一种太赫兹探测阵列的片级封装结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于室温太赫兹探测阵列成像技术领域，具体涉及一种太赫兹探测阵列的片级封装结构。
【背景技术】
[0002]太赫兹波常指频率在0.1THz?10THZ (波长3mm?30um)的电磁波。由于所处频段较特殊，属于宏观电子学和微观光子学的过渡范围，因此THz波表现出一系列不同于其他频段电磁波的独特性质，使之在军事和民用领域(如成像、通信、遥感、雷达、天文、生物医学等)具有重要的科研价值及广阔的应用。与其他波相比，太赫兹波的特点有:①太赫兹辐射的频率范围很宽，它几乎覆盖了各种大分子的转动频率和震荡频率太赫兹辐射有很高的空间分辨率和时间分辨率；③太赫兹辐射的能量很小，只有几毫电子伏特，不容易破坏被检测的物质；④太赫兹辐射具有对某些物质的穿透性；⑤太赫兹辐射的时域频谱信噪比很高。
[0003]微测辐射热计是红外及太赫兹探测器件的重要应用之一，其中非制冷太赫兹微测辐射热计与红外微测辐射热计具有类似的结构，目前太赫兹探测结构的主要研宄方向是通过对后者的改进来获取的。微测辐射热计的太赫兹探测过程，主要通过微桥结构来完成的，微桥结构中的热敏材料位于桥面介质层中，在介质层之上制备一层超材料结构，最后在顶层制备一层纳米级金属薄膜。超材料结构保障对中心波段的太赫兹波高吸收，金属薄膜对太赫兹波段电磁波具有宽频吸收特性和较高的吸收率，用于拓宽吸收频谱带宽。
[0004]当前非致冷红外探测器外壳结构主要由光学窗口、金属盖帽和金属底座三部分组成，内部可以封装不同型号的芯片。通常盖帽和底座采用牌号4J29的可伐合金制材料，封装窗口优选为高阻融硅。为了保护壳体不受腐蚀，对盖帽与底座分别镀以2.5um厚的镍底镀层，再对盖帽镀以0.6um厚的金镀层，然后将芯片固定在带读出电路的金属底座。最后运用激光焊技术，将盖帽和底座紧密固定在封装台弹簧卡子上，焊接方式采用圆周焊，把激光对准焊缝的中心，焊件随操作台转动而激光器固定发射脉冲激光。2012年闫浩等人发表文献《一种非致冷红外探测器真空封装的研宄》以及2013年王明星发表文献《非致冷红外探测器高气密激光焊接的研宄》中都有相关的描述。
[0005]虽然上述封装技术在非制冷红外探测领域已相当成熟，但是嫁接到非制冷太赫兹探测领域中却存在一些缺陷，如探测阵列对太赫兹辐射的吸收率低，探测阵列封装结构复杂、成本高、体积大、达不到便携式的要求等问题。因此，促进探测阵列对太赫兹波的吸收率，简化封装结构成为我们研宄的重点。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于提供一种太赫兹探测阵列的片级封装结构，该结构在封装窗口的下表面向内腐蚀出一个深度为1um?500um的凹槽，并使用低温铟锡钎焊技术，将封装窗口通过该焊接金属区与衬底无缝连接，形成真空封装，同时确保微桥结构表面的太赫兹金属薄膜吸收层与窗口下表面凹槽的间距是二分之一波长。本发明封装结构能促进探测阵列对太赫兹辐射的吸收，提高探测单元的响应率，同时缩小了封装尺寸，使结构更加简单化，降低生产成本。
[0007]本发明技术方案为:
[0008]一种太赫兹探测阵列的片级封装结构，包括从上至下共四部分:顶层是封装窗口1，第二层是太赫兹探测阵列2，第三层是信号读出电路3，底层是硅衬底4;其特征在于，所述封装窗口 I下表面中心开设有向内腐蚀的凹槽7，凹槽区域面积大于太赫兹探测阵列2，其深度范围为1um?500um，并确保太赫兹探测阵列2顶端与凹槽7底部间距为太赫兹辐射波长的二分之一。
