一种红外吸收结构及其与红外传感器件的集成方法与流程

本发明涉及一种红外吸收结构及集成方法，尤其是一种红外吸收结构及其与红外传感器件的集成方法，具体地说是一种基于烛灰纳米颗粒结构的红外吸收结构及其与红外传感器件的集成方法，属于红外传感探测的技术领域。

背景技术：

红外传感器在军事制导与跟踪、医疗疾病诊断、工业过程监控、环境质量检测以及安保体系等多领域均有着不断扩大的应用需求。随着MEMS技术的不断发展，以半导体材料为基体的红外传感器方案日趋成熟；同时，不同军用和民用领域对MEMS红外传感器需求量的不断扩增已驱使其成为传感技术研究的热点之一。截至目前，已产品化或已报导的MEMS红外传感器种类繁多，所采用的材料、结构形式以及制造技术各不相同，决定了这类MEMS器件的多样性和复杂性。尽管如此，所有MEMS红外传感器的响应率和探测率均受其吸收层红外吸收效率的影响。

在MEMS红外传感器中，Si₃N₄薄膜或SiO₂/Si₃N₄/SiO₂三明治结构常被用作红外吸收层。然而Si₃N₄的红外吸收效率受膜厚度的影响大，不同厚度情况下吸收峰值的频移现象严重，在常用红外波段内最佳厚度Si₃N₄薄膜的平均吸收效率仅约50%。因此，为了使器件获得更优良的性能，需要提高红外吸收层的收效率，基于光干涉、谐振机理的红外吸收层通过严格控制介质层厚度与红外辐射波长之间的特定关系，可以在某些特定波长处使吸收效率达到最大，进而在MEMS红外传感器中获得应用。然而，受干涉或谐振条件的限制，以该结构为红外吸收层的传感器大多只能敏感以中心波长为几个特定值的红外辐射。此外，干涉、谐振结构对工艺参数的要求极其严格苛刻，若介质层厚度与波长之间不匹配，将造成红外吸收效率的指数衰减。同时，外界环境温度及该吸收层自身声表面波吸收会引起器件温度的变化，继而导致中心波长随温度发生漂移，影响器件的性能和应用。

大面积纳米结构因量子尺寸效应与其特有的大表体比、大粗糙度、多孔隙/缝隙等表面效应而呈现出特殊的光学特性（如光吸收特性），进而可作为光吸收原件用于光学传感器件。金黑和黑硅是两种典型的二维大面积纳米结构，具有优异的红外吸收特性（在中红外范围内，金黑的吸收效率接近100%），又因热容较低，金黑和黑硅在MEMS红外传感器中常被用作吸收层。然而，金黑的制备方法与常规微电子工艺未能很好地兼容，因此其大规模应用仍受到限制。同时，目前已报到的黑硅的制备工艺也稍显繁琐复杂，其与器件的集成制备时所面临的问题仍有待进一步解决。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种红外吸收结构及其与红外传感器件的集成方法，其能在较宽的红外波段内具有较高的吸收效率，制备方法简单，兼容性以及可控性好，适用范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述红外吸收结构，包括衬底以及设置于所述衬底上的烛灰纳米颗粒结构层。

所述衬底包括与MEMS工艺兼容的材料基片、材料层或红外传感器的红外吸收区。

所述烛灰纳米颗粒结构层通过固定薄膜层固定在衬底上，固定薄膜层覆盖在烛灰纳米颗粒结构层以及衬底上。

所述固定薄膜层的材料包括氧化硅、氮化硅、多晶硅或非晶硅；固定薄膜层设置在烛灰纳米颗粒结构层的方式包括气相化学淀积。

烛灰纳米颗粒结构层利用蜡烛的火焰熏镀制备在衬底上；或将预先收集的烛灰纳米颗粒旋涂在衬底上，以得到烛灰纳米颗粒结构层；或通过在液体中超声提取得到烛灰纳米颗粒，将提取得到的烛灰纳米颗粒喷涂在衬底上。

一种红外吸收结构与红外传感器件的集成方法，所述集成方法包括如下步骤：

步骤1、提供用于红外辐射探测的红外传感器裸芯片，并将所述红外传感器裸芯片置于用于封装的管壳基座上，且将红外传感器裸芯片与管壳基座上的引线柱电连接；

步骤2、在上述管壳基座上设置烛灰纳米颗粒结构层，所述烛灰纳米颗粒结构层覆盖在红外传感器裸芯片的红外吸收区上。

步骤2中，烛灰纳米颗粒结构层利用蜡烛的火焰熏镀制备在红外传感器裸芯片的红外吸收区上；或将预先收集的烛灰纳米颗粒旋涂在红外传感器裸芯片的红外吸收区上，以得到烛灰纳米颗粒结构层；或通过在液体中超声提取得到烛灰纳米颗粒，将提取得到的烛灰纳米颗粒喷涂在红外传感器裸芯片的红外吸收区上。

