DE102015121164A1

DE102015121164A1 - Wafer-Level-Packaging auf MEMS-Basis für thermoelektrische IR-Detektoren

Info

Publication number: DE102015121164A1
Application number: DE102015121164.5A
Authority: DE
Inventors: Arkadii Samoilov; Arvin Emadi; Nicole D. Kerness; Abhishek Sahasrabudhe
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2016-06-09
Also published as: US20160163942A1; CN105679927A; US10439118B2

Abstract

Eine Vorrichtung und Techniken zum Herstellen der Vorrichtung sind beschrieben, um ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil unter Verwendung von Verfahren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) auszubilden. In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil einen Thermosäulenstapel, enthaltend: ein Substrat, eine dielektrische Membran, eine erste thermoelektrische Schicht, ein erstes Zwischenschicht-Dielektrikum, eine zweite thermoelektrische Schicht, ein zweites Zwischenschicht-Dielektrikum, eine Metall-Verbindungsanordnung, eine Passivierungsschicht, wobei die Passivierungsschicht mindestens eins aus einem Graben oder einem Loch enthält, und wobei das Substrat einen Hohlraum benachbart zu dem mindestens einen Graben oder Loch enthält und eine Bond-Anschlussfläche, angeordnet auf der Passivierungsschicht und mit der Metall-Verbindungsanordnung elektrisch gekoppelt; und eine Kappen-Waferbaugruppe, mit dem Thermosäulenstapel gekoppelt, wobei die Kappen-Waferbaugruppe einen Wafer enthält, der einen auf einer Seite des Wafers ausgebildeten Hohlraum aufweist, so eingerichtet, dass er sich benachbart zum Thermosäulenstapel befindet.

Description

Querverweis zu in Zusammenhang stehenden Patentanmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Vorrang unter 35 U.S.C. § 119(e) der vorläufigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 62/087,459, eingereicht am 4. Dezember 2014, mit dem Titel „MEMS-Based Wafer Level Packaging For Thermo-Electric IR Detectors” (Wafer-Level-Packaging auf MEMS-Basis für thermoelektrische IR-Detektoren) und der vorläufigen US-Patentanmeldung Serien-Nr. 62/166,588, eingereicht am 26. Mai 2015, mit dem Titel „MEMS-Based Wafer Level Packaging For Thermo-Electric IR Detectors” (Wafer-Level-Packaging auf MEMS-Basis für thermoelektrische IR-Detektoren). Die vorläufige US-Patentanmeldung Serien-Nr. 62/087,459 und die vorläufige US-Patentanmeldung Serien-Nr. 62/166,588 sind in ihrer Gesamtheit durch Bezug darauf hier aufgenommen.
Hintergrund
Ein Thermosäulenfühler ist eine elektronische Vorrichtung, die Wärmeenergie in elektrische Energie umwandelt. Diese Fühler können mehrere verbundene Thermopaare verwenden, um eine Ausgangsspannung zu erzeugen, die proportional zu einer örtlichen Temperaturdifferenz (z. B. einem Temperaturgradienten) ist. Diese Thermosäulenfühler können für viele Anwendungen verwendet werden, wie etwa in der Medizintechnik, um die Körpertemperatur zu messen, in Wärmestromfühlern und/oder Gasbrenner-Sicherheitssteuerungen.
Zusammenfassung
Eine Vorrichtung und Techniken zum Herstellen der Vorrichtung sind beschrieben, um ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil unter Verwendung von Verfahren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) auszubilden. In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil einen Thermosäulenstapel, enthaltend: ein Substrat, eine dielektrische Membran, ausgebildet auf einer ersten Seite des Substrats, eine erste thermoelektrische Schicht, ausgebildet auf der dielektrischen Membran, ein erstes Zwischenschicht-Dielektrikum, ausgebildet auf der ersten thermoelektrischen Schicht und der dielektrischen Membran, eine zweite thermoelektrische Schicht, ausgebildet auf dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum, ein zweites Zwischenschicht-Dielektrikum, ausgebildet auf der zweiten thermoelektrischen Schicht und dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum, eine Metall-Verbindungsanordnung, elektrisch mit der ersten thermoelektrischen Schicht und der zweiten thermoelektrischen Schicht gekoppelt, eine Passivierungsschicht, angeordnet auf der Metall-Verbindungsanordnung und dem zweiten Zwischenschicht-Dielektrikum, wobei die Passivierungsschicht mindestens eins aus einem Graben oder einem Loch enthält, und wobei das Substrat einen Hohlraum benachbart zu dem mindestens einen Graben oder Loch enthält; und eine Bond-Anschlussfläche, angeordnet auf der Passivierungsschicht und mit der Metall-Verbindungsanordnung elektrisch gekoppelt; und eine Kappen-Waferbaugruppe, mit dem Thermosäulenstapel gekoppelt, wobei die Kappen-Waferbaugruppe einen Wafer enthält, der einen auf einer Seite des Wafers ausgebildeten Hohlraum aufweist, so ausgestaltet, dass er sich benachbart zum Thermosäulenstapel befindet. Eine elektronische Vorrichtung enthält einen mit dem Wafer-Level-Temperaturfühler gekoppelten Wafer-Level-Temperaturfühler. In einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Herstellen des Wafer-Level-Thermosäulenfühlers das Ausbilden eines Thermosäulenstapels auf einem Wafer-Level-Substrat und das Setzen eines Kappen-Wafers auf den Thermosäulenstapel.
Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form einzuführen, die nachstehend in der genauen Beschreibung weiter beschrieben sind. Diese Zusammenfassung soll keine Hauptmerkmale oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands angeben, noch soll sie als Hilfsmittel beim Bestimmen des Geltungsbereichs des beanspruchten Gegenstands verwendet werden.
Zeichnungen
Die genaue Beschreibung ist mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben. Die Verwendung derselben Bezugszahlen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung und in den Figuren kann auf ähnliche oder identische Elemente hinweisen.
1A ist eine schematische seitliche Teil-Schnittansicht, die einen Wafer-Level-Temperaturfühler in einer Drahtbond-Anordnung darstellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
1B ist eine schematische seitliche Teil-Schnittansicht, die einen Wafer-Level-Temperaturfühler in einer Durchkontaktierungs-Anordnung darstellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
1C ist eine schematische seitliche Teil-Schnittansicht, die ein Substrat und einen Thermosäulenstapel darstellt, ausgelegt für einen Wafer-Level-Temperaturfühler, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
1D ist eine schematische seitliche Teil-Schnittansicht, die eine Kappen-Wafer-Anordnung darstellt, ausgelegt für einen Wafer-Level-Temperaturfühler, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
1E ist eine schematische seitliche Teil-Schnittansicht, die eine Kappen-Wafer-Anordnung darstellt, ausgelegt für einen Wafer-Level-Temperaturfühler, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
1F ist eine schematische seitliche Teil-Schnittansicht, die einen Wafer-Level-Temperaturfühler mit einem Hohlraum zwischen einem Substrat und einer Basis zum Minimieren thermischer Gradienten darstellt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren in einem Ausführungsbeispiel zum Herstellen eines Wafer-Level-Temperaturfühlers darstellt, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers.