[0009]进一步的，所述封装窗口 I下表面凹槽7外部表面制作有封装窗口焊接金属区5，所述太赫兹探测阵列2制作于信号读出电路3之上，所述信号读出电路3制作于硅衬底4之上，所述底层硅衬底4表面还制作有与封装窗口焊接金属区5形状一致的衬底焊接金属区6，封装窗口 I通过封装窗口焊接金属区5和衬底焊接金属区6与娃衬底4无缝焊接成一体，形成真空封装。
[0010]所述封装窗口 I可以选用高阻融硅、高密度聚乙烯、硅、锗等材料，优选为高阻融硅，用以提高太赫兹辐射的透过率同时降低背景红外辐射干扰。
[0011]更进一步的，所述封装窗口 I上表面制作有增透涂层或亚波长结构，增加太赫兹辐射的透过率。
[0012]所述封装窗口焊接金属区5和衬底焊接金属区6是具有相同规格的回形域焊接金属层，在真空环境下采用钎焊技术进行焊接，焊接温度低于300°C。
[0013]需要另外说明的是，本发明提供的太赫兹探测阵列的片级封装结构中太赫兹探测阵列顶端制备的太赫兹吸收结构与封装窗口凹槽底部间距为太赫兹辐射波长的二分之一，该结构能够使入射透过封装窗口的太赫兹波在太赫兹探测阵列和封装窗口凹槽底部之间发生多次反射，促进探测阵列吸收更多太赫兹辐射。本发明中信号读出电路用于读出探测阵列的电学信号，进而获得入射的太赫兹辐射量大小。
[0014]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:本发明通过整合太赫兹焦平面阵列制造工艺和新型电子封装工艺，在进行真空封装时，在封装窗口下表面开设凹槽，并保证太赫兹探测阵列表面的太赫兹吸收结构与凹槽底部间距为二分之一太赫兹辐射波长，使入射透过封装窗口的太赫兹波在太赫兹探测阵列和凹槽底部之间发生多次反射，促进了探测阵列对太赫兹的吸收，提高了探测单元的响应率，同时使结构简单化，有效缩小封装尺寸、降低生产成本。
【附图说明】
[0015]图1为本发明太赫兹探测阵列的片级封装结构示意图；
[0016]其中，I为封装窗口、2为太赫兹探测阵列、3为信号读出电路、4为硅基底、5为封装窗口焊接金属区、6为硅基底焊接金属区、7为凹槽。
[0017]图2和图3为本发明太赫兹探测阵列的片级封装结构制备过程中各个结构的俯视图；
[0018]其中，2-a为带读出电路的硅衬底，图2-b为在衬底上方制备的微桥阵列，图2_c为在集成电路层制作的回形焊接区域，图3-a为封装窗口一高阻融硅，图3-b为在窗口的下表面中心腐蚀出的凹槽，图3-c为在未被腐蚀的窗口部分制作的回形金属焊接区、同图2-c的焊接区域。
[0019]图4为最终封装结构的俯视图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
[0021]本实施例中太赫兹探测阵列的片级封装结构如图1所示，通过如下制作及封装过程如下:
[0022](I)在超净间完成信号读出电路的制备，将信号读出电路制备于硅衬底上，俯视图如2-a所示；
[0023](2)在⑴的基础(信号读出电路)上，采用成熟的微桥结构制备工艺，完成探测阵列的制作，俯视图如2-b所示；
[0024](3)在(2)的基础上，在硅基底预设位置先磁控溅射一层纳米级的金属钛，再在钛上磁控溅射一层金，即完成了回形域金属焊接层6的制备，俯视图如2-c所示；
