TWI293362B - A sensor - Google Patents

Description

1293362 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於感應器，且特定言之係關於一種由兩個基 板形成之感應器’該專基板之配置係彼此相對以便提供一 基板中之一感應元件、及形成於第二基板中並提供一頂蓋 於該感應元件上的一光學元件。 【先前技術】

此項技術中感應器為眾所熟知的。當形成於諸如石夕或錯 之半導體材料中時，此等感應器可被提供成機械結構，例 如成為MEMS配置，或諸如紅外（iR)感應器之電磁（EM)輻 射感應器。藉由使用諸如石夕之材料，可能藉由蝕刻及其它 半導體加工技術在晶圓之一或多層中形成感應器，以便產 生4?要之組悲。歸因於感應器之精密性質及其對周圍環境 之敏感性，已知在感應器上提供保護性頂蓋，該頂蓋用以 將感應器之環境與感應器可操作於其中之周圍環境隔離。 在EM感應器之區域内，對可以封裝形式提供之感應器 存在特定需求。 【發明内容】 因此，本發明之一第一實施例提供—EM感應器，直包 括-提供於—第一基板中之感應元件並具有_提供於該感 應元件上之頂蓋，該頂蓋包括一形成於其中之光學元件， 該光學元件經組態以將頂蓋上之入射輻射導引至下方之感 應元件的一選定部分。 根據一較佳實施例，因此，本發明提供一如請求項 108062.doc -6 - 1293362 2感應n的裝置及方法來解決如上文中所描述之此等及 =匕挑喊。根據本發明，一感應器裝置（或重複之感應器 扃置的陣列)係製造於一晶圓基板上且一覆蓋晶圓係製造 於單獨之基板上。該覆蓋晶圓與感應器晶圓接合且在受 控之周圍條件下（較佳實施例係在真空條件下）黏結至感應 σσ日日圓。此黏結之晶圓配置可被單一化或鋸成個別經覆蓋 之感應11晶片，以用於最終封裝及銷售。Felton等人之美 國申請案第20030075794號中充分描述此等覆蓋方法，其 讓渡於本發明之受讓人，且其内容以引用之方式倂入本文 中。 0 1展示此一感應器裝置1〇〇的橫截面。該裝置包括一感 應元件105，該感應元件105係形成於一第一矽晶圓11〇或 有時稱作感應器晶粒的物質中。亦提供一由石夕蓋組成之頂 蓋115 ’圖案120係蝕刻於該矽蓋中以形成個別繞射光學元 件。已知建構此繞射光學元件（D〇E)之兩個可行方法分別 為振幅調變及相位調變。在振幅調變的情況下，表面圖案 由允許輻射透射之區域及阻斷輻射之區域組成。在相位調 變的情況下，圖案由表面上之高度變化組成，該等高度變 化有效修改輻射之相對相位以作為圖案之相對高度差異的 函數。在此所說明之實施例中，該圖案係提供於頂蓋之内 部表面135上，但應瞭解其亦可提供於外部表面14〇上。亦 應瞭解，該圖案（為了觀看之便利而誇示其幾何形狀）包括 複數個隆脊150，該等隆脊之間隔距離及深度與正使用之 光學元件之光的波長相關。頂蓋通常形成於一第二石夕晶圓 108062.doc 1293362 或覆蓋晶粒中。此界定於繞射光學元件頂蓋115中之圖案 120能夠將一給定頻率之入射輻射125聚焦至感應器的一特 定平面上或感應器上之一特定點上，或能夠將不同頻率聚 焦至不同點上。使用黏結或密封材料130將頂蓋U5黏結至 第一晶圓，且該黏結界定一密封空穴145，該密封空穴可 處於與周圍壓力不同的壓力下（通常為較低壓力下）。或 者’此空穴之密封性及製造過程允許空穴内之周圍氣體與 空氣不同，例如，吾人可使用具有比空氣更低的導熱性的 氣氣或某些其它氣體。雖然矽頂蓋對可見光譜中之入射光 大體上係非透明的，且因此可認為其阻礙光衝擊於其中之 感應元件上，但是應瞭解，矽允許EM光譜之紅外頻率之 光的透射且因此對於此應用提供之IR感應器為適宜之材 料。