KR102091040B1 - 웨이퍼-레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이 - Google Patents

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마리온 지몬
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하이만 센서 게엠베하
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Abstract

본 발명은 실리콘 마이크로공학을 사용하여 생산되는 적어도 하나의 적외선-민감 픽셀을 포함하고, 실리콘 에지에 의해 둘러싸인 실리콘 기판 내의 단열 공동을 포함하고, 그리고 얇은 빔들에 의해 실리콘 에지에 연결되는 얇은 멤브레인을 포함하는 WLP의 열 적외선 센서 어레이에 관한 것이고, 공동은 실리콘 기판을 통해 멤브레인으로 연장되고, 멤브레인, 빔들 및 실리콘 에지 사이에 슬롯들이 존재한다. 본 발명은 센서 웨이퍼 및 진공-기밀 폐쇄에 대해 간단한 CMOS-호환가능 프로세스 기술을 포함하는 WLP의 고감도 센서를 제공하고, 게터 수단은 커버 웨이퍼의 필터 층들로부터 공간적으로 분리되는 방식으로 적용될 수 있다. 이것은, 복수의 적외선-민감 개별 픽셀들(14)이 일렬로 또는 어레이들로 배열되고 멤브레인(12)을 형성하는, 유전체 층(10λ)의 CMOS 스택으로 설계되고, 그리고 캡(cap) 형태로 설계되고 공동(20)을 가지는 적어도 하나의 커버 웨이퍼(1)와 베이스 웨이퍼(11) 사이에 배열되고, 커버 웨이퍼(1), 실리콘 기판(3) 및 베이스 웨이퍼(11)가 가스 진공을 에워싸고 진공-기밀 방식으로 서로 연결된다는 점에서 달성된다.

Description

웨이퍼-레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이
본 발명은 실리콘 마이크로머시닝(micromachining)을 사용하여 생산되는 적어도 하나의 적외선 민감 픽셀을 포함하고, 실리콘 기판 내에 단열 피트(pit) ― 상기 피트는 실리콘 에지(edge)에 의해 둘러싸임 ― 를 포함하고, 그리고 얇은 빔(beam)들에 의해 실리콘 에지에 연결되는 얇은 멤브레인(membrane)을 포함하는, 웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이에 관한 것이고, 슬롯(slot)들은 멤브레인, 빔들 및 실리콘 에지 사이에 위치된다.
적외선 서모파일(thermopile) 센서들 및 어레이들은 다양한 형태들 및 설계들로 충분히 알려졌다. 기판상에 실리콘 마이크로머시닝을 사용하여 생산되는 서모파일 센서들은 보통 얇은 멤브레인으로 이루어지고, 얇은 멤브레인 상에 얇은 필름 기술을 사용하여 생산되는 서모커플(thermocouple)들이 위치된다. 멤브레인 아래 기판 내에는 중공이 위치되고, 상기 중공은 실리콘 에지(지지 몸체)에 의해 둘러싸인다. 세장형 서모파일 엘리먼트들 형태의 서모커플들은 전도성 트랙들에 의해 서로 연결되는, 일 단부에 "핫(hot)" 콘택들 및 다른 단부에 "콜드(cold)" 콘택들을 가지며, "핫" 콘택들은 멤브레인의 중앙 부분 상에 또는 그 내부에 위치되고 "콜드" 콘택들은 히트 싱크(heat sink)로서 역할을 하는 실리콘 에지 상에 위치된다.
실리콘 에지와 멤브레인 사이에는, 멤브레인의 중앙 부분(흡수체 지역)을 히트 싱크(각각의 픽셀의 실리콘 에지)에 연결하고 하나 또는 그 초과의 서모커플들을 포함하는 길고 좁은 빔들(웨브(web)들)이 위치되고, 서모파일 엘리먼트들의 전도성 트랙들은 빔들 상에서 연장된다. 긴 빔들의 양쪽 측들 상에는, 중앙 부분 및 픽셀의 실리콘 에지, 즉 히트 싱크로부터 빔들을 분리하는 슬롯들이 위치된다.
적외선 방사선의 대부분의 흡수는 멤브레인의 중앙 지역에서 발생한다. 특히 높은 공간 해상도를 가진 어레이들의 경우에, 픽셀들은 작고 슬롯들은 매우 좁다. 센서의 충진 레벨을 증가시키기 위해, WO2013/120652 A1호에서 명백한 바와 같이, 적외선 스크린은, 더 큰 영역의 결과로서 더 많은 적외선 방사선을 흡수할 수 있도록, 멤브레인 또는 픽셀 위에 클램핑될 수 있다. 충진 레벨은 흡수 영역의 사이즈 대 픽셀 자체의 사이즈의 비율을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
빔들 상의 서모커플들은 비교적 히트 싱크(실리콘 에지) 가까이 위치되어, 더 많은 열이 이들 사이에 위치된 가스를 통해 히트 싱크로 유동할 수 있다. 이것은 신호 손실을 초래한다. 이에 대응하기 위해, 서모파일 적외선 어레이 센서들의 진공 밀봉이 일반적으로 시도된다.
예컨대 표면 마이크로머시닝을 사용하여 생산되는 소위 캡슐화된 서모파일 센서들은, Arndt, M. 및 Sauer, M.으로부터의 2004년, 비엔나의 Proc. IEEE Sensors 2004의 1, 252-255권의 "Spectroscopic carbon dioxide sensor for automotive applications"로부터 명백한 바와 같이, 문헌에서 알려졌다. 이 경우에, 멤브레인 내의 슬롯들은 아래에 공동을 생성하는데 사용된다. 공동은 슬롯들을 통한 이방성 에칭에 의해 생성되고, 멤브레인 아래의 실리콘만을 에칭 액체에 의해 에칭되는 효과를 달성하기 위해 주변 전자 장치의 보호가 필요하다. 이 어레인지먼트 상에 본딩되는 추가 웨이퍼는 기밀 밀봉 캡슐화를 생성하는데 요구된다. 캡슐화가 없으면, 열은 다시 공기로 그리고 또한 공동을 둘러싸는 측방향 실리콘 벽들로 방출될 것이다. 캡슐화 때문에, 상기 열은 더 이상 가스를 통해 탈출할 수 없다.
US 8 519 336 B2호는, 적외선 수신기가 반사 층 위에 위치되는 구성을 제안한다. 평가 회로는 아래 놓인 회로상에 위치된다. 이것은, 3개의 실리콘 기판(웨이퍼들)이 결합되는 시스템을 포함한다. 요구된 수신 유닛은 수신 유닛 직접 근접하여 위치된 압력 감소 및 밀봉 피트 위의 서모파일로 이루어진다.
게다가, 반사 재료, 이를테면 예컨대, 금 또는 알루미늄으로 구성된 반사 층은 수신 유닛 아래에 위치되어, 수신 유닛에서 주로 검출되지 않은 적외선 방사선이 반사되어 수신 유닛 상으로 다시 포커싱되고 검출의 새로운 가능성을 위해 이용가능하다.
