CN205004319U - 半导体设备、红外探测器、摄像机、电子设备和系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种半导体设备、红外探测器、摄像机、电子设备和系统。提供用于产生减小高度的电路封装诸如红外探测器封装的方法和系统。对齐和切割系统可包括经由晶片组件的盖晶片捕获晶片组件的对齐标记的图像的红外摄像机、经由盖晶片照亮对齐标记的光源、和基于使用红外摄像机捕获的红外图像切割晶片组件的切割设备。通过经由红外摄像机的光学器件向晶片组件提供光，诸如红外光，光源可经由盖晶片照亮对齐标记。红外摄像机可经由盖晶片捕获对齐标记的图像，该对齐标记的图像形成在晶片组件的探测器晶片上的，或形成在盖晶片的内部或下表面上。基于捕获的图像切割设备可对齐晶片组件。

Description

半导体设备、红外探测器、摄像机、电子设备和系统
技术领域
本实用新型的一个或多实施例通常涉及红外摄像机，尤其涉及红外探测器和红外摄像机结构及制造红外探测器和红外摄像机结构的系统和方法。
背景技术
热红外摄像机被人熟悉并被用在广泛地多样化应用中。通常简称为红外摄像机或IR摄像机的典型的热红外摄像机使用红外探测器检测红外能，通过红外摄像机镜头—能传输红外能的透镜将其提供给红外探测器。红外摄像机还可以包括使用户观察由红外摄像机基于红外能产生的图像的显示器，或者，该图像可以由红外摄像机来存储或可以被传输以用于远程观察和/或存储(例如通过无线或有线网络)。
可以通过使用晶片级封装(WLP)技术形成用于这种红外摄像机的红外探测器，以形成微测辐射热仪真空封装组件(VPA)。在WLP操作期间，切割具有多个半导体晶片层的晶片组件，以形成多个电路封装，诸如红外探测器。通常使用在晶片组件的外表面上形成的对齐标记，使切割设备与晶片组件对齐。
由于电子设备诸如手机和摄像机响应于消费者对紧凑设备的需求而变得越来越小且越来越薄，所以有时希望，通过在单个化单独的电路封装之前使晶片层中的一个或多个变薄，来减小用于这种设备的电路封装的厚度。然而，由于变薄可能会移除其上通常形成有对齐标记的表面，鉴于晶片材料的光学特性，特别是在用于红外探测器的半导体晶片的情况下，将切割设备或其它处理设备与已变薄的晶片组件对齐是具有挑战性的。
因此，本领域中有对厚度减小的红外探测器和WLP方法、系统以及和能适合批量生产这种探测器的设备的需求。
实用新型内容
根据本实用新型的一个或多个实施例，提供了减小高度的电路封装诸如减小高度的红外探测器，和使用晶片级封装(WLP)技术可靠且有效地批量生产它们的方法。
本实用新型提出一种半导体设备，包括：衬底，该衬底具有多个红外探测器元件阵列和多个读出集成电路，该多个读出集成电路分别与置于其上表面上的多个红外探测器元件阵列相互连接；盖晶片，该盖晶片位于多个红外探测器元件阵列上方，该盖晶片对红外光基本上透明并具有对齐标记阵列，其中该衬底与提供晶片组件的盖晶片耦接；以及多个封闭腔，该多个封闭腔封闭盖晶片和衬底之间的多个红外探测器元件阵列，并且其中封闭腔的每一个的尺寸和位置都对应于各个红外探测器元件阵列的封闭的一个。
在一个实施方式中，该对齐标记阵列位于盖晶片内、盖晶片的内表面上、衬底的上表面上和/或衬底内。
在一个实施方式中，该盖晶片的厚度使得由红外摄像机至少通过该盖晶片可观察该对齐标记阵列。
在一个实施方式中，该多个封闭腔由盖晶片中的凹陷或介于中间的结构形成。
在一个实施方式中，该盖晶片和/或衬底包括用于晶片级电测试的测试垫。
在一个实施方式中，该晶片组件具有由对齐标记阵列限定的切割路线，以识别在哪里将晶片组件切割为分离的红外探测器。
在一个实施方式中，盖晶片包括夹在窗层和台面层之间的氧化物层。
本实用新型还提出一种红外探测器，包括：衬底，该衬底具有红外探测器元件的阵列和读出集成电路，该读出集成电路与该阵列相互连接并置于该阵列的上表面上；位于该阵列上方的盖晶片，该盖对红外光基本上透明；封闭腔，该封闭腔封闭该盖和该衬底之间的该阵列；以及至少一个对齐标记，该至少一个对齐标记形成在盖内、盖的内表面上、衬底的上表面上和/或衬底内。
在一个实施方式中，该盖包括变薄的半导体晶片的切割部分。
在一个实施方式中，还包括该盖上的抗反射涂层。
本实用新型还提出一种摄像机，包括以上所述的红外探测器。
本实用新型还提出一种电子设备，包括如上所述的红外探测器。
本实用新型还提出一种用于制造红外探测器的系统，包括：红外摄像机，该红外摄像机被配置为通过晶片组件的盖晶片捕获晶片组件上和/或晶片组件内的对齐标记的红外图像；切割设备；以及处理和控制设备，该处理和控制设备配置为从红外摄像机接收红外图像并基于接收的红外图像操作切割设备沿晶片组件的切割路线切断该盖晶片。
在一个实施方式中，该红外摄像机是短波红外摄像机，该系统进一步包括耦接到该红外摄像机的光学器件的光源，该光源通过该红外摄像机的该光学器件为该晶片组件照明。
在一个实施方式中，该光学器件包括红外摄像机上的显微镜。
在一个实施方式中，该处理和控制设备包括机器视觉系统。
在一个实施方式中，该机器视觉系统被配置为在使用探测器晶片上的测试垫进行晶片组件的晶片级电测试之后，基于该红外图像操作切割设备沿晶片组件的切割线路切断该晶片组件的探测器晶片，该探测器晶片上的测试垫通过切断该盖晶片暴露。
根据实施例，可以提供第一晶片和第二晶片。第一晶片可附接到第二晶片。可在第一晶片和/或第二晶片上和/或第一晶片和/或第二晶片内形成一个或多个对齐标记。可使第一晶片和/或第二晶片变薄。可在第一晶片和/或第二晶片上和/或第一晶片和/或第二晶片内形成对齐标记，以在变薄之后，对齐标记依然留在第一晶片和/或第二晶片上和/或第一晶片和/或第二晶片内以用于随后的晶片级处理操作。第一晶片对电磁频谱的一些或所有红外(IR)部分基本上是透明的。例如，第一晶片对短波红外(SWIR)光基本上是透明的。第一晶片和/或第二晶片可用由切割路线隔开的电路阵列来提供。系统诸如切割系统可以具有能经由至少一部分第一晶片观察对齐标记的摄像机。使用经由至少一部分第一晶片观察的对齐标记，系统可将晶片级处理设备诸如切割锯与第一和第二晶片对齐，并可以基于对齐执行晶片级处理操作诸如沿切割路线线路切开第一晶片和/或第二晶片。第一晶片例如可以表示盖或帽晶片。第二晶片例如可以表示用盖或帽晶片覆盖的具有红外探测器阵列的红外探测器晶片。
