CN109671783A - 一种多色晶圆级封装探测器设计及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多色晶圆级封装探测器和制备方法，其中多色晶圆级封装探测器包括芯片晶圆和与所述芯片晶圆对应键合的具有腔体的窗口晶圆，所述窗口晶圆的窗口设置有多种衍射光学结构，用于透射不同波长的红外衍射波，所述衍射光学结构与所述芯片晶圆的像元一一对应。通过在将衍射光学结构应用于窗口设计及制备上，利用半导体加工工艺等方式实现窗口晶圆的多色红外滤波，窗口上衍射结构为像元级，对应晶圆芯片上的像元位置，通过晶圆级封装工艺，保证窗口上滤波衍射光学结构与芯片上像元对位良好，实现多色探测器制备，可以在空间上完全同步的获取目标两个或更多个波段的信息，进一步提高探测的效率和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及晶圆级封装技术领域，特别是涉及一种多色晶圆级封装探测器设计及制备方法。
背景技术
现有的红外探测器所利用的主要是红外热效应和光电效应。这些效应的输出大都是电量，或者可用适当的方法转变成电量。现在主流的红外探测系统绝大多数是短波、中波或者长波波段的单波段红外探测器。红外探测器的应用范围极为广泛，例如检测人体运动、非法入侵并报警等，具有灵敏度高，误报率低，外形小巧，美观，安装方便等优点。
但是，由于红外系统使用区域的不同、气候温度的改变、目标的伪装，红外诱饵的释放等原因，就会导致单一波段的红外探测系统获取的信息的减弱。特别是当运动中的目标自身发生改变时，其红外辐射峰值波长将发生移动，将导致红外探器探测准确度大幅度下降甚至很可能根本无法探测到目标。
双色红外探测技术，就是能够同步采集目标的两个红外光谱强度，并对两波段的光谱进行对比、处理、合成的技术。红外探测系统包括光学成像系统、红外探测器、信号采集读出电路、图像处理及显示。该技术实现的关键在于采用了具有特殊结构的双色红外探测器，实现两个不同波段红外辐射信号转换为电信号输出。双色红外目标探测技术实质上就是利用红外双色信息实现复杂环境中的目标识别技术。不同类型辐射源(目标物)其双色红外辐射响应波段明显不同，较单色红外光谱更容易区分辐射源的类型，因此可以比较容易地区分目标、背景、红外诱饵等红外辐射源，提取真实目标，实现抗红外诱饵干扰的目的，提高探测效率与准确性，真正意义上实现对目标的感知、认知和识别。
目前市场上探测器对吸收红外辐射波长的控制主要是通过对FPA芯片设计和窗口上增透膜设计来实现。但以目前技术要在同一个窗口上通过增透膜的方式来实现双色比较困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种多色晶圆级封装探测器以及制备方法，在空间上完全同步的获取目标两个波段的信息，提高探测的效率和准确性。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种多色晶圆级封装探测器，包括芯片晶圆和与所述芯片晶圆对应键合的具有腔体的窗口晶圆，所述窗口晶圆的窗口设置有多种衍射光学结构，用于透过不同波长的红外波，所述衍射光学结构与所述芯片晶圆的像元一一对应。
其中，多个所述衍射光学结构在所述窗口晶圆表面的窗口阵列设置。
其中，相邻所述衍射光学结构为短波衍射光学结构和中波衍射光学结构，或中波衍射光学结构和长波衍射光学结构。
其中，所同一所述光学衍射结构四周的多个所述衍射光学结构相同，且与中心的所述光学衍射结构处于不同波段。
其中，所述衍射光学结构为多台阶位相衍射光学结构或连续位相衍射光学结构。
其中，所述衍射光学结构与所述芯片晶圆的像元的对准精度小于等于1μm。
除此之外，本发明实施例还提供了一种多色晶圆级封装探测器制备方法，包括：
在具有腔体的窗口晶圆的窗口上制备多个透过不同波长红外波的衍射光学结构；
将所述窗口晶圆与芯片晶圆进行键合，使得所述窗口晶圆上的窗口衍射光学结构与所述晶圆芯片的像元一一对应。
其中，所述制备多个透过不同波长红外波的衍射光学结构，包括：
通过采用干法刻蚀、湿法刻蚀或薄膜沉淀法在所述窗口晶圆的窗口上形成多台阶位相衍射光学结构，或通过采用激光直接、电子束直写、灰阶掩膜、移动掩膜或旋转掩膜加工形成的连续位相衍射光学结构。
