KR20220031082A - 진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생산하는 방법 - Google Patents

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크리스티안 슈미트
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보도 포르크
마리온 사이먼
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Abstract

본 발명은 적어도 2개의 웨이퍼, 커버 웨이퍼(1) 및 단열 캐비티(11) 위에 개별적인 얇은, 슬롯이 형성된 멤브레인(5") 상에 다수의 적외선-감지 센서 픽셀(5)를 포함하는 중앙 웨이퍼(3)로 구성되고, 특히 작은 치수를 갖는 진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생산하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 웨이퍼 레벨 패키징 기술을 사용하여 고해상도 모놀리식 실리콘 마이크로 기계공학적 써모파일 어레이를 생산하는 방법을 제공하는 것으로, 센서는 특히 높은 공간 분해능 및 매우 작은 하우징 치수, 특히 매우 낮은 전체 두께로 매우 높은 필링 정도(filling degree)를 달성하고, 표준 CMOS 공정을 사용하여 비싸지 않게 생산될 수 있다. 이는 커버 웨이퍼(1)가 웨이퍼 본딩에 의해 적외선-감지 픽셀(5)을 갖는 센서 픽셀을 포함하는 제공된 중앙 웨이퍼(3)에 먼저 견고하게 기계적으로 연결되고, 그런 다음 중앙 웨이퍼(3)가 웨이퍼 후면으로부터 규정된 두께까지 박형화된다는 점에서 달성된다.

Description

진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생산하는 방법
본 발명은 웨이퍼 레벨 패키지 내에 모놀리식 실리콘 마이크로 기계공학적 기술로 진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생산하는 방법에 관한 것이다.
경제적인 소형 열화상 카메라에 적외선 센서 어레이를 적용하려면, 높은 공간 및 열 분해능과 센서 모듈의 최소 하우징 치수가 모두 중요하다.
이는 특히 스마트폰 등과 같은 소위 모바일 애플리케이션에 적용된다.
이러한 애플리케이션은 센서 모듈의 최소의 전체 치수를 가지면서 가장 작은 공간에서 우수한 측정 정확도로 높은 열 분해능을 달성해야 한다. 적외선 어레이 센서 모듈의 매우 작은 전체 높이는 이 경우, 예를 들어 스마트폰 자체의 하우징에 이와 함께 구성된 소형화된 열화상 카메라를 수용할 수 있기 위해 특히 중요하다. 동일한 보기 방향(viewing direction)을 갖는 소형 CMOS 카메라 옆의 회로 기판에 열 미니 카메라를 수용할 수 있기 위하여 모든 광학 장치를 포함한 센서 어레이의 총 전체 높이가 < 2.5 내지 3 ㎜인 것이 필요하다.
오직 열(비냉각) 센서만이 적외선 센서 어레이로 생각될 수 있다. 이 열 센서 그룹은 소위 마이크로볼로미터(microbolometers), 초전기 어레이(pyroelectric array) 및 써모파일(thermopile) 어레이(TP 어레이)가 포함된다.
요구되는 측정 정확도를 달성하기 위해, 초전기 어레이에는 연속 변조형 기계식 초퍼가 필요하고 마이크로볼로미터에는 소위 기계식 셔터가 필요하고, 이들은 센서 어레이 및 적외선 광학 장치에 추가하여 비임 경로 내에 설치되는 것이 필요하다. 제어되는 초퍼 또는 셔터 모듈의 추가적인 기계적 치수는 하우징 높이를 증가시키고 스마트폰 하우징 내에의 설치를 어렵게 만든다. 오직 써모파일 센서 어레이(TP 어레이)만이 비임 경로 내에 추가적인 기계식 초퍼 또는 셔터 없이 요구되는 측정 정확도를 달성한다.
소형화된 고해상도 TP 어레이의 경우, 픽셀 치수가 작아야 하고, 이는 진공 상태에서 민감한 어레이 칩의 밀폐 캡슐화(hermetic encapsulation)에 요구된다. 통상적인 하우징(예를 들어 TO 시리즈의 금속 하우징과 같은)도 마찬가지로 너무 크기 때문에, 웨이퍼 레벨 패키징(WLP)이 가장 유망한 변형으로 남아 있다. 이는 써모파일 어레이 칩의 특히 진공 밀봉의 경제적인 형태로, 웨이퍼 조립체는 고진공 상태에서 중간에 활성 요소를 갖는 기밀 방식으로 폐쇄된다.
WLP는 또한 실리콘 기반의 모든 웨이퍼가 동일한 열 팽창 계수를 갖는다는 추가적인 이점을 갖는다. 이는 패키징 또는 사용 동안에 센서의 온도가 변하더라도 동일한 팽창 계수를 가지므로 커버/센서 및/또는 바닥 웨이퍼 사이에 추가적인 응력이 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
센서 어레이의 개별 센서 픽셀은 매우 작은 전압 신호(일반적으로 ㎶ 범위)만을 산출하므로, 신호는 가능한 경우 센서 패키지 자체 내에서 국부적으로 증폭되어야만 한다. 고해상도 어레이 센서에는 동일한 센서 칩에 매우 많은 픽셀이 있기 때문에, 매우 많은 전치 증폭기(병렬로 작동)가 또한 제공될 필요가 있다.
적외선 써모파일 센서 어레이는 다양한 형태와 디자인으로 오랫동안 알려져 있다. 실리콘 마이크로 기계공학(micromechanics)으로 생산된 써모파일 센서는 일반적으로 박막 기술로 생산된 써모커플(thermocouples)이 그 상에 있는 얇은 멤브레인으로 구성된다. 멤브레인 아래에는, 기판에 중공이 있다.
써모커플의 "핫(hot)" 접촉부는 멤브레인의 중앙 부분에 위치되고, "콜드(cold)" 접촉부는 히트 싱크 역할을 하는 실리콘 에지에 놓인다. 그들 사이에는, 예를 들어 멤브레인의 중앙 부분(흡수체 구역)을 히트 싱크(픽셀의 Si 에지)에 연결하고 하나 이상의 써모커플을 포함하는 최대한 길고 좁은 비임(바아)이 있다.
긴 비임의 양 측면에는, 중앙 부분 또는 Si 싱크(지지체)에서 비임을 분리하는 슬릿이 있다. 대부분의 IR 복사선의 흡수는 멤브레인의 중앙 구역에서 발생한다. 특히 높은 공간 해상도를 갖는 어레이의 경우, 픽셀이 작고 천공(슬릿)이 매우 좁다. 센서의 필 팩터(fill factor)를 증가시키기 위해, 더 넓은 영역을 통해 더 많은 적외선 방사선을 흡수할 수 있기 위해서 적외선 차폐(우산)가 멤브레인 또는 픽셀 위에 펼쳐질 수 있다.
(비임 상의) 써모커플은 Si 싱크에 비교적 가깝게 위치되므로, 비교적 많은 양의 열이 사이에 있는 가스를 통해 싱크로 흐를 수 있다. 이는 신호 손실로 이어진다. 이를 방지하기 위해, 진공 밀봉이 추구된다.
멤브레인 내의 슬릿은 그 아래에 캐비티를 생성하는데 사용된다. 그 상에 본딩된 웨이퍼는 기밀식 폐쇄를 발생하기 위해 사용된다. 그러나, 멤브레인 아래 기판의 등방성 에칭은 가능한 손상을 피하기 위해 주변 전자 장치의 보호를 필요로 한다.
US 2008/0128620 A1 호에는 일반적으로 이방성으로 (KOH) 에칭되지만 선택적으로는 DRIE에 의해 또한 에칭되는 단열을 위한 캐비티가 그 아래 또는 위에 있는 얇은 멤브레인 상의 복수의 써모파일를 위한 웨이퍼 레벨 패키지가 기재되어 있다.
매우 많은 작은 픽셀을 갖는 고해상도 TP 어레이를 제공하기 위해 필요할 매우 많은 채널을 갖는 필요한 병렬 신호 처리는 공간 부족으로 가능하지 않다.
EP 2889 909 호는 멤브레인 아래의 Si 희생 층을 리세스로부터 외향으로 더욱 잘 안내하기 위해 픽셀의 흡수체 구역에 많은 슬릿을 갖는 솔루션을 제안한다. 그러나, 이러한 방식으로, 유효한 흡수체 영역 및 따라서 신호 및 측정 정확도가 손실된다.
WO 2015004166 A1 호에는 감소된 응력을 갖는 전자 장치의 기밀 밀봉을 위한 방법이 기재되어 있다. 여기서 다시, 픽셀을 노출시키기 위해서는 정교한 가공이 필요하며, 픽셀 아래에 있는 캐비티의 바닥에 반사성 금속 층의 적용은 어렵거나 매우 비싸다.
어떤 솔루션도 특히 작고 매우 민감한 픽셀을 생산하고 특히 작은 영역에 필요한 신호 처리 채널을 수용하는 것을 가능하게 하지 못한다.
DE 10 2006 122 850 호는 WLP 내에 고해상도 써모파일 어레이를 제공한다. 이 어레이는 서로 연결된 3개의 웨이퍼(커버, 센서 칩 및 바닥)를 갖는다.
그러나, 서로 연결된 3개의 웨이퍼의 두께는 대략 동일하고, 즉, 중앙 센서 웨이퍼는 벌크 마이크로 기계공학으로 에칭된 캐비티를 갖고, 전체 웨이퍼를 관통하는 수직 구멍은 준수해야 하는 허용 오차에 의해 달성 가능한 픽셀 크기를 제한한다. 더욱이, 필요한 병렬 신호 처리 채널을 위한 공간이 충분하지 않기 때문에 센서 웨이퍼에 많은 픽셀이 수용될 수 없다.