根据实施例，可以提供盖晶片和探测器晶片。盖晶片例如可表示窗晶片。盖晶片可由对电磁频谱的可见光部分基本不透明且对电磁频谱的红外(IR)部分基本透明的衬底形成。盖晶片例如可由硅形成。探测器晶片可包括具有互补金属氧化物半导体(CMOS)读出集成电路(ROIC)的衬底，和与CMOSROIC电连接的测辐射热仪结构。可使探测器晶片和/或帽晶片变薄(例如，通过或者仅使盖晶片变薄或者同时使两个晶片变薄)。可以在切割系统中提供能经由盖晶片看到对齐目标(例如，在盖晶片背面上、在盖晶片内、和/或在CMOSROIC上和/或CMOSROIC内形成的对齐标记)的IR摄像机，这使切割系统能够切割一个或两个晶片。可执行使用对齐目标的切割操作，以暴露探测器衬底上的用于红外探测器的电测试的电结合垫和/或探测器晶片上的其它电路。
根据一个实施例，例如使用上述的变薄和切割过程形成的红外探测器，包括具有红外探测器元件(例如，微测辐射热仪)阵列的探测器衬底和与布置在读出集成电路的上表面上的阵列互连的读出集成电路。在一些实施例中，探测器衬底可以是变薄的衬底。可在阵列的上方布置一般平坦的盖，该盖由对红外光基本透明的材料形成。可将一个或多个对齐标记形成在衬底的上表面上、全部或部分嵌入在衬底内、和/或形成在盖上和/或盖内。该盖可以附接到衬底且可以包括凹槽，该凹槽定义了包围阵列的、在盖的一部分和衬底之间的封闭腔，和/或可将台面结合到盖(窗)，并将它与盖组合，定义包围阵列的在盖和衬底之间的封闭腔。与常规红外探测器封装相比，该盖可以是相对薄的盖，并可以在晶片级封装操作期间由变薄的盖晶片形成。
根据另一个实施例，可以提供用于制造红外探测器的方法，其中探测器晶片可以附接到具有多个腔的盖晶片，该多个腔与探测器晶片上的对应的探测器阵列对齐，以形成晶片组件。通过经由探测器晶片上和/或探测器晶片内、和/或盖晶片的内表面上和/或盖晶片内的一个或多个对齐标记的盖晶片，捕获在探测器晶片上红外图像，对齐切割设备与晶片组件。如果需要，可在将盖晶片附接到探测器晶片之前或之后，使盖晶片和/或探测器晶片变薄。在经由盖晶片能看到红外摄像机的位置中，通过提供在探测器晶片上或在盖晶片的内表面上的对齐标记，在所希望的不影响处理设备诸如切割设备与晶片组件的随后对齐的情况下，可以变薄或不变薄晶片组件。
根据另一个实施例，可以提供用于制造红外探测器的系统，其中提供经由由穿过红外光的材料形成的盖晶片能观察对齐标记的红外摄像机。该系统可包括红外摄像机，经由盖晶片照亮对齐标记的光源，和基于使用红外摄像机和光源(如果需要的话)捕获的红外图像切割晶片组件的切割设备。
本实用新型的范围用权利要求来限定，并将其作为参考并入实用新型内容。通过考虑一个或多个实施例的下面详细描述，本领域的技术人员将更完全地理解本实用新型的实施例，以及其附加优势实现。首先参考将被简略描述的说明书附图页中的图。
附图说明
图1示出了表示根据一个或多个实施例的红外摄像机系统的方块图。
图2A和2B示出了根据实施例的示例性红外探测器的横截面侧视图。
图3是根据实施例的用于产生红外探测器的示例性晶片级处理(WLP)方法的工艺流程图。
图4是根据实施例的图3方法的更详细的工艺流程图。
图5A-5G是根据一个或多个实施例的，在微测辐射仪VPA的实例实施例的WLP生产期间的各个阶段，示例性晶片级封装组件的部分侧视图。
图6是根据实施例的示例性探测器晶片和盖晶片组件的一部分的顶视图，示出如何在切割操作期间使用红外摄像机经由盖晶片观察到对齐标记。
图7是根据实施例的具有红外摄像机的示例性对齐和切割系统的方块图。
通过参考下面的详细描述，将最好地理解本实用新型的实施例和它们的优势。应该意识到，相同的参考数字用于识别在一个或多个图中示例的相同的元件。
具体实施方式
根据各种实施例，可以提供具有耦合到第二衬底的第一衬底的电路封装。在将第一晶片附接到第二晶片并且第一晶片和/或第二晶片上和/或内的对齐标记经由第一晶片的至少一部分地被观察并用于附加晶片级处理操作的过程中，可以形成电路封装。在一些实施例中，在经由第一晶片的该至少一部分观察对齐标记之前，可以将第一晶片和/或第二晶片变薄。可通过使用对齐标记切割第一和第二晶片来形成电路封装。
在一个实施例中，电路封装可被包括在红外(IR)摄像机中。例如，IR摄像机可以包括红外探测器或者红外探测器封装(例如，焦平面阵列(FPA)或真空封装组件(VPA)，诸如晶片级封装(WLP)VPA)。红外探测器封装诸如红外VPA可以包括衬底、衬底的表面上的读出集成电路(ROIC)、耦合到ROIC的探测器元件阵列和将探测器元件阵列密封在真空室内的帽或盖。
为了减小IR摄像机结构的高度以包含在例如移动或便携式计算设备或其它紧凑的电子设备中，可将衬底和/或帽变薄。使用例如晶片级处理技术和红外成像处理可以提供用于批量生产变薄电路封装，诸如具有变薄的帽和/或探测器衬底的红外摄像机真空封装组件的系统和方法。
图1提供了示例根据本实用新型一个或多个实施例的配置为捕获并处理IR图像的系统100(例如，IR摄像机或IR摄像机系统或其它电子设备)的方块图。系统100可以表示IR摄像机系统，其包括具有如本文公开的变薄的帽和/或变薄的探测器衬底的一种IR摄像机结构。
在一个实施中，系统100包括处理部件110、存储部件120、控制部件130、电源部件140、图像捕获部件150和显示部件170。可选地，系统100可包括传感部件160。
