專利名稱：紅外輻射微裝置的外殼和制備所述外殼的方法
紅外輻射微裝置的外殼和制備所述外殼的方法本申請涉及紅外輻射微裝置領(lǐng)域，例如紅外微輻射熱測量計傳感器、紅外微鏡或紅外輻射發(fā)射微裝置。本申請還涉及所述裝置(尤其在晶圓級)的封裝和制備方法?；诩稍贑MOS讀出電路上的電阻式輻射熱測量計微橋的非制冷紅外陣列檢測器已顯示出通常在波長約為8 μ m至14 μ m范圍內(nèi)工作的多種應(yīng)用中的可能性。紅外輻射的檢測原理是基于通過引起所測電阻變化的吸收的紅外輻射，使作為檢測器的微測熱輻射計陣列的溫度上升。半導(dǎo)體基底上的非制冷微輻射熱測量計陣列的性能在很大程度上取決于它們的熱絕緣。因此，為最小化懸浮結(jié)構(gòu)對所述基底的熱耦合，應(yīng)優(yōu)化輻射熱測量計設(shè)計。此外，由于圍繞所述微輻射熱測量計陣列的氣體環(huán)境增大了由于分子熱流的熱傳導(dǎo)，因此高真空封裝有利于改善整體裝置性能。在微系統(tǒng)封裝技術(shù)中公知的氣密晶圓接合可用于保護所述紅外微輻射熱測量計陣列對抗環(huán)境應(yīng)力，例如濕氣、污物、破壞性機械力和腐蝕。紅外輻射檢測微輻射熱測量計傳感器單元設(shè)置在基底上，可被蓋子蓋住，所以所述基底和所述蓋子提供供所述輻射熱測量計傳感器單元置于其中的空腔。當(dāng)適合在所述輻射熱測量計傳感器單元周圍提供真空或者壓力足夠低的氣氛時，所述蓋子必須對紅外輻射足夠透明，從而將所述微輻射熱測量計傳感器單元暴露于紅外輻射，并且傳輸紅外輻射。通常，硅用作所述蓋子的材料，以蓋住基底晶圓上的紅外微輻射熱測量計陣列。硅具有與傳感器晶圓相同的膨脹系數(shù)，能在約1 μ m至18 μ m范圍內(nèi)紅外傳輸，適合大部分半導(dǎo)體和MEMS工藝以及抗反射涂層工藝，作為真空/低壓封裝材料提供非常優(yōu)良的特性，并且具有機械牢固性以承受封裝上的空氣壓力。然而，硅蓋子材料的使用需要適當(dāng)?shù)拇胧┮詼p少紅外輻射的插入損耗。否則，由于其高折射率3. 45，高達50-60%的入射紅外輻射被所述蓋子的硅材料表面反射。為了減少硅的反射損耗，已知將微結(jié)構(gòu)化表面紋理施加于所述蓋子上。US 2004/0072384教導(dǎo)首先蝕刻柱(posts)域，形成上述表面紋理，然后通過額外的蝕刻過程形成深度為IOOym的空腔。這種方法稱為負過程(subtractive process) 0這種方法的缺點是在形成所述表面紋理后，所述空腔的蝕刻過程對結(jié)構(gòu)的幾何形狀尤其是柱的側(cè)面幾何形狀(side geometry)產(chǎn)生負面影響，如果所述柱沒有轉(zhuǎn)變成平面透鏡形狀的結(jié)構(gòu)，其直徑減少且剖面變成圓錐形。幾何尺寸和形狀的損耗導(dǎo)致入射紅外輻射的不良反射更高，從而造成更高的插入損耗。對于上述問題，首先提供所述空腔然后蝕刻所述表面紋理目前似乎還沒有解決方案。微結(jié)構(gòu)化表面紋理的制備具有挑戰(zhàn)性，并且遠遠超出了目前工藝水平，所述微結(jié)構(gòu)化表面紋理具有能減少深度超過50 μ m的預(yù)制空腔內(nèi)插入損耗的幾何規(guī)格。對此，原因是高分辨率晶圓步進機需要產(chǎn)生所述微結(jié)構(gòu)化表面紋理的細節(jié)，以減少具有有限焦深的紅外輻射的反射損耗，這使得所述高分辨率晶圓步進機在所述空腔底部的紋理化過程中使用不適當(dāng)。除了提供所述微結(jié)構(gòu)化表面紋理外，還有其他可能性以減少紅外輻射的插入損耗。例如，折射率減少的光學(xué)界面層可設(shè)置在所述硅材料上。所述界面層可以為如AIN或類金剛石碳(DLC)的單層薄膜，或者可以為如Ge-ZnS的多層薄膜。這些抗反射元件的物理特性、工藝條件和工藝集成風(fēng)險差異很大。EP 0734589 (Honeywell)教導(dǎo)除了所述蓋子材料本身外，將材料的抗反射涂層施加于所述空腔中。然而，取決于已知抗反射層的沉積過程和放氣特性，這種解決方案似乎有問題。在濺射薄膜涂層中觀察了氬氣和氫氣的放氣。除了這些不能被任何吸氣劑材料吸收的氣體逸出外，由于其320°C低沉積溫度和不良結(jié)構(gòu)特性，用于紅外應(yīng)用(^e-ZnS的最常用抗反射系統(tǒng)非常有限。此外，包含在密閉空腔中的所有層的真空兼容性是必需的。