US 8519336 B2 호는 IR-검출 장치가 반사 층 위에 위치되는 구성을 제안한다. 산술 평가 회로는 더욱이 아래에 있는 회로 기판에 위치된다. 여기서, 3개의 실리콘 기판(웨이퍼)이 결합된다. 수신기 유닛은 써모파일과 실리콘 기판의 감압 및 밀봉된 함몰부로 구성된다. 반사 층은 수신기 유닛 아래에 일종의 틈새(niche)를 형성한다. 틈새의 표면은 금 또는 알루미늄과 같은 반사 재료로 구성된다. 이러한 배열에 의해, 수신기 유닛에서 일차적으로 검출되지 않은 IR 방사선은 반사되어 또 다른 검출 가능성을 위해 수신기 유닛 상으로 다시 집속된다.
반사 구조를 갖는 "틈새(niches)"는 포물면 거울과 유사한 구성을 가지므로, IR 방사선의 가능한 가장 높은 비율이 수신기 유닛 상으로 다시 반사될 수 있다.
필요한 전기 접촉부는 상부 웨이퍼의 후면에서 중앙 웨이퍼의 전면까지 "3-웨이퍼 샌드위치" 내의 중앙 웨이퍼를 관통하는 그 자체로 알려진 소위 실리콘 관통 비아(TSV)(즉, 관통 접촉부)를 통해 웨이퍼의 후면까지 그리고 신호 처리 유닛까지, 그리고 최종적으로 추가의 비아를 통해 바닥 웨이퍼의 후면 및 솔더 접촉부까지 연장된다. 따라서 WLP 내의 이러한 써모파일 어레이는 SMD-가능(SMD-capable)이다.
따라서 신호 라인은 원칙적으로 픽셀 구역 외부 그렇지 않으면 픽셀 사이 모두에 라우팅될 수 있고, 이 경우 각각의 픽셀에 대한 신호 처리 작업은 픽셀 아래의 바닥 웨이퍼에서 수행될 수 있다.
현재의 종래 기술에 따라 제조된 전형적인 TSV는 웨이퍼 두께의 약 1/10인 웨이퍼 상의 측방향 치수를 필요로 한다. 결과적으로, 400 내지 500 ㎛의 웨이퍼 두께에 대해, 전형적인 비아의 크기는 약 40 내지 50 ㎛이다.
따라서, 오직 픽셀의 필드에서의 비아 크기가 측방향 픽셀 치수를 증가시키기 때문에, 특히 작은 픽셀을 갖는 특히 높은 공간 해상도를 갖는 어레이를 생성하는 것은 가능하지 않다.
그러나, 해당 초점 거리를 갖는 렌즈 광학 장치도 실제로 여전히 센서 어레이 칩 위에 장착되어야 하기 때문에, 스마트폰의 작은 카메라 칩으로서의 어레이에는 너무 많은 양이다.
종래 기술에 따른 솔루션 중 어느 것도 매우 많은, 매우 작은 픽셀 및 특히 작은 전체 높이(예를 들어 스마트폰 등에 적합함)를 갖고 일반적인 CMOS 호환 공정에서 직접 생산될 수 있는 고해상도 적외선 센서 어레이를 생산하는 것을 가능하게 하지 못한다.
적외선 센서의 감도는 또한 센서를 둘러싸고 있는 가스를 통한 열 분산에 따라 달라지며, 진공 밀폐형 패키징에 의해 증가될 수 있다. 진공 밀폐형 하우징에서, 가스를 통한 열 전도로 인한 신호 손실은 없거나 매우 적다. 그러나 제조 및 연결 기술에서의 통상적인 진공 하우징은 필요한 진공 기밀성을 달성하기 위해 재료 및 비용 면에서 고가이다. 심지어 일반 칩 접착제도 이 경우 가스 제거 및 누출로 인해 비용 및 문제 요인이 될 수 있다. 하우징의 개별 재료는 일반적으로 상이하기 때문에(바닥, 캡, 광학 창), 이들은 또한 기계적 응력 및 누출을 유발할 수 있는 상이한 열팽창 계수를 갖는다.
웨이퍼 레벨에서의 패키징 및 진공 밀폐형 밀봉은 경제적이며 대량 생산될 수 있다. 써모파일 센서 웨이퍼를 커버 웨이퍼와 하부 바닥 웨이퍼로 캡슐화하여 필요한 진공 기밀성을 달성된다.
써모파일 어레이용으로 알려진 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)의 한 가지 단점은 복수의 개별 웨이퍼의 조립으로 인해 초래되는 매우 큰 전체 높이이다. 이는 각각의 개별 웨이퍼가 처리되어야 하고 캐비티, 금속화, 필터 층 등이 제공되기 때문이다. 최신 반도체 웨이퍼(직경 200 및 300 ㎜)의 크기의 경우, 웨이퍼의 특정 최소 두께가 필요하다. 너무 얇으면(예를 들어 오직 100 내지 200 ㎛), 생산 동안 마주치는 대부분의 시스템에서 처리(취급) 동안에 파손될 것이다.
약 400 내지 500 ㎛의 웨이퍼 두께가 현재 전형적이고 합리적인 수율로 연속 제조로 처리될 수 있다. 그런 다음 2개의 웨이퍼의 조립체는 이미 2개의 복합 웨이퍼로 약 0.8 내지 1 ㎜의 두께를 갖고, 3개의 웨이퍼의 조립체로 약 1.2 내지 1.5 ㎜의 두께를 갖는다(알려진 솔루션에서와 같이 벌크 마이크로 기계공학을 사용하는 특히 바람직한 변형). 이는 (예를 들어 스마트폰에서 사용하기 위한) 매우 작은 총 높이가 달성되는 것을 방지한다.
종래 기술의 두 번째 단점은 과도하게 큰 써모파일 픽셀로 인한 낮은 공간 해상도이다. 현재까지 알려진 가장 작은 써모파일 어레이는 90 ㎛의 픽셀 치수를 갖는다.
알려진 열 적외선 어레이 솔루션(예를 들어, 써모파일 어레이)의 세 번째 단점은 큰 측방향 전체 크기이며, 이는 마찬가지로 스마트폰과 같은 소형 모바일 장비 내로의 수용을 어렵게 만든다. 센서 어레이 칩은 일반적으로 금속 TO 하우징 또는 금속 밀폐 하우징 내에 장착되고, 외부 치수는 센서 칩 자체보다 훨씬 크다.
본 발명의 목적은 특히 높은 공간 분해능(매우 작은 픽셀 때문에) 및 최소 하우징 치수, 특히 매우 작은 총 두께를 갖는 매우 높은 필 팩터(fill factor)를 달성하고, 그리고 표준 CMOS 호환 공정에 의해 경제적으로 생산될 수 있다는 웨이퍼 레벨 패키지 내에 모놀리식 실리콘 마이크로 기계공학적 기술로 진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생산하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기초가 되는 목적은 주요 청구항의 특징에 의해 달성된다. 본 발명의 추가적인 개선 사항은 관련된 종속 청구항에서 발견된다.
본 발명에 따르면, 목적은 예를 들어 커버 웨이퍼용 실리콘 또는 적외선 투과성 글래스의 적어도 2개, 바람직하게는 3개 이상의 반도체 웨이퍼가 초기에 별도로 처리되고 후속적으로 장착되고 이 경우에 다음의 단계들에서 박형화된다는 점에서 달성된다:
- 커버 웨이퍼에는 바람직하게는 수 10 내지 수 100 ㎛로 측정되는 캐비티가 하부 측면에 제공하고, 웨이퍼 양 측면에는 이어서 소위 반사 방지 또는 필터 층이 제공된다. 이들 필터 층은 한편으로는 적외선 범위에 대한 커버 웨이퍼의 특히 높은 투과를 허용하도록 의도되고, 예를 들어 원격 물체의 측정에서 거리 의존성을 초래할 수 있는 대기에서의 투과 손실이 있는 특정 스펙트럼 범위를 추가적으로 차단할 수 있도록 의도된다.
이들 필터 층은 또한 특수한 하위 파장 구조로 구성될 수 있다.
- 캐비티의 깊이는 예를 들어 커버 웨이퍼의 전체 두께의 약 절반에 이를 수 있고, 그 이유는 IR 방사선에 대한 웨이퍼의 투과율도 그에 의해 증가되기 때문이다. 그러나, 웨이퍼 조립체가 기계적으로 안정적으로 유지되도록 잔여 두께는 너무 작아서는 안 된다.
중앙 웨이퍼 또는 센서 픽셀을 갖는 웨이퍼에는 그 자체로 알려진 기능 층이 제공된다. 이들은, 예를 들어, 상이한 전도도의 다결정 또는 비정질 실리콘의 복수의 층, 흡수체 구조(바람직하게는 소위 우산) 및 신호 처리를 위한 CMOS 구조를 포함한다. 표면 측면 상의 모든 단계(Si 기판의 단열을 위해 멤브레인에 장래의 슬릿을 도입하는 것과 같은)는 결합 전에 수행되어야 할 필요가 있다.
본 발명에 따르면, 중앙 센서 웨이퍼는 박형화 후 < 200 내지 300 ㎛, 바람직하게는 < 50 내지 100 ㎛의 매우 작은 잔류 두께를 갖는다. 이는 이전에 알려진 써모파일 어레이 솔루션과 비교하여 두 가지 이점을 허용한다.
한편으로는, DRIE 에칭 공정 후에 남아 있는 픽셀의 Si 에지가 수 마이크로미터로 감소될 수 있기 때문에 이전에 알려진 것보다 훨씬 더 작은 써모파일 픽셀이 처리될 수 있다(열 분리 및 냉간 접촉을 위한 히트 싱크 역할을 함).
다른 한편으로는, 써모파일 웨이퍼(또는 바닥 웨이퍼)의 전면에서 후면으로의 전기적 관통 접촉부를 위해 예를 들어 약 400 내지 500 ㎛ 두께인 표준 웨이퍼 두께로 가능한 것보다 훨씬 더 작은 측방향 치수가 또한 생산될 수 있다.
현재의 종래 기술에서, 전형적으로 달성 가능한 TSV의 측방향 치수는 웨이퍼 두께의 약 1/10이다. 결과적으로, 400 ㎛의 웨이퍼 두께이면, 전형적인 비아의 크기는 약 40 ㎛일 것이다. 그러나, 예를 들어 웨이퍼가 30 ㎛까지 얇아지면, 비아는 크기가 오직 약 3 ㎛일 것이다. 따라서, 진보된 실시예에서, 각각의 픽셀은 특히 작은 써모파일 픽셀 치수로도 여전히 후면에 연결될 수 있다.
