接物理接触，即这两个层彼此接合而没有任何中间接合层，外围接合区域仅简单对应于这两个层之间的界面。
第二密封层112B叠置在第一密封层112A上且沿着相同的路径延伸。因此第二密封层112B沿着闭环路径延伸，且在衬底之上界定与由支撑壁106所界面的表面相同的表面。
第一密封层112A和第二密封层112B一起形成围绕膜108的外围卷边。
这两个密封层由金属制成，该金属由单一金属或金属合金构成或者由一堆金属或金属合金构成。这两个密封层包括一种或几种金属，诸如例如铜、氮化钛、氮化钽、镍、金、铟、锡或诸如CuSn或AuSn的锡基合金。优选地，这两个密封层均由铜制成。
两个密封层112A和112B的结合的厚度约为2μm。
在这种情况下，该厚度是膜108与盖110之间的距离，在图1A中用“e”表示。
类似地，探测器包括成对的第一密封垫114A和第二密封垫114B。
每一对密封垫在盖和支撑柱104之间延伸，并且这些密封垫对中的一对密封垫被安装在每个支撑柱104的顶部上。
如关于支撑柱104所提到的，这些密封垫对于具有少量像素的探测器来说并不是绝对需要的。
对于每一对密封垫，第一密封垫114A和第二密封垫114B被叠置且通过接合被固定到彼此。
这两个密封垫具有与两个密封层相同的金属成分。
这两个密封垫还具有与两个密封层相同的组合厚度。
第一密封垫114A和第二密封垫114B均具有其直径约等于支撑柱的直径的截面，该直径例如为1μm，并且总是小于3μm。
每个第一密封垫114A以与支撑柱104，特别是该支撑柱的上部板141的上表面直接物理接触的方式延伸。
每个第二密封垫114B以与盖110直接物理接触的方式延伸。
每个第二密封垫114B通过内部接合区114C与对应的第一密封垫分开，该内部接合区具有与外围接合区112C相同的性质。
盖支承在位于支撑壁上的第一密封层112A和第二密封层112B上，以及支承在位于支撑柱上的第一密封垫114A和第二密封垫114B上。
第一密封层112A和第二密封层112B与支撑壁106一起限定包含膜108的密封腔体115的侧壁。
在与衬底相对的一侧上，该密封腔体115由盖110封闭。
除了具有机械支撑功能之外，第一密封层112A和第二密封层112B还参与腔体115的密封。
在贯通开口1102被层111封闭之前，使用贯通开口1102在密封腔体115中产生真空。
如上所提到的，第一密封层和第二密封层的组合厚度足以使得在通过蚀刻来除去膜和盖之间的材料方面没有问题。
应该注意的是，该厚度也足够小，使得在制造第一密封层和第二密封层以及第一密封垫和第二密封垫的过程中没有技术难度。该厚度使得例如可以使用化学机械抛光(CMP)工艺。
在这种情况下，在腔体115内部，吸气材料113被放置成与盖110接触，以随着时间的推移保持腔体115中的真空质量。
吸气材料或气体收集器限制了腔室内气体的表现形态。吸气材料或气体收集器可以是诸如钛、或钒、锆、钴、铁、锰、铝或这些金属的合金之类的易氧化的金属。
吸气材料113在腔体115中延伸。
例如，吸气材料形成沿着膜矩阵的两个相对边缘延伸的彼此平行的两个杆，连接垫109沿着膜矩阵的其他两个边缘延伸。该示例不是限制性的。吸气材料还可以被定位在例如衬底的侧面上。
出于说明的目的，在图1A中吸气材料没有以这种方式被定位，使得可同时示出连接垫109。
探测器100可以探测与衬底101的平面正交传播且从与衬底101相对的一侧入射到膜上的电磁辐射。
图2A至图2C示出了根据本发明的探测器的第二实施例。
图2A是示意性地表示这种探测器的一个像素的俯视图。
每个像素接收支撑在两个支承柱105上的单个膜108。
图2B示出了在穿过第一支承柱105的垂直平面B-B'中的该像素的简化剖视图。