검출 유닛이 평가 회로에 전기적으로 연결되어야 하고, 이것이 예컨대 도금된 관통 홀들(관통 실리콘 비아들)에 의해 달성될 수 있다는 것은 말할 필요도 없다. 그러나, 이런 변형은 높은 정렬 정확도를 요구하는데, 그 이유는 실제로 전기 연결들을 생성할 수 있기 위해 웨이퍼들이 서로 매우 정확하게 정렬되어야 하기 때문이다.
CN 103148947 A호는 서모파일 검출기의 응답 레이트를 증가시키는 웨이퍼 레벨 패키징 구조를 설명한다. 그 목적을 위해, 서모파일 구조는 플립 칩(flip chip) 기술에 의해 PCT(Printed Circuit Board) 상에 적용된 인버팅된 실리콘 웨이퍼 상에 위치된다. 서모파일 구조의 핫 콘택들은 멤브레인 상에 위치되고 서모커플들을 통해 콜드 콘택들에 연결된다. IR 반사 층은 투과된 적외선 방사선의 부분들을 부분적으로 다시 멤브레인 상으로 반사시키고 그리고 IR 방사선의 이 부분을 다시 검출할 수 있기 위해 PCB 상에 위치된다.
이런 어레인지먼트에서, 실리콘 웨이퍼 자체의 실리콘은 렌즈로서 사용된다. 그런 설계는, 먼 대상들이 렌즈의 짧은 초점 길이로 인해 어렵게만 검출될 수 있기 때문에 센서(서모파일 구조)에 비교적 근접한 온도 측정들에 주로 적당한 것으로 보인다.
게다가, US 2008/0128620호는 3개의 본딩된 웨이퍼들을 포함하는 시스템을 설명하고, 복수의 서모파일들은 다른 2개의 웨이퍼들 사이에서, 박형(thinned) 웨이퍼 상에 위치되고, 그리고 상부 및 하부 웨이퍼들은 서모파일들을 둘러싸는 피트가 각각 제공된다. 이 어레인지먼트에서, 하부 웨이퍼에서, 실리콘 베이스는 서모파일용 웨이퍼에 피트를 에칭함으로써 제공된다. 제2, 중간 웨이퍼는, 얇은 멤브레인만이 남겨지는 정도로 박형화된다. 연결된 전자 장치를 가진 서모파일은 상기 얇은 멤브레인 상에 구성된다. 반도체성 재료로 구성된 캡(cap) ― 즉 상부 웨이퍼 ―은, 멤브레인이 실리콘 베이스 상에 본딩된 이후 얇은 멤브레인 상에 본딩된다.
그런 어레인지먼트의 단점은, 서모파일이 박형 웨이퍼 상에 이후에 분명히 적용된다는 사실에서 볼 수 있는데, 이는 매우 복잡하다.
여기서 서모파일은 2개의 피트들 사이에 슬롯들 또는 개방 채널들 없이 멤브레인 상에 적용된다. 게다가, 가스에 의한 열 전달을 방지하기 위해 서모파일 둘레에 진공이 필요하다. 진공을 생성하는 것은 부가적으로 양쪽 피트들에 게터(getter) 재료를 필요로 하고, 이는 매우 비싸다.
CMOS 프로세스와 이런 생산 프로세스의 호환성은 신호 프로세싱에 대해 제한되고 복잡한 생산 방법들을 요구한다.
EP 2 172 755 A1호는 전면 측 상에 대역통과 필터 및 진공 공동을 포함하는 적외선 센서에 관한 것이다. 진공 공동에서, 온도 센서는 센서 위의 미리정의된 거리에 위치된다. 온도 센서는 동시에 공동의 최상부 측을 구성한다.
게다가, EP 2 172 755 A1호는, 센서 아래에 경사진 벽들을 가진 개구가 전체 기판 웨이퍼를 통과하는 웨이퍼를 갖는 해결책을 설명한다. 상기 개구를 기밀적으로 폐쇄하기 위해, 일종의 베이스 웨이퍼가 사용된다. 경사진 피트들의 드라이브 인(drive in) 또는 습식 화학 에칭에 의한 기밀 밀봉의 이런 해결책은 단일 엘리먼트 센서들에 대해서는 충분하지만, 매우 큰 센서 또는 FPA(focal plane array) 지역들을 유도할 많은 개별 센서들/픽셀들을 가진 서모파일 센서 어레이들에 대해서, 이는 칩 자체뿐 아니라 연관된 광학기기들의 비용들을 크게 증가시킨다. 웨이퍼의 후면 측 상의 마스크와 전면 측 상의 멤브레인 사이에 필요한 오프셋은 많은 픽셀들의 소형화된 어레인지먼트를 방해한다. 그러므로, d < 400 ㎛인 작은 픽셀들은 생산가능하지 않다.
이어서, 더 커지게 된 센서 또는 FPA 지역의 결과로서, 픽셀들의 수의 감소 및 이에 따른 열화된 광학 이미징에 의해서만 시도된 소형화가 가능할 것이다.
US 7 180 064 B2호에서, 적외선 센서 패키지는 외부 영향들에 대해 멤브레인을 보호하는데 사용된다. 여기서 서모파일 칩은 멤브레인 내에 천공들을 가지지 않고, 천공들을 통해 멤브레인을 통해 핫 콘택들로부터 실리콘 싱크로 열 전달이 감소될 수 있다. 게다가, 센서 어레인지먼트의 진공 폐쇄에 관한 징후들이 없고, 그리고 이것이 상당히 더 낮은 경비로 표준 대기 하에서 생산을 가능하게 하지만, 다른 한편으로 작은 픽셀들의 경우에 충분히 높은 신호 분해능을 막는다. 실리콘 엘리먼트들 사이의 연결은 필수적으로 기밀 밀봉된 패키지를 유도할 필요가 없으며, 또는 게터 매체들은 상부 및 하부 피트들에 서로 독립적으로 적용되어야 할 것이고, 이는 비용들을 증가시킬 것이다.
US 2012/0319303 A1호는 높은 비유전율(relative permittivity)을 가진 가스의 감금과 함께 금속 합금을 포함하는 마이크로공학 시스템들에 대한 기밀 밀봉에 관한 것이다.
게다가, US 5 323 051호는 반도체 웨이퍼 레벨 패키지를 설명하고, 캡슐화 웨이퍼는, 웨이퍼가 개별 칩들로 다이싱(dice)되기 전의 구조들을 가진 실제 웨이퍼 상에 적용된다.
US 2006/0016995 A1호는 캡 칩으로 지칭되고 포커싱을 위해 집적 렌즈 표면을 포함하는 캡을 포함하는 패키지의 마이크로구조화된 적외선 센서를 설명한다. 그러나, 그런 해결책은 단일 엘리먼트 센서들의 비교적 큰 픽셀들에 대해서만 적절하다.