어레이 픽셀에 의한 센서 신호의 외부 추가 처리를 위한 전기 접촉부의 준비는 다음을 포함한다:
센서 픽셀을 갖는 중앙 웨이퍼 및 신호 처리 전자 장치의 일부 중 하나는 중앙 웨이퍼와 장래의 와이어 브리지에 준비된 본드 패드에 의해 외부로 직접 공급되거나, 또는
신호 처리가 예를 들어 매우 작은 비아(소위 실리콘 관통 비아, TSV)에 의해 바닥 웨이퍼로 공급된다. 추가적인 신호 처리(ROIC)는 바닥 웨이퍼에 수용될 수 있다. 중앙 웨이퍼의 써모파일 배열 옆보다 더 많은 공간이 있다.
최대의 경우, 각각의 픽셀은 개별적으로 바닥 웨이퍼로 공급된다. 이는 픽셀의 코너에서 매우 작고 특히 정밀하게 관통 접촉부를 허용하고 따라서 어레이의 패킹 밀도를 추가로 증가시키는 특히 얇은 중앙 웨이퍼 때문에 가능해진다.
전치 증폭기(preamplifier) 및 아날로그/디지털 변환기와 같은 신호 처리(signal processing)에 추가하여, 프로세서 형태의 이미지 평가까지 디지털 신호 준비의 많은 부분이 하부 바닥 웨이퍼(ROIC)에 또한 수용될 수도 있다.
신호를 캐리어 기판으로 더 아래로 가져오기 위해, 솔더 범프와 같은 적절한 접촉부로 신호를 직접 하향으로 공급할 수 있기 위하여 바닥 웨이퍼에 추가적인 비아/관통 접촉부가 있을 수 있다.
쿼드 플랫 무연 패키지(QFN 패키지)의 써멀 패드와의 정렬도 또한 ASIC에서 의도하지 않게 생성된 열을 소산시키기 위해 유용할 수 있다.
커버 웨이퍼에는, 습식 에칭 또는 DRIE와 같은 적절한 방법에 의해 생성된 함몰부가 있다. 함몰부는 기계적 안정성을 위해 커버 웨이퍼의 두께의 50 ％ 이하의 깊이이어야 한다.
일 변형에서, 바닥 웨이퍼(ROIC)는 또한 스마트폰과 같은 모바일 장치 내로 끼워 넣어지기 위하여 3개의 웨이퍼의 전체 스택이 최대한 얇아질 수 있도록 < 0.2 내지 0.3 ㎜까지 매우 크게 박형화될 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 도면의 관련 도에서:
도 1은 단면 표현으로서 진공 웨이퍼 레벨 패키지에서 본 발명에 따른 매우 얇은 적외선 센서 어레이의 기본 구성을 도시한다.
도 2는 웨이퍼 레벨 패키지에 장착하기 전에 개별 웨이퍼로서 커버 웨이퍼, 센서 웨이퍼 및 바닥 웨이퍼를 준비하는 것을 도시한다.
도 3은 센서 웨이퍼의 픽셀 아래의 후면에 캐비티가 에칭되지 않은 웨이퍼 레벨 패키지에서 본 발명에 따른 얇은 웨이퍼 조립체를 형성하기 위한 개별 웨이퍼의 개별 장착 단계를 도시한다.
도 4는 관통 접촉부[TSVs(Through-Contacts)] 없이 작동하는 WLP의 매우 얇은 써멀 어레이 칩의 일 구성을 도시한다.
도 5는 센서 웨이퍼의 전면에 캐비티가 에칭되지 않은 WLP 내의 매우 얇은 써멀 어레이 칩의 일 구성을 도시한다.
도 6은 오직 2개의 웨이퍼를 갖는 웨이퍼 레벨 하우징 내의 아주 얇은 써모파일 어레이의 특히 단순화된 형상을 도시한다.
도 7은 표면 장착 가능한 하우징(SMD-가능 하우징)을 위한 매우 얇은 써멀 어레이의 구성을 도시한다.
도 8은 추가적인 신호 또는 이미지 처리 구성요소를 포함하는 추가적인 바닥 웨이퍼를 갖는 써모파일 어레이의 추가적인 구성을 도시한다.
도 9는 써모파일 웨이퍼의 뒤집힌 장착(flipped mounting)을 갖는 매우 얇은 적외선 어레이의 일 구성을 도시한다.
다양한 웨이퍼의 세부 사항만이 도 1 내지 도 9에 개별적으로 나타나 있고, 웨이퍼는 실제로 면적이 훨씬 더 크고, 제조 후 개별 열 적외선 센서 어레이로 절단함에 의해서 개별화되는, 서로 옆에 다수의 설명된 구조를 개별적으로 포함한다는 것이 이해되어야 한다.
도 1은 개별 웨이퍼 장착 후에 그러나 개별화 전에 상부 커버 웨이퍼(1), 얇은 중앙 웨이퍼(3) 및 바닥 웨이퍼(4)를 갖는 진공 웨이퍼 레벨 패키지 내의 매우 얇은 적외선 센서 어레이의 기본 구성을 도시한다. 커버 웨이퍼(1)에는, 일 그룹의 센서 픽셀(5) 위에 각각 캐비티(cavity)(10)가 있다.
적외선 센서 어레이는, 도 1에 따르면, 서로 인접하거나 규칙적인 분포로 4개 이상의 그룹으로 복수의 센서 픽셀(5), 그룹들 사이에 센서 픽셀(5) 없이 자유롭게 유지되는 중앙 웨이퍼(3) 상의 좁은 스트립(5') 및 커버 웨이퍼(1) 내의 센서 픽셀(5)의 각각의 그룹 위에 개별적으로 위치되는 캐비티(10)를 갖는 복수의 적외선 센서 어레이 그룹을 포함한다. 개별 캐비티(10)는, 스트립(5') 상에 각각 지지되고 커버 웨이퍼(1)를 기계적으로 안정화시키는 바아(1')에 의해 서로 분리된다.
예를 들어, 센서 픽셀(5)의 4개 그룹은 스트립(5')이 십자형으로 교차하도록 중앙 웨이퍼(3) 상의 사분면에 영역적으로(areally) 분포된 방식으로 배열될 수 있다. 그 다음에 커버 웨이퍼(1)의 캐비티(10)는 바아(1')가 마찬가지로 십자형으로 교차하고 중앙 웨이퍼(3)의 스트립(5') 상에 지지되도록 상응하게 배열될 수 있다.
중앙 웨이퍼(3) 상에서 생성 가능한 센서 픽셀(5) 또는 대응하는 그룹의 최대 수는 오직 센서 픽셀(5)의 크기 및 웨이퍼의 측방향 치수에 의해서 제한된다.
필터 층(2)을 갖는 커버 웨이퍼(1)는 가장 두껍고 스트립(5') 상에 지지된 바아(1')와 함께 제공될 웨이퍼 조립체에 안정성을 부여한다. 중앙 웨이퍼(3)는 주변 중앙 웨이퍼(3)에 연결된 멤브레인(5")에 의해 각각 구분되는 각각의 센서 픽셀(5) 아래의 중앙 웨이퍼(3)에 있는 다수의 열 센서 픽셀(5) 및 캐비티(11)를 포함한다. 각각의 멤브레인(5") 상에는, 우산(7) 형태의 IR 방사선 흡수체가 있다(도 2). 캐비티(11)는 중앙 웨이퍼(3)의 실질적으로 수직인 벽에 의해 측방향으로 구분되고, 도면에 따르면 상부에서는 멤브레인에 의해 구분된다.
이들 설명은 또한 반복을 피하기 위해 추가로 설명되는 실시예에도 원칙적으로 적용된다.
센서 픽셀(5)의 각 그룹 아래에 도입된 게터(14)가 제공된 바닥 웨이퍼(4)는 각각의 장착 후에 전형적으로 < 50 내지 100 ㎛의 두께로 크게 얇아졌다. 단열 방식으로 센서 픽셀(5)을 둘러싸는 캐비티(10, 11)를 갖는 센서 픽셀(5)은 폐쇄 동안 진공 분위기 하에서 기밀하게 밀폐된다. 필요한 경우, 안정적인 진공에 대한 탈기(degassing)의 영향은 게터(14)를 점화시킴으로써 억제된다.
픽셀(5)에 의해 생성된 전기 신호의 전송을 위해, 커버 웨이퍼(1) 외부의 에지 구역 내의 바닥 웨이퍼(4)에 와이어 브리지(17)용 접촉 패드(15)가 있다.
도 2는 웨이퍼 마운팅(WLP)을 위한 3개의 부분 웨이퍼[커버 웨이퍼(1), 중앙 웨이퍼(3), 바닥 웨이퍼(4)]를 준비하기 위한 방법을 나타낸다.
제1 단계에서, 위에서 설명한 바와 같이, 양 측면이 연마된 실리콘 웨이퍼(도 2a), 장래의 커버 웨이퍼(1)에는 캐비티(10)(도 2b)가 제공되고 후속적으로 양 측면에 반사 방지 또는 필터 층(2)이 코팅된다. 이들 필터 층(2)은 또한 캐비티(10) 위에 위치될 수 있는 광학 장치의 렌즈에 적용될 수 있다. 그러나, 비용 지출은 웨이퍼 조립체의 필터보다 개별 렌즈에 대해 훨씬 더 크다.
중앙 웨이퍼(3), 센서 웨이퍼 상에는, 센서 픽셀(5)이 생성되고(도 2d), 센서 픽셀(5)(도 2e)은 이웃하는 우산(5")을 건드리지 않고 아래에 위치된 멤브레인(5")의 치수를 넘어서 영역적으로 연장하는 우산(7)에 의해 센서 픽셀(5)의 필 팩터를 증가시키기 위해 바람직하게는 추가적인 3차원 흡수체 구조, 멤브레인(5") 상의 우산(7)이 제공된다.
