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KR20200099148A - 적외선 장치 - Google Patents

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KR20200099148A
KR20200099148A KR1020207018059A KR20207018059A KR20200099148A KR 20200099148 A KR20200099148 A KR 20200099148A KR 1020207018059 A KR1020207018059 A KR 1020207018059A KR 20207018059 A KR20207018059 A KR 20207018059A KR 20200099148 A KR20200099148 A KR 20200099148A
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infrared device
infrared
layer
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KR1020207018059A
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플로린 우드리아
시에드 지샨 알리
리차드 헨리 호퍼
라이너 미닉스호퍼
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에이엠에스 센서스 유케이 리미티드
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Abstract

우리는 제1캐비티를 포함하는 제1기판; 상기 제1기판 상에 배치된 유전체 층; 상기 유전체 층 및 상기 제1기판의 반대면 상에 배치되며 제2캐비티를 갖는 제2기판을 포함하는 적외선(IR) 장치를 개시한다. 상기 장치는 상기 제1 및 제2기판 중 어느 하나에 부착된 광 투과성 층; 상기 IR 장치가 실질적으로 닫히도록 상기 제1 및 제2기판 중 다른 하나에 제공된 추가층을 더 포함한다. 상기 제1캐비티 내의 압력이 상기 제2캐비티 내의 압력과 실질적으로 동일한 레벨이 되도록 개구들이 상기 유전체 층을 통해 제공된다.

Description

적외선 장치
본 발명은 적외선(IR) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 미세-가공 IR 장치에 관한 것이다.
적외선 장치는 적외선 방출기 또는 적외선 검출기일 수 있다. 미세-가공 IR 방출기 및 검출기는 비용이 저렴하고 크기가 작다는 장점을 가지고 있다. 그러나, 패키징은 종종 장치의 크기와 비용을 크게 증가시킬 수 있으므로 이러한 장점을 부분적으로 감퇴시킬 수 있다. 특히 필터, 윈도우 또는 렌즈를 사용하면 비용이 크게 증가할 수 있다. 또한, 열적 IR 방출기 또는 검출기의 경우, IR 방출기의 전력 소비를 크게 감소시키고 IR 검출기의 감도를 증가시키기 위해, 장치를 진공 상태 또는 낮은 열전도율을 갖는 기체에서 패키징하는 것이 일반적으로 유리하다. 그러나, 패키지 레벨에서의 진공 패키징 또는 가스 밀봉은 매우 비쌀 수 있으며 일부 패키징 기술에서는 불가능하다.
열적 적외선 방출기 및 적외선 검출기는 문헌 및 미세-가공 공정을 이용하여 제조된 소형화 버전에서 잘 알려져 있다. 열적 적외선 방출기는 일반적으로 얇은 막 내에 매립되고 실리콘 기판 상에 지지되는 저항성 마이크로 히터를 포함한다. 전류가 히터를 통과하면 (700 °C 이상일 수 있는) 고온까지 가열되고, 이러한 고온에서, 장치는 적외선을 방출한다.
적외선 방출기에 대한 다수의 설계가 보고되고 있다.
예를 들어, Parameswaran et. al. "Micro-machined thermal emitter from a commercial CMOS process," IEEE EDL 1991는 CMOS 기술로 만든, IR 응용을 위한, 히터를 정지시켜 전력 소비를 감소시키기 위해 에칭된 전면을 갖는 폴리실리콘 히터를 보고한다. 유사하게, US5285131 by Muller et al.; US2008/0272389 by Rogne et. Al; and San et. al. "A silicon micromachined infrared emitter based on SOI wafer" (Proc of SPIE 2007) 또한 폴리실리콘 히터를 이용한 유사한 장치를 개시한다. Yuasa et. al "Single Crystal Silicon Micromachined Pulsed Infrared Light Source" Transducers 1997은 현탁된(suspended) 붕소가 도핑된 단결정 실리콘 히터를 이용한 적외선 방출기를 개시한다. Watanabe, in EP2056337는 IR 광원으로 이용되는 현탁된 실리콘 필라멘트를 개시한다. Cole et. al. "Monolithic Two-Dimensional Arrays of Micromachined Microstructures for Infrared Applications" (proc of IEEE 1998)는 CMOS 처리 장치의 상단에 있는 IR 광원을 개시한다.
또한, 백금 히터에 기초한 설계가 기술되어 있다. 예를 들어, Hildenbrand et. al. "Micromachined Mid-Infrared Emitter for Fast Transient Temperature Operation for Optical Gas Sensing Systems", IEEE Sensor 2008 Conference는 IR 응용을 위한 부유 막(suspended membrane) 상의 백금 히터를 보고한다. 유사하게, Ji et. Al. "A MEMS IR Thermal Source For NDIR Gas Sensors" (IEEE 2006) and Barritault et. al "Mid-IR source based on a free-standing microhotplate for autonomous CO2 sensing in indoor applications" (Sensors & Actuators A 2011), Weber et. al. "Improved design for fast modulating IR sources", Spannhake et. Al. "High-temperature MEMS Heater Platforms: Long-term Performance of Metal and Semiconductor Heater Materials" (Sensors 2006)는 또한 다른 방출기들 뿐만 아니라 백금 기반을 기술한다. 몇몇 다른 IR 방출기 설계가 US6297511 by Syllaios et. al., US5500569, US5644676, US5827438 by Bloomberg et. al, and WO 02/080620 A1 by Pollien et. al.에 의해 개시된다.
