TW517396B - Infrared detector packaged with improved antireflection element - Google Patents

Description

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本發明係關於熱影像技術，尤其係關於包裝紅外線偵 測器陣列的結構及方法。 發明背景 夜視及相關應用可由接收發自溫暖物體的紅外線輻射 以實現：其係藉一未冷卻之輻射熱測定圖素(bolometer pixel) <陣列或其他偵測器’將其電性輸出信號轉換成—可見影 像。 、 必須將位於一半導體基材上之一未冷卻輕射熱測定圖 素陣列或㈣偵測器包裝起來，以保護這些偵測器圖素避 兄/7染及變質。許多習見的積體電路包裝技術均不適用， 因該陣列的正面必須暴露於入射輻射線中。 可用透射紅外線的材料（例如矽）來製成一包裝苗 板，以提供-偵測器陣列之窗口。可用顯微加工在該蓋： 中做成：腔室，以便將該蓋板封裝於支撐該陣列的一基材 中。知β封I的腔1：排空，可在其中產生能保護該陣列圖 素及其在違基材上電路的_真空狀能。 紅外線光學元件的高折射率造成大量的淚入損失 (msert.on loss) f 4 ^ ^ ^ ^ ^ ^ # ^ ^ ^ 或土料以知肷人抽失降低至—較能接受的等級。然而， 當該光學元件為形成於一腔室中的一窗口 #，卻難以在該 L主中運用彳效的抗反射元件。除了許多此類塗料塗体 時要求的高溫會造成性能降低之外，亦難以在一降低的表 面（諸如一腔室）中達到均勻塗佈。

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發明概要 ，根據本發明的一種紅外線偵測器，在其一蓋板中有一 ® 口具有一腔室以將一或多個偵測圖素暴露於入射之輻 射泉中s ώ 口有一抗反射元件，以一樁柱場之形式形成 万；a腔至中，孩樁柱場具有一高度、間隔和填充係數（丘u factor)以在一相關波長範圍中達到一理想的光學效果。 在另項觀點中，本發明係關於製造一種紅外線光學 元件，樁柱場結構形成於一腔室中，以一理想之圖樣蝕 刻形成捲柱，然後在該場中以一全面蝕刻形成該腔室。 圖式簡單說明 圖1頦不根據本發明之具有一包裝的一紅外線偵測器。 圖2顯示圖1所示其中之一圖素的立體圖。 圖3顯示沿著圖1所示包裝之3-3,線的斷面圖。 圖4顯不根據本發明製造一偵測器包裝之方法的流程— 圖。 圖5顯圖1及3之窗口對一波長範圍透射係數的圖式。 發明詳細說明 圖1顯示根據本發明之一典型的紅外線影像偵測器1〇〇的 一格式化分解圖。箭頭110代表由一溫暖物體所發出的紅外 線福射’並透射至習見設計之紅外線影像光學裝置120。包 裝蓋板130有一窗口區域131，其係對紅外線波長透明，以 透射輻射線110。在許多應用例中，封裝包裝13〇及排空其 中的大氣即可合意地增加其靈敏度和圖素間的絕緣性，並 減低污染及變質。 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 517396 A7 B7 五、發明説明（3 ) 包裝130中的輻射熱測定陣列ι4〇係生成於一基材ι41上， S基材係由具有適當電性及顯微加工特性的碎或類似材料 所製成。（或者，可將陣列14〇安裝於一分離的基材141上。） 個別圖素（諸如200)通常係於一矩形矩陣中配置成列和行， 但亦有採用單一直線排列或其他排列形式者。在許多應用 例中，陣列140係在環境溫度下作業，例如約在_4〇<3c至 + 100 C範圍中。然而，該陣列亦可在遠低於此的溫度下作 業，例如低於約2K(絕對溫度）至20K，將該陣列冷卻或置 於諸如太空的環境中作業。列及行連接線路142讀取代表每 個力]圖素（諸如200)之溫度的電子信號，並可同時導入供 分時多工傳輸該圖素信號的掃描信號。 偵測電路150處理來自偵測器140的一影像信號，對該圖 素信號執行諸如放大和解多工的功能。單元16〇接收該處理 過之信號，並將一可見影像呈現給一觀看者。在其他具體一 實施例中，單元160可由一記錄器或其他裝置取代或辅助， 以儲存代表一或多個連續影像的信號，或對該信號進行他 種處理，此處的“顯示，，將從寬解釋為任何或所有此類功 能。可包含掃描產生器170以將該圖素信號多工處理和/戋 控制，元16〇上影像的顯示或處理。系統1〇〇代表本發明的 一示範性環境，而其他的環境亦屬可能。 圖2為圖1中陣列14〇之一典型圖素2〇〇。一熱絕緣平台 吸收入射之輻射線。電阻22〇具有能隨溫度變化的一高電阻 係數，並與平台210熱接角蜀，使其電阻值能指示該㈣線所 引起的溫度上升。導體230傳送電壓及信號。例如，導體 -6- 517396 A7 B7 五、發明説明（4 ) 231和232為電阻220提供輸出和回收電流。位址線233致動該 圖素以由電阻220輸出一信號，代表由該入射輻射線造成圖 素之溫度增加量。圖素的設計可作相當的變化，本發明亦 適於配合別種紅外線偵測器，諸如高溫計。典型的一陣列 140可能有120x 160個偵測器。 圖3為安裝於偵測器陣列140上的包裝蓋板130的一斷面 圖。在此實例中，元件130和140為約10 cm見方和0.5 mm厚度 的矽晶圓，但亦可使用別種適當材料和尺寸。圖3中窗口 區域131是由箭頭代表，石夕對長波紅外線（long-wave infrared， LWIR)有很好的傳導能力。腔室134的深度為可改變的，在 此實例中大約為100微米（μπα)。其可接受範圍自將近500微 米（μ m)至〇微米（μ m )，亦即，在某些配置中，可完全省略 該腔室。一習見的周邊密封墊132嚴密地將蓋板130與基材 141連接起來。埠133讓腔室134能排空，以保護陣列140免受 大氣污染與變質，而最重要的是能使空氣傳導造成的信號 損失降至最低。密封墊135使腔室134能保持真空。蓋板130 的上方外部表面有一抗反射塗佈或層136，以防止其將入射 福射線110反射。塗層136的材料和厚度決定於所欲影響的 波長，對長波紅外線，圖3的具體實施例使用的是厚度大 於1微米（μ m )的一多層膜。接觸墊143將陣列140與圖1中的 外部線路142耦合起來。 包裝蓋板130之凹入的内部腔室表面137亦有一抗反射元 件，大體以300表示，延伸範圍至少涵蓋該偵測器陣列的上 方區域，最好能涵蓋腔室表面137之較大部份區域。元件 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 517396