圖2展示一已組裝之感應器裝置的實例，自該圖式可 見’感應元件由提供於其上之頂蓋所覆蓋。 圖3中展示製造感應器的典型製程圖。首先，使用此項 Φ 技術者熟知之技術來製造感應器晶圓110(步驟300)。亦單 獨製造覆蓋晶圓（步驟3 10)。此覆蓋晶圓之製造包括在頂蓋 之外部表面140或内部表面135之一者上或兩者上蝕刻想要 之圖案。可將抗反射塗層額外添加至頂蓋之内部表面或外 邛表面。一旦於兩個晶圓基板之每一者上提供想要之組 件，則可將晶圓放在一起以便進行黏結（步驟32〇)。理想 地，此黏結係於真空條件下實現。一旦已將兩個晶圓放: 一起，則個別晶片可被單一化或藉由移除非界定頂蓋之第 二晶圓區域而被界定於晶圓總區域中（步驟33〇)。以此方 108062.doc 1293362 式，可於一製程流程中提供複數個個別晶片或感應器。 應瞭解，界定光學元件之圖案的性質將影響感應器如何 發揮效能。圖4展示圖案類型的實例，其可藉由使用可用 以界疋感應态頂盍中之繞射光學元件的振幅調變或相位調 變方法而得以建構。圖4A之實例經優化以使用相位調變方 法之繞射光學元件之高度的正弦曲線變化將波長為1〇微米 之平行輸入光向下聚焦至焦點平面3〇〇微米遠處。正弦曲 、線之相對高度由圖案中之灰度階變化表示，對於振幅調變 方法而a，灰度階將表示圖案之透射效率。圖4B之實例經 叹汁以將波長為10微米之平行輸入光向下聚焦至焦點平面 370微米遠處，但是在此情況下，黑色及白色圖案表示單 階南度變化以建構相位調變之繞射光學元件之格柵而非表 示正弦曲線.菱化。圖4C中之實例亦使用單階高度變化來建 構繞射光學元件，但是在此情況下，其經設計以將波長為 10 um之平行輸入光向下聚焦至焦點平面1〇微米遠處。應 φ 理解，此等三個實例說明可使用之圖案類型，且關於對聚 焦平面之控制或對入射輻射内不同波長組件的獨立控制亦 可旎利用此方法並為本發明所涵蓋。圖4B及圖4C中由黑 色及白色圓圈組成之此等實例可表示聚焦光的透射圖案或 相位調變圖案，但是亦經受透射損耗。然而，應瞭解，可 優化圖案設計以實現較低損耗標準，諸如圖4八之灰度階圖 所表示在界定格柵之隆脊特徵十引進曲線側壁。 本發明所提供之頂蓋在許多態樣中係有利的。其用以·· 1)在隨後處理期間保護膜；2)其亦為製造期間可排空的感 108062.doc -10- 1293362

應膜提供外殼；且3)可以此一方式將其圖案化並蝕刻以將 入射紅外輻射聚焦至單一點上以放大訊號或聚焦至陣列上 以產生場景影像。詳言之，圖案可如此以便建構一光學元 件（意即’習知折射或費淫（fresnel)透鏡）或在較佳實施例 中建構一繞射光學元件。用於此應用中之光學元件的產 生’其有利處在於··可用矽而非迄今要求用於紅外折射透 鏡之更特殊（且昂貴）之材料來建構透鏡。在矽頂蓋中使用 繞射光學元件所產生之優點在於：可使用良好建立的製程 以晶圓分批級（wafer batch level)來圖案化並蝕刻透鏡，並 將其黏結至感應器晶圓’從而與迄今所使用之折射透鏡技 相比產生具成本效益之透鏡。此方法可適用於除了此處所 描述之紅外應用之外的其它電磁輻射感應器。舉例而言， 頂盍可由石英製得，或在某些情況下，若感應器待用於與 IR感應器不同之應用中，則頂蓋可由諸如派熱司玻璃 (py rex)之標準玻璃或可能的藍寶石製得。 在某些應用中，其亦有用地能夠使用透鏡/頂蓋組態將 引入的輻射中之不同波長聚焦至由頂蓋所封閉之不同感應 器上。圖5係此實例的示意說明，其中於相同頂蓋配置内 提供四個感應元件501、5〇2、503、504。應瞭解，透鏡配 置之適宜之設計可允許優化感應器以聚焦一特定波長而散 焦（排斥）其它波長。此將允許紅外輻射内不同波長組件的 強度量測’此能力在（例如）諸如酒精呼吸採樣器之氣 體分析方面可為非常有用的，在酒精呼吸採樣器中要求監 控人呼吸中的酒精含量。由於酒精在ir光譜中具有特定之 108062.doc 1293362

