CN115872349A - 一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其MEMS硅腔体盖帽层位于太赫兹探测器芯片的上方，盖住太赫兹探测器芯片的探测部分；金属平面反射镜位于太赫兹探测器芯片的背面，对入射到太赫兹探测器芯片衬底的信号进行反射；MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片、金属平面反射镜三者堆叠互连构成复合谐振结构，使得探测器芯片处的电场谐振增强。本发明改变盖帽层深硅刻蚀的厚度可以实现探测器芯片处的电磁场能量增强，提高探测器的灵敏度；改变探测器衬底厚度、MEMS硅腔体盖帽硅层厚度与空气腔厚度可以实现不同谐振频率的探测和滤波效果，提高太赫兹探测器芯片三维封装的设计自由度。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装技术，具体涉及一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构。
背景技术
太赫兹波广义上是指频率在0.1THz ~ 10THz的电磁波，对应波长在30~3000 μm，位于电子学和光子学的过渡区。因此，太赫兹技术在安检成像、生物医学、天文遥感等领域都有着广泛应用。目前太赫兹探测技术提升有两大研究方向：由于太赫兹源的功率普遍较低，且由于衍射等效应，太赫兹器件响应极易受到读出电路及周围介质电磁环境的影响，如何提高太赫兹探测器灵敏度与响应率，一直是太赫兹探测技术研究的重要方向；其次，太赫兹探测器本身也易受机械损伤、灰尘和指纹的影响，如何提高太赫兹探测器稳定性和可靠性也是一大研究重点。
随着三维封装技术的发展，利用封装结构提升太赫兹探测器的灵敏度与稳定性成为了一种可行的方法。对于太赫兹探测器，封装必须实现两个目的：首先，因为探测器的探测区常包含脆弱的探测微结构，所以封装必须保护脆弱的薄膜微结构免受机械损伤、灰尘和指纹的影响，以确保长期稳定性和可靠性；其次，封装需要为探测器消除周围介质电磁环境的干扰且增强太赫兹波段信号，提升探测器的响应。由于太赫兹探测器的像元尺寸远远小于入射光束的尺寸，因此太赫兹信号的耦合效率非常低，通过封装提高信号的耦合效率以增强太赫兹探测器灵敏度与响应率是一种重要途径。
目前，利用封装结构制造介质谐振腔来提高信号的耦合效率是一种效果显著的方法，但由于太赫兹波长较长，很难通过制备多层薄膜的常规手段制备谐振腔。更重要的是，太赫兹辐射的波长与太赫兹检测器的衬底厚度相当，信号在衬底上下表面会发生非常明显的干涉效应，这种衬底腔干涉效应对信号的耦合会造成较大影响，因此封装结构的设计与工艺的实现都尤为重要。随着微纳加工技术与封装技术的发展，结合MEMS工艺与封装技术制备谐振腔封装成为了一种可能。因此，有必要设计并制备一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构以提升太赫兹探测器的灵敏度及可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构，以改善太赫兹探测芯片灵敏度及响应率不高、耦合效率不高以及芯片响应易受周围电磁环境的干扰等问题，通过精准设计硅MEMS盖帽层封装的尺寸以及芯片衬底的尺寸提升太赫兹探测器性能。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构，包括：MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片、金属平面反射镜，其中MEMS硅腔体盖帽层位于太赫兹探测器芯片的上方，盖住太赫兹探测器芯片的探测部分；金属平面反射镜位于太赫兹探测器芯片的背面，对入射到太赫兹探测器芯片衬底的信号进行反射；MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片、金属平面反射镜三者堆叠互连构成复合谐振结构，使得探测器芯片处的电场谐振增强。
进一步的，所述MEMS硅腔体盖帽层通过干法或湿法刻蚀工艺在高阻硅上刻蚀凹槽形成。
