专利名称：辐射传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及传感器例如红外线传感器。
背景技术：
典型的红外线传感器包括通过半导体工艺在硅中形成的热堆
(thermopile)。见美国专利No. 6987223，该文献被本文参引。热堆 粘在基座上，然后由TO型罐或封装件来覆盖。TO罐的盖进行穿孔，以 便产生开口，该开口再由窗口或滤光器来覆盖，该窗口或滤光器安装 在该TO罐盖上并处于该开口上。TO封装件用于使热堆保持在受控环境 中，在罐中的气体的热导率的变化将改变传感器的响应。因此，T0罐 通常充装有干的惰性气体或形成真空。所形成的封装件允许红外线辐 射通过滤光器进入，同时保护红外线传感器或热堆不受环境变化影 响。
为了制造这样的传感器，使用半导体工艺来制造热堆。然后，将 热堆从半导体制造区域取出.然后制备T0罐，该盖装配有滤光器，热 堆接合至该基座上，进行所需的电连接，且将该罐焊接在基座上。结 果是，该过程通常需要大量人工。使用的TO罐封装件并不导电，所以 不能与现代自动线路板装配设备一起布置。还有，TO罐封装技术明显 增加了传感器的尺寸，并增加了成本，且并没有明显增加价值。最后， TO罐封装系统并不总是气密密封，包容在TO罐中的气体内容物可以在 经过一定时间后变化，从而对热堆的性能产生不利影响。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种完整的传感器，它能够完全 利用半导体工艺来制造。不需要T0型罐。该方法在热堆周围产生更好
的气密密封环境。该方法降低了与传感器制造相关的人工量.该传感 器可以制造得更小并且以更低成本制造。
本发明由于认识到通过消除现有技术的TO罐并提供利用半导体制
造技术制造的封装件，可以形成更好、更低成本的传感器，其中，井
形成(通常是蚀刻形成)于基底(通常为硅)中，该基底将接合在热 堆的基底上。
不过，在其它实施例中，本发明并不需要实现所有这些目的，且 本发明的权利要求并不局限于能够实现这些目的的结构或方法。
本发明的特征是一种制造辐射传感器的方法。在一个晶片上形成 多个热堆。在另一晶片中形成多个用于热堆的封装件，各封装件包括
井，该井由窗口覆盖。因为硅是天然的IR透射材料，因此该硅晶片可 以用作窗口，且它的IR透射可以通过使用合适的防反射涂层而进一步 提高。将这些晶片在受控气体或真空环境中接合，使得各热堆处于井 中并处于封装件的窗口下面。
通常，各封装件的井通过蚀刻晶片而形成。KOH蚀刻剂可以用于产 生具有倾斜侧边的井。也可选择，深反应离子蚀刻处理(DRIE)可以 用于产生平行侧边的井.该窗口通常用作滤光器，且在一个变化形式 中是与波长相关的滤光器。在一个示例中，该窗口接合在井上。在另 一示例中，窗口与井成一体，并通过仅仅部分蚀刻至晶片中来制造。
可以将这些晶片彼此接合，然后切块以便制成各个辐射传感器。 在将包括多个热堆的晶片与包括多个封装件的晶片接合在一起之前或 之后，可以将另一晶片接合至该包括多个热堆的晶片上，
根据本发明制造辐射传感器的一个方法的特征是形成热堆，形成 用于热堆的封装件，该封装件包括形成于半导体材料中的井，该井由 窗口覆盖，然后在受控气体或真空环境中将封装件接合至热堆.
