[发明专利]一种MEMS红外探测器三维封装结构及其制作方法

说明书

本发明提供一种MEMS红外探测器的三维封装技术，在硅片上设有两个垂直导电区玻璃回流槽和垂直引线，内嵌的硼硅酸盐玻璃作为引线和衬底的电绝缘层。在封装盖顶部设有亚波长结构阵列。本发明提供的三维封装结构，基于玻璃回流工艺制备的低阻硅垂直引线实现内外电学互连，硼硅酸盐玻璃与低阻硅之间有着相匹配的热膨胀系数，因而热应力较低。封装盖顶部的亚波长结构阵列用于在长波红外区域增强红外透射性能。在亚波长结构阵列的下方制备封装腔室以容纳红外探测器。此外本发明还提供了上述封装结构的制作方法。

技术领域

本发明属于封装技术领域，具体涉及一种MEMS红外探测器的封装结构及其制作方法。

背景技术

近年来，微机电系统(MEMS)红外探测器，包括热电堆、热辐射测量计，热释电探测器和谐振探测器等，由于其体积小，分辨率高，低成本和CMOS兼容工艺在军事和民用领域有着广泛的应用前景。对于MEMS红外探测器，相对落后的封装技术已经成为制约MEMS红外探测器产品进入市场的主要瓶颈之一。封装技术将直接影响MEMS红外探测器产品的性能成本尺寸等。

晶圆级三维封装技术有利于MEMS红外探测器封装的小型化，这可以使器件在封装前后具有几乎相同的尺寸。该技术通常利用硅通孔传输电信号，其在体硅中嵌入垂直金属垂直引线和SiO₂膜。TSV技术可以为MEMS红外探测器的内外电学互连提供优异的电学特性。然而，这种技术存在一些缺点，如金属传导层和硅衬底之间的热膨胀系数(TECs)不匹配，介电损耗较大，绝缘层较薄导致绝缘失效，工艺复杂，制造成本较高高等。此外，晶圆级封装技术需要在封盖和器件晶圆之间进行真空键合，以实现长期运行。常见的键合方法如Cu-Sn键合和Au-Sn键合，不仅成本高，而且容易产生大的热应力。

此外，现有的MEMS红外探测器对于不同频率的光具有吸收率不同，在特定环境需求下，容易造成画面失真。

发明内容

为解决上述技术问题中的一个或者多个，本发明提供一种MEMS红外探测器三维封装结构及其制作方法。

一方面，本申请提供一种MEMS红外探测器三维封装结构，包括硅衬底，硅衬底纵向贯串设置有二垂直导电区，二垂直导电区槽贯穿硅衬底的上下表面，各垂直导电区均包括垂直硅引线及位于垂直硅引线外周的电学隔离层，硅衬底配置用以容纳MEMS红外探测器的封装腔室，硅衬底配置位于封装腔室的透光面的亚波长结构阵列，电学隔离层材料选自硼硅酸盐玻璃，垂直硅引线材料选自低阻硅，垂直硅引线用于与封装腔室内的MEMS红外探测器电学连接。

本发明提供的MEMS红外探测器封装结构，突破了MEMS红外探测器三维封装技术难点，具有良好的电学性能和较小的热应力和良好的红外透射性能能够高成品率地制作了低成本、低损耗的三维封装，有利于封装结构的应用，避免了传统TSV封装技术中存在的缺点。

在一些实施方式中，亚波长结构阵列为方形同轴孔阵列，方形同轴孔阵列的内侧边长约为1.2μm，外侧边长约为1.5μm，周期约为2.0μm。

在一些实施方式中，本申请还包括位于硅衬底外周部的封装键合环，封装键合环的材料选自硼硅酸盐玻璃。

在一些实施方式中，垂直硅引线端部设有露出外界的金属传导层。

另一方面，本申请提供的一种MEMS红外探测器三维封装结构的制作方法，包括如下步骤：

步骤1、刻蚀低阻硅形成垂直导电区玻璃回流槽

步骤2、完成硼硅酸盐玻璃与硅衬底之间的阳极键合，

步骤3、在垂直导电区玻璃回流槽内制作电学隔离层，

步骤4、去除圆片正反面多余的玻璃和硅，露出硅柱，使得表面平坦化，形成垂直硅引线6，

步骤5、刻蚀硅与玻璃形成封装腔室，