300是直立樁柱320構成之一場31〇，由該表面i37的水平面下 方的一基礎面330延仲出纟。樁柱3观以正圓柱形顯示， 且在場3U)中以-列與行形成的矩形矩陣排列。樁柱3_ 尺寸和間隔（週期性）決定於該窗口材料的折射係數，以及 所欲偵測的該入射輻射線11〇的波長頻帶。欲模擬一四分之 一波長抗反射層，這些樁柱的高度約為11=^/(如），其中人 為相關波長頻帶的纟略中·點，而“以場31〇的彳效折射係 數。相對於3至60微米（μπι)的頻帶中點，樁柱高度一般在 0·2微米（μιη)至4微米（μιη)範圍内。若欲避免在表面137產生 反射，最好使n=/~nw，其中nw為該固體窗口材料的折射 係數。由於樁柱320係以一具有直角正交方向對稱性的圖樣 配置的，故11係屬各向異性（anis〇tr〇p㈨的。所以，場的抗 反射特性即對輻射線110的各極性方向皆相同。該圖樣亦可 為其他形狀，例如，六角形樁柱能使場31〇中容納更高的聚 集密度。 在此實例中，樁柱的頂面皆係與腔室之内部表面137齊 平，而i們的底邵（基礎平面）則位於該表面之下。或者， 沒些樁柱可由向内部表面137下方延伸的孔來做成，其具有 员貝上與该樁柱相同的橫斷面。所以，此處的“樁柱，，將代 表直立的樁柱以及凹入的孔。樁柱（或孔）的形狀可為圓 形、正方形、矩形或任何其他方便形成的斷面形狀。亦可 將樁柱（或孔）製成具有一非垂直側壁，亦即，可將樁柱形 狀做成延著高度方向改變其斷面，諸如大致角錐形或圓錐 形，包含平截頭體及這些形狀的其他變化，其共同特性為 — 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Μ規格(21QX 297公董）