图2C示出了在与平面B-B'平行且穿过另一支承柱105的垂直平面C-C'中的该像素的简化剖视图。
根据该第二实施例，在每个像素中，用于膜的一个支承柱105还形成支撑柱104以支撑盖110。
实际上，如上所述，第一密封垫114A和第二密封垫114B被简单地安装在一个支承柱105的顶部上。
优选地，盖下方的所有支撑柱还形成用于膜的支承柱。
因此，由膜108填充的表面的比例不受与用于膜的支承柱不同的支撑柱104的尺寸的限制。
根据该实施例，为了防止膜108通过盖110以及成对的第一密封垫114A和第二密封垫114B形成电连接，有必要设置电绝缘。
因此，存在面向每一对第一密封垫114A和第二密封垫114B的电绝缘垫116。
在这种情况下，对应的绝缘垫116位于每一对第一密封垫114A和第二密封垫114B的下方。在这种情况下，绝缘垫116在支撑柱104(还有支承柱)和第一密封垫之间延伸。根据未示出的一个变体，绝缘垫116在盖110和第二密封垫114B之间延伸。
绝缘垫116可以例如由诸如SiC、SiCN、SiOC、Al2O3、AlN等之类的介电材料制成。该介电材料优选为用于在制造探测器期间排出牺牲层的耐蚀刻材料或优选为耐氢氟酸(HF)蒸汽蚀刻的材料。
根据图2A至图2C所示的第二实施例，每个像素包括位于支撑膜108的另一个支承柱105之上的单个通风孔1102。
通风孔或贯通开口1102不会横向突出到支撑柱之外，这可能是由于通风孔的直径小所致，而通风孔的直径小本身可能是由于盖厚度的值小所致。
具体而言，支承柱105的直径大约为1μm。通风孔的直径大约为0.5μm，两者之间的对准精度可能小于0.2μm。
通过平行于衬底101的平面横向延伸的臂1081，膜108悬浮支承在支承柱105上。因此，这样定位的每个贯通开口1102不面向膜延伸。
贯通开口1102的该位置允许由膜108填充的表面的比率不受贯通开口1102的存在的限制。
根据未示出的一个变体，探测器可以仅具有相对于贯通开口的位置的特性，或者仅具有相对于支撑柱的特性。
图3A和图3B示出了制造根据本发明的探测器的方法中的步骤。
左边示出了在被称为主衬底101的第一衬底之上使用的步骤，该衬底对应于参考图1所述的衬底。
在第一步骤31中，制造包括以下相互叠置的元件的堆叠：
-主衬底101，包括读取电路；
-如参考图1A所述的中间层102；
-如参考图1A所述的保护层103；
-如参考图1A所述的不同的垂直结构(支承柱105、支撑柱104、支撑壁106和凸出块107)，其形成于被称为膜牺牲层的牺牲层120中；以及
-如参考图1A所述的膜108和连接垫109。
通过在牺牲层120中蚀刻沟槽并沉积用于填充沟槽的材料来形成垂直结构。
支撑壁106和凸出块均可以通过在牺牲层120中蚀刻多个沟槽来形成，以最终获得如参考图1A所述的结构。其结果是使用与所述支柱相同的蚀刻步骤可以获得比支撑柱和支承柱更宽的结构。
牺牲层120在主衬底101之上延伸，直至在与主衬底101相对的一侧上的膜108的下表面的高度。
在牺牲层120之上通过光刻和蚀刻来制造膜108。
本文将不再进一步描述堆叠的制造，原因是除了制造除用于膜的支承柱以外的其他垂直结构，堆叠的制造对应于制造辐射热测量型探测器的已知步骤。
下一步是沉积被称为第一牺牲停止层121的新牺牲层，其覆盖膜108和连接垫109(步骤32)。
在步骤33中，然后在支撑柱104和支撑壁106之上蚀刻第一牺牲停止层121，并且所蚀刻的开口被金属填充以形成第一密封垫114A和第一密封层112A。
