CN111356907A - 热探测器及热探测器阵列 - Google Patents
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Abstract
晶片级集成热探测器，包括键合在一起的第一晶片和第二晶片(W1，W2)。所述第一晶片(W1)包括电介质的或半导体的基板(100)，沉积在所述基板上的电介质的牺牲层(102)，沉积在所述牺牲层或基板上的支撑层(104)，在所述支撑层中的开口(106)内设有悬挂式有源元件(108)，位于所述悬挂式有源元件对侧的第一真空密封腔(110)和第二真空密封腔(106)。所述第一真空密封腔(110)在所述悬挂式有源元件(108)的位置处延伸到所述牺牲层(102)中。所述第二真空密封腔(106)包括所述支撑层(104)的开口，键合的第二晶片封闭所述开口。所述热探测器还包括使辐射从外部进入所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的前部光学器件(120)，设置为将辐射反射回所述第一真空密封腔和第二真空密封腔中的另一个的后部反射器(112)，以及用于将悬挂式有源元件与读出电路(118)连接的电连接(114)。
Description
技术领域
本发明涉及一种热传感器或热探测器，尤其涉及悬挂式热传感器或热探测器，例如电阻测辐射热计或热电测辐射热计。
背景技术
在热探测器中，热隔离的探测器元件吸收入射的红外光子，导致所述元件温度变化。导致温度升高的是撞击测辐射热计的辐射能的作用。温度变化改变了探测器的温度敏感电特性，该特性可以在外部进行测量，例如利用热电温度感应原理，热释电温度感应原理，电阻温度感应原理或其他温度感应原理进行测量。用于执行测量的电路通常称为读出集成电路(ROIC)，所述电路通常在硅基板上制造为集成电路。可以将热探测器布置成吸收各种类型的电磁辐射，例如紫外(UV)光，可见光，红外(IR)光，太赫兹(THz)辐射和X射线。
热探测器需要温度变化以产生信号，并且与通过冷却以使噪声最小化的光电探测器相反，通常不需要冷却。由于这些探测器依赖于入射辐射导致的温度变化，因此必须将其与周围环境进行热隔离，并且这些探测器必须具有较低的热容量才能快速响应辐射。
例如微测辐射热计，在图1中示出了常规的悬挂式探测器。通常通过吸收膜10吸收电磁辐射，所述吸收膜通过绝热臂9悬挂在反射金属层12上方，所述绝热臂9经由锚固点或支撑螺栓8固定在基板13上。所述吸收膜10与所述基板热隔离，以增加所述微测辐射热计的灵敏度。吸收的入射辐射使热隔离的测辐射热计的吸收膜升高温度。温度变化与吸收的辐射的能量相关，并且通过可测量的电参数的变化来测量，例如所述吸收膜中测辐射热计热敏电阻材料的电阻。在所述吸收膜10和所述反射金属层12之间形成谐振腔11。所述谐振腔11用于放大吸收入射的红外辐射并提供热绝缘。
微测辐射热计探测器阵列可用于感应入射辐射(通常是红外)的焦平面。二维阵列中的热探测器集合称为焦平面阵列(FPA)。将每个微测辐射热计作为像素，可以通过将每个微测辐射热计的电阻变化转换成时分复用电信号来生成入射红外辐射的二维图像或图片，所述时分复用电信号可以在监视器显示或存储在计算机中。用于执行这种转换的电路通常称为读出集成电路(ROIC)，所述电路通常在硅基板上制造为集成电路。然后可以将所述微测辐射热计的阵列设置在所述ROIC的顶部。
由于微测辐射热计不进行任何冷却，因此必须将吸收性材料与底部的ROIC进行热隔离，并且悬挂结构允许这种情况发生。创建像素阵列后，所述微测辐射热计在真空下封装以增加设备的使用寿命。在某些情况下，整个制造过程在不破坏真空的情况下进行。基于微机电系统(MEMS)的测辐射热计阵列的重要优势是该技术可提供低成本的晶片级真空包装。一种方法是晶片级封装，这种方法在测辐射热计像素上或在像素阵列(焦平面阵列)上形成具有硅红外窗口的盖，所述像素阵列(焦平面阵列)形成在ROIC基板晶片上。
在文章“MEMS-Based Uncooled Infrared Bolometer Arrays–A Review，FNiklaus et al，MEMS/MOEMS Technologies and Applications III，Proc.of SPIEVol.6836，68360D，(2007)”中，概述了非制冷红外测辐射热计技术的历史发展，不同的技术概念的历史发展以及测辐射热计设计方法和测辐射热计材料的历史发展。
综述文章：“Integrating MEMS and ICs，AC Fischer et al，Microsystems&Nanoengineering(2015)1，15005；doi:10.1038/micronano.2015.5；28May 2015”公开了用于集成和封装微机电系统(MEMS)设备和集成电路(IC)组件的不同方法。这些方法包括基于多芯片混合集成的方法(多芯片解决方案)以及片上系统解决方案，所述片上系统解决方案是基于晶片级单片集成技术和异构集成技术的。
文章“Direct wafer bonding for MEMS and microelectronics，Suni T.，VTTPublications 609，Espoo 2006，ISBN 951-38-6851-6”中公开了直接晶片键合工艺。
文章“Silicon-based surface micromachined interferometers for infraredwavelengths，Mikko Tuohiniemi，Aalto University publication series，Doctoraldissertations 54/2015，18March 2015，ISBN 978-952-60-6177-8”中公开了MEMS法布里-珀罗干涉仪(FPI)的概念，结构和制造工艺的示例。FPI是可调光带通滤波器。还公开了电介质多层反射镜，分布式布拉格反射器(DBR)的结构，尤其是概述了基于特定类型的硅空气多层膜DBR，使用微机电系统(MEMS)生产微型FPI。
文章“Suspended Large-Area Mems-Based Optical Filters，Tripathi et al，Journal ofMicroelectromechanical Systems，August 2015，p.1102-1110”公开了与探测器或成像FPA混合结合的可调法布里-珀罗腔。
发明内容
本发明的一方面是提供新的晶片级集成悬挂式热探测器结构。本发明包括根据独立权利要求的晶片级集成悬挂式热探测器，探测器阵列和预制中间产品。在从属权利要求中公开了本发明的优选实施例。
本发明的一方面是晶片级集成热探测器，包括：
键合在一起的第一晶片和第二晶片，其中所述第一晶片包括电介质的基板或半导体的基板，沉积在所述基板上晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层，沉积在电介质的所述牺牲层或半导体的牺牲层或所述基板上的支撑层，设置在所述支撑层开口内的悬挂式有源元件，
在所述悬挂式有源元件的对侧设有第一真空密封腔和第二真空密封腔，其中所述第一真空密封腔在所述悬挂式有源元件的位置延伸到所述牺牲层中，所述第二真空密封密封腔包括所述支撑层的开口，所述开口由键合的第二晶片封闭，
前部光学器件，所述前部光学器件作为外部辐射进入所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔其中之一的入口，
后部反射器，所述后部反射器布置成将辐射反射回所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的另一个，以及
用于将所述悬挂式有源元件连接到读出电路的电连接。
在所述热探测器的实施例中，使用熔融激活键合法，等离子体激活键合法，热压键合法或其他基于金属的晶片键合法来键合所述第一晶片和所述第二晶片。
在所述热探测器的实施例中，将所述电连接配置为与第三晶片上集成的读出电路连接，优选地这种连接通过热压键合法，其他基于金属的键合法或芯片键合法实现。
在所述热探测器的实施例中，所述前部光学器件包括：透明基板，基板上的窗口，抗反射涂层，透镜，滤光器，前部镜，可控移动前部镜，法布里-珀罗干涉仪，可调法布里-珀罗干涉仪中的一个或多个。
在所述热探测器的实施例中，所述后部反射器包括：后反射镜，金属后反射镜，分布式布拉格反射器，可控移动后反射镜，法布里-珀罗干涉仪，可调法布里-珀罗干涉仪中的一个或多个。
在所述热探测器的实施例中，所述后部反射器设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的内侧，或者在透明基板或窗口之后的所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的外侧，或在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个提供的开口中。
在所述热探测器的实施例中，所述支撑层还包括在所述开口的外围上的薄肩部，用于与所述悬挂式有源元件机械连接和电连接，并且优选地所述薄肩部偏移所述第一晶片的键合表面。
在所述热探测器的实施例中，所述后部反射器设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的内侧，或者在透明基板或窗口之后的所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的外侧，或在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个提供的一个开口中。
在所述热探测器的实施例中，所述热探测器还包括法布里-珀罗干涉仪的可移动反射器，所述可移动反射器设在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔其中之一内，其中在所述可移动反射器的两侧上存在真空空间。
在所述热探测器的实施例中，法布里-珀罗干涉仪的固定反射器和法布里-珀罗干涉仪的所述可移动反射器都布置在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的同一腔中，法布里-珀罗干涉仪的所述固定反射器和法布里-珀罗干涉仪的所述可移动反射器位于所述悬挂式有源元件的前侧。
在所述热探测器的实施例中，将所述可移动反射器布置在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的一个中，所述可移动反射器位于所述悬挂式有源元件的后侧。
在所述热探测器的实施例中，将所述可移动反射器配置为用作所述后部反射器。
