WO2024138656A1 - 一种非制冷红外焦平面探测器模组及其制作方法 - Google Patents
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Definitions
- Uncooled infrared focal plane detectors have the advantages of low power consumption, small size, light weight, long life and low cost. They are widely used in security monitoring, power monitoring, medical temperature measurement and other fields.
- the purpose of the present application is to provide an uncooled infrared focal plane detector module and a manufacturing method thereof, so as to reduce the manufacturing difficulty and cost of the uncooled infrared focal plane detector module and improve the manufacturing efficiency.
- an uncooled infrared focal plane detector module comprising:
- the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector comprises a chip in a pixel-level vacuum package, and the wafer-level optical lens is used to focus infrared light to the area where the microbolometer array of the chip is located.
- An anti-reflection film is provided on the incident surface and/or the exit surface of the wafer-level optical lens.
- An aperture is arranged at the edge of the convex lens on the incident surface of the wafer-level optical lens.
- the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector is vacuum packaged using a semiconductor silicon process.
- an electrical connection area is provided on a surface of the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector opposite to the wafer-level optical lens, and the electrical connection area is exposed from the wafer-level optical lens.
- the present application also provides a method for manufacturing an uncooled infrared focal plane detector module, comprising:
- the optical lens wafer comprises a plurality of wafer-level optical lenses
- the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer comprises a plurality of pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detectors, wherein the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detectors comprise pixel-level vacuum packaged chips;
- a first metal layer is formed on the lower surface of the wafer-level optical lens wall; the lower surface of the wall and the exit surface of the wafer-level optical lens are located on the same side;
- optical lens wafer and the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer are bonded at the wafer level through the first bonding layer and the second bonding layer.
- manufacturing a second bonding layer in the bonding area of the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer includes:
- a functional layer is deposited on the surface of the metal barrier layer.
- manufacturing a second bonding layer in the bonding area of the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer includes:
- a second metal layer is manufactured in the bonding area of the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer.
- An anti-reflection film is plated on the incident surface and/or the exit surface of the wafer-level optical lens.
- manufacturing a pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer includes:
- uncooled infrared focal plane detectors on a detector wafer substrate to obtain an uncooled infrared focal plane detector wafer, wherein the uncooled infrared focal plane detector comprises a chip and a getter, and the chip comprises a readout circuit and the microbolometer array;
- a release through hole is formed by etching the upper surface of the cap-type structural layer, and a sacrificial layer deposited in the process of manufacturing an uncooled infrared focal plane detector is released through the release through hole;
- the window is correspondingly arranged around one of the microbolometers.
- the window is correspondingly arranged around at least two of the microbolometers.
- An uncooled infrared focal plane detector module includes: a bonded wafer-level optical lens and a pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector; the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector includes a pixel-level vacuum-packaged chip, and the wafer-level optical lens is used to focus infrared light to the area where the microbolometer array of the chip is located.
- the present application also provides a manufacturing method having the above advantages.
- FIG1 is a schematic structural diagram of an uncooled infrared focal plane detector module provided in an embodiment of the present application.
- FIG2 is a top view of a single chip region on a pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer provided in an embodiment of the present application;
- 3 to 5 are schematic diagrams of structures for performing pixel-level vacuum packaging of a chip with different numbers of windows provided in an embodiment of the present application;
- the readout circuit 204 can be a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) readout circuit, and the readout circuit 204 is electrically connected to the electrical connection area 203; a single microbolometer 205 is a single pixel, and the chip 201 in the entire pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector 2 is vacuum packaged at the pixel level.
- CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
- the material of the aperture 105 can generally be chrome.
- the electrical connection area 203 also known as a pad, is used to achieve electrical connection of the uncooled infrared focal plane detector module. Therefore, the present application can achieve electrical connection through the existing Pad preparation process, which is simple and feasible.
- Step S101 manufacturing an optical lens wafer; the optical lens wafer includes a plurality of wafer-level optical lenses.
- Step S1021 manufacturing a plurality of uncooled infrared focal plane detectors on a detector wafer substrate to obtain an uncooled infrared focal plane detector wafer, wherein the uncooled infrared focal plane detector comprises a chip and a getter, and the chip comprises a readout circuit and the microbolometer.
- Steps S1022 to S1024 are pixel-level vacuum packaging processes, and the details can be referred to related technologies.
- the material of the cap-type structural layer can be polysilicon or silicon nitride, etc.
- the sacrificial layer has an internal support function, and the material can be polyimide
- the material of the anti-reflection layer can be Ge or ZnS, etc.
- Step S103 bonding the optical lens wafer and the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer to obtain a bonded assembly.
- the bonding method is not limited in this application and can be selected at will.
- the bonding method of the optical lens wafer and the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer can be any one of solder bonding, adhesive bonding, silicon-silicon bonding, and solid-liquid diffusion welding bonding.