用于制造第一密封垫114A和第一密封层112A的方法利用被称为镶嵌工艺的工艺，在平坦化之后进行金属沉积，以获得与在与衬底101相对的一侧上的第一牺牲停止层121的表面齐平的垫和层。
在步骤33结束时获得的堆叠被称为传感器堆叠117。
涉及被称为转移衬底130的第二衬底的第二系列步骤独立于步骤31至步骤33而实施。
转移衬底130可以例如由硅或玻璃制成，并且不包括任何集成电路。
在步骤34中，在衬底130上沉积中间牺牲层131，之后在中间牺牲层131上沉积被称为盖层132的层。
盖层的材料和厚度对应于参考图1A所述的盖的材料和厚度。
作为一个变体，层130、层131和层132可由SOI(绝缘体上的硅)或GOI(绝缘体上的锗)衬底得到。
在步骤35中，蚀刻盖层132，然后沉积被称为盖牺牲层133的新牺牲层以填充蚀刻在盖层132中的开口。
然后，当盖层132在盖牺牲层之上延伸且不在膜108之上延伸时，蚀刻盖层132。因此，可防止蚀刻残留物掉落在膜108上和连接垫109上。
蚀刻包括界定如参考图1A所述的盖的外部轮廓以及在盖中形成贯通开口1102。
特别地，界定盖，以使之被配置为在制造根据本发明的探测器的步骤结束时不覆盖连接垫109。
盖牺牲层133和经蚀刻的盖层一起在与转移衬底130相对的一侧上形成平面表面。
因此，在步骤35结束时，在转移衬底130之上已形成层134，层134包括由牺牲材料制成的区域和在待检测的波长处透明的盖区域。
由牺牲材料制成的区域旨在在盖中分别形成贯通开口、用于通向连接垫109的通路区域。
在步骤36中，在层134之上沉积第二牺牲停止层135。
在步骤37中，在如参考图1A所述的第二密封层和第二密封垫的位置处蚀刻第二牺牲停止层135，然后在所蚀刻的开口中填充金属以形成所述垫114B和层112B。
再次，使用本领域专家已知的镶嵌工艺以获得在与转移衬底130相对的一侧上与第二牺牲停止层135的表面齐平的层和垫。
当转移衬底翻过来并置于主衬底101之上时，所蚀刻的开口定位成分别位于第一密封层或第一密封垫之上。
在步骤37之后获得的堆叠被称为转移堆叠136。
步骤31至步骤33和步骤34至步骤37可以并行实施，或者可以一个接一个地实施，即先实施步骤31至步骤33或先实施步骤34至步骤37。
优选地，不同的牺牲层由介电材料制成，特别是由二氧化硅SiO2制成。
两个牺牲停止层限定了密封层112A和112B以及密封垫114A和114B的高度。它们还作为镶嵌工艺的停止层，且参与平面机械支撑件的定义，以便之后转移盖。
图3B示出了该过程中的后续步骤。
在步骤38中，转移堆叠136翻过来并沉积在传感器堆叠117上，使得第一密封层112A和第二密封层112B以及第一密封垫114A和第二密封垫114B成对对齐且成对直接物理接触。
如上所述的层134在传感器堆叠117之上延伸，使得盖区域在膜108之上延伸，以及由牺牲材料制成的区域在连接垫109之上延伸且在盖中未来的贯通开口的位置处延伸。
对准精度约为0.2μm。
传感器堆叠117和转移堆叠136通过粘合固定在一起，而没有被称为“混合接合”的中间粘合层。
该附接利用诸如范德华力和氢键之类的吸引力。
该附接并不一定需要高温加热。特别是，温度严格保持在300℃以下。
这种接合被称为“混合”，因为其不仅涉及第一牺牲停止层和第二牺牲停止层中的材料还涉及密封层112A和112B以及密封垫114A和114B中的材料。
铜到铜以及二氧化硅到二氧化硅的混合键合是本领域专家已知的，在下文中将不再进一步描述。