추가적으로 CMOS 구조(8)는 바닥 웨이퍼(4)의 상부 측면에 통합되고(도 2f), 각각의 칩에 대해[즉, 센서 픽셀(5)의 각각의 그룹에 대해] 적어도 하나의 캐비티(13)가 게터(14)를 도입하기 위해 바닥 웨이퍼(4)에 생성된다(도 3g). CMOS 구조(8)의 제조가 잘 알려져 있기 때문에, 이것은 여기서 상세하게 논의되지 않을 것이다.
CMOS 구조(8)는 CMOS 평가 회로 및 선택적으로 이미지 프로세서까지의 신호 처리를 위한 추가적인 회로를 포함한다. EEPROM의 통합은 또한 적외선 센서 어레이 자체에 개별 센서 픽셀(5)의 측정 및 교정 값을 후속적으로 저장하기 위해 특히 유리하다. 더욱이, 중앙 웨이퍼(3)에는 바람직하게 전기 단자를 갖는 CMOS 측면으로부터 웨이퍼의 하부 측면까지 관통 접촉부(6)가 제공된다(도 7).
장래의 픽셀 구역 아래의 위치에서, 캐비티(13)는 바람직하게는 통상적인 실리콘 습식 또는 건식 에칭 단계에 의해 바닥 웨이퍼(4) 내에, 또는 센서 픽셀(5)의 각각의 그룹 아래에 도입되고 게터(14)는 장기간 안정적인 진공을 생성하기 위하여 그 내부에 증착된다. 이 구역은 작을 수 있고 픽셀 아래 및 옆에 있을 수 있지만, 멤브레인(5") 내에 에칭된 하나 이상의 구멍에 의해 중앙 웨이퍼(3)의 전면(front side)에 연결되어야 한다.
완전한 웨이퍼 스택을 형성하기 위한 3개의 개별 웨이퍼의 장착이 도 3에 의해 제1 실시예에 도시되어 있고, 3개의 개별 웨이퍼의 장착 단계는 센서 픽셀(5) 아래 중앙 웨이퍼(3)의 후면(backside)으로부터 에칭된 캐비티(11)를 갖는 웨이퍼 레벨 패키지에서 얇은 웨이퍼 조립체를 형성한다.
커버 웨이퍼(1)와 중앙 써모파일 웨이퍼, 즉 중앙 웨이퍼(3)(도 3a)는 예를 들어 웨이퍼 본딩 또는 접착제 본딩에 의해 결합되어 고정 조립체를 형성한다(도 3c). 이는 후면 또는 하부 측면으로부터 센서 웨이퍼(3)의 박형화(도 3d) 및 개별적으로 각각의 픽셀(5) 아래에 캐비티(11)를 생성하기 위하여 센서 웨이퍼(3) 내로의 딥 에칭의 단계(도 3e) 및 중앙 웨이퍼(3) 상으로의 바닥 웨이퍼(4)의 정렬 및 장착(도 3f)에 의해 후속된다. 마지막으로, 후면으로부터 마찬가지로 수행되고 바닥 웨이퍼(4)의 박형화(도 3g) 및 와이어 브리지(17)에 의해 또는 대안적으로 센서 픽셀(5) 사이의 관통 접촉부(6)(도 7)에 의해서 배선 지지체와의 완성된 샌드위치 배열의 전기적 접촉(도 3h)이 수행된다.
초전기 또는 볼로메트릭 센서 픽셀과 같은 다른 열 센서 방법이 또한 가능할지라도, 이의 디자인이 원리적으로 알려져 있는 써모파일 픽셀의 예를 참조한 결과로서 센서 원리가 설명될 것이다.
그러나, 완전성을 위해, 도 1과 대조적으로 멤브레인(5") 상의 우산(7)은 도 9g에서 볼 수 있는 바와 같이 좁은 비임(11')에 의해 캐비티(11) 위에 매달려 있고, 단열을 위한 슬릿(11")은 비임(11")과 멤브레인(5") 사이뿐만 아니라 비임(11')과 캐비티(11)를 측방향으로 둘러싸는 중앙 웨이퍼(3)의 에지 사이에 형성된다는 것이 언급되어야 한다. 써모파일 픽셀, 호열성(thermophilic) 구조에서, 멤브레인(5")에 위치되는 "핫" 접촉부 및 히트 싱크로 기능하는 캐비티(11)를 둘러싸는 에지에 위치되는 "콜드" 접촉부가 비임(11') 위로 연장된다.
더욱이 이 특정 변형은 써모파일 웨이퍼에서 뒤집힌 장래의 바닥 웨이퍼(4)를 함께 결합함으로써 얻어지고, 뒤집힌 웨이퍼 조립체(도 9f,g)의 멤브레인(5")의 하부 측면이 적용된다는 점이 언급되어야 한다.
장착 동안, 제1 주요 단계에서 캐비티(10)와 적용된 필터 층(2)을 갖는 커버 웨이퍼(1)는 중앙 웨이퍼(3)(도 3b)에 대해 정렬되어 민감한 센서 픽셀(5)이 커버 웨이퍼(10)의 캐비티 내로 그들 상에 위치된 해당 흡수체 층[예를 들어, 멤브레인(5") 위의 우산(7)]과 함께 돌출할 수 있다.
3개의 웨이퍼의 정렬은 커버 웨이퍼(1)의 건식 또는 습식 에칭 구조에 의해, 예를 들어 적절한 적외선 현미경에 의해 수행될 수 있다.
두 개의 웨이퍼[커버 웨이퍼(1)와 중앙 웨이퍼(3)]는 서로 기계적으로 견고하고 기밀하게 연결되어 있다(도 3c). 이는 그 자체로 알려진 공융 웨이퍼 본딩 방법[예를 들어 양극 본딩, 납땜 또는 융합 유리 프릿(fusing glass frits), 접착제 본딩 또는 용접]에 의해 수행된다. 비록 유리 프릿 방법이 잘 알려져 있어 바람직하지만, 공융 본딩 방법, 특히 고체-액체 상호 확산을 이용한 SLID 방법이 또한 장점을 매우 많이 제공한다. 본딩 온도는 때때로 400 ℃보다 훨씬 낮고 따라서 완전히 CMOS 호환 가능(CMOS-compatible)하다. 재료의 선택은 당연히 요구되는 CMOS 호환성에 따라 신중하게 수행되어야 한다.
두 웨이퍼 사이의 경계면에서 본딩 동안 액체 공융(liquid eutectic)이 형성된다. 냉각 공정 동안, 웨이퍼 사이에 재료 본드(material bond)가 이와 같이 형성된다. 이 재료 본드 때문에, 매우 우수한 기밀성 외에도 생성된 스택의 안정성이 매우 높아, 후속 공정 단계에 유리하다.
이어서, 중앙 웨이퍼(3)의 후면이 박형화된다(예를 들어, 연삭 및 폴리싱과 같은 기계적 방법에 의해)(도 3d 참조). 중앙 웨이퍼(3) 또는 센서 픽셀(5)을 갖는 웨이퍼의 나머지 두께는, 멤브레인(5")이 예를 들어 건식 에칭(DRIE)에 의한 센서 픽셀(5) 아래의 후면에서 에칭되지 않고 단열 캐비티(11)가 그에 의해 형성되기(도 3e 참조) 전에, 200 내지 300 ㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 < 20 내지 50 ㎛이어야 한다. 이 경우, 관통 접촉부(6)[소위 비아(6) - 예를 들어 도 5, 도 7 또는 도 8 참조]는 중앙 웨이퍼(3)로부터 CMOS 신호 처리(8)의 추가적인 모듈을 갖는 바닥 웨이퍼(4)까지 형성될 수도 있다. 관통 접촉부(6)의 경우에도, 상당히 작은 측방향 치수로, 그리고 크게 얇아진 중앙 웨이퍼 또는 웨이퍼(3)를 통해 더욱 정밀하게 생산될 수 있다는 것을 알 수 있다.
DRIE 에칭 공정 및 관통 접촉부(6)의 생성 이전의 박형화는 본 발명의 맥락에서 몇 가지 중요한 기능을 갖는다:
- 전형적으로 400 내지 500 ㎛의 중앙 웨이퍼(3)의 두께는 바람직하게는 < 20 내지 50 ㎛의 매우 얇은 기판 두께로 감소될 수 있고, 이는 전체 구성의 두께를 감소시킨다.
- 중앙 웨이퍼(3)의 매우 얇은 잔류 기판은 DRIE 에칭에 의해 실질적으로 더욱 정밀하게 에칭될 수 있는데, 이는 웨이퍼 두께를 감소시키는 에칭 공정(소위 틸트) 동안의 허용 오차가 자연스럽게 에칭을 위해 사용된 에칭 마스크의 전사 정확도에 전혀 영향을 미치지 않거나 거의 영향을 미치지 않기 때문이다. DRIE에 의해, 에칭 마스크는 상부 커버 웨이퍼(1)를 향하는 측면에 매우 높은 정확도로 전사되어, 매우 작은 픽셀 구조가 가능하다.
- 관통 접촉부(6)의 측방향 크기는 매우 얇은 중앙 웨이퍼(3) 때문에 매우 크게 감소될 수 있다.
- DRIE 에칭 공정(통상적으로 대부분 단일 웨이퍼 공정으로 수행됨)은 이 작은 에칭 깊이 때문에 더욱 신속하게 가능하고 따라서 실질적으로 더욱 경제적이다.
다음 장착 단계에서, 전면에 CMOS 회로(8) 및 게터(14)용 캐비티(13)를 갖는 바닥 웨이퍼(4)는 이미 서로 장착된 두 개의 상부 웨이퍼[커버 웨이퍼(1) 및 중앙 웨이퍼(3)]와 전면에서 정렬되고(도 3f), 웨이퍼 본딩에 의해 기계적으로 견고하게 연결된다. 이 바닥 웨이퍼(4)는 이어서 벌크 측면(후면)에서도 얇아지고(도 3g), 가능하게는 요구되는 또는 기존의 전기 관통 접촉부(6)(소위 실리콘 관통 비아, TSV)(6)가 형성되고 접촉된다.