US 2005/0081905 A1호는 피트 위에 멤브레인을 포함하는 서모파일 적외선 패키지를 개시하고, 캡은 마찬가지로 밀봉 목적들을 위해 기판에 적용된다. 멤브레인 아래의 피트를 밀봉하는 것이 필요하지 않지만, 멤브레인 아래에 위치된 가스를 통해 멤브레인 아래로 열 전달이 가능하고 멤브레인 위의 피트 밀봉의 실제 효과는 상실된다.
마지막으로, DE 10 2004 020 685 B3호는 게터 층을 포함하는 적외선 센서를 설명하고, 피트는 천공된 멤브레인 지역 바로 아래에 위치된다. 이 어레인지먼트는 커버 웨이퍼로 커버된다.
요약하면, 상기 문헌들 중 어느 것도 CMOS 호환가능 프로세스에서 생산가능한 작은 픽셀들을 포함하는 고해상도 적외선 센서 어레이를 설명하지 않고, 센서 픽셀 아래 공동 상에 반사 층들의 간단한 배치를 허용하지 않고 그리고 개별 게터 매체를 적용함으로써 기밀적으로 밀봉될 수 없는 것이 언급될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은 센서 웨이퍼 자체에 대한 간단한 CMOS 호환가능 프로세스 기술과 웨이퍼 레벨에서 진공 기밀 폐쇄를 갖는 작은 픽셀들을 포함하는 웨이퍼 레벨 패키지의 고감도 서모파일 적외선 어레이 센서를 특정하는 데 있고, 이로 인해 진공 기밀 폐쇄에 일반적으로 사용되는 게터 매체가 커버 웨이퍼의 필터 층들로부터 공간적으로 분리되어 적용되는 것이 추가로 가능하다.
본 발명이 기반하는 목적은 독립항의 특징부들에 의해 달성된다.
본 발명의 추가 구성들은 연관된 종속항들로부터 명백하다.
적외선 센서의 감도는 또한, 특히 적외선 센서를 둘러싸는 가스를 통한 열 소산에 종속하고, 그리고 진공 기밀 패킹(packing)에 의해 증가될 수 있다. 가스를 통한 열 전도의 결과로서 신호 손실들은 진공 기밀 하우징에 존재하지 않는다. 그러나, 구성 및 연결 기술의 종래의 진공 하우징들은 필요한 진공 기밀성을 달성하기 위해 재료 및 비용들 측면에서 높은 지출을 수반한다. 심지어 일반적인 칩 접착 본딩은 가스배출들 및 누설 때문에 비용 및 문제 요인이 될 수 있다.
대조하여, 웨이퍼 레벨에서 패키징 및 진공 기밀 밀봉은 비용 효율적으로 그리고 대량 생산에 적절한 방식으로 실현될 수 있다. 필요한 진공 기밀성은 커버 웨이퍼 및 하부측 베이스 웨이퍼에 의한 서모파일 센서 웨이퍼의 캡슐화에 의해 달성된다.
본 발명은 실리콘 마이크로머시닝을 사용하여 생산되고 그리고 단열 피트(공동)가 전면 측으로부터 희생 층을 에칭 아웃함으로써가 아닌, 오히려 웨이퍼 후면 측으로부터 에칭 아웃함으로써 얇은 멤브레인 아래에 형성되는 적어도 하나의 작은 민감 서모파일 엘리먼트(픽셀)를 포함하는 열 적외선 센서 칩에 관한 것이다
이 경우에, 칩은 커버 및 하부측 베이스와 함께 진공 기밀 방식으로 밀봉된다. 커버는 커버가 진공 하에서 구부러지는 것을 방지하기 위해 특정 최소 두께(예컨대, 몇백 마이크로미터)를 가져야 한다. 그러나, 다른 한편, 커버는 또한 커버에서 IR 방사선의 흡수를 낮추기 위해, 너무 두껍지 않아야 한다.
멤브레인은 적어도 하나의 개구(예컨대, 슬롯)를 가져서, 가스가 최상부 측으로부터 하부측으로 교환되는 것을 허용한다. 2개의 측들(커버 웨이퍼 또는 베이스 폐쇄부) 중 하나 또는 양쪽 측들 상에는, 게터 매체가 장기간 안정적으로 기밀도(예컨대, 진공)를 보장하기 위해 바람직하게 도입된다. 게터 매체가 베이스 폐쇄부 상에만 위치되고, 커버 웨이퍼가 광학 반사방지 층을 포함하는 경우 특히 유리하다. 커버 웨이퍼 상에 반사방지 층들 및 게터 매체의 동시 적용은 종종 기술적 문제들을 수반한다.
열 민감 개별 픽셀은 바람직하게 서모파일 구조를 포함하지만, 다른 열 적외선 센서 타입들, 이를테면, 예컨대 초전 센서들 또는 볼로미터들도 또한 가능하다.
픽셀 또는 픽셀들의 사이즈는 400 ㎛ 미만, 바람직하게 100 ㎛ 미만이다.
예로써 설명된 서모파일 픽셀은 웨이퍼로부터 생산된 실리콘 칩으로 이루어진다. 마이크로시스템 기술의 특정 CMOS 호환가능 방법들은, 실제 CMOS 프로세스 이후, 예컨대 얇은 유전체 층, 이를테면 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 이들의 조합 상에 위치된 센서 엘리먼트들(픽셀)의 생산을 유도한다. 후면 측으로부터 웨이퍼를 통한 피트의 드라이빙(driving)은 전면 측 상의 상기 유전체 층들로 구성된 얇은 멤브레인들을 야기한다. 핫 콘택들 및 또한 열전 엘리먼트들은 멤브레인들 상에 위치된다. 멤브레인의 중앙 부분의 핫 콘택들의 지역과 실리콘 싱크(즉 피트를 둘러싸는 에지) 사이에는, 멤브레인의 슬롯들에 의해 멤브레인의 중앙 부분 및 실리콘 싱크로부터 단열되고 따라서 핫 콘택들로부터 실리콘 싱크로 열 전달을 감소시키는 빔들 상에 서모커플들이 위치된다.
생산 비용들을 낮추기 위해, 웨이퍼-레벨 패키징이 효율적이고 비용-절약 대안으로서 사용된다. 이 경우에, 웨이퍼 어셈블리지의 서모파일 센서는 커버 웨이퍼와 하부측 베이스 웨이퍼 사이에서 진공-기밀 방식으로 폐쇄된다. 커버에는 픽셀 가까이에 벌지(bulge)(공동)가 제공되고, 적외선-투과 반사방지 층은 바람직하게 센서 엘리먼트 상으로 최대 투과를 가진 적외선 방사선을 지향시키기 위해 커버의 양측들 상에 위치된다. 커버 웨이퍼의 일 측 또는 양측들 상의 반사방지 층은 또한 예컨대 특정 파장 범위들을 차단하기 위해 필터(소위 롱-패스(long-pass) 또는 대역통과 필터) 특성들을 가질 수 있다.