其中，相邻所述衍射光学结构为短波衍射透过衍射光学结构和中波衍射透过衍射光学结构，或中波衍射透过衍射光学结构和长波衍射透过衍射光学结构。
其中，所述窗口晶圆的窗口中的衍射光学结构与所述芯片晶圆上的像元的对准度小于等于1微米。
本发明实施例所提供的多色晶圆级封装探测器以及制备方法，与现有技术相比，具有以下优点：
所述多色晶圆级封装探测器以及制备方法，通过在将衍射光学结构应用于窗口设计及制备上，利用半导体加工工艺等方式实现窗口晶圆的多色红外滤波，窗口上衍射结构为像元级，对应晶圆芯片上的像元位置，通过晶圆级封装工艺，保证窗口上滤波衍射光学结构与芯片上像元对位良好，实现多色探测器制备，可以在空间上完全同步的获取目标两个或更多个波段的信息，进一步提高探测的效率和准确性。
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，下面将对实施例或现有技术描述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。
图1为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器的一种具体实施方式的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器的一种具体实施方式中衍射光学结构的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器的另一种具体实施方式中衍射光学结构的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
请参考图1～图4，图1为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器的一种具体实施方式的结构示意图；图2为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器的一种具体实施方式中衍射光学结构的结构示意图；图3为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器的另一种具体实施方式中衍射光学结构的结构示意图；图4为本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器制备方法的一种具体实施方式的步骤流程示意图。
在一种具体实施方式中，所述多色晶圆级封装探测器，包括芯片晶圆和与所述芯片晶圆对应键合的具有腔体的窗口晶圆，所述窗口晶圆的窗口10设置有多种衍射光学结构，用于透射不同波长的红外衍射波，所述衍射光学结构与所述芯片晶圆的像元一一对应。
通过在将衍射光学结构应用于窗口设计及制备上，利用半导体加工工艺等方式实现窗口晶圆的窗口10的多色红外滤波，窗口上衍射结构为像元级，对应晶圆芯片上的像元位置，通过晶圆级封装工艺，保证窗口上滤波衍射光学结构与芯片上像元对位良好，实现多色探测器制备，可以在空间上完全同步的获取目标两个或更多个波段的信息，进一步提高探测的效率和准确性。而且利用晶圆级封装的优点，使得整个探测器具有效率高、成本低的特点，实现双色或多色探测器的大批量、低成本生产。
衍射光学(二元光学)元件是指基于光的衍射理论，利用计算机辅助设计、并用大规模集成电路制作工艺，在基片上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，是一种纯位相衍射光学元件。
浮雕型衍射光学元件可分为台阶型和连续型两种，台阶型二元光学元件是对连续型衍射光学元件的多级二值化近似。
与传统的折射光学相比，除了体积小、重量轻、微型化、集成化和容易复制等优点外，还具有高衍射效率，高设计自由度(台阶位置、管壳、深度、形状等)，独特的温度和色散特性，宽广的材料可选性等特性。
多台阶位相二元光学器件，其衍射效率为
当L为2，4，8和16时，衍射效率为40.5％，81％，94.9％和98.6％。利用亚波长微结构和连续位相结构，可达到接近100％的衍射效率。这是目前窗口透过率以增透膜方式难以达到的水平。