本发明的辐射传感器包括热堆；用于热堆的封装件，该封装件 包括在热堆上面的井和覆盖该井的窗口，该井形成于半导体材料中； 以及在井中的受控气体或真空。
通常，该半导体材料是硅，且该井是被蚀刻出的。该典型窗口用 作滤光器。在一种变化形式中，该辐射传感器也可以包括在热堆下面 的晶片，和/或用于热堆的封装件可以包括孔。
在一个示例中，窗口是接合至该井的单独部件。在另一示例中， 窗口与井成一体，并通过仅仅部分蚀刻该硅基底而形成。该井可以有
倾斜或直的側边。
本领域技术人员通过下面对优选实施例的说明和附图将清楚其它
特征和优点，附图中
图1是典型现有技术的红外线传感器T0罐封装件的示意三维正视
图2是表示装入图1所示的封装件内的典型热堆结构的示意剖视正 视图3A- 3C是表示一个实施例的示意局部剖视图，表示了晶片能够 怎样根据本发明来处理以便生成半导体型传感器封装件。
图4是表示一个实施例的高度示意图，表示了包含蚀刻井传感器封 装件的晶片能够怎样根据本发明接合在包含热堆的晶片上，该热堆处 于受控惰性气体或真空环境中；
图5是表示根据本发明制造的整个红外线传感器的一个示例的示 意正剖图6A - 6B是表示晶片能够怎样根据本发明另 一 实施例进行处理以 便制造具有成一体的滤光器/窗口的半导体型传感器封装件的示意局 部剖视图7是表示根据本发明制造的整个红外线传感器的另一示例的示 意正剖图8是表示根据本发明一个实施例的掩模的示意局部剖视图9是表示根据本发明制造的整个红外线传感器的另一示例的示 意正剖图；以及
图10表示了根据本发明还一 实施例的红外线传感器，
具体实施例方式
除了下面所述的优选实施例，本发明还可以有其它实施例或以不 同方式来实施。因此，应当知道，本发明并不局限于在下面的说明书 中所述或在附图中所示的部件的结构和布置方式的详细情况。当这里 只介绍一个实施例时，权利要求并不局限于该实施例。而且，权利要 求并不是限制性地理解，除非有清楚和令人信服的证据来证明特定排 除、限制或放弃。
图1表示了现有技术的红外线传感器10，该红外线传感器10包括焊接在基座14上的T0罐12。 T0罐12的盖18包括安装在其上的滤光器16， 该滤光器16处于盖18的开口上。基座14上的罐12的内部有热堆结构 20，如图2所示，热堆20的结构可以是多样的，但是它通常包括热元件 22a和22b、隔膜或膜24 (例如电介质层、p-硅层以及其它材料层)以 及硅散热器26，该硅散热器26形成冷端28a和28b，并用吸收器32形成 热端30.
本发明不需要通常用于红外线传感器和其它传感器的TO罐型封装 件.而是，在一个优选实施例中，半导体(通常为硅晶片基底40，图 3A)如在41处所示那样被掩模，然后被蚀刻(如图3B所示)以产生井 42.当使用KOH蚀刻工艺时，可以形成斜井壁42a、 42b。或者也可选择， 可以使用深反应离子蚀刻(DRIE)来产生直井壁。然后，例如利用硅 接合技术将滤光器46接合在井42上(图3C)。多种滤光器为本领域技 术人员已知，包括由硅、蓝宝石和其它材料制造的与波长相关的滤光 器以及宽带通和窄带通滤光器。
然后，包含多个这样形成的封装件的晶片50接合在晶片52上，该 晶片52被处理成包括类似数目的如图2中所示的热堆。通过在受控气体 环境54中(或者可选择在真空中)接合这两个晶片，结果是在切块后 在井42中有受控气体(图5)，且在封装件60和热堆结构20之间形成气 密密封。
在该示例中，硅用作优选的传感器封装材料，但是在半导体行业 和半导体处理技术中通常使用的其它材料也是合适的。因此，对于措 辞"半导体材料"，我们意指那些通常在半导体行业中使用的材料， 包括在制造微机电结构中使用的材料。在一种变化形式中，在这两个 晶片接合之前或之后，可以将基座64 (例如另一晶片或印刷线路板) 添加至该传感器，且可以根据需要形成相关布线、引线以及插针或其 它电连接件.基座64可以用作安装表面，且当为晶片时，它可以通过 在如上所述的受控气体环境或真空中进行接合而被密封。通常，空腔 42越深，所形成的热堆更灵敏。然后，可以利用芯片尺度封装技术将 该传感器封装在标准半导体封装件或集成在电路中。
结果是，整个传感器利用半导体工艺来制造，而不需要TO型罐， 并减少了与制造传感器相关的人工量。热堆周围的气密密封更好，从 而有更好的可靠性.而且，传感器更小，且当大规模制造时，传感器 可以以更小的成本来制造。
在另一变化形式中，半导体材料40 (图6A)如在41处所示那样被 掩模，然后如图6B中所示那样被部分蚀刻，以便产生井42'以及成一体 的窗口/滤光器46'。合适的蚀刻控制技术为本领域技术人员已知，以 便制造合适厚度的窗口 /滤光器46'。