실리콘 기판 상의 열적 IR 검출기는 기판의 일부를 에칭함으로써 형성된 (전기적 절연층으로 이루어진) 박막층을 포함한다. 입사된 IR 방사선으로 인한 가열은 막의 온도를 증가시킨다. 이 온도는 서모파일(thermopile), 저항기 또는 다이오드를 이용하여 측정될 수 있다.
예를 들어 Schneeberger et.al "Optimized CMOS Infrared Detector Microsystems," Proc IEEE Tencon 1995는 서모파일을 기반으로 한 CMOS IR 검출기의 제작을 보고한다. 서모파일은 직렬로 연결된 여러 열전대(thermocouples)로 구성된다. KOH(potassium hydroxide)는 막을 에칭하고 열적 고립을 향상시키는 데 사용된다. 각각의 열전대는 전기적으로 연결되고 한쪽 단부에 (핫 접점(hot junction)이라고 하는) 열적 접점을 형성하는 2개의 서로 다른 물질의 스트립을 포함하고, 물질의 다른 쪽 단부는 다른 열전대에 전기적으로 연결되어 열적 냉 접점을 형성한다. 열전대의 핫 접점은 막 상에 있고 냉 접점은 막 외부에 존재한다. 상이한 물질 조성을 갖는 3 가지 상이한 열전대의 설계가 논문에 제시된다: 알루미늄 및 p-도핑된 폴리실리콘, 알루미늄 및 n-도핑된 폴리실리콘, 또는 p-도핑된 폴리실리콘 및 n-도핑된 폴리실리콘. 입사된 IR 방사선의 흡수로 인한 가열은 막의 온도를 약간 증가시킨다. 씨벡(Seebeck) 효과는 각 열전대에 걸쳐 약간의 전압 차이를 일으켜서, 각 열전대에 걸친 전압의 합인 서모파일의 전압 차이를 훨씬 더 크게 증가시킨다.
몇몇 다른 서모파일 장치가 Graf et. al. "Review of micromachined thermopiles for infrared detection" Meas.Sci.Technol. 2007에 기술된다.
IR방사선을 검출하는 또 다른 방법은 열다이오드를 사용하는 것이다. 예를 들어 Kim "A new uncooled thermal infrared detector using silicon diode," S&A A 89, 2001는 IR 검출기로 사용하기 위해 미세 가공으로 제작된 다이오드를 기술하고 있다. 그러나, 돔형 질화실리콘 윈도우는 깨지기 쉽고, 불규칙한 형태는 장치의 방출 프로파일에 영향을 줄 수 있다.
그러나 이 모든 패키징은 금속, 세라믹, 또는 플라스틱 패키징을 사용한다. 이들은 다음과 같이 TO 패키지가 될 수 있다: San et. Al. "A silicon micromachined infrared emitter based on silicon on insulator (SOI) wafer," SPIE Digital Library 2008; Hildenbrand et. Al. "Micromachined Mid-Infrared Emitter for Fast Transient Temperature Operation for Optical Gas Sensing Systems" Proceedings of IEEE Sensors Conference 2008; Ji et. Al. "A MEMS IR Thermal Source for NDIR Gas Sensors" (IEEE 2006).
상업용 IR 제품에는 여러 SMD(surface mount device) 패키지도 있다.
그러나 칩 또는 웨이퍼 레벨 패키지 센서에 대한 보고는 거의 없다.
US5285131은 실리콘 기판 위에 매달리며 돔형 질화실리콘 윈도우로 진공 밀봉된 폴리실리콘 필라멘트로 구성된 IR 방출기를 기술한다. 그러나 필라멘트는 오직 2면에만 지지되므로 상대적으로 깨지기 쉽다. 또한, 필라멘트이기 때문에 가열 영역이 매우 작으므로 적은 양의 IR 방사선이 생성된다. 마지막으로, 돔형 질화실리콘 윈도우는 특히 구부러지지 않도록 제조하기가 쉽지 않다.
US20050081905는 칩 레벨에서 상부 및 하부를 밀봉함으로써 캡슐화된 서모파일 IR 검출기를 기술하고 있다. 그러나, 패키지의 캐비티는 진공 또는 열전도율이 낮은 가스가 아니므로 센서의 성능이 향상되지 않는다. 이 패키지는 간단하고 저렴한 패키지 장치를 제공한다.
US7741625는 진공 상태에서 칩 레벨로 패키지된 IR 방출기를 개시하고 있다. 그러나, 이 장치는 전력 소비를 크게 증가시키는 실리콘 막을 사용한다. 이 장치에는 작은 누출로 인해 시간이 지남에 따라 압력이 서서히 증가할 수 있는 캐비티의 진공을 유지하는 방법이 없다. 또한 일반적으로 높은 저항을 가진 반도체 기판을 통해 방출기에 전기 연결을 제공하는 데 의존하므로, 고전압 요구 사항 및/또는 더 높은 전력 소비량을 야기한다.
US6036872 및 CN102583220은 일반적으로 웨이퍼 레벨 및 진공 패키징과 관련이 있다.
본 발명은 집적된 필터/렌즈를 갖는 웨이퍼 레벨 패키징 및 패키징 공정 동안 형성되며 게터 물질의 사용에 의해 유지되는 진공 캐비티를 사용함으로써 상술한 문제를 해결하기 위해 제안된다.