개별 픽셀들은 멤브레인들로 이루어지고, 멤브레인들 각각은, 가스 교환이 슬롯들을 통해 발생할 수 있도록 천공된다. 개별 픽셀들 아래에는, 피트가 위치되고, 피트는, 후면 측 상에서 드라이브 인되어, 웨이퍼를 통해 연장된다. 이어서, 결과로서 발생하는 멤브레인은 실리콘 싱크로부터 분리되고 단지 얇은 웨브들(빔들)을 통해 실리콘 싱크에 연결된다. 상기 피트는 이상적으로, 높은 픽셀 밀도를 달성하기 위해 수직 벽들을 가진다. 이는 후면 측으로부터 깊은 실리콘 에칭(소위 DRIE 프로세스)에 의해 생성될 수 있다. 이것은, 활성 지역들을 가진 전면 측이 가능한 최대로 범위까지 보호되는 간단하고 CMOS-호환가능 변형이다. 결과로서, 전면 측의 복잡한 보호는 필요하지 않다. 수직 벽들은 낮은 열 전도율을 가진 가스들, 이를테면 Kr, Ar로 충진되는 경우에서도 히트 싱크까지 더 긴 경로 길이를 제공한다.
다른 생산 방식들은 또한 물론, 상기 피트를 생산하기 위해 가능하다.
복수의 유전체 층들 및 집적된 이중 폴리실리콘 서모커플들을 포함하는 층은 멤브레인들 상에 위치된다.
추가 실시예에서, 높은 제벡 계수(Seebeck coefficient)를 가진 재료들로 구성된 서모커플들은 멤브레인 스택 상에 위치된다. 비결정질 실리콘 층들, 실리콘-게르마늄 층들 및 또한 특정하게 주입된 층들이 가능하다.
커버는 실리콘으로 구성될 수 있고; 적외선 범위에서 충분한 투명성을 가진 다른 재료들, 이를테면 유리 기판들 또는 다른 유기 및 무기 재료들은 필요한 광학 특성들에 대한 요건들을 충족하기 위해 또한 가능하다.
커버 상에 위치된 적외선 코팅은 검출될 적외선 범위의 요건들에 부합하는 다양한 재료들 및 또한 재료 복합물로 이루어질 수 있다.
베이스 웨이퍼는 실리콘 또는 다른 재료들, 이를테면 유리로 이루어질 수 있다. 센서쪽 방향으로 베이스 웨이퍼 상에는, 이상적으로, 투과된 적외선 방사선을 다시 멤브레인의 중앙 부분쪽으로 반사시키는 역할을 하는 반사 층이 위치된다. 상기 층은 센서 웨이퍼와의 어셈블리 전에 비교적 간단히 하부 베이스 웨이퍼 상에 적용될 수 있다.
금속들, 이를테면 알루미늄, 금, 은, 티타늄 질화물 및 다른 재료들이 가능하다. 금속 층은 전체 영역에 걸쳐 그렇지 않으면 구조화된 방식으로(단지 멤브레인들 바로 아래만) 제공된다.
커버 웨이퍼 및 베이스 웨이퍼로 센서 칩의 폐쇄 전에, 게터 매체는 바람직하게 일 측(예컨대, 베이스 웨이퍼) 상에 도입되고, 슬롯들에 의해 게터 매체는 또한 커버 웨이퍼 아래의 공동에 도달하여 영구적 기밀도를 제공할 수 있다. 이런 생산은 간단하고 CMOS가 중요하지 않다. 게다가, 이에 따라 게터 매체는 필터 층들과 콘택하지 않는다.
본 발명은 예시적인 실시예들에 기반하여 아래에 더 상세히 설명된다.
도 1은 3개의 개별 픽셀들을 포함하는 본 발명에 따른 캡슐화된 서모파일 센서 어레이의 기본 구성의 개략적인 예시를 도시한다.
도 2는 개별 센서의 구성 변형의 단면 예시를 도시한다.
도 3은 서로의 상부에 놓이고 천공(perforation) 슬롯들에 의해 서로 분리되는 폴리실리콘 전도성 트랙들을 포함하는 본 발명에 따른 픽셀 발췌의 평면도를 도시한다.
도 4는 멤브레인들의 중앙 부분 상에 4개의 픽셀들 및 개별 방사선 컬렉터(collector)를 포함하는 본 발명에 따른 적외선 서모파일 센서의 구성 변형을 도시한다.
도 5는 웨이퍼-레벨 패키지의 본 발명에 따른 적외선 서모파일 센서의 도면을 도시한다.
도 6은 베이스 폐쇄부 상에 게터 매체를 포함하는 본 발명에 따른 적외선 서모파일 센서의 구성 변형을 도시한다.
도 7은 커버 및 베이스 폐쇄부를 포함하는 본 발명에 따른 적외선 서모파일 센서 웨이퍼의 진공-기밀 폐쇄부를 도시한다.
도 8은 커버 및 베이스 폐쇄부 내 공동을 포함하는 본 발명에 따른 적외선 서모파일 센서 웨이퍼의 진공-기밀 폐쇄부를 도시한다.
도 1은 커버 웨이퍼(1)를 포함하고, 그리고 베이스 웨이퍼(11) 상에 배열된 실리콘 기판(3) 상에 하부 절연 층을 포함하는 CMOS 스택(10)으로 이루어진, 측정 대상으로부터 적외선 방사선을 수신하기 위해 일렬로 3개의 개별 픽셀들(14)을 포함하는 기밀 밀봉된 서모파일 센서 어레이들을 포함하는 본 발명에 따른 WLP(wafer-level package)의 기본 구성을 도시한다. 각각의 개별 픽셀(14)은 "핫(hot)" 콘택들(2)을 가진 실리콘 기판(3) 내 피트(8) 위의 멤브레인(12), 적외선 서모파일 구조 및 멤브레인(12)을 실리콘 싱크(sink)(9) 상의 에지(13)에 연결하는 빔들(4)로 이루어진다. 멤브레인(12)은 하부 절연 층(10'), 이를테면 실리콘 이산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 탄화물 또는 이들의 조합, 및 그 위에 위치된 CMOS 스택(10)으로 이루어진다.
적외선-민감 개별 픽셀들(14)은 또한 볼로미터(bolometer)들 또는 초전(pyroelectric) 센서들로 구성될 수 있다.
커버 웨이퍼(1)는 CMOS 스택(10) 위 내부 측 상에 공동(20)을 가진 캡형(caplike) 방식으로 구성되고, 공동은 3개의 개별 픽셀들(14)을 에워싼다.
서모파일 구조에 속하는 "콜드(cold)" 콘택들(예시되지 않음)은 마찬가지로 실리콘 싱크(9) 상에 위치된다. 평가 전자장치(13')는 에지(13) 상에 배열될 수 있다. 멤브레인(12)과 빔들(4)은 각각 에지(13) 및 실리콘 싱크(9)로부터 슬롯들(7)에 의해 분리된다. 멤브레인(12) 아래에는, 전체 실리콘 기판(3)을 통해 연장되는 수직 또는 거의 수직 벽들을 가진 피트(8)가 위치된다. 피트(8)의 수직 벽들 때문에, 경사 벽들을 가진 버전과 비교할 때 제1 충돌 시 멤브레인(12)을 통해 투과되는 적외선 방사선에 대해 더 큰 경로 길이가 가능하다.