在所述热探测器的实施例中，法布里-珀罗干涉仪的固定反射器布置在所述悬挂式有源元件的前侧。
在所述热探测器的实施例中，所述热探测器还包括支撑结构，所述支撑结构用于在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的一个内机械支撑所述可移动反射器。
在所述热探测器的实施例中，所述热探测器还包括电连接，所述电连接用于将所述可移动反射器与驱动控制器连接，以调节所述法布里-珀罗干涉仪。
在所述热探测器的实施例中，所述可移动反射器的所述电连接包括一对静电驱动电极。
在所述热探测器的实施例中，将所述热探测器配置为吸收以下波长范围的电磁辐射中的一种：紫外(UV)光，可见光，红外(IR)光，太赫兹(THz)辐射和X射线。
本发明一方面是集成热探测器阵列，包括多个根据任一实施例的热探测器。
本发明一方面是预制中间产品，所述预制中间产品用于制造任一实施例中的集成热探测器或任一实施例中的集成热探测器阵列，包括所述第一晶片，预制所述第一晶片以包括所述基板，所述悬挂式有源器件，所述支撑层和支撑所述悬挂式有源器件的电介质的所述牺牲层。
在预制中间产品的实施例中，还预制所述第一晶片以在所述第一晶片的内侧上包括法布里-珀罗干涉仪，法布里-珀罗干涉仪的固定反射器或法布里-珀罗干涉仪的可移动反射器。
本发明一方面是预制中间产品，所述预制中间产品用于制造任一实施例中的集成热探测器或任一实施例中的集成热探测器阵列，包括所述第二晶片，预制所述第二晶片以在所述第二晶片的内侧上包括电介质的基板或半导体的基板，和法布里-珀罗干涉仪的可移动反射器。
附图说明
在下文中，将通过示例性实施例并参考附图来更详细地描述本发明，其中，
图1示出了示例性常规悬挂式探测器的示意图。
图2A和2B示出了根据本发明一方面的示例性悬挂式探测器的示意图。
图3A，3B和3C示出了根据本发明一方面的示例性悬挂式探测器阵列的示意图。
图4A，图4B，图4C，图4D，图4E和图4F示出了根据本发明一方面可以在的热探测器或热探测器阵列中提供的前部光学器件的示例。
图5A，5B，5C和5D示出了实现与第一晶片W1中的悬挂式有源热敏元件的电连接的示例。
图6A，6B和6C示出了根据本发明一方面使用熔融激活晶片键合法或等离子体激活晶片键合法提供的示例性悬挂式探测器(晶片级集成热探测器20)的示意图。
图7示出了示例性悬挂式探测器的示意图，所述探测器具有位于第二晶片W2背面上的后部反射器112。
图8A，8B和8C示出了示例性悬挂式探测器的示意图，其中所述后部反射器作为分布式布拉格反射器(DBR)。
图9A，9B和9C示出了根据本发明一方面使用热压晶片键合法提供的示例性悬挂式探测器20的示意图。
图10示出了根据本发明一方面使用热压晶片键合法得到的另一示例性悬挂式探测器20的示意图。
图11示出了示例性悬挂式探测器阵列的示意图，所述悬挂式探测器阵列包括根据本发明一方面使用热压晶片键合法得到的多个热探测器。
图12示出了示例性悬挂式探测器阵列的示意图，所述悬挂式探测器阵列包括根据本发明一方面使用热压晶片键合法得到的多个热探测器。
图13A和13B示出了根据本发明一方面使用熔融激活晶片键合法或等离子体激活晶片键合法提供的示例性悬挂式探测器20的示意图。
图14A和图14B示出了根据本发明一方面的示例性晶片级集成热探测器20的示意图，所述热探测器具有在真空中提供的法布里-珀罗干涉仪(FPI)的可移动反射器。
图15示出了根据图14B的一方面使用熔融激活晶片键合法或等离子体激活晶片键合法得到的示例性悬挂式探测器20的更详细示意图。以及
图16示出了根据图14B的一方面使用热压晶片键合法得到的示例性悬挂式探测器20的更详细示意图。
具体实施方式
应当理解，本文呈现的示意图可能未示出探测器中可能存在的各种可选的，替代的和优选的特征和细节，例如电绝缘层，真空密封层，保护层，抗反射层，粘结层等。在下面进一步的不同实施例中给出了这些特征的示例。之前提到的Tuohiniemi的“Silicon-basedsurface micromachined interferometers for infrared wavelengths”和Suni的“Direct wafer bonding for MEMS and microelectronics”中给出了用于在电介质的或半导体的基板上制造MEMS设备以及进行晶片键合的详细制造过程和材料的示例，上述出版物在此引用作为参考。本发明的实施例可适用于宽范围的波长，包括紫外(UV)光，可见光，红外(IR)光，太赫兹(THz)辐射和X射线。电介质基板材料的示例包括氧化硅(SiO2)和氧化铝(Al2O3)。SiO2或Al2O3尤其适用于小于4μm的波长。半导体的基板材料的示例是单晶硅或多晶硅，锗(Ge)以及复合半导体，例如CdTe，ZnSe和ZnS，多晶硅又称为聚合硅或聚硅。本发明的实施例可以适用于任何类型的悬挂式有源热敏元件，例如热电元件，电阻式热敏元件或基于有源半导体元件的热敏元件，其中使用依赖温度的电学特性(例如电流-电压曲线)来感测温度。图2A和2B示出了示例性悬挂式探测器的示意图，示出了根据本发明中一方面的一些基本原理。晶片级集成热探测器20包括键合在一起的第一晶片W1和第二晶片W2。所述第一晶片W1包括第一基板100，晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102，所述牺牲层沉积在所述电介质的或半导体的第一基板100上，电介质的或半导体的支撑层104，所述支撑层沉积在电介质的所述牺牲层102上或环绕局部图案化的电介质的牺牲层102沉积在所述第一基板100上，悬挂式有源热敏元件108，所述悬挂式有源热敏元件108设置在所述支撑层104中的开口(凹槽)106内。如图2A中示意性示出的，所述悬挂式热敏元件108最初可以位于晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102上，所述牺牲层在制造过程中支撑并保护所述悬挂式有源热敏元件108。所述第二晶片W2可以包括后部反射器112，所述后部反射器112设置为将光反射回所述悬挂式热敏元件108。
在本发明的实施例中，所述第一晶片W1和所述第二晶片W2中的至少一个可以包括预制的中间产品。
根据本发明的实施例，所述第一晶片W1可以包括预制的中间产品，所述中间产品至少包括电介质的或半导体的第一基板100，至少局部沉积在所述第一基板100上的电介质的牺牲层102，以及在电介质的所述牺牲层上的悬挂式有源热敏元件108，优选地还包括电介质的或半导体的支撑层104。
在本发明的实施例中，所述第一晶片W1可以包括预制的中间产品，以进一步包括合适的前部光学器件120，以使辐射从外部进入所述悬挂式有源热敏元件108。
在本发明的实施例中，所述第二晶片W2可以包括预制的中间产品，所述中间产品至少包括后部反射器112。
如图2B中示意性示出的，可以将所述牺牲层102设计为从所述悬挂式有源元件108的位置处移除，以在完整的晶片级制造过程结束之前释放所述有源元件108。第一真空密封腔110延伸设置在所述牺牲层102中，优选地，所述第一真空密封腔完全或至少部分设置在电介质的所述牺牲层102从所述悬挂式有源元件108的位置处移除的部分上。第二真空密封腔设置在所述悬挂式有源热敏元件108的相对的背面上，例如设置在所述支撑层104的开口中，所述开口由键合的所述第二晶片W2封闭。所述前部光学器件120设置为将来自外部的辐射传递到所述第一真空密封腔110中。所述后部反射器112设置为将光反射到所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)中。
此外，可以提供电连接114以将所述悬挂式有源元件108连接到外部电路，例如读出集成电路(ROIC)或其他类型的读出装置。在图2A和2B所示的示例中，探测器芯片(晶片级集成式热探测器20)安装在ROIC的顶部并与ROIC连接。
图3A，3B和3C示出了示例性的悬挂式探测器阵列的示意图，示出了根据本发明一方面中的一些基本原理。所述探测器阵列可以认为包括多个热探测器，例如根据图2A和2B所示的本发明一方面的探测器。因此，晶片级集成热探测器阵列芯片200包括键合在一起的第一晶片W1和第二晶片W2。所述阵列(阵列芯片200)可以是一维阵列或二维的M×N阵列，其中M和N是正整数。所述第一晶片W1包括电介质的或半导体的第一基板100，沉积在所述第一基板100上的晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102，沉积在电介质的所述牺牲层102上或所述第一基板100上的电介质的或半导体的支撑层104，悬挂式有源热敏元件108的M×N阵列，所述悬挂式有源热敏元件108的M×N阵列由在所述支撑层104中对应的开口(凹槽)106的的M×N阵列提供。所述第二晶片W2可以包括设置为将光反射回到所述悬挂式热敏元件108的后部反射器112。
在本发明的实施例中，所述第一晶片W1和所述第二晶片W2中的至少一个可以包括预制的中间产品。
根据本发明的实施例，所述第一晶片W1包括预制的中间产品，所述中间产品至少包括电介质的或半导体的第一基板100，沉积在所述第一基板100上的晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102以及在电介质的所述牺牲层上的悬挂式有源热敏元件108的MxN阵列，优选地还包括电介质的或半导体的支撑层104。
在本发明的实施例中，所述第一晶片W1可以包括中间产品，预制所述中间产品以进一步包括合适的前部光学器件120，以使辐射从外部进入所述悬挂式有源热敏元件108。
在本发明的实施例中，所述第二晶片W2可以包括中间产品，预制所述中间产品以进一步包括后部反射器112的一维阵列或二维M×N阵列。
如图3A中示意性示出的，每个悬挂式热敏元件108最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层102的顶部，该所述牺牲层在制造过程期间支撑并保护所述悬挂式热敏元件108。如图3B中示意性示出的，所述牺牲层102可以设置为在完整的晶片级制造工艺结束之前从M×N的所述悬挂式有源元件108的位置处移除，以释放所述有源元件108。还可以提供第一真空密封腔110在所述牺牲层102中延伸，优选地，所述第一真空密封腔110完全或部分地限定在所述牺牲层102从每个所述悬挂式有源元件108的位置移开的部分中。如图3B所示，可以提供形成一维阵列或二维M×N阵列的第一真空密封腔110，并通过所述牺牲层102的中间剩余部分将彼此分隔，或者通过沉积在所述基板上的所述支撑层104分隔。可替代地，如图3C所示，可以将牺牲层102设置为从整个所述悬挂式有源元件108的阵列上移除，使得所述第一真空密封腔110彼此不分隔，而是彼此连接以形成宽真空密封腔210。第二真空密封腔可以设置在每个悬挂式有源热敏元件108的对侧，例如设置在所述支撑层104的所述开口(凹槽)106中，所述开口由键合的所述第二晶片W2封闭。从而提供形成一维阵列或二维M×N阵列的第二真空密封腔(开口(凹槽)106)。所述第一晶片W1还可以设置有合适的前部光学器件120，以用于使辐射从外部进入到各第一真空密封腔110中。一维阵列或二维M×N阵列的后部反射器112可以设置为将光反射回各第二真空密封腔(开口(凹槽)106)。