- FIGS. 14 and 15 Schematic diagrams of bonding the optical lens wafer 11 and the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer 22 are shown in FIGS. 14 and 15 , on which a chip 201 , a second bonding layer 202 and an electrical connection area 203 are formed.
- the bonding process does not need to be carried out in a vacuum environment, and the uncooled infrared focal plane detector wafer has been vacuum packaged using a semiconductor silicon process.
- Step S104 Slicing the bonded assembly to obtain an uncooled infrared focal plane detector module; the wafer-level optical lens is used to focus infrared light to the area where the microbolometer array of the chip is located.
- the optical lens wafer and the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer are wafer-level bonded, which can greatly reduce the production cost and volume of the uncooled infrared focal plane detector module, improve the production efficiency of the uncooled infrared focal plane detector module, and do not require labor costs.
- a photoresist opening is formed in the first metal layer region on the lower surface of the wall by a photolithography process, and then the first metal layer 106 is prepared by magnetron sputtering or evaporation.
- the first bonding layer 107 is located on the surface of the first metal layer 106 away from the wafer-level optical lens 1.
- the first bonding layer 107 is determined according to the bonding method, which will be described in the following embodiment.
- Step S203 manufacturing a second bonding layer on the bonding area of the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer.
- the optical lens wafer When adhesive bonding is used, the optical lens wafer is bonded to the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer at the wafer level and cured at the curing temperature of the selected adhesive.
- the distance between the wafer-level optical lens and the chip microbolometer area after bonding is the focal length of the concave-convex lens.
- manufacturing a second bonding layer in the bonding area of the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer includes:
- manufacturing a second bonding layer in the bonding area of the pixel-level packaged uncooled infrared focal plane detector wafer includes:
- the first metal layer in this embodiment is a single-layer metal layer.
- the method for manufacturing an uncooled infrared focal plane detector module further includes:
- the antireflection film can be produced by magnetron sputtering or evaporation process.
- An aperture is made on the edge of the convex lens on the incident surface of the wafer-level optical lens.
- the aperture can be manufactured by magnetron sputtering.
- the amount of light entering the uncooled infrared focal plane detector module can be controlled.
- the uncooled infrared focal plane detector module in this application has the following advantages:
- the bonding method is solder bonding
- the uncooled infrared focal plane detector module has higher reliability
- the bonding method is adhesive bonding
- the cost is lower and more efficient
- the chip with pixel-level vacuum packaging is directly integrated with a window during the production of the uncooled infrared focal plane detector wafer to achieve vacuum packaging;
- the wafer-level optical lens coating can achieve the cut-off function required by the detector, and the wafer-level optical lens plays a good protective role for the detector;
- the uncooled infrared focal plane detector module in this application achieves minimized volume and is applied to the portable, small, and low-cost market.
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Abstract
一种非制冷红外焦平面探测器模组，包括：键合的晶圆级光学镜头(1)和像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)包括像素级真空封装的芯片(201)，所述晶圆级光学镜头(1)用于聚焦红外光线至所述芯片(201)的微测辐射热计阵列所在的区域；以及非制冷红外焦平面探测器模组的制备方法。
Description
本申请要求于2022年12月28日提交中国专利局、申请号为202211696419.6、发明名称为“一种非制冷红外焦平面探测器模组及其制作方法”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
本申请涉及器件封装领域，特别是涉及一种非制冷红外焦平面探测器模组及其制作方法。
非制冷红外焦平面探测器具有功耗低、体积小、重量轻、寿命长、成本低等优点，广泛应用于安防监控、电力监测、医疗测温等领域。
目前在制作非制冷红外焦平面探测器模组时，可以采用晶圆级封装技术，通过晶圆级镜头与探测器晶圆进行键合，键合完成后再进行划片，得到单个的非制冷红外焦平面探测器模组。但是，晶圆级镜头需要与红外窗口组合，并且，晶圆级镜头与探测器晶圆需要在真空的条件下进行键合，键合难度比较大，键合可靠性低。
因此，如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点专注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种非制冷红外焦平面探测器模组及其制作方法，以降低非制冷红外焦平面探测器模组的制作难度和成本，提高制作效率。
为解决上述技术问题，本申请提供一种非制冷红外焦平面探测器模组，包括：
键合的晶圆级光学镜头和像素级封装非制冷红外焦平面探测器；
所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器包括像素级真空封装的芯片，所述晶圆级光学镜头用于聚焦红外光线至所述芯片的微测辐射热计阵列所在的区域。
可选的，所述晶圆级光学镜头的焦距等于所述晶圆级光学镜头的光心与所述微测辐射热计阵列上表面的距离。
可选的，所述晶圆级光学镜头的入射面设有凸透镜，每个所述凸透镜对应一个所述芯片。
可选的，所述晶圆级光学镜头的出射面设有空腔，所述空腔内的底部结构为平面结构、凸透镜、凹透镜中的任一种，所述底部结构的中心与所述入射面的凸透镜中心重合。
可选的，还包括：
设于所述晶圆级光学镜头的入射面和/或出射面的增透膜。
可选的，所述增透膜包括至少两层。
可选的，还包括：
设于所述晶圆级光学镜头入射面的所述凸透镜边缘的光圈。
可选的，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器集成有用于对所述微测辐射热计阵列真空封装的窗口。
可选的，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器中的芯片包括读出电路和所述微测辐射热计阵列。
可选的，所述晶圆级光学镜头和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器的键合方式为焊料键合、胶粘键合、硅硅键合、固液扩散焊键合中的任一种。
可选的，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器利用半导体硅工艺进行真空封装。
可选的，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器与所述晶圆级光学镜头相对的表面设有电连接区，且所述电连接区外露于所述晶圆级光学镜头。
本申请还提供一种非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，包括：
制作光学镜头晶圆；所述光学镜头晶圆包括多个晶圆级光学镜头；
制作像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆；像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括多个像素级封装非制冷红外焦平面探测器，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器包括像素级真空封装的芯片；
键合所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆，得到键合组件；
对所述键合组件进行划片，得到非制冷红外焦平面探测器模组；所述晶圆级光学镜头用于聚焦红外光线至所述芯片的微测辐射热计阵列所在的区域。
可选的，键合所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括：
在所述晶圆级光学镜头墙体的下表面制作第一金属层；所述墙体的下表面与所述晶圆级光学镜头出射面位于同侧；
在所述第一金属层的表面制作第一键合层；