由于所述微封裝的可利用體積具有非常有限的物理緩沖能力，甚至所述空腔內(nèi)薄膜堆的微量氣體的放氣可造成壓力急劇上升到遠遠超出規(guī)定真空水平的水平。雖然在高真空環(huán)境中進行晶圓接合，但是通常通過表面放氣降低容納所述微輻射熱測量計傳感器單元的裝置空腔中的真空水平。引起的真空損失(loss of vacuum)降低了所述傳感器裝置的精度和測量質(zhì)量。為了克服這個缺點，眾所周知，在所述裝置的使用期間集成不斷地去除放氣的分子的吸氣劑活性材料。將真空損失對精度和測量質(zhì)量的影響減少到最小的另一種可能性是提供具有足夠體積的空腔，因而放氣具有更小的影響?；谏鲜霈F(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的目的是提供紅外輻射微裝置的外殼、多外殼晶圓單元以及制備所述外殼和晶圓單元的方法，其中特別是在8-12 μ m范圍內(nèi)紅外輻射的傳輸?shù)玫搅烁纳?，并且其中使向傳感器空腔中放氣的影響減少到最小。對于上述目的，在所述裝置方面的解決方案是紅外輻射微裝置的外殼，所述外殼包括基底和蓋子，其中用于容置紅外輻射檢測、發(fā)射或反射紅外微單元的空腔限定在所述基底和所述蓋子之間，所述蓋子包括抗反射表面紋理，以提高紅外輻射透過率，其中在添加過程(additive process)中在所述蓋子的基底側(cè)和/或所述基底的蓋子側(cè)形成的例如CTE 匹配的硅酮距離框架置于所述基底和所述蓋子之間。根據(jù)本發(fā)明的所述外殼可用于紅外輻射微裝置，作為例如紅外微輻射熱測量計傳感器、紅外微鏡或紅外微發(fā)射器。所述外殼包括基底和蓋子，所述基底和蓋子與其間的距離框架結(jié)合在一起，因此所述基底、所述蓋子和所述距離框架提供容置紅外微單元的空腔。優(yōu)選地，所述空腔是氣密封的，以便在其內(nèi)部提供高真空。蓋子材料本身具有優(yōu)選約為 30-50%的紅外輻射透過率。優(yōu)選地，所述蓋子材料為硅；然而，可以使用任何具有相似紅外輻射透過率的材料，例如鍺或晶體樣長石。這同樣適用于基底材料。根據(jù)本發(fā)明，所述蓋子包括提高紅外輻射通過所述蓋子材料的透過率的抗反射表面紋理。為了簡化，在下文中僅將其稱為紋理(texture)。所述紋理可置于所述蓋子上的任何適當(dāng)?shù)胤?，尤其是在所述蓋子的基底側(cè)或者所述蓋子的遠離基底一側(cè)或者兩側(cè)上。從本說明書的意義上而言，所述蓋子的基底側(cè)是當(dāng)所述蓋子和所述基底相互接合時，所述蓋子指向所述基底的那側(cè)。因此，所述蓋子的基底側(cè)是所述蓋子指向置于所述蓋子和所述基底之間的空腔的那側(cè)。所述蓋子的遠離基底一側(cè)是與所述蓋子的基底側(cè)相反的那側(cè)，即指向所述外殼的外側(cè)。所述紋理的區(qū)域是紅外輻射透過率提高的區(qū)域，也可以指定為紅外輻射窗口。通過使用所述蓋子的基底側(cè)上作為抗反射元件的紋理以提高紅外輻射透過率，所述抗反射元件的真空相容性非常優(yōu)良，并且傳輸特性和技術(shù)成熟度允許在150mm晶圓和 200mm晶圓上以高產(chǎn)率制備這些元件。所述抗反射表面紋理的結(jié)構(gòu)不會排出過程氣體如氬氣，適合紅外微裝置生產(chǎn)的完整工藝流程，并且具有高工藝溫度耐受性和化學(xué)惰性。所述紋理可具有高準確性和良好的光學(xué)性能，然而同時所述紅外微單元可以置于具有足夠體積的空腔內(nèi)，以減少排出過程氣體尤其是不可吸收的氣體(non-getterable gases)的負面影響。換句話說，可以增加所述空腔的體積，而不降低所述抗反射表面紋理的質(zhì)量，這是現(xiàn)有技術(shù)中的一個問題。添加距離框架(additive distance frame)可利用的大空腔高度有助于通過多反射抑制發(fā)虛的圖片(ghost picture)。根據(jù)本發(fā)明，所述抗反射表面紋理可提供提高長波長透過率而阻擋7 μ m以下短波長的傳輸窗口。通常，可通過隆起優(yōu)選柱或者凹陷優(yōu)選洞或者兩者而形成所述紋理。可將所述紋理蝕刻在所述蓋子材料中或所述蓋子材料外。有利地，將所述紋理設(shè)置為幾何圖案。優(yōu)選地，所述抗反射表面紋理至少設(shè)置在所述蓋子的基底側(cè)上。為了進一步提高紅外輻射透過率，所述抗反射表面紋理也可置于所述蓋子的兩側(cè)。在此情況下，所述蓋子的遠離基底一側(cè)，即所述蓋子的外側(cè)上的抗反射表面紋理可以設(shè)置在所述蓋子表面下方0至50 μ m處的空腔中。