CN109273460A - 一种晶圆级封装红外探测器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶圆级封装红外探测器及其制作方法，属于半导体技术领域。该晶圆级封装红外探测器的制作方法，包括：在盖子晶圆的键合区域形成键合层；对除键合区域外且与键合区域位于同一表面的盖子晶圆进行减薄处理；在盖子晶圆的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜，在盖子晶圆的气体吸附区域形成第一凹槽，并在第一凹槽的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层；将基板晶圆与盖子晶圆进行键合封装，形成晶圆级封装红外探测器，基板晶圆包括有红外敏感像素和读出电路芯片。本申请实施例中，采用一种新的封装工艺工序，来降低封装成本，并进一步通过增加气体吸附剂(层)的面积来提高整个密封腔体的可靠性，进而提高整个设备的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种晶圆级封装红外探测器及其制作方法。
背景技术
红外探测器(Infrared Detector)是将入射的红外辐射信号转变成电信号输出的器件，在军事、工业、交通、安防监控、气象、医学等各行业具有广泛的应用。非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有体积小、质量轻、功耗小、寿命长、成本低、启动快等优点。目前非制冷焦平面探测器主要是采用真空封装、金属管壳封装、陶瓷管壳封装、晶圆级封装等形式。晶圆级封装技术的集成度更高，工艺步骤也有所简化，更适合大批量和低成本生产。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种晶圆级封装红外探测器及其制作方法，通过增加气体吸附剂(层)的面积来提高整个密封腔体的可靠性。
本发明的实施例是这样实现的：
本发明实施例提供了一种晶圆级封装红外探测器的制作方法，包括：在盖子晶圆的键合区域形成键合层；对除所述键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆进行减薄处理；在所述盖子晶圆的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜，在所述盖子晶圆的气体吸附区域形成第一凹槽，并在所述第一凹槽的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层；将基板晶圆与所述盖子晶圆进行键合封装，形成晶圆级封装红外探测器，所述基板晶圆包括有红外敏感像素和读出电路芯片。本申请实施例中，采用一种新的封装工艺工序，来降低封装成本，并进一步提高整个设备的可靠性，即通过在盖子晶圆的键合区域形成键合层、开窗区域涂覆红外增透抗反射膜以及在气体吸附区域形成第一凹槽，并在第一凹槽的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层的新工艺来降低封装成本；通过在第一凹槽的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层，也即通过增加气体吸附剂(层)的面积来提高整个密封腔体的可靠性，进而提高设备的可靠性。
在本发明可选的实施例中，在所述盖子晶圆的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜，包括：在所述盖子晶圆的开窗区域形成第二凹槽，并在所述第二凹槽的底壁和侧壁均涂覆红外增透抗反射膜。
在本发明可选的实施例中，将所述基板晶圆与所述盖子晶圆进行键合封装之前，所述方法还包括：在所述盖子晶圆的正面涂覆红外增透抗反射膜，所述正面与所述键合区域所在的面为相对面。
在本发明可选的实施例中，将所述基板晶圆与所述盖子晶圆进行键合封装之后，所述方法还包括：在所述盖子晶圆的正面涂覆红外增透抗反射膜，所述正面与所述键合区域所在的面为相对面。
本发明实施例还提供了一种晶圆级封装红外探测器，包括：一盖子晶圆，在所述盖子晶圆的背面上设置有开窗区域、气体吸附区域以及围绕所述气体吸附区域和所述开窗区域的键合区域；所述气体吸附区域开设有用于涂覆气体吸附膜层的第一凹槽，所述键合区域设置有键合层，所述开窗区域涂覆有红外增透抗反射膜。本申请实施例中，通过在气体吸附区域开设用于涂覆气体吸附膜层的第一凹槽，以便在第一凹槽的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层，通过增加气体吸附剂(层)的面积来提高整个密封腔体的可靠性，进而提高设备的可靠性。
在本发明可选的实施例中，所述气体吸附区域包括：位于所述开窗区域第一侧的第一区域和位于所述开窗区域第二侧的第二区域，相应地，所述第一区域和所述第二区域均开设有所述第一凹槽，所述第一侧与所述第二侧为相对侧。
在本发明可选的实施例中，所述气体吸附区域围绕所述开窗区域设置。