최근의 IR 방출기 및 검출기는 (i)IR 장치를 포함하는 웨이퍼의 제조 (ii)다이싱(dicing) (iii)개별 다이 패키징 및 필터, 캡, 렌즈의 추가를 포함하는 전통적인 패키징 방법을 기반으로 한다. 본 발명에서, 우리는 별개의 패키징없이 IR 장치를 구축하는 다른 방법을 제안한다. 본 발명에 따르면, IR 장치는 웨이퍼 레벨에서 패키징될 것이고, 웨이퍼 레벨에 내장된 필터/캡/렌즈를 잠재적으로 가질 것이며, 열 손실을 감소시키고 효율을 증가시키기 위해 진공 상태 또는 낮은 열전도성 가스 내에서 완전히 밀봉될 것이다. 또한 관통 실리콘 비아라고 알려진 관통-반도체 비아(TSV)는 IR 장치를 판독 구동 및 처리와 같은 회로들에 연결하기 위해 제공될 것이다.
순서는 (i)IR 장치를 포함하는 웨이퍼의 제조 (ii)개별 IR 장치를 밀봉하기 위해 웨이퍼 레벨에 필터/캡/렌즈를 포함하는, 상부 및 하부 구조체의 추가 (iii)IR 장치를 연결하기 위해 하부 또는 상부 구조체 상에 TSV를 형성 (iv)솔더 범프 및/또는 3D 상호연결의 추가 (v)각각의 장치의 개별화일 수 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 제1캐비티를 포함하는 제1기판; 상기 제1기판 상에 배치된 유전체 층; 상기 유전체 층 및 상기 제1기판의 반대면 상에 배치되며 제2캐비티를 갖는 제2기판; 상기 제1 및 제2기판 중 어느 하나에 부착된 광 투과성 층; 상기 IR 장치가 실질적으로 닫히도록 상기 제1 및 제2기판 중 다른 하나에 제공된 추가층; 상기 제1캐비티 내의 압력이 상기 제2캐비티 내의 압력과 실질적으로 동일한 레벨이 되도록 개구들이 상기 유전체 층을 통해 제공되는, 적외선 장치가 제공된다. 여기서 상기 추가층 또는 부가적인 층은 상기 적외선 장치를 완전히 밀봉하기 위해 제공된다. 상기 기판은 반도체 기판일 수 있다. 유전체 층의 상부 또는 하부에 오직 하나의 기판 및 하나의 캐비티만을 사용함으로써 적외선 장치를 패키징하는 것이 또한 가능할 수 있다. 이러한 시나리오에서, 장치는 완전히 밀봉되지만, 유전체 층이 홀을 가지지 않을 것이다.
상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티는 실질적으로 동일한 압력 레벨인 진공을 가질 수 있다.
상기 진공을 유지하기 위해 상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티 중 하나 내에 배치된 게터 물질을 더 포함할 수 있다.
다른 예로서, 상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티는 공기보다 낮은 열 전도도를 갖는 가스로 채워질 수 있다.
상기 장치는, 내장된 필터, 캡, 렌즈 중 어느 하나는 갖는 웨이퍼 또는 칩 레벨에서 패키징될 수 있다.
상기 적외선 장치를 판독, 처리 또는 구동 회로와 같은 다른 회로에 연결하기 위해 상기 제1 기판 및 제2기판 중 적어도 하나 내에 배치된 관통-반도체 비아(TSVs)를 더 포함할 수 있다. 상기 관통-반도체 비아에 결합된 적어도 하나의 솔더 범프 또는 볼 본드 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. TSV는 일반적으로 상호 연결 길이의 복잡성을 줄이고 와이어 사용을 피하도록 한다. 일반적으로, TSV는 또한 커패시턴스를 낮추고 인덕턴스를 낮추며, 고속 통신, 더 많은 상호 연결 및 회로 간 낮은 전력 레벨 통신 링크가 가능하도록 한다. 여기서, TSV를 사용하는 경우, 2개의 캐비티의 밀봉을 손상시키기 않으면서 IR 장치와 접촉하기에 이상적이다. 솔더 범프 또는 솔더 볼 또는 스터드(stud) 범프 또는 볼 본드와 함께 사용되는 TSV는 장치를 다른 회로 및 시스템에 연결하는 간단한 방법을 제공한다.
상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티의 벽들은 상기 장치에서 적외선 방사선의 방출 또는 흡수를 증대시키기 위한 반사 물질을 포함한다.
상기 장치는 상기 유전체 층의 바로 아래 및 상기 추가층 상에 배치된 반사 물질을 더 포함할 수 있다. 반사 물질은 IR 장치에서 방출 또는 흡수를 향상시킨다. 반사층은 매우 높은 작동 온도 또는 높은 어닐링 온도 하에서 IR을 흡수할 수 있으며 이 또한 유리할 수 있다.
상기 제1 및 제2기판 중 적어도 하나는 반사 물질을 각각 갖는 경사진 측벽들을 포함할 수 있다. 형상화된 측벽들은 방출기 및 검출기 각각에 대해 IR 광의 방출 또는 흡수를 증가시키기 위해 반사기 역할과 동일한 역할을 제공할 수 있다. 반사기는 특정 응용 분야에서 유리할 수 있는 광의 수집 및 포커싱을 증가시킬 수 있다.
상기 추가층은 얕은 제1캐비티를 제공하는 상기 제1기판의 연속층일 수 있다. 이러한 예에서, 별도의 추가층은 없지만 상기 기판은 2개의 측벽 부분을 연결하는 기판의 바닥 부분이 존재하도록 전면 에칭된다.