而且，可以提供电连接114以将每个悬挂式有源元件108分别与外部电路连接，例如与读出集成电路(ROIC)或其他类型的读出装置连接。在图3A，3B和3C所示的示例中，所述探测器阵列芯片200安装在ROIC的顶部并连接到ROIC。
如在图4A，4B，4C，4D，4E和4F中，示出了可以在本发明任何方面的热探测器或热探测器阵列中提供的前部光学器件120的示例。应当理解，这些示意性表示可能未示出在前部光学器件的各种应用中可能存在的各种可选的，替代的和优选的特征和细节。在各示例中，示出了用于两个热探测器的阵列的前部光学器件，但是本发明任何方面和实施例，类似的前部光学器件可以应用于任何热探测器阵列或单个热探测器。
在实施例中，前光学器件120可包括在所述第一晶片W1的前表面上的抗反射涂层，以减少反射。在图4A中，示出了具有单膜400的示例性抗反射涂层。在图4B中，示出了具有堆叠的多层膜(第一层膜402、第二层膜404和第三层膜406)的示例性抗反射涂层。所述堆叠的多层膜可以包括折射率相反的交替层(低折射率材料和高折射率材料)，使得堆叠的电介质膜或层可以形成分布式布拉格反射器DBR。各膜或层的厚度优选地是目标波长λ的四分之一。用于IR波长的合适材料的示例包括Si，Ge，CdTe，ZnSe和ZnS。所述抗反射涂层可以在预制过程或制造过程中的合适阶段沉积在所述第一晶片W1的前表面上。
在实施例中，前部光学器件120包括在所述第一晶片W1的前表面上的抗反射结构以减少反射。如图4C所示，抗反射结构的一个例子是多空气分布式布拉格反射器，多空气分布式布拉格反射器具有多层结构，所述多层结构包括交替的多晶硅层(第一多晶硅层410、第二多晶硅层414)和气隙(第一气隙412、第二气隙416)。
如图4D中示意性示出的，在实施例中，前部光学器件120可以包括至少一个微透镜420，所述微透镜设置为将辐射聚焦并聚集到所述悬挂式有源元件108上。还有单元件透镜或微透镜阵列(也称为微型透镜阵列或小透镜阵列)。微透镜阵列包含以多个透镜形成的一维阵列或二维阵列。在预制过程或制造过程合适阶段，微透镜可以生长或设置在所述第一晶片W1的前表面上。
在实施例中，前部光学器件120可包括至少一个光栅，例如在预制或制造过程的适当阶段，在所述第一晶片W1的前表面上设置凹槽形或其他压纹的图案。
在实施例中，如图4E中示意性示出的，前部光学器件120可以包括至少一个菲涅尔微透镜，所述菲涅尔微透镜设置为将辐射聚焦并聚集到所述悬挂式有源元件108上。菲涅耳微透镜可以由许多分开的环形区域(第一环形区域30、第二环形区域32、第三环形区域34、第四环形区域36和第五环形区域38)构成，每个区域具有平滑的轮廓。可以在预制过程或制造过程的合适阶段，在所述第一晶片W1的前表面上提供光栅(例如，凹槽形或其他压纹的图案)，预制的单元件透镜或微透镜阵列来实现菲涅尔微透镜。
如图4F所示，在实施例中前部光学器件120可包括至少一个法布里-珀罗干涉仪。法布里-珀罗干涉仪(FPI)是在光频率下用于电磁辐射的带通滤波器，所述法布里-珀罗干涉仪会产生狭窄的通带，称为透射峰。该操作基于两个面对面且平行的反射器(镜)(第一反射器(镜)450和第二反射器(镜)452)之间的光学干涉，所述反射器(镜)通常是平板且位于中间腔454中，所述中间腔454形成光学一维谐振器。出射信号，即传输信号，在共振波长即透射波长处漏出，即在透射波长中，透射峰的光谱沿入射信号的初始方向传播。为了耦合入射信号并出射透射信号，所述反射器(镜)可以是半透明反射器，所述半透明反射器不具有100％的反射率，但具有有限的透射率。透射峰或透射波长的主要设计因素是面对面的所述反射器之间的间距或间隙。在实施例中，提供了具有可调法布里-珀罗干涉仪的前部光学器件，其中平行的反射器(镜)之一是可移动的，以调谐透射峰的光谱位置。
图5A，5B，5C和5D示意性地示出了实现从所述第一晶片W1中的所述悬挂式有源热敏元件108到外部电路(例如读出集成电路(ROIC)或其他类型的读出装置)的电连接114的示例。
在实施例中，所述支撑层104可以由导电材料或半导体材料制成，例如金属或多晶硅，也称为聚合硅或聚硅。因此，可以通过所述支撑层104实现所述第一晶片W1中的电连接114，而不需要单独的布线。然后可以将所述第一晶片W1的所述支撑层104连接至所述第二晶片W2上的电连接或诸如ROIC的外部电路。
在图5A中，第一晶片W1可以包括前部光学器件120(例如抗反射层)，电介质的或半导体的第一基板100，沉积在所述第一基板100上的晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102以及沉积在电介质的所述牺牲层102或所述第一基板100上的电介质的或半导体的支撑层104，设置在所述支撑层104的开口(凹槽)106内的悬挂式有源热敏元件108。所述支撑层104可以由导电材料或半导体材料制成，例如聚硅。所述支撑层104可进一步包括在所述开口(凹槽)106外围上的薄肩部104a，所述薄肩部104a用于所述悬挂式有源元件108的机械连接和电连接。因此，特别是当所述第一晶片W1和所述第二晶片W2是通过熔融激活的晶片键合或等离子体激活的晶片键合时，所述薄肩部104a和所述支撑层104将提供从所述悬挂式有源热敏元件108到所述第二晶片W2的电连接114。在实施例中，所述薄肩部104a可以优选地偏移所述第一晶片W1的内表面，更优选地，所述支撑层104可以在所述开口(凹槽)106的底部沉积在所述牺牲层102上。偏移的所述薄肩部104a允许所述悬挂式元件108与所述支撑层104的机械连接和电气连接，而不会损害所述第一晶片W1的内侧光滑度，从而不会损害晶片与所述第二晶片W2的键合质量。
在图5B中，所述悬挂式有源热敏元件108的外径可以等于所述开口(凹槽)106的直径，使得所述悬挂式有源热敏元件108可以直接连接至所述支撑层104。所述支撑层104可以是由导电材料或半导体材料制成，例如聚硅。因此，特别是当所述第一晶片W1和所述第二晶片W2是熔融激活的晶片键合或等离子体激活的晶片键合时，支撑层104将提供从所述悬挂式有源热敏元件108到所述第二晶片W2的电连接114。
图5C示出了与图5A所示的第一晶片W1相似的第一晶片W1，还包括一导电层或接线502，所述导电层或接线502设置为从所述薄肩部104a的内表面延伸到所述悬挂式有源热敏元件108的内表面。所述导电层或接线502可以由任何导电材料制成，例如金属或其他导电材料，比如聚硅。可以在不将导电材料沉积在所述开口(凹槽)106的内表面或所述第一晶片W1的内侧的情况下，实现所述悬挂式元件108到所述支撑层104的机械连接和电连接。因此，可以不损害所述第一晶片W1的内侧光滑度，从而不损害晶片与所述第二晶片W2的键合质量。
图5D示出了与图5B所示的第一晶片W1相似的第一晶片W1，还包括一导电层或接线，设置为从所述薄肩部104a的内表面延伸到所述悬挂式有源热敏元件108的内表面。所述导电层或接线可以由任何导电材料制成，例如金属或其他导电材料，比如聚硅。可以在不将材料沉积在所述第一晶片W1内侧的情况下实现所述悬挂式元件108到所述支撑层104的机械连接和电连接。因此，可以不损害所述第一晶片W1的内侧光滑度，从而不损害晶片与所述第二晶片W2的键合质量。然而，与图5所示的实施例相比，控制导电层沉积以使所述第一晶片W1的内表面不受影响是更具挑战性的。
在本发明的实施例中，所述第一晶片W1和所述第二晶片W2可以使用熔融激活键合法或等离子体激活键合法或热压键合法或其他基于金属的键合法来键合。
在本发明的实施例中，电连接114可以连接至读出集成电路ROIC 118，优选地所述读出集成电路ROIC设在第三晶片上，优选地通过热压键合法或其他基于金属的键合法或芯片键合法实现连接。
图6A，6B和6C示出了根据本发明一方面使用熔融激活晶片键合法或等离子体激活晶片键合法提供的示例性的悬挂式探测器20的示意图。
在图6A中，第一晶片W1和第二晶片W2被附接并键合在一起。所述第一晶片W1包括电介质的或半导体的第一基板100，沉积在所述第一基板100内侧的晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102，沉积在电介质的所述牺牲层102内侧或所述第一基板100上的电介质的或半导体的支撑层104，设置在所述支撑层104的开口(凹槽)106内的悬挂式有源热敏元件108。如图6A中示意性所示，所述悬挂式热敏元件108可以最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层102上，所述牺牲层在制造过程中支撑并保护所述悬挂式热敏元件108。所述第二晶片W2可以包括电介质的或半导体的第二基板116，设置在所述第二基板116内侧的后部反射器112。可选地，在所述第二基板116的内侧，在所述后部反射器112以外设有电介质的第二牺牲层601。所述第二牺牲层601可以用来促进或改善随后的熔融工艺，和/或在所述第一晶片W1和所述第二W2之间提供电绝缘。可替代地，可以在所述第一晶片W1上的支撑层104内侧设置对应的牺牲层，以代替或附加所述第二晶片W2上的所述第二牺牲层601。
在本发明的实施例中，所述支撑层104还包括设在所述开口(凹槽)106外围上的薄肩部104a，所述薄肩部104a用于所述悬挂式有源元件108的机械连接和可选的电连接。优选地，所述薄肩部104a偏移所述第一晶片W1的内表面，更优选地，所述薄肩部104a在所述开口(凹槽)106的底部沉积在所述牺牲层102上。
在本发明的实施例中，所述支撑层104由导电材料或半导体材料制成，使得无需单独接线，包括所述薄肩部104a的所述支撑层104就可以提供与所述悬挂式元件108的机械连接和电连接。在本发明的实施例中，在所述支撑层104中蚀刻或保留一个或多个沟槽600，以在所述支撑层104上环绕所述悬挂式元件108提供电隔离的局部区域。
如图6A中的箭头所示，然后可以使用熔融晶片键合法或等离子体激活晶片键合法将所述第一晶片W1和所述第二晶片W2键合在一起。在所示的示例中，所述第一晶片W1的内侧或表面和所述第二晶片W2的内侧或表面键合在一起以形成如图4B所示的探测器芯片20。所述支撑层104的内表面可以与所述第二牺牲层601的内表面键合。