进一步的，所述MEMS硅腔体盖帽层通过热压键合与太赫兹探测器芯片互连组成复合谐振腔，太赫兹探测器芯片的探测频率范围由太赫兹探测器芯片的衬底厚度d决定。
进一步的，所述太赫兹探测器的衬底厚度d、MEMS硅腔体盖帽层硅层厚度d1和空气腔厚度d2由复合谐振腔结构的电磁波谐振增强条件确定，具体方法如下：
第一步，考虑只有金属平面反射镜和太赫兹探测器芯片构成的谐振结构，当电磁波正入射谐振结构，要使太赫兹探测器芯片处在电场相干加强的波腹位置，谐振结构的谐振频率f必须满足条件：
，其中c为真空中的光速，d为太赫兹探测器芯片衬底厚度，/>
为衬底的介电常数，n为不同相干加强位置系数，由此计算太赫兹探测器芯片的衬底厚度/>
，其中/>
为真空中太赫兹波长；
第二步，考虑由MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片、金属平面反射镜构成的复合谐振结构(4)，根据电磁波在MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片和金属平面反射镜间往复传输规律，电磁波入射到MEMS硅腔体盖帽层后会经金属平面反射镜来回反射，当复合谐振结构的光学长度满足太赫兹半波长
的整数倍条件时，相互间的共振使得电磁波被束缚在复合谐振结构内，电磁场强度增强，因此以第一步确定的谐振频率f所对应的衬底厚度d为基础，通过电磁仿真软件CST仿真计算来确定MEMS硅腔体盖帽层厚度，使得太赫兹探测器芯片中心处的电场强度最强，以此确定MEMS硅腔体盖帽层的硅层和空气腔厚度参数。
所述太赫兹探测器芯片的衬底材料采用高阻硅、石英、蓝宝石、GaN、GaAs或InP。
所述太赫兹探测器芯片采用测辐射热计、场效应管、热释电二极管、热电偶或肖特基二极管。
所述金属平面反射镜的材质为金或铝，其厚度大于太赫兹波信号的趋肤深度。
所述MEMS硅腔体盖帽层与太赫兹探测器芯片的键合互连工艺选择常温或真空封装。
用于所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构的制备方法，包括以下步骤：
1）根据RCA流程清洗衬底；
2）利用射频磁控在衬底上溅射金属平面反射镜；
3）利用光刻机在衬底上制备探测器天线结构；
4）利用反应离子刻蚀机在衬底上制备太赫兹探测器微桥；
5）利用硅片减薄工艺制备特定厚度硅片；
6）利用光刻与深硅刻蚀工艺制备特定厚度的MEMS硅腔体盖帽层；
7）实现硅MEMS盖帽层结构与太赫兹探测器的热压键合。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）利用衬底干涉增强效应，通过MEMS硅盖帽层调控谐振频率，对太赫兹探测器处电场能量进行叠加，增强探测器在太赫兹波段的响应率。2）相比与传统凸透镜与反射腔等提高器件灵敏度的方式，基于MEMS工艺的平面硅盖帽层封装占用空间小，工艺与硅MEMS工艺兼容，成本低且利于小型化，适宜大规模太赫兹焦平面阵列的封装。 3）太赫兹信号波长在百微米级别，由于衍射等效应，太赫兹器件响应极易受到读出电路及周围介质电磁环境的影响，硅MEMS盖帽层封装可以减少周围环境对器件的干扰。4）通过改变盖帽层厚度可以实现不同谐振频率的探测和滤波，给设计和封装带来自由度，可以用于各种不同工作原理和结构的太赫兹阵列芯片。
附图说明
图1是太赫兹探测器芯片的三维封装结构的示意图，其中(a)是硅MEMS盖帽层的结构示意图;(b)是三维封装结构示意图。
图2是集成硅MEMS盖帽层封装的太赫兹探测器截面示意图。
图3是实施例中三维封装结构中，具有不同衬底厚度时太赫兹探测器位置处的电场计算结果。
图4是实施例中有无集成盖帽三维封装结构的太赫兹探测器响应电压比较。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构，包括：MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片、金属平面反射镜，其中MEMS硅腔体盖帽层位于太赫兹探测器芯片的上方，盖住太赫兹探测器芯片的探测部分；金属平面反射镜位于太赫兹探测器芯片的背面，对入射到太赫兹探测器芯片衬底的信号进行反射；MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片、金属平面反射镜三者堆叠互连构成复合谐振结构，使得探测器芯片处的电场谐振增强。