상기 추가층은 상기 제1캐비티의 폭과 비교하여 유사한 폭을 가질 수 있다. 이는 볼 본드 사이에 더 낮은 기판/캡을 사용함으로써 달성된다. 이는 시스템의 높이를 감소시키고 TSV의 에칭을 더 작고 상대적으로 덜 깊게 만드는 이점을 갖는다.
상기 적외선 장치는 적외선 방출기 및 적외선 검출기 중 어느 하나일 수 있다.
상기 적외선 장치는 열적으로 미세-가공된 적외선 장치일 수 있다.
상기 적외선 장치는 주문형 집적 회로(ASIC; application specific integrated circuit) 상에 (직접) 연결될 수 있다. ASIC는 구동 회로, 판독 및 증폭 회로, 메모리 또는 처리 셀, 상태-머신 또는 마이크로-컨트롤러 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1기판은 상기 제2기판보다 더 큰 폭을 가지며, 상기 유전체 층은 상기 제1기판의 전체 폭에 걸쳐 연장될 수 있다.
상기 장치는 제2기판 외부의 유전체 층 상에 배치된 적어도 하나의 본드 패드를 더 포함할 수 있다.
상기 본드 패드와 연결된 와이어를 더 포함할 수 있다. 상기 와이어는 다른 다이 또는 회로에 연결되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기의 적외선 장치를 제조하는 방법이 제공되며, 상기 방법은,
적외선 장치를 포함하는 웨이퍼 및 장치를 제조하는 단계;
투과성 층, 필터/캡/렌즈/게터 층들을 각각 포함하는 상기 적외선 장치의 하부 및 상부에, 2개의 캐비티들을 갖는 상부 및 하부 기판을 형성하는 단계;
본딩, 접착층, 접착제를 이용하여, 진공 상태 또는 낮은 열전도도를 갖는 가스 내에서 상기 캐비티들을 밀봉하는 단계;
상기 적외선 장치를 연결하기 위해 상기 하부 또는 상부 기판 상에 관통 반도체 비아를 형성하는 단계;
솔더 범프 및/또는 3D 상호 연결을 형성하는 단계; 및
각각의 적외선 장치를 개별화하는 단계를 포함한다.
최신 IR 장치와 비교하여, 상기 적외선 장치는 다음과 같은 이점이 가질 것이다.
(i) 패키징이 웨이퍼 레벨에서 이루어지기 때문에, 저렴한 패키징 비용
(ii) 웨이퍼 레벨에서 수행되므로 다이 부착 불필요
(iii) 이러한 웨이퍼 레벨 패키징은 솔더 볼(solder ball)이 부착된 매우 작은 소형 장치를 구현하여, 드라이버, 판독 및 처리 아날로그 또는 디지털 회로를 포함할 수 있는 전용 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 상에 또는 PCB(Printed Circuits Boards)의 바로 위에 장착될 수 있도록 한, 더 작은 폼 팩터(form factor)
(iv) 구성요소 비용이 장치 다이가 아닌 패키징 비용에 의해 결정되기 때문에, 훨씬 저렴한 비용
(v) 더 나은 성능. 진공 상태에서의 패키징은 방출기 및 검출기 모두에 대해 성능의 2가지 향상 요인으로 이어질 수 있다.
본 발명의 몇몇 바람직한 실시예들에 대하여 첨부된 도면들을 참조로, 단 오직 예시적인 방법으로써 기술한 것이다.
도 1은 게터(getter) 물질을 사용함으로써 진공 상태에서 칩 레벨에서 패키징된 미세-가공 열 적외선 방출기를 나타낸다.
도 2는 본드 패드가 외부에 연결될 수 있도록 적외선 방출기 다이(die)가 상부 기판보다 더 큰, 칩 레벨 패키지 내의 예시적인 미세-가공 열 적외선 방출기를 나타낸다.
도 3은 윈도우, 필터 또는 렌즈가 바닥에 있고, 장치가 플립 칩(flip chip) 방식에 의해 PCB에 장착될 수 있는 칩 레벨 진공 패키지 내의 예시적인 미세-가공 열 적외선 방출기를 나타낸다.
도 4는 IR 방사선의 방향을 개선하기 위해 상부 기판의 벽에 반사 코팅을 한 예시적인 미세-가공 열 적외선 방출기를 나타낸다.
도 5는 칩 레벨의 웨이퍼에 솔더 범프가 추가된 예시적인 적외선 방출기를 나타낸다.
도 6은 반사층을 갖는 예시적인 IR 방출기를 나타낸다.
도 7은 전면 에칭을 사용하여 형성된 예시적인 구조를 나타낸다.
도 8은 TSV 및 솔더 범프를 가지며 전면 에칭에 의해 형성된 예시적인 IR 방출기를 나타낸다.
도 9는 전면 에칭 및 캐비티의 바닥에 배치된 반사 금속을 갖는 예시적인 IR 방출기를 나타낸다.
도 10은 IR 방사선의 방향을 개선하기 위해 상부 기판의 벽에 반사 코팅을 갖는 예시적인 미세-가공된 열 적외선 방출기를 나타내며, 여기서 상부 기판은 KOH(Potassium Hydroxide) 에칭에 의해 형성된 경사진 측면을 갖는다.
도 11은 칩 레벨 진공 패키지 내의 미세-가공된 서모파일(thermopile) 기반의 IR 검출기를 나타낸다.