所述牺牲层102可以至少从所述悬挂式有源元件108的位置处移除，以在完整的晶片级制造工艺结束之前(例如下面描述的沉积真空密封层605之前)，释放所述有源元件108。第一真空密封腔110和第二真空密封腔(开口(凹槽)106)可以穿过或绕过所述悬挂式有源元件108实现流体连通。由此，可以从探测器芯片的背面蚀刻牺牲层102，并且通过一项工艺释放所述有源元件108并形成所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)。在所述第二晶片W2的背面蚀刻释放孔，以释放所述有源元件108的蚀刻。
在本发明的实施例中，所述电连接114包括基板通孔(TSV)606，所述基板通孔从所述第二基板116的外表面蚀刻延伸到所述第二牺牲层601的内表面。优选地，所述基板通孔605在整个基板通孔的长度上具有基本恒定的直径。当需要高分辨率时，TSV的直径必须很小。基板通孔的直径与长度之比最好约为1∶10，这意味着所述第二基板116也必须非常薄。处理所述第二晶片W2时，在晶片键合之前需要所述第二基板116更厚，并且在晶片键合之后对所述第二基板116进行薄化以获得小像素(高分辨率)应用所需的小厚度。
在实施例中，所述基板通孔606可以填充导电材料，例如将导电材料沉积在所述基板通孔上，以提供与导电的支撑层104的电连接或与设置在所述支撑层104中的电线的电连接。此外，导电层607可沉积在所述第二晶片W2的外侧或后侧。此外，真空密封层605可以沉积在所述第二晶片W2的外侧或背侧，例如沉积在所述导电层607上。例如所述真空密封层605可以局部沉积以密封所述释放孔。
在本发明的实施例中，在所述第二晶片W2中第三沟槽604从背面蚀刻到所述第二牺牲层601，以将所述第二晶片W2的连接区域(例如基板通孔606)与所述第二晶片W2的其余部分电隔离。
在本发明的实施例中，在所述第二晶片W2中第二沟槽602从背面或所述真空密封层105处蚀刻到所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)，以将所述第二晶片W2的各连接区域(例如基板通孔)彼此之间的电隔离，和/或将所述第二晶片W2的各连接区域(例如基板通孔)与所述第二基板116支撑所述后部反射器112的部分电隔离。
在本发明的实施例中，在导电的所述第三层膜406以及可选地真空密封导电层(导电层607)中，通过例如蚀刻的方式提供第四沟槽608，以提供所述第二晶片W2的各连接区域(例如所述基板通孔606)彼此的电隔离。
在本发明的实施例中，所述探测器芯片20可以倒装芯片与读出集成电路ROIC118键合。在图6C的示例中，具有种子层的倒装芯片键合凸点610设置在所述第二晶片W2的连接区域(基板通孔606，导电层607)与读出集成电路118之间。
在实施例中，例如如图7所示，所述后部反射器112可以位于所述第二晶片W2的背面。除了所述后部反射器112的放置不同，图6C和图7中的悬挂式探测器20与彼此具有类似的结构。
在本文所示的示例中，所述后部反射器112为后部反射镜。然而，应当理解，所述后部反射器112可以以各种不同的结构来实现。后部反射器的示例可以包括以下中的一个或多个：后部反射镜，金属后部反射镜，分布式布拉格反射器，可控移动后部反射镜，法布里-珀罗干涉仪，可调法布里-珀罗干涉仪。
后部反射镜可以由多种材料或其组合制成。例如，后部反射镜可以是金属后部反射镜。例如，金属反射镜可以由氮化钛(TiN)，铝(Al)，银(Ag)，钨(W)，钛(Ti)，钛钨(TiW)或钼(Mo)制成。所述金属反射镜可以由诸如氧化铝Al2O3，氧化硅SiO2或硝酸硅SiNx的保护层保护。后部反射镜也可以由重掺杂的半导体材料制成，例如单晶或多晶硅。
图8A，8B和8C示出了示例性悬挂式探测器的示意图，示出了根据本发明一方面的一些基本原理，其中第二后部反射器812为分布式布拉格反射器DBR。
图8A，8B和8C所示的第一晶片W1类似于图6A，6B和6C所示的第一晶片W1。在图8A-8C的示例中，电介质的第二牺牲层601沉积在所述第一晶片W1上的支撑层104的内侧而不是沉积在所述第二基板116的内侧。电介质的所述第二牺牲层601也可以初始沿着所述开口(凹槽)106的内表面延伸到所述悬挂式热敏元件108。
除了所述后部反射器的类型不同，图8A，8B和8C所示的第二晶片W2类似于图6A，6B和6C所示的第二晶片W2。所述DBR(第二后部反射器812)可以设置在所述基板的凹部800中，以在所述第一晶片W1和所述第二晶片W2键合在一起时为所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)确保足够的空间。
分布式布拉格反射器DBR(第二后部反射器812)可以包含堆叠的折射率相反的交替层(低折射率材料和高折射率材料)。优选地各膜或层的厚度是目标波长λ的四分之一。用于IR波长的合适材料的示例包括Si，Ge，CdTe，ZnSe和ZnS。所述DBR(第二后部反射器)812可以在预制过程或制造过程中的适当的阶段沉积在所述第二晶片W2的内表面。
在图8A-8C所示的示例性实施例中，所述后部反射器是具有多层结构的多空气分布布拉格反射器(第二后部反射器812)，所述多层结构为交替的聚硅层805和气隙804。最初，如图8A和8B所示，所述DBR(第二后部反射器812)可以包括交替的聚硅层805和第三牺牲层802。所述第三牺牲层802在制造过程中支撑并保护布拉格反射器结构。在完整的晶片级制造过程结束之前，例如在沉积真空密封层605之前，移除所述第三牺牲层802，以释放多空气分布式布拉格反射器(第二后部反射器812)。所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)可以穿过或绕过所述悬挂式有源元件108进行流体连通。由此，可以从探测器芯片的背面蚀刻所述牺牲层102，并且通过一项工艺完成释放所述有源元件108，释放多空气分布式布拉格反射器(第二后部反射器812)以及形成所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)。如果所述第三牺牲层601有部分延伸到所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)的部分，也可以同时移除这部分。可以在所述第二晶片W2的背面蚀刻释放孔，以释放所述有源元件108和所述布拉格反射器(第二后部反射器812)的蚀刻。
在本发明的实施例中，所述电连接114包括基板通孔(TSV)606，所述基板通孔从所述第二基板116的外表面蚀刻延伸到所述支撑层104的内表面。在实施例中，所述基板通孔606可以充满导电材料，例如将导电材料沉积在所述基板通孔上，以提供与导电的支撑层104的电连接或与设置在所述支撑层104内的电线的电连接。此外，可以在所述第二晶片W2的外侧或后侧沉积导电层607。此外，真空密封层605可以沉积在所述第二晶片W2的外侧或背面上，例如沉积在所述导电层607上。例如所述真空密封层605可以局部沉积以密封所述释放孔。可以在所述第二晶片W2的背面刻蚀一个或多个沟槽(第二沟槽602、第三沟槽604和第四沟槽608)，以在所述第二晶片W2的连接区域(例如基板通孔606)与所述第二晶片W2的其余部分之间提供电隔离，在所述第二晶片W2的各连接区域(例如基板通孔606)之间提供电隔离，和/或在所述第二晶片W2的连接区域(例如基板通孔606)与所述第二后部反射器812之间提供电隔离。所述探测器芯片20可以倒装芯片与读出集成电路118相连。在图80C的示例中，具有种子层的倒装芯片键合凸点610设置在所述第二晶片W2的连接区域(基板通孔606、导电层607)和读出集成电路118之间。
图9A，9B和9C示出了使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法提供根据本发明一方面的示例性悬挂式探测器20的示意图。热压键合法是一种晶片键合技术，其中在要键合的晶片表面上有两种特定材料(通常是金属)，在两种特定材料上同时施加力和热量以达到原子接触。由于原子运动，扩散需要表面之间的原子接触。原子根据晶格振动从一个晶格迁移到另一个晶格。这种原子相互作用将界面粘合在一起。用于热压键合法的合适材料示例包括金/金(Au/Au)，铜/铜(Cu/Cu)，铝/铝(Al/Al)，银/硅(Au/Si)，和铜/锡(Cu/Sn)。在银/硅(Au/Si)键合中，硅材料可以是硅基板或聚硅基板本身。
所述第一晶片W1可以包括电介质的或半导体的第一基板100，沉积在所述第一基板100内侧的晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102，沉积在电介质的所述牺牲层102内侧或所述第一基板上的电介质的或半导体的支撑层104，设置在所述支撑层104的开口(凹槽)106内的悬挂式有源热敏元件108。如图9A中示意性地示出，所述悬挂式热敏元件108可以最初位于所述牺牲层102的顶部，所述牺牲层在制造过程中支撑并保护所述悬挂式热敏元件108。
所述第二晶片W2可以包括电介质的或半导体的第二基板116，设置在所述第二基板116内侧的后部反射器112，以及沉积在所述第二基板116内侧的绝缘层901(例如SiO2)。所述绝缘层901可以在所述第一晶片W1和所述第二晶片W2之间提供电绝缘。可替代地，在所述第一晶片W1上的支撑层104内侧上设置有绝缘层，以代替或添加所述第二晶片W2上的所述绝缘层901。可替代地，可以通过适当定位的沟槽或沟槽与绝缘层的组合来实现电绝缘。
可以在所述第一晶片W1的内表面上设置第一键合材料的图案化键合材料层，并且可以在所述第一晶片W1的内表面上设置对应的第二键合材料的图案化键合材料层。例如，可以在所述第一晶片W1的内表面上设置第一批金属键合凸点或焊盘或引线(第一晶片第一凸点902A，第一晶片第二凸点903A)，并且可以在所述第二晶片W2的内表面上设置匹配的第二批金属接合凸点或焊盘或引线(第二晶片第一凸点902B，第二晶片第二凸点903B)。在图9A-9C所示的示例实施例中的图案化键合材料层具有不同的材料，但是键合材料层可以具有相同的材料。上面给出了合适的键合材料对的例子。
在本发明的实施例中，所述支撑层104还包括在所述开口(凹槽)106外围的薄肩部104a，所述薄肩部用于所述悬挂式有源元件108的机械连接和可选的电连接。优选地所述薄肩部104a可以偏移所述第一晶片W1的内表面，更优选地，所述薄肩部104a可以在所述开口(凹槽)106的底部沉积在所述牺牲层102上。