3A ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
3B ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
3C ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
3D ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
3E ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
3F ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
3G ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
3H ist eine schematische Schnitt-Seitenansicht, die die Fertigung eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, wie etwa des in 1A bis 1F gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühlers, gemäß dem in 2 gezeigten Verfahren darstellt.
Genaue Beschreibung
Übersicht
Eine Thermosäule setzt empfangene Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) in eine Spannung um. Diese Umwandlung ist durch die Verwendung thermoelektrischer Materialien im Thermosäulenfühler umgesetzt. Im Thermosäulenfühler erwärmt Strahlung eine Membran, die normalerweise durch die Verwendung geeigneter IR-absorbierender Schichten verstärkt ist. Die absorbierte IR-Strahlung erzeugt eine Wärme; die erzeugte Wärmemenge hängt von der Wärmeleitfähigkeit der Membran ab. Je niedriger die Wärmeleitfähigkeit der Membran, desto mehr Wärme wird erzeugt. Daher ist es beim Entwurf eines hochempfindlichen Fühlers wichtig, die Wärmeleitfähigkeit des Bereichs der IR-absorbierenden Membran zu reduzieren. Das Reduzieren der Wärmeleitfähigkeit kann umgesetzt sein, indem dafür gesorgt ist, dass das Silizium oder Substrat im Bereich der Membran entfernt ist, und dass das Gas in der Nähe der Membran eine niedrige und beherrschte Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Da die Empfindlichkeit und Reaktion des Thermosäulenfühlers stark von der Beherrschung der Wärmeleitfähigkeit der Membran abhängt, ist eine weitestgehende Beherrschung der Wärmeleitfähigkeit der Membran erwünscht. Daher sind Thermosäulenfühler gewöhnlich hermetisch abgedichtet. Jedoch sind hermetisch abgedichtete Gehäuse teuer, und ihre Herstellung in großen Mengen kann schwierig sein.
Demgemäß sind eine Vorrichtung und Techniken zum Fertigen der Vorrichtung beschrieben, um ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil unter Verwendung von Verfahren für mikroelektromechanische Systeme (MEMS) auszubilden. In einer oder mehreren Ausführungsformen enthält ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil eine Thermosäule, enthaltend: ein Substrat, eine dielektrische Membran, auf einer ersten Seite des Substrats ausgebildet, eine erste thermoelektrische Schicht, ausgebildet auf der dielektrischen Membran, ein erstes Zwischenschicht-Dielektrikum, ausgebildet auf der ersten thermoelektrischen Schicht und der dielektrischen Membran, eine zweite thermoelektrische Schicht, ausgebildet auf dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum, ein zweites Zwischenschicht-Dielektrikum, ausgebildet auf der zweiten thermoelektrischen Schicht und dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum, eine Metall-Verbindungsanordnung, mit der ersten thermoelektrischen Schicht und der zweiten thermoelektrischen Schicht elektrisch gekoppelt, eine Passivierungsschicht, angeordnet auf der Metall-Verbindungsanordnung und dem zweiten Zwischenschicht-Dielektrikum, wobei die Passivierungsschicht mindestens eins aus einem Graben oder einem Loch enthält, und wobei das Substrat einen Hohlraum benachbart zu dem mindestens einen Graben oder Loch enthält; und eine Bond-Anschlussfläche, angeordnet auf der Passivierungsschicht und mit der Metall-Verbindungsanordnung elektrisch gekoppelt; und eine Kappen-Waferbaugruppe, mit dem Thermosäulenstapel gekoppelt, wobei die Kappen-Waferbaugruppe einen Wafer enthält, der einen auf einer Seite des Wafers ausgebildeten Hohlraum aufweist, so ausgestaltet, dass er sich benachbart zum Thermosäulenstapel befindet. Eine elektronische Vorrichtung enthält einen mit dem Wafer-Level-Temperaturfühler gekoppelten Wafer-Level-Temperaturfühler. In einer Ausführungsform enthält ein Verfahren zum Herstellen des Wafer-Level-Thermosäulenfühlers das Ausbilden eines Thermosäulenstapels auf einem Wafer-Level-Substrat und das Setzen eines Kappen-Wafers auf den Thermosäulenstapel.
In einer Ausführungsform enthält das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil eine Basis, enthaltend: einen Stufenaufbau; ein auf dem Stufenaufbau angeordnetes Substrat, wobei die Basis, der Stufenaufbau und das Substrat einen ersten Hohlraum bilden, der einen thermischen Gradienten reduziert; eine erste Thermosäule, angeordnet auf dem Substrat; eine zweite Thermosäule, angeordnet auf dem Substrat; einen Widerstandstemperaturfühler, angeordnet auf dem Substrat; und eine Kappen-Waferbaugruppe, mit der Basis gekoppelt, wobei die Kappen-Waferbaugruppe, die Basis und das Substrat einen zweiten Hohlraum bilden, der die erste Thermosäule, die zweite Thermosäule und den Widerstandstemperaturfühler aufnimmt.
Eine Aufgabe, die der hier offenbarte Wafer-Level-Thermosäulenfühler löst, besteht darin, dass das Gas in der Nähe und in Kontakt mit der Thermosäule vollständig beherrscht sein kann, weil es einen Kappenwafer auf dem Thermosäulenfühler gibt, der auf Waferebene in einem Vakuum hermetisch abgedichtet ist. Dies ist ein Standard-MEMS-Verfahren mit viel niedrigeren Kosten als ein Fertigen eines einzelnen hermetischen Gehäuses für jeden Fühler.
Außerdem ist aufgrund der fragilen dielektrischen Membranen in einem Thermosäulenfühler mechanisches und manchmal sogar Laser-Vereinzeln an den Wafern von Thermosäulen anspruchsvoll und kostspielig. Durch das Setzen einer Kappenschicht auf die fragilen Membranen sind diese freistehenden Strukturen vor mechanischem Stoß während des Vereinzelns geschützt (z. B. vor Wasserstrahlen, beim Vorgang erzeugten Teilchen usw.).
Weiter befindet sich, wenn der Wafer-Level-Thermosäulenfühler alleinstehend verwendet ist und nicht weiter mit anderen Elementen in einem weiteren Gehäuse verpackt ist, die Optik des Wafer-Level-Thermosäulenfühlers auf derselben oder einer ähnlichen Temperatur, und bei Thermosäulenfühlern bekannte Gehäuseeffekte sind reduziert und können vernachlässigbar werden.
In der folgenden Beschreibung ist als Erstes ein beispielhaftes Halbleiterbauelement beschrieben. Dann sind beispielhafte Verfahren beschrieben, die verwendet werden können, um das beispielhafte Halbleiterbauelement herzustellen.
Ausführungsbeispiele
1A und 1B stellen eine Schnittansicht eines Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung dar. 1C und 1D stellen einen Thermosäulenstapel 122 bzw. eine Kappen-Waferbaugruppe 124 dar, die, wenn sie gekoppelt sind, einen beispielhaften Wafer-Level-Thermosäulenfühler bilden, wie etwa den Wafer-Level-Thermosäulenfühler 100, wie er in 1A und 1B dargestellt ist. Wie in 1C gezeigt, kann der Thermosäulenstapel 122 enthalten: eine dielektrische Membran 104, eine erste thermoelektrische Schicht 106, eine zweite thermoelektrische Schicht 110, ein erstes Zwischenschicht-Dielektrikum 108, ein zweites Zwischenschicht-Dielektrikum 112, eine Metall-Verbindungsanordnung 114 und/oder eine Passivierungsschicht 118.