系统100可表示例如捕获并处理图像，诸如场景180的静止或视频IR图像的红外成像设备，诸如红外摄像机(例如，红外摄像机系统)。图像捕获部件150可包括本文公开的至少一种IR摄像机结构(例如，具有变薄的帽和/或探测器衬底的红外摄像机真空封装组件)。
系统100可表示具有与计算机(例如，服务器)、便携式电子设备(例如，手机、笔记本电脑、平板电脑、可穿戴的成像器件，等)、台式电脑、需要红外图像(例如，IR图像数据)的运输工具(例如，汽车或其它类型的地面车辆、飞机、船舶或宇宙飞船)或非移动装置、或用于红外成像的其它系统或设备联网的一个或多个IR摄像机结构的分布式网络系统。
根据一个或多个实施例，处理部件110可包括任何类型的处理器或者逻辑器件(例如，配置成执行处理功能的可编程逻辑器件(PLD)或ASIC)。正如本领域的技术人员所理解的，处理部件110可适合与部件120、130、140、150和170接口和通讯以执行方法和处理步骤和/或操作。
根据实施例，存储部件120包括适合于存储数据和信息，包括例如红外数据和信息的一个或多个存储设备。存储器120可包括一个或多个各种类型存储设备，包括易失性和非易失性存储设备。处理部件110可适合于执行软件或用存储在存储部件120中的位流来配置，以执行本文描述方法和处理步骤和/或操作。
根据实施例，图像捕获部件150包括任何类型的红外成像传感器，诸如例如用于捕获代表诸如场景180的图像的红外图像数据(例如，静止图像数据和/或视频数据)的一个或多个红外传感器(例如，任何类型的多像素红外探测器，诸如焦平面阵列)。在一个实例的实施例中，图像捕获部件150的红外传感器提供表现(例如，转换)为数字数据的捕获的图像数据(例如，经由包括为红外传感器的一部分的或作为系统100的一部分与红外传感器分离的模数转换器)。
根据实施例，红外图像数据(例如，红外视频数据)可包括诸如场景180的图像的非均匀数据(例如，真实图像数据)。处理部件110可适合处理红外图像数据(例如，提供处理的图像数据)、在存储部件120中存储红外图像数据，和/或从存储部件120取回存储的红外图像数据。例如，处理部件110可适合处理存储在存储部件120中的红外图像数据以提供处理的图像数据和信息(例如，捕获的和/或处理的红外图像数据)。
根据实施例，控制部件130包括适合产生用户输入控制信号的用户输入和/或接口设备。例如，用户输入和/或接口设备可以包括可旋转旋钮(例如，分压器)、按钮、滑杆、键盘等。处理部件110可适合经由控制部件130感应来自用户的控制输入信号，并响应从用户接收的任何感应的控制输入信号。正如本领域的技术人员通常所理解的，处理部件110可适合于将这种控制输入信号解释为参数值。
根据实施例，控制部件130可包括具有适合与用户接口并接收用户输入控制值的按钮的控制单元(例如，有线或无线手持控制单元)。在一个实施中，控制单元的按钮可用于控制系统100的各种功能，诸如自动对焦、菜单启用和选择、视野、亮度、对比度、噪声过滤、高通滤波、低通滤波和/或如本领域的技术人员所理解的各种其它特性。
根据实施例，电源部件140根据具体应用和需求提供IR摄像机结构和可选的整个系统100所需的各种电源电压(例如，参考电压、偏置电压、参考电流或其它期望的偏压和电源信号)。
根据实施例，显示部件170包括图像显示器(例如，液晶显示器(LCD)或通常已知的各种其它类型的视频显示器或监视器)。处理部件110可适合在显示部件170上显示图像数据和信息。处理部件110可适合从存储部件120检索图像数据和信息并将任何检索的图像数据和信息显示在显示部件170上。显示部件170可以包括可被处理部件110使用的用于显示图像数据和信息(例如，红外图像)的显示电子器件。显示部件170可适合于经由处理部件110直接从图像捕获部件150接收图像数据和信息，或者可从存储部件120传输图像数据和信息(例如，经由处理部件110)。
根据实施例，正如本领域的技术人员所理解的，根据应用或实施需要，可选传感部件160包括各种类型的一个或多个传感器。可选传感部件160的传感器至少要向处理部件110提供数据和/或信息。一方面，处理部件110可适合与传感部件160(例如，通过从传感部件160接收传感器信息)和与图像捕获部件150(例如，通过从图像捕获部件150接收数据和信息，并向和/或从系统100的一个或多个其它部件提供和/或接收指令、控制和/或其它信息)通讯。
在各种实施方式中，传感部件160可提供关于环境条件，诸如外部温度、光照条件(例如，白天、晚上、黄昏和/或黎明)、湿度水平、具体天气情况(例如，晴、雨和/或雪)、距离(例如，经由激光测距)，和/或是否已进入或离开隧道或其它类型外壳的信息。传感部件160可表示如本领域的技术人员通常所知的常规传感器，其用于监测影响图像捕获部件150提供的数据(例如，图像外观)的各种条件(例如，环境条件)。
在一些实施方式中，可选传感部件160(例如，一个或多个传感器)可包括经由有线和/或无线通信向处理部件110转送信息的设备。例如，可选传感部件160可适合通过当地广播(例如，无线频率(RF))传输、通过移动或蜂窝网络和/或通过基础设施中的信息信标(例如，运输或公路信息信标基础设施)，或各种其它有线和/或无线技术从卫星接收信息。
根据一个或多个实施例，利用代表相关系统的各种功能模块的系统100，所以可如期望的或根据应用或需要，组合和/或实现系统100的部件，或者不组合和/或实现系统100的部件。在一个实例中，处理部件110可与存储部件120、图像捕获部件150、显示部件170和/或可选的传感部件160组合在一起。在另一个实例中，处理部件110可与图像捕获部件150组合在一起，通过图像捕获部件150中的电路(例如，处理器、微处理器、逻辑器件、微控制器等)只执行处理部件110的某些功能。而且，系统100的各种部件可以彼此相距很远(例如，图像捕获部件150可包括遥感器，其具有代表与图像捕获部件150通信或不与图像捕获部件150通信的计算机的微处理部件110等)。