在本发明的实施例中，所述支撑层104可以由导电材料制成，从而包括所述薄肩部104a的所述支撑层104可以在不需要单独布线的情况下提供与所述悬挂式元件108的机械连接和电连接。在本发明的实施例中，在所述支撑层104中蚀刻或保留一个或多个沟槽600，以在所述支撑层104上环绕所述悬挂式元件108提供电隔离的局部区域。
如图9A中的箭头所示，然后可以使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法将所述第一晶片W1和所述第二晶片W2键合在一起。在所示的示例中，所述第一晶片W1的内测或表面和所述第二晶片W2的内侧或表面键合在一起以形成如图9B所示的探测器芯片20。所述第一晶片W1内表面上的图案化金属键合层，例如金属键合凸点或焊盘或引线(第一晶片第一凸点902A、第一晶片第二凸点903A)可以与所述第二晶片W2内表面上对应的共同入射的金属键合凸点或焊盘或引线(第二晶片第一凸点902B，第二晶片第二凸点903B)。
所述牺牲层102可以至少从所述悬挂式有源元件108的位置处移除，以在完整的晶片级制造工艺结束之前(例如在沉积真空密封层605之前)，释放所述有源元件108。所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)可以穿过或绕过所述悬挂式有源元件108进行流体连通。从而可以从所述探测器芯片的背面蚀刻所述牺牲层102，并通过一项工艺完成释放所述有源元件108和形成所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)。可以将释放孔(例如释放孔909)蚀刻到所述第二晶片W2的背面，以释放所述有源元件108的蚀刻。
在本发明的实施例中，所述电连接114包括第二基板通孔(TSV)906，所述第二基板通孔从所述第二基板116的外表面蚀刻延伸到所述绝缘层901的内表面，以接触金属键合凸点(第二晶片第一凸点902B)。
在实施例中，绝缘涂层沉积在所述第二基板通孔906(TSV)上。在实施例中，第二绝缘层908可以沉积在所述第二基板116的背面上。
在实施例中，可以在所述第二基板通孔906内填充导电材料，例如沉积导电材料，以提供与所述图案化键合金属层的电连接，例如与接合金属凸块(第二晶片第一凸点902B)电连接，从而与导电的支撑层104电连接或与所述支撑层104中提供的电线电连接。此外，可以将第二导电层907沉积在所述第二晶片W2的外侧或后侧，优选地，将所述第二导电层沉积在所述第二绝缘层908上。此外，真空密封层605可以沉积在所述第二晶片W2的外侧或后侧，例如沉积在所述导电层607上。所述真空密封层605可以局部沉积，以密封所述释放孔，例如释放孔909。
在本发明的实施例中，所述探测器芯片20可以倒装芯片以与读出集成电路118键合。在图9C的示例中，具有种子层的倒装芯片键合凸点610设置在所属第二晶片W2的连接区域(第二基板通孔906，第二导电层907)和所述读出集成电路118之间。
在实施例中，例如以与图7所示类似的方式，在使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法的实施例中，所述后部反射器112也可以设置在所述第二晶片W2的背面。除了所述后部反射器112的设置不同，这种探测器芯片20与图9A-9C中所示的探测器芯片相似。
在实施例中，例如以与图8A-8C所示的分布式布拉格反射器类似的方式，在使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法的实施例中，所述后部反射器也可以由分布式布拉格反射器来实现，。除了所述后部反射器的类型不同，这种探测器芯片20与图9A-9C中所示的探测器芯片相似。
应当理解，示意性表示可能未示出探测器中可能存在的各种可选的，替代的和优选的特征和细节，例如电绝缘层，真空密封层，保护层，抗反射层，粘结层等。
图10示出了根据本发明一方面使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法提供的另一示例性悬挂式探测器20的示意图。这种示例性探测器与图9C中所示的探测器类似，但有一些修改。可以在所述第一晶片W1的前表面上设置前部光学器件120以减少反射，所述前部光学器件包括具有单膜400的抗反射涂层，并且可以在所述第一基板100的对侧和所述第一真空密封腔110之间设置晶片宽或局部图案化的抗反射涂层1001，以进一步减少反射。此外，所述支撑层104现在可以是导电膜或半导体膜的形式，所述导电膜或半导体膜的厚度约等于或者甚至小于所述悬挂式有源元件108的厚度。由图案化键合材料层限定，例如由金属键合凸点，焊盘或引线(第一晶片第一凸点902A和第二晶片第一凸点902B)限定真空室1002，所述真空室1002设置在所述悬挂式有源元件108与所述后部反射器108之间。
图11示出了示例性的悬挂式探测器阵列的示意图，所述悬挂式探测器阵列包括本发明使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法得到的热敏探测器(图11中示出了两个探测器)。阵列中的所述探测器20与图9C中所示的探测器相似，但具有一些修改。可以在所述第一晶片W1的前表面上设置前部光学器件120以减少反射，所述前部光学器件包括具有单膜400的抗反射涂层，并且可以在所述第一基板100的对侧和所述第一真空密封腔110之间设置晶片宽或局部图案化的抗反射涂层1001，以进一步减少反射。
图12示出了示例性的悬挂式探测器阵列的示意图，所述悬挂式探测器阵列包括多个本发明中使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法得到的热敏探测器(图12中示出了两个探测器)。阵列的所述探测器20与图10所示的探测器类似。
图13A和13B示出了根据本发明一方面使用熔融激活晶片键合法或等离子体激活晶片键合法提供的示例性悬挂式探测器20的示意图。晶片级集成热探测器20包括键合在一起的第一晶片W1和第二晶片W2。然而，在本示例性实施例中，所述第二晶片W2形成探测器的正面，辐射通过所述第二晶片进入探测器。所述第二晶片W2可以包括电介质的或半导体的第二基板116，并且可选地包括电介质的第二牺牲层601。所述第二晶片W2还可以包括前部光学器件120，例如以与上述示例性实施例中描述的第一晶片W1类似的方式。所述第一晶片W1包括电介质的或半导体的第一基板100，沉积在所述第一基板100上的晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102，沉积在电介质的所述牺牲层102上或沉积在所述第一基板100上环绕局部图案化的电介质的所述牺牲层102上的电介质或半导体的支撑层104，以及设置在所述支撑层104的开口(凹槽)106内的悬挂式有源热敏元件108。如图13A示意性所示，所述悬挂式热敏元件108最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层102顶部，所述牺牲层在制造过程中支撑并保护所述悬挂式热敏元件108。所述第二牺牲层601可以用于促进或改善随后的融合工艺，和/或在所述第一晶片W1和所述第二晶片W2之间提供电绝缘。可替代地，在所述第一晶片W1上所述支撑层104的内侧设置对应的牺牲层，以代替或添加所述第二晶片W2上的所述第二牺牲层601。
所述第一晶片W1还包括后部反射器112，所述后部反射器预制在所述第一基板100的对侧或后侧。也可以在所述探测器的制造期间将后部反射器112设置在所述第一基板100的对侧或后侧。所述第二基板116的材料可以对辐射透明。在实施例中，在探测器20的制造期间，可以在所述第二基板116内所述后部反射器112的位置处提供开口。
如图13A中的箭头所示，可以使用熔融激活的晶片键合法或等离子体激活的晶片键合法将所述第一晶片W1和所述第二晶片W2键合在一起。在所示的示例中，所述第一晶片W1的内测或表面和所述第二晶片W2的内侧或表面键合在一起以形成如图13B所示的探测器芯片20。所述支撑层104的内表面可以与所述第二牺牲层601的内表面键合。
可以在完整的晶片级制造工艺结束之前(例如在沉积真空密封层605之前)，至少从所述悬挂式有源元件108的位置移除所述牺牲层102，以释放所述有源元件108。在所述悬挂式有源元件108处所述牺牲层102移除的部分还形成第一真空密封腔110。所述支撑层104的所述开口(凹槽)106由键合的所述第二晶片W2封闭，在所述悬挂式有源热敏元件108的对侧形成第二真空密封腔。可以通过移除部分所述第二牺牲层601来扩大所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)。所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封强106可以穿过或绕过所述悬挂式有源元件108进行流体连通。由此，从探测器芯片的背面蚀刻所述第一牺牲层102和所述第二牺牲层106，然后通过一种工艺实现释放所述有源元件108以及形成所述第一真空密封腔110、所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)。可以在所述第二晶片W2的背面蚀刻释放孔，以释放所述有源元件108的蚀刻。
在实施例中，所述电连接可以包括基板通孔(TSV)606，所述基板通孔从所述第一基板100的外表面蚀刻延伸到内表面。优选地所述基板通孔605具有在所述基板通孔的长度范围内基本恒定的直径。当需要高分辨率时，所述基板通孔的直径必须很小。优选地所述基板通孔的直径与长度之比约为1:10，这意味着所述第一基板100也必须非常薄。处理所述第二晶片W2时，在晶片键合之前需要所述第二基板116更厚，并且在晶片键合之后对所述第二基板116进行薄化以获得小像素(高分辨率)应用所需的小厚度。
在实施例中，所述基板通孔606可以填充导电材料，例如用导电材料沉积，以提供与导电的支撑层104的电连接或与所述支撑层104中电线的电连接。此外，导电层607可沉积在所述第一晶片W1的外侧或后侧。此外，真空密封层605可以沉积在所述第一晶片W1的外侧或后侧，例如沉积在所述导电层607上。例如所述真空密封层605可以局部沉积以密封沟槽或释放孔。
在本发明的实施例中，可以在所述第一晶片W1上从背面蚀刻到所述牺牲层102形成第三沟槽604，以使所述第一晶片W1的连接区域(例如基板通孔606)与所述第一晶片W1的其余部分电隔离。
在本发明的实施例中，在所述第二晶片W2中第二沟槽602从背面或所述真空密封层105处蚀刻到所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)，以将所述第二晶片W2的各连接区域(例如基板通孔)彼此之间的电隔离，和/或将所述第二晶片W2的各连接区域(例如基板通孔)与所述第一基板100支撑所述后部反射器112的部分电隔离。