도 12는 TSV(Through-Semiconductor-Vias)의 상세도를 나타낸다.
도 13은 볼 본드 사이에 하부 기판/캡을 사용하는 가능성을 도시한 장치의 예시적인 실시예를 나타낸다.
도 14는 효율을 향상시키기 위해 방출기/검출기의 막이 부분적으로만 밀봉된 본 발명의 변형을 나타낸다.
도 15는 효율을 향상시키기 위해 방출기/검출기의 막이 부분적으로만 밀봉된 본 발명의 예시적인 변형을 나타낸다.
도 16은 솔더 볼(solder balls)이 ASIC 또는 인쇄 회로 기판에 부착된 칩 레벨 진공 패키지 내의 미세-가공된 서모파일 기반의 IR 검출기를 나타낸다.
도 17a는 진공 유/무에 따른 IR 방출기 전력 소비를 나타내는 그래프이다.
도 17b는 진공 유/무에 따른 시뮬레이션된 IR 검출기 신호를 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명에 따른 IR 장치의 제조 단계를 개략적으로 도시한 예시적인 흐름도를 나타낸다.
일반적으로, 본 발명은 웨이퍼 레벨 또는 칩 레벨 어셈블리를 사용하는 밀봉된 칩 레벨 패키지 내의 열 적외선 장치에 관한 것이다. 이 장치는 캐비티를 특징으로 하는 제1반도체 기판, 유전체 층 위의 제2반도체 기판, 제1 또는 제2반도체 물질에 연결된 광 투과성 물질, 및 상기 장치를 밀봉하기 위해 상기 제1 또는 제2반도체 물질에 연결되는 추가 기판에 의해 지지되어 있는, 얇은 유전체 막 내에 배치된 열 적외선 방출기 또는 검출기를 포함한다. 적외선 방출기 및 검출기는 관통-반도체 또는 관통-실리콘 비아(TSVs)라고도 알려진 관통 웨이퍼 비아를 갖는 구동, 판독 또는 처리 회로와 같은 외부 회로에 연결된다. 이러한 회로는 아날로그 및 디지털 블록을 모두 포함할 수 있는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 내에 집적될 수 있다. 폼 팩터(form factor)를 최소화하기 위해, IR 장치 및 ASIC 사이에 솔더 볼 또는 솔더 범프가 사용될 수 있으며, IR 장치는 ASIC 상부에 배치될 수 있다. 선택적으로, 회로는 적외선 방출기 또는 검출기 구조와 동일한 실리콘 기판 내에 모놀로식으로(monolithically) 집적될 수 있으며, TSV 연결은 이러한 회로들을 보드에 연결하는 데 사용될 수 있다. ASIC는 적외선 방출기 또는 검출기의 구동 및 판독 회로, 방출기 및 검출기 각각에 대한 아날로그 프론트엔드 및 아날로그 또는 디지털 처리 및 출력 스테이지를 포함할 수 있다. ASIC는 또한 상태 머신, 마이크로 컨트롤러 또는 마이크로 프로세서 및 메모리 셀을 포함할 수 있다.
본 장치의 일부 예들이 첨부된 도면에 제공되어 있다.
도 1은 예시적인 칩 레벨 패키징된 적외선 방출기를 나타낸다. 적외선 방출기는 캐비티를 갖는 제1반도체 기판(1)에 의해 지지되는 유전체 층(3)을 포함한다. 패시베이션(4)이 유전체 층(3) 상에 배치될 수 있다. 히터(2)는 유전체 막(3) 내에 매립되며, 고온으로 전력이 공급될 때 적외선을 방출한다. 캐비티를 갖는 제2반도체 기판(40)은 유전체 층(3) 상부에 부착되며, 광 투과성 층(45)이 제2반도체 기판(40)에 부착된다. 유전체 층(3)은 유전체 막 영역(33)을 갖는 것으로 이해될 수 있다. 유전체 막 영역(33)은 제1 및 제2기판(1, 40)의 캐비티에 바로 인접하게 위치된다. 유전체 막 영역(33)은 기판(1, 40)의 캐비티 영역의 위 또는 아래 영역에 대응될 수 있다. 유전체 막(33)은 압력 평형화를 위해, 2개의 반도체 기판의 캐비티들을 연결하는 하나 이상의 홀(20)을 갖는다. 캐비티를 완전히 밀봉하기 위해 추가층(70)이 제1반도체 기판(1)에 부착된다. 게터 물질(50)은 2개의 캐비티 내에서 진공을 유지시킨다. 게터 물질(50)은 일반적으로 진공에 배치된 반응성 물질이다. 관통 반도체 비아(TSVs)(60) (또한, 관통 실리콘 비아 또는 관통 웨이퍼 비아라고 알려짐)는 패키지의 베이스로부터 히터로 전기적 연결이 가능하도록 한다.
장치에 온도 센서(미도시)가 존재하는 경우, 추가적 연결이 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 유전체 층(3), 유전체 막 영역(33) 및 패시베이션(4)은 이산화규소, 질화규소 및/또는 산화알루미늄을 포함할 수 있다. 히터(3)는 알루미늄, 폴리실리콘, 결정질(crystalline) 실리콘, 텅스텐, 구리 또는 티타늄과 같은 CMOS 물질, 또는 백금 또는 금과 같은 비-CMOS 물질로 이루어진 저항성 히터일 수 있다. 다른 실시예로서, 히터는 또한 MOSFET 히터일 수 있다.
