一种MEMS红外探测器三维封装结构及其制作方法与流程

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。

技术实现要素：

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，

步骤6、在硅衬底顶部中央制备并刻蚀金薄膜形成亚波长结构阵列。

在一些实施方式中，步骤1还包括刻蚀低阻硅形成封装环玻璃回流槽；步骤3还包括在封装环玻璃回流槽2内制作封装键合环。

在一些实施方式中，步骤1中利用drie刻蚀工艺制作垂直导电区玻璃回流槽7和封装环玻璃回流槽，刻蚀前利用pecvd工艺生长二氧化硅薄膜制备掩膜版。

在一些实施方式中，步骤4中使用机械研磨工艺去除多余的玻璃和硅，之后使用cmp工艺使得表面平坦化；步骤5中使用icp工艺形成封装腔室。

在一些实施方式中，步骤6中使用电子束沉积法制备金薄膜；

在一些实施方式中，步骤6中使用fib工艺刻蚀金膜制作亚波长结构阵列；

在一些实施方式中，步骤1、步骤5、步骤6中采用pecvd工艺在低阻硅基片表面生长二氧化硅薄膜，形成掩膜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的制作方法的步骤1处理后的结构示意图；

图2为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的制作方法的步骤2处理中的结构示意图；

图3为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的制作方法的步骤2处理中的结构示意图；

图4为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的制作方法的步骤3、4处理中的结构示意图；

图5为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的制作方法的步骤5处理中的结构示意图；

图6为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的制作方法的步骤6处理中的结构示意图；

图7为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的结构示意图。

图8为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构中亚波长结构方形同轴孔阵列不同开口面积比的透射光谱仿真示意图。

图9为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构中亚波长结构方形同轴孔阵列的电场分布仿真示意图。

图10为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构与传统tsv结构的热应力仿真示意图。

图11为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的玻璃绝缘层厚度对馈通影响的电学仿真示意图。

图12为本发明提供的一种实施方式的一种mems红外探测器封装结构的玻璃绝缘层厚度对传输系数影响的电学仿真示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请提供一种mems红外探测器三维封装结构，包括硅衬底1，硅衬底1纵向贯串设置有二垂直导电区，各垂直导电区均包括垂直硅引线6及位于垂直硅引线6外周的电学隔离层8，硅衬底1配置用以容纳mems红外探测器的封装腔室5，硅衬底1配置位于封装腔室5的透光面的亚波长结构阵列4，电学隔离层8材料选自硼硅酸盐玻璃，垂直硅引线6材料选自低阻硅，垂直硅引线6用于与封装腔室5内的mems红外探测器电学连接。

本实施了采用硼硅酸盐玻璃作为电学绝缘层8，硼硅酸盐玻璃同时具备良好的电绝缘性，以实现快速红外响应，又能实现导电引线垂直硅引线6与硅衬底1的电学绝缘。且硼硅酸盐玻璃与硅之间的热膨胀系数匹配，嵌入衬底后产生的热应力较小，具有较高的可靠性。硼硅酸盐玻璃宜采用pyrex7740玻璃，其热伸缩率参数与硅基衬底匹配。

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。

相比于传统的tsv封装结构，将硼硅酸盐玻璃嵌入硅衬底，形成垂直硅引线结构。它可以利用垂直硅引线来传输电信号，嵌入的硼硅酸盐玻璃可以作为电学绝缘和阳极键合材料，其与低阻硅有着相匹配的热膨胀系数，因而热应力也较小。这种三维封装结构在mems红外探测器的真空封装应用中具有巨大的发展潜力。

亚波长结构阵列4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。

相比于传统的在mems红外探测器上使用抗反射涂层作为红外窗口，在封装盖上设置该参数限定的方形同轴孔阵列的亚波长结构阵列，可以使硅衬底在共振频率下与入射光有效地耦合，更有利于增强8μm到12μm波段的长波红外光的透射性能。吸收带宽相对于抗反射涂层更小。此外，通过调整方形同轴孔的几何参数可以有效地控制亚波长结构阵列的透射光谱。