Wie in 1A bis 1C gezeigt, enthält das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 ein Substrat 102. In Ausführungsformen kann ein Substrat 102 einen Siliziumwafer umfassen, wie etwa einen Halbleiterwafer, einen Trägerwafer und/oder einen Chip einer integrierten Schaltung. In einer bestimmten Ausführungsform enthält das Substrat 102 einen Silizium-Trägerwafer, der nicht vereinzelt wurde. In einigen Beispielen kann ein Substrat 102 darin ausgebildete integrierte Schaltungen enthalten. Außerdem kann das Substrat 102 darin ausgebildete elektrische Zwischenverbindungen enthalten (z. B. integrierte Schaltungen, Umverdrahtungsschichten, Durchkontaktierungen, Kontaktflächen, Metallleitwege usw.). In Ausführungsformen kann ein Hohlraum 126 in nachfolgenden Schritten in einen Teilbereich des Substrats benachbart zu einer dielektrischen Membran 104 geätzt werden. In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 102 einen durch einen zweiten Kappenwafer 148 gebildeten Hohlraum 126 enthalten. In dieser Ausführungsform kann das Substrat 102, wie in 1E dargestellt, auf der Rückseite (z. B. der distalen Seite vom Thermosäulenstapel 122) geätzt werden, um einen Hohlraum 126 auszubilden, und ein zweiter Kappenwafer 148 kann auf die Rückseite des Substrats 102 gesetzt werden.
Das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 enthält eine dielektrische Membran 104, ausgebildet auf dem Substrat 102, wie in 1A bis 1C dargestellt. Eine dielektrische Membran 104 kann fungieren, sich vom Substrat 102 zu erstrecken und einen in das Substrat 102 geätzten Hohlraum 126 abzudecken. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Membran 104 Siliziumdioxid (SiO₂) enthalten. Es ist angedacht, dass andere Materialien für die dielektrische Membran 104 verwendet sein können. In einigen Ausführungsformen kann die dielektrische Membran 104 ein oder mehrere Materialien und/oder Schichten enthalten. In einem Beispiel kann die dielektrische Membran 104 eine Siliziumdioxidschicht, eine Siliziumnitridschicht und eine Siliziumdioxidschicht enthalten. Die dielektrische Membran 104 sieht weiter Wärmeleitung zwischen einer warmen Lötstelle (z. B. dem hier beschriebenen Absorptionsstapel 120) und einer kalten Lötstelle (z. B. der Masse des Substrats 102) vor, was eine höhere Temperaturdifferenz zwischen dem Absorptionsstapel 120 und der Masse des Substrats 102 ergeben kann, wenn Wärme durch auf den Wafer-Level-Thermosäulenfühler 100 fallende elektromagnetische Strahlung (z. B. Licht) absorbiert wird.
Wie in 1A bis 1C dargestellt, ist eine erste thermoelektrische Schicht 106 zumindest über einem Teilbereich der dielektrischen Membran 104 ausgebildet, ist ein erstes Zwischenschicht-Dielektrikum 108 auf der ersten thermoelektrischen Schicht 106 und der dielektrischen Membran 104 ausgebildet, ist eine zweite thermoelektrische Schicht 110 zumindest auf einem Teilbereich des Zwischenschicht-Dielektrikums 108 ausgebildet und ist ein zweites Zwischenschicht-Dielektrikum 112 auf der zweiten thermoelektrischen Schicht 110 und dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum 108 ausgebildet. In einer Ausführungsform und wie in 1C dargestellt, können die erste thermoelektrische Schicht 106 und/oder die zweite thermoelektrische Schicht 110 diskontinuierlich ausgestaltet sein, oder können an getrennten Stellen auf der dielektrischen Membran 104 und/oder dem Substrat 102 ausgebildet sein. Die erste thermoelektrische Schicht 106 und die zweite thermoelektrische Schicht 110 bilden, wenn sie elektrisch gekoppelt sind, Thermopaare für die Thermosäulenvorrichtung des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100. In Ausführungsformen können die erste thermoelektrische Schicht 106 und/oder die zweite thermoelektrische Schicht 110 Materialien enthalten, wie etwa N-dotiertes Polysilizium, P-dotiertes Polysilizium, Metalle, wie etwa Aluminium oder Gold, und/oder legierte Halbleiter, wie etwa BiTe, BiSb usw. In Ausführungsformen können das erste Zwischenschicht-Dielektrikum 108 und/oder das zweite Zwischenschicht-Dielektrikum 112 Materialien enthalten, wie etwa Siliziumdioxid (SiO₂), ein Silikat (z. B. Tetraethylorthosilicat (TEOS)), Phosphorsilicatglas (PSG), Borphosphorsilicatglas (BPSG) oder eine Kombination.
Eine Metall-Verbindungsanordnung 114 wird dann auf und/oder in dem Substrat 102 und/oder dem Thermosäulenstapel 122 ausgebildet. In Ausführungsformen kann die Metall-Verbindungsanordnung 114 eine Kontaktfläche, eine Durchkontaktierung, eine Umverdrahtungsschicht, Metallleitungen usw. enthalten und kann die erste thermoelektrische Schicht 106, die zweite thermoelektrische Schicht 110 und/oder eine Bond-Anschlussfläche 116 elektrisch verbinden. Die Bond-Anschlussfläche 116 kann zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung vom Wafer-Level-Thermosäulenfühler 100 zu einer externen Vorrichtung (z. B. einer Leiterplatte 144) dienen. In einer Ausführungsform kann die Metall-Verbindungsanordnung 114 ein geeignetes leitfähiges Material zum Bereitstellen elektrischer Zwischenverbindungseigenschaften enthalten. Zum Beispiel können die Metall-Verbindungsanordnung 114 und/oder die Bond-Anschlussfläche 116 Aluminium oder andere geeignete Materialien enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform sind vielfache Sätze eines Elements in der ersten thermoelektrischen Schicht 106 über die Metall-Verbindungsanordnung 114 mit einem Element in der zweiten thermoelektrischen Schicht 110 elektrisch gekoppelt, die jeweils ein Thermopaar bilden. Diese Thermopaare bilden, wenn sie elektrisch in Reihe geschaltet sind, einen Thermosäulenfühler. Der Thermosäulenfühler (z. B. der Thermosäulenstapel 122) ist ausgestaltet, Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. In einer Ausführungsform kann der Thermosäulenfühler eine Ausgangsspannung auf Grundlage langwelliger Infrarotemissionen (LWIR-Emissionen) erzeugen.
Wie in 1A bis 1C gezeigt, ist eine Passivierungsschicht 118 über dem zweiten Zwischenschicht-Dielektrikum 112 ausgebildet und fungiert als abschließende Passivierungsschicht für den Thermosäulenstapel 122. Die Passivierungsschicht 118 kann Materialien enthalten, wie etwa SiO₂, PSG, TEOS, BPSG, Siliziumnitrid (SiN) usw. In einer Ausführungsform enthält die Passivierungsschicht 118 ein Phosphorsilicatglasmaterial (PSG-Material), das dazu dient, die verschiedenen Schichten des Thermosäulenstapels 122 zu isolieren. In den in 1A und 1B gezeigten Ausführungsformen enthält die Passivierungsschicht 118 mindestens einen Graben und/oder ein Loch, ausgebildet in der Passivierungsschicht 118 und sich von einem im Substrat 102 ausgebildeten Hohlraum 126 zur Oberfläche der Passivierungsschicht 118 (z. B. der Seite distal vom Substrat 102) erstreckend.