在一些实施例中，图像捕获部件150可包括真空封装组件(VPA)，诸如，晶片级封装(WLP)VPA。图2A和2B是根据本文论述的晶片级封装(WLP)方法的一个或多个实施例生产的这种红外探测器的实施例的横截面侧视图。
如图2A和2B所示，红外探测器200包括衬底202，该衬底202具有布置在其上表面上的红外探测器元件(例如，微测辐射热仪)阵列204和与阵列204互连的读出集成电路206。正如本领域的技术人员所理解的，作为实施例，阵列204在本文中指的是作为红外探测器具体类型的微测辐射热仪阵列，但应该理解，本文公开的WLP技术可更广泛地应用于各种类型的电路组件，包括但不限制于各种类型的红外探测器。
盖或帽诸如窗208可以在阵列204的上方以一定间隔排列，窗208对红外光基本上是透明的。在窗208和阵列204之间可形成包围红外探测器阵列204的封闭腔212。腔212由窗208中凹槽和/或介于中间的结构的任何适当组合来形成，介于中间的结构诸如在窗和衬底202之间形成的台面210。图2A示出了其中窗208和衬底202之间的台面形成腔212侧壁的实施例。图2B示出了其中将窗208结合到衬底202且腔212由窗208中凹槽形成的实施例。然而，本领域的技术人员应该意识到，腔212可由窗208中凹槽和/或介于中间的结构的任何适当组合来形成，中间结构诸如在该窗和衬底202之间形成的台面210。
现在参考图2A，作为一个或多个实例，例如，可用热氧化物层214将台面210耦合(结合)到窗208，使窗208和台面210可以形成键合的绝缘体上硅(SOI)晶片对。台面210具有布置在窗208的底表面外围和衬底202的上表面外围之间的封闭的边缘侧壁，在窗208和阵列204之间定义包围红外探测器阵列204的封闭腔212。示出结合台面210与衬底202的焊料密封圈216以密封腔212(例如，为真空WLPVPA提供真空密封)。
在一个实施例中，窗208可包括小于约625微米(μm)厚度的低-氧(O2)硅(Si)(或可选择的浮区硅)。在另一个实施例中，台面210的侧壁可包括宽度约为550μm且高度小于约100μm的Si。在另一个实施例中，台面210和窗208都可包括半导体，例如低-O2Si，可利用厚度约为1μm的同一半导体的热氧化物层214，例如二氧化硅(SiO2)将台面210侧壁的上表面结合到窗208的下表面。在另一个实施例中，通过例如钛(Ti)/镍(Ni)/金-锡-金(AuSnxAu)的熔融的或分层的焊圈216将台面210侧壁的下表面结合到衬底202的上表面，该焊圈通过例如使用光刻技术在台面210侧壁的下表面和衬底202的上表面上形成并且具有例如约为4μm且宽度例如约为450μm的组合厚度，。
在一个实施例中，如图2B所示，腔212可由通过结合物251结合到衬底202的单片窗208中的凹槽形成。结合物251可由用于结合窗衬底与衬底202的任何适当的结合材料/方法形成以密封腔212(例如，为真空WLPVPA提供真空密封)。
在一个实施例中，红外探测器200可包括，例如用物理气相沉积(PVD)方法在窗208的上和/或下表面上形成的至少一个抗反射涂层218，例如硫化锌(ZnS)/锗(Ge)，以防止入射到涂层表面上的红外光被反射出微测辐射热仪阵列204。在另一个实施例中，在抽空之前、期间和/或之后，可通过溅射在腔212中的窗208的下表面上形成吸气剂220，例如锆(Zr)合金。吸气材料工艺可用，例如ColoradoSprings公司的SAESGettersTM来提供。应当理解的是，本文公开的材料、尺寸和过程是用于一个或多个实施例的实例且不具有限制性，正如本领域的技术人员所理解的，根据一个或多个实施例可以使用其它适当的材料和过程。
如图2A和2B所示，红外探测器200可包括布置在邻近窗208外围的衬底202的上表面上的至少一个电测试垫222。正如下面更详细论述的，测试垫222可耦合到读出集成电路206，并用于在单个化之前以晶片级电测试红外探测器200。
红外探测器200可以是总厚度为Z’的变薄的红外探测器。由于在晶片级封装和处理操作期间变薄了衬底202和/或窗208中一个或两个，所以关于常规红外探测器真空封装组件，可减小变薄的红外探测器的厚度Z’。作为实例，Z’可以小于400微米，小于300微米，小于200微米，在200微米和500微米之间，在100微米和500微米之间，在100微米和300微米之间，或为窗口提供足以防止窗口材料断裂或永久变形的其它任何适当的减小的厚度。
下面将描述使用晶片级封装(WLP)技术，可靠且有效地批量制造图2A和/或2B的实例红外探测器200，以及其它红外探测器或电路封装的方法300(图3)的实施例。如图3的最高水平概述的方法所述，在一个实施例中，实例方法300可以从提供第一晶片诸如盖晶片(在本文中有时称为“帽”晶片或“窗”晶片)的方块302，和提供第二晶片诸如“测辐射热仪”晶片(在本文中有时称为BOLO晶片或探测器晶片)的方块304开始。可执行诸如例如在下文中描述的操作的各种处理操作以形成帽晶片和测辐射热仪晶片。可将第一和第二晶片附接在一起以形成晶片组件。然后在方块306可以进行方法300的晶片变薄过程，晶片变薄过程中使第一和第二晶片中的一个或两个变薄(通过研磨和/或抛光一个或两个晶片)的。然后，可在方块308进行方法300的WLP过程，WLP过程为处理装配(例如，至少部分地通过经由第一晶片的至少一部分观察对齐标记对齐切割设备与组件，基于该对齐沿晶片组件的切割路线切断第一晶片，使用通过切割暴露的第二晶片上的测试垫执行晶片级电测试，并沿切割路线切断第二晶片以产生单个电路封装)以产生多个电路封装，诸如红外探测器，诸如红外探测器200。方块308的WLP过程可包括通过经由变薄的晶片的一部分观察对齐标记对齐切割设备，该变薄的晶片的一部分诸如红外探测器晶片组件的变薄的盖晶片，该红外探测器晶片组件具有附接到变薄的盖晶片的探测器晶片。对齐标记可形成在第一和/或第二晶片上和/或第一和/或第二晶片内的一个或多个位置处，以使方块306的可选晶片变薄操作之后，能经由一些或所有第一晶片(例如，盖晶片)观察到对齐标记。方法300还包括设备或系统装配过程，诸如将一个或多个红外探测器诸如红外探测器200集成到摄像机模块中和/或其它电子设备中的设备集成过程。