吸光度峰值’因此將符合此科值之輻射聚焦至感應器元 件501、502、503、504(其提供於頂蓋下方之陣列中）中之 特定感應器元件上將能夠辨別彼等特定頻率之輻射強度争 的任何變化，且因此用作存在於樣本中之酒精的指示：。 由於該等感應器中之每一者經組態以對適宜之頻率的入射 輻射起反應’因此當彼輻射入射至個別感應器上時，感應 器元件t之每—者的效能分析指示存在或不存在經設計Z 對提供正被分析之氣體的氣體波長簽名起反應的材料。 圖6係使用振幅調變方法之繞射光學元件⑺卿設計的實 例，該振幅調變方法可用於與圖5中之感應器配置组合以 將入射輻射内四個不同波長的每一者聚焦至圖5中所展示 之四個感應元件501、502、503、504中之一者上。此一設 計，圖案可藉*在透鏡中產生單階而製造，或藉由提供二 同Γ7度之A而#以製造。應瞭解’本發明不意欲以任何 方式限於DOE的製造，不管其為單階、多階或其它變體本 發明意欲涵蓋所有製造方法。 雖然未圖不，但是應瞭解，可進一步修改本發明之結構 以包括1二透鏡配置，該第：透鏡配置係提供於光學元 件上以實現—複合透鏡效應。此—配置可適宜於諸如增大 率〜大視野、増大解析度及改良濾光器的應用。此 一配置可藉由提供—與晶片純之第二透鏡而得以提供。 或者如圖7中所展示，可能製造一第二透鏡7〇1並將彼第 二透鏡耦接至完全封農7〇〇。以此方式，於d〇e ιΐ5與第二 透、見01之内邛部分之間產生一經界定的體積期。可將該 108062.doc •12- 1293362 存在一或多個其它特徵、整數、 加-或多個其它特徵、整數、牛驟件或其集合或添 外’雖然已參看特定實例描述本發明，不：；此 太斗、阳Γ^丄 疋不思右人Μ任何 …疋本㈣（除了根據附加中請專利範圍而視為 且在不偏離本發明之精神及料的情況下可對所描 述之本發明做出許多修改及變化。 【圖式簡單說明】 、圖1係-用於實施本發明之感應器之說明性實施例的横 截面。 /、 圖2係自圖1之感應器上方視得之透視圖。 圖3係一可用於形成圖丨之感應器之方法的實例。 圖4A係根據本發明之教示一可用於界定一光學元件之第 一圖案的實例。 圖4B係根據本發明之教示一可用於界定一光學元件之第 一圖案的實例。 圖4C係根據本發明之教示一可用於界定一光學元件之第 三圖案的實例。 圖5係展示根據本發明之一說明性實施例一包括多個感 應器元件之感應器之實例的平面示意圖。 圖6係根據本發明之教示可用於界定一適宜於與圖5中多 個感應器元件一起使用之光學元件的一圖案之實例。 圖7係根據本發明之教示一複合感應器的剖視圖。 【主要元件符號說明】 100 感應器裝置 108062.doc •14- 1293362 105 感應元件 110 第一矽晶圓/感 115 頂蓋 120 圖案 125 入射輕射 130 黏結/密封材料 135 内部表面 140 外部表面 150 隆脊 501 感應元件 502 感應元件 503 感應元件 504 感應元件 700 完全封裝 701 第二透鏡 703 經界定之體積 108062.doc 15-

Claims (1)