在本发明的实施例中，所述探测器芯片20可以倒装芯片与读出集成电路118键合。在图13B的示例中，具有种子层的倒装芯片键合凸点610设置在所述第一晶片W1的连接区域(基板通孔606，导电层607)和所述读出集成电路118之间。
根据本发明中，法布里-珀罗干涉仪(FPI)与热探测器集成在一起。结合上图4F讨论了在前部光学器件120中提供法布里-珀罗干涉仪的方法。
根据本发明的中，在晶片级集成热探测器芯片内在真空条件下提供法布里-珀罗干涉仪(FPI)的可移动反射器。真空中提供的可移动反射器(例如可移动反射镜)可以更快地移动和操作，从而可以更快地调整法布里-珀罗干涉仪(FPI)。
图14A和图14B示出了根据本发明的一方面的示例性晶片级集成热探测器20的示意图，所述热探测器具有在真空中提供的法布里-珀罗干涉仪(FPI)的可移动反射器。例如以与上述针对没有FPI的示例性实施例所述的方式相似的方式，晶片级集成热探测器20可以包括第一晶片W1和第二晶片W2，所述第一晶片W1和所述第二晶片W2可以通过熔融激活晶片键合法或等离子激活晶片键合法或金属压缩键合法或其他基于金属的晶片键合法进行键合。应当理解，示意性表示可能未示出探测器中可能存在的各种可选的，替代的和优选的特征和细节，例如电绝缘层，真空密封层，保护层，抗反射层，粘结层等。在本文的不同实施例中给出了上述特征的示例。在图14A和14B中，示出了前部光学器件120，特别是抗反射层(单膜400)。
在图14A的示例中，法布里-珀罗干涉仪(FPI)包括固定反射器1450和可移动反射器1452以及中间真空腔1454。FPI的所述可移动反射器1452布置在真空密封腔上，位于晶片级集成热探测器20内的所述悬挂式有源元件108的前侧。FPI的所述可移动反射器1452和所述悬挂式有源元件108之间设置有第一真空密封腔110，使所述可移动反射器和所述悬挂式有源元件彼此分离地，。在晶片级集成热探测器20内，FPI的所述固定反射器1450可以设置在FPI的所述可移动反射器1452的前侧，例如设置在所述第一晶片W1的所述第一基板100的内侧。FPI的所述中间真空腔1454设置在FPI的所述固定反射器1450和FPI的所述可移动反射器之间。FPI的操作基于所述固定反射器1450(反射镜)和所述可移动反射器1452之间的光学干涉，所述光学干涉中间真空腔454中，所述中间真空腔形成光学一维谐振器。入射辐射或入射光通过FPI的所述固定反射器1450进入所述谐振器，经历多次反射在所述谐振器的谐振波长处产生谐振峰，并且透射辐射或透射光在谐振波长处(即透射波长处)，从谐振器通过FPI的所述可移动反射器1452漏出至所述第一真空密封腔110，再到所述悬挂式有源元件108。为了实现入射信号耦合和传输信号退出，反射器(反射镜)可以是半透明反射器，不具有100％反射率但具有有限透射率。FPI的所述中间真空腔1454的长度L，即FPI的反射镜(固定反射器1450和可移动反射器1452)之间的间隔，是半波长λ/2的整数，即L＝mλ/2，其中λ是共振波长，m为正整数。所述第一晶片W1具有支撑结构，所述支撑结构用于实现FPI的所述可移动反射器1452与所述第一晶片W1的机械支撑，还具有电连接，所述电连接用于将调谐信号或驱动信号从外部控制源(例如读出集成电路ROIC外)连接至FPI的所述可移动反射器1452。所述调谐信号或启动信号控制FPI的所述可移动反射器1452的运动并控制FPI的所述固定反射器1450和所述可移动反射器1452之间的间隔间隙(所述中间真空腔1454的长度L)，从而控制传递到所述悬挂式有源元件108的透射峰的光谱位置。
所述悬挂式有源元件108可以设置在所述第一晶片W1的支撑层104的开口中，并且所述悬挂式有源元件与所述支撑层104电连接且机械连接。关于所述悬挂式有源元件108，所述支撑层104和所述电连接以及所述机械连接，例如所述第一晶片W1可以通过与以上示例性实施例所描述的方式类似的方式实现，所述以上示例性实施例指的是没有FPI的晶片级集成热探测器20。同样，FPI的所述可移动反射器反射器1452可以与所述支撑层104或类似的结构机械连接以及电连接。但是，所述悬挂式有源元件的电连接和FPI的所述可移动反射器1452的电连接应彼此电隔离。
所述悬挂式热敏元件108可以最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层(未示出)的顶部，所述牺牲层沉积在FPI的所述可移动反射器1452的背面，在制造过程中，所述牺牲层支撑并保护所述悬挂式热敏元件108以及FPI的所述可移动反射器1452。类似地，FPI的所述可移动反射器1452最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层(未示出)的顶部，所述牺牲层沉积在FPI的所述固定反射器1450的背面，在制造过程中，所述牺牲层支撑并保护FPI的所述可移动反射器1452。在完整的晶片级制造过程结束之前(例如在最终的真空密封之前)可以至少在所述悬挂式有源元件108的位置处移除牺牲层，以释放有源元件108以及可选地释放FPI的所述可移动反射器1452。可以提供所述第一真空密封腔110，以代替所述牺牲层的移除部分，所述牺牲层位于所述悬挂式有源元件108和FPI的所述可移动反射器1452之间。类似地，可以提供FPI的中间真空腔1454，以代替人造层的移除部分，所述人造层位于FPI的所述可移动反射器1452和FPI的所述固定反射器1450之间。
所述第二晶片W2可以包括电介质的或半导体的第二基板116和后部反射器112，所述后部反射器设置为将光反射回所述悬挂式热敏元件108。例如所述第二晶片W2可以通过与以上示例性实施例所描述的方式类似的方式实现，所述以上示例性实施例指的是没有FPI的晶片级集成热探测器20。另外，还存在将调谐信号或驱动信号连接至所述第一晶片W1的电连接，所述调谐信号或驱动信号属于FPI的所述可移动反射器的，来自于例如读出集成电路ROIC的外部控制源。
例如，以与以上示例性实施例所述的类似方式，可以将具有FPI的探测器芯片20倒装或以其他方式与读出集成电路ROIC连接，所述以上示例性实施例指的是没有FPI的探测器芯片20。然而，所述悬挂式有源元件108电连接和FPI的所述可移动反射器1452的电连接应当彼此电隔离。
在图14B的示例中，在晶片级集成热探测器20内，法布里-珀罗干涉仪(FPI)的固定反射器1450可以设置在所述第一真空密封腔110中，位于所述悬挂式有源元件108的前侧，例如设置在所述第一晶片W1的所述第一基板100内侧。在晶片级集成热探测器20内，法布里-珀罗干涉仪(FPI)的可移动反射器1452可以设置在所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)中，所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)位于所述悬挂式有源元件108的背面，例如设置在所述第二晶片W2的内侧。所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)一起形成FPI的真空谐振腔1054。也可以说，悬挂式有源元件108设置在FPI的真空谐振腔1054中，所述真空谐振腔在晶片级集成热探测器内形成，位于FPI的所述固定反射器1450和FPI的所述可移动反射器1452之间。FPI的所述可移动反射器1452还可以用作所述悬挂式有源元件108的后部反射器112，并且可以省略额外的后部反射器。进一步的，额外真空腔106b可以设置在FPI的所述可移动反射器1452的背面，例如设置在FPI所述可移动反射器1452和所述第二晶片W2的所述第二基板116之间。
FPI的操作基于所述固定反射器1450(反射镜)和所述可移动反射器1452之间的光学干涉，所述固定反射器和所述可移动反射器位于中间真空腔1454(所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106))中，所述中间真空腔形成光学一维谐振器。入射辐射或入射光通过FPI的所述固定反射器1450进入谐振器，经历多次反射并在所述谐振器的谐振波长处产生辐射的谐振峰或光的谐振峰。FPI的中间真空腔1454的长度L，即FPI的所述固定反射器1450和所述可移动反射器1452之间的间隔，是半波长λ/2的整数倍，即L＝mλ/2，其中λ是共振波长，m是正整数。由于所述悬挂式有源元件108设置在FPI的所述真空谐振腔1054内，位于FPI的所述固定反射器1450和FPI的所述可移动反射器1452之间，所以所述悬挂式有源元件108将检测共振波长处的辐射或光。所述悬挂式有源元件108将吸收一部分辐射能，但是当所述中间真空腔1454中的损耗小于进入所述真空谐振腔1454的辐射能时，所述谐振将得以维持。为了使入射信号耦合到所述中间真空腔1454中，FPI的所述固定反射器1450(反射镜)是半透明反射器，所述半透明反射器不具有100％反射率但具有有限透射率。FPI的所述可移动反射器1452是不透明反射器，所述不透明反射器具有大约100％反射率，因为所述可移动反射器不需要传输信号，并且可以最小化FPI的所述可移动反射器中的能量损失。
除了FPI的所述固定反射器1450之外，例如所述第一晶片W1可以按照以上实施例所描述的实现，所述以上实施例指的是没有FPI的晶片级集成热探测器20。所述悬挂式有源元件108设置在电介质的或半导体的支撑层104的开口(凹槽)106处，所述支撑层104是所述第一晶片W1的支撑层，并且所述有源元件与所述支撑层104机械连接和电连接。所述悬挂式热敏元件108最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层(未示出)的顶部，所述牺牲层沉积在FPI的所述固定反射器1450的背面，在制造过程中，所述牺牲层支撑并保护所述悬挂式热敏元件108。可以提供所述第一真空密封腔110，以代替所述牺牲层的移除部分，所述牺牲层位于所述悬挂式有源元件108和FPI的所述固定反射器1450之间。