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517396 A7 -— _ B7 五、發明説明（6 ) 沿著樁柱高度的方向（或相當於1中深|的方向）縮減其斷 面。雖然更難製作，此種樁柱能以一更寬的波長範圍提供 化的抗反射性能。 場310—理想的有效係數n決定於、，以及填充係數或 樁柱Ap對整個場面積Af的相對面積A==Ap/Af。灿等 人，1992年8月1日在應用光學（〇pTICS)第31卷第2期 發表的“矽材料中利用二進制光學技術的抗反射表面 (Antireflection Surfaces in Silicon Using Binary Optics Technology)，，一文 中’導出有效係數的一大致關係為： ί1 +叫H+(1 K]+β 丫/2

V 2[Α^(ι^Α)κ] J 對直徑為d且中心至中心間隔為s的圓柱而言， A=〇i；/4)(d/s)2。其他形狀的相對面積則很容易算出。對矽材料 而各’其填充係數可自約20%到約60%，而在此實例中則約 為40%。樁柱間隔或週期性應小於理想頻帶中任何的波 長，以避免繞射及散射，對一矩形陣列而言，這亦為相鄰 列與行間的間隔。最低間隔係由製程限制所決定，而非由 光學考里所決足。對在約6- 12微米（μ m)波長頻帶中作業的 一石夕蓋板130及一偵測器140而言，邊長丨.5微米（μιη)的正方 形樁柱可相距2.3微米（μπΟ。 圖4顯示形成圖1及圖3之包裝蓋板130的方法4〇〇。在方 塊410中’將具有場310之圖樣的一遮罩加於一平坦晶圓的 一表面上。在所述實例中，該晶圓係由矽所製成，且其厚 度約為0.5 m m。該圖樣係經對準’以在窗口 132的理想區域 -Q- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公爱) · ' —----- 517396 A7 B7 五、發明説明（ 中產生具有樁柱320之形狀或斷面的阻抗區域。 方塊420係以蝕刻形成樁柱的場。“蝕刻，，在此係引用其 較寬鬆的將材料移除之概念。一般係合意地採用反應式離 子蝕刻（Reactive ion etching，RIE)，因為離子能形成小斷面的 相對較高結構。在此實例中，這些樁柱約為〇 7微米（pm)深 (9微米（μηι)波長時的λ/4η),而其跨距則約為23微米 (μ m )。一般而言，跨距/高度的比值係在2至2 〇的範圍，在 該範圍中接近較小端的比值較合適。 方塊430在方塊420中蝕刻過的該晶圓表面上加上一遮 罩，其具有整個腔室134的形狀。此遮罩僅在蓋板13〇的周 圍區域有阻抗，諸如在圖1中放置密封墊132的區域。此遮 罩的用途係為了定義腔室137的邊界。 方塊440將腔室134的整個區域蝕刻，包含擁有樁柱32〇的 場310。典型的腔室深度約為1〇〇微米（μιη)。同樣地，一幻丘 私序能讓腔室形成，而不會發生切割不足或使樁柱形狀變 質的現象。由於樁柱的頂面與該場的基礎表面係大體上等 量地受蝕刻，其效果即為將樁柱320之場310沉入一腔室 中’而非在已形成的一腔室之底部將其蝕刻出來。此方法 甚具優勢’因其較易在一平坦而無腔室的表面上形成精細 的特徵物件，諸如樁柱（或孔）。在此姓刻作業之後，這杜 樁柱320的頂面大約與腔室134之底部表面137等高。 方塊450將抗反射塗層136加於包裝蓋板130的另一（頂部） 表面上。在此範例性具體實施例的應用中，塗層136可為一 層1微米（μπι)的ΙΑ，或一多層塗料。或者，抗反射元件 _ -10~ 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）

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k 517396 A7 B7 五、發明説明（8 ) 136可為與場310同類的另一樁柱場，以相同方式形成，但 位於蓋板.130的頂部表面，在窗口 131的區域中。此狀況 下’在方塊450中對盍板130的頂邵表面重複操作步驟41〇和 420。 在方塊460中，包裝蓋板130係與圖1的基材141密封在一 起。可用坪錫、銦或銦錯作為一氣密封整。在方塊470中， 將大氣自腔室134中排空，並以一真空沉積栓塞Π5將埠133 封閉。一般在該腔室中約低於lmTorr(毫陶爾）的殘壓即足以 防止信號損失，並保護偵測器陣列140。 可同時製造許多陣列並將其密封在一起。如此該晶圓 即包含複數個圖樣，而該基材則包含相對數量的偵測器陣 列。可將它們密封在一起，並將其中空氣排出以形成獨立 單元。接著’方塊480將此種晶圓切害彳成個別包裝，各包含 單一陣列。此法能減少搬運工作，並降低成本。 圖5中之圖500顯示在相對於近紅外線波長6微米（μ m)至 12微米（μ m )頻帶正常化的透射係數。曲線51〇描繪依據本發 明所構建的窗口之透射係數。曲線520顯示同一窗口，但在 其腔室134内部表面則無抗反射塗層。在缺少任何内部抗反 射元件的情況下，該窗口僅能達到本發明所能獲得之透射 係數的約65%。該樁柱結構導致相關波長的頻率響應差異 性低於5%。 結論 本發明提出一種具有一腔室結構的紅外線光學裝置。具 有一樁柱圖樣的一抗反射結構能大幅強化該裝置的傳導能 力。該樁柱場係在該腔室本身形成之前形成的。 —-11- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) '一 ---