일 실시예에서, 막 영역(33)은 캐비티가 벌크 에칭 또는 표면 에칭에 의해 형성될 때 형성되고, 막 영역은 캐비티 바로 위 또는 아래에 있는 유전체 영역에 대응된다. 벌크 에칭은 DRIE(Deep Reactive Ion Etching) 또는 TMAH 또는 KOH를 이용한 습식 에칭에 의해 이루어질 수 있다. 표면 에칭은 화학적 에칭을 이용하여 이루어질 수 있다. DRIE는 직선 반도체 벽 또는 최소 면적 소비의 이점이 있다. 표면 에칭은 화학적 에셔(etcher)가 기판에서 방출되는 표면 홀이 요구된다. 이러한 막들은 이 기술을 사용하는 경우 약간 더 깨지기 쉽지만, 더 낮은 전력 소비를 제공한다. 표면 에칭층(70)의 경우에는 필요하지 않을 수 있다.
일 실시예에서, 유전체 막(33) 및 유전체 층(3)은 또한 막의 온도 균일성 또는 방사율/흡수도를 향상시키기 위해 그 위에 금속 플레이트 또는 플라즈몬 층을 가질 수 있다.
유전체 막(33) 및/또는 히터(2)는 직사각형, 모서리에서의 응력을 최소화하기 위해 둥근 모서리를 갖는 직사각형, 또는 원형일 수 있다.
광 투과성 층(45)은 넓은 통과 대역을 갖는 적외선 윈도우, 좁은 통과 대역을 갖는 적외선 필터, 또는 적외선 렌즈일 수 있다. 예를 들어, 4.26 μm의 파장을 중심으로 한 협대역 필터는 CO2 가스 검출 분야에 유용할 수 있다. 약 8-14μm의 광대역 윈도우는 인간 존재 감지에 유용할 수 있다.
도 2는 예시적인 칩-레벨 패키징된 적외선 방출기를 나타낸다. 도 2의 방출기의 많은 특징은 제1반도체 기판(1)과 유전체 층(3)dl 제2반도체 기판(40)보다 훨씬 크다는 것을 제외하고, 도 1의 특징과 동일한다. 이는 본드 패드(90)가 제1반도체 기판(1) 및 유전체 층(3) 상에 놓이도록 하여, 관통 실리콘 비아의 필요가 없도록 한다. 패시베이션 층(4)은 본드 패드(90) 전체를 덮지 않는다. 와이어(91)는 본드 패드에 본딩되고, 패키지의 리드 프레임 또는 ASIC와 같은 다른 다이 또는 회로의 패드에 부착될 수 있다.
도 3은 예시적인 칩-레벨 패키징된 적외선 방출기를 나타낸다. 도 3의 실시예에서, 광 투과성 층(45)은 제1반도체 기판(1)에 부착되며, 추가층(70)은 제2기판(40)에 부착된다. 게터 물질(50)이 또한 제2기판(40)의 캐비티 내에 위치된다. 이러한 특징 외에, 다른 특징은 도 2의 특징들과 동일하므로 동일한 참조 부호로 나타낸다. 이러한 장치는 플립-칩 방법에 의해 PCB에 장착될 수 있다는 이점이 있다.
도 4는 예시적인 칩-레벨 패키징된 적외선 방출기를 나타낸다. 본 실시예에서, 제2반도체 기판(40)의 캐비티가 IR 반사 물질(55)로 코팅된 벽을 갖는 점을 제외하고, 도 4의 장치의 많은 특징은 도 1에 도시된 특징들과 동일한다. 이는 IR 방출기의 발광 방향을 개선시키고, 반도체 기판(40)에서의 추가적인 흡수 손실을 피하도록 할 수 있다.
도 5는 솔더 범프(61)가 웨이퍼 레벨 또는 쳅 레벨에 추가된, 도 4의 실시예에 기초한 예시적인 IR 방출기를 나타낸다. 바람직하게, 솔더 범프(또는 솔더 볼)(61)은 장치와 ASIC 또는 PCB 사이를 연결한다. 나머지 특징과 참조 부호는 도 4와 동일하다.
도 6은 반사층이 있는 예시적인 IR 방출기를 나타낸다. 도 6의 구조는 IR 반사층(55a 및/또는 55b)이 유전체 막(33)의 바로 아래 또는 층(70) 바로 위에 형성되어 IR 방출 또는 흡수를 증가시키는, 도 5의 구조의 변형이다. 일 실시예에서, 이러한 층들은 금, 은 또는 알루미늄과 같은 IR 반사 물질 또는 고굴절 및 저굴절 물질의 유전체 스택의 브래그(Bragg) 형 반사기로 이루어질 수 있다. 이러한 실시예에서, 게터 물질(50)은 광 투과성 층(45) 아래에 위치된다.
도 7은 (표면 미세-가공을 이용한) 전면 에칭이 사용되고, 더 žA은 캐비티가 유전체 막(33) 하부에 존재하며, 반도체 기판(1)이 캐비티 하부에 배치되는 예시적인 IR 방출기를 나타낸다. 바람직하게, 이는 층(70)의 필요성을 제거하여 더 간단한 제조 공정을 야기할 수 있다.
도 8은 전면 에칭에 의해 형성되며 TSV와 솔더 범프를 갖는 예시적인 IR 방출기를 나타낸다. 도 8은 도 7에 기초하며 TSV와 솔더 범프(61)와 전면 에칭의 조합을 나타낸다. 게터층(미도시)은 하부 캐비티의 상부에 제공될 수 있다.