如有必要，本领域专家可参考例如以下论文：《通过Cu-SiO2直接混合键合实现可靠的高密度Cu-Cu互连(Advance Toward Reliable High Density Cu-Cu Interconnectsby Cu-SiO2Direct Hybrid Bonding)》，Y Beilliard等，其公布于IEEE，2014举办的国际3D系统集成会议(Systems Integration Conference(3DIC))中。
在步骤39中，例如通过机械抛光(研磨)和湿法蚀刻来移除转移衬底130。中间牺牲层131还被用作用于蚀刻转移衬底130的停止层。
然后，在步骤40中，蚀刻(在这种情况下，通过在气相中以氢氟酸蚀刻)和排出不同的牺牲层。
尤其蚀刻以下元件：
-在步骤34中形成的中间牺牲层131；
-在步骤35中形成的盖牺牲层133；
-分别在步骤32和步骤36中形成的第一牺牲停止层121和第二牺牲停止层135；以及
-在步骤31中形成的膜牺牲层120。
除了位于支撑壁的基本壁之间以及凸出块的基本壁或支柱之间的膜牺牲层120的可能部分之外，所有这些牺牲层被蚀刻并被排出。
特别地，蚀刻盖牺牲层使得仅保留盖。换句话说，位于连接垫之上的牺牲材料区域和位于贯通开口1102中的牺牲材料区域将被消除。
位于盖110下方的牺牲层部分被蚀刻且通过形成在盖110中的开口1102被排出。
因此，蚀刻和排出牺牲材料的同一步骤使得能够释放在盖下方、膜之上和膜之下的空间，并释放连接垫之上的区域。
然后该方法包括未示出的用于产生真空以及用于在盖上沉积封闭层以封闭贯通开口1102的传统步骤。
在衬底转移步骤38之前，可以在层134上沉积未示出的吸气材料。在蚀刻牺牲层时，该吸气剂材料必须被保护层覆盖，之后可将保护层移除。
在衬底转移步骤38之前和/或在其中移除衬底130的步骤39之后，可以在盖上实施形成纹理和/或沉积处理层(光学滤波器、抗反射等)的步骤。
虽然该示例不是限制性的，但是本发明优选地涉及使用通过氢氟酸蒸汽蚀刻的无机(矿物)牺牲层制成的探测器。
因此，根据本发明，盖被沉积在转移衬底之上而非直接沉积在敏感元件之上。因此，形成盖的薄层的沉积温度将不会损坏这些敏感元件。因此，可在传感器中使用的材料的选择不受沉积温度的限制。特别地，不需要限制选择具有例如低于400℃或甚至低于300℃的低沉积温度的材料。
根据本发明的盖通过在平面表面上沉积层来制成。因此，制造盖的材料的选择不再受与非平面沉积表面相关的符合要求的限制。
图4示出了图3A和图3B所示的方法的变体，其中，在衬底130转移到膜108之上的步骤期间，第一密封层112A和第一密封垫114A未被牺牲材料包围而是被周围气体环境所包围。
以相同的方式，在转移衬底130的该步骤期间，第二密封层112B和第二密封垫114B未被牺牲材料包围而是被周围气体环境所包围。
在这种情况下，密封层之间和密封垫之间的接合不是混合键合，而是使用铟盘或锡盘通过熔合或热压缩的传统键合。
然而，仍然在没有加热达到300℃或高于300℃的情况下接合。
当膜牺牲层和盖牺牲层由诸如聚酰亚胺的有机材料形成且之后通过氧等离子体蚀刻时，这种不太优选的变体可能是有利的。
根据未示出的另一个变体，在转移衬底130之前将膜牺牲层排出。
图5示出了该方法的另一个变体，其中，不是在衬底130的转移步骤之前而是在移除该衬底之后，对盖层132进行蚀刻。
最后，图6A和图6B示意性地示出了同时制造根据本发明的多个探测器。
图6A是示出包括由牺牲材料制成的区域和盖区域的层134的俯视图，该由牺牲材料制成的区域和盖区域一起界定盖矩阵。每个交叉阴影区域对应于透明的盖。
图6B是示出包括转移衬底130、中间牺牲层和所述层134的堆叠的剖视图。
因此，制造如上所述的共享相同转移衬底的多个转移堆叠，并将它们一起沉积在共享相同主衬底的多个传感器堆叠之上。