커버 웨이퍼(1) 및 베이스 웨이퍼(11)는 각각 실리콘으로 이루어질 수 있고, 다른 재료들, 이를테면 유리 또는 탄소-함유 기판들, 이를테면 폴리머릭 재료들이 또한 가능하다. 베이스(11)는 또한 CMOS 스택(10)의 슬롯들(7)을 통해 멤브레인(12)의 중앙 부분으로 다시 오는 적외선 방사선을 반사시키기 위해 금속 재료로 이루어질 수 있다.
멤브레인(12)의 중앙 부분 및 빔들(4) 상에는, 흡수 층(6)이 위치되고, 흡수 층(6)은 미리정의된 파장 범위의 측정 대상로부터의 적외선 방사선을 흡수한다.
기밀 밀봉을 생성하기 위해, 그 사이에 실리콘 싱크(9) 및 CMOS 구조(10)로 이루어진, 커버 웨이퍼(1) 및 베이스 웨이퍼(11)를 센서 웨이퍼와 함께 어셈블리하는 것이 가능하다. 베이스 웨이퍼(11)는 멤브레인(12) 아래의 피트(8)를 기밀 밀봉하는 기능을 가진다.
기밀 밀봉은 또한 칩 레벨에서 전면 측 및 후면 측 상에 작은 캡들을 적용함으로써, 구성 및 연결 기술로부터 알려진 픽-앤드-플레이스(pick-and-place) 기술의 도움으로 발생할 수 있다.
베이스 웨이퍼(11)는 예컨대 개별 픽셀들(14)을 포함하는 라인 또는 매트릭스 구조의 복수의 개별 픽셀들(14)의 경우에 피트(8) 또는 피트들(8)을 폐쇄하기 위해 필요하다. 멤브레인(12)의 슬롯들(7)을 통해, 멤브레인(12) 아래 공간으로부터의 분자들은 다르게는 멤브레인(12) 위의 진공배기된 공간으로 통과하여 기밀 밀봉은 비효율적일 것이다.
서모파일 센서 어레이는, 히트 싱크로서 기능하는 커버 웨이퍼(1) 및 베이스 웨이퍼(11)로 이루어진 하우징 또는 실리콘 싱크(9)로의 멤브레인(12) 및 빔들(4)의 중앙 부분 상의 민감 엘리먼트들의 대류를 최소화하기 위해, 공기 또는 질소의 열 전도율보다 더 낮은 열 전도율을 가진 가스 또는 가스 혼합물로 충진된다.
하우징으로 에워싸진 매체의 이런 낮은 열 전도를 달성하기 위해, 정상 공기 압력과 비교하여 크게 감소된 내부 압력을 가진 가스가 이상적으로 사용된다(예컨대, 가스 진공).
진공을 보장하기 위해, 게터 매체들의 사용은 패키지의 생산의 결과로서 패키지 내에 위치된 방해 가스 엘리먼트들을 게터링(getter), 즉 바인딩(bind)하는데 바람직하다. 슬롯들(7)에 의한 멤브레인(12)의 천공 때문에, 단지 하나의 게터 매체만이 유리하게 필요하고, 게터 매체는 패키지 내의 어디든 위치될 수 있다. 결과로서, 멤브레인(12) 내에 슬롯들(7)이 없는 버전과 비교하여 비용들이 감소한다.
도 2는, 센서가 기본적으로 도 1에 따른 개별 픽셀(14)에 대응하는 웨이퍼 어셈블리지 내의 단일-엘리먼트 센서의 구성 변형을 도시하고, 서모커플들(3')을 가진 실리콘 기판(3) 또는 서모파일 센서 위에 커버 웨이퍼(1) 및 그 아래에 베이스 웨이퍼(11)가 각각 배열되어, 그 사이의 모든 중공 공간들의 기밀 밀봉이 생성된다. 커버 웨이퍼(1)(캡)는 예컨대 또한 구성 및 연결 기술의 방법, 즉 픽-앤드-플레이스 방법을 사용하여 웨이퍼에 적용될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 서모커플들은 멤브레인(12) 및 빔들(4)의 중앙 부분 상에 위치된다. 상기 서모커플들은 CMOS 프로세스에서 생산될 수 있고, 이후의 적용이 또한 가능하다. 이는 열전 재료들이 CMOS 프로세스에서 이용가능하지 않은 경우일 수 있다.
반사 층(17)은 바람직하게 베이스 웨이퍼(11)의 최상부 측 상, 즉 센서를 향하는 측 상에 위치되거나, 베이스 자체가 반사성이다. 게다가, 게터 매체(18)는 장-기간 안정되게 진공을 유지하기 위해 여기에 위치된다. 단일-엘리먼트 센서들의 완성 이후, 웨이퍼는 통상적인 분리 수단을 사용하여 단일화된다.
도 3은 실리콘 싱크(9) 상에 위치된 콜드 콘택들(5)을 포함하는, 슬롯들(7)을 포함하는 본 발명에 따른 픽셀로부터의 발췌의 예시를 도시한다. 폴리실리콘 전도성 트랙들(15, 15')(상부 및 하부 서모커플들) 사이에서 열 전달을 방지하기 위해 슬롯들(7) 내에 가스 진공이 위치된다. 폴리실리콘 전도성 트랙들(15, 15')은 멤브레인(12) 상에서 서로의 위에 놓이는 방식으로 위치된다. 특정 제벡 계수를 가진 하부 폴리실리콘 전도성 트랙(15) 상에는, 반대의 제벡 계수를 가진 반대로 도핑된 폴리실리콘 전도성 트랙(15')이 위치된다.
이에 대한 적절한 재료들은 폴리실리콘 아니면 비결정질 실리콘 층들 및 원칙적으로 높은 열전기 성능 지수를 가진 재료들이고, 픽셀(14) 내에 생성된 온도 차이당 최대 신호 전압을 달성하기 위해 하나는 n-전도 층이고 다른 하나는 p-전도 층이이다. 그러나, 서모커플은 또한, 픽셀(14)당 더 많은 수의 직렬-연결된 서모커플들을 포함할 수 있다.
픽셀들(14)에 대한 평가 전자장치(13')의 부분은 픽셀들(14) 주위 또는 콜드 콘택들(5) 외측에 배열될 수 있다.
도 4는 각각의 경우 충진 인자를 증가시키기 위해 멤브레인(12)의 중앙 부분 상에 4개의 픽셀들(14) 및 방사선 컬렉터들(16)을 포함하는 본 발명에 따른 서모파일 센서의 구성 변형을 도시한다. 방사선 컬렉터들(16)은 커버 웨이퍼(1)의 공동(20) 내에 위치된다. 방사선 컬렉터(16)와 히트 싱크(9) 또는 커버(1) 사이의 거리가 매우 작을 수 있기 때문에, 센서 칩의 진공-기밀 폐쇄는 특히 유리한 효과를 가진다. 픽셀들 사이에는, 금속 라인들 및 평가 전자장치(전원, 스위치, 전치증폭기, 아날로그-디지털 컨버터, 또는 이들의 부품들)가 위치된다.
