用改进的减反射元件封装的红外检测器 【技术领域】
本发明涉及热成像，更具体地说，涉及用于封装红外检测器阵列的结构和方法。
背景
可以通过以非冷却辐射热测量器像素阵列或其电输出信号可以转换为可视图像的其它检测器来接收由热的物体发出的红外辐射来实现夜视和相关的应用。
半导体衬底上的非冷却辐射热测量器阵列或类似的检测器必须加以封装以保护检测器像素不受污染和退化。由于阵列的正面必须暴露在入射的辐射之下，故许多传统的集成电路封装技术并不适用。
封装盖板可以用能透射红外线的材料(例如硅)来制造，为检测器阵列提供窗口。在盖板上微切削加工出一个空腔，以便将盖板密封到支撑所述阵列的衬底上。将密封的空腔抽气，产生真空，以保护阵列像素以及它们在衬底上的电路。
红外光元件的高折射率导致很大的插入损耗。许多传统的红外检测器封装采用减反射层或涂层，以将插入损耗减少到更可接收的水平。但当光元件是在空腔中形成地窗口时，在空腔中涂敷有效的减反射元件就很困难。除了许多这类涂层所要求的高温会使性能降低外，要在凹陷的表面(例如空腔)获得均匀性也很困难。
概要
按照本发明的红外检测器在具有空腔的盖板中有一个窗口，用以使一个或多个检测器像素暴露给入射辐射。此窗口具有在所述空腔内形成的减反射元件，作为具有高度、间距和占空因数的支柱区，用来在感兴趣的波长范围内获得所需的光效应。
另一方面，本发明涉及红外光元件的制造。在空腔中形成支柱结构区的方法是：以所需图案的形式刻蚀所述各支柱并通过在整个区域范围内进行一般刻蚀来形成所述空腔。
附图
图1示出具有根据本发明的封装的红外检测器。
图2是图1的像素之一的立体图。
图3是图1的封装沿图1的3-3’线截取的断面图。
图4是进行按照本发明的检测器封装的方法的流程图。
图5是图1和图3的窗口在某波长范围内的透射率的曲线图。
详细说明
图1是按照本发明的有代表性的红外成像检测器100的仿效的部件分解图。箭头110代表由热的物体产生并发送到传统设计的红外成像光学部件120上的红外辐射。封装盖板130具有对红外波长透明的窗口区域131，用以透射红外辐射110。在许多应用中需要密封封装130和将其抽真空，以提高灵敏度和像素间隔离，并减少污染和退化。
封装盖板130内的辐射热测量器阵列140制作在具有适当的电和微加工性能的硅或类似材料的衬底上。(或者，可将阵列140装在分开的衬底141上)。各像素(例如200)通常布置成矩形矩阵的行和列，虽然也可采用单行或其它结构。在许多应用中，阵列1401工作在环境温度下，例如大约在-40℃到+100℃范围内。但也可以或者通过将所述阵列冷却或者通过使其工作在例如太空的环境下来使所述阵列工作在非常抵的温度下、例如2K到20K以下。行与列的引线142读出代表马恩每一个单个像素(如200)温度的电信号，还可以引入扫描信号以便对所述像素信号进行时分多路复用。
检测电路150处理来自检测器140的图像信号，完成对像素信号的诸如放大和多路分解等功能。单元160接收已处理的信号并向观众呈现可视图像。在其它实施例中，单元160可以由记录仪或其它装置取代，或添加记录仪或其它装置，用以存储代表一个或多个连续图像的信号，或用于信号的其它处理；所用“显示”一词广义地包括任何或所有这些功能。也可包括扫描发生器170，用以对所述像素信号进行多路复用和/或控制显示或处理单元160上的图像。系统100代表本发明的实例环境，其它环境也是可能的。
图2详细示出图1中阵列140的典型像素200。隔热平台210吸收入射辐射。电阻220具有高的电阻随温度变化的系数并且处在与平台210热接触的状态、使得其电阻指示由辐射引起的温度上升。导线230传输电压和信号。例如导线231和232向电阻提供电源和返回电流。地址线233激活像素、以便从电阻220输出代表由辐射引起的像素温度上升的信号。像素设计可以显著地不相同；本发明也可用于其它类型的红外检测器，例如高温计。典型的阵列140可具有120×160个检测器。
图3是组装到检测器阵列140上的封装盖板130的断面图。在此实例中，元件130和140是硅晶片，大约10cm平方和0.5mm厚，虽然也可采用其它合适的材料和尺寸。窗口区域131在图3中以箭头表示；硅能很好地透射长波红外线(LWIR)。空腔134的深度可各不相同，在此实例中大约为100μm。可接受的范围从接近500μm到0μm，也就是说，在某些结构中可能完全没有空腔。传统的周边密封件132以气密的方式将盖板130与衬底141结合。端口133使得可以对空腔134抽气、以便保护阵列140不受大气污染和退化，而且，更重要的是减少因空气传导造成的信号损失。密封件135维持空腔134中的真空。盖板130的上部外表面有减反射涂层或层136，以便防止入射辐射110从此处反射。涂层136的材料和厚度取决于所需的对其起作用的波长；对于长波红外，图3的实施例使用厚度大于1μm的多层薄膜。接点焊盘143将阵列140连接到图1的外部布线142。