本发明可通过改变盖帽层深硅刻蚀的厚度可以灵活实现太赫兹探测器芯片处的电磁场能量增强，提高探测器的灵敏度；同时可通过改变MEMS硅腔体盖帽硅层厚度与空气腔厚度可以实现不同谐振频率的探测和滤波效果，显著提高了太赫兹探测器芯片三维封装的设计自由度。
作为一种优选实施方式，所述MEMS硅腔体盖帽层通过干法或湿法刻蚀工艺在高阻硅上刻蚀凹槽形成，基于MEMS的刻蚀工艺可以方便地实现深硅刻蚀。凹槽的尺寸与太赫兹探测器的耦合天线尺寸相关，将太赫兹信号耦合效率最大化的同时方便了太赫兹探测器封装的实现。
作为一种优选实施方式，所述三维封装结构中，太赫兹探测器的衬底厚度d、MEMS硅腔体盖帽层硅层厚度d1和空气腔厚度d2由复合谐振腔结构的电磁波谐振增强条件确定，具体方法如下：
第一步，考虑只有金属平面反射镜和太赫兹探测器芯片构成的谐振结构，当电磁波正入射谐振结构，要使太赫兹探测器芯片处在电场相干加强的波腹位置，谐振结构的谐振频率f必须满足条件：
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为衬底的介电常数，n为不同相干加强位置系数，由此计算太赫兹探测器芯片的衬底厚度/>
，其中/>
为真空中太赫兹波长；
第二步，考虑由MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片、金属平面反射镜构成的复合谐振结构，根据电磁波在MEMS硅腔体盖帽层、太赫兹探测器芯片和金属平面反射镜间往复传输规律，电磁波入射到MEMS硅腔体盖帽层后会经金属平面反射镜来回反射，当复合谐振结构的光学长度满足太赫兹半波长
的整数倍条件时，相互间的共振使得电磁波被束缚在复合谐振结构内，电磁场强度增强，因此以第一步确定的谐振频率f所对应的衬底厚度d为基础，通过电磁仿真软件CST仿真计算来确定MEMS硅腔体盖帽层厚度，使得太赫兹探测器芯片中心处的电场强度最强，以此确定MEMS硅腔体盖帽层的硅层和空气腔厚度参数。
作为一种优选实施方式，所述太赫兹探测器芯片制备在高阻硅、石英、蓝宝石、GaN、GaAs和InP等基片衬底上，这些衬底材料对太赫兹波无吸收，消除衬底的能量吸收对太赫兹波的干涉叠加的影响。
作为一种优选实施方式，所述太赫兹探测器是测辐射热计、场效应管、热释电二极管、热电偶或肖特基二极管等结构的探测器及其构成的阵列，进一步优选的，所述太赫兹探测器探测部分设置在硅MEMS盖帽层正下方。
作为一种优选实施方式，所述MEMS硅腔体盖帽层与探测器芯片键合互连，可以根据芯片互连封装工艺选择常温或真空封装。
本发明还提出一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构的制造方法，该方法包括以下步骤：
1）根据RCA流程清洗基片衬底；
2）利用射频磁控在基片衬底上溅射金属平面反射镜；
3）利用光刻机在衬底上制备探测器天线结构；
4）利用反应离子刻蚀机(RIE)在衬底上制备太赫兹探测器微桥；
5）利用硅片减薄工艺制备特定厚度硅片；
6）利用光刻与深硅刻蚀工艺制备特定厚度的MEMS硅腔体盖帽层；
7）使用光刻对准机与高压键合机实现MEMS硅盖帽层结构与太赫兹探测器的热压键合。
为了验证本发明方案的有效性，进行如下电磁仿真、工艺制备及测试实验。
本实施例提供一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构，如图1（b）所示，包括：MEMS硅腔体盖帽层（1）、太赫兹探测器芯片（2）、金属平面反射镜（3），这三者堆叠互连构成复合谐振结构（4），具体实施方式如下：
1）三维封装结构的参数设计
对集成硅MEMS盖帽层封装的太赫兹探测器进行电磁仿真实验，从衬底干涉效应出发，考虑只有金属平面反射镜（3）和太赫兹探测器芯片（2）构成的谐振结构，当电磁波正入射谐振结构，要使太赫兹探测器芯片处在电场相干加强的波腹位置，谐振结构的谐振频率f必须满足条件：
，其中d为太赫兹基片衬底最佳厚度，c为真空中的光速，f为谐振频率，/>