Außerdem kann die Passivierungsschicht 118 strukturierte Metallschichten (z. B. Titan, Aluminium, Kupfer usw.) enthalten, die einen Absorptionsstapel 120 bilden können. In einigen Ausführungsformen können diese strukturierten Metallschichten fungieren, mehr Infrarot-Energie zu absorbieren und zusätzliche Wärme zu erzeugen. Der Absorptionsstapel 120 kann vielfache Materialien (z. B. Materialschichten) enthalten und kann Absorptions- und/oder Reflexionsfunktion für den Wafer-Level-Thermosäulenfühler 100 vorsehen. In einer Ausführungsform enthält der Absorptionsstapel 120 eine erste Schicht, eine zweite Schicht (z. B. n-Polysilizium, amorphes Silizium, Germanium oder dergleichen) und eine dritte Schicht (z. B. Titan). In verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Schicht ein Material enthalten, das Reflexionseigenschaften vorsieht. Zum Beispiel kann die erste Schicht ein Aluminiummaterial mit einer Dicke im Bereich von ungefähr zwanzig Nanometern bis ungefähr einhundert Nanometern enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Schicht ein Langwellen-Infrarotmaterial (LWIR-Material) enthalten, das ein Phasenverschiebungsverhalten (z. B. ein Viertelwellen-Phasenverschiebungsverhalten) vorsieht. Zum Beispiel kann die zweite Schicht ein n-Polysilizium-Material, ein amorphes Silizium-Material oder ein Germanium-Material enthalten, und die zweite Schicht kann eine Dicke im Bereich von ungefähr fünfhundert Nanometern bis ungefähr siebenhundertundfünfzig Nanometern enthalten. In verschiedenen Ausführungsformen enthält die dritte Schicht ein Material, das Absorptions- und/oder Reflexionseigenschaften vorsieht. Zum Beispiel kann die dritte Schicht ein Titanmaterial mit einer Dicke im Bereich von ungefähr zwei Nanometern bis ungefähr fünf Nanometern enthalten. Es ist angedacht, dass der Absorptionsstapel 120 andere, zusätzliche Schichten enthalten kann.
In einer in 1A dargestellten Ausführungsform können das Substrat 102 und/oder der Thermosäulenstapel 122 ein Durchkontaktierungsloch 136, Durchkontaktierungsmetall 138 und/oder eine Umverdrahtungsschicht 140 enthalten. In diesen Ausführungsformen können das Durchkontaktierungsloch 136, das Durchkontaktierungsmetall 138 und/oder die Umverdrahtungsschicht 140 als eine elektrische Verbindung von der Bond-Anschlussfläche 116 und dem Thermosäulenstapel 122 zu einer externen Vorrichtung (z. B. einer Leiterplatte 144) dienen. In einer in 1B dargestellten Ausführungsform können die Bond-Anschlussfläche 116 und der Thermosäulenstapel 122 mit einer externen Vorrichtung oder Leiterplatte 144 unter Verwendung einer Anordnung mit Bonddraht 142 gekoppelt sein.
Wie in 1A bis 1B und 1D gezeigt, enthält das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 eine Kappen-Waferbaugruppe 124, ausgestaltet, mit dem Substrat 102 und dem Thermosäulenstapel 122 gekoppelt zu werden. In Ausführungsformen enthält die Kappen-Waferbaugruppe 124 einen Wafer 128. In Ausführungsformen kann der Wafer 128 einen Silizium-Wafer enthalten, in dem ein Hohlraum 146 ausgebildet ist. Der Hohlraum 146 definiert weiter eine Blende, in der IR-Energie in das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 eintritt. In anderen Ausführungsformen kann der Wafer 128 einen Silizium-Wafer ohne Hohlraum 146 enthalten. Außerdem kann die Kappen-Waferbaugruppe 124 mindestens eine auf dem Wafer 128 angeordnete Metall-Bond-Anschlussfläche enthalten, wobei die Metall-Bond-Anschlussfläche ausgestaltet sein kann, die Kappen-Waferbaugruppe 124 mit dem Thermosäulenstapel 122 zu koppeln.
Die Kappen-Waferbaugruppe 124 und der Wafer 128 können weiter mindestens ein optisches Filter 130, eine Linse und/oder mindestens eine Metallschicht 132 enthalten. Ein optisches Filter 130 kann auf einer oder beiden Oberflächen des Wafers 128 (z. B. den Seiten, die am nächsten zum und distal vom Thermosäulenstapel 122 angeordnet sind) angeordnet sein. Das optische Filter 130 kann fungieren, Licht und/oder Energie zu verstärken, die durch den Wafer 128 und die Kappen-Waferbaugruppe 124 hindurchgehen, indem es beispielsweise als Antireflexbeschichtung dient. Außerdem kann das optische Filter 130 dazu dienen, die Licht-/Energie-Wellenlänge auszuwählen, die durch die Kappen-Waferbaugruppe 124 hindurchgehen und den Thermosäulenstapel 122 erreichen kann. Einige Materialien, die für das optische Filter 130 verwendet werden können, können Germanium (Ge), Silizium (Si), Zinksulfid (ZnS), Zinkselenid (ZnSe), Yttriumfluorid (YF) usw. umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das optische Filter 130 eine Oberschicht auf Kohlenstoffbasis (z. B. einen diamantartigen Kohlenstoff (DLC)) enthalten, angeordnet auf der Oberfläche, die ausgelegt ist, der Umgebung ausgesetzt zu sein, um kratzfest zu sein. Einige andere Materialien, wie etwa ein dünnes Oxid (z. B. SiO₂, Y₂O₃ usw.) können auch als eine Oberschicht auf Kohlenstoffbasis verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Kappen-Waferbaugruppe eine Linse enthalten, ausgelegt, als lichtdurchlässige optische Vorrichtung zu fungieren, die durch Brechung auf hindurchtretendes Licht einwirken kann. In einer bestimmten Ausführungsform enthält die Kappen-Waferbaugruppe 124 eine über dem Thermosäulenstapel 122 angeordnete Linse. Es ist angedacht, dass sich die Linse in der Kappen-Waferbaugruppe 124 befinden kann, wie durch einen Fachmann bestimmt.