在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层；
通过所述第一键合层和所述第二键合层将所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆进行晶圆级键合。
可选的，在所述第一金属层的表面制作第一键合层包括：
在所述第一金属层的表面沉积金属焊料层；
在所述金属焊料层的表面沉积焊料保护层；
相应的，在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层包括：
在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区沉积金属粘附层；
在所述金属粘附层的表面沉积金属阻挡层；
在所述金属阻挡层的表面沉积功能层。
可选的，在所述第一金属层的表面制作第一键合层包括：
在所述第一金属层的表面点胶，形成胶粘层；
相应的，在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层包括：
在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二金属层。
可选的，还包括：
在所述晶圆级光学镜头的入射面和/或出射面镀制增透膜。
可选的，制作像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括：
在探测器晶圆衬底上制作多个非制冷红外焦平面探测器，得到非制冷红外焦平面探测器晶圆，所述非制冷红外焦平面探测器包括芯片和吸气剂，所述芯片包括读出电路和所述微测辐射热计阵列；
在微测辐射热计的周围沉积盖帽式结构层；
在所述盖帽式结构层上表面刻蚀形成释放通孔，并通过所述释放通孔释放在制作非制冷红外焦平面探测器过程中沉积的牺牲层；
在所述盖帽式结构层上表面沉积抗反层形成窗口，并激活所述吸气剂，实现对所述芯片的像素级真空封装。
可选的，所述窗口对应设在一个所述微测辐射热计的周围。
可选的，所述窗口对应设在至少两个所述微测辐射热计的周围。
本申请所提供的一种非制冷红外焦平面探测器模组，包括：键合的晶圆级光学镜头和像素级封装非制冷红外焦平面探测器；所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器包括像素级真空封装的芯片，所述晶圆级光学镜头用于聚焦红外光线至所述芯片的微测辐射热计阵列所在的区域。
可见，本申请非制冷红外焦平面探测器模组中设置的是像素级封装非制冷红外焦平面探测器，像素级封装非制冷红外焦平面探测器中的芯片采用像素级真空封装，即像素级封装非制冷红外焦平面探测器中直接集成窗口，实现真空封装，所以像素级封装非制冷红外焦平面探测器与晶圆级光学镜头之间不需在真空下进行键合，键合难度降低，更容易实现，可靠性增强，并且晶圆级光学镜头不需与窗口进行组合。并且，本申请中光学镜头晶圆和像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆为晶圆级键合，可以极大地降低非制冷红外焦平面探测器模组的制作成本和体积，提高非制冷红外焦平面探测器模组的制作效率，同时不需人力成本。
此外，本申请还提供一种具有上述优点的制作方法。
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例所提供的一种非制冷红外焦平面探测器模组的结构示意图；
图2为本申请实施例所提供的一种像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆上单个芯片区域俯视图；
图3至图5为本申请实施例所提供的窗口不同数量对芯片进行像素级真空封装的结构示意图；
图6至图8为本申请实施例所提供的不同晶圆级光学镜头的结构示意图；
图9为本申请实施例中采用焊料键合时，键合区域的放大结构示意图；
图10为本申请实施例所提供一种非制冷红外焦平面探测器模组制作方法的流程图；
图11至图13为本申请实施例中制作晶圆级光学镜头的工艺流程图；
图14为本申请实施例中光学镜头晶圆与像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆键合前的结构示意图；
图15为图14中A区域的放大图；
图16至图17为本申请实施例中在光学镜头晶圆上制作第一金属层和第一键合层的工艺流程图；
图18至图19为本申请实施例中在像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆上制作电连接区和第二键合层的工艺流程图；
图中，1、晶圆级光学镜头，2、像素级封装非制冷红外焦平面探测器，101、凸透镜，102、空腔，103、凹透镜，104、增透膜，105、光圈，106、第一金属层，107、第一键合层，1071、金属焊料层，1072、焊料保护层，201、芯片，202、第二键合层，203、电连接区，204、读出电路，205、微测辐射热计，206、窗口，207、吸气剂，2021、金属粘附层，2022、金属阻挡层，2023、功能层，111、镜头晶圆衬底，11、光学镜头晶圆，22、像 素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，目前非制冷红外焦平面探测器模组采用晶圆级封装技术制作，晶圆级镜头需要与红外窗口组合，并且，晶圆级镜头与探测器晶圆需要在真空的条件下进行键合，键合难度比较大，键合可靠性低。
有鉴于此，本申请提供了一种非制冷红外焦平面探测器模组，请参考图1，包括：
键合的晶圆级光学镜头1和像素级封装非制冷红外焦平面探测器2；
所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器2包括像素级真空封装的芯片201，所述晶圆级光学镜头1用于聚焦红外光线至所述芯片201的微测辐射热计阵列所在的区域。
微测辐射热计阵列包括多个阵列排布的微测辐射热计205。
晶圆级光学镜头1对红外波段光具有高透过率，晶圆级光学镜头1的材料包括但不限于硅、锗、硫系玻璃，以及蓝宝石、硒化锌。
所述晶圆级光学镜头1的入射面设有凸透镜101，每个所述凸透镜101对应一个所述芯片201，如图1所示。
凸透镜101的主要作用是聚焦红外光线至芯片201的微测辐射热计阵列(Active Pixel Array)区域。
凸透镜101的曲率半径与焦距的具体数值根据工作波段、晶圆级光学镜头1材料、芯片201尺寸以及光刻工艺窗口确定。
晶圆级光学镜头1的制作方法有单点金刚石车削、精密模压成型、光刻等。而传统模压玻璃透镜成本较高，晶圆级光学镜头1可大大降低制作成本。其中，精密模压和光刻可使用晶圆级工艺实现。