在所述烛灰纳米颗粒结构层上设有固定薄膜层，所述的材料包括氧化硅、氮化硅、多晶硅或非晶硅；固定薄膜层设置在烛灰纳米颗粒结构层上的方式包括气相化学淀积。

所述管壳基座的下方设有与引线柱电连接的管脚，在管壳基座上设有盖帽，所述盖帽支撑于管壳基座上，且管帽通过帽沿键合固定在管壳基座的基座连接支撑边沿上，管帽上设有通光孔，所述通光孔位于红外传感器裸芯片的正上方。

一种类似的技术方案，一种红外吸收结构与红外传感器件的集成方法，提供待封装的晶圆级或芯片级的红外传感器，并在所述待封装的晶圆级或芯片级的红外传感器的红外吸收区设置烛灰纳米颗粒结构层。

本发明的优点：利用烛灰纳米颗粒结构层能实现对红外辐射的有效吸收，能在较宽的红外波段内具有较高的吸收效率，制备方法简单，兼容性以及可控性好，在与红外传感器裸芯片集成后，能提高红外探测的精度，集成方法简单，适用范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明在衬底上制备烛灰纳米颗粒结构层的一种实施方式图。

图3为本发明将红外传感器裸芯片设置在管壳基座上的示意图。

图4为本发明在红外传感器裸芯片上设置烛灰纳米颗粒结构层的示意图。

图5为本发明最终形成的集成封装示意图。

图6为本发明在晶圆级红外传感器上设置烛灰纳米颗粒结构层的示意图。

图7为本发明在芯片级红外传感器上设置烛灰纳米颗粒结构层的示意图。

附图标记说明：1-衬底、2-烛灰纳米颗粒结构层、3-焰芯、4-蜡烛、5-固定薄膜层、6-芯片引线连接焊盘、7-红外传感器裸芯片、8-引线柱、9-金属引线、10-管壳基座上表面、11-基座连接支撑边沿、12-管脚、13-通光孔、14-帽沿、15-红外吸收探测体、16-管帽，17-管壳基座，18-晶圆级裸芯片，19-传感器裸芯片单元，20-针头，21-微喷笔，22-笔芯，23-连接管，24-喷涂液容器，25-烛灰纳米颗粒混合液，26-芯片级传感器裸芯片。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能在较宽的红外波段内具有较高的吸收效率，本发明包括衬底1以及设置于所述衬底1上的烛灰纳米颗粒结构层2。

具体地，所述衬底1包括与MEMS工艺兼容的材料基片、材料层或红外传感器的红外吸收区；与MEMS工艺兼容的材料基片、材料层、红外传感器的红外吸收区等具体形式均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。烛灰纳米颗粒结构层2的厚度为40nm~200μm，由于烛灰纳米颗粒结构层2呈黑色且为纳米颗粒结构，因此，通过烛灰纳米颗粒结构层2进行红外吸收时，在25μm的波长以内，对可见光-近红外-中红外波段内的红外吸收率大于75%，即实现了在较宽红外波段内具有较高的吸收效率。

所述烛灰纳米颗粒结构层2通过固定薄膜层5固定在衬底1上，固定薄膜层5覆盖在烛灰纳米颗粒结构层2以及衬底1上。

本发明实施例中，所述固定薄膜层5的材料包括氧化硅、氮化硅、多晶硅或非晶硅；固定薄膜层5设置在烛灰纳米颗粒结构层2上的方式包括气相化学淀积，如采用PECDV方式。当然，固定薄膜层5还可以选用其他的工艺形式。固定薄膜层5的厚度为10nm-5μm，在利用固定薄膜层5将烛灰纳米颗粒结构层2固定在衬底1上时，固定薄膜层5的厚度以不影响烛灰纳米颗粒结构层2对红外的吸收为准，具体厚度以及工艺方式可以根据需要进行选择，此处不再赘述。

进一步地，烛灰纳米颗粒结构层2利用蜡烛4的火焰熏镀制备在衬底1上；或将预先收集的烛灰纳米颗粒旋涂在衬底1上，以得到烛灰纳米颗粒结构层2；或通过在液体中超声提取得到烛灰纳米颗粒，将提取得到的烛灰纳米颗粒喷涂在衬底1上。