Die Kappen-Waferbaugruppe 124 und der Wafer 128 können weiter mindestens eine Metallschicht 132 enthalten, angeordnet zumindest auf einem Teilbereich mindestens einer Oberfläche des Wafers 128 (z. B. den Seiten, die am nächsten zum und distal vom Thermosäulenstapel 122 angeordnet sind). In Ausführungsformen kann eine Metallschicht 132 vor oder hinter einem optischen Filter 130 angeordnet sein. Zum Beispiel kann eine Metallschicht 132 an einer Oberfläche des Wafers 128 mit einem auf der Metallschicht 132 angeordneten optischen Filter 130 ausgebildet und/oder angebracht sein. In einem weiteren Beispiel kann eine Metallschicht 132 auf einem optischen Filter 130 angeordnet sein, das auf einer Oberfläche des Wafers 128 angeordnet ist. In noch einem weiteren Beispiel kann eine Metallschicht 132 nur auf einem Teilbereich der Oberfläche des Wafers 128 angeordnet sein. Einige Beispiele von Metallen, die als die Metallschicht 132 eingesetzt sein können, umfassen Aluminium, Gold, Nickel, Tantal, Titan usw. oder eine Kombination dieser Metalle. Es ist angedacht, dass andere Metalle und/oder Legierungen für die Metallschicht 132 verwendet werden können. Eine Metallschicht 132 kann fungieren, das Blickfeld des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 und den Winkel des Lichts zu definieren und festzulegen, das den Thermosäulenfühler erreichen kann.
In einigen Ausführungsformen kann eine Metallsäule 134 auf dem Wafer 128 und der Kappen-Waferbaugruppe 124 angeordnet sein. In diesen Ausführungsformen kann mindestens eine Metallsäule 134 auf den Wafer 128 gesetzt sein, ausgestaltet, die Kappen-Waferbaugruppe 124 mit der Passivierungsschicht 118 und dem Thermosäulenstapel 122 zu koppeln. In einer Ausführungsform kann die Metallsäule 134 Metalle enthalten, wie etwa Gold, Nickel, Tantal, Platin oder eine Kombination. Es ist angedacht, dass auch andere Metalle in der Metallsäule 134 verwendet werden können. In anderen Ausführungsformen kann die Kappen-Waferbaugruppe 124 mit dem Substrat 102 und dem Thermosäulenstapel 122 unter Verwendung einer Glassinterverbindung gekoppelt sein. Eine Glassinterverbindung kann eine Glasverbindung enthalten, wo das Verbindungsmaterial aufgeschweißt ist. Eine Glassinterverbindung kann auf unterschiedlichen Oberflächen verwendet sein, wie etwa der Passivierungsschicht 118, dem Substrat 102 (z. B. einer Siliziumoberfläche) und/oder einer Metalloberfläche, wie etwa Aluminium oder Titan, sowie anderen Glasmaterialien. In einem bestimmten Beispiel ist die Kappen-Waferbaugruppe 124 mit der Passivierungsschicht 118 unter Verwendung einer Glassinterverbindung gekoppelt.
Wie in 1A und 1B gezeigt, kann die Kappen-Waferbaugruppe 124 mit dem Thermosäulenstapel 122 und dem Substrat 102 in einem Vakuum gekoppelt sein, um ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 mit einer hermetischen Abdichtung auszubilden. Das Vakuum im Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 kann die Empfindlichkeit des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 erhöhen, verglichen mit Ausführungsformen, in denen ein Wärmefühler in einer Stickstoffumgebung eingehäust ist, wie etwa kostengünstige Thermosäulenfühler, eingehäust in einem TO-Gehäuse.
In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 eine Tandemfühler-Anordnung enthalten, wo ein erstes Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 benachbart zu einem zweiten Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 angeordnet ist. In dieser Ausführungsform kann das erste Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 eine Kappen-Waferbaugruppe 124 mit einer Blende enthalten, definiert durch einen Hohlraum 146 und eine über einem Teilbereich der Oberfläche des Wafers 128 ausgebildete Metallschicht 132. Das zweite Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 kann eine Kappen-Waferbaugruppe 124 enthalten, die vollständig durch eine Metallschicht 132 abgedeckt ist.
Zum korrekten Funktionieren des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 sollte der Temperaturgradient zwischen den kalten Lötstellen der ersten Thermosäule 154 und der zweiten Thermosäule 156 und dem Widerstandstemperaturfühler 150 minimiert sein. Die Temperatur des Widerstandstemperaturfühlers 150 sollte so nah wie möglich bei der Kaltlötstellentemperatur der ersten Thermosäule 154 und der zweiten Thermosäule 156 liegen. In vorherigen Thermosäulenbauteil-Konstruktionen werden seitliche Leiterplatten-Temperaturgradienten (aufgrund verschiedener Wärmequellen auf der Leiterplatte) oft durch ihre Keramikgehäusebasis direkt auf eine Thermosäule und den Widerstandstemperaturfühler übertragen, wenn das Bauteil direkt auf eine Leiterplatte gesetzt ist. Da der Widerstandstemperaturfühler den kalten Lötstellen der beiden Thermosäulen nicht genau folgt, gibt es oft einen Messfehler.
In einer bestimmten, in 1F dargestellten Ausführungsform kann ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 einen Hohlraum 160 enthalten, angeordnet zwischen dem Substrat 102 und einer Basis 152. Der Hohlraum 160 kann sich über die gesamte Länge zwischen dem Substrat 102 und der Basis 152 erstrecken oder kann sich nur teilweise über die Länge zwischen dem Substrat 102 und der Basis 152 erstrecken. Der Hohlraum 160 kann ein Vakuum enthalten oder kann ein Gas niedriger Leitfähigkeit enthalten (z. B. Luft, Stickstoff usw.). In einigen Ausführungsformen kann die Basis 152 Keramik enthalten. Es ist angedacht, dass die Basis 152 andere Materialien enthalten kann. Die Basis 152 kann mit einer Leiterplatte 144 oder einem anderen Bauteil gekoppelt sein, beispielsweise unter Verwendung einer Klebstoff- und/oder Lötverbindung. In dieser Ausführungsform kann das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 ein Substrat 102 mit einer ersten Thermosäule 154, einer zweiten Thermosäule 156 und/oder einem Widerstandstemperaturfühler 150 enthalten. In bestimmten Ausführungsformen kann das Substrat 102 ein Siliziumsubstrat enthalten, das als guter Leiter wirken und Wärmegradienten minimieren kann. In anderen bestimmten Ausführungsformen kann das Substrat 102 Keramik und/oder andere Materialien enthalten und kann eine Metallschicht 164 auf mindestens einer Seite enthalten. Zum Beispiel kann das Substrat 102 eine leitfähige gefaltete Schicht von 100 bis 200 μm auf einer Oberseite des Substrats 102 (z. B. der Seite mit der ersten Thermosäule 154) enthalten. In einem weiteren bestimmten Beispiel kann das Substrat 102 eine Metallschicht 164 am Boden (z. B. der Seite proximal zum Hohlraum 160) des Substrats 102 enthalten. In der in 1F gezeigten Ausführungsform kann das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 vielfache Thermosäulen (z. B. eine erste Thermosäule 154 und eine zweite Thermosäule 156) und einen integrierten Widerstandstemperaturfühler 150 enthalten. Jedoch kann das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 auch nur eine Thermosäule oder zusätzliche Thermosäulen enthalten oder kann keinen Widerstandstemperaturfühler enthalten. Ein Widerstandstemperaturfühler 150 kann einen Fühler enthalten, verwendet zum Messen einer Temperatur durch ein Korrelieren des Widerstandswerts des Widerstandstemperaturfühlers 150 mit der sich verändernden Temperatur. In einer bestimmten Ausführungsform kann der Widerstandstemperaturfühler 150 ausgestaltet sein, eine Temperatur zum Kalibrieren des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 vorzusehen.