如图4的详细论述，实例WLP方法300可包括用于形成盖晶片的“盖晶片”生产方法402和用于形成探测器晶片的“测辐射热仪晶片”生产方法404，融合到“晶片装配和结合”方法406，后面可选的“系统集成”方法408。将用于一个或多个实施例的图4阐述的各种阶段详细描述如下。联系关于图4的“盖晶片”生产方法402和“测辐射热仪晶片”生产方法404的各个连接描述图5A和5B。图5C-5G和图6也将联系关于图4的“晶片装配和焊接”方法406描述。
如图4所示，用于形成盖或窗晶片的实例盖晶片生产方法402从提供晶片410(例如，绝缘体上硅(SOI)晶片诸如8”SOI晶片)开始。在一些实施例中，晶片410可具有夹在两个附加层之间，诸如“窗”层和“台面”层之间的氧化物的层(例如，热氧化物层)，其中两个附加层的每个都由半导体材料(诸如硅)形成。
在方块412，可在晶片410的表面上(例如，在晶片410的窗层或台面层上)和/或晶片410内，(例如，使用光刻技术)形成“目标”阵列(例如，用于对应于红外探测器200定义结果窗的对齐标记，和/或可以用于形成对应台面210、相关腔212和/或切割盖晶片和/或测辐射热仪晶片的对齐标记，诸如对齐标记520)。当附接晶片时，可将对齐标记形成在面向测辐射热仪晶片的对应表面的表面上，诸如在晶片410的内表面上，以便可以经由晶片(例如，在使晶片变薄之后，经由晶片的对立面)观察对齐标记。在一些实施例中，还可将对齐标记形成在晶片410的外表面上，以用于在移除外表面上的对齐标记的盖晶片变薄之前执行的过程的对齐目的。在一些实施例中，可将对齐标记形成在晶片410内，从而可以通过晶片的一部分(例如，由红外摄像机)观察对齐标记。
在方块414，可在晶片410中定义腔，以在晶片410中定义对红外光基本透明的探测器盖(例如，窗208)阵列。在一个示例性实施例中，在方块414，可在晶片410上蚀刻台面210和腔212的阵列(例如，使用深反应离子蚀刻(DRIE)过程或其它适当的蚀刻过程)。可在窗晶片410的台面层的表面中蚀刻台面210和腔212的阵列。该蚀刻在晶片410的窗层中定义了对红外光基本透明的探测器盖(例如，窗208)阵列，每个探测器盖都被台面210包围，该台面具有通过氧化物层214结合到窗层的封闭的边缘侧壁，如图5A所示。
使用单个半导体和蚀刻过程足以形成台面和窗，然而，在一些实施例中，可以使用间隔或结合层(例如，氧化物层214)分离的两部分盖晶片。在该实施例中，方块414的蚀刻过程可包括，使用例如DRIE过程，向下蚀刻盖晶片410的表面到氧化物层，以形成台面210和相关腔212的阵列。充当蚀刻停止的氧化物层可以如下方式从盖晶片410的表面被选择性移除，与盖晶片410的窗层的下表面对应的窗208的下表面保持它们形成的窗层的光滑性且平面性，同时通过剩余的氧化物层使得台面210的各个边缘侧壁保持为坚固地结合盖晶片410。这个随后的移除过程可以会被影响，例如使用氢氟酸蚀刻技术移除腔212的区域中的氧化物层214。在各种实施例中，分离层可以是各种其它结合材料。
在方块416，可在晶片410中的窗208的上表面和下表面中的一个或两个表面上选择地形成抗反射涂层和/或其它涂层。在将要使盖晶片变薄的实施例中，在方块416，可以仅在晶片窗层510的下(内)表面上形成抗反射涂层218B(参照图5A)。
在方块418，可在窗晶片410上沉积密封圈，诸如密封圈516(参照图5A)，其可以包括粘附层(例如，钛(Ti)、)的剥离密封层、挡板材料(例如，镍)和包括例如金(Au)和锡(Sn)的焊料层。
在方块420，可在晶片410的每个窗208的下表面上选择性沉积吸气剂材料，诸如吸气剂材料220，以产生可软焊的盖晶片422，其为与对应的测辐射热仪的装配做好了准备，正如下面更详细论述的。
如上面关于图3所述的，实例WLP方法300可包括“测辐射热仪晶片”生产方法404。图4和5B示例了测辐射热仪晶片生产方法404的更多细节，其从提供晶片(例如，Si晶片，诸如8”Si晶片)开始。
在方块426，可执行在晶片424的表面上产生红外探测器元件(例如，微测辐射热仪)阵列204以形成测辐射热仪晶片的常规处理。
在方块428，在一个实施例中，可使用例如光刻技术蚀刻测辐射热仪晶片上的聚合物层，诸如聚酰亚胺，以在晶片424的每个微测辐射热仪阵列204的周围的聚合物层中形成沟槽。
在方块430，然后，可在聚合物层的沟槽中沉积(例如，使用常规的剥离光刻技术)密封圈材料，以在其中形成密封圈518。
在方块432，在沉积密封圈材料518之后，可从晶片424中移除聚合物层。
在方块433，可在测辐射热仪晶片424上形成一个或多个对齐标记，诸如图5B(侧视图)和图6(顶视图)的对齐标记520(例如，通过蚀刻、印刷、沉积、图案化或其它适当的晶片级过程)。对齐标记520可以形成在晶片424上的任何适当位置，以用于随后使切割设备与切割路线508对齐。然而，这仅是示例性的。在一些实施例中，除了或代替在晶片424上形成对齐标记520以外，还可以在盖晶片422的内表面上形成对齐标记520(例如，在方块412)。