像素级封装非制冷红外焦平面探测器2包括芯片201、电连接区203，如图2所示。电连接区203用于实现像素级封装非制冷红外焦平面探测器2的电连接。芯片201包括读出电路204和所述微测辐射热计205，如图6至图8所示。其中，读出电路204可以为CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)读出电路，读出电路204与电连接区203之间电连接；单个微测辐射热计205即为单个像素，整个像素级封装非制冷红外焦平面探测器2中的芯片201均经过像素级真空封装。
可选的，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器2利用半导体硅工艺进行真空封装。
所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器2集成有用于对所述微测辐射热计阵列真空封装的窗口206。
可选的，作为一种可实施方式，如图3所示，窗口206对应设置在一个微测辐射热计205的周围，窗口206腔体内部还设有吸气剂207，各个像素不影响彼此之间真空度的维持。作为另一种可实施方式，窗口206对应设置在至少两个微测辐射热计205的周围，例如，一个窗口206对应设置在局部几个微测辐射热计205的周围，如图4所示，或者，一个窗口206对应设置在所有微测辐射热计205的周围，如图5所示。
晶圆级光学镜头1的数量既可以一个，也可以在两个以上，本申请中不做限定。一般情况下，一个晶圆级光学镜头1的聚焦效果达不到要求时，可以设置多个晶圆级光学镜头1。当晶圆级光学镜头1的数量在两个及以上时，晶圆级光学镜头1在垂直方向上键合在一起。
所述晶圆级光学镜头1的焦距等于所述晶圆级光学镜头1的光心与所述微测辐射热计阵列上表面的距离。
本申请非制冷红外焦平面探测器模组中设置的是像素级封装非制冷红外焦平面探测器2，像素级封装非制冷红外焦平面探测器2中的芯片201采用像素级真空封装，即像素级封装非制冷红外焦平面探测器2中直接集成窗口206，实现真空封装，所以像素级封装非制冷红外焦平面探测器2与晶圆级光学镜头1之间不需在真空下进行键合，键合难度降低，更容易实现，可靠性增强，并且晶圆级光学镜头1不需与窗口206进行组合。并且，本申请中光学镜头晶圆和像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆为晶圆级键合，可以极大地降低非制冷红外焦平面探测器模组的制作成本和体积，提高非制冷红外焦平面探测器模组的制作效率，同时不需人力成本。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，所述晶圆级光学镜头1的出射面设有空腔102，所述空腔102内的底部结构为平面结构、凸透镜、凹透镜中的任一种，所述底部结构的中心与所述入射面的凸透镜101中心重合。
空腔102内的底部结构的具体种类根据焦距进行选择。当晶圆级光学镜头1出射面空腔102内的底部结构分别为平面、凹透镜103时，晶圆级光学镜头1的结构示意图如图6、图7所示。
当空腔102内的底部结构为凹透镜103时，凹透镜103间距范围可以300μm-600μm，即预留出划片道区域及墙体区域，晶圆级光学镜头1墙体尺寸(宽度)L的范围可以是50μm-200μm；凹透镜103直径范围可以是1mm-10mm。此时，出射面的凹透镜103与入射面的凸透镜101组合形成凹凸透镜，凹凸透镜的主要作用是聚焦红外光线至芯片201微测辐射热计205区域。凹凸透镜的曲率半径与焦距的具体数值需要根据工作波段、晶圆衬底材料、芯片201尺寸以及光刻工艺窗口确定。
可以理解的是，当出射面为平面结构时，与入射面的凸透镜101组合形成平凸透镜101；当出射面为凸透镜101，与入射面的凸透镜101组合形成双凸透镜101。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，非制冷红外焦平面探测器模组还包括：
设于所述晶圆级光学镜头1的入射面和/或出射面的增透膜104，以提高使用波段红外辐射的透过率，并在非使用红外辐射波段截止。
增透膜104的设置包括三种方案，第一种，只设置在晶圆级光学镜头1的入射面；第二种，只设置在晶圆级光学镜头1的出射面；第三种，同时设置在晶圆级光学镜头1的入射面和入射面，如图8所示。
可选的，增透膜104可以单层的增透膜104，或者所述增透膜104包括至少两层。
增透膜104的材料包括但不限于ZnS、Ge、Y
2F
3，每一层单层的增透膜104的厚度可以为50nm-5μm。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，如图8所示，非制冷红外焦平面探测器模组还包括：
设于所述晶圆级光学镜头1入射面的所述凸透镜101边缘的光圈105，以控制进入非制冷红外焦平面探测器模组的进光量。
光圈105的材料一般可以为铬。
光圈105的厚度可以10nm-200nm。光圈105的宽度可以根据进光量的需求进行设置，本申请中不做具体限定。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，非制冷红外焦平面探测器模组中，所述晶圆级光学镜头1和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器2的键合方式包括但不限于焊料键合、胶粘键合、硅硅键合、固液扩散焊键合中的任一种。
当晶圆级光学镜头1和像素级封装非制冷红外焦平面探测器2的键合方式为焊料键合或者胶粘键合时，晶圆级光学镜头1的墙体下表面设有第一金属层106，在第一金属层106的表面设有第一键合层107，墙体的下表面与晶圆级光学镜头1出射面位于同侧；像素级封装非制冷红外焦平面探测器2的键合区设有第二键合层202。
其中，第一金属层106和第一键合层107的宽度相等，宽度范围可以为40μm-150μm，小于墙体的尺寸。
当键合方式为焊料键合时，请参考图9，第一金属层106包括层叠的金属粘附层2021和金属阻挡层2022，金属粘附层2021直接与晶圆级光学镜头1墙体接触。金属粘附层2021的作用是增强第一金属层106与晶圆级光学镜头1的粘附性，与晶圆级光学镜头1衬底材料有极好的润湿性，且热膨胀系数与晶圆级光学镜头1衬底材料相近，可选用Cr、Ti等金属，厚度范围可以为30nm-2μm。金属阻挡层2022的作用是阻止金属焊料层1071与粘附层形成金属间化合物，影响膜层性能，可选用Ni、Pt等金属，厚度范围可以为20nm-3μm。
第一键合层107包括层叠的金属焊料层1071和焊料保护层1072，金属焊料层1071直接与金属阻挡层2022接触。金属焊料层1071中焊料主要成分包括Sn、In、Sb、Ti、Au、Ag中任一种或者按照一定比例的任意组合；金属焊料层1071的高度在3μm-50μm之间，具体高度可以依据光学焦距需求而定。焊料保护层1072的作用是保护金属焊料层1071不被氧化失效，可选用Au、Ni等金属，厚度范围可以为为20nm-3μm。需要指出的是，第一键合层107也可以只包括金属焊料层1071。