Weiter kann bei der in 1F dargestellten Ausführungsform das Substrat 102 mit einer ersten Thermosäule 154, einer zweiten Thermosäule 156 und/oder einem Widerstandstemperaturfühler 150 in einer Basis 152 angeordnet und/oder in ihr aufgenommen sein. Wie in 1F gezeigt, kann die Basis 152 einen Bodenbereich enthalten, ausgestaltet, mit einem externen Bauteil gekoppelt zu werden, wie etwa einer Leiterplatte 144. Die Basis kann mindestens eine Stütze 162 enthalten, ausgestaltet, das Substrat 102 mechanisch und/oder elektrisch zu tragen, sodass es einen Hohlraum 160 gibt, der zwischen der Basis 152 und dem Substrat 102 angeordnet ist. In Ausführungsformen kann die Basis 152 einen Stufenaufbau 162 zum mechanischen und/oder elektrischen Stützen des Substrats 102 und/oder teilweisen Bilden des Hohlraums 160 enthalten. Der Stufenaufbau 162 kann einstückig mit der Basis 152 sein und/oder kann ein von der Basis 152 getrenntes Bauteil sein. Der Hohlraum 160 kann mindestens eine kalte Lötstelle in der ersten Thermosäule 154, der zweiten Thermosäule 156 und/oder anderen Thermosäulen gegen seitliche Wärmegradienten in der Leiterplatte 144 isolieren. Diese Isolierung der kalten Lötstelle ermöglicht es, dass das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 direkt auf die Leiterplatte 144 gesetzt wird (z. B. ohne eine Anschlussleitung oder ein anderes Verbindungselement) und ein Temperaturmessfehler aufgrund eines Wärmegradienten minimiert oder beseitigt wird.
In Ausführungsformen kann das in 1F dargestellte Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 eine Kappen-Waferbaugruppe 124 enthalten, die eine Deckel- und/oder Haubenanordnung enthalten kann. In diesen Ausführungsformen kann die Kappen-Waferbaugruppe 124 eine Haube und/oder einen Deckel aus Silizium und/oder einer Fe-Ni-Legierung (z. B. Kovar) enthalten. Ein Deckel kann einen flachen Wafer enthalten, der direkt mit der Basis 152 gekoppelt sein kann. Eine Hauben-Anordnung kann einen Deckel mit Ausläufern enthalten (wie in 1F gezeigt), der sich direkt mit der Basis 152 koppeln kann. Die Kappen-Waferbaugruppe 124 kann mit der Basis 152 so gekoppelt sein, dass sie zumindest teilweise einen Hohlraum 146 einschließt. Die Kappen-Waferbaugruppe 124 kann mit der Basis 152 unter Verwendung eines Epoxid- oder anderen Klebstoffs gekoppelt sein.
In einer bestimmten Ausführungsform kann ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 eine verbundene erste Thermosäule 154 und zweite Thermosäule 156 und einen integrierten Widerstandsthermosäulenfühler 150 enthalten, angeordnet auf einem Siliziumsubstrat 102. In einer weiteren bestimmten Ausführungsform kann ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 eine verbundene erste Thermosäule 154 und zweite Thermosäule 156 und einen integrierten Widerstandsthermosäulenfühler 150 auf einem Substrat 102 in Podestform enthalten.
Ein Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 mit einem Hohlraum 160 dient dazu, die erste Thermosäule 154, die zweite Thermosäule 156 und den Widerstandstemperaturfühler 150 von der Leiterplatte 144 zu isolieren, weil der Hohlraum 160 als Wärmeisolator zwischen der Basis 152 und den kalten Lötstellen der ersten Thermosäule 154 und der zweiten Thermosäule 156 dient. In diesen Ausführungsformen, die ein Siliziumsubstrat 102 und/oder einen Hohlraum 160 verwenden, können Wärmegradienten zwischen den kalten Lötstellen der ersten Thermosäule 154 und/oder der zweiten Thermosäule 156 und dem Widerstandsthermosäulenfühler 154 bedeutend reduziert sein und können eine genauere Temperaturmessung ergeben.
Beispielhafte Fertigungsverfahren
Die folgende Beschreibung stellt beispielhafte Techniken zum Fertigen eines Wafer-Level-Temperaturfühlers dar, wie etwa des in 1A bis 1D gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100. 3A bis 3F stellen einen Schnitt eines Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 während der Fertigung eines beispielhaften Temperaturfühlerbauteils 300 dar (wie etwa des in 1A bis 1D gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100).
3A gibt ein beispielhaftes Verfahren 200 zum Herstellen eines in 1A bis 1D gezeigten Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 wieder. In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Verfahren 200 geeignete komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Verarbeitungstechniken (CMOS-Verarbeitungstechniken) verwenden, um das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 (oder das Temperaturfühlerbauteil 300) zu fertigen.
Wie in 3A und 3B gezeigt, wird ein Thermosäulenstapel auf einem Substrat ausgebildet (Block 202). In einer oder mehreren Ausführungsformen kann das Ausbilden eines Thermosäulenstapels 322 auf einem Substrat 302 ein Empfangen eines Substrats 302 (z. B. eines Siliziumwafers) und ein Verwenden von CMOS-Verfahren zum Ausbilden des Thermosäulenstapels 322 enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Ausbilden des Thermosäulenstapels 322 und Empfangen des Substrats 302 ein Ausbilden einer Opferschicht (z. B. TEOS, Siliziumdioxid) enthalten, die ausgestaltet ist, anschließend an das Ausbilden des Thermosäulenstapels 322 weggeätzt zu werden. Zum Beispiel können Abscheidungsverfahren, wie etwa Lithographie, physikalische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung und/oder Ätzen verwendet werden, um den Thermosäulenstapel 322 und/oder die Opferschicht als Teil des Substrats 302 auszubilden. In einem bestimmten Beispiel können eine dielektrische Membran 304 und das erste Zwischenschicht-Dielektrikum 308 und das zweite Zwischenschicht-Dielektrikum 312 auf dem Substrat 302 unter Verwendung chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden, während die erste thermoelektrische Schicht 306 und die zweite thermoelektrische Schicht 310 unter Verwendung eines Sputterverfahrens ausgebildet werden können. Es ist angedacht, dass vielfache Abscheidungsverfahren verwendet werden können, um die einzelnen Schichten im Thermosäulenstapel 322 auszubilden. In einigen zusätzlichen Ausführungsformen können die einzelnen Schichten im Thermosäulenstapel 322 geätzt werden (z. B. Nassätzen. Plasmaätzen usw.), um eine gewünschte Struktur auszubilden. Zum Beispiel können eine erste thermoelektrische Schicht 306 und die zweite thermoelektrische Schicht 310 abgeschieden, maskiert und unter Verwendung eines Nassätzverfahrens (z. B. Flusssäure) geätzt werden, um Schichten auszubilden, die ausgestaltet sind, als ein Thermopaar und/oder eine Thermosäule zu fungieren.