[0025](4)与上述步骤对应，制备封装窗口，先选取双抛型高阻硅作为封装窗口，俯视图如3-a所示；
[0026]首先，在双抛型的高阻融硅的上下两面，使用PECVD生长400nm的氮化硅，接着在其下表面光刻一个方形域，并用湿法腐蚀向内腐蚀出本发明所述的凹槽7，然后再使用等离子刻蚀把高阻融硅两面的氮化硅刻蚀掉，完成凹槽7制备，俯视图如3-b所示；
[0027]然后，在凹槽外部表面与回形域金属焊接层6对应的预设位置制备回形域金属焊接层5，俯视图如3-c所示；
[0028]最后，在真空环境中，将图3-c的结构倒扣在图2-c的结构上方，采用低温铟锡钎焊技术焊接起来，通过回形焊接金属域5、6，将封装窗口 I与硅衬底4无缝焊接，完成真空封装。
[0029]综上即为本发明的太赫兹探测阵列的片级封装结构的制备及封装过程。
【主权项】
1.一种太赫兹探测阵列的片级封装结构，包括从上至下共四部分:顶层是封装窗口(I)，第二层是太赫兹探测阵列(2)，第三层是信号读出电路(3)，底层是硅衬底(4);其特征在于，所述封装窗口(I)下表面中心开设有向内腐蚀的凹槽(7)，凹槽区域面积大于太赫兹探测阵列(2)，其深度范围为1um?500um，并确保太赫兹探测阵列(2)顶端与凹槽(7)底部间距为太赫兹福射波长的二分之一。2.按权利要求1所述太赫兹探测阵列的片级封装结构，其特征在于，所述封装窗口(I)下表面凹槽(7)外部表面制作有封装窗口焊接金属区(5)，所述太赫兹探测阵列(2)制作于信号读出电路(3)之上，所述信号读出电路(3)制作于硅衬底(4)之上，所述底层硅衬底(4)表面还制作有与封装窗口焊接金属区(5)形状一致的衬底焊接金属区(6)，封装窗口(I)通过封装窗口焊接金属区(5)和衬底焊接金属区(6)与硅衬底(4)无缝焊接成一体，形成真空封装。3.按权利要求1所述太赫兹探测阵列的片级封装结构，其特征在于，所述封装窗口(I)可以选用高阻融硅、高密度聚乙烯、硅、锗等材料，优选为高阻融硅，用以提高太赫兹辐射的透过率同时降低背景红外辐射干扰。4.按权利要求1、2或3所述太赫兹探测阵列的片级封装结构，其特征在于，所述封装窗口(I)上表面制作有增透涂层或亚波长结构，增加太赫兹辐射的透过率。5.按权利要求1、2或3所述太赫兹探测阵列的片级封装结构，其特征在于，所述封装窗口焊接金属区(5)和衬底焊接金属区(6)是具有相同规格的回形域焊接金属层，在真空环境下采用钎焊技术进行焊接，焊接温度低于300°C。
【专利摘要】本发明属于室温太赫兹探测阵列成像技术领域，提供一种太赫兹探测阵列的片级封装结构，用以解决探测阵列对太赫兹辐射的吸收率低，探测阵列封装结构复杂、成本高、体积大、达不到便携式的要求等问题。本发明封装结构包括从上至下共四部分：依次为封装窗口、太赫兹探测阵列、信号读出电路、硅衬底；所述封装窗口下表面中心开设有向内腐蚀的凹槽，其深度范围为10μm～500μm，并确保太赫兹探测阵列顶端与凹槽底部间距为太赫兹辐射波长的二分之一。通过该结构使太赫兹波在太赫兹探测阵列和凹槽底部之间发生多次反射，促进了探测阵列对太赫兹的吸收，提高了探测单元的响应率，同时使结构简单化，有效缩小封装尺寸、降低生产成本。
【IPC分类】H01L31/0203
【公开号】CN104882492
【申请号】CN201510227996
【发明人】王军, 陈沛丞, 黎威志, 谢盼云, 唐荣, 苟君
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月7日