가능한 가장 높은 온도 분해능을 달성하기 위해, 중앙 웨이퍼(3)는 진공 분위기에서 기밀식으로 밀폐되어야 한다. 이는 일반 웨이퍼 레벨 패키지에서 이미 이루어질 수 있다.
추가적인 게터가 반드시 필요한 것은 아니지만, 그럼에도 불구하고 웨이퍼 본딩 동안 또는 후에 열 여기, "가열"에 의해 바람직하게 활성화되는 도입된 게터(14)가 장기간 안정적인 진공을 보조한다는 것이 밝혀져 있다. 전기적으로 활성화된 게터(14)도 또한 가능하며, 이를 위해 대응하는 공급 라인이 바닥 웨이퍼(4) 내로 도입되어야 한다.
게터는 원칙적으로 커버 웨이퍼(1)(도 6a 참조) 내에 또는 센서 픽셀(5) 옆의 중앙 웨이퍼(3)의 에지에 또한 수용될 수 있다. 그러나, 중앙 웨이퍼(3)가 기능적으로 구멍[멤브레인(5") 내의 관통 슬릿(11") 및 기판 내의 구멍]을 가져야 하기 때문에, 가장 우아하고 가장 바람직한 방법은 센서 픽셀(5) 아래의 바닥 웨이퍼(4)에 게터(14)를 수용하는 것이다. 이는 슬릿(11") 및 중앙 웨이퍼(3)의 구멍의 배열이 상부 측면에서부터 하부 측면까지 가스 교환을 용이하게 허용하기 때문이다.
마지막 단계에서, 개별 분리된 어레이 칩으로 개별화한 후, 연결되고 얇은 3개의 웨이퍼로 구성된 샌드위치가 배선 지지대(도 3h에 표시되지 않음)에 장착되고 예를 들어 와이어 본드 브리지(17)를 통해 전기적으로 접촉된다(도 3h). 이러한 배선 지지체는 회로 기판(PCB, 예를 들어 휴대폰의 회로 기판), 금속 하우징 또는 매우 얇은 바닥을 갖는 소위 QFN 하우징일 수 있다.
이러한 방식으로, 개별 웨이퍼의 전체 조립체는 본 발명에 따르면 개별 웨이퍼보다 실질적으로 두껍지 않을 수 있다. 이는 예를 들어 오직 500 ㎛의 두께를 갖는 전체 조립체로서, 쉽게 취급(가공, 측정 및 운송)되고 개별 칩으로 분할될 수 있기 때문이다.
써모파일 어레이의 하나의 특히 생산하기 쉬운 구성은 TSV(비아) 없이 전적으로 수행되며 도 4에 나타나 있다.
처음 4개의 단계는 도 3a - d에서와 같이 그에 따라 수행된다. 여기서, 간결함을 위해 방법이 도 4a 및 b로 결합된다.
이것은 후면 에칭 단계(도 4c)에 의해 후속되고, 그 동안 센서 픽셀(5)을 위해 위에 놓인 멤브레인의 단열을 위한 캐비티(11)가 형성되고, 어떠한 관통 접촉부도 준비되지 않는다. 바닥 웨이퍼(4)는 게터(14)를 위한 캐비티(13)가 준비되고, 게터가 도입되고(도 4d), 이미 서로 장착되어 박형화된 상부 2개의 웨이퍼에 연결된다(도 4e). 센서 픽셀(5) 및 CMOS 신호 처리(8)를 갖는 중앙 웨이퍼(3)의 상부 측면에서, 통상적인 본드 패드(15)가 각각의 칩의 외측 에지에 적용된다.
이들은, 예를 들어, 조립체가 얇은 톱날을 사용하여 개별 칩으로 분리되기 전에 더 넓은 톱날을 사용하여 위에서부터 웨이퍼 조립체로 톱질 절단부(sawing cut)에 의해 노출된다. 본드 패드(15)의 노출 후 그리고 웨이퍼 스택의 개별화 전에, 써모파일 어레이는 여전히 웨이퍼 조립체 내에 있는 동안 통상적인 자동화된 웨이퍼 샘플러에 의해 그들의 기능에 대해 테스트될 수 있다.
마지막 단계(도 4f)에서, 3개의 부분 웨이퍼로 구성된 개별화된 써모파일 센서 어레이 칩은 와이어 브리지(17)를 사용하는 통상적인 와이어 본딩 방법에 의해 외부 모듈에 전기적으로 연결된다. 이러한 와이어 브리지(17)와 간단한 접착제 또는 솔더 연결에 의해, 플랫 하우징의 장점을 유지하기 위하여 전체 어레이 칩은 예를 들어 회로 기판, 세라믹 또는 금속 하우징, 또는 특히 바람직하게는 바닥이 매우 얇은 소위 QFN 패키지에 칩-온-보드(chip-on-board)로 장착될 수 있다.
특히 작은 센서 픽셀(5)을 갖는 열 센서용 매우 얇은 웨이퍼 레벨 패키지의 기본 원리는 센서 픽셀(5)의 단열을 위한 캐비티(10, 11)가 아래로부터 중앙 웨이퍼를 통해 에칭되지 않지만 그 자체로 알려진 희생층 기술(소위 표면 마이크로 머시닝)을 통해 위에서 도입되는 변형을 위해 또한 구성될 수 있다.
이러한 변형은 3개의 웨이퍼를 갖는 진공 웨이퍼 레벨 패키지(WLP)의 고해상도 열 센서의 구성이 나타나 있는 도 5에 나타나 있고, 여기서 센서 픽셀(5)의 단열을 위한 캐비티(16)가 공지된 희생 층 기술에 의해 중앙 웨이퍼(3) 위로부터 에칭된다.
캐비티(16)는 멤브레인(5")의 슬릿(11")에 의해 그 자체로 알려진 희생 층 기술을 사용하여 열에 민감한 센서 픽셀(5)을 갖는 중앙 웨이퍼(3)의 각 센서 픽셀(5) 아래에 생성된다(도 5b). 이는 예를 들어 SOI 기술의 산화물로서 또는 (다공성 실리콘과 같은) 그 자체로 알려진 희생 층을 사용하거나, 그렇지 않으면 센서 픽셀(5)의 멤브레인 아래 벌크 실리콘(bulk silicon)의 이방성 습식 에칭에 의해 수행될 수 있다. 탈착된 재료는 멤브레인(5")의 슬릿(11")을 통해 바깥쪽으로 안내된다.
각각의 센서 픽셀(5) 아래에 생성된 캐비티(16)는 센서 픽셀(5)의 적외선 감지 기능 층을 갖는 슬릿 멤브레인(5")이 실리콘 기판[중앙 웨이퍼(3)]으로부터 단열되어 장래의 진공 분위기 하에서 높은 센서 신호를 허용하는 것을 보장한다.
특히 이방성 에칭 방법이 사용되는 경우, 매우 작은 픽셀(예를 들어 < 50 ㎛)의 경우에도, 오직 수 10 ㎛의 작은 에칭 깊이가 있어, 캐비티(16)가 중앙 웨이퍼(3)의 하부 측면으로 외측으로 에칭-스루(etched-through outward)되어, 진공 밀봉을 방해하는 일 없이 중앙 웨이퍼(3)가 그에 따라 크게 박형화될 수 있다.
장착 동안, 중앙 웨이퍼(3)(도 5b)는 웨이퍼 본딩에 의해 커버 웨이퍼(1)(도 5a)와 동등한 방식으로 단단히 연결되고(도 5c) 이후에 작은 두께로 박형화된다(도 5d). 도 3의 이전 예시적인 실시예에서와 같이, 전기적 관통 접촉부(6)(TSV)는 센서 픽셀(5) 또는 신호 처리 채널(8)의, 중앙 웨이퍼(3) 상에 통합된, 제1 스테이지를 갖는 중앙 웨이퍼(3)의 전면과 후면 사이에 제공된다(도 5e). 더욱이, 바닥 웨이퍼(4)의 캐비티(13) 내의 게터(14)(도 5f)가 센서 픽셀(5) 아래 및 위의 캐비티(10, 16) 내의 안정적인 진공을 보장할 수 있도록, 적어도 하나의 구멍이 바람직하게는 중앙 웨이퍼를 통해 에칭되어야 하거나(도시되지 않음), 또는 하나 이상의 캐비티(16)가 전체 웨이퍼를 통해 이방성으로 에칭되어야 하거나, 또는 캐비티(16)가 노출되는 정도로 웨이퍼가 박형화되어야 한다.
비록 바닥 웨이퍼(4)에 더 많은 공간이 있고 게터(14)의 활성화 동안 센서 픽셀(5) 및 필터 층에 대한 섭동 효과도 더 적을 지라도, 원칙적으로, 게터는 필터 층을 갖는 커버 웨이퍼(10)의 캐비티에 증착될 수도 있다(도 6a 참조).
추가적인 CMOS 신호 처리 구성요소(8)를 갖는 바닥 웨이퍼(4)는 통상적인 웨이퍼 본딩(도 5g)에 의해 커버 웨이퍼(1) 및 중앙 웨이퍼(3)에 기계적으로 견고하고 기밀하게 연결되고 이 WLP 3중 조립체가 또한 아주 얇을 수 있도록(< 0.5 내지 < 1.0 ㎜) 얇은 두께로 박형화될 수 있다.
특별한 형태로(조립체에 3개 이상의 웨이퍼를 갖는 다른 모든 솔루션과 달리) 위에서부터 에칭된 캐비티(16)를 갖는 써모파일 어레이에 대한 특히 간단한 구성이 있고, 이는 도 6에 나타나 있다.
도 6은 오직 두 개의 웨이퍼, 즉 커버 웨이퍼(1)와 중앙 웨이퍼(3)만을 갖는 진공 웨이퍼 레벨 패키지의 고해상도 열 센서의 구성을 도시하며, 여기서 센서 픽셀(5)의 단열을 위한 캐비티(16)는 공지된 희생 층 기술에 의해 중앙 웨이퍼(3) 위에서부터 에칭된다.