封装盖板130的凹形内空腔表面137也有减反射元件，总的以300表示，减反射元件至少延伸到检测器阵列上方的区域，最好延伸到空腔表面137的更大的区域。元件300是从表面137的高度以下的基底330延伸的竖立支柱320的区域310。支柱320示出为直立圆柱体，在区域310中排列成行和列的矩形矩阵。支柱320的尺寸和间距(周期性)取决于窗口材料的折射率和需要检测的入射辐射110的波段。近似计算一个四分之一波长的减反射层，支柱的高度大约为h＝λ/(4n)，式中λ为所关心的波段的近似中心波长，n为区域310的有效折射率。支柱高度通常在0.2μm到4μm的范围内，对应于从3μm到60μm的波段中心。为了避免在表面137的反射，最好使n＝√nw，式中nw为固体窗口材料的折射率。由于支柱320排列成在两个正交方向上具有对称性的图案，所以n为各向异性的。区域310的减反射特性对于辐射110的所有偏振都是相同的。图案也可有其它形状，例如六角形支柱可在区域310内具有更高的封装密度。
在此实例中，支柱顶部与空腔的内表面137齐平，而其底部，基底平面，则位于所述表面之下。或者，可将支柱制作成在内表面137之下延伸的具有与支柱基本上相同的截面积的孔。“支柱”一词在此表示竖立的支柱以及凹陷的孔。支柱(或孔)的形状可以是园的、方的、或矩形的、或具有任何其它方便的横截面。也可以将支柱(或孔)制成具有非垂直的侧壁，即支柱作成沿高度有不同的截面积，例如棱锥体或园锥体，包括截头锥体以及这些形状的其它变化，其中截面积沿支柱高度(或者，等效的孔的深度)减小。虽然制造更为困难，但这种支柱可在更宽的波长范围内提供增强的减反射性能。
区域310的所需有效折射率n取决于nw以及占空因数或支柱Ap相对于总区域Af的相对面积A＝Ap/Af。在Motamedi等人的“Antireflection Surfaces in Silicon Using Binary OpticsTechnology”(Applied Optics，Vol.31，No.2，1 August 1992)中推导出有效折射率的近似关系为：
n=([1-A+Anw2][A+(1-A)nw2]+nw22[A+(1-A)nw2])1/2]]>
对于直径为d，中心到中心的间距为s的园柱体，A＝(π/4)(d/s)2。其它形状的相对面积很容易计算。对于硅，占空因数大约为20％到60％，在此实例中为40％。支柱间距或周期性应小于所需波段中的任何波长，以避免衍射和散射；对于矩形阵列，这也是邻近行与列的间距。最小间距由工艺限制决定，而不是由光学考虑决定。对于硅盖板130和工作在大约6-12μm波段的检测器140，侧边为1.5μm的方形支柱可以间隔2.3μm。
图4示出形成图1和图3的封装盖板130的方法400。在方框410，将具有区域310图案的掩模放在平晶片的表面上。在所述实例中，晶片由硅制成，厚度为0.5mm。将所述图案对齐以便在窗口132的所需区域产生具有支柱320的形状或横截面的光致抗蚀剂的区域。
在方框420用刻蚀法形成支柱区。“刻蚀”一词在此广义地指材料去除。通常最好用反应离子刻蚀(RIE)，因为离子可以形成小截面但比较高的结构。在此实例中，支柱约为0.7μm深(9μm波长时的λ/4n)，间距约为2.3μm。一般，间距/高度比在2到20的范围内，采用越小的比例越好。
在方框430将具有整个空腔134形状的掩模加在在方框420已刻蚀的晶片表面上。该掩模只在盖板130的周边区域具有光致抗蚀剂，例如图1中设置密封件132的区域。掩模的目的是限定空腔137的边界。
在方框440，刻蚀空腔137的整个区域，包括含有支柱320的区域310。典型的空腔深度大约为100μm。同理，RIE工艺可以形成空腔而不会严重损坏支柱的形状。由于支柱顶部和所述区域的基底表面基本上同等刻蚀，所以其效果是支柱320的区域310沉入空腔，而不是在已形成的空腔底部来刻蚀区域310。其优点是在没有空腔的平面上更容易形成精细的特征。在此刻蚀操作之后，支柱320的顶部大致与空腔134的底部表面137齐平。
在方框450，将减反射涂层136加到封装盖板130的另一(上)表面。在本实施例所预期的应用中，涂层136可以是1μm厚的Y2O3层，或是多层涂层。或者，减反射元件136也可以是和区域310同样种类的另一支柱区，以同样方法形成，但却形成在盖板130的上表面上，在窗口131区域内。此时，在方框450，在盖板130的上表面重复进行操作410和420。
在方框460，将封装盖板130密封到图1的衬底141上。焊料，铟或铟-铅可用作气密封接。在方框470，从空腔134中抽除大气，真空淀积的插销135密封住端口133。通常空腔中的残余压力小于1mTorr就足以防止信号损失并保护检测器阵列140。
可以同时制造许多阵列并将其密封在一起。于是晶片包含多个图案，而衬底包含相应数量的检测器阵列。这些均可以密封在一起并作为单个单元排气。在方框480，将晶片切割成各包含一个阵列的单个封装。这样就可减少处理的工作量并降低成本。
图5是曲线图500，示出在近红外的6μm-12μm波段上的相对的归一化的透射率。曲线510示出按照本发明构成的窗口_的透射率。曲线520示出同样的窗口，但在空腔134的内表面上没有减反射涂层。没有内减反射元件时，该窗口用本发明只能获得大约65％的透射率。支柱结构在所关心的波长内引起的响应变化小于5％。
结论
本发明提出一种具有空腔结构的红外光学装置。具有支柱图案的减反射结构显著提高了装置的透射率。在形成空腔本身之前形成支柱区。