在本发明可选的实施例中，所述开窗区域开设有第二凹槽，所述红外增透抗反射膜涂覆于所述第二凹槽的底壁和侧壁。
在本发明可选的实施例中，所述第一凹槽的底面和所述第二凹槽的底面位于同一水平线上。
在本发明可选的实施例中，远离所述第二凹槽的所述第一凹槽的内侧壁呈台阶状。
在本发明可选的实施例中，所述盖子晶圆的正面上设置有对准标记，所述对准标记正对所述键合层的中心。
在本发明可选的实施例中，所述盖子晶圆的正面上涂覆有红外增透抗反射膜。
在本发明可选的实施例中，所述开窗区域位于盖子晶圆的中心位置。
在本发明可选的实施例中，所述晶圆级封装红外探测器还包括：一带有红外敏感像素和读出电路芯片的基板晶圆，所述基板晶圆与所述盖子晶圆的键合层以真空密封的方式键合。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1示出了本发明实施例提供的一种晶圆级封装红外探测器的结构示意图。
图2示出了本发明实施例提供的一种晶圆级封装红外探测器的制作方法的流程图。
图3示出了本发明实施例提供的在盖子晶圆的键合区域形成键合层的结构示意图。
图4示出了本发明实施例提供的对盖子晶圆进行减薄处理后的结构示意图。
图5示出了本发明实施例提供的在盖子晶圆的气体吸附区域形成第一凹槽的结构示意图。
图6示出了本发明实施例提供的在盖子晶圆的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜以及在第一凹槽内壁涂覆气体吸附膜层的结构示意图。
图7示出了本发明实施例提供的在盖子晶圆的开窗区域形成第二凹槽的结构示意图。
图8示出了本发明实施例提供的在盖子晶圆的第二凹槽内壁涂覆红外增透抗反射膜以及在第一凹槽内壁涂覆气体吸附膜层的结构示意图。
图9示出了本发明实施例提供的基板晶圆的结构示意图。
图10示出了本发明实施例提供的基板晶圆与盖子晶圆封装形成晶圆级封装红外探测器的结构示意图。
图标：10－晶圆级封装红外探测器；1－盖子晶圆；11－键合层；12－对准标记；13－第一凹槽；14－气体吸附膜层；15－红外增透抗反射膜；16－第二凹槽；2－基板晶圆；21－红外敏感像素；22－PAD焊点。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。再者，本申请中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供了一种晶圆级封装红外探测器10，如图1所示。该晶圆级封装红外探测器10包括：一盖子晶圆1以及一带有红外敏感像素21和读出电路芯片的基板晶圆2，所述基板晶圆2与所述盖子晶圆1的键合层11以真空密封的方式键合。其中，在所述盖子晶圆1的背面上设置有开窗区域、气体吸附区域以及围绕所述气体吸附区域和所述开窗区域的键合区域；所述气体吸附区域开设有用于涂覆气体吸附膜层14的第一凹槽13，所述键合区域设置有键合层11，所述开窗区域涂覆有红外增透抗反射膜15。
其中，盖子晶圆1可以由硅－锗、硫化锌、硫族化物、氟化钡或聚合物的红外透射材料制成。
其中，该基板晶圆2包括有红外敏感像素21和和读出电路芯片(图中未示出)，在该基板晶圆2的键合区域形成有键合层11，以及该基板晶圆2上还设置有PAD焊点22。其中，红外敏感像素21用于将入射到其上的红外辐射转换为电信号，并由读出电路芯片输出。其中，读出电路芯片用于采集红外敏感像素21输出的电信号。其中，需要说明的是，该基板晶圆2的具体结构可以参见现有技术中基板晶圆的结构，由于本实施例中的改进点主要在盖子晶圆1上，因此本实施例中仅对基板晶圆2作了简单描述。
其中，该键合区域围绕该盖子晶圆1的周长设置，以便和基板晶圆2通过键合方式形成密封腔体把红外敏感像素21密封起来。以长方形的盖子晶圆1为例，该键合区域即为围绕该长方形的周长设置。其中，设置于键合区域的键合层11，也是围绕键合区域而设置，例如，为一个长方形的区域。其中，该键合层11的材质为导电材料。
其中，在第一凹槽13内壁涂覆气体吸附膜层14包括，在第一凹槽13的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层14，以尽可能的增加气体吸附剂(层)的面积，进而提高整个密封腔体的可靠性，从而提高设备的可靠性。
其中，在盖子晶圆1的背面上设置有开窗区域、气体吸附区域以及围绕所述气体吸附区域和所述开窗区域的键合区域，作为一种可选的实施方式，该开窗区域位于该盖子晶圆1的中心位置，以便更好地感应红外辐射。可以理解的是，该开窗区域也可以不位于该盖子晶圆1的中心位置，因此不能将本实施例中，示出的示例理解成是对本申请的限制。
其中，需要说明的是，盖子晶圆1和基板晶圆2通过键合方式形成密封腔体把红外敏感像素21密封起来，密封腔体需要高真空度，但采用键合方式长时间或多或少的会产生漏气以及腔体内其他物质的挥发产生的气体，因此需要在密封腔体内放置气体吸附剂(层)来保持整个腔体的高真空。
作为一种可选的实施方式，所述气体吸附区域包括：位于所述开窗区域第一侧的第一区域和位于所述开窗区域第二侧的第二区域，相应地，所述第一区域和所述第二区域均开设有所述第一凹槽13，所述第一侧与所述第二侧为相对侧。例如，该气体吸附区域包括：位于所述开窗区域左侧的第一区域和位于所述开窗区域右侧的第二区域。