도 9는 전면 에칭 및 캐비티 바닥에 배치된 반사 금속을 갖는 예시적인 IR 방출기를 나타낸다. 도 9는 실리콘 기판에서 IR의 방출을 증가시키고 흡수를 감소시키기 위해 캐비티의 바닥에 배치되는 추가적인 IR 반사 금속을 가지며 도 7에 기초한다. 다른 특징 및 참조 부호는 도 7과 동일한다.
도 10은 IR 방사선의 방향을 개선하기 위해 상부 기판의 벽에 반사 코팅을 갖는 예시적인 미세-가공 열 적외선 방출기를 나타나며, 상부 기판은 KOH(Patassium Hydroxide) 에칭에 의해 형성될 수 있는 경사진 측벽을 가진다. 제2반도체 기판(40)의 캐비티는 경사진 측벽을 가지며, 측면은 IR 반사 물질(55)로 코팅된다. 경사진 또는 형상화된(shaped) 측벽은, 방출기 또는 검출기 각각에 대하여 IR 광의 방출 또는 흡수를 증가시키기 위해 반사기와 유사한 역할을 제공할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 칩 레벨 진공 패키지 내의 미세-가공 서모파일(thermopile)dp 기반한 적외선 검출기를 나타낸다. 적외선 검출기는 2개의 다른 물질들(5, 6)의 하나 이상의 스트립을 포함하는, 서모파일을 기반으로 한다. 일 실시예에서, 물질은 p-타입 또는 n-타입 폴리실리콘 또는 결정질 실리콘일 수 있으며, 금속(7)과 함께 연결될 수 있다. 다른 실시예들에서, 서모파일 물질은 또한 알루미늄, 텅스텐, 구리 또는 티타늄과 같은 금속일 수 있다.
도 12는 관통 실리콘 비아 또는 관통 웨이퍼 비아라고 알려진 관통 반도체 비아(TSVs)(60)의 상세도를 나타낸다. TSV(60)는 구리(Cu), 텅스텐(W) 또는 고도로 도핑된 폴리실리콘과 같은 고 전도성 물질, 이산화규소 또는 질화물(62)과 같은 유전체 물질, 및 유전체(62)과 도전성 물질(63) 사이에 개재된 Ti, TiN, Ta 또는 TaN와 같은 라이너(liner) 또는 내화성 금속 배리어(미도시)를 포함할 수 있다. (구리, 텅스텐 또는 알루미늄과 같은) 전도성 물질로 이루어진 본딩 패드는 솔더 범프 또는 볼(61) 사이에 제공될 수 있다. 솔더 범프(61)는 또한 구리, 니켈, 알루미늄과 같은 금속 또는 금속들의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 13은 볼 본드들 사이에 하부 기판/캡을 사용하는 가능성을 나타내는 장치의 예시적인 실시예를 나타낸다. 볼 본드들(61) 사이의 하부 기판/캡(75)은 시스템의 높이를 감소시키고 비아의 에칭이 (깊이가 덜 깊을 것이기 때문에) 상당히 덜 어려워진다는 이점을 갖는다. 또한 전체 장치의 높이가 더 작아질 것이다. 이는 비용 및 폼 팩터 모두에 유리하다.
도 14는 효율을 향상시키기 위해 방출기/검출기의 막이 부분적으로 밀봉된 변형예를 나타낸다. 이 장치는 유전체 층(3) 내에 '플러그-업(plug-up)' 홀(미도시)을 갖는 전면 에칭을 통해 캐비티를 형성한다. 이러한 홀은 진공 또는 낮은 열 전도도를 갖는 가스로 캐비티를 밀봉한 후에 순차적으로 채워진다. TSV(60)는 외부 연결을 위해 존재한다. 다른 예로서, 본드 패드는 본드 와이어가 부착된, (도 2에 도시된 것과 같은) 구조물의 상부에 배치될 수 있다.
도 15는 방출기/검출기의 유전체 층(3)이 효율 개선을 위해 부분적으로 밀봉된 예시적인 변형예를 나타낸다. 장치는 후면 에칭 및 본드 패드(61)를 특징으로 하며, TSV는 없다.
도 16은 ASIC(80)의 상부에 배치되고 솔더 볼을 사용하여 ASIC에 연결하는 칩 레벨 진공 패키지 내의 미세-가공된 서모파일 기반의 IR 검출기를 나타낸다. 여기에 설명된 다른 IR 장치에 대해서도 유사한 도면이 만들어질 수 있다. IR 장치를 ASIC 상부에 배치하는 것은 폼 팩터를 감소시키는 데 유리하다.
도 17a는 공기 및 진공 상태에서 IR 방출기의 전력 소비를 나타내는 그래프이다. 진공에서, (막의 양면에서) 필요한 전력 소비량은 공기에서 필요한 전력 소비량의 절반 미만이다.
도 17b는 서모파일 IR 검출기에서 신호의 시뮬레이션을 나타낸다. 신호는 (막의 양면에서) 진공 상태인 경우의 두 배 이상이다.
도 18은 IR 장치의 제조 방법을 개략적으로 도시한 예시적인 흐름도를 나타낸다.