为了制造根据本发明的多个探测器，只进行一次主衬底和转移衬底之间的对准。
因此，本发明提供了一种用于具有悬浮膜的电磁辐射探测器的精巧的密封包装方案。
这是所谓的“晶片级”封装，其中，当探测器包括多个膜时，所述多个膜被一起封装在同一密封腔体中。
本发明在使用由HF蚀刻释放的无机(矿物)牺牲层制成的悬浮膜的架构中特别有利。
本发明不限于在此描述的示例，并且可以使用没有超出本发明的架构的许多变体。
例如，可以根据盖的刚度和盖下方的腔体的高度来调节盖下方的支撑柱的数量。
根据本发明的探测器不一定具有任何支撑柱，也不一定具有第一密封垫和第二密封垫，特别是在考虑到其横向尺寸使该盖足够坚硬的情况下。
根据本发明的探测器100可以形成红外成像器、热成像器(热成像仪)、红外传感器(其之后可仅包括单个像素)、太赫兹传感器、气体探测器(通过测量红外光谱中的光学吸收)、人体探测器或物体探测器、识别人或物体的仪器、红外光谱中的移动探测器(例如检测人类活动)等。

Claims (14)

1.电磁辐射探测器(100)，包括：
-悬浮在衬底(101)之上的至少一个膜(108)，所述至少一个膜被配置为吸收入射的电磁辐射并将所述电磁辐射转换为热量；以及
-盖(110)，所述盖在所述电磁辐射探测器的光谱灵敏度范围内是透明的，且封闭包含所述至少一个膜的密封腔体(115)；
其特征在于：
-所述盖(110)的厚度(E)小于或等于10μm；
-所述盖被悬浮在所述衬底之上，至少支承在围绕所述膜的支撑壁(106)上；以及
-所述探测器(100)具有在所述盖和所述支撑壁之间相互嵌套的第一金属密封层和第二金属密封层(112A、112B)，外围接合区(112C)在所述第一金属密封层和所述第二金属密封层之间延伸；
其中，所述盖(1110)具有一个或多个贯通开口(1102)，并且封闭层(111)覆盖所述盖。
2.根据权利要求1所述的探测器(100)，其特征在于：
-所述盖(110)被悬浮在所述衬底之上，支承在所述支撑壁(106)上并支承在位于所述支撑壁之间的支撑柱(104)上；以及
-所述探测器包括成对的第一金属密封垫和第二金属密封垫(114A、114B)，每对第一金属密封垫和第二金属密封垫位于所述盖和一个所述支撑柱(104)之间，每对第一金属密封垫和第二金属密封垫中的第一金属密封垫和第二金属密封垫叠置并由对应的内部接合区(114C)分开。
3.根据权利要求2所述的探测器(100)，其特征在于，所述探测器包括悬浮在所述衬底之上的多个膜(108)，在所述衬底平面的每个维度上，膜分布间距(P)等于所述支撑柱(104)的分布间距。
4.根据权利要求2所述的探测器(100)，其特征在于，所述膜(108)被悬浮在所述衬底之上，每个膜支承在支承柱(105)上；以及对于每个膜，一对第一金属密封垫和第二金属密封垫(114A、114B)位于一个所述支承柱上，使得所述支承柱还形成用于所述盖的支撑柱(104)。
5.根据权利要求1所述的探测器(100)，其特征在于，所述膜(108)被悬浮在所述衬底之上，每个膜支承在支承柱(105)上，以及对于每个膜，在一个所述支承柱(105)之上的所述盖中存在贯通开口(1102)。
6.根据权利要求1所述的探测器(100)，其特征在于，所述第一金属密封层和所述第二金属密封层(112A、112B)的组合厚度在1.5μm到2.5μm之间。
7.封装电磁辐射探测器(100)的至少一个敏感元件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)制造被称为传感器堆叠(117)的堆叠，所述堆叠包括：
-被称为主衬底的第一衬底(101)；