晶圆级封装(WLP)是一种新型封装形式，晶圆级封装是将芯片晶圆与带腔体的窗口晶圆在精确对准的基础上进行键合，窗口晶圆10上窗口10数量和位置与FPA晶圆上的芯片完全对应，键合时要求每一颗芯片与对应窗口对位准确，形成真空腔体。键合完成后将晶圆切割测试，产出探测器。晶圆级封装具有封装结构简单、体积小、成本低、真空寿命长等特点，MEMS行业封装形式已经开始向晶圆级封装转变。
本发明对于衍射光学结构在窗口晶圆的窗口的位置以及数量和尺寸、间距等不做具体限定。
为了提高对窗口晶圆的窗口的利用效率，一般多个衍射光学结构在所述窗口晶圆的窗口10表面阵列设置，通过阵列式结构，只需要在指定点设置特定的衍射光学结构即可。
由于有很多目标物进行红外辐射的过程中，都是在两个波段之间进行变换，但是单个波段的探测器就无法实时探测，因此一般相邻所述衍射光学结构为短波衍射光学结构和中波衍射光学结构，或中波衍射光学结构和长波衍射光学结构。
一般只需要设置两种波段的衍射光学结构，可以比较容易地区分目标、背景、红外诱饵等红外辐射源，提取真实目标，实现抗红外诱饵干扰的目的，提高探测效率与准确性，真正意义上实现对目标的感知、认知和识别，提高探测的质量。
需要指出的是，如果有探测更多波段的需要，如从短波到中波到长波的探测，那么可以将三种波段的衍射结构都设置在窗口晶圆10上，实现更广范围的探测。
通过将不通过波段的两种光学衍射结构相邻设置，使得在探测过程中，即使其中一种波段的光学衍射结构无法探测到目标，另一种光学衍射结构也会自动探测到目标，无需进行转向，没有延时，实现与另一波段的光学衍射结构的自动对接，提高了探测效率和质量。
例如，在本发明的一个实施例中，如图1所示，在窗口晶圆的窗口10设置有长波通过的长波衍射光学结构20和中波通过的中波衍射光学结构30，窗口晶圆为圆形，晶圆上分布有多个单颗窗口，窗口上有阵列分布的衍射光学结构，长波衍射光学结构20和中波通过的中波衍射光学结构30阵列排布设置，各个衍射光学结构的中心在点阵上，每个长波衍射光学结构20四周都是中波通过的中波衍射光学结构30，每个中波通过的中波衍射光学结构30四周都是长波衍射光学结构20，而且在横向以及纵向上的衍射光学结构中心的间距相等，即长波衍射光学结构20和中波通过的中波衍射光学结构30在横向和纵向上都是间隔设置，使得在工艺设置时，只要在对应的坐标点设置对应的衍射光学结构即可，而且由于是间隔设置，工艺参数极少，能够提高工艺效率，而且采用坐标管理和使用也即为方便。
本发明对于衍射光学结构的具体结构形式以及制备方法不做具体限定，所述衍射光学结构为可以为如图3所示的多台阶位相衍射光学结构，也可以为如图2所示的连续位相衍射光学结构。
多台阶位相结构制备可通过减法工艺，即刻蚀的方法，包括湿法刻蚀和干法刻蚀，也可通过加法工艺，即通过薄膜沉淀法实现。
连续位相结构加工工艺包括无掩膜法和有掩膜法，无掩膜法中包括激光直写、电子束直写等，有掩膜法包括灰阶掩膜、移动掩膜、旋转掩膜。
需要指出的是，本发明中的衍射光学结构的制备工艺包括但不限于以上方案，随着技术的发展，二元光学制备工艺会不断更新进步。
在本发明中由于要将窗口晶圆和芯片晶圆进行键合，那么窗口上的衍射光学结构与芯片上的像元需要对应，一般所述衍射光学结构与所述芯片晶圆的像元的对准精度小于等于1μm，这里的对准精度是指衍射光学结构与像元的位置误差小于等于1μm，即对准精度越高，数值越低。
除此之外，本发明实施例还提供了一种多色晶圆级封装探测器制备方法，包括：
步骤1，在具有腔体的窗口晶圆的窗口上制备多个透过不同波长红外波的衍射光学结构；
步骤2，将所述窗口晶圆与芯片晶圆进行键合，使得所述窗口晶圆上的窗口衍射光学结构与所述晶圆芯片的像元一一对应。
由于所述多色晶圆级封装探测器制备方法，通过制备光学衍射结构，在窗口晶圆的窗口上制备多个不同波长红外波的衍射光学结构，使得制备的多色晶圆级封装探测器，具有上述多色晶圆级封装探测器共有的相同有益效果，而且该制备过程可以采用现有的流片工艺，没有新的工艺，不需要增加新的设备，使得增加成本有限，却使得产品的探测效能获得极大的提升，能够在空间上完全同步的获取目标两个波段的信息，提高探测的效率和准确性，而且采用晶圆级封装，实现了探测器大批量、低成本的生产。
本发明中的关键在于利用衍射光学制备衍射光学结构，本发明对衍射光学结构不做具体限定，所述多个透过不同波长的红外衍射波衍射光学结构，可以为通过采用干法刻蚀、湿法刻蚀或薄膜沉淀法在所述窗口晶圆的窗口上形成多台阶位相衍射光学结构，也可以为通过采用激光直接、电子束直写、灰阶掩膜、移动掩膜或旋转掩膜加工形成的连续位相衍射光学结构，而且随着技术的不断发展，还可以采用其它更加先进的二元光学制备工艺，本发明对其不做具体限定。