12935殿102059號專利申請案 - ΐ文申請專利範圍替換本(96年8月）申請專利範圍： 十 1. -種感應H，其具有形成於_第_基 器元件及形成於一第4應 兮笛弟-基板中的至少'繞射光學元件， 及該第二基板之組態係彼此相對從而使得該 弟一暴扳在該至少一威廡哭分生 α應器το件上形成一頂蓋，該頂蓋 具有侧壁，該至少一光學元件形成於該頂蓋中，該等側 壁使用提供於該等側壁之底部上的—黏結材料黏結至該 第一基板’俾使該頂蓋在該至少—感應器元件周圍界定 工八，該界定之空穴係由該頂蓋與該至少一感應器 件共有，且其中該至少—光學元件經組態以將該頂蓋上 之入射輻射聚焦至位於下方該至少一感應器元件之至少 一者0 2·如請求項丨之感應器，其中該第一基板與該第二基板係 提供於石夕中。 3·如請求項1之感應器，其中該至少一感應器元件係一紅 外感應器元件。 4·如請求項1之感應器，其中在該空穴中可規定周圍條件 及組合物。 5· 士明求項4之感應裔’其中該空穴係提供於一低於周圍 壓力之壓力下。 6·如請求項4之感應器，其中該空穴填充有氣體組合物， 該氣體組合物、經選定以用於該感應器待被使用的應用 中。 7·如請求項6之感應器，其中該氣體組合物包含熱傳導低 108062-960817.doc 1293362 於氮之熱傳導的氣體 8·如請求項1之感應器，其中該至少一光學元件係形成於 鄰近於該空穴之該頂蓋的一内部表面中。 9·如請求項1之感應器，其中該至少一光學元件係形成於 遠離該空穴之該頂蓋的一外部表面中。 1 〇 ·如印求項1之感應器’其中光學元件係形成於遠離該空

穴之該頂蓋的一外部表面中及鄰近於該空穴之該頂蓋的 一内部表面中，鄰近於該空穴及遠離該空穴之該等光學 元件之組合形成一複合透鏡。 11·如請求項1之感應器，其中形成複數個感應器元件係形 成且該光學元件經組態以選擇性地將特定波長之輻射導 引至該複數個感應器元件中的預選定之感應器元件。 12·如請求項丨之感應器，其包含一第二頂蓋，該第二頂蓋 係定向於該第一頂蓋上，該第二頂蓋包括一光學元件， 该第一頂蓋及該第二頂蓋之該等光學元件經組態以提供 一複合透鏡。 13. —種感應器陣列，其包括複數個感應器，該等感應器中 之每一者具有一形成於一第一基板中之感應器元件及一 形成於一第二基板中之光學元件，該第一基板及該第二 基板經組態而彼此相對從而使得該第二基板在該感應器 元件上形成一頂蓋，該頂蓋具有側壁，該等侧壁使用提 供於該等側壁之底部上的一黏結材料黏結至該第一基板 以在該感應器元件附近界定一空穴，該光學元件形成於 該頂蓋中，该頂蓋與該感應器元件共有該空穴，該光學 108062-960817.doc 1293362 修、.更j正替換頁: 元件經組態以將該頂蓋上之入射輻射聚焦至該等感應器 之至少之一者上，該感應器陣列經組態以界定一影像平 面。 14· 種識別感應器’其經組態以提供一訊號來判定一正被 感應之預先界定的三維形狀，該感應器包括一第一感應 器元件，其經組態以提供一訊號來感應一與該感應器相 距一第一距離的物件；及一第二感應器元件，其經組態 以提供一訊號來感應一與該感應器相距一第二不同距離 的物件，該第一感應器元件及該第二感應器元件中之每 一者包括形成於一第一基板中的至少一感應元件，及形 成於一第二基板中的至少一光學元件，該第一基板及該 第二基板經組態而彼此相對從而使得該第二基板在該至 夕 感應元件上形成一頂盖’該頂蓋具有侧壁，該等侧 壁使用提供於該等側壁之底部上的一黏結材料黏結至該 第一基板以在該感應器元件附近界定一共有的空穴，該 至少一光學元件形成於該頂蓋之一蓋部分中且經組態以 將5亥頂盍上之入射輕射聚焦至該至少一感應元件之至少 一感應元件。 15·如請求項14之識別感應器，其中該第一感應器元件及該 第二感應器元件中之每一者的該至少一感應元件係形成 於相同基板中。 16·如請求項14之識別感應器，其中該物件係一人體軀體。 17· —種氣體分析儀，其包括形成於一第一基板中的至少一 感應器元件及形成於一第二基板中及自該第二基板的至 108062-960817.doc 1293362 -----^ p年$月巧曰修(更)正替換頁 少光子7G件H基板與該第二基板經組態而彼此 ㈣從而使得該第：基板在該至少—感應^件上形成 一頂蓋’該頂蓋具㈣壁’該等㈣使用提供S該等側 壁之底部上的—黏結材料黏結至該第—基板以在該感應 器元件附近界定-共有的空穴，該至少-光學元件位： 該頂盡之一蓋中且經組態以將該頂蓋上之入射輻射聚焦 至該至少一感應器元件之至少一者，該被導引之入射輻 射具有一指示一特定氣體之存在的波長。 