방사선 컬렉터(16)는 이상적으로, 인입 IR 방사선에 대한 가능한 가장 높은 흡수율을 달성하기 위해 하나 또는 그 초과의 층들로 생산된다. 핫 콘택들(2)은 멤브레인(12)의 중앙 부분에, 또는 방사선 컬렉터(16)를 지지하고 방사선 컬렉터(16)를 멤브레인(12)에 연결하는 스탬프(stamp)에 직접 위치된다. 따라서, 방사선 컬렉터(16)로부터 멤브레인(12)의 중앙 부분으로 열 유동을 우회로들 없이 직접 검출하는 것이 가능하다.
실리콘 기판(3) 내의 피트(8) ― 상기 피트는 멤브레인(12)의 중앙 부분 아래에 위치됨 ―는, 실리콘 기판(3)이 멤브레인(12)까지, 즉 CMOS 스택(10) 아래의 유전체 층까지 완전히 관통하여 에칭되는 방식으로 후면 측으로부터 에칭 또는 다른 방법들에 의해 생산된다. DRIE(deep silicon etching: Deep RIE)의 프로세스는 이상적으로 이 목적을 위해 사용된다.
게다가, 피트(8)에는, 센서를 향하는 측 상에서 베이스 폐쇄부(11) 상에 배열되는 게터 매체(18) 및 반사 층(17)이 위치된다.
도 5는 웨이퍼-레벨 패키지의 본 발명에 따른 서모파일 센서의 평면도를 도시한다.
도 6은 베이스 폐쇄부(11) 상에 게터 매체(18)를 포함하는 본 발명에 따른 서모파일 센서의 구성 변형을 예시한다.
개별 픽셀들(14)은 멤브레인들(12)로 이루어지고, 멤브레인들 각각은, 가스 교환이 슬롯들(7)을 통해 발생할 수 있도록 천공된다. 개별 픽셀들(14) 아래에는, 각각의 경우 피트(8)가 위치되고, 피트(8)는, DRIE (deep silicon etching) 프로세스에 의해 후면 측으로부터 드라이브 인되어, 웨이퍼(실리콘 기판(3))를 통해 연장된다. 이어서, 결과로서 발생하는 멤브레인(12)은 실리콘 싱크(9)로부터 분리된다. 피트(8)는 이상적으로, 높은 픽셀 밀도를 달성하기 위해 수직 벽들을 가진다.
바람직하게, 그 자체로 알려진 게터 매체(18)는 또한 베이스 웨이퍼(11) 상에 적용되고, 상기 게터 매체는, 폐쇄 이후 오랜 시간 기간에 걸쳐 진공 안정성을 보장한다. 이에 의해, 게터 매체(18)가 픽셀 아래에 위치되기 때문에, 도달되는 적외선 방사선은 방해받지 않는다. 상부 커버(1) 내의 가스 교환 또는 진공은 또한 천공된 멤브레인(12)을 통해 보장된다. 게터 매체의 사이즈 및 타입에 따라, 게터 매체는 원칙적으로 하우징된 지역의 어디든, 예컨대 또한 상부 커버(1) 아래, 또는 센서 지역 옆에 위치될 수 있다.
픽셀들을 지지하는 실제 센서 웨이퍼를 가진 베이스 웨이퍼(11) 및 커버 웨이퍼(1)의 폐쇄는 그 자체로 알려진 다양한 방법들에 의해 달성될 수 있다. 방법들은 양극 본딩, 유리 프릿(frit) 본딩, 또는 납땜 또는 용접 같은 방법들을 포함한다.
도 7은 웨이퍼 본딩의 변형을 개략적으로 예시한다. 그 사이에 실리콘 싱크들(9), 멤브레인들(12) 및 개별 CMOS 스택(10)을 가진 실리콘 기판(3)으로 이루어진 3개의 웨이퍼들(커버 웨이퍼(1), 베이스 웨이퍼(11) 및 센서 웨이퍼)은 웨이퍼 본더(bonder)를 사용하여 웨이퍼들 상에 적용된 적절한 본드 재료(19)에 의해 어셈블리된다. 유리 프릿, 땜납들 및 다른 용접가능 재료들은 가능한 본드 재료들이다. 직접(양극) 본딩은 또한 가능하여, 본드 재료(19)는 이 경우에 제거될 수 있다.
베이스 웨이퍼(11) 상에는, 반사 금속 층들(17)이 내부 측 상에 적용되고, 이는 예컨대 기상 증착, CVD(chemical vapor deposition) 또는 스퍼터링에 의해 수행될 수 있다. 상기 금속 층들은 전체 영역에 걸쳐 그리고 또한 픽셀(14)당 구조화된 방식으로 구현될 수 있다. 게다가, 광학 필터 층(22 및 23)은 각각 커버 웨이퍼(1)의 최상부 측 및 하부측 상에 위치된다. 이들 필터 층들(22, 23)은 커버 웨이퍼(1)의 광학 투과를 개선하는 역할을 한다. 이들 필터 층들(22, 23)은 반사방지 층들일 수 있거나 롱-패스 또는 대역통과 특징을 가질 수 있고 적외선 방사선의 특정 스펙트럼 컴포넌트들을 차단할 수 있다.
원칙적으로, 게터 매체(18), 반사 층(17) 및 필터 층들(22 및 23)은 또한 도 1-도 6에 따른 본 발명에 따른 다른 해결책들에 이용될 수 있다.
그러나, 특정 경우들(예컨대, 이웃 픽셀에 대해 매우 작은 중심-대-중심 거리 및 매우 얇은 벽들을 가지는 픽셀들(14)의 경우)에서, 베이스 웨이퍼(11) 상에, 예컨대 슬롯들(7)을 통해 진입하는 표유 방사선들이 베이스에서 반사되지 않고 얇은 실리콘 벽을 통해 이웃 픽셀로의 리턴 경로를 통과하고 이에 의해 이미지 선명도를 손상시키는 비-반사 층이 적용되는 경우 유리할 수 있다.
게다가, 작은 수의 픽셀들을 가진 단일-엘리먼트 센서 또는 어레이에 대해, 개별 픽셀(14)의 피트들(8)과 적어도 동일한 사이즈를 가진 공동(21)을 베이스 웨이퍼(11) 내에서 센서쪽에 도입할 가능성이 있고, 각각의 경우 공동(21)에, 반사 층(17) 및 게터 매체(18)가 위치된다. 그 이익은, 게터 재료(18)가 각각의 픽셀(14) 아래에 위치될 필요가 없다는 것이다.