Claims (1)

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   六、申請專利範圍 紅外線偵測器 1·. 一種包裝蓋板，其具有一腔室以容納一 及一窗口區域以傳送紅外線輻射至該偵測器’該腔室中 該窗口區域之-㈣*面具有一樁柱場，&樁柱場之形 狀及間隔使其對穿透該窗口區域傳送進來的紅外線輻射 形成一抗反射元件。 2. 如申請專利範圍第}項之蓋板，其中-此類椿柱係由低於 該腔室之底部表面之一基礎平面向上直立。 3. 如申請專利範圍第2項之蓋板，其中此類樁柱之頂部係 與該腔室之底部表面齊平。 4·如申請專利範圍第1項之蓋板，其中此類樁柱係由該腔 室之底邵表面之下凹入之孔。 5·如申請專利範圍第1項之蓋板，其中該蓋板是一碎晶 圓。 6·如申請專利範圍第5項之蓋板，其中該腔室之深度約為〇 至500微米（μ m)。 7.如申請專利範圍第6項之蓋板，其中該腔室之深度約為 10至 100微米（μπι)。 8·如申請專利範圍第5項之蓋板，其中該腔室係由一周圍 區域所包圍。 9. 如申請專利範圍第1項之蓋板，其中此類樁柱形成一圖 樣’具有兩個正交方向的對稱性。 10. 如申請專利範圍第1項之蓋板，其中此類樁柱係正方 形。 11.如申請專利範圍第1項之蓋板，其中此類樁柱係正圓柱 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(21G X 297公董) 517396 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 形。 12·如申請專利範圍第1 1項之蓋板，其中此類樁柱之直徑約 在1微米（μπι)至10微米（μπι)範圍中。 13. 如申凊專利範圍第1 2項之蓋板，其中此類樁柱相互間隔 約少於6微米（μιη)。 14. 如申請專利範圍第1項之蓋板，其中此類樁柱具有非垂 直側壁。 15·如申請專利範圍第1 4項之蓋板，其中此類樁柱實質上係 角錐形。 16·如申請專利範圍第1 4項之蓋板，其中此類樁柱實質上係 圓錐形。 17·如申請專利範圍第1項之蓋板，其中此類樁柱之高度係 介於約0.2微米（μπι)與約4微米（μιη)之間。 18·如申請專利範圍第1項之蓋板，其中此類捲柱係列與行 方向相等間距。 19·如申請專利範圍第1 8項之蓋板，其中該列與行之相互間 隔約少於6微米（μ m)。 20·如申請專利範圍第1項之蓋板，其中該蓋板之一外部表 面在該窗口區域中具有一抗反射塗層。 21. 如申請專利範圍第2 〇項之蓋板，其中該抗反射層包括另 一樁柱場，此樁柱場之形狀及間隔使其形成一抗反射元 件。 22. —種紅外線偵測器，其包括： 一圖素陣列’用以對入射紅外線輻射反應產生一電性 -13- 517396 A B c D 六、申請專利範圍 .信號； 一基材用以支撐該陣列； 一包裝盍板，在一腔室中具有一窗口，以將該輻射傳 送至該陣列；以及 一間隔開的樁柱之場，用以降低該窗口中該紅外線輻 射之反射。 23·如申請專利範圍第22項之偵測器，進一步包括一密封 墊，以將該蓋板之一周圍區域與該基材連接。 24·如申請專利範圍第2 3項之偵測器，其中該腔室係將其中 空氣排空。 25·如申請專利範圍第2 2項之偵測器，其中此類樁柱之頂部 係實質上與該腔室之一表面齊平。 26.如申請專利範圍第2 2項之偵測器，其中此類樁柱之底部 係位於该腔室之一表面高度之下。 27·如申請專利範圍第2 2項之偵測器，其中該圖素陣列係一 輻射熱測定器之陣列。 28.如申請專利範圍第2 2項之偵測器，進一步包括處理來自 琢偵測器的一影像信號的偵測電路。 29·如申凊專利範圍第2 8項之偵測器，進一步包括與該偵測 器耦合的掃描電路。 J〇•如申凊專利範圍第2 8項之偵測器，進一步包括與該偵測 電路摘合的一顯示器。 31.如申凊專利範圍第3 〇項之偵測器，進一步包括與該偵測 器及該顯示器皆耦合的掃描電路。 -14- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS) A4規格(210 X 297公复) 517396 A8 B8 C8