本申请还包括位于硅衬底1外周部的封装键合环9，封装键合环9的材料选自硼硅酸盐玻璃。玻璃键合环9实现红外探测器的气密性封装，能够以更高的成品率制作低成本、低损耗的三维封装。

垂直硅引线6端部设有露出外界的金属传导层3。

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7，

步骤2、完成硼硅酸盐玻璃与硅衬底1之间的阳极键合，

步骤3、在垂直导电区玻璃回流槽7内制作电学隔离层8，

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5，

步骤6、在硅衬底顶部中央制备并刻蚀金薄膜形成亚波长结构阵列4。

步骤1还包括刻蚀低阻硅形成封装环玻璃回流槽2；

步骤3还包括在封装环玻璃回流槽2内制作封装键合环9，

步骤1中利用drie刻蚀工艺制作垂直导电区玻璃回流槽7和封装环玻璃回流槽2，刻蚀前利用pecvd工艺生长二氧化硅薄膜制备掩膜版。

步骤4中使用机械研磨工艺去除多余的玻璃和硅，之后使用cmp工艺使得表面平坦化；步骤5中使用icp工艺形成封装腔室5。

步骤6中使用电子束沉积法制备金薄膜；步骤6中使用fib工艺刻蚀金膜制作亚波长结构阵列4；

步骤1、步骤5、步骤6中采用pecvd工艺在低阻硅基片表面生长二氧化硅薄膜，形成掩膜10。

采用pecvd工艺在低阻硅基片表面生长sio2薄膜。光刻掩膜版10，以az6130光刻胶为掩膜，icp工艺刻蚀sio2薄膜。而后，去除光刻胶，以sio2薄膜为掩膜，利用drie工艺刻蚀低阻硅，形成垂直导电区玻璃回流槽7和封装环玻璃回流槽2。

具体的，步骤2中，硼硅酸盐玻璃与硅衬底1之间的阳极键合是在真空键合机中，通过施加1000n压力以及780v电压，加热至420℃，保持1小时，完成pyrex玻璃与硅基片之间的阳极键合。在键合前，圆片需要在真空、高温环境下停留30分钟，提高封装腔室内的真空度，在回流过程中，腔室内外较大的压强差有利于玻璃进入回流槽。

具体的，步骤3中，硼硅酸盐玻璃是通过回流工艺填入垂直引线周围，形成玻璃内嵌硅(glass-in-silicon，gis)结构，实现垂直引线与衬底间电学绝缘。由于pyrex玻璃与硅材料之间的热膨胀系数匹配，热应力较小，可以减小应力对封装成品率以及器件频率稳定性能的影响。

具体的，步骤4中，首先利用机械研磨工艺分别去除圆片正反面多余的玻璃和硅，直至露出硅柱。然后通过cmp工艺使得圆片表面平坦化，形成垂直硅引线6。

具体的，步骤5中，以az6130光刻胶为掩膜，采用icp工艺刻蚀硅与玻璃，形成封装腔室5，用于容纳mems红外探测器。

具体的，步骤6中，使用fib工艺刻蚀金膜制作亚波长结构阵列4.

本发明提供的低热应力低电学损耗的mems红外探测器三维封装结构，取代传统的tsv封装结构，选用低阻硅作为衬底，在硅衬底中制作垂直通孔，在垂直通孔内制备低阻硅制成的垂直引线，垂直引线周围通过回流工艺填入硼硅酸盐玻璃，形成玻璃内嵌硅结构，实现垂直引线与衬底间电学绝缘。两个低阻硅垂直引线用于传输红外探测器电学信号，顶部中央的亚波长结构能够增强红外透射。

通过使用comsolmultiphysicsv4.3a软件，系统地研究了所提出的三维封装结构，以优化其光学传输性能。开口面积比ρ定义为ρ＝(w2-w1)/p²，w1、w2分别为为亚波长结构方形同轴孔阵列内外侧边长，p为亚波长结构阵列(方形同轴孔)的周期。它可以影响局部表面等离子体共振的频率和强度。为了验证ρ对电传输损耗的影响，将w2和p分别设定为1.5μm和2.0μm。计算了6种不同开口面积比率从10％到22.5％的透射光谱，如图8所示。随着ρ的增加，最大透射率从47.5％增加到58.9％，透射峰值从10.9μm蓝移到8.5μm。此外，由于表面等离子体共振发生在约6.9μm，局部表面等离子体共振和表面等离子体共振之间的增强耦合导致最大传输从47.5％增加到58.9％。