這有助于防止刮擦。優(yōu)選地，所述蓋子的基底側(cè)上的抗反射表面紋理的頂面(top surface)與所述空腔的頂面(ceiling surface)平齊。對于2 μ m至5 μ m范圍內(nèi)的短波長以及為了阻擋更長波長，可以在限定區(qū)域內(nèi)優(yōu)化所述蓋子外表面和/或內(nèi)表面上的部分所述抗反射表面紋理。在任何情況下，可以由六角形或方形圖案中的幾何學(xué)限定的柱面形成所述蓋子任一側(cè)上的抗反射表面紋理，所述六角形或方形圖案的直徑優(yōu)選為400nm至3000nm，間距優(yōu)選小于5000nm，蝕刻深度優(yōu)選為600nm至1800nm。在節(jié)距為2. 6 μ m、蝕刻深度為1. 5 μ m的六角形周期，直徑為1.57μπι的圓柱顯示優(yōu)良性能。從模擬結(jié)果可以看出，邊長為1.4μπκ 節(jié)距為2. 04 μ m以及高度為1. 35 μ m的方柱最佳。在一個實施方案中，所述紋理的幾何形狀蝕刻至少800nm的深度。根據(jù)出版物〃 Antireflection surfaces in silicon using binary optics technology " of Μ. E. Motamedi, W. H. Southwell, W. J.Gunning in Applied Optics Vol. 31,No. 22，1992,pages 4371-4376，蝕刻的柱陣列的有效折射率neff取決于基底材料~ 的折射率和所述柱子fp對總域面積ff的填充因子f = fp/ff。對于兩個入射極化組件，柱子的對稱域可以看作是具有大約如下式給出的具有相同有效折射率neff的二維(或十字形的)矩形光柵
權(quán)利要求
1.紅外輻射微裝置的外殼，其包括基底和蓋子，其中用于容置紅外輻射檢測、發(fā)射或反射紅外微單元的空腔設(shè)置在所述基底和所述蓋子之間，所述蓋子包括抗反射表面紋理，以提高紅外輻射透過率，其中在添加過程中在所述蓋子的基底側(cè)和/或所述基底的蓋子側(cè)形成的硅距離框架置于所述基底和所述蓋子之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的外殼，其中所述抗反射表面紋理至少設(shè)置在所述蓋子的基底側(cè)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的外殼，其中通過被蝕刻在所述蓋子材料中的隆起(優(yōu)選柱)或凹陷(優(yōu)選洞)而形成所述抗反射表面紋理。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的外殼，其中在遠離蓋子的基底一側(cè)上設(shè)置與所述抗反射表面紋理相對的薄膜抗反射涂層。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的外殼，其中除了與所述抗反射表面紋理相對的區(qū)域外，所述蓋子的遠離基底一側(cè)包覆有紅外阻擋層。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的外殼，其中所述蓋子的基底側(cè)的一部分構(gòu)造為包覆有吸氣劑活性金屬膜的任意紋理。
7.多外殼晶圓單元，其包括至少一個根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的外殼。
8.制備紅外輻射微裝置的外殼的方法，所述紅外輻射微裝置優(yōu)選在晶圓級，所述外殼包括蓋子和基底，所述方法包括以下步驟-以用于形成表面紋理的圖案掩蔽所述蓋子，-蝕刻所述蓋子以創(chuàng)建具有所述表面紋理的區(qū)域，所述表面紋理包括降低所述蓋子的有效折射率的隆起和/或凹陷，-在所述蓋子的基底側(cè)上或所述基底的蓋子側(cè)上提供硅距離框架，并且 -優(yōu)選在高真空中將所述基底和所述蓋子與中間的距離框架接合，這樣所述基底、所述蓋子和所述距離框架形成容置紅外輻射微裝置的空腔。