然后，如上所述，包含多个这样形成的封装件的晶片接合在被处 理成包括类似数目的热堆(如图2中所示)的晶片上。通过在受控气体 环境中(或者可选择在真空中)接合这两个晶片，结果是在切块后在 井42'中有受控气体(图7)，且在封装件6(T和热堆结构20之间形成气 密密封。这时，封装件6(K包括成一体的窗口/滤光器46人当硅并不是 优选的滤光器材料时，可以在需要时对滤光器46'进行涂覆。
在另一实施例中，半导体材料40 (图8)如在"'处那样被掩模， 然后被蚀刻以便形成硅杯(如图所示)或孔(未示出)80 (图9)，用 于例如最终布置接触焊点(contact pad) 82。
在图10所示的还一实施例中，用于热堆20的硅基座26'是通过利用 例如K0H或DRIE技术在晶片92中蚀刻出第一蚀刻空腔90而形成。第二晶 片接合至第一晶片92，且第二晶片的大部分被蚀刻掉，以便留下薄隔 膜24'。热堆20和相关电连接件形成于隔膜层24'上.最后，例如如上 所述在图8中形成的半导体材料杯40在薄隔膜2^和热堆20上面接合至 第一层90的硅基座26'上。在隔膜24'以上述方式接合在硅基座26'上之 后，杯40接合在薄隔膜24'上，以便捕获受控气体环境或在热堆20周闺 形成真空。
尽管本发明的特定特征在一些图中表示而在另一些图中没有表 示，但是这只是为了方便，因为各特征可以根据本发明与任意或全部 其它特征组合。这里使用的词"包括"、"包含，，、"有，，和"具有" 将进行广义和广泛地解释，且并不限制任何物理相互连接。而且，在
本申请中所述的任何实施例都只是可能实施例。本领域技术人员将知 道其它实施例，且这些其它实施例也在下面的权利要求内。
这里的说明书利用示例来介绍了本发明，包括最佳方式，并使得 本领域技术人员能够制造和使用本发明。本发明的专利范围由权利要 求来确定，并可以包括本领域技术人员知道的其它示例，当这些其它 示例的结构元件与权利要求的文字语言没有区别，或者当它们包括等
效的结构元件且与权利要求的文字语言没有实质上的区别时，这些其 它示例将在权利要求的范围内，
另外，在实施本专利申请的过程中进行的任何改进都不能否认在
本申请中的任何权利要求要素本领域技术人员不能合理地预期使得 权利要求将在字面上包含所有可能等效物，很多等效物将在改进时不 可预计，并将超越对所包围的范围的解释，改进的基本原理可以并不 与然后等效物为相切关系，和/或有很多申请人不能预计的其它原因来 说明任何权利要求要素改进的非实质替代，
权利要求
1.一种制造辐射传感器的方法，该方法包括在一个晶片上形成多个热堆；在另一晶片中形成多个用于热堆的封装件，各封装件包括形成的井，该井由窗口覆盖；将这些晶片在受控气体或真空环境中接合，使得各热堆处于井中并处于封装件的窗口下面。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中各封装件的井通过蚀刻晶 片而形成。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中窗口包括与波长相关的滤 光器。
4. 一种制造辐射传感器的方法，该方法包括 形成热堆；形成用于热堆的封装件，该封装件包括形成于半导体材料中的 井，该井由窗口覆盖；以及在受控气体或真空环境中将封装件接合至热堆。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中井在硅基底中蚀刻出。
6. 根据权利要求4所述的方法，还包括将晶片接合至热堆。
7. —种辐射传感器包括热堆；用于热堆的封装件，该封装件包括在热堆上面的井和覆盖该井的 窗口，该井形成于半导体材料中；以及 在井中的受控气体或真空。
8. 根据权利要求7所述的传感器，其中该半导体材料是硅。
9. 根据权利要求7所述的传感器，其中该封装件包括用于接触 焊点的孔。
10. 根据权利要求7所述的传感器，还包括在热堆上面的晶片。
全文摘要
一种制造辐射传感器的方法，其中，在一个晶片上形成多个热堆，在另一晶片中形成多个用于热堆的封装件。各封装件包括形成的井，该井由窗口覆盖。这两个晶片在受控气体或真空环境中接合，使得各热堆处于井中并在封装件的窗口下面。
文档编号G01K7/02GK101196423SQ20071019667
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月4日 优先权日2006年12月4日
发明者P·J·斯特劳布, R·特威尼, T·J·克雷尔纳 申请人:通用电气公司