如图6所示，在一个适当的实施例中，对齐标记520可包括多个L形的对齐标记，该L形的对齐标记表示将要由盖晶片422的窗层510形成的每个窗208的边界。然而，这仅是示例性的。在各种实施例中，可以形成具有任何适当形状、位置和/或排列的对齐标记520，以使对齐设备可经由盖晶片422观察对齐标记520，以使切割设备与切割路线508对齐。在形成对齐标记520之后，方法404可结束，从而产生了可软焊的测辐射热仪晶片434，正如下面更详细论述的，其为与对应的盖晶片422装配做好了准备。
晶片装配和结合方法406可在方块436开始，正如本领域的技术人员所理解的，在方块436，可用加热真空烘烤来预处理测辐射热仪晶片464和/或盖晶片422。
在方块438，可清洁晶片422和434并使晶片422和434彼此对齐，如图5C所示。例如可在设计为托住对齐的晶片的固定装置或工具(例如，或者在真空内部或者在真空室外部)中清洁晶片422和434并使晶片422和434彼此对齐，以使盖晶片422位于测辐射热仪晶片434的上方，使盖晶片422的腔212分别布置在测辐射热仪晶片434上的微测辐射热仪阵列204中的对应的阵列上方，并使台面210和测辐射热仪晶片434上的各自的焊料密封圈516和518彼此精确对齐。在一些实施例中，可使用一个或多个可选的薄垫片使晶片422和434相互隔开。
在方块440，可将晶片422和434放入真空室中。
如图5D所示，在图4的方法406的方块442，通过例如将两个晶片上的各自的焊料密封圈516和518连接在一起以形成密封圈216，可将晶片422和434压在一起并加热(例如，在真空室中)至足以将两个晶片附接在一起的温度，从而密封包围各个微测辐射热仪阵列204的真空腔212以免暴露到任何不期望的大气中。此外，在一些实施例中，对晶片组件530的加热应用可用于“火”，即激活腔212中的吸气剂220，以在它们被真空密封之前、期间和/或之后，使它们用于吸收可能遗留在腔212中任何空气分子或其它不希望的气体。正如本领域的技术人员所理解的，激活吸气剂220还可以通过应用电流或其它类型的触发器来激活。
如图5D所示，盖晶片422可具有厚度ZW，测辐射热仪晶片434可具厚度ZB。例如，在一个示例性实施例中，厚度ZW可在400微米和725微米之间。例如，在一个示例性实施例中，厚度ZB可在400微米和725微米之间。
为了提供相对更薄的红外探测器封装(例如，为了装配和/或集成为便携的或其它紧凑的电子设备或系统)，在方块444，可使盖晶片422和/或测辐射热仪晶片434中的一个或多个变薄(例如通过研磨组件530的一个或两个外表面)，如果需要，抛光研磨的表面(例如，使用化学机械抛光(CMP)或双面抛光(DSP)处理)。使盖晶片422变薄可包括使盖晶片422变薄以形成具有减小厚度ZW’的变薄的盖晶片422’，如图5E所示。例如在一个实施例中，ZW’可以在50μm和400μm之间。使测辐射热仪晶片434变薄可包括使测辐射热仪晶片434变薄以形成具有减小厚度ZB’的变薄的测辐射热仪晶片434’。例如，在一个实施例中，ZB’可以在50μm和400μm之间。这样，晶片组件530的整个厚度可从厚度Z减小到减小的厚度Z’，以形成变薄的晶片组件530’。
在图4的方法406的方块446，切割系统，诸如具有切割设备(例如，切割锯)和对齐设备的系统，诸如一个或多个致动器和一个或多个红外摄像机，可对准变薄的晶片组件530’。切割系统与变薄的晶片组件530’的对齐可包括，通过变薄的盖晶片422’的至少一部分捕获对齐标记520的图像，诸如红外图像(例如，短波红外(SWIR)图像)，并使用捕获的对齐标记图像对齐切割锯与一个或多个切割路线508(例如，自动或手动)，该切割路线508隔开盖晶片中的窗的相邻行和列以及测辐射热仪晶片中的探测器元件阵列的相邻行和列。
为了识别捕获的图像中的对齐标记，并确定关于切割设备的识别的对齐标记的物理位置，可以执行各种图像处理操作。
如图5F所示，在方块448，可使用切割系统通过沿变薄的晶片组件530’的切割路线508切开变薄的盖晶片422’(例如，在切割操作期间使用红外摄像机和对齐标记主动对齐切割锯时)，以在测辐射热仪晶片(例如，变薄的测辐射热仪晶片434’或者未变薄的测辐射热仪晶片)的上表面上产生暴露下面的测试垫222的开口，诸如图5F的开口532。在方块448，还可以执行附加的WLP操作，诸如退火操作(例如，结合垫退火)。
在方块450，在单个化晶片组件之前，使用例如探针板或其它的电测试设备通过耦接电测试设备与变薄的晶片组件530’的触点222，可执行由变薄的晶片组件530’单个化的一些或所有红外探测器200的晶片级电测试。
在方块452，在结束变薄的晶片组件530’的任何晶片级电测试之后，例如通过沿晶片组件的切割路线(例如，在相邻的红外探测器200的测试垫222之间)切断测辐射热仪晶片，切割变薄的晶片组件530’以由晶片组件形成单独的红外探测器200，从而产生如图5G所示的完成的红外探测器200的组454。
系统集成方法408可在方块456开始，在方块456，可将一个或多个的单红外探测器200(例如，一个或多个FPA的)与摄像机的其它系统部件或设备部件(例如，镜头、处理器、存储器、显示器或其它摄像机部件)，或其它设备集成在一起，其它设备诸如图4的减小高度的摄像机458或图1的系统100(作为实例)。
虽然结合图4和图5A-5G描述了关于对齐并切割变薄的晶片组件的上述过程，但本文描述的方法可用于对齐并切割任何适当的晶片组件，其中经由第二晶片组件可观察组件的第一晶片上的对齐标记(例如，使用红外光诸如SWIR光)。作为实例，可通过变薄的盖晶片、未变薄的盖晶片或附接到探测器晶片的另一晶片观察探测器晶片上的对齐标记，探测器晶片诸如未变薄的测辐射热仪晶片。在其它实例中，可通过变薄的窗晶片、未变薄的窗晶片或附接到变薄的探测器晶片的另一晶片观察探测器晶片上的对齐标记，探测器晶片诸如变薄的测辐射热仪晶片。