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中通過下述步驟提供所述硅距離框架 -用限定所述硅距離框架的生長區(qū)域的結(jié)構(gòu)化TEOS層掩蔽所述蓋子或基底， -沉積用于所述硅距離框架的材料，并且-去除所述蓋子或基底的TEOS層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中通過下述步驟提供所述硅距離框架-將非結(jié)構(gòu)化TEOS層沉積在包括所述表面紋理的蓋子上，所述表面紋理提供有效折射率降低的區(qū)域，-將CVD硅層沉積在所述TEOS層上， -用限定所述距離框架的圖案掩蔽所述CVD硅層， -蝕刻所述CVD硅層，并且-從所述蓋子晶圓中去除所述TEOS層以暴露所述表面紋理。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中通過下述步驟提供所述硅距離框架-將非結(jié)構(gòu)化TEOS層沉積在包括所述表面紋理的蓋子上，所述表面紋理提供有效折射率降低的區(qū)域，-將硅晶圓與所述TEOS層接合， -用限定所述距離框架的圖案掩蔽所述硅晶圓，CN 102549749 A-蝕刻所述硅晶圓以創(chuàng)建來自硅材料的所述距離框架，并且 -從所述蓋子去除所述TEOS層以暴露所述表面紋理。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11任一項所述的方法，其包括其他步驟-掩蔽除了所述遠離基底一側(cè)上與所述折射率降低的區(qū)域相對的區(qū)域外的所述蓋子， -蝕刻所述遠離基底一側(cè)上的TEOS層， -蝕刻所述遠離基底一側(cè)上所述蓋子的材料以制備空腔， -用所述空腔內(nèi)的圖案掩蔽所述蓋子，-根據(jù)所述圖案蝕刻所述掩蔽的蓋子以創(chuàng)建具有表面紋理的區(qū)域，所述表面紋理包括降低所述蓋子的有效折射率的隆起和/或凹陷，以提供有效折射率降低的區(qū)域。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12任一項所述的方法，其包括其他步驟優(yōu)選地，通過氬自由蒸發(fā)過程將吸氣劑材料施加于所述蓋子或所述基底上。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13任一項所述的方法，其包括其他步驟通過金和錫電鍍在所述硅距離框架上施加密封框架金屬涂層。
15.根據(jù)權(quán)利要求8至14任一項所述的方法，其包括其他步驟 -通過熱蒸發(fā)全金屬沉積金屬粘附促進劑層，-通過熱蒸發(fā)或濺射沉積電氣電極層，-對于用于選擇性金屬沉積的選擇性沉積材料，掩蔽所述距離框架， -電鍍在下方具有任選的鎳或銅負載層和/或具有錫覆蓋層的金層或含金合金層， -利用所施加的金屬沉積掩蔽所述距離框架， -蝕刻暴露的電氣電極層以暴露所述粘附促進劑層， -用重疊和吸氣劑區(qū)域額外掩蔽金屬沉積，-蝕刻所述暴露的粘附促進劑層以暴露所述蓋子以及將粘附促進劑區(qū)域限定為吸氣劑區(qū)域。
16.根據(jù)權(quán)利要求8至15任一項所述的方法，其包括其他步驟-在所述蓋子，尤其是所述蓋子的遠離基底一側(cè)上沉積Ge-ZnS層。
17.根據(jù)權(quán)利要求8至16任一項所述的方法，其中所述基底和/或所述蓋子分別為基底晶圓和蓋子晶圓的形式。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其包括其他步驟蓋子晶圓和/或基底晶圓切割。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中切割所述蓋子晶圓以暴露電接觸墊，將所述切割的蓋子晶圓暴露于測試氣體氣氛，優(yōu)選通過檢測所述紅外微單元的熱絕緣特性而測量真空水平，識別泄露裝置，并且切割所述基底晶圓以獲得所述紅外輻射微裝置。
全文摘要
紅外輻射微裝置、所述裝置的蓋子和制備所述裝置的方法，所述裝置包括基底、蓋子和紅外輻射檢測、發(fā)射或反射紅外微單元，所述紅外微單元置于由所述基底和所述蓋子限定的空腔中，所述蓋子包括抗反射表面紋理，以提高紅外輻射透過率，其中在添加過程中在所述蓋子的基底側(cè)上和/或所述基底的蓋子側(cè)上形成的距離框架置于所述基底和所述蓋子之間。
文檔編號H01L27/146GK102549749SQ201080036733
公開日2012年7月4日 申請日期2010年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者C·羅曼, J·昆策爾, S·蒂內(nèi)斯, W·賴納特 申請人:烏利斯股份公司, 弗勞恩霍弗應(yīng)用技術(shù)研究院