첫번째 단계는 도 5에 따른 변형과 동일한 방식으로 수행된다. 그러나, 도 5의 솔루션과 대조적으로 도 6에 도시된 구성은 관통 접촉부(6) 그렇지 않으면 바닥 웨이퍼(4)를 필요로 하지 않는다.
이 경우에 게터(14)는, 센서 어레이의 보기 각도가 제한되지 않도록, 센서 픽셀(5)(도 6a)에 대향하는 필터 층(2) 옆에 있는 커버 웨이퍼(1)의 캐비티(10)의 가장 외측 에지에 가능한 멀리 도입되어야 한다.
커버 웨이퍼(1)와 센서 픽셀(5) 아래에 캐비티(16)를 갖는 중앙 웨이퍼(3)의 웨이퍼 대 웨이퍼 본딩 후, 픽셀(5)을 갖는 (중앙) 웨이퍼(3)는 조립체(도 6b)에서 박형화되고 전기적 접촉부가 칩 에지의 본드 패드(15) 및 접촉 브리지(17)에 의해 어레이 칩 외부의 전자 장치에 공급된다(도 6c). 이를 위해 와이어 브리지(17)를 갖는 다수의 본드 패드(15)가 필요할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명에 따른 이 2-웨이퍼 솔루션이 매우 단순해 보이지만, 3개 이상의 웨이퍼를 갖는 본 발명에 따른 모든 다른 솔루션과 비교할 때 특정 단점이 지적되어야 한다:
- 어떤 신호 처리도 여기에 존재하지 않는 바닥 웨이퍼로 "이동"될 수 없고 게터(14)가 커버 웨이퍼(1)의 캐비티(10)의 필터 층(2) 옆에 수용되어야 하기 때문에 집적 밀도는 이전 솔루션보다 현저히 낮다.
- (중앙) 웨이퍼(3)의 박형화 후 어레이의 최종 두께가 매우 작을 수 있지만(도 6의 솔루션이 이러한 목적을 충족함), (중앙) 웨이퍼(3)의 측방향 치수는 전체 픽셀 측 신호 처리를 그 상에 수용하기 위하여 더 커야만 한다. 이것은 어레이 칩의 외부 치수를 증가시키거나, 또는 더 적은 수의 센서 픽셀(5)이 동일한 크기의 칩에 수용될 수 있다.
- 낮은 통합 수준 때문에, 동일한 전체 크기를 갖는 경우, 따라서 이전 솔루션과 비교하여 온도 해상도 및/또는 공간 해상도(최소 픽셀 크기)에 손실이 있다.
이 변형에서, 중앙 웨이퍼(3)의 두께는 덜 박형화되거나 또는 커버 웨이퍼(1)의 캐비티(10)와 유사한 두께로 남겨두는 것이 권장된다. 이는 내부 진공 때문에 커버 웨이퍼(1)와 중앙 웨이퍼(3) 칩의 벤딩과 관련하여 더 적은 문제를 수반한다.
다른 실시예에서, 3개의 웨이퍼로 구성된 특히 평평한 "샌드위치"는 "표면 장착 가능한"(SMD-가능한) 방식으로 구성될 수 있다(도 7 참조).
이 경우, 중앙 웨이퍼(3)와 바닥 웨이퍼(4)의 센서 칩 모두에는 그 자체로 알려진 관통 접촉부(6, 18)(TSV 비아)가 구비되어야 한다(도 7a).
이러한 관통 접촉부(6, 18)는 현재 종래 기술에서 수 ㎛의 측방향 치수를 가질 수 있다. 이를 위해서는 매우 얇은 웨이퍼가 전제 조건이다. 이러한 방식으로, 이들은 신호 처리(8)의 일부를 바닥 웨이퍼(4)에 배치하기 위해 개별 센서 픽셀(5)의 코너 영역[전체 픽셀 측 신호 처리(8)을 바닥 웨이퍼(4)로 재배치할 수 있음]과 픽셀 필드(초점 평면) 옆에 중앙 웨이퍼(3)의 에지 영역에 모두 수용될 수 있다.
관통 접촉부(6)는 장착 후 2개의 웨이퍼 사이에서 바닥 웨이퍼(4)를 통한 관통 접촉부(18)(전기적 접촉부)를 허용하기 위해 접촉 패드(별도로 도시되지 않음)로 각각 종결된다.
바닥 웨이퍼(4)의 후면은 솔더 범프(9)를 수용하며, 이는 박형화 후에 박형화된 바닥 웨이퍼(4)의 관통 접촉부(18) 상에 배치된다(도 7b).
표면 장착성을 달성하기 위해, 바닥 웨이퍼(4)는 다음을 포함한다.
- CMOS 구조(8)를 갖는 표면으로부터 중앙 웨이퍼(3) 및 바닥 웨이퍼(4)의 하부 측면까지 특히 작은 직경을 갖는 관통 접촉부(18)(TSV), 여기서 인터페이스용 접촉부가 추가적인 신호 처리의 외부 모듈로, 또는 전압 공급부로 외향으로 공급된다;
- 센서 칩[중앙 웨이퍼(3)]을 하부 배선 지지체(예를 들어, 회로 기판 - 표시되지 않음)에 기계적으로 전기적으로 연결하기 위해 관통 접촉부(18)의 하부 단부에 있는 솔더 범프(9).
그러나, 3개의 웨이퍼의 장착 동안, 몇 가지 세부 사항에 유의해야 한다:
예를 들어, 웨이퍼는 서로에 대해 매우 정확하게 배향되어야 하며, 이는 예를 들어 정렬 마크의 비교를 가능하게 하는, 커버 웨이퍼(1)에서의 건식 에칭 기술(DRIE) 또는 유사한 에칭 방법을 사용하여 에칭된 구멍의 도움으로 달성될 수 있다. 실리콘 웨이퍼는 IR 복사선에 대해 투명하기 때문에 적외선 정렬 방법도 또한 이에 적합하다.
상부 커버 웨이퍼(1)(필터 웨이퍼)의 모서리의 정렬 구멍 그렇지 않으면 복수의 비대칭 구멍 또는 노치가 SMD 공정 동안 웨이퍼 스택의 정밀한 위치 배향 장착에 기여할 수 있다.
일 특정 실시예에서, CMOS 신호 처리가 일어나는 아래에 놓인 바닥 웨이퍼(4)로의 관통 접촉부(6)는 각각의 센서 픽셀(5)의 코너에서 중앙 웨이퍼(3)에 도입된다.
다른 특정 실시예에서, 추가적인 바닥 웨이퍼(19)(CMOS 웨이퍼)는 센서-측 (아날로그/디지털) 신호 처리(도 8 참조)를 갖는 바닥 웨이퍼(4) 아래에 장착될 수 있다. 이 추가적인 바닥 웨이퍼(19)는 추가적인 이미지 처리 기능, 예를 들어 이미지 프로세서, 대용량 데이터 메모리 또는 기타 디지털 계산 유닛을 포함할 수 있다. 따라서 동일한 외부 치수(길이/폭)와 오직 약간 더 두꺼운 두께로, 센서 칩은 훨씬 더 많은 이미지 처리 기능을 수행할 수 있다.
이를 위해, 웨이퍼 스택은, 위에서 설명된 바와 같이, 원래 바닥 웨이퍼(4)(도 8a)와 함께 미리 장착되고 박형화된다. 그러나, 접촉부 형성 후에, 솔더 범프는 바닥 웨이퍼(4) 상에 적용되지 않고, 추가적인 바닥 웨이퍼(19)에 대한 장래의 전기적 연결을 허용하는 접촉 패드(20)에만 적용된다(도 8b). 추가적인 신호 처리 구성요소(22), 예를 들어 이미지 프로세서 또는 비교적 큰 디지털 이미지 메모리를 갖는 추가적인 바닥 웨이퍼(19)는 후속적으로 상부 웨이퍼와 정렬되고 바닥 웨이퍼(4)와 일치하는 관통 접촉부(21)가 제2 바닥 웨이퍼(19)에 형성되고, 중간 연결부(21)의 하부 단부에서 접촉 범프(9')를 통해 웨이퍼 스택의 전체 모듈의 최종 전기적 접촉을 위한 대응하는 비아가 준비된다(도 8e).
상부 웨이퍼와 추가적인 바닥 웨이퍼(19)는 바닥 웨이퍼(4)에 통상적인 웨이퍼 본딩 방법에 의해 기계적으로 견고하게 연결되고, 포개어진 웨이퍼 측면 사이에서 접촉부 형성(전기적 중간 연결)이 수행된다(도 8d).
마지막 방법 단계에서, 추가적인 바닥 웨이퍼(19)가 얇아지고 SMD 장착을 위한 접촉 범프(9)(예를 들어 납땜 주석, 도전성 접착제 등)가 후속적으로 형성된다(도 8e 참조).
박형화(thinning) 후, 이렇게 형성된 4겹 웨이퍼 스택은 커버 웨이퍼(1)(필터 웨이퍼)가 가장 두꺼운 채로 남아 있기 때문에 < 0.5 내지 < 1 ㎜의 전체 두께를 가질 수 있는 반면, 웨이퍼 스택 전체가 웨이퍼 핸들링을 위한 충분한 기계적 안정성을 갖는 한, 아래에 배열된 3개의 웨이퍼는 조립체에서 각각 < 100 ㎛로 박형화될 수 있다.
도 9는 웨이퍼 레벨 패키지의 써모파일 어레이의 추가적인 구성을 나타내고, 이는 또한 TSV 없이 구성된다. 그러나, TSV 없이 또한 구성된 도 4와 달리, 중앙 웨이퍼(3)의 개별적인 접촉 패드(25)와 통합된 진보된 이미지 처리를 갖는 바닥 웨이퍼(4)의 접촉 패드(24)에 의한 직접적인 전기적 접촉이 뒤집힌 장착(flipped mounting) 때문에 여기서 가능하다(도 9a, g). 따라서, 바닥 웨이퍼(4) 상에 평가 전자 장치를 완전히 통합하고 더 많은 센서 픽셀(5)을 위한 공간을 확보하는 것도 가능하다. 따라서, 픽셀 밀도는 훨씬 더 증가될 수 있다.
