非制冷探测器的晶圆级封装方法、非制冷探测器及其制备方法与流程

1.本发明属于半导体封装技术领域，具体涉及一种非制冷探测器的晶圆级封装方法、非制冷探测器及其制备方法。


背景技术：

2.红外焦平面探测器可分为制冷型和非制冷型两大类。制冷型红外焦平面探测器的优势在于灵敏度高，能够分辨更细微的温度差别，探测距离远，但是其结构复杂且成本高昂，主要应用于高端军事装备；非制冷红外焦平面探测器无需制冷装置，能够在室温状态下工作，具有启动快、功耗低、体积小、重量轻、寿命长、成本低等诸多优点。其性价比上已经明显优于制冷型探测器，在社会的各个方面开始使用，比如安防、工业、医疗、电力、建筑、汽车等。
3.探测器芯片需要在高真空的环境下工作，目前主要采用金属或者陶瓷管壳封装，总体的尺寸、重量、功耗还是很高，不能满足市场小型化的应用需求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种工艺周期短、成本低且封装效果好的非制冷探测器的晶圆级封装方法。
5.为实现以上目标，本发明采用如下的技术方案：非制冷探测器的晶圆级封装方法，包括如下步骤：（1）提供红外探测器晶圆和soi硅片；（2）在soi硅片的si器件层表面形成留有图形化刻蚀窗口的光刻胶层，并以该光刻胶层为掩模，进行刻蚀去除与所述图形化刻蚀窗口对应的si器件层，然后进行腐蚀去除与所述图形化刻蚀窗口对应的soi硅片的第一氧化层，形成深腔结构，再去除光刻胶层；（3）在所述深腔结构的底面上形成与红外探测器晶圆上的微结构对应的第一增透膜层；（4）在soi硅片上深腔结构以外的si器件层上形成第一键合环，得到盖帽硅片；（5）在红外探测器晶圆上形成与所述盖帽硅片上的第一键合环对应的第二键合环；（6）去除微结构的保护膜层，释放微结构；（7）将盖帽硅片的第一键合环和红外探测器晶圆的第二键合环进行对位键合。
6.作为优选，在步骤（4）中，在形成第一键合环后，还包括采用硬掩模工艺在深腔结构的底面上形成图形化的第一吸气剂层。
7.作为优选，在步骤（5）中，在形成第二键合环后，还包括采用硬掩模工艺在红外探测器晶圆上形成与盖帽硅片上的第一吸气剂层对应的第二吸气剂层；所述硬掩模工艺为通过制作的图形化的掩模板，在沉积吸气剂时利用掩模板将不
需要沉积吸气剂的部分遮挡，从而实现在需要吸气剂的部分沉积吸气剂层。
8.作为优选，在步骤（7）后，还包括在盖帽硅片的硅层上表面形成第二增透膜层。
9.作为优选，所述第二增透膜层为ge层；所述第二增透膜层的厚度为 1～3μm。
10.作为优选，所述第一键合环和第二键合环为ti膜/cu膜/ti膜的层状结构；ti膜的厚度为50～200nm，cu膜的厚度为2～4μm。
11.作为优选，所述第一键合环与第二键合环采用剥离工艺形成。
12.作为优选，所述第一吸气层与第二吸气层的厚度为1～4μm；所述第一吸气层与第二吸气层的组成，按质量分数计，包括zr70～80%、co20～30%和la1～2%。作为优选，步骤（2）中，所述刻蚀为干法刻蚀；所述腐蚀为湿法腐蚀。
13.作为优选，步骤（3）中，所述第一增透膜层采用剥离工艺制备；所述第一增透膜层为ge层；所述第一增透膜层的厚度为1～3μm。
14.作为优选，步骤（7）中，所述键合的温度为200～300℃，键合的时间为10～30min。
15.作为一个总的发明构思，本发明还提供非制冷探测器的制备方法，对前述的晶圆级封装方法封装得到的封装结构进行划切得到。
16.作为一个总的发明构思，还提供一种前述非制冷探测器的制备方法制备得到的非制冷探测器。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明使用soi硅片来制作盖帽，利用自停止工艺，形成的真空腔顶部平整，粗糙度 为1～5nm，是深硅刻蚀100nm的1/100～1/20，红外8～14μm波长透过率能达到90%以上。
18.（2）键合环焊料采用蒸镀铜工艺，比常用的金锡成本更低，且实现铜铜低温键合，降低键合温度；通过采用上下对称设置双份吸气剂，不仅有效利用了空间，而且能够有效延长探测器的使用寿命；同时通过硬掩模工艺制备图形化的吸气剂层，避免剥离工艺的影响，提高吸气性能，并可在键合的同时实现对吸气剂的激活。
19.（3）本发明的方法能够缩短封装周期和成本，且制备得到的非制冷探测器的窗口表面平整、透射率高，小型化满足市场需求。
附图说明
20.图1为盖帽硅片加工流程示意图。
21.图2为探测器芯片加工流程示意图。
22.图3为键合加工流程示意图。
23.图4为封装结构的图例标示。
24.附图说明：100、si支撑层 ；101、si器件层；102、第一氧化层；103、第一增透膜层；104、第一吸气剂层；105、第一键合环；110、光刻胶层；200、si片；201、电路连接；202、微结构；203、保护层；204、第二氧化层（sio2）；205、第二键合环；206、第二吸气剂层；300、第二增透膜层。
具体实施方式