Außerdem kann das Ausbilden des Thermosäulenstapels 322 ein Ausbilden einer Passivierungsschicht 318, einer Metall-Verbindungsanordnung 314 und einer Bond-Anschlussfläche 316 enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Ausbilden der Passivierungsschicht 318 ein Ausbilden eines Absorptionsstapels 320 enthalten. Das Ausbilden der Passivierungsschicht 318, einer Metall-Verbindungsanordnung 314, eines Absorptionsstapels 320 und/oder einer Bond-Anschlussfläche 316 kann ähnliche Abscheidungsverfahren wie die zuvor aufgeführten enthalten. Zum Beispiel kann die Passivierungsschicht 318 unter Verwendung chemischer Gasphasenabscheidung abgeschieden werden, während die Metall-Verbindungsanordnung 314 und die Bond-Anschlussfläche 316 unter Verwendung von Sputtern abgeschieden und selektiv geätzt werden. Das Ausbilden der Metall-Verbindungsanordnung 314 kann ein Ausbilden und/oder Aufbringen von Metall-Durchkontaktierungen, Kontaktflächen und/oder einer Umverdrahtungsschicht unter Verwendung von Abscheidungs- und/oder selektiven Ätzverfahren enthalten. In einem bestimmten Beispiel können Lithographie, Maskieren und selektives Ätzen verwendet werden, um die Metall-Verbindungsanordnung 314 und die Bond-Anschlussfläche 316 auszubilden, um die gewünschten Metallleitungen und -zwischenverbindungen zu erhalten. Wie oben beschrieben, kann der Absorptionsstapel 320 vielfache Metallschichten enthalten, um Absorptions- und/oder Reflexionseigenschaften zum Thermosäulen-Messen vorzusehen.
Anschließend an das Ausbilden der Passivierungsschicht 318 und des Thermosäulenstapels 322 kann mindestens ein Graben und/oder Loch in der Passivierungsschicht 318 und/oder dem Thermosäulenstapel 322 ausgebildet werden, was in 3C dargestellt ist. In einer Ausführungsform kann das Ausbilden des mindestens einen Grabens und/oder Lochs das Verwenden von Lithographie und eines Ätzverfahrens zum selektiven Ätzen der Passivierungsschicht 318 enthalten. In einer bestimmten Ausführungsform können das/die Loch/Löcher und/oder der/die Graben/Gräben in der Passivierungsschicht 318 unter Verwendung von Ätzen mit reaktiven Ionen ausgebildet werden.
Wie in 3D und 3E gezeigt, kann ein Hohlraum 346 in dem Substrat 302 ausgebildet werden, was ein Wegätzen des Substrats 302 und/oder einer Opferschicht 301 des Substrats 302 enthalten kann. In Ausführungsformen wird isotropes Ätzen, anisotropes Ätzen oder eine Kombination beider am Substrat 302 durch das/die in der Passivierungsschicht 318 ausgebildete(n) Loch/Löcher und/oder den/die Graben/Gräben durchgeführt. Das Ätzverfahren ist ausgestaltet, selektiv zu sein, sodass es nicht die Passivierungsschicht 318 entfernt und nur das Substrat 302 und/oder die Opferschicht 301 ätzt. In Ausführungsformen kann das Ätzverfahren ein Nassverfahren unter Verwendung von Kaliumhydroxid (KOH) und/oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) enthalten. In anderen Ausführungsformen kann das Ätzverfahren ein Trockenätzverfahren enthalten, wie etwa Plasmaätzen. In noch anderen Ausführungsformen kann ein kombiniertes Nass- und Trockenätzverfahren verwendet werden. In einem bestimmten Beispiel enthält das Ausbilden des Hohlraums 346 die Verwendung eines Ätzverfahrens zum Ätzen eines Hohlraums 346, dessen Tiefe ungefähr 50 μm bis ungefähr 250 μm beträgt. Im Allgemeinen kann ein tieferer Hohlraum 346 bewirken, dass das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 oder Temperaturfühlerbauteil 300 weniger empfindlich auf Gas ist. Beispielhafte, sich ergebende Strukturen sind in 3D und 3F dargestellt. In einigen Ausführungsformen können die verschiedenen, über dem Thermosäulenstapel 322 ausgebildeten Schichten dann geätzt werden, um mindestens eine Bond-Anschlussfläche 316 freizulegen.
In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 302 auf einen Stufenaufbau 362 und/oder eine Basis 352 gesetzt werden, wodurch ein Hohlraum 360 gebildet wird. In dieser Ausführungsform wird das Substrat 102 nicht geätzt, sondern enthält eine erste Thermosäule 354, eine zweite Thermosäule 356 und/oder einen Widerstandstemperaturfühler 350. Außerdem kann der Hohlraum 360 mit einem Gas niedriger Leitfähigkeit und/oder einem Vakuum gefüllt werden. In diesen Ausführungsformen kann das Substrat 302 mit der Basis 352 unter Verwendung von Durchkontaktierungen, Verdrahtung, Metallbahnen und/oder einer Umverdrahtungsstruktur elektrisch verbunden werden.
Dann wird eine Kappen-Waferbaugruppe auf den Thermosäulenstapel gesetzt (Block 204). In Ausführungsformen kann das Setzen der Kappen-Waferbaugruppe 324 auf den Thermosäulenstapel 322 enthalten: das Ätzen eines Wafers zum Ausbilden eines Hohlraums (z. B. unter Verwendung von Ätzen, wie etwa KOH, TMAH und/oder Tiefenätzen mit reaktiven Ionen), das Aufbringen mindestens einer optischen Filter- und/oder Metallschicht auf den Wafer und/oder das Ausbilden einer Metallsäule auf dem Wafer, ausgestaltet zum Koppeln der Kappen-Waferbaugruppe 324 mit dem Thermosäulenstapel 322 und/oder der Passivierungsschicht 318. Das Setzen der Kappen-Waferbaugruppe 324 auf die Passivierungsschicht 318 und/oder den Thermosäulenstapel 322 kann das Verwenden einer Metallsäule 334 und/oder eines Glassinterverbindungsverfahrens zum Koppeln der Kappen-Waferbaugruppe 324 mit der Passivierungsschicht 318 und/oder dem Thermosäulenstapel 322 enthalten. In einem bestimmten Beispiel kann das Aufsetzen der Kappen-Waferbaugruppe 324 das Aufsetzen einer Kappen-Waferbaugruppe 324 mit einer Deckel- und/oder Haubengestaltung auf die Basis 354 unter Verwendung eines Epoxid- oder anderen Klebstoffs enthalten. In Ausführungsformen wird das Verbindungsverfahren in einem Vakuum durchgeführt, und die tatsächliche Verbindung kann hermetisch abgedichtet sein. Die Gasumgebung des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 ist sehr beherrscht und gefeit gegen Drift, was die Empfindlichkeit des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 erhöht.
In einigen Ausführungsformen kann das Aufsetzen der Kappen-Waferbaugruppe 324 das Koppeln des Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteils 100 mit einer weiteren Vorrichtung enthalten, wie etwa einer Leiterplatte 344, unter Verwendung einer Drahtbond-Anordnung (z. B. eines Ausbildens eines Bonddrahts 142, der die Bond-Anschlussfläche 316 mit einer Leiterplatte 344 elektrisch koppelt) und/oder einer Durchkontaktierungs-Anordnung (z. B. eines Ausbildens eines Durchkontaktierungslochs 136, eines Durchkontaktierungsmetalls 138 und/oder einer Umverdrahtungsschicht 140, die die Bond-Anschlussfläche 316 mit einer Leiterplatte 144 elektrisch koppelt).