베이스 웨이퍼(11)의 공동(21)은 또한, 전체 픽셀 지역, 즉 전체 어레이가 언더언트(underant)한 사이즈로 구현될 수 있다. 이 경우에, 공동(21)을 가진 베이스 웨이퍼(11)는 공동(20)을 가진 커버 웨이퍼(1)에 대응할 수 있고 단지 미러-인버팅된 방식으로 장착될 필요가 있을 것이다. 따라서, 동일한 컴포넌트 부분들이 생산될 수 있고 커버 웨이퍼(1) 및 베이스 웨이퍼(11)에 사용된다(도 8). 반사 층(17)은 전체 공동(21)에 걸쳐 연장될 수 있다.
중요한 것은, 도입된 게터 재료(18)가 충분히 높은 기밀도를 생성할 수 있다는 것이다. 그러나, 이 변형은, 콜드 콘택들 또는 전자장치에서 발생하는 열이 픽셀들 사이의 실리콘 싱크들(9)을 통해 주위로 빈약하게 소산될 수 있고 결과로서 감도가 악영향을 받을 수 있기 때문에, > 500 픽셀들을 가진 고해상도 어레이에 바람직하지 않다.
게다가, 또한 다음 변형은 가능하고, 예시되지 않는다.
커버 웨이퍼(1) 대신, 분리된 캡들이 각각의 칩의 센서 지역들에 개별적으로 적용된다. 픽-앤드-플레이스 방법은 경제적이기 때문에 이 목적에 이상적으로 사용된다. 그렇지 않으면 요구되는 커버 웨이퍼(1)의 매우 정확한 정렬이 제거되는 것이 유리할 것이다.
1 커버(웨이퍼)
2 핫 콘택
3 실리콘 기판
4 빔
5. 콜드 콘택
6 흡수 층
7 슬롯
8 피트
9 실리콘 싱크/히트 싱크
10 CMOS 스택
10' 절연 층
11 베이스(웨이퍼)
12 멤브레인
13 에지
13' 평가 전자장치
14 개별 픽셀
15 폴리컨덕티브 트랙(polyconductive track)
15' 폴리컨덕티브 트랙
16 방사선 컬렉터
17 반사 층
18 게터 매체
19 본드 재료
20 커버 웨이퍼 내 공동
21 베이스 웨이퍼 내 공동
22 필터 층
23 필터 층

Claims (15)

  1. 웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이로서,
    상기 열 적외선 센서 어레이는, 실리콘 마이크로머시닝(micromachining)을 사용하여 생산되는 적어도 하나의 적외선 민감 픽셀을 포함하고, 실리콘 기판 내에 단열 피트(pit) ― 상기 피트는 실리콘 에지에 의해 둘러싸임 ―를 포함하고, 그리고 얇은 빔(beam)들에 의해 상기 실리콘 에지에 연결되는 얇은 멤브레인(membrane)을 포함하고, 상기 피트는 상기 멤브레인까지 상기 실리콘 기판을 통해 연장되고, 슬롯(slot)들은 상기 멤브레인, 상기 빔들 및 상기 실리콘 에지 사이에 위치되고, 복수의 적외선 민감 개별 픽셀들(14)은 선형 또는 어레이 형태로 배열되고 상기 멤브레인(12)을 형성하는 방식으로 유전체 층(10') 상에 CMOS 스택(10)으로 구성되고, 그리고 캡형(caplike) 방식으로 구성되고 공동(20)을 가지는 적어도 하나의 커버(cover) 웨이퍼(1)와 베이스(base) 웨이퍼(11) 사이에 배열되고, 상기 커버 웨이퍼(1), 실리콘 기판(3) 및 상기 베이스 웨이퍼(11)는 가스 진공을 에워싸는 방식으로 진공 기밀 방식으로 서로 연결되고,
    게터 매체(18)는 상기 멤브레인(12) 아래의 피트(8) 내에 또는 피트들(8) 내에 또는 적어도 상기 베이스 웨이퍼(11) 내에, 또는 상기 베이스 웨이퍼의 공동(21) 내에 배열되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 커버 웨이퍼(1)는 적외선 투과 재료, 이를테면 실리콘 게르마늄, 아연 황화물, 칼코겐화물(chalcogenide), 바륨 불화물 또는 폴리머로 이루어지는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 베이스 웨이퍼(11)는 실리콘 또는 일부 다른 열적 적응 재료, 이를테면 유리, 또는 금속 재료로 이루어지는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  4. 제3 항에 있어서,
    알루미늄, 금, 은 또는 티타늄 질화물 같은 재료로 구성된 전체 영역 또는 구조화된 반사 층(17)은 상기 베이스 웨이퍼(11) 상에 위치되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  5. 제1 항에 있어서,
    미리정의된 파장 범위의 적외선 방사선을 흡수하는 흡수 층(6)은 상기 멤브레인(12) 및 상기 빔들(4)의 중앙 부분 상에 위치되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 커버 웨이퍼(1)에는 측정 대상을 향하는 외부 측 상에 그리고 또한 상기 공동(20)을 가진 내부 측 상에 적외선 투과 반사방지 층 또는 필터 층이 제공되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 적외선 투과 반사방지 층에는 롱 패스(long pass) 또는 대역통과 코팅이 제공되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  8. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    게터(getter) 매체(18)는 적어도 상기 커버 웨이퍼(1) 상에 또는 상기 베이스 웨이퍼(11) 상에 적용되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  9. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 게터 매체(18)는 상기 커버 웨이퍼(1)의 상기 공동(20) 내에 배열되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  10. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 베이스 웨이퍼(11)에는 큰 영역에 걸쳐 흡수 층이 코팅되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 적외선 민감 개별 픽셀들(14)은 서모파일(thermopile), 볼로미터(bolometer) 또는 초전(pyroelectric) 센서로 구성되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  12. 제11 항에 있어서,
    서모커플(thermocouple)들을 포함하는 서모파일로서 상기 개별 픽셀(14)은 서로의 위에 놓이지만 반대로 도핑된 2개의 반도체 재료들, 이를테면 폴리실리콘, 비결정질 실리콘 층들, SiGe 또는 다른 열전(thermoelectric) 재료들로 이루어지는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  13. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    각각의 개별 픽셀(14)은 방사선 컬렉터(collector)(16)를 가지며, 상기 방사선 컬렉터(16)는 스탬프(stamp)를 통해 개별 멤브레인(12)의 중앙 부분에 연결되고 상기 커버 웨이퍼(1)의 상기 공동(20) 내에 위치되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 커버 웨이퍼(1), 상기 실리콘 기판(3) 및 상기 베이스 웨이퍼(11)는 양극 본딩(anodic bonding), 공융(eutectic) 본딩, 용접 본딩, 유리 프릿(frit) 본딩, 또는 다른 웨이퍼 본딩 방법들에 의해 서로 연결되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
  15. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    공동(21)은 개별 픽셀(14)을 향하여 상기 베이스 웨이퍼(11) 내에 도입되고, 상기 공동은 상기 개별 픽셀(14)의 피트(8)와 적어도 동일한 사이즈를 가지거나, 또는 상기 개별 픽셀들(14)의 전체 지역에 걸쳐 연장되는,
    웨이퍼 레벨 패키지의 열 적외선 센서 어레이.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230120924A (ko) 2022-02-10 2023-08-17 주식회사 서울제약 유단백가수분해물을 포함하는 구강붕해필름

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111356907B (zh) * 2017-08-31 2023-06-23 芬兰国家技术研究中心股份公司 热探测器及热探测器阵列
EP3483574A1 (en) * 2017-11-14 2019-05-15 Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO Microbolometer and method of manufacturing
US10636777B2 (en) * 2017-12-22 2020-04-28 Ams Sensors Uk Limited Infra-red device
DE102019113065A1 (de) * 2019-05-17 2020-11-19 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrischer akkumulator