为介电常数，n为不同相干加强位置系数，由此可推出入射波与反射波电场相干加强位置/>
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为真空中太赫兹波长。其次考虑电磁波往复反射传输规律，电磁波入射到MEMS硅腔体盖帽层与金属平面反射镜之间会来回反射，当复合谐振结构的光学长度满足半波长/>
的整数倍条件时，相互间的共振可使得电磁波被束缚在腔体内，电磁场强度增强。
现有极化方向平行于探测器桥的太赫兹波垂直入射通过该MEMS硅腔体盖帽层（1），由CST Microwave Studio仿真得到的不同衬底厚度与电场能量在不同谐振点叠加关系。三维封装结构中，具有不同衬底厚度时太赫兹探测器位置处的电场计算结果如图3所示，可以看到谐振点及探测器处电场强度随着探测器衬底厚度的变化而变化，通过MEMS硅腔体盖帽硅层、MEMS硅腔体盖帽空气腔以及探测器芯片衬底厚度参数可实现谐振频率的调控，为太赫兹探测器的实际应用提供更高的自由度。根据仿真调整，参数确定在厚度510μm衬底下，封装盖帽层厚度d1为100μm，空气层厚度d2为347μm，此时相较于无谐振增强结构，太赫兹探测器的电场能量在f=0.6515THz处有4.8倍的增强。
2）三维封装结构的工艺制备
MEMS硅腔体盖帽层（1）通过在高阻硅片上刻蚀凹槽形成，高阻硅是最重要的集成电路材料之一，对太赫兹波的色散小、吸收损耗小，同时价格低廉，制备方便，本实施案例选择高阻硅作为腔体盖帽层材料。深硅刻蚀是一种微纳加工工艺，利用深硅刻蚀工艺获得特征尺寸为几十微米甚至达到上百微米的功能结构，本实施例MEMS硅腔体盖帽层采用深硅刻蚀工艺制备。基于仿真的结构、参数，制备盖帽层封装，制备的工艺步骤如下：
步骤1.RCA流程清洗硅片并用氮气吹干；
步骤2.在芯片硅衬底底部磁控溅射300nm金（溅射功率80w，溅射时间5min）；
步骤3.在芯片硅衬底上通过三次光刻形成Nb5N6 microbolometer太赫兹探测器天线结构；
步骤4.在芯片硅衬底上通过两次刻蚀形成Nb5N6微桥，制成Nb5N6 microbolometer太赫兹探测器；
步骤5.硅片减薄工艺，另选一块新的硅片，将其厚度减薄至447μm，用于制备盖帽层结构；
步骤6.MEMS硅腔体盖帽层三维结构图如图1（a）所示，使用光刻与深硅刻蚀工艺，将447μm硅片刻蚀出347μm的微腔，为与探测器天线尺寸匹配，盖帽层宽度L刻蚀为3mm；
步骤7.将制备好的MEMS硅盖帽层结构与单个Nb5N6太赫兹探测器使用光刻对准机进行对准，然后将对准好的三维封装结构放入高压键合机中进行热压键合（键合温度400℃，压强15Mpa，键合时间30min），键合后的芯片剖面示意图如图2所示。
3）三维封装结构的性能测试
对制备好的太赫兹探测芯片的三维封装样品进行性能测试，利用金线将太赫兹探测器bonding在PCB上，与光学外壳进行连接，太赫兹波平行于Nb5N6桥垂直入射探测器，响应通过SMA法兰接入锁相放大器锁定读出。
集成MEMS盖帽层的太赫兹响应测试结果如图4所示，在集成硅MEMS盖帽层前，太赫兹探测最大响应值0.656THz为1100μv，集成硅MEMS盖帽层后，太赫兹探测最大响应值在0.656THz为2700μv。实验结果表明，在f=0.656THz时，集成谐振增强结构太赫兹探测器的响应值提高了2.57倍。
综上所述，本发明设计了一种可以提高器件灵敏度的太赫兹探测器封装。利用衬底干涉效应与谐振腔效应，通过设计不同盖帽介质及太赫兹器件衬底的厚度，实现谐振频率的精准调控，增强太赫兹探测器的灵敏度。利用电磁仿真软件CST Microwave Studio对模型进行仿真，结果显示器件在谐振点处电场能量有了4.8倍的提高。将该封装应用到Nb5N6microbolometer太赫兹检测器中，实验结果表明，在f=0.656 THz时，太赫兹探测器的响应值提高了2.57倍。这种谐振增强结构可以显著提升器件性能，同时和现有制备工艺兼容，易于制备大规模周期阵列。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，包括：MEMS硅腔体盖帽层（1）、太赫兹探测器芯片（2）、金属平面反射镜（3），其中MEMS硅腔体盖帽层（1）位于太赫兹探测器芯片（2）的上方，盖住太赫兹探测器芯片的探测部分；金属平面反射镜（3）位于太赫兹探测器芯片（2）的背面，对入射到太赫兹探测器芯片衬底的信号进行反射；MEMS硅腔体盖帽层（1）、太赫兹探测器芯片（2）、金属平面反射镜（3）三者堆叠互连构成复合谐振结构(4)，使得探测器芯片（2）处的电场谐振增强。
