一种红外传感器及其封装结构和制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种红外传感器及其封装结构，以及一种用于制备红外传感器及其封装结构的方法。
【背景技术】
[0002]现有技术中，在对红外传感器进行封装时，采用键合工艺，在真空环境下将整个红外传感器阵列密封在一个由陶瓷或金属壳和红外窗口构成的封装体内，如图1中所示。目前通常采用的封装技术为器件级封装和多芯片批量封装技术，然而，该等封装技术的红外透过率低，且工艺复杂、成本高昂且产能低下，并且，键合工艺需要专用的设备和工艺，其难度较大、成本较高，且与标准的集成电路加工以及集成电路封装工艺不兼容。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种红外传感器及其封装结构，以及一种用于制备红外传感器及其封装结构的方法。
[0004]根据本发明的一个方面，提供一种红外传感器及其封装结构，其中，该红外传感器及其封装结构包括:
[0005]读出电路衬底，用于米集和处理红外传感器的输出信号；
[0006]红外传感器单元，包括红外传感器阵列中的部分像素，用于将入射到红外传感器单元上的红外辐射转换为电信号并由读出电路衬底输出；
[0007]真空微腔结构，将所述红外传感器单元封装在其内部区域的真空环境中，该真空微腔结构包括具有释放通道的支撑外壳、位于所述支撑外壳上方且堵塞所述释放通道的红外增透膜、位于所述真空微腔结构内部的吸气剂薄膜。
[0008]根据本发明的另一个方面，还提供了一种焦平面阵列，其中，该焦平面阵列包括本发明所述的红外传感器及其封装结构形成的阵列。
[0009]根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于制备红外传感器及其封装结构的方法，其中，该方法包括以下步骤:
[0010]a.在读出电路衬底上生成第一层金属薄膜，作为真空微腔结构内的吸气剂薄膜以及红外传感器单元的红外反射层；
[0011]b.通过在所述第一层金属薄膜上方涂覆第一牺牲层，并在所述第一牺牲层上形成第一凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成红外传感器单元，该红外传感器单元包括红外传感器阵列中的部分像素；
[0012]c.通过在所述红外传感器单元上方涂覆第二牺牲层，并在所述第一牺牲层和所述第二牺牲层上形成第二凹槽后进行相应的薄膜沉积和去除工艺，生成内部包含所述红外传感器单元的支撑外壳以及支撑外壳上的释放通道，其中，所述第二凹槽包括位于所述红外传感器单元外的一圈连续的凹槽；
[0013]d.经由所述释放通道去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，并在真空环境下加热衬底以激活所述吸气剂薄膜，并在所述支撑外壳上方生成红外增透膜，同时堵塞释放通道，以形成封装有所述红外传感器单元的真空微腔结构。
[0014]与现有技术相比，本发明具有以下优点:1)可将红外传感器阵列的部分像素直接真空封装在读出电路衬底上，以实现红外传感器的像素级封装；并且，该像素级封装，允许对红外传感器芯片中的部分像素单独进行后续加工，从而可降低工艺成本和难度；2)支撑外壳或红外增透膜具有聚光结构，以将红外辐射聚集到微腔中心区域的结构，增强红外传感器对红外辐射的吸收效率，并增加传感器像素的有效填充系数；3)在制备红外传感器及其封装结构的过程中，不需要采用键合工艺，从而大大减少了制备成本，且使得制备红外传感器及其封装结构的工艺流程更易操作。
【附图说明】
[0015]通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
[0016]图1为现有技术中一个示例的红外传感器及其封装结构的示意图；
[0017]图2a为本发明一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；
[0018]图2b为图2a所示的红外传感器及其封装结构的俯视剖面图；
[0019]图3为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；
[0020]图4为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；
[0021]图5为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；
[0022]图6为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；
[0023]图7为本发明另一个实施例的红外传感器及其封装结构的侧视剖面图；