现在参考图7，公开根据一个或多个实施例的对齐和切割系统700。如图7所示，系统700可包括红外摄像机705。红外摄像机705可以是短波红外(SWIR)摄像机、具有扩展的红外灵敏度的可见光摄像机、这些的组合、或能够响应于穿过晶片组件诸如晶片组件730(例如，变薄的晶片组件诸如图5E的变薄的晶片组件530’，未变薄的晶片组件诸如图5D的晶片组件530，或其它晶片组件)的一些或所有衬底的光捕获图像的一个或多个其它摄像机部件。例如，摄像机705经由附接到探测器晶片的盖晶片722的一部分(例如，变薄的窗晶片422’或者窗晶片422)，可观察对齐标记，该对齐标记形成在探测器晶片上或探测器晶片内，探测器晶片诸如探测器晶片734(诸如，变薄的测辐射热仪晶片434’或测辐射热仪晶片434)，和/或该对齐标记形成在盖晶片的内部表面上或盖晶片内，盖晶片诸如盖晶片722。
摄像机705可捕获经由附接到探测器晶片的盖晶片的一部分所观察到的图像，诸如对齐标记的红外图像，对齐标记诸如对齐标记520。红外摄像机705捕获的图像可提供给处理器，诸如处理器707和/或机器视觉系统709。处理器707和/或机器视觉系统709例如可识别来自摄像机705的捕获图像中的对齐标记，控制设备(诸如控制器710)可操作切割设备(诸如切割锯704)沿切割路线508锯断变薄的盖晶片422’，以暴露例如上面结合图5F所述的探测器晶片434’(或探测器晶片434)上的触点222。
系统700可包括激活设备，诸如基于使用从摄像机705捕获的图像所确定的对齐标记(诸如对齐标记520)的位置移动切割锯704的致动器729。在这种类型的配置中，切割设备704可相对于晶片组件730移动，同时摄像机705相对于晶片组件730保持静止。然而，这仅是示例性的。在一些实施例中，用于切割窗晶片722的切割设备(诸如切割设备733)可固定到摄像机705，并可以关于晶片组件730沿摄像机705移动。
在一些实施例中，系统700可包括能用控制器710操作的为系统提供光(诸如红外光)的光源，诸如光源701(例如，红外光源、可见光光源、或其它光源)。光源701可与摄像机705的光学元件集成在一起，该光学器件诸如光学器件703(例如，显微镜)，以经由光学器件703将期望波长的红外光提供到晶片组件730上。这样，即使探测器晶片734可由对红外光不透明的材料诸如外延材料形成，也可以使用红外光照亮对齐标记。
光源701可将光射入到摄像机705的光学通路中。例如，光源701可沿摄像机705的光学器件703的光学通路提供用于经由盖晶片722照亮对齐标记的具有期望波长的光，诸如使用一个或多个光学部件706(例如，分束镜、棱镜和/或透镜)提供该光。正如本领域的技术人员所理解的，可将光学部件706合并为光学器件703和/或光源501的一部分。因此，在切割设备与晶片组件730对齐操作期间，由于偏离角照射，所以可在不反射提供的光的情况下经由光学器件703(例如，显微镜)提供光以照亮晶片组件730。光源701可经由窗晶片向探测器晶片提供红外光。
可将晶片组件730安装到台诸如台702上。在某些实施例中，台702可以是配置为相对于静止切割设备使晶片组件730产生运动的两个或三个尺寸定位台。台702和/或切割设备704或733可以是可控制到必要精度，以产生在预定公差内的切割设备与晶片封装的对齐。例如，如果需要在0.003英寸公差内的对齐，则可将台702和/或切割设备704或733定位在0.001英寸公差内。
光学器件703可包括显微镜，该显微镜帮助经由盖晶片722观察探测器晶片734上的对齐标记或盖晶片722内表面的对齐标记，以帮助切割设备与晶片组件730的切割路线的对齐。显微镜可促进使用穿过盖晶片722的红外光诸如SWIR光成像对齐标记。
显微镜可具有任何期望的电源。因此，显微镜可具有单一电源、正电源和/或负电源。不同电源可用于切割操作的不同位置(例如，用于锯断盖晶片722以暴露用于晶片级电测试的电触点和用于锯断探测器晶片734以单个化单独的红外探测器封装或其它电路封装)。不同电源可用于对齐特征的不同尺寸或其它特性。
光学器件703可包括用于偏振滤波器、波长滤波器、偏振旋转器或能在响应于红外能和/或可见光产生图像之前光学处理来自晶片组件730的红外能和/或可见光的其它光学元件的任何期望的组合。本领域的技术人员应该意识到的，这种光学处理可以增强图像以更好地促进切割设备与晶片组件730的切割路线的对齐。
正本领域的技术人员所理解的，根据期望应用和具体需要，红外摄像机705可包括任何类型的红外探测器。例如，红外摄像机705可包括适合检测在约0.85至约1.7微米范围中的波长的砷化铟镓(InGaAs)红外探测器。可选择地或附加地，红外摄像机705可包括锑化铟(InSb)红外探测器和/或碲化汞镉(HgCdTe)红外探测器。
处理器诸如处理器707，可从红外摄像机705接收代表红外图像的信号。处理器707可电子地处理图像以使图像在对齐处理中更有用。例如，处理器707可电子地滤波图像，电子地放大图像，改变图像颜色，给图像增加人为颜色，添加或以其它方式混合或融合可见光和红外图像，整合多个图像，或以其它方式增强图像。
处理器707可向机器视觉设备709和/或显示器708提供代表处理的图像的信号样本。显示器708帮助人易于观察图像。在这种方式中，操作人员可手动移动台702和/或切割设备704和/或733，以产生关于晶片组件730的切割设备的期望对准。
处理器707可向机器视觉系统709提供代表处理的图像的信号。机器视觉系统709有助于自动控制对齐和/或切割处理。在这种方式中，机器视觉系统709的计算机或处理器可自动移动台702和/或切割设备704和/或733，以产生切割设备与晶片组件730的切割路线的期望对齐。可以使用手动和自动控制的任何期望的组合。