如图2所示，为利用蜡烛4的火焰熏镀在衬底1上得到烛灰纳米颗粒结构层2，蜡烛4燃烧时，具有焰芯3，将衬底1置于蜡烛4燃烧时焰芯3的上方，利用蜡烛4燃烧产生的烛灰，在衬底1上得到烛灰纳米颗粒结构层2。此外，还可以通过预先收集烛灰纳米颗粒，然后通过光刻胶等方式旋涂在衬底1上，从而得到烛灰纳米颗粒结构层2，可以采用常规的技术手段实现对烛灰纳米颗粒的收集，具体收集过程可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

当利用液体收集烛灰纳米颗粒时，一般利用超声方式进行提取，提取后的烛灰纳米颗粒通过喷涂方式设置在衬底1上，通过对喷涂时间、位置，次数等的调整能实现对烛灰纳米颗粒结构层2的厚度、位置和尺寸等进行有效控制。在液体蒸发后，从而在衬底1上留下并得到烛灰纳米颗粒结构层2。

具体实施时，所述液体包括水、油或酒精、乙醚等挥发性试剂。提取之前，首先在一清洁后的基底上熏镀上厚度足够大的烛灰纳米颗粒层，为提高收集效率，烛灰纳米颗粒层可以分布在基底的两面，且两面的厚度都足够大，所述厚度由熏镀的时间决定。将所述设置了烛灰纳米颗粒层的基底放置在设置了相应体积的所述液体的一个容器中，将容器置于超声设备中进行超声清洗，烛灰纳米颗粒可被收集于液体中，且均匀分散分布于液体中。将所述分散有烛灰纳米颗粒的液体装入微喷笔中，利用微喷笔的可选择性喷涂特点，将分散有烛灰纳米颗粒的液体喷涂到衬底1上的设定位置，待液体蒸发之后，可在衬底1表面留下烛灰纳米颗粒结构层2。

为了能提高红外探测效果，可以将上述的红外吸收结构与红外传感器件集成，以得到所需的红外吸收装置，具体地，本发明红外吸收结构与红外传感器件的集成方法，所述集成方法包括如下步骤：

步骤1、提供用于红外辐射探测的红外传感器裸芯片7，并将所述红外传感器裸芯片7置于用于封装的管壳基座17上，且将红外传感器裸芯片7与管壳基座17上的引线柱8电连接；

本发明实施例中，红外传感器裸芯片7可以采用已知或需要的结构形式，只要能实现对红外辐射探测即可，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。一般地，管壳基座17上设有引线柱8，在红外传感器裸芯片7置于管壳基座7上后，利用金属引线9将红外传感器裸芯片7上的芯片引线连接焊盘6与引线柱8电连接，以实现红外传感器裸芯片7与引线柱8间的电连接，具体通过金属引线9实现红外传感器裸芯片7与引线柱8间连接的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。图3中示出采用TO管封装的情况，此时，封装结构包括管壳基座17以及位于所述管壳基座17上的管帽16，管帽16与管壳基座17连接后形成一个封装体，管帽16与管壳基座17间的具体连接配合为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤2、在上述管壳基座17上设置烛灰纳米颗粒结构层2，所述烛灰纳米颗粒结构层2覆盖在红外传感器裸芯片7的红外吸收区上。

本发明实施例中，烛灰纳米颗粒结构层2利用蜡烛4的火焰熏镀制备在红外传感器裸芯片7的红外吸收区上；或将预先收集的烛灰纳米颗粒旋涂在红外传感器裸芯片7的红外吸收区上，以得到烛灰纳米颗粒结构层2；或通过在液体中超声提取得到烛灰纳米颗粒，将提取得到的烛灰纳米颗粒喷涂在红外传感器裸芯片7的红外吸收区上。

所述烛灰纳米颗粒结构层2设置在红外传感器裸芯片7的红外吸收区上的具体工艺以及过程均可以参照上述说明，此处不再赘述。当在红外传感器裸芯片7的红外吸收区上设置烛灰纳米颗粒结构层2后，红外传感器裸芯片7以及烛灰纳米颗粒结构层2均位于在管壳基座17的管壳基座上表面10上，利用烛灰纳米颗粒结构层2实现对红外辐射的有效吸收，利用红外传感器裸芯片7对烛灰纳米颗粒结构层2吸收的红外辐射进行检测，即提高红外传感器裸芯片7对红外吸收的效率，进而提高传感器的性能。