통상의 기술자는 상기의 설명 및 첨부된 청구항에서, "상에", "중첩된", "하부에", "측에", 등과 같은 위치 용어는, 표준 단면도 및 첨부된 도면에 나타낸 것과 같이, 장치의 개념 설명을 위해 참고로 만들어진다는 것을 이해할 것이다. 이러한 용어는 참조의 용이성을 위해 사용되지만 본질을 제한하는 것은 아니다. 따라서, 이러한 용어는 첨부된 도면에 도시된 바와 같은 배향에 있을 때의 장치를 지칭하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직할 실시예와 관련하여 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예시적인 것이며 청구항은 이러한 실시예들로 제한되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 통상의 기술자는 첨부된 청구항의 범위 내에 속하는 것으로 고려되는 발명의 관점에서 수정 및 변형을 수행할 수 있을 것이다. 본 명세서에 개시되거나 예시된 각각의 특징은 단독으로 또는 여기서 개시된 또는 예시된 어떠한 다른 특징과의 적절한 조합으로 본 개시에 포함될 수 있다.
1: 제1반도체 기판
2: 히터
3: 유전체 층
4: 패시베이션 층
20: 유전체 막 내의 홀
33: 유전체 층 내의 유전체 막 영역
40: 제2반도체 기판
45: 광 투과성 층
50: 게터 물질
55: IR 반사 물질
55a/55b: IR 반사층
60: 관통 실리콘 비아
61: 솔더 범프
62: 유전체
63: 도전성 물질
70: 추가층
75: 하부 기판 캡
80: ASIC
90: 패드
91: 본드 와이어

Claims (20)

  1. 적외선(IR) 장치에 있어서,
    제1캐비티(cavity)를 포함하는 제1기판;
    상기 제1기판 상에 배치된 유전체 층;
    상기 유전체 층 및 상기 제1기판의 반대면 상에 배치되며, 제2캐비티를 갖는 제2기판;
    상기 제1기판 및 상기 제2기판 중 어느 하나에 부착된 광 투과성 층;
    상기 IR 장치가 실질적으로 닫히도록 상기 제1기판 및 상기 제2기판 중 다른 하나에 제공된 추가층;
    상기 제1캐비티 내의 압력이 상기 제2캐비티 내의 압력과 실질적으로 동일한 레벨이 되도록 개구들이 상기 유전체 층을 통해 제공되는, 적외선 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티는 실질적으로 동일한 압력 레벨인 진공을 갖는, 적외선 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 진공을 유지하기 위해 상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티 중 하나 내에 배치된 게터 물질을 더 포함하는, 적외선 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티는 공기보다 낮은 열 전도도를 갖는 가스로 채워져 있는, 적외선 장치.
  5. 상기 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    내장된 필터, 캡, 렌즈 중 어느 하나를 갖는 웨이퍼 레벨에서 패키징되는, 적외선 장치.
  6. 상기 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 장치를 다른 회로에 연결하기 위해 상기 제1 기판 및 상기 제2기판 중 적어도 하나 내에 배치된 관통-반도체 비아를 더 포함하는, 적외선 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 관통-반도체 비아와 결합된 적어도 하나의 본딩 볼을 더 포함하는, 적외선 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1캐비티 및 상기 제2캐비티의 벽들은 상기 적외선 장치에서 방출 또는 흡수를 향상시키기 위한 반사 물질을 포함하는, 적외선 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유전체 층의 바로 아래 및 상기 추가층 상에 배치된 반사 물질을 더 포함하는, 적외선 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1기판 및 상기 제2기판 중 적어도 하나는 반사 물질을 각각 갖는 경사진 측벽들을 포함하는, 적외선 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가층은 얕은 제1캐비티를 제공하는 상기 제1기판의 연속층인, 적외선 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가층은 상기 제1캐비티의 폭과 비교하여 유사한 폭을 갖는, 적외선 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 장치는 적외선 방출기 및 적외선 검출기 중 어느 하나인, 적외선 장치.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 장치는 열적 미세 가공(thermal micro-machined)된, 적외선 장치.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적외선 장치는 주문형 집적 회로(ASIC; application specific integrated circuit) 상에 직접 연결된, 적외선 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 ASIC는 구동 회로, 판독 및 증폭 회로, 메모리 또는 처리 셀, 상태-머신 또는 마이크로-컨트롤러 중 어느 하나를 포함하는, 적외선 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1기판은 상기 제2기판과 비교하여 더 큰 폭을 가지며, 상기 유전체 층은 상기 제1기판의 전체 폭에 걸쳐 연장되는, 적외선 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2기판 외부의 상기 유전체 층 상에 배치된 적어도 하나의 본드 패드를 더 포함하는, 적외선 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 본드 패드와 연결된 와이어를 더 포함하고, 상기 와이어는 다른 다이 또는 회로에 연결되도록 구성된, 적외선 장치.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 적외선 장치의 제조 방법에 있어서,
    적외선 장치를 포함하는 웨이퍼 및 장치를 제조하는 단계;
    투과성 층, 필터/캡/렌즈/게터 층을 각각 포함하는 상기 적외선 장치의 하부 및 상부에, 2개의 캐비티들을 갖는 상부 및 하부 기판을 형성하는 단계;
    본딩, 접착층, 접착제를 이용하여, 진공 상태 또는 낮은 열 전도도를 갖는 가스로 상기 캐비티들을 밀봉하는 단계;
    상기 적외선 장치를 연결하기 위해 상기 하부 또는 상부 기판 상에 관통 반도체 비아를 형성하는 단계;
    솔더 범프 및/또는 3D 상호 연결을 형성하는 단계; 및
    각각의 적외선 장치를 개별화하는 단계를 포함하는 적외선 장치의 제조 방법.
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