25.以下结合具体实施例和说明书附图，对本发明做进一步说明，但本发明的实施方式并不限于此。
26.本实施方式提供一种非制冷探测器的晶圆级封装方法，包括如下步骤：一、提供红外探测器晶圆和定制的硅片soi（soi：silicon on insulator）硅片，其中soi硅片包括si支撑层100、si器件层101和第一氧化层102，其设置方式为按si支撑层600μm/第一氧化层（sio2）1μm/si器件层150μm依次设置。
27.二、盖帽硅片的制作，其加工流程示意图如图1所示，包括：（1）在soi硅片上图形化开窗口，即在soi硅片上的si器件层101表面涂覆光刻胶，通过光刻显影在所述si器件层101表面形成留有图形化待刻蚀窗口的光刻胶层110；用深硅刻蚀和自停止技术，刻蚀硅到第一氧化层102（即二氧化硅层）后停止，即以该光刻胶层110为掩模，进行刻蚀去除图形化待刻蚀窗口对应的si器件层101；然后腐蚀掉第一氧化层102，形成深腔平整的底面，即然后进行腐蚀去除与所述图形化待刻蚀窗口对应的第一氧化层102，形成深腔结构，再去除光刻胶层110；本步骤中，所述刻蚀可以为干法刻蚀；所述腐蚀可以为湿法腐蚀。
28.（2）在所述深腔结构的底面上形成与红外探测器晶圆上的微结构202对应的第一增透膜层103。
29.本步骤中，作为优选的方案，所述第一增透膜层103可采用剥离工艺制备；所述第一增透膜层103为ge层；所述第一增透膜层103的厚度为1～3μm；此处的剥离工艺是指在不需要形成第一增透膜103的其他表面涂敷光刻胶，曝光显影，形成光刻胶层，然后在整个表面上沉积增透膜，再通过剥离液或带胶蒸发等方式去除光刻胶层，则沉积在光刻胶层上的增透膜也被剥离，留下直接沉积在深腔底面上的增透膜即为第一增透膜层103。
30.（3）在soi硅片上的深腔结构以外的si器件层101形成第一键合环105，形成盖帽硅片。
31.作为优选的方案，在本步骤（3）中，在形成第一键合环105后，还包括采用硬掩模工艺在深腔结构的底面上形成图形化的第一吸气剂层104。所述硬掩模工艺为通过制作的图形化的掩模板，在沉积（本实施例可以采用气相沉积）吸气剂时利用掩模板将不需要沉积吸气剂的部分遮挡，从而实现在需要吸气剂的深腔结构的底面部分沉积第一吸气剂层104，有效避免了采用常规的剥离工艺或其他常规工艺对吸气剂带来不良影响。
32.使用定制的硅片来制作盖帽，利用自停止工艺，形成的真空腔顶部平整，粗糙度 1～5nm，是深硅刻蚀100nm的1/100～1/20，红外8～14μm波长透过率90%以上。
33.三、红外探测器的制作，其加工流程示意图如图2所示，包括：（1）采用金属剥离工艺在红外探测器晶圆上形成与盖帽硅片上的第一键合环105对应的第二键合环205；（2）去除微结构202的保护层203，释放微结构202；本步骤可以采用干法刻蚀的方法来去除微结构202的保护层203，微结构202的化学组成可以是vo
x
，保护层203可以为本领域常规的有机保护层。
34.本步骤中，作为优选的方案，在形成第二键合环205后，还包括采用硬掩模工艺在红外探测器晶圆上形成与盖帽硅片上的第一吸气剂层104对应的第二吸气剂层206。所述硬
掩模工艺为通过制作的图形化的掩模板，在沉积吸气剂时利用掩模板将不需要沉积吸气剂的部分遮挡，从而实现在需要吸气剂的部分形成第二吸气剂层206，有效避免了采用常规的剥离工艺或其他常规工艺对吸气剂带来不良影响。
35.四、将盖帽硅片与红外探测器键合，加工流程示意图如图3所示，包括：将盖帽硅片的第一键合环105和红外探测器晶圆的第二键合环205进行对位键合。作为优选的方案，所述键合的温度为200～300℃，键合的时间为10～30min。且在键合的同时实现了对第一吸气剂层104和第二吸气剂层206的激活。
36.作为优选的方案，在对位键合后，还包括在盖帽硅片的si支撑层100上表面形成第二增透膜层300；所述第二增透膜层300可通过pvd工艺形成；所述第二增透膜层300为ge层；所述第二增透膜层300的厚度为 1～3μm。
37.作为优选的方案，所述第一键合环105和第二键合环205为ti膜/cu膜/ti膜的层状结构，采用该结构的键合环不仅比常用的金锡成本更低，而且由于键合环焊料采用蒸镀铜工艺，还能实现铜铜低温键合，减低键合温度；进一步优选，ti膜的厚度为50～200nm，cu膜的厚度为2～4μm。
38.所述第一键合环105与第二键合环205采用剥离工艺形成。
39.作为优选的方案，所述第一吸气剂层104与第二吸气剂层206的厚度为1～4μm；所述第一吸气剂层104与第二吸气剂层206的组成，按质量分数计，包括zr70～80%、co20～30%和la1～2%。本实施例的封装方法得到的封装结构示意图如图4所示。
40.本实施例还提供一种非制冷探测器的制备方法，通过对前述的晶圆级封装方法封装得到的封装结构进行划切得到。
41.根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。