[0024]图8为本发明一个实施例的用于制备红外传感器及其封装结构的方法的流程示意图；
[0025]图9为用于制备图6所示的红外传感器及其封装结构的工艺流程示意图。
[0026]附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
【具体实施方式】
[0027]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0028]本发明提供了一种红外传感器及其封装结构，其中，该红外传感器及其封装结构包括:
[0029]读出电路衬底，用于米集和处理红外传感器的输出信号；
[0030]红外传感器单元，包括红外传感器阵列中的部分像素，用于将入射到红外传感器单元上的红外辐射转换为电信号并由读出电路衬底输出；
[0031]真空微腔结构，将所述红外传感器单元封装在其内部区域的真空环境中，该真空微腔结构包括具有释放通道的支撑外壳、位于所述支撑外壳上方且堵塞所述释放通道的红外增透膜、位于所述真空微腔结构内部的吸气剂薄膜。
[0032]图2至图7为本发明的红外传感器及其封装结构的示例结构的示意图，以下将分别予以说明。需要说明的是，为简单起见，将图2a和图2b统称为图2。
[0033]需要说明的是,为简单起见，图2至图7所示的示例结构中,仅示出了前述红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素的情况。但本领域技术人员应能理解，根据本发明的红外传感器及其封装结构中的红外传感器单元并非仅能包括红外传感器阵列的一个像素，事实上，所述红外传感器及其封装结构可包括红外传感器阵列的全部像素中的部分像素。例如，红外传感器及其封装结构中的红外传感器单元包括一个8X8红外传感器阵列中的2X2的像素。
[0034]图2为本发明一个实施例的红外传感器及其封装结构的示意图，其中图2a为红外传感器及其封装结构的侧视剖面图(沿图2b中B-B剖面)，图2b为该红外传感器及其封装结构的俯视剖面图(沿图2a中A-A剖面)。
[0035]如图2a和图2b所示，红外传感器及其封装结构包括读出电路衬底201、红外传感器单元、和内部封装该红外传感器单元的真空微腔结构；其中，图示200为入射的红外线的方向示意。
[0036]其中，所述读出电路衬底201为在衬底上加工了集成电路后所形成的衬底，其用于采集和处理红外传感器的输出信号，如对红外传感器输出的信号进行采集读出、校准处理等。优选地，所述衬底的材料为硅(Si);下文将该在衬底上加工得到的集成电路简称为“读出电路”。
[0037]以下对该红外传感器及其封装结构中的红外传感单元进行详细说明。
[0038]本实施例中，红外传感器单元包括红外传感器阵列的一个像素，该像素采用微桥结构，该微桥结构可进一步包括支撑柱202、电极连接柱203、绝热梁209 (请见图2b)和多层功能薄膜204。
[0039]其中，所述电极连接柱203用于作为电极将电信号传输给读出电路。
[0040]其中，所述多层功能薄膜204包括任何红外传感器单元的薄膜层所需要的薄膜；优选地，所述多层功能薄膜204包括但不限于电极接触薄膜、绝缘保护薄膜、热敏电阻薄膜、红外吸收薄膜等。其中，电极接触薄膜与热敏电阻薄膜直接接触。其中，绝缘保护薄膜位于多层功能薄膜204中的最上层和最下层，用于提供绝缘保护。其中，热敏电阻薄膜的电阻在温度变化时发生变化，读出电路可读取该电阻的变化，并将读出的信号经放大后输出，优选地，热敏电阻薄膜的电阻信号经过电极接触薄膜、绝热梁、电极连接柱之后被读出电路读取；优选地，该热敏电阻薄膜的材料包括但不限于氧化钒(VOx)、非晶硅(a-Si)等材料。其中，红外吸收薄膜通过吸收红外辐射的能量并将其传递给热敏电阻薄膜，引起热敏电阻薄膜温度的升高；优选地，红外吸收薄膜的材料包括但不限于氮化硅(SiN)、氧化硅(S1)、氮化钛(TiN)、钛(Ti)等。优选地，电极接触薄膜或绝缘保护薄膜可同时作为红外吸收薄膜。
[0041]其中，所述绝热梁209的功能包括但不限于:1)用于电极连接，将多层功能薄膜204中的电极接触薄膜连接到电极连接柱203 ；2)用于机械支撑，与支撑柱202 —起支撑多功能薄膜204，保证整个微桥结构具有一定的机械强度，以避免多功能薄膜204在冲击、振动等条件下粘附到衬底或者产生脱落、倾斜等，并保证多功能薄膜204位于吸气剂薄膜205 (同时作为红外反射层)上方一定距离处，该距离使得多功能薄膜204中的红外吸收薄膜与红外反射层构成红外吸收谐振腔，以使对入射红外辐射的吸收率更为优化；3)保证热敏电阻薄膜与读出电路衬底之间足够的热阻，该热阻保证在吸收红外辐射后热敏电阻薄膜产生足够的温升以产生输出信号。
[0042]其中，所述支撑柱202的功能包括但不限于:1)用于电极连接，将多层