作为另一种可选的实施方式，所述气体吸附区域围绕所述开窗区域设置。即该气体吸附区域环设于该开窗区域的四周，其可以是一个连续的一体式区域，也可以是由沿开窗区域的四周设置的多个不连续区域构成，例如，由位于开窗区域左侧、右侧、前侧以及后侧的区域构成。其中，需要说明的是，当该气体吸附区域由沿开窗区域的四周设置的多个不连续区域构成时，每个区域均开设有用于涂覆气体吸附膜层14的第一凹槽13。
其中，开窗区域涂覆有红外增透抗反射膜15，以增强对红外辐射的感应。为了进一步增加红外增透抗反射膜15的面积，作为一种可选的实施方式，所述开窗区域开设有第二凹槽16，所述涂覆红外增透抗反射膜15涂覆于第二凹槽16的底壁和侧壁。也即，在开窗区域涂覆红外增透抗反射膜15时，在第二凹槽16的底壁和侧壁均涂覆有红外增透抗反射膜15，以增加红外增透抗反射膜15的面积。
作为一种可选的实施方式，所述第一凹槽13的底面和所述第二凹槽16的底面位于同一水平线上。当然，可以理解的是，第一凹槽13的底面也可以不和第二凹槽16的底面位于同一水平线上。此外，开设于气体吸附区域的不同位置的第一凹槽13的底面也可以不位于同一水平线上，例如，开设于第一区域的第一凹槽13的底面与开设于第二区域的第一凹槽13的底面可以位于同一水平线上，也可以不位于同一水平线上。
此外，作为一种可选的实施方式，在气体吸附区域开设第一凹槽13以及在开窗区域开设第二凹槽16之前，可以先对除键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆1进行减薄处理，例如，减薄10um。然后才在气体吸附区域开设大约100um深的第一凹槽13，以及在开窗区域开设大约100um深的第二凹槽16，使得远离所述第二凹槽16的第一凹槽13的内侧壁呈台阶状。
其中，需要说明的是，在第一凹槽13内壁涂覆气体吸附膜层14时，除了在第一凹槽13的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层14外，还对第一凹槽13与键合区域相接的部分以及第一凹槽13与第二凹槽16之间的凸起的一部分涂覆气体吸附膜层14，以尽可能的增大气体吸附膜层14的面积。同样地，在第二凹槽16内壁涂覆红外增透抗反射膜15时，除了在第二凹槽16的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层14外，还对第二凹槽16与第一凹槽13之间的凸起的剩余部分涂覆红外增透抗反射膜15，以尽可能的增大红外增透抗反射膜15的面积。
此外，为了便于该盖子晶圆1与基板晶圆2进行对准封装，在该盖子晶圆1的正面上设置有对准标记12，所述对准标记12正对所述键合层11的中心。其中，该正面与背面为相对面。其中，需要说明的是，该对准标记12用于将盖子晶圆1与基板晶圆2进行对准，在设置对准标记12时，其不用像设置键合层11一样，其必须是连续的，也该对准标记12可以是不连续的，以长方形的盖子晶圆1为例，其可以是在该长方形的各个边上设置对准标记12即可。
作为一种可选的实施方式，所述盖子晶圆1的正面上涂覆有红外增透抗反射膜15，以增强对红外辐射的灵敏度。
本申请实施例还提供了一种晶圆级封装红外探测器10的制作方法，如图2所示。下面将结合图2所示的步骤对其进行说明。
步骤S101：在盖子晶圆的键合区域形成键合层。
如图3所示，在盖子晶圆1的键合区域利用溅射或者蒸镀方法形成键合层11，并在正面做上对准标记12，其中，正面与键合区域所在面为相对面。
步骤S102：对除所述键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆进行减薄处理。
如图4所示，对除所述键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆1进行减薄处理。例如，利用干法或者湿法在除所述键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆1上刻蚀一定深度沟槽，例如10um。
步骤S103：在所述盖子晶圆的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜，在所述盖子晶圆的气体吸附区域形成第一凹槽，并在所述第一凹槽的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层。
对除所述键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆1进行减薄处理后，在所述盖子晶圆1的气体吸附区域形成第一凹槽13，如利用干法或者湿法，在所述盖子晶圆1的气体吸附区域刻蚀一定深度沟槽，如100um，如图5所示。其中，由于先对除所述键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆1进行减薄处理后，然后在所述盖子晶圆1的气体吸附区域形成第一凹槽13，所以，使得靠近所述键合区域的所述第一凹槽13的内侧壁呈台阶状。