2.根据权利要求1所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，所述MEMS硅腔体盖帽层（1）通过干法或湿法刻蚀工艺在高阻硅上刻蚀凹槽形成。
3.根据权利要求1所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，MEMS硅腔体盖帽层（1）通过热压键合与太赫兹探测器芯片（2）互连组成复合谐振腔，太赫兹探测器芯片（2）的探测频率范围由太赫兹探测器芯片的衬底厚度d决定。
4.根据权利要求1所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，所述太赫兹探测器的衬底厚度d、MEMS硅腔体盖帽层硅层厚度d1和空气腔厚度d2由复合谐振腔结构的电磁波谐振增强条件确定，具体方法如下：
第一步，考虑只有金属平面反射镜（3）和太赫兹探测器芯片（2）构成的谐振结构，当电磁波正入射谐振结构，要使太赫兹探测器芯片（2）处在电场相干加强的波腹位置，谐振结构的谐振频率f必须满足条件：
，其中c为真空中的光速，d为太赫兹探测器芯片衬底厚度，/>
为衬底的介电常数，n为不同相干加强位置系数，由此计算太赫兹探测器芯片（2）的衬底厚度/>
，其中/>
为真空中太赫兹波长；
第二步，考虑由MEMS硅腔体盖帽层（1）、太赫兹探测器芯片（2）、金属平面反射镜（3）构成的复合谐振结构(4)，根据电磁波在MEMS硅腔体盖帽层（1）、太赫兹探测器芯片（2）和金属平面反射镜（3）间往复传输规律，电磁波入射到MEMS硅腔体盖帽层（1）后会经金属平面反射镜（3）来回反射，当复合谐振结构（4）的光学长度满足太赫兹半波长
的整数倍条件时，相互间的共振使得电磁波被束缚在复合谐振结构内，电磁场强度增强，因此以第一步确定的谐振频率f所对应的衬底厚度d为基础，通过电磁仿真软件CST仿真计算来确定MEMS硅腔体盖帽层厚度，使得太赫兹探测器芯片中心处的电场强度最强，以此确定MEMS硅腔体盖帽层的硅层和空气腔厚度参数。
5.根据权利要求1所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，所述太赫兹探测器芯片的衬底材料采用高阻硅、石英、蓝宝石、GaN、GaAs或InP。
6.根据权利要求1所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，所述太赫兹探测器芯片（2）采用测辐射热计、场效应管、热释电二极管、热电偶或肖特基二极管。
7.根据权利要求1所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，所述金属平面反射镜（3）的材质为金或铝，其厚度大于太赫兹波信号的趋肤深度。
8.根据权利要求1所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构，其特征在于，所述MEMS硅腔体盖帽层（1）与太赫兹探测器芯片（2）的键合互连工艺选择常温或真空封装。
9.用于权利要求1-8任一项所述的太赫兹探测器芯片的三维封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）根据RCA流程清洗衬底；
2）利用射频磁控在衬底上溅射金属平面反射镜（3）；
3）利用光刻机在衬底上制备探测器天线结构；
4）利用反应离子刻蚀机在衬底上制备太赫兹探测器微桥；
5）利用硅片减薄工艺制备特定厚度硅片；
6）利用光刻与深硅刻蚀工艺制备特定厚度的MEMS硅腔体盖帽层（1）；
7）实现硅MEMS盖帽层结构与太赫兹探测器的热压键合。
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