[发明专利]一种晶圆级真空封装的IR FPA器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种IR FPA器件及其制造方法，尤其是一种采用晶圆级真空封装的IR FPA器件及其制造方法。

背景技术

红外成像技术广泛应用于军事、工业、农业、医疗、森林防火、环境保护等各领域，其核心部件是红外焦平面阵列（Infrared Focal Plane Array，IRFPA）。根据工作原理分类，可分为：光子型红外探测器和非制冷红外探测器。光子型红外探测器采用窄禁带半导体材料，如HgCdTe、InSb等，利用光电效应实现红外光信号向电信号的转换；因而需要工作在77K或更低的温度下，这就需要笨重而又复杂的制冷设备，难以小型化，携带不方便。另一方面，HgCdTe和InSb等材料价格昂贵、制备困难，且与CMOS工艺不兼容，所以光子型红外探测器的价格一直居高不下。这些都极大地阻碍了红外摄像机的广泛应用，特别是在民用方面，迫切需要开发一种性能适中、价格低廉的新型红外摄像机。在目前已经商品化的红外焦平面阵列器件，其成本主要在于封装与测试，约占芯片成本的70-80%，主要采用金属或陶瓷管壳式的真空封装，成本高企，目前为了降低器件成本，国际国内都把研究方向投向晶圆级封装或芯片级封装，这是为了降低芯片成本的一条重要途径，也是其发展方向。

非制冷热型红外探测器通过红外探测单元吸收红外线，红外能量引起红外探测单元的电学特性发生变化，把红外能量转化为电信号，通过读出电路读取该信号并进行处理。晶圆级真空封装主要是晶圆制造过程中制作封装所需要的焊料，然后在对晶圆进行切割前完成两片或多片晶圆的键合封装，这样做的好处是可以大大减小封装后的器件尺寸，满足目前在移动设备中对小型化芯片的需求。同时无需使用金属或陶瓷管壳，能有效地降低器件的成本。

图1是一种非制冷红外探测器单元制作的微结构(来自美国专利公开文本5286976 2/1994)，主要是采用非晶硅和VOx（氧化钒）来作为温敏电阻来实现对红外线的探测。其结构包括：器件10、微桥探测层11、表面平坦的半导体衬底13、衬底表面14、集成电路15、氮化硅16、薄膜反光材料18、氮化硅层20、薄膜电阻层21、氮化硅层22、红外吸收层23、空腔或空腔高度26、斜面30、第一接触垫31、第二接触垫32、第一氮化硅层20’、第二氮化硅层22’、斜面30’。该结构是制造在已完成读出电路制造的硅片上，由于读出电路硅片上有比较厚的介质层，因而形成一个较大的热容，像元上吸收的红外能量无法及时耗散出去，会带来像元之间的串扰，从而降低成像质量。图1中的VOx材料同时也是与IC工艺不兼容的，因而该结构不能在IC工厂进行制造，造成成本比较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种晶圆级真空封装的IR FPA器件及其制造方法。采用2片晶圆键合的方式来实现红外探测器的制作及实现其晶圆级封装，把CMOS IC与MEMS器件分开制作，既实现与CMOS IC的集成，又增加MEMS红外探测器器件制作的灵活性，又能同时实现晶圆级封装，降低封装成本，从而降低IR FPA器件的制作成本。

按照本发明提供的技术方案，一种晶圆级真空封装的IR FPA器件，包括第一片晶圆和第二片晶圆，其特征是：所述第一片晶圆为常规的硅片，采用常规IC制作工艺制作出IR FPA的读出电路，同时以第一片晶圆最上层金属制作出IR FPA器件所需要的共振吸收的反光板；在第一片晶圆有反光板的一面淀积有介质材料，贯穿所述第一片晶圆和介质材料制有TSV结构用于电连接及实现贴片式封装，在TSV结构和介质材料的电连接点制作第一低温焊接材料；在第二片晶圆的硅衬底上，制作出用于IR FPA器件的微结构，包括：所述第二片晶圆正面制作有阻挡氧化层，在阻挡氧化层上制作有金属连线，形成MEMS结构的电连线，热隔离悬臂梁中的金属与所述电连线相连，热隔离悬臂梁中的金属与敏感层中的敏感电阻材料相连，在阻挡氧化层上还制作有用于真空封装的吸气剂以及用于两片晶圆焊接的第二低温焊接材料，第二低温焊接材料与电连线相连，所述敏感层、热隔离悬臂梁、吸气剂、第二低温焊接材料之间形成真空腔，在第二片晶圆的上下两面还制作有红外光窗所需的抗反射材料；由所述第一片晶圆与第二片晶圆的键合实现晶圆级真空封装。

进一步的，在所述第二片晶圆背面与凹槽相对的区域制作有用于聚能的微透镜阵列。

进一步的，所述敏感层中的共振吸收层位于敏感层的上方或下方。

上述晶圆级真空封装的IR FPA器件晶圆级真空封装的制作方法，其步骤如下：