在所述盖子晶圆1的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜15，并在所述第一凹槽13的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层14，如图6所示。
作为一种可选的实施方式，可以是先在所述盖子晶圆1的开窗区域形成第二凹槽16，如利用干法或者湿法，在所述盖子晶圆1的开窗区域刻蚀一定深度沟槽，如100um，如图7所示。
并在所述第二凹槽16的底壁和侧壁均涂覆红外增透抗反射膜15，如图8所示。
步骤S104：将基板晶圆与所述盖子晶圆进行键合封装，形成晶圆级封装红外探测器，所述基板晶圆包括有红外敏感像素和读出电路芯片。
将包括有红外敏感像素21和读出电路芯片的基板晶圆2(如图9所示)，与所述盖子晶圆1进行键合封装，形成晶圆级封装红外探测器10，如图10所示。
其中，基板晶圆2的结构，请参阅图9。该基板晶圆2包括有红外敏感像素21和和读出电路芯片(图中未示出)，在该基板晶圆2的键合区域形成有键合层11，以及该基板晶圆2上还设置有PAD焊点22。
此外，为了增加晶圆级封装红外探测器10对红外辐射的灵敏度，还可以在所述盖子晶圆1的正面涂覆红外增透抗反射膜15，所述正面与所述键合区域所在的面为相对面。其中，该步骤可以是在封装之前，也可以是在封装之后，在此不作限定。
此外，当盖子晶圆1的边缘遮挡住基板晶圆2的PAD区域时，还需要用划片或者侵蚀方法把PAD区域打开，也即将盖子晶圆1的边缘去掉，并将PAD焊点22用引线引出。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种晶圆级封装红外探测器的制作方法，其特征在于，包括：
在盖子晶圆的键合区域形成键合层；
对除所述键合区域外且与所述键合区域位于同一表面的所述盖子晶圆进行减薄处理；
在所述盖子晶圆的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜，在所述盖子晶圆的气体吸附区域形成第一凹槽，并在所述第一凹槽的底壁和侧壁均涂覆气体吸附膜层；
将基板晶圆与所述盖子晶圆进行键合封装，形成晶圆级封装红外探测器，所述基板晶圆包括有红外敏感像素和读出电路芯片。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述盖子晶圆的开窗区域涂覆红外增透抗反射膜，包括：
在所述盖子晶圆的开窗区域形成第二凹槽，并在所述第二凹槽的底壁和侧壁均涂覆红外增透抗反射膜。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述基板晶圆与所述盖子晶圆进行键合封装之前，所述方法还包括：
在所述盖子晶圆的正面涂覆红外增透抗反射膜，所述正面与所述键合区域所在的面为相对面。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述基板晶圆与所述盖子晶圆进行键合封装之后，所述方法还包括：
在所述盖子晶圆的正面涂覆红外增透抗反射膜，所述正面与所述键合区域所在的面为相对面。
5.一种晶圆级封装红外探测器，其特征在于，包括：
一盖子晶圆，在所述盖子晶圆的背面上设置有开窗区域、气体吸附区域以及围绕所述气体吸附区域和所述开窗区域的键合区域；所述气体吸附区域开设有用于涂覆气体吸附膜层的第一凹槽，所述键合区域设置有键合层，所述开窗区域涂覆有红外增透抗反射膜。
6.根据权利要求5所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述气体吸附区域包括：位于所述开窗区域第一侧的第一区域和位于所述开窗区域第二侧的第二区域，相应地，所述第一区域和所述第二区域均开设有所述第一凹槽，所述第一侧与所述第二侧为相对侧。
7.根据权利要求5所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述开窗区域开设有第二凹槽，所述红外增透抗反射膜涂覆于所述第二凹槽的底壁和侧壁。
8.根据权利要求7所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，远离所述第二凹槽的所述第一凹槽的内侧壁呈台阶状。
9.根据权利要求5所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述盖子晶圆的正面上涂覆有红外增透抗反射膜。
10.根据权利要求5－9中任一项所述的晶圆级封装红外探测器，其特征在于，所述晶圆级封装红外探测器还包括：
一带有红外敏感像素和读出电路芯片的基板晶圆，所述基板晶圆与所述盖子晶圆的键合层以真空密封的方式键合。
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2018
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