도 9는 비아(관통 접촉부)가 없는 뒤집힌 매우 얇은 중앙 웨이퍼(3)를 갖는 웨이퍼 레벨 패키지의 써모파일 어레이를 도시하고(도 9a-f), 도 9g는 멤브레인(5") 상에 우산(7)을 갖는 확대된 개별 유닛을 도시한다.
이것은 특히 경제적인 변형이다. 여기서는 바닥 웨이퍼(4)의 전면이 중앙 웨이퍼(3)의 전면 상에 위치 설정된다. 개별적인 접촉 패드 및 솔더 페이스트 등, 또는 전기적 접촉을 제공하는 수단(도시되지 않음)을 갖는 2개의 전면은 서로에 대해 배향된다. 그 다음, 바닥 웨이퍼(4) 상의 접촉 패드(24)를 갖는 바닥 웨이퍼(4)는 중앙 웨이퍼(3)와 접촉 패드(25) 상에 직접 정렬된다(도 9a). 두 개의 웨이퍼는 통상적인 웨이퍼 본딩 방법에 의해 서로 기계적으로 견고하게 연결되고 중앙 웨이퍼(3)는 이어서 매우 크게, 이상적으로는 < 15 ㎛ 으로 박형화된다(도 9b).
픽셀을 위한 캐비티(11)는 후속적으로 DRIE에 의해 만들어지고 3차원 흡수체 구조, 즉 우산(7)이 그 내에 도입된다(도 9c). 커버 웨이퍼(1)가 박형화되고 캐비티와 필터 층이 삽입된다(도 9d). 그 위에 커버 웨이퍼(1)는 통상적인 웨이퍼 본딩 방법에 의해 바닥 웨이퍼(4) 및 중앙 웨이퍼(3)로 구성된 웨이퍼 조립체에 기계적으로 견고하게 연결된다(도 9e).
3개의 웨이퍼로 구성된 전체 웨이퍼 조립체는 이어서 뒤집혀서 바닥 웨이퍼(4)가 이제 아래에 있게 된다(도 9f). 칩은 이제 적절한 베이스 상에 배치되고 접착식으로 본딩될 수 있고 와이어 본드 브리지(17)에 의해 아래에 놓인 기판(도시되지 않음)에 전기적으로 접촉될 수 있다.
이전 실시예에서 언급된 솔더 범프의 적용은 또한 인쇄 회로 기판(PCB) 등과 같은 하부 기판 상에 칩을 적용하기 위해 가능하다. 와이어 본드 브리지(17)는 이 경우에 필요하지 않다. 이 방법 때문에, 바닥 및 중앙 웨이퍼(4, 3) 상의 CMOS 전자 장치가 각각의 접촉 패드(24, 25)에 의해 직접 접촉되기 때문에 관통 접촉부가 필요하지 않다.
예시를 위해, 도 9g는 픽셀 구역의 세부사항을 나타낸다. 우산(7)은 (이전 실시예와 대조적으로) 센서 픽셀(5)의 캐비티(11)에서 멤브레인(5") 상에 위치된다. 바닥 웨이퍼(4)의 접촉 패드(24)는 중앙 웨이퍼(25)의 접촉 패드(25)에 전기적으로 접속된다. 신호 처리(8)(CMOS 처리)는 바닥 웨이퍼(4) 상에 위치된다.
완전성을 위해, 원칙적으로 더 얇은 웨이퍼가 웨이퍼 스택에 추가될 수도 있다는 점이 언급되어야 한다. 전체 전력 손실이 열에 민감한 웨이퍼의 소위 열 충격 문제에 어떠한 상당한 영향을 미치지 않도록 특히 하부 웨이퍼의 신호 처리 회로 및 마이크로프로세서 회로를 위한 절전형 반도체 기술이 바람직하다. 웨이퍼 스택의 과도한 전력 손실은 스위치를 켠 후 긴 과도 프로세스와 측정 오류로 이어진다.
QFN 패키지의 COB 기술에서 와이어 본딩에 의해 장착하기 위해 또는 SMD에 의한 자동 장착을 위해 그리고 추가 신호 처리 구성요소를 갖는 추가적인 바닥 웨이퍼(19)의 사용을 위해 전면으로부터 또는 후면으로부터 에칭된 캐비티(11)를 갖는 도 3 내지 도 9에 설명된 예시적인 실시예는 물론 임의의 원하는 방식으로 서로 결합될 수 있다.
설명된 모든 실시예로, 특히 평평하고, 진공이 새지 않고 기계적으로 안정적인 써모파일 어레이를 구성하는 목적이 달성된다.
더욱이 - 도 4 및 도 6의 단순화된 변형을 제외하고 - 예시적인 실시예는 종래 기술과 비교하여 2개의 실질적인 이점을 갖는다:
- 한편으로는, 중앙 웨이퍼(3)의 거의 전체 영역이 센서 픽셀(5) 자체를 위해 사용될 수 있는 반면, 신호 처리 채널(8)에 대해 마찬가지로 요구되는 상당한 영역은 밑에 있는 바닥 웨이퍼(4)에 배열된다. 센서 샌드위치의 가장 작은 가능한 치수가 이와 같이 달성되며, 이는 특히 높은 수준의 통합 또는 높은 패킹 밀도를 달성하는 소위 "모바일 장치"(스마트폰과 같은)의 소형 IR 카메라 모듈에 대해 이점이 된다.
- 다른 한편으로는, 센서 픽셀(5)을 갖는 중앙 웨이퍼(3)는 특히 써모파일 구조에 맞춰진 기술로 생산될 수 있는 반면, 바닥 웨이퍼(또는 추가적인 바닥 웨이퍼)(4, 19)는 특별한 써모파일 구조를 통합할 필요가 없거나 고려해야 하는 "혼합 신호(mixed signal)" CMOS 기술로 생산될 수 있다.
도 9에 따르면, 뒤집힌 장착 때문에 하부 바닥 웨이퍼(19) 상에 전체 신호 처리를 수용하는 것도 가능하다.
특히 고해상도(공간적 및 열적) 써모파일 어레이의 두 번째 목적은 본 발명에 따른 세 가지 조치에 의해 달성된다:
- 중앙 웨이퍼(3)는, 특히 웨이퍼의 후면으로부터 에칭된 캐비티(11)를 갖는 솔루션(즉, 도 3, 도 4, 도 7 및 도 8, 도 9에 따름)에서, 이전에 알려진 것보다 훨씬 더 작은 써모파일 픽셀을 구성하는 것이 가능한 그러한 작은 잔류 두께까지 박형화되고, 즉 (열 분리를 위해 그리고 콜드 접촉부를 위한 히트 싱크로서 사용되는) 캐비티(11) 주위에서 DRIE 에칭 후에 남아 있는 센서 픽셀(5)의 Si 에지는 수 마이크로미터까지 감소될 수 있다. 따라서 나머지 멤브레인 크기는 픽셀 치수와 관련하여 더 커진다, 즉, 더 작은 픽셀이 가능해진다(예를 들어 < 25 내지 50 ㎛).
- 신호 전자 장치(ROIC)는 바람직하게는 매우 작은 관통 접촉부(6)(작은 직경을 가짐)에 의해 바닥 웨이퍼(4, 19)에 수용된다. 중앙 웨이퍼(3)의 써모파일 어레이 옆보다 더 많은 공간이 있다. 이상적인 경우에는, 거의 전체 칩 영역이 초점 평면 어레이에 사용될 수 있다(도 9).
- 바닥 웨이퍼(4)[또는 도 5, 도 7 및 도 8에서와 같이 추가적인 바닥 웨이퍼(19)]가 신호 처리 채널(SPC)을 위한 거의 전체 칩 영역으로 사용될 수 있다면, 고해상도 어레이에서 더 적은 수의 센서 픽셀(5)은 신호 처리 채널을 공유해야 하거나, 또는 개별 전치 증폭기를 위한 더 많은 영역이 남아 있다. 병렬로 작동하는 더 많은 수의 SPC가 노이즈 대역폭을 감소시키지만, 전치 증폭기의 노이즈는 더 큰 면적에 의해 감소된다. 두 가지 방법 모두 노이즈를 줄이고 픽셀의 노이즈 제한 온도 분해능(NETD)을 개선한다.
기능은 써모파일 픽셀을 갖는 써멀 어레이 센서를 참조하여 간략하게 설명될 것이다. 원칙적으로, 후속하는 내용은 초전기 센서 또는 마이크로볼로미터와 같은 다른 열 센서 원리에도 적절히 적용된다.
써모파일 구조는 웨이퍼[센서 픽셀(5)를 갖는 중앙 웨이퍼(3)] 상에 생성되는 실리콘 칩에 공지된 방식으로 통합된다. 써모파일 어레이는 행과 열의 매트릭스 형태로 통상적으로 배열되는 다수의 개별 센서 픽셀(5)을 포함한다.
특별한 CMOS 호환 가능 마이크로시스템 기술 방법은 실제 CMOS 공정 후에 예를 들어 이산화규소, 질화규소, 탄화규소 또는 이들의 조합과 같은 얇은 유전체 층에 위치되는 센서 픽셀(5)의 생산으로 이어진다.
중앙 웨이퍼(3)의 CMOS 공정 후에, MEMS 공정이 일어난다. MEMS 공정의 첫 번째 단계[아직도 커버 웨이퍼(1)와 장착되기 전]에서, 써모커플 위의 보호 층이 박형화되고 비임(11')의 단열을 위한 장래의 슬릿(11")이 웨이퍼의 상부 측면으로부터 실리콘 벌크 바운더리(silicon bulk boundary)까지 도입된다. 이것은 일반적으로 소위 건식 에칭 또는 유사한 이방성 방법에 의해 수행된다.