如图8所示。考虑到位于长波红外区域的光学传输，适合控制ρ约20％，所对应的w2为1.2μm。该参数对应的亚波长结构阵列4为方形同轴孔阵列时候，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。图9显示了ρ为20％时其透射峰值处的电场分布。

为验证本发明提供的低热应力的mems红外探测器三维封装技术具有较低的热应力，使用ansysworkbench19.0软件对本发明提出的结构和具有tsv的传统三维封装结构在不同环境温度下的最大热应力进行热仿真，热仿真中的材料参数如表1所示。

表1

如图10所示，随着环境温度从0℃增加到200℃，本发明所提出的结构的最大热应力从0mpa增加到5.3mpa，这比传统的tsv封装结构小得多。而这较低热应力得益于硅和硼硅酸盐玻璃之间相互匹配的热膨胀系数；传统tsv封装结构的热应力较大是由硅、铜和二氧化硅之间的热膨胀系数不匹配引起的。图12中清晰地表明传统tsv封装结构的热应力远大于本发明中提出的结构。热应力较大可能会导致焊点失效，绝缘层断裂，器件性能下降等不良后果。因此，上述结果验证了本发明所提出的三维封装结构具有较低的热应力，能够确保低热应力的mems红外探测器的长期运行。

垂直硅引线的绝缘厚度d玻璃是影响馈通和传输系数的重要因素。以空气为电介质的射频信号辐射区域随着d玻璃的增加而增加，从而引起空气介电电容的增加，更多的能量会由空气介电电容在两个垂直硅引线中传输，导致馈通增加。

如图11所示，随着d玻璃从10μm增加到50μm，最大馈通从-93db增加到-82db。空气介电电容的阻抗随着信号频率的增加而降低，导致馈通的增加。

在图12中，随着频率从0增加到2ghz，传输系数从-0.032db提升到了-0.0225db。这是由于接地电容的减小导致流入地面的微小能量损失，从而通过信号频率的提升引起的接地电容的阻抗减小导致传输系数的轻微下降。上述结果表明，所提出的封装结构能够为射频mems红外探测器提供信号的高保真传输。

实施本发明，具有如下有益效果：

(1)本发明的mems红外探测器封装结构的制作工艺，制得的封装基板，刻蚀低阻硅衬底后，采用玻璃回流工艺形成硼硅酸盐玻璃绝缘层，能够实现垂直引线与硅衬底的电学隔离，低阻硅作为垂直引线能够实现器件内外的电学互连，外圈的玻璃键合环用于实现真空气密性封装。

(2)本发明提供的mems红外探测器封装结构其顶部的亚波长结构孔阵列能够增强红外透射性能并且对红外光可以实现选择性透射，通过调整方形同轴孔的几何参数可以有效地控制亚波长结构阵列的透射光谱。

(3)本发明提供的mems红外探测器封装结构中硼硅酸盐玻璃是通过回流工艺嵌入垂直引线周围，由于硼硅酸盐玻璃与硅材料之间的热膨胀系数匹配，热应力较小，可以减小应力对封装成品率以及mems红外探测器频率稳定性能的影响。此外，采用回流工艺制作的硼硅酸盐玻璃绝缘层的厚度可以达到几十微米，突破了传统tsv技术中难以淀积厚绝缘层的工艺限制。垂直引线与硅衬底间使用较厚的绝缘层，不仅具有优异的绝缘特性，还可以避免绝缘层破裂引起的器件失效，从而提高封装成品率。

(4)本发明提供的mems红外探测器封装结构有着优异的电学性能，具有较低的馈通和较低的电传输系数，能够为mems红外探测器提供高频信号的高保真传输，此外，较厚的绝缘层使得垂直引线与衬底间的接地电容较小，减小射频信号与地线间的泄露电流。

(5)本发明提供的mems红外探测器封装结构，制作工艺简单、结构紧凑、成本较低、通用性广、易于大规模生产。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。