A如請求項17之氣體分析儀，其包括複數個感應器元件及 複數個關聯之光學元件，因此該等組合之感應器元件與 光學凡件中之每一者經組態以用於特定波長分析，從而 使得該複數個感應、器元件之輸出可用卩提供一氣 特徵光譜。 氣I 19· -種形成-感應器之方法，該方法包括以下步驟： 於一第一基板中形成至少一感應器元件， 於一第二基板中形成至少一繞射光學元件，該第二 板界定一具有頂蓋壁之一頂蓋， 一基 於該頂蓋壁之底部上提供一黏結材料，該等頂蓋壁 高度係大於該黏結材料之厚度， 土之 使用該黏結材料將該第一基板與該第二基板黏結在一 起從而使得該第二基板在該感應器元件上提供一^ w 一 界定用於該感應器元件及該頂蓋之一共有的空义蓋且 光學元件經組態以將該頂蓋上之入射的預定波長且咳 輻射聚焦至該至少一感應器元件之至少一者上。入射 108062-960817.doc -4- .1293362 %年々月〇日修(更;正替换頁I 20. 一種感應器，其具右形士、 外 ^ 有I成於一弟一基板中的至少一感應 器兀件及$成於-第二基板中的至少一繞射光學元件， 痃第基板及該第二基板之組態係彼此相對從而使得該 第二基板在該至少-感應器元件上形成-頂蓋，該頂蓋 八有側J α亥至少一光學元件形成於該頂蓋中，該等側 土使用提供於該等侧壁之底部上的一黏結材料黏結至該 第一基板，俾使該頂蓋在該至少一感應器元件周圍界定 一空穴，該界定之g穴係由該頂蓋與該至少一感應器元 件共有，且其中該至少一繞射光學元件經組態以將該頂 蓋上之預定入射波長之輻射聚焦至位於下方該至少一感 應器元件之至少一者。 21. 如請求項20之感應器，其中該第一基板與該第二基板係 提供於矽中。 22·如請求項20之感應器，其中該至少一感應器元件係一紅 外感應器元件。 23.如請求項20之感應器，其中在該空穴中可規定周圍條件 及組合物。 24·如請求項20之感應器，其中該至少一光學元件係形成於 鄰近於該空穴之該頂蓋的一内部表面中。 25·如請求項20之感應器，其中該至少一光學元件係形成於 遠離該空穴之該頂蓋的一外部表面中。 26.如請求項20之感應器’其中光學元件係形成於遠離該空 穴之該頂蓋的一外部表面中及鄰近於該空穴之該頂蓋的 一内部表面中，鄰近於該空穴及遠離該空穴之該等光學 108062-960817.doc 1293362 「——一——— β年Q修(更)正替換頁 元件之組合形。 27. 如請求項20之感應器，其中形成複數個感應器元件係形 成且該光學元件隸態以選擇性地將特定波長之輻射導 引至該複數個感應器元件中的預選定之感應器元件。 28. 如蜎求項2〇之感應器，#包含一第二頂i，該第二頂蓋 係定向於該第一頂蓋上’該第二頂蓋包括一光學元件， 该第一頂蓋及該第二頂蓋之該等光學元件經组態以提供 一複合透鏡。 酴29·-_應||㈣’其包括複數㈣應^，該等感應器中 之每一者具有一形成於一第一基板中之感應器元件及一 形成於一第二基板中之繞射光學元件，該第一基板及該 第二基板經組態而彼此相對從而使得該第二基板在該感 應器元件上形成一頂蓋，該頂蓋具有頂蓋壁，該等頂蓋 壁使用提供於該等頂蓋壁之底部上的一黏結材料黏結至 该第一基板以在該感應器元件附近界定一空穴，該等頂 _ 蓋壁之高度係大於該黏結材料之厚度，該光學元件形成 於該頂蓋中，該頂蓋與該感應器元件共有該空穴，該光 學元件經組態以將該頂蓋上預定入射波長之入射輻射聚 焦至該等感應器之至少之一者上，該感應器陣列經組態 以界定一影像平面。 108062-960817.doc