   j2· -種用讀_晶jjj製造—紅外線光學元件之方法，該晶 圓之材料u穿透其間傳送紅外線輻射，該方法包括之 步驟依序為： 以-圖樣遮罩該晶圓之一表面上，該圖樣定義一樁柱 場之一斷面； 蝕刻孩晶圓表面，使形成該樁柱場至一合意之深度； 以一形狀遮罩該樁柱場，該形狀在該晶圓之表面上定 義一腔室；以及 裝 蝕刻包含孩樁柱場之該晶圓表面，使於該晶圓中形成 一腔室。 33·如申請專利範圍第3 2項之方法，其中執行該第二次蝕刻 作業後將使此類樁柱之頂面位置低於該腔室之表面。 34.如申請專利範圍第3 2項之方法，其中執行該第二次蝕刻 作‘後知使此類捲柱之頂面位置大致與該腔室之一底部 表面齊平。 35·如申請專利範圍第32項之方法，其中執行該第二次蝕刻 作業後將使此類樁柱之底面位置低於該腔室之一底部表 面0 36·如申請專利範圍第32項之方法，其中此類樁柱之斷面係 沿著其高度方向改變。 37. 如申請專利範圍第3 6項之方法，其中該斷面係沿著該高 度方向縮減。 38. 如申請專利範圍第3 2項之方法，其中該第一次蝕刻作業 是一反應式離子蚀刻。 -15- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

   517396 申請專利範圍 39·如申請專利範圍第3 8項之方法，其中該第二次蝕刻作業 是一反應式離子蝕刻。 40·如申請專利範圍第3 2項之方法，其中在該第二次蝕刻作 業後’此類樁柱之高度約在〇5微米（μιη)至4微米（μιη)範 圍中。 41·如申請專利範圍第3 2項之方法，進一步包括在該晶圓正 對該腔室的另一側塗佈一抗反射層。 42·如申請專利範圍第3 2項之方法，進一步包括在該晶圓上 安裝一紅外線偵測器，以接收穿透該晶圓的入射紅外線 輻射。 4j.如申請專利範圍第4 2項之方法，其中該紅外線偵測器係 一輻射熱測定圖素之陣列。 44·如申凊專利範圍第4 2項之方法，進一步包括將該偵測器 安裝於該晶圓上之步驟。 虹如申請專利範圍第44項之方法，其中該偵測器是嚴密地 密封於該晶圓中。 46.如申請專利範圍第44項之方法，進一步包括將該腔室中 空氣排空之步驟。 47·—種製造一紅外線光學裝置之方法，其包括： 以一定義一樁柱場之圖樣遮罩一晶圓之一表面，該晶 圓足材料係能穿透傳送紅外線輻射； 蝕刻該晶圓表面，使形成該樁柱場至一合意之高度； 在該晶圓之另一表面上塗佈一抗反射元件；以及 將孩晶圓密封在包含一輕射熱測定器之睁列的一基材 -16- aa^i^(CNS) Α4^(210Χ297^) ------

   517396 A B c D 申請專利範圍 中。 48. 如申請專利範圍第4 7項之方法，進一步包括將該晶圓與 該基材間之一空間中的空氣排空之步驟。 49. 如申請專利範圍第4 7項之方法，其中此類樁柱之斷面係 沿著其高度方向改變。 50. 如申請專利範圍第4 7項之方法，進一步包括·· 在同一晶圓上重複執行上述作業，以產生複數個之紅 外線光學裝置； 將該晶圓密封在包含複數個輻射熱測定器之陣列的基 材中，再將其分割；以及 將該晶圓及該基材分割，以分離個別裝置。 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）