本发明中为了进一步对目标的探测效率，一般相邻所述衍射光学结构为短波衍射透过衍射光学结构和中波衍射透过衍射光学结构，或中波衍射透过衍射光学结构和长波衍射透过衍射光学结构。
即通过将相邻的衍射光学结构设置为不同波段，使得在一个波段的衍射光学结构丢失目标之后，另一个波段的衍射光学结构能够实现无缝对接，没有延时，无需将探测器进行转向等，提高了探测器的探测效果和探测质量。
在本发明中一般将该探测器设置为双色探测器即可，如果有特殊需要可以设置更多波段的衍射光学结构，本发明对其不做具体限定。
本发明中需要将衍射光学结构与芯片晶圆的像元一一对应使得提高产品的利用效率，降低生产成本，一般所述窗口晶圆的窗口中的衍射光学结构与所述芯片晶圆上的像元的对准度小于等于1微米。
晶圆键合完成后切割划片，生产出双色晶圆级封装探测器。在红外探测系统中通过对信号转换及图像处理等，可选择单色成像，也可实现双色同时成像要求，满足不同用户的不同需要。
综上所述，本发明实施例提供的多色晶圆级封装探测器以及制备方法，通过将衍射光学结构应用于窗口设计及制备上，利用半导体加工工艺等方式实现窗口晶圆的多色红外透过，窗口上衍射结构为像元级，对应晶圆芯片上的像元位置，通过晶圆级封装工艺，保证窗口上滤波衍射光学结构与芯片上像元对位良好，实现多色探测器制备，可以在空间上完全同步的获取目标两个或更多个波段的信息，进一步提高探测的效率和准确性。
以上对本发明所提供的多色晶圆级封装探测器以及制备方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种多色晶圆级封装探测器，其特征在于，包括芯片晶圆和与所述芯片晶圆对应键合的具有腔体的窗口晶圆，所述窗口晶圆的窗口设置有多种衍射光学结构，用于透过不同波长的红外衍射波，所述衍射光学结构与所述芯片晶圆的像元一一对应。
2.如权利要求1所述多色晶圆级封装探测器，其特征在于，多个所述衍射光学结构在所述窗口晶圆表面的窗口阵列设置。
3.如权利要求2所述多色晶圆级封装探测器，其特征在于，相邻所述衍射光学结构为短波衍射光学结构和中波衍射光学结构，或中波衍射光学结构和长波衍射光学结构。
4.如权利要求3所述多色晶圆级封装探测器，其特征在于，同一所述光学衍射结构四周的多个所述衍射光学结构相同，且与中心的所述光学衍射结构处于不同波段。
5.如权利要求4所述多色晶圆级封装探测器，其特征在于，所述衍射光学结构为多台阶位相衍射光学结构或连续位相衍射光学结构。
6.如权利要求5所述多色晶圆级封装探测器结构，其特征在于，所述衍射光学结构与所述芯片晶圆的像元的对准精度小于等于1μm。
7.一种多色晶圆级封装探测器制备方法，其特征在于，包括：
在具有腔体的窗口晶圆的窗口上制备多个透过不同波长的红外衍射波衍射光学结构；
将所述窗口晶圆与芯片晶圆进行键合，使得所述窗口晶圆上的窗口衍射光学结构与所述晶圆芯片的像元一一对应。
8.如权利要求7所述多色晶圆级封装探测器制备方法，其特征在于，所述制备多个透过不同波长红外衍射波的衍射光学结构，包括：
通过采用干法刻蚀、湿法刻蚀或薄膜沉淀法在所述窗口晶圆的窗口上形成多台阶位相衍射光学结构，或通过采用激光直接、电子束直写、灰阶掩膜、移动掩膜或旋转掩膜加工形成的连续位相衍射光学结构。
9.如权利要求8所述多色晶圆级封装探测器制备方法，其特征在于，相邻所述衍射光学结构为短波衍射透过衍射光学结构和中波衍射透过衍射光学结构，或中波衍射透过衍射光学结构和长波衍射透过衍射光学结构。
10.如权利要求9所述多色晶圆级封装探测器制备方法，其特征在于，所述窗口晶圆的窗口中的衍射光学结构与所述芯片晶圆上的像元的对准度小于等于1微米。
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2018
- 2018-12-24 CN CN201811583771.2A patent/CN109671783A/zh active Pending
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