WO2021005150A1 (de) * 2019-07-09 2021-01-14 Heimann Sensor Gmbh Verfahren zum herstellen eines thermischen infrarot-sensor arrays in einem vakuumgefüllten waferlevel gehäuse
US11556759B2 (en) * 2019-08-06 2023-01-17 Micron Technology, Inc. Comparison of biometric identifiers in memory
FR3099953B1 (fr) * 2019-08-14 2021-07-30 Elichens Procédé de fabrication collective d'un détecteur pyroélectrique
CN110606464B (zh) * 2019-09-20 2022-11-25 上海先方半导体有限公司 一种晶圆级真空集成封装结构及其制造方法
EP3901612A1 (en) * 2020-04-23 2021-10-27 Sensirion AG Integrated particulate matter sensor with cavity
CN112117367B (zh) * 2020-06-30 2022-10-18 中芯集成电路（宁波）有限公司上海分公司 热电堆传感器的制作方法
CN112117370B (zh) * 2020-06-30 2023-02-21 中芯集成电路（宁波）有限公司上海分公司 热电堆传感器的制作方法
CN112117372B (zh) * 2020-06-30 2023-02-21 中芯集成电路（宁波）有限公司上海分公司 热电堆传感器的制作方法
CN112548334B (zh) * 2020-12-04 2021-06-15 中国科学院力学研究所 一种同轴热电偶瞬态热流传感器节点激光焊接导通装置
EP4350308A1 (en) * 2021-06-03 2024-04-10 Mitsubishi Electric Corporation Semiconductor sensor and method for manufacturing same
WO2023059634A1 (en) * 2021-10-05 2023-04-13 Materion Corporation Window cavity wafers

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050224714A1 (en) * 2004-04-08 2005-10-13 Tayfun Akin Ultra low-cost uncooled infrared detector arrays in CMOS

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5323051A (en) 1991-12-16 1994-06-21 Motorola, Inc. Semiconductor wafer level package
JPH05283757A (ja) 1992-03-30 1993-10-29 New Japan Radio Co Ltd 光電変換素子
JPH0835879A (ja) 1994-07-25 1996-02-06 Terumo Corp 赤外線センサ
JP2000298063A (ja) * 1999-04-14 2000-10-24 Tdk Corp 赤外線検出器
US6504153B1 (en) * 1999-07-26 2003-01-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor infrared detecting device
JP2004301744A (ja) * 2003-03-31 2004-10-28 Denso Corp 赤外線センサ
US7180064B2 (en) 2003-07-24 2007-02-20 Delphi Technologies, Inc. Infrared sensor package
US20050081905A1 (en) 2003-10-17 2005-04-21 Lan Alex H. Thermopile IR detector package structure
DE102004020685B3 (de) 2004-04-28 2005-09-01 Robert Bosch Gmbh Infrarotsensor mit Getterschicht
DE102004030418A1 (de) 2004-06-24 2006-01-19 Robert Bosch Gmbh Mikrostrukturierter Infrarot-Sensor und ein Verfahren zu seiner Herstellung
US7692148B2 (en) 2005-01-26 2010-04-06 Analog Devices, Inc. Thermal sensor with thermal barrier
US8736081B2 (en) 2005-08-26 2014-05-27 Innovative Micro Technology Wafer level hermetic bond using metal alloy with keeper layer
JP5283825B2 (ja) * 2006-01-25 2013-09-04 浜松ホトニクス株式会社 熱型赤外線検出器
US7459686B2 (en) * 2006-01-26 2008-12-02 L-3 Communications Corporation Systems and methods for integrating focal plane arrays
JP4844322B2 (ja) * 2006-09-26 2011-12-28 パナソニック電工株式会社 真空封止デバイスの製造方法
US20080128620A1 (en) * 2006-12-04 2008-06-05 Krellner Theodore J Method of making a thermopile detector and package
DE102008002157B4 (de) 2008-06-02 2020-08-13 Robert Bosch Gmbh Sensorelement zur Messung von Infrarot-Strahlung und Verfahren zu dessen Herstellung
EP2172753B1 (en) 2008-10-06 2011-05-18 Sensirion AG A method for manufacturing infrared sensor on a wafer basis
EP2172755A1 (en) * 2008-10-06 2010-04-07 Sensirion AG Infrared sensor with front side bandpass filter and vacuum cavity
KR101068042B1 (ko) * 2008-10-10 2011-09-28 (주)유우일렉트로닉스 초소형 인체 감지용 적외선 센서 및 그의 제조방법
JP5786273B2 (ja) 2009-12-28 2015-09-30 オムロン株式会社 赤外線センサ及び赤外線センサモジュール
DE102010042108B4 (de) 2010-01-18 2013-10-17 Heimann Sensor Gmbh Thermopile-Infrarot-Sensor in monolithischer Si-Mikromechanik
JP2012215531A (ja) 2011-04-01 2012-11-08 Panasonic Corp 赤外線センサ
CN104246457B (zh) * 2012-02-16 2018-07-20 赫曼传感器公司 具有高填充水平的热电堆红外线传感器结构
CN102583220B (zh) * 2012-03-29 2014-11-05 江苏物联网研究发展中心 一种晶圆级真空封装的红外探测器及其制作方法
US9368658B2 (en) 2012-08-31 2016-06-14 Robert Bosch Gmbh Serpentine IR sensor
CN103148947B (zh) * 2013-03-21 2016-03-16 江苏物联网研究发展中心 提高热电堆红外探测器响应率的晶圆级封装结构
EP2802009B1 (en) 2013-05-08 2021-03-24 ams AG Integrated imaging device for infrared radiation and method of production
US9018723B2 (en) * 2013-06-27 2015-04-28 Stmicroelectronics Pte Ltd Infrared camera sensor
JP2015175768A (ja) 2014-03-17 2015-10-05 株式会社リコー 検出器およびセンシング装置および制御システム
EP2942609A1 (en) * 2014-05-07 2015-11-11 ams AG Bolometer and method for measurement of electromagnetic radiation

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050224714A1 (en) * 2004-04-08 2005-10-13 Tayfun Akin Ultra low-cost uncooled infrared detector arrays in CMOS

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230120924A (ko) 2022-02-10 2023-08-17 주식회사 서울제약 유단백가수분해물을 포함하는 구강붕해필름

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