第二键合层202包括层叠的金属粘附层2021、金属阻挡层2022和功能层2023，其中，金属粘附层2021直接与像素级封装非制冷红外焦平面探测器2接触。金属粘附层2021的材料可以为Cr、Ti等金属，厚度范围可以为20nm-1μm。金属阻挡层2022的材料可以为Ni、Pt等金属，厚度范围可以为30nm-2μm。功能层2023用于增强第二键合层202与焊料的结合，可选用Au、Ag等金属。需要说明的是，第二键合层202也可以包括层叠的金属粘附层2021和金属阻挡层2022。
当键合方式为胶粘键合时，为了降低制作成本，第一金属层106为单层的金属层，材料可以为Cr、Ti等金属，厚度范围可以为30nm-2μm。第一键合层107为胶粘层，材料可以为环氧银胶等。第二键合层202为第二金属层，材料可以为Cr、Ti等金属，厚度范围可以为20nm-1μm。
需要指出的是，本申请中晶圆级光学镜头1的墙体与晶圆级光学镜头1是一体式的结构，因此在键合时，可以使用较薄的第一键合层107或者胶粘层，降低制作成本。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，请参考图1，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器2与所述晶圆级光学镜头1相对的表面设有电连接区203，且所述电连接区203外露于所述晶圆级光学镜头1。
电连接区203也即pad(焊盘)，用于实现非制冷红外焦平面探测器模组的电连接，因此，本申请通过现有Pad制备工艺即可实现电连接，简单可行。
本申请还提供一种非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，请参考图10，包括：
步骤S101：制作光学镜头晶圆；所述光学镜头晶圆包括多个晶圆级光学镜头。
步骤S1011：准备镜头晶圆衬底，并在镜头晶圆衬底的上表面(也即入射面)经过压印光刻，或，光刻胶回流和刻蚀工艺形成多个凸透镜。
步骤S1012：在镜头晶圆衬底的下表面(也即出射面)经过光刻和刻蚀工艺形成空腔，得到光学镜头晶圆。其中，空腔内的底部结构为平面结构、凸透镜、凹透镜中的任一种，底部结构的中心与入射面的凸透镜中心重合。
请参考图11至图13，镜头晶圆衬底111表面是平整的，晶圆级光学镜头的入射面设有凸透镜101，每个凸透镜101对应一个芯片。凸透镜101和镜头晶圆衬底111的材料相同。本申请中对凸透镜101的排列方式不做限定，视情况而定。可选的，凸透镜101的间距P的范围可以是300μm-600μm，即预留出划片道区域，凸透镜101直径D的范围可以是1mm-10mm。
请参考图6，光学镜头晶圆11下表面具有空腔102。当空腔102底部结构为平面结构时，晶圆级光学镜头的示意图如图6所示；当空腔底部结构为凸透镜或者凹透镜时，在空腔内通过压印光刻，或，光刻胶回流和刻蚀工艺形成凹透镜或者凸透镜。
步骤S102：制作像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆；像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括多个像素级封装非制冷红外焦平面探测器，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器包括像素级真空封装的芯片。
可选的，作为一种可实施方式，制作像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括：
步骤S1021：在探测器晶圆衬底上制作多个非制冷红外焦平面探测器，得到非制冷红外焦平面探测器晶圆，所述非制冷红外焦平面探测器包括芯片和吸气剂，所述芯片包括读出电路和所述微测辐射热计。
非制冷红外焦平面探测器的制作流程可参考相关技术，本申请中不再详细赘述。
步骤S1022：在所述微测辐射热计的周围沉积盖帽式结构层。
步骤S1023：在所述盖帽式结构层上表面刻蚀形成释放通孔，并通过所述释放通孔释放在制作非制冷红外焦平面探测器过程中沉积的牺牲层。
步骤S1024：在所述盖帽式结构层上表面沉积抗反层形成窗口，并激活所述吸气剂，实现对所述芯片的像素级真空封装。
步骤S1022至步骤S1024为像素级真空封装工艺，具体可参考相关技术。其中，盖帽式结构层的材料可以为多晶硅或氮化硅等；牺牲层具有内部支撑的作用，材料可以为聚酰亚胺；抗反层的材料可以为Ge或ZnS等材料。
需要说明的是，本申请中对窗口对应的微测辐射热计的数量不做限定。可选的，作为一种可实施方式，所述窗口206对应设在一个所述微测辐射热计205的周围，如图3所示。作为另一种可实施方式，所述窗口206对应设在至少两个所述微测辐射热计205的周围。例如，一个窗口206对应 设置在局部几个微测辐射热计205的周围，如图4所示，或者，一个窗口206对应设置在所有微测辐射热计205的周围，如图5所示。
步骤S103：键合所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆，得到键合组件。
需要说明的是，本申请中对键合方式不做限定，可自行选择。例如，光学镜头晶圆和像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合方式可以为焊料键合、胶粘键合、硅硅键合、固液扩散焊键合中的任一种。
键合前光学镜头晶圆11与像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆22的示意图如图14和图15所示，像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的22上形成有芯片201、第二键合层202和电连接区203。
还需要说明的是，键合过程不需要在真空环境中进行，非制冷红外焦平面探测器晶圆已通过半导体硅工艺进行真空封装。
步骤S104：对所述键合组件进行划片，得到非制冷红外焦平面探测器模组；所述晶圆级光学镜头用于聚焦红外光线至所述芯片的微测辐射热计阵列所在的区域。
划片方式可以为刻蚀或机械切割等方式。
本实施例中制作的非制冷红外焦平面探测器模组中，非制冷红外焦平面探测器为像素级封装非制冷红外焦平面探测器，像素级封装非制冷红外焦平面探测器中的芯片采用像素级真空封装，即像素级封装非制冷红外焦平面探测器中直接集成窗口，实现真空封装，所以像素级封装非制冷红外焦平面探测器与晶圆级光学镜头之间不需在真空下进行键合，键合难度降低，更容易实现，可靠性增强，并且晶圆级光学镜头不需与窗口进行组合。并且，本申请中光学镜头晶圆和像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆为晶圆级键合，可以极大地降低非制冷红外焦平面探测器模组的制作成本和体积，提高非制冷红外焦平面探测器模组的制作效率，同时不需人力成本。