所述第二晶片W2可以包括电介质的或半导体的第二基板116和FPI的所述可移动反射器1452。FPI的所述可移动反射器1452可以与支撑结构(未示出)电连接和机械连接，所述支撑结构位于所述第二晶片W2的内侧，从而所述额外真空腔106b设置在FPI的所述可移动反射器的背面。FPI的所述可移动反射器1452最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层(未示出)的顶部，所述牺牲层沉积在基板的背面，在制造过程中，所述牺牲层支撑并保护FPI的所述可移动反射器1452。在完整的晶片级制造过程结束之前，例如在最终的真空密封之前，可以至少在所述可移动反射器1452的位置处移除牺牲层，以释放FPI的所述可移动反射器1452，优选地同时释放所述悬挂式有源元件108。可以提供额外真空腔106b，以代替牺牲层的移除部分，所述牺牲层位于FPI的所述可移动反射器1452和所述第二基板116之间。FPI的所述可移动反射器1452还可以用作所述悬挂式有源元件108的后部反射器112，则可以省掉额外的后部反射器。当以FPI的所述可移动反射器1452代替所述后部反射器时，例如所述第二晶片W2可以以与以上示例性实施例所述的方式基本类似的方式设置，所述以上示例性实施例指的是没有FPI的晶片级集成热检测器20。例如，可以通过所述第二晶片W2以类似的方式设置电连接，所述电连接从所述悬挂式有源元件108连接到诸如读出集成电路ROIC的外部电路。另外，可以设置连接调谐信号或驱动信号的电连接，所述调谐信号或驱动信号属于FPI的所述可移动反射器1452，来自于例如来自读出集成电路ROIC的外部控制源。所述悬挂式有源元件108的电连接和FPI的所述可移动反射器1452的电连接应当彼此电隔离。
以与以上实施例所描述的类似方式，可以将具有FPI的检测器芯片20倒装或以其他方式与读出集成电路ROIC键合，所述以上实施例指的是没有FPI的检测器芯片20。所述悬挂式有源元件108的电连接和FPI的所述可移动反射器1452的电连接应彼此电隔离。
图15示出了根据图14B的一方面，使用熔融激活晶片键合法或等离子体激活晶片键合法得到示例性的悬挂式检测器20的更详细的示意图。
在图15中，第一晶片W1和第二晶片W2被附接并键合在一起。所述第一晶片W1包括电介质的或半导体的第一基板100，半透明的FPI固定反射器1450(反射镜)，所述固定反射器设置在所述第一基板100内侧，晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层102，电介质的所述牺牲层沉积在所述第一基板100上(优选地所述牺牲层初始沉积在FPI的固定反射器1450的内侧)，电介质的或半导体的支撑层，所述支撑层沉积在电介质的所述牺牲层102的内侧或所述第一基板100上，悬挂式有源热敏元件108，所述悬挂式有源热敏元件设置在所述支撑层104的开口(凹槽)106内。所述悬挂式热敏元件108最初位于晶片宽或局部图案化的牺牲层102的顶部，所述牺牲层在制造过程中支撑和保护所述悬挂式有源元件108。在本发明的实施例中，所述支撑层104还包括设在所述开口(凹槽)106外围上的薄肩部104a，所述薄肩部用于实现所述悬挂式有源元件108的机械连接和可选的电连接。优选地，所述薄肩部104a可以偏移所述第一晶片W1的内表面，更优选地，所述薄肩部104a可以在所述开口(凹槽)106的底部沉积在所述牺牲层102上。
在本发明的实施例中，所述支撑层104由导电材料制成，从而包括所述薄肩部104a的所述支撑层104可以在不需要单独布线的情况下与所述悬挂式元件108机械连接和电连接。在本发明的实施例中，可以被在支撑层104中蚀刻或保留一个或多个沟槽600，以在所述支撑层104上围绕所述悬挂式元件108提供电隔离的局部区域。
所述第二晶片W2包括电介质的或半导体的第二基板116和由所述第二基板116内侧支撑的FPI的可移动反射器1452(反射镜)。在图15所示的示例性实施例中，导电的连接元件1502支撑FPI的所述可移动反射器1452，所述导电连接元件从所述第二基板116的内侧面向内突出，从而将额外真空腔106b设置在FPI的所述可移动反射器的背面与所述第二基板116的内侧面之间。所述连接元件1502的下端连接到所述第二基板116，并且所述连接元件的突出自由端设置为在外围区域支撑FPI的所述可移动反射器1452。所述连接元件1502和/或FPI的所述可移动反射器1452设置为最初位于局部图案化的牺牲层顶部，所述牺牲层沉积在所述第二基板的背面，在制造过程中所述牺牲层支撑并保护所述连接元件1502和FPI的所述可移动反射器1452。在完整的晶片级制造过程结束之前，例如在最终真空密封之前，可以至少将牺牲层从所述可移动反射器1452的位置上移除，以释放FPI的所述可移动反射器1452，优选地可以同时释放所述悬挂式有源元件108。设置额外真空腔106b来代替所述牺牲层的移除部分，所述牺牲层位于FPI的所述可移动反射器1452和所述第二基板116之间。可以在所述连接元件1502自由端的下方保留一部分第三牺牲层1506，以加强支撑结构。导电元件或导电层或导电布线可以由任何导电材料制成，例如金属或诸如聚硅的其他导电材料。所述连接元件1502可作为FPI的所述可移动反射器1452用于移动或驱动的第一电极。在实施例中，所述驱动包括静电驱动。然而，可以替代地使用其他类型的驱动，例如使用压电驱动。
在所示的示例中，用于静电驱动的额外连接层1504沉积在所述第二基板116的内侧。可替换地，如果所述第二基板116由导电材料或半导体材料(例如聚硅)制成，则所述第二基板116可以用作静电驱动的下部电极。可选地，可以在所述第二基板116的内侧沉积电介质的第二牺牲层601，以促进或改善随后的融合工艺，和/或在所述第一晶片W1和所述第二晶片W2之间提供电绝缘。或者，在所述第一晶片W1上所述支撑层104的内侧设置对应的牺牲层，以代替或添加所述第二晶片W2上的所述第二牺牲层601。
可以使用熔融激活晶片键合法或等离子体激活晶片键合法将所述第一晶片W1和所述第二晶片W2键合在一起以形成检测器芯片20。所述支撑层104的内表面可以与所述第二牺牲层601的内表面键合。所述第一真空密封腔110和所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)以及可选的额外真空腔106b可以穿过或绕过所述悬挂式有源元件108进行流体连通，以及可选地穿过或绕过FPI的所述可移动反射器1502进行流体连通。由此，可以从检测器芯片的背面蚀刻所述牺牲层102和可选的FPI的所述可移动反射器1502，从而通过一种工艺完成示范所述有源元件108以及形成所述第一真空密封腔110，形成所述第二真空密封腔(开口(凹槽)106)和可选地形成所述额外真空腔106b。可以在所述第二晶片W2的背面蚀刻释放孔(第四沟槽608)，以释放有源元件108的蚀刻。此外，将真空密封层605沉积在所述第二晶片W2的外侧或背侧。例如所述真空密封层605可以局部沉积以密封释放孔(第四沟槽608)。
在本发明的实施例中，连接所述悬挂式有源元件108的电连接包括基板通孔(TSV)606，所述基板通孔从所述第二基板116的外表面蚀刻延伸到所述第二牺牲层601的内表面。分别为连接元件1502(作为驱动电极)提供第四基板通孔1509和为额外连接层1504(作为驱动电极)提供第三基板通孔1508。优选地基板通孔的尺寸类似于以上针对没有FPI的实施例中描述的尺寸。在实施例中，所述基板通孔可以用导电材料填充，例如沉积导电材料，以提供与导电的支撑层104的电连接或与设置在支撑层104中的连接元件1502和额外连接层1504的电连接。此外，导电层607可以沉积在所述第二晶片W2的外侧或背面。
在实施例中，在所述第二晶片W2中第三沟槽604从背面蚀刻到所述第二牺牲层601，以使所述第二晶片W2的连接区域(例如基板通孔606)与所述第二晶片W2的其余部分电隔离。
在实施例中，在所述第二晶片W2中第五沟槽1510从背面蚀刻到所述第二牺牲层601，以使所述悬挂式有源元件108的连接区域(例如基板通孔606)与所述驱动电极(连接元件1502和额外连接层1502)的连接区域(例如第三基板通孔1508，第四基板通孔1509)电隔离。
在实施例中，在所述第二晶片W2中第二沟槽602从背面蚀刻到所述额外真空腔106b，以使驱动电极(连接元件1502和额外连接层1502)的各连接区域(例如第三基板通孔1508和第四基板通孔1509)之间彼此电隔离。
具有FPI的检测器芯片20可以倒装芯片或以其他方式与读出集成电路ROIC连接。在图15的示例中，具有种子层的倒装芯片接合凸点610设置在所述第二晶片W2的连接区域(基板通孔606，导电层607)与读出集成电路118之间，用于连接所述悬挂式有源元件108。类似地，倒装芯片的第二键合凸点1512和第三键合凸点1514设置在所述第二晶片W2的连接区域(第三基板通孔1508和第四基板通孔1509)与读出集成电路118之间，以分别连接所述驱动电极(连接元件1502和额外连接层1504)。
在FPI的所述可移动反射器1452的静电驱动中，在所述驱动电极之间(连接元件1502和额外连接层1504之间)连接驱动电位差。例如，通过电位差施加的静电拉力可使得FPI的所述可移动反射器靠近所述第二基板116，并远离FPI的所述固定反射器1502。FPI间隙增加，并且共振峰的光谱位置向更长的波长移动。通过电位差施加的静电拉力使FPI的所述可移动反射器1504远离所述第二基板116并转向FPI的所述固定反射器1502移动。FPI间隙缩小，并且共振峰的光谱位置向更短的波长移动。
图16示出了根据图14B的本发明使用热压键合法或其他基于金属的晶片键合法得到的示例性悬挂式检测器20的更详细示意图。
除了在所述第一晶片W1的内表面上设置第一键合材料的图案化键合材料层，以及在所述第一晶片W1的内表面上设置相对应的第二键合材料的图案化键合材料层这两点不同，所述第一晶片W1基本与以上参考图15描述的第一晶片相类似。例如，可以在所述第一晶片W1的内表面上设置第一类金属键合凸点或焊盘或引线(第一晶片第一凸点902A，第一晶片第二凸点903A)，并且在晶片W2的内表面上提供匹配的第二类金属键合凸点或焊盘或引线(第二晶片第一凸点902B，第二晶片第二凸点903B)。在图9A-9C所示的示例性实施例中，示出的图案化键合材料层由不同的材料制成，但是两个键合材料层可以是相同的材料。上面参考图9A-9C给出了合适的键合材料对的例子。