Geeignete Back-End-Bearbeitungstechniken können verwendet werden, um das Temperaturfühlerbauteil 300 und/oder das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 fertigzustellen. Zum Beispiel kann das Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil 100 aus einem Wafer vereinzelt werden, um ein einzelnes Temperaturfühlerbauteil auszubilden.
Schlussbemerkung
Obwohl der Gegenstand in einer Sprache beschrieben wurde, die spezifisch für Aufbaumerkmale und/oder Verfahrensvorgänge ist, versteht es sich, dass der in den angefügten Ansprüchen definierte Gegenstand nicht unbedingt auf die oben beschriebenen spezifischen Merkmale oder Vorgänge beschränkt ist. Vielmehr sind die oben beschriebenen spezifischen Merkmale und Vorgänge als beispielhafte Ausführungsformen der Ansprüche offenbart.

Claims

Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil, umfassend: einen Thermosäulenstapel, enthaltend ein Substrat; eine dielektrische Membran, ausgebildet auf einer ersten Seite des Substrats; eine erste thermoelektrische Schicht, ausgebildet auf der dielektrischen Membran; ein erstes Zwischenschicht-Dielektrikum, ausgebildet auf der ersten thermoelektrischen Schicht und der dielektrischen Membran; eine zweite thermoelektrische Schicht, ausgebildet auf dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum; ein zweites Zwischenschicht-Dielektrikum, ausgebildet auf der zweiten thermoelektrischen Schicht und dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum: eine Metall-Verbindungsanordnung, mit der ersten thermoelektrischen Schicht und der zweiten thermoelektrischen Schicht elektrisch gekoppelt; eine Passivierungsschicht, angeordnet auf der Metall-Verbindungsanordnung und dem zweiten Zwischenschicht-Dielektrikum, wobei die Passivierungsschicht mindestens eins aus einem Graben oder einem Loch enthält, und wobei das Substrat einen Hohlraum benachbart zu dem mindestens einen Graben oder Loch enthält; und eine Bond-Anschlussfläche, angeordnet auf der Passivierungsschicht und mit der Metall-Verbindungsanordnung elektrisch gekoppelt; und eine Kappen-Waferbaugruppe, mit dem Thermosäulenstapel gekoppelt, wobei die Kappen-Waferbaugruppe einen Wafer enthält, der einen auf einer Seite des Wafers ausgebildeten Hohlraum aufweist, so ausgestaltet, dass er sich benachbart zum Thermosäulenstapel befindet.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei das Substrat einen Siliziumwafer enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine Opferschicht enthält, die benachbart zur dielektrischen Membran angeordnet ist.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei mindestens eine aus der ersten thermoelektrischen Schicht und der zweiten thermoelektrischen Schicht mindestens eins aus n-dotiertem Silizium, p-dotiertem Silizium und einem Metall enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei die erste thermoelektrische Schicht und die zweite thermoelektrische Schicht eine Thermosäule bilden.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei die Passivierungsschicht einen Absorptionsstapel enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei die Kappen-Waferbaugruppe eine Metallschicht auf mindestens einer Oberfläche des Wafers enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 7, wobei die Metallschicht mindestens eins aus Aluminium, Gold, Nickel, Tantal und Titan enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei die Kappen-Waferbaugruppe ein optisches Filter auf mindestens einer Oberfläche des Wafers enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 9, wobei das optische Filter mindestens eins aus Germanium, Silizium, Zinksulfid, Zinkselenid und Yttriumfluorid enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei die Kappen-Waferbaugruppe einen Siliziumwafer enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei die Kappen-Waferbaugruppe eine Metallsäule enthält, ausgelegt, die Kappen-Waferbaugruppe mit dem Thermosäulenstapel zu verbinden.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, wobei die Kappen-Waferbaugruppe eine Linse enthält.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, weiter enthaltend einen zweiten Kappen-Wafer, der mit dem Thermosäulenstapel und dem Substrat gekoppelt ist, wobei der zweite Kappen-Wafer mit einer Seite des Substrats gekoppelt ist, die distal vom Thermosäulenstapel liegt.
Wafer-Level-Temperaturfühler nach Anspruch 1, weiter enthaltend eine Leiterplatte, die mit dem Wafer-Level-Temperaturfühler gekoppelt ist.
Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil, umfassend: eine Basis, enthaltend einen Stufenaufbau; ein Substrat, das auf dem Stufenaufbau angeordnet ist, wobei die Basis, der Stufenaufbau und das Substrat einen ersten Hohlraum bilden, der einen thermischen Gradienten reduziert; eine erste Thermosäule, angeordnet auf dem Substrat; eine zweite Thermosäule, angeordnet auf dem Substrat; einen Widerstandstemperaturfühler, angeordnet auf dem Substrat; und eine Kappen-Waferbaugruppe, die mit der Basis gekoppelt ist, wobei die Kappen-Waferbaugruppe, die Basis und das Substrat einen zweiten Hohlraum bilden, der die erste Thermosäule, die zweite Thermosäule und den Widerstandstemperaturfühler aufnimmt.
Wafer-Level-Temperaturfühler-Bauteil nach Anspruch 16, wobei der erste Hohlraum mindestens eins aus einem Vakuum und einem Gas niedriger Leitfähigkeit enthält.
Verfahren zum Fertigen eines Wafer-Level-Temperaturfühlers, umfassend: Ausbilden eines Thermosäulenstapels auf einem Substrat, wobei der Thermosäulenstapel enthält: ein Substrat; eine dielektrische Membran, die auf einer ersten Seite des Substrats ausgebildet ist; eine erste thermoelektrische Schicht, die auf der dielektrischen Membran ausgebildet ist; ein erstes Zwischenschicht-Dielektrikum, das auf der ersten thermoelektrischen Schicht und der dielektrischen Membran ausgebildet ist; eine zweite thermoelektrische Schicht, die auf dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum ausgebildet ist; ein zweites Zwischenschicht-Dielektrikum, das auf der zweiten thermoelektrischen Schicht und dem ersten Zwischenschicht-Dielektrikum ausgebildet ist; eine Metall-Verbindungsanordnung, die mit der ersten thermoelektrischen Schicht und der zweiten thermoelektrischen Schicht elektrisch gekoppelt ist; eine Passivierungsschicht, die auf der Metall-Verbindungsanordnung und dem zweiten Zwischenschicht-Dielektrikum angeordnet ist, wobei die Passivierungsschicht mindestens eins aus einem Graben und einem Loch enthält, und wobei das Substrat einen Hohlraum benachbart zu dem mindestens einen Graben oder Loch enthält; und eine Bond-Anschlussfläche, die auf der Passivierungsschicht angeordnet ist und mit der Metall-Verbindungsanordnung elektrisch gekoppelt; und Setzen eines Kappen-Wafers auf den Thermosäulenstapel.
Verfahren zum Fertigen eines Wafer-Level-Temperaturfühlers nach Anspruch 18, wobei der Wafer-Level-Temperaturfühler eine Silizium-Durchkontaktierung enthält.
Verfahren zum Fertigen eines Wafer-Level-Temperaturfühlers nach Anspruch 18, weiter umfassend: Setzen eines zweiten Kappen-Wafers auf eine Seite des Substrats, die distal vom Thermosäulenstapel liegt.