在上述实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，当键合方式为焊料键合、胶粘键合时，键合所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括：
步骤S201：在所述晶圆级光学镜头墙体的下表面制作第一金属层；所述墙体的下表面与所述晶圆级光学镜头出射面位于同侧。
请参考图16，通过光刻工艺在墙体的下表面完成第一金属层区域的光刻胶开口，然后利用磁控溅射或者蒸镀方法制备第一金属层106。
步骤S202：在所述第一金属层的表面制作第一键合层。
请参考图17，第一键合层107位于第一金属层106远离晶圆级光学镜头1的表面。第一键合层107根据键合方式而定，在下面实施例中进行介绍。
步骤S203：在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层。
请参考图18至图19，像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆22上形成电连接区203后，通过光刻工艺完成第二键合层区域的光刻胶开口，然后在像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆22上光刻胶开口区域进行金属化，形成第二键合层202。
步骤S204：通过所述第一键合层和所述第二键合层将所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆进行晶圆级键合。
当采用焊料键合时，在略高于焊料熔点的温度下，光学镜头晶圆墙体下表面上焊料加热融化，然后对光学镜头晶圆施加一定的压力，光学镜头晶圆与像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆进行晶圆级键合，然后进行降温，完成键合。键合后晶圆级光学镜头距芯片微测辐射热计区域的距离即为凹凸透镜的焦距。
当采用胶粘键合时，将光学镜头晶圆与像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆进行晶圆级键合，在所选胶的固化温度下进行固化。键合后晶圆级光学镜头距芯片微测辐射热计区域的距离即为凹凸透镜的焦距。
作为一种可实施方式，在上述实施例的基础上，当键合方式可以为焊料键合，在所述第一金属层的表面制作第一键合层包括：
在所述第一金属层的表面沉积金属焊料层；
在所述金属焊料层的表面沉积焊料保护层；
相应的，在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层包括：
在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区沉积金属粘附层；
在所述金属粘附层的表面沉积金属阻挡层；
在所述金属阻挡层的表面沉积功能层。
第一金属层包括层叠的金属粘附层和金属阻挡层，金属粘附层直接与晶圆级光学镜头墙体接触。第一键合层包括层叠的金属焊料层和焊料保护层，或者第一键合层也可以只包括金属焊料层。第二键合层包括层叠的金属粘附层、金属阻挡层和功能层，其中，金属粘附层直接与像素级封装非制冷红外焦平面探测器接触，或者，第二键合层也可以包括层叠的金属粘附层和金属阻挡层。
作为一种可实施方式，在上述实施例的基础上，当键合方式可以为胶粘键合，在所述第一金属层的表面制作第一键合层包括：
在所述第一金属层的表面点胶，形成胶粘层；
相应的，在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层包括：
在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二金属层。
为了降低制作成本，本实施例中第一金属层为单层的金属层。
在上述任一实施例的基础上，在本申请的一个实施例中，非制冷红外焦平面探测器模组制作方法还包括：
在所述晶圆级光学镜头的入射面和/或出射面镀制增透膜。
增透膜的制作方式可以为磁控溅射法或者蒸镀工艺等。
本实施例中通过制作增透膜，可以提高使用波段红外辐射的透过率，并在非使用红外辐射波段截止。
进一步地，非制冷红外焦平面探测器模组制作方法还包括：
在晶圆级光学镜头入射面的凸透镜边缘制作光圈。
光圈的制作方式可以为磁控溅射法。
本实施例中通过制作光圈，可以控制进入非制冷红外焦平面探测器模组的进光量。
综上，本申请中的非制冷红外焦平面探测器模组具有的优点如下：
第一，光学镜头晶圆和像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的晶圆级键合方式，可以大幅降低非制冷红外焦平面探测器模组制作成本，无需人力成本；
第二，当键合方式为焊料键合时，非制冷红外焦平面探测器模组可靠性更高；当键合方式为胶粘键合时，成本更低且更为高效；
第三，像素级真空封装的芯片在非制冷红外焦平面探测器晶圆制作时直接集成窗口，实现真空封装；
第四，晶圆级光学镜头和芯片一体集成模组后，晶圆级光学镜头镀膜可以实现探测器所需的截止功能，并且晶圆级光学镜头对探测器起到良好的保护作用；
第五，本申请中非制冷红外焦平面探测器模组实现体积最小化，应用于便携，小型，低成本的市场。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的非制冷红外焦平面探测器模组及其制作方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (20)
- 一种非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，包括：键合的晶圆级光学镜头(1)和像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)；所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)包括像素级真空封装的芯片(201)，所述晶圆级光学镜头(1)用于聚焦红外光线至所述芯片(201)的微测辐射热计阵列所在的区域。
- 如权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述晶圆级光学镜头(1)的焦距等于所述晶圆级光学镜头(1)的光心与所述微测辐射热计阵列上表面的距离。
- 如权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述晶圆级光学镜头(1)的入射面设有凸透镜(101)，每个所述凸透镜(101)对应一个所述芯片(201)。