具体实施时，在设置烛灰纳米颗粒结构层2时，所述烛灰纳米颗粒结构层2还可能覆盖在管壳基座17上；当采用喷涂等方式时，可以将烛灰纳米颗粒结构层2仅设置在红外传感器裸芯片7上或红外传感器裸芯片7的红外吸收区。

进一步地，在所述烛灰纳米颗粒结构层2上设有固定薄膜层5，所述的材料包括氧化硅、氮化硅、多晶硅或非晶硅；固定薄膜层5设置在烛灰纳米颗粒结构层2上的方式包括气相化学淀积。

本发明实施例中，利用固定薄膜层5提高烛灰纳米颗粒结构层2与红外传感器裸芯片7的连接稳定性，固定薄膜层5的具体情况可以参考上述说明，此处不再赘述。

如图4和图5所示，为采用TO管壳的封装示意图，所述管壳基座17的下方设有与引线柱8电连接的管脚12，在管壳基座17上设有盖帽16，所述盖帽16支撑于管壳基座17上，且管帽16通过帽沿14键合固定在管壳基座17的基座连接支撑边沿11上，管帽16上设有通光孔13，所述通光孔13位于红外传感器裸芯片7的正上方。本发明实施例中，所述通光孔13内装有滤光片，通过滤光片能实现对不同波长光线的过滤。具体实施时，在制备烛灰纳米颗粒结构层2后，需要避免基座连接支撑边沿11上不存在烛灰纳米颗粒结构层2，即需要不影响基座连接支撑边沿11与帽沿14间的键合固定。

具体实施时，对于红外吸收结构与红外传感器件间的集成还可以采用SMT贴片封装或其他封装形式，无论采用何种集成封装的形式，只要在将红外传感器裸芯片7放置并对应电连接后，在红外传感器裸芯片7的红外吸收区上设置烛灰纳米颗粒结构层2即可，具体可以参考上述的说明，此处不再赘述。

具体实施时，还可以与晶圆级或芯片级的红外传感器进行集成封装，具体地，提供待封装的晶圆级或芯片级的红外传感器，并在所述待封装的晶圆级或芯片级的红外传感器的红外吸收区设置烛灰纳米颗粒结构层2。

本发明实施例中，待封装的晶圆级或芯片级红外传感器的形式可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。烛灰纳米颗粒结构层2可以采用喷涂方法设置在红外吸收区，在设置烛灰纳米颗粒结构层2后，可以采用常规的激光划片、隐形切割等方法进行划片，再用常规的封装工艺进行封装，具体划片以及封装等具体过程与现有技术相一致，具体过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

具体地，如图6所示，在晶圆级裸芯片18上设置烛灰纳米颗粒结构层2的示意图，晶圆级裸芯片18上具有若干传感器裸芯片单元19，在每个传感器裸芯片单元19上放置微喷笔21，微喷笔21的针头20位于所需待喷涂的传感器裸芯片单元19的正上方，微喷笔21内的笔芯22下端与针头20连接，笔芯22的上端通过连接管23与喷涂液容器24连接，从而将抽取喷涂液容器24内的烛灰纳米颗粒混合液25喷射到对应的传感器裸芯片单元19上，烛灰纳米颗粒混合液25的具体制备过程可以参考上述说明；将烛灰纳米颗粒混合液25喷涂在传感器裸芯片单元19上后，能在对应传感器裸芯片单元19的红外吸收区形成烛灰纳米颗粒结构层2，喷涂用的微喷笔21等的工作过程与现有技术相一致，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。对晶圆级裸芯片18上传感器裸芯片单元19设置烛灰纳米颗粒结构层2后，进行后续的划片以及封装工艺，以形成所需的传感器裸芯片和封装后的传感器器件。

如图7所示，为在芯片级传感器裸芯片26上设置烛灰纳米颗粒结构层2的示意图，具体也采用微喷笔21，在芯片级传感器裸芯片26的红外吸收区喷涂烛灰纳米颗粒混合液25，利用喷涂的烛灰纳米颗粒混合液25得到烛灰纳米颗粒结构层2。

本发明利用烛灰纳米颗粒结构层2能实现对红外辐射的有效吸收，能在较宽的红外波段内具有较高的吸收效率，制备方法简单，兼容性以及可控性好，在与红外传感器裸芯片7集成后，能提高对红外探测的精度，集成方法简单，适用范围广，安全可靠。