控制器710可从机器视觉系统709、处理器707和/或手动控制711接收控制信号。控制器710可向致动器729、切割设备704、切割设备733和/或台702提供驱动信号，以基于使用摄像机705经由盖晶片722观察到的对齐标记的图像促进关于晶片组件730的切割设备的期望运动。
本文公开的系统和方法提供了根据一个或多个实施例的例如变薄的电路封装，诸如变薄的红外摄像机结构和/或变薄的红外探测器。例如，根据该实用新型的实施例，公开了将整个IR摄像机电子器件、热管理和光学对齐功能集成到单个部件(例如，单个封装或芯片核心)中的红外摄像机结构。红外摄像机结构例如可代表用于设备和系统应用的易于设计的电子部件。还公开了根据一个或多个实施例的基于使用红外成像的WLP技术制造红外探测器的技术。
本文公开的红外摄像机可提供在常规红外摄像结构之上的某些优势。例如，用于该实用新型的一个或多个实施例的本文公开的技术，可提供更小型化的红外摄像机和降低的制造成本，并允许更高的批量生产。变薄的红外摄像机结构有助于减小电子设备的厚度，电子设备诸如手持电子设备，诸如摄像机和/或手机。该红外摄像机结构可进一步减小、简化、或省略复杂的校准过程、热管理、和光对齐设备，从而提供易于合成的并支持期望应用的变薄的红外摄像机。
本文描述了与红外探测器有关的部件和布置的各种具有实例。然而，这些当然仅是实例且不意指为限制性的。通常，本文描述的过程可用于执行具有多个衬底的任何半导体装置的晶片级处理操作，其中在晶片处理操作期间经由一个衬底的至少一部分观察对齐标记。
当结合该实用新型的只有有限数量的实施例详细描述该实用新型时，应该容易地理解，该实用新型不限制于这种公开的实施例。相反，可以更改该实用新型以合并没有在前面描述的任何数量的变更、更改、代替或等效的布置，但它们都与该实用新型的精神和范围相称。而且，在描述本实用新型各种实施例时，应该理解，该实用新型的方面可以包括仅有的一些描述的实施例。因此，该实用新型不被理解为限制于前面的描述，而仅限制于附属权利要求或其等价功能的范围。

Claims (17)

1.一种半导体设备，其特征在于，包括：
衬底，该衬底具有多个红外探测器元件阵列和多个读出集成电路，该多个读出集成电路分别与置于其上表面上的多个红外探测器元件阵列相互连接；
盖晶片，该盖晶片位于多个红外探测器元件阵列上方，该盖晶片对红外光基本上透明并具有对齐标记阵列，其中该衬底与提供晶片组件的盖晶片耦接；以及
多个封闭腔，该多个封闭腔封闭盖晶片和衬底之间的多个红外探测器元件阵列，并且其中封闭腔的每一个的尺寸和位置都对应于各个红外探测器元件阵列的封闭的一个。
2.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，该对齐标记阵列位于盖晶片内、盖晶片的内表面上、衬底的上表面上和/或衬底内。
3.根据权利要求2所述的半导体设备，其特征在于，该盖晶片的厚度使得由红外摄像机至少通过该盖晶片可观察该对齐标记阵列。
4.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，该多个封闭腔由盖晶片中的凹陷或介于中间的结构形成。
5.根据权利要求2所述的半导体设备，其特征在于，该盖晶片和/或衬底包括用于晶片级电测试的测试垫。
6.根据权利要求5所述的半导体设备，其特征在于，该晶片组件具有由对齐标记阵列限定的切割路线，以识别在哪里将晶片组件切割为分离的红外探测器。
7.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，盖晶片包括夹在窗层和台面层之间的氧化物层。
8.一种红外探测器，其特征在于，包括：
衬底，该衬底具有红外探测器元件的阵列和读出集成电路，该读出集成电路与该阵列相互连接并置于该阵列的上表面上；
位于该阵列上方的盖晶片，该盖对红外光基本上透明；
封闭腔，该封闭腔封闭该盖和该衬底之间的该阵列；以及
至少一个对齐标记，该至少一个对齐标记形成在盖内、盖的内表面上、衬底的上表面上和/或衬底内。
9.根据权利要求8所述的红外探测器，其特征在于，该盖包括变薄的半导体晶片的切割部分。
10.根据权利要求8所述的红外探测器，其特征在于，还包括该盖上的抗反射涂层。
11.一种摄像机，其特征在于，包括权利要求8所述的红外探测器。
12.一种电子设备，其特征在于，包括权利要求8所述的红外探测器。
13.一种用于制造红外探测器的系统，其特征在于，包括：
红外摄像机，该红外摄像机被配置为通过晶片组件的盖晶片捕获晶片组件上和/或晶片组件内的对齐标记的红外图像；
切割设备；以及
处理和控制设备，该处理和控制设备配置为从红外摄像机接收红外图像并基于接收的红外图像操作切割设备沿晶片组件的切割路线切断该盖晶片。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，该红外摄像机是短波红外摄像机，该系统进一步包括耦接到该红外摄像机的光学器件的光源，该光源通过该红外摄像机的该光学器件为该晶片组件照明。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，该光学器件包括红外摄像机上的显微镜。
16.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，该处理和控制设备包括机器视觉系统。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，该机器视觉系统被配置为在使用探测器晶片上的测试垫进行晶片组件的晶片级电测试之后，基于该红外图像操作切割设备沿晶片组件的切割线路切断该晶片组件的探测器晶片，该探测器晶片上的测试垫通过切断该盖晶片暴露。
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