멤브레인(5")의 중앙 부분에는 적외선 흡수체 층이 구비되어 있다(도 2d). 이를 위해, 3차원 우산(7)(차폐 구조)이 바람직하게는 센서 픽셀(5)에 특히 높은 필 팩터를 부여하기 위해 생성된다(도 2e). 적외선 감도를 추가로 증가시키기 위해 추가적인 흡수체 층이 우산(7)에 적용될 수 있다.
추가적인 MEMS 단계는 커버 웨이퍼(1)와 중앙 웨이퍼의 장착 후에만 알려진 웨이퍼 본딩 방법에 의해 수행된다(도 3a-c).
써모파일 센서 픽셀(5) 아래의 캐비티(11)의 에칭(도 3e)은 에칭 정확성의 정밀도를 증가시키기 위해, 커버 웨이퍼(1)를 갖는 박형화된 웨이퍼 조립체에서, 중앙 웨이퍼(3) 또는 센서 픽셀(5)을 갖는 웨이퍼가 작은 두께로 박형화된 후에만 픽셀 아래에 이상적으로 후면 에칭된 캐비티(11)를 갖는 모든 변형에서 수행된다. 그러나, 원칙적으로, 특히 웨이퍼 제조 공장의 CMOS 호환성 요구 사항이 허용하고 신뢰성 있는 웨이퍼 취급이 보장되는 경우 또한 다른 지점에서 에칭이 가능하다.
중앙 써모파일 웨이퍼(3)의 박형화 후(도 3d), 후면에서부터 이미 크게(전형적으로 < 50 내지 100 ㎛) 박형화된 중앙 웨이퍼(3) 내로 캐비티(11)의 본 발명에 따른 도입(도 3e)이 DRIE 건식 에칭에 의해 수행된다.
두 번째 MEMS 단계 후, 전술된 유전체 층과 바아[비임(11')]를 위한 단열 슬릿(11")으로부터 중앙 웨이퍼(3)의 전면에 자체-지지형 얇은 멤브레인(5")이 형성되고, 이는 민감한 IR 픽셀을 위한 단열 이외에, 이미 설명된 것과 같이 가스 교환(센서 픽셀의 상부 측면과 하부 측면 사이의 진공)과 게터(예를 들어 도 3f 및 g)의 효과적인 동작을 또한 허용한다.
핫 접촉부와 열전 소자는 써모파일 센서 픽셀(5)의 중앙에서 멤브레인(5") 상에 위치된다. 멤브레인(5")의 중앙 부분의 핫 접촉부의 영역과 실리콘 싱크 사이에서, 써모커플은 멤브레인(5")의 중앙 부분과 실리콘 싱크[캐비티(11)를 둘러싸는 실리콘 재료]로부터 멤브레인(5")의 슬릿(11")에 의해 단열되는 비임(11')(좁은 연결 요소) 상에 유지되고, 따라서 멤브레인(5")의 핫 접촉부에서부터 실리콘 싱크로의 열 전달이 감소된다.
써모커플에 대해 높은 Seebeck 계수를 갖는 반도체 재료가 생각될 수 있다. 폴리실리콘, 비정질 실리콘 층, SiGe 층 및 (비스무트 또는 안티몬 및 이들의 화합물과 같은) 높은 열전 계수를 갖는 특수 주입 층이 가능하다.
커버 웨이퍼(1)는, 비록 원칙적으로 유리 기판 또는 다른 유기 및 무기 재료와 같은 다른 재료가 또한 요구되는 광학적 특성을 위한 요구조건을 만족시키기 위해 가능하지만(예를 들어 Ge 그렇지 않으면 소위 칼코겐화물), 모든 웨이퍼가 동일한 열팽창 계수를 갖기 때문에 바람직하게는 아래에 있는 다른 모든 웨이퍼와 같이 실리콘으로 구성된다.
바닥 웨이퍼(4, 19)는, 신호 처리 기능이 없거나 또는 실리콘 웨이퍼로 가능한 것보다 훨씬 적은 신호 처리 기능이 통합될 수 있기 때문에 비록 낮은 수준의 통합의 단점을 갖는 유리와 같은 다른 재료로 또한 구성될 수 있지만, 바람직하게는 실리콘으로 만들어진다. 바닥 웨이퍼(4, 19)는 또한 유기 재료로 구성될 수 있고, 예를 들어 접을 수 있는 스마트폰에서와 같이 가요성 지지체에서의 사용을 단순화하기 위해 예를 들어 유기 전자 장치(organic electronics)를 포함할 수 있다.
개별 웨이퍼의 생산 및 장착에서 그 자체로 알려진 공정 및 배열은 이미 알려져 있기 때문에 여기에서 의도적으로 매우 간략하게 논의되었다.
진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징은 진공 처리된 웨이퍼 레벨 하우징 또는 진공이 우세한 웨이퍼 레벨 하우징으로 이해되어야 된다.
1 상부 커버 웨이퍼
1' 바아
2 필터 층
3 중앙 웨이퍼
4 바닥 웨이퍼
5 센서 픽셀
5' 스트립
5" 멤브레인
6 관통 접촉부
7 우산(방사선 수집기)
8 CMOS 신호 처리 채널
9 접촉 범프
9' 접촉 범프
10 필터 웨이퍼의 캐비티
11 캐비티
11' 비임
11" 슬릿
12 우산을 갖는 픽셀
13 캐비티
14 게터
15 본드 패드
16 캐비티
17 와이어 브리지
18 관통 접촉부
19 추가적인 바닥 웨이퍼
20 접촉 패드
21 접촉 패드
22 신호 처리
23 접촉 패드
24 접촉 패드
25 접촉 패드

Claims (17)

  1. 적어도 2개의 웨이퍼, 커버 웨이퍼(1) 및 단열 캐비티(11) 위에 얇은, 슬릿이 형성된 멤브레인(5") 상에 개별적으로 복수의 민감한 적외선-감지 센서 픽셀(5)을 갖는 중앙 웨이퍼(3)로 구성되고, 특히 작은 치수를 갖는, 진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법으로서,
    커버 웨이퍼(1)는 내측에 초기에 적어도 하나의 캐비티(10)가 제공되고 웨이퍼 본딩에 의해 적외선-감지 픽셀(5)을 갖는 준비된 중앙 웨이퍼(3)에 기계적으로 단단하게 연결되고, 중앙 웨이퍼(3)는 후속적으로 미리 결정된 두께로 웨이퍼의 후면으로부터 박형화되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    단열 캐비티(11)는 중앙 웨이퍼(3)가 미리 결정된 두께로 박형화된 후 전면에서부터 멤브레인(5")의 슬릿(11")을 통해 중앙 웨이퍼(3) 내로 각각의 적외선-감지 센서 픽셀(5)의 슬릿이 형성된 멤브레인(5") 아래에서 에칭되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    단열 캐비티(11)는 중앙 웨이퍼(3)가 미리 결정된 두께로 박형화된 후에 후면으로부터 중앙 웨이퍼(3) 내로 각각의 적외선-감지 픽셀(5)의 멤브레인(5") 아래에서 에칭되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중앙 웨이퍼(3)는 웨이퍼 본딩 후에 200 내지 300 ㎛ 미만, 바람직하게는 50 내지 100 ㎛ 미만의 두께로 박형화되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    센서 픽셀(5)에 추가하여 센서 픽셀(5)의 신호 처리의 적어도 일 부분이 중앙 웨이퍼(3) 상에 통합되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 작은 측방향 치수를 갖는 관통 접촉부(6)가 박형화 후에 중앙 웨이퍼(3) 내로 중앙 웨이퍼(3)의 전면에서 후면으로 도입되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 바닥 웨이퍼(4)는 웨이퍼 본딩에 의해 중앙 웨이퍼(3)의 후면에 체결되고, 바닥 웨이퍼 또는 웨이퍼(4)는 웨이퍼 본딩 후 200 내지 300 ㎛ 미만의 두께로 박형화되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바닥 웨이퍼(4)에는 센서 어레이의 신호 처리의 일 부분이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바닥 웨이퍼(4)에는 전면에서 후면으로 관통 접촉부(18)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    가장 아래에 각각 놓여 있는 바닥 웨이퍼(4)는 이의 하부 측면에 납땜, 용접 또는 접착제 본딩에 의한 SMD 장착을 가능하게 하는 금속화가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    바닥 웨이퍼(4)에는 진공을 안정화하기 위한 게터(14)가 그 내로 도입되는 적어도 하나의 캐비티(10)가 제공되고, 센서 픽셀(5) 위로 커버 웨이퍼(1) 내의 캐비터(10)의 기밀은 센서 픽셀(5) 내의 천공부 또는 중앙 웨이퍼(3) 내의 적어도 하나의 추가적인 구멍에 의한 후속 활성화 후에 상기 게터(14)에 의해 보장되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가적인 신호 처리 구성요소, 이미지 프로세서 또는 인공 지능용 칩을 포함하는 적어도 하나의 추가적인 바닥 웨이퍼(4')가 바닥 웨이퍼(4) 아래에 배열되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    커버 웨이퍼(1)는 실리콘, 게르마늄, 황화아연, 칼코겐화물 또는 중합체와 같은 적외선 투과성 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적외선 투과성 반사 방지 또는 필터 층이 커버 웨이퍼(1)의 양면에 적용되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    적외선 투과성 반사 방지 층에는 미리 결정된 파장 범위를 차단하기 위해 롱패스 또는 밴드패스 코팅이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  16. 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중앙 웨이퍼(3)의 관통 접촉부(6)는 바닥 웨이퍼(4)의 전면의 접촉 패드(20)에, 바닥 웨이퍼(4)의 관통 접촉부(18)에 및 추가적인 바닥 웨이퍼(19)의 관통 접촉부(21)에 기계적으로 및 전기적으로 연결되고, 후속적으로 박형화되고, 추가적인 바닥 웨이퍼(19) 내의 관통 접촉부(21)에는 접촉 패드(9')가 제공되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
  17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    중앙 웨이퍼(3)는 커버 웨이퍼(1)에 기계적 결합 후에 15 ㎛ 미만의 두께로 박형화되는 것을 특징으로 하는,
    진공 충전 웨이퍼 레벨 하우징 내에 열 적외선 센서 어레이를 생성하는 방법.
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