除了沉积在所述第二基板116内侧的绝缘层901(例如SiO2)不同之外，所述第二晶片W2基本上与以上参照图15描述的第二晶片W2相似。所述绝缘层901可以在所述第一晶片W1和所述第二晶片W2之间提供电绝缘。可替代地，在所述第一晶片W1上的支撑层104内侧设置绝缘层，以代替或添加所述第二晶片W2上的绝缘层901。可选地，可以通过适当定位的沟槽或沟槽与绝缘层的组合来设置电绝缘。所述第二晶片W2包括电介质的或半导体的第二基板116和由所述第二基板116内侧支撑的FPI可移动反射器1452(反射镜)。在图16所示的示例性实施例中，通过导电的连接元件1502支撑FPI的所述可移动反射器1452，所述连接元件从所述绝缘层901的内侧面向内突出，从而将额外真空腔106b设置在FPI的所述可移动反射器的背面与所述第二基板116的内侧之间。所述连接元件1502和/或FPI的所述可移动反射器1452设置在最初位于局部图案化的牺牲层顶部，所述牺牲层沉积在所述第二基板的背面，在制造过程中所述牺牲层支撑并保护所述连接元件1502和FPI的所述可移动反射器1452。在完整的晶片级制造过程结束之前(例如在最终真空密封之前)，可以至少将牺牲层从所述可移动反射器1452的位置上移除，以释放FPI的所述可移动反射器1452，优选地可以同时释放所述悬挂式有源元件108。设置额外真空腔106b来代替所述牺牲层的移除部分，所述牺牲层位于FPI的所述可移动反射器1452和所述第二基板116之间。可以在所述连接元件1502自由端的下方保留一部分第三牺牲层1506，以加强支撑结构。导电元件或导电层或导电布线可以由任何导电材料制成，例如金属或诸如聚硅的其他导电材料。所述连接元件1502可作为FPI的所述可移动反射器1452用于移动或驱动的第一电极。在实施例中，所述驱动包括静电驱动。在所示的示例中，用于静电驱动的额外连接层1504在所述额外真空腔106b的底部沉积在所述第二基板116的内侧。可替换地，如果所述第二基板116由导电材料(例如聚硅)制成，则所述第二基板116可以用作静电驱动的下部电极。
所述第一晶片W1和所述第二晶片W2可以通过热压键合法或其他基于金属的晶片键合法来键合在一起。在所示的示例中，将所述第一晶片W1面对所述第二晶片W2的内侧或表面的匹配键合材料层与所述第二晶片W2面对所述第一晶片W1的内侧或表面的匹配键合材料层键合在一起，以形成检测器芯片20。
在本发明的实施例中，与所述悬挂式有源元件108的电连接包括第二基板通孔906，所述基板通孔从所述第二基板116的外表面蚀刻延伸到所述绝缘层901的内表面，以与键合材料图案(第二晶片第一凸点902B)接触。类似地，可以为驱动电极(连接元件1502和额外连接层1504)分别提供第四基板通孔1509和第三基板通孔1508。在实施例中，将绝缘涂层沉积在所述第二基板通孔906，所述第三基板通孔1508和所述第四基板通孔1509上。在实施例中，将第二绝缘层908沉积在所述第二基板116的背面。
在实施例中，可以在所述第二基板通孔906，所述第三基板通孔1508和所述第四基板通孔1509中填充导电材料，例如沉积导电材料，以提供与图案化键合材料层(例如第二晶片第一凸点902B)的电连接，并提供分别与各驱动电极(连接元件1502和额外连接层1504)的电连接。此外，在所述第二基板通孔906，所述第三基板通孔1508和所述第四基板通孔1509的位置，将第二导电层907沉积在所述第二晶片W2的外侧或背面，优选地将所述第二导电层沉积在所述第二绝缘层908上。此外，将真空密封层605沉积在所述第二晶片W2的外侧或背面，例如沉积在所述第二绝缘层908上。所述真空密封层605可以局部沉积以密封释放孔(例如释放孔909)。
例如以类似于图15中示例的方式，具有FPI的检测器芯片20可以倒装或以其他方式与读出集成电路118连接。
在实施例中，例如按照上面所描述的没有FPI的悬挂检测器阵列，以相类似的方式提供具有FPI的悬挂检测器阵列。
在本发明的实施例中，所述第一晶片W1和所述第二晶片W2中的至少一个可以包括预制的中间产品，所述中间产品包括FPI的所述固定反射器，FPI的所述可移动反射器，FPI的所述可移动反射器的所述支撑结构，所述悬挂式有源器件，所述悬挂式有源器件的所述支撑结构，以及用于支撑所述悬挂式有源器件的所述牺牲层中的一个或多个。
本发明及其实施例不限于上述示例，而是可以在权利要求的范围内变化。
Claims (21)
1.一种晶片级集成热探测器，其特征在于，包括：
第一晶片和第二晶片，所述第一晶片和所述第二晶片键合在一起，其中所述第一晶片包括电介质的基板或半导体的基板，晶片宽或局部图案化的电介质的牺牲层，所述牺牲层沉积在所述基板上，支撑层，所述支撑层沉积在电介质的所述牺牲层或半导体的牺牲层或所述基板上，悬挂式有源元件，所述悬挂式有源元件设置在所述支撑层的开口中，
第一真空密封腔和第二真空密封腔，所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔设置在所述悬挂式有源元件的对侧，其中所述第一真空密封腔在所述悬挂式有源元件的位置延伸到所述牺牲层中，以及所述第二真空密封腔包括所述支撑层的开口，通过键合的所述第二晶片封闭所述开口，
前部光学器件，所述前部光学器件用于使辐射从外部进入所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的一个，
后部反射器，所述后部反射器设置为将辐射反射回所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的另一个，以及
电连接，用于将所述悬挂式有源元件与读出电路连接。
2.根据权利要求1所述的集成热探测器，其特征在于，所述第一晶片和所述第二晶片是使用熔融激活键合法或等离子体激活键合法或热压键合法或其他基于金属的晶片键合法来键合的。
3.根据权利要求1或2所述的集成热探测器，其特征在于，所述电连接设置为连接到第三晶片上集成的读出电路，优选地，通过热压键合法或其他基于金属的键合法或芯片键合法。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的集成热探测器，其特征在于，所述前部光学器件包括：透明基板，基板中的窗口，抗反射涂层，透镜，滤光片，前部镜，可控移动前部镜，法布里-珀罗干涉仪，可调法布里-珀罗干涉仪中的一个或多个。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的集成热探测器，其特征在于，所述后部反射器包括：后部反射镜，金属后部反射镜，分布式布拉格反射器，可控移动后部反射镜，法布里-珀罗干涉仪，可调节的法布里-珀罗干涉仪中的一个或多个。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的集成热探测器，其特征在于，所述后部反射器设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的内侧，或设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的外侧上，位于透明基板或窗口的后面，或设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的开口中。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的集成热探测器，其特征在于，所述支撑层还包括在所述开口的外围上的薄肩部，所述薄肩部用于与所述悬挂式有源元件机械连接和电连接，其中，优选地所述薄肩部偏移所述第一晶片的键合表面。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的集成热探测器，其特征在于，所述后部反射器设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的内侧，或设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的外侧上，位于透明基板或窗口的后面，或设置在所述第一晶片和所述第二晶片中的另一个的开口中。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的集成热探测器，其特征在于，包括设在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔其中一个中的法布里-珀罗干涉仪的可移动反射器，其中在所述可移动反射器的两侧都存在真空空间。
10.根据权利要求9所述的集成热探测器芯片，其特征在于，法布里-珀罗干涉仪的固定反射器和法布里-珀罗干涉仪的所述可移动反射器均设置在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的同一腔中，法布里-珀罗干涉仪的所述固定反射器和法布里-珀罗干涉仪的所述可移动反射器位于所述悬挂式有源元件的前侧。
11.根据权利要求9所述的集成热探测器，其特征在于，所述可移动反射器设置在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的一个中，所述可移动反射器位于所述悬挂式有源元件的后侧。
12.根据权利要求11所述的集成热探测器，其特征在于，所述可移动反射器设置为用作所述后部反射器。
13.根据权利要求11或12所述的集成热探测器，其特征在于，法布里-珀罗干涉仪的所述固定反射器设置在所述悬挂式有源元件的前侧。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的集成热探测器，其特征在于，包括支撑结构，所述支撑结构用于在所述第一真空密封腔和所述第二真空密封腔中的一个内机械支撑所述可移动反射器。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的集成热探测器，其特征在于，包括电连接，所述电连接用于将所述可移动反射器与驱动控制器连接，以调节法布里-珀罗干涉仪。
16.根据权利要求15所述的集成热探测器，其特征在于，所述可移动反射器的所述电连接包括一对静电驱动电极。
17.根据权利要求1至16中的任一项所述的集成热探测器，其特征在于，所述热探测器布置成吸收以下波长范围的电磁辐射中的一种：紫外线(UV)光，可见光，红外线(IR)光，太赫兹(THz)辐射和可见光。
18.一种集成热探测器阵列，其特征在于，包括多个根据权利要求1至17中任一项所述的热探测器。
19.一种预制中间产品，用于制造根据权利要求1至17中的任一项所述的集成热探测器或根据权利要求18所述的集成热探测器阵列，其特征在于，包括所述第一晶片，预制所述第一晶片以包括所述基板，所述悬挂式有源器件，所述支撑层和支撑所述悬挂式有源器件的电介质的所述牺牲层。
20.根据权利要求19所述的预制中间产品，其特征在于，还预制所述第一晶片以在所述第一晶片的内侧上包括法布里-珀罗干涉仪，法布里-珀罗干涉仪的固定反射器或法布里-珀罗干涉仪的可移动反射器。
21.一种预制中间产品，用于制造根据权利要求1至17中任一项所述的集成热探测器或根据权利要求18所述的集成热探测器阵列，其特征在于，包括所述第二晶片，预制所述第二晶片以在所述第二晶片的内侧上包括电介质的基板或半导体的基板，和法布里-珀罗干涉仪的可移动反射器。
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