-在所述主衬底之上延伸的至少一个膜(108)，所述至少一个膜形成所述电磁辐射探测器的至少一个敏感元件，并被配置为吸收入射的电磁辐射并将所述电磁辐射转换为热量；
-支撑壁(106)，所述支撑壁在所述主衬底之上延伸并且包围所述至少一个膜；以及
-第一金属密封层(112A)，所述第一金属密封层位于与所述主衬底相对的一侧上的所述支撑壁的上表面之上；
b)在被称为转移衬底的第二衬底(130)之上沉积被称为盖层(132)的层，所述盖层在所述电磁辐射探测器的光谱灵敏度范围内是透明的且具有小于或等于10μm的厚度；
c)在所述盖层上制造第二金属密封层(112B)；
d)将所述转移衬底(130)转移到所述主衬底(101)上，以将所述第一金属密封层(112A)和所述第二金属密封层(112B)对准并将所述第一金属密封层和所述第二金属密封层彼此接合；以及
e)移除所述转移衬底(130)；
其中，所述方法还包括蚀刻所述盖层(132)的步骤，以在所述盖层(132)中形成至少一个贯通开口(1102)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
-所述传感器堆叠(117)还包括在所述支撑壁之间延伸的支撑柱(104)，在每个支撑柱的顶部具有对应的第一金属密封垫(114A)；
-步骤c)还包括在所述盖层上制造第二金属密封垫(114B)；以及
-步骤d)还包括将第一金属密封垫(114A)与第二金属密封垫(114B)成对对齐和接合。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述蚀刻所述盖层(132)的步骤还用于界定被设计为封闭包含所述至少一个膜的腔体的盖(110)的外部轮廓。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在移除所述转移衬底的步骤e)之后实施蚀刻所述盖层的步骤。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：
-在沉积所述盖层(132)的步骤b)之后且在转移所述转移衬底(130)的步骤d)之前实施蚀刻所述盖层的步骤；
-在蚀刻所述盖层的步骤之后，使用被称为盖牺牲层(133)的牺牲材料层填充所蚀刻的区域；以及
-在移除所述转移衬底的步骤e)之后将所述盖牺牲层(133)排出。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
-该方法包括沉积被称为牺牲停止层(121、135)的牺牲材料层的步骤，使得在转移所述转移衬底的步骤d)之前，所述第一金属密封层(112A)和所述第二金属密封层(112B)均位于一个所述牺牲停止层中；
-步骤d)使用混合键合；以及
-在移除所述转移衬底的步骤e)之后将所述牺牲停止层(121、135)排出。
13.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)之后获得的所述传感器堆叠(117)中，所述至少一个膜(108)在被称为膜牺牲层(120)的牺牲材料层之上延伸，在移除所述转移衬底的步骤e)之后将所述膜牺牲层排出。
14.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法用于同时共享同一主衬底(101)的多个传感器堆叠(117)，并且使用单个转移衬底(130)和单个盖层(132)蚀刻界定多个盖(110)的外部轮廓的所述盖层的步骤，每个盖用于覆盖所述多个传感器堆叠中的一个传感器堆叠。
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