- 如权利要求3所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述晶圆级光学镜头(1)的出射面设有空腔，所述空腔内的底部结构为平面结构、凸透镜、凹透镜中的任一种，所述底部结构的中心与所述入射面的凸透镜(101)中心重合。
- 如权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，还包括：设于所述晶圆级光学镜头(1)的入射面和/或出射面的增透膜(104)。
- 如权利要求5所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述增透膜(104)包括至少两层。
- 如权利要求3所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，还包括：设于所述晶圆级光学镜头(1)入射面的所述凸透镜(101)边缘的光圈(105)。
- 如权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)集成有用于对所述微测辐射热计阵列真空封装的窗口(206)。
- 如权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)中的芯片(201)包括读出电路(204)和所述微测辐射热计阵列。
- 如权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述晶圆级光学镜头(1)和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)的键合方式为焊料键合、胶粘键合、硅硅键合、固液扩散焊键合中的任一种。
- 如权利要求1所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)利用半导体硅工艺进行真空封装。
- 如权利要求1至11任一项所述的非制冷红外焦平面探测器模组，其特征在于，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器(2)与所述晶圆级光学镜头(1)相对的表面设有电连接区(203)，且所述电连接区(203)外露于所述晶圆级光学镜头(1)。
- 一种非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，包括：制作光学镜头晶圆；所述光学镜头晶圆包括多个晶圆级光学镜头；制作像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆；像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括多个像素级封装非制冷红外焦平面探测器，所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器包括像素级真空封装的芯片；键合所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆，得到键合组件；对所述键合组件进行划片，得到非制冷红外焦平面探测器模组；所述晶圆级光学镜头用于聚焦红外光线至所述芯片的微测辐射热计阵列所在的区域。
- 如权利要求13所述的非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，键合所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括：在所述晶圆级光学镜头墙体的下表面制作第一金属层；所述墙体的下表面与所述晶圆级光学镜头出射面位于同侧；在所述第一金属层的表面制作第一键合层；在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层；通过所述第一键合层和所述第二键合层将所述光学镜头晶圆和所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆进行晶圆级键合。
- 如权利要求14所述的非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，在所述第一金属层的表面制作第一键合层包括：在所述第一金属层的表面沉积金属焊料层；在所述金属焊料层的表面沉积焊料保护层；相应的，在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层包括：在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区沉积金属粘附层；在所述金属粘附层的表面沉积金属阻挡层；在所述金属阻挡层的表面沉积功能层。
- 如权利要求14所述的非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，在所述第一金属层的表面制作第一键合层包括：在所述第一金属层的表面点胶，形成胶粘层；相应的，在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二键合层包括：在所述像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆的键合区制作第二金属层。
- 如权利要求13所述的非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，还包括：在所述晶圆级光学镜头的入射面和/或出射面镀制增透膜。
- 如权利要求13至17任一项所述的非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，制作像素级封装非制冷红外焦平面探测器晶圆包括：在探测器晶圆衬底上制作多个非制冷红外焦平面探测器，得到非制冷红外焦平面探测器晶圆，所述非制冷红外焦平面探测器包括芯片和吸气剂，所述芯片包括读出电路和所述微测辐射热计阵列；在微测辐射热计的周围沉积盖帽式结构层；在所述盖帽式结构层上表面刻蚀形成释放通孔，并通过所述释放通孔释放在制作非制冷红外焦平面探测器过程中沉积的牺牲层；在所述盖帽式结构层上表面沉积抗反层形成窗口，并激活所述吸气剂，实现对所述芯片的像素级真空封装。
- 如权利要求18所述的非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，所述窗口对应设在一个所述微测辐射热计的周围。
- 如权利要求18所述的非制冷红外焦平面探测器模组制作方法，其特征在于，所述窗口对应设在至少两个所述微测辐射热计的周围。
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