用於傳感器晶片的開放式封裝結構的製作方法

2023-10-10 11:31:29 2

專利名稱：用於傳感器晶片的開放式封裝結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種開放式封裝結構，尤其是一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構，具體地說是一種能夠阻擋使用環境中的顆粒雜質及油汙汙染的封裝結構，屬於傳感器封裝的技術領域。
背景技術：
隨著物聯網技術的發展，需要大量的傳感器對不同類型的數據進行採集。經過二十餘年的研發，傳感器晶片的設計和製造工藝逐步成熟，但仍未能大量走出實驗室，發揮其在軍事和民品中的潛在應用，原因之一是傳感器晶片的封裝問題沒有得到很好的解決。因此，開發成熟可靠、低成本的傳感器封裝技術並應用到實際產品中就顯得尤為迫切。如今，有相當一部分傳感器被應用於工業自動化生產領域以及環境監測領域，對複雜環境中的環境參數(如:人體器官內的生物信息、塗裝車間和設備內的工藝參數、食品和藥品包裝中的保存環境等)進行檢測，在這些複雜環境中，通常存在有物理或化學雜質對裸露的傳感器晶片產生性能和壽命上的影響。因此，採取適當的封裝方法，是保證傳感器晶片在複雜環境中正常穩定工作的關鍵因素。以工廠的塗裝車間為例，該環境中存在大量的漆霧顆粒與油汙可能影響需要與外界接觸的傳感器晶片的正常工作，於是該類傳感器的封裝必須能夠阻擋漆霧顆粒與油汙，防止其與傳感器的敏感區域接觸或阻塞傳感器晶片探測外界環境的探測孔。2005年，丹麥森邁帝克公司發明了一種使用疏水性油性材料(多孔聚四氟乙烯)作為溼度傳感器晶片的保護膜，該保護膜位於溼度傳感器器件封裝殼體表面以阻擋外界環境中的雜質；2007年，德國特斯託公司提出了一種溼度傳感器的器件級封裝結構，該結構採用了多層保護膜，其中最外層為與上述案例相同的多孔特氟龍燒結體，內層為水蒸氣的選擇性透過膜，具體可以為磺化聚四氟乙烯或Nafion材料；2008年，德國博世公司在對汽車用傳感器提出了一種高可靠性的封裝方法，該方法在傳感器器件外部加上了一個具有燒結金屬過濾孔的外殼，使傳感器滿足在汽車排氣管道中環境參數檢測的需求；2011年，美國霍尼韋爾公司在傳感器器件級封裝中提出了多種不同的過濾結構，包括螺旋狀、孔狀和帶孔的膜狀，該結構採用不同的疏水材料製成。分析上述具有代表性的研究背景可知，目前傳感器的封裝中的防雜質或過濾結構已有較多的報導，但總的來說，均為體積較大的器件級封裝。隨著傳感系統的集成度越來越高以及應用場合的物理空間越來越小，龐大的傳感器封裝體積已經不能滿足未來的應用需求，於是需要對傳感器進行晶片級封裝，且採用與晶片加工製造工藝兼容的封裝方法。雖然密西根大學於2005年提出了一種溼度傳感器的晶片級封裝方法，但該結構無法有效過濾外界環境的雜質，保護傳感器晶片。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其實現晶片級封裝，體積小，能夠有效防止環境中的顆粒雜質與油汙汙染與傳感器晶片的接觸，與傳感器晶片製造工藝兼容，適應範圍廣，安全可靠。按照本實用新型提供的技術方案，所述用於傳感器晶片的開放式封裝結構，包括承載襯底及位於所述承載襯底上的傳感器結構；所述承載襯底上鍵合固定有封裝封蓋，所述封裝封蓋包括用於與承載襯底鍵合連接的封蓋基體，所述封蓋基體內包括用於容納傳感器結構的腔體；封蓋基體與承載襯底鍵合連接後，傳感器結構伸入腔體內；傳感器結構的上方設有若干用於探測外界環境的探測孔，所述探測孔與腔體相連通，探測孔的內壁覆蓋有防粘層，且所述防粘層覆蓋封蓋基體與外界接觸的對應表面。所述封蓋基體包括用於與承載襯底鍵合連接的體式封蓋或薄膜封蓋；所述封蓋基體採用薄膜封蓋時，薄膜封蓋的第一表面與承載襯底相鍵合，探測孔貫通薄膜封蓋後與腔體相連通；所述探測孔的孔徑為I μ πΓ ΟΟ μ m。所述封蓋基體包括用於與承載襯底鍵合連接的體式封蓋或薄膜封蓋；所述封蓋基體採用體式封蓋時，體式封蓋的第一表面與承載襯底鍵合連接，第二表面覆蓋有防粘層；貫通體式封蓋的探測孔與腔體相連通，所述探測孔的孔徑為I μ πΓ ΟΟ μ m。所述封蓋基體包括用於與承載襯底鍵合連接的體式封蓋或薄膜封蓋；所述封蓋基體採用體式封蓋時，所述腔體的側壁上設有第一導電層，所述第一導電層上覆蓋有陽極氧化種子層；在腔體的底壁上形成多孔陽極物薄膜；探測孔為貫通多孔陽極氧化物薄膜的孔狀結構，且探測孔與貫通體式封蓋的第一窗口相連通，所述第一窗口位於探測孔的正上方，所述探測孔的孔徑為10nnTl μ m。所述封蓋基體包括用於與承載襯底鍵合連接的體式封蓋或薄膜封蓋；所述封蓋基體為體式封蓋時，所述體式封蓋的第一表面與承載襯底鍵合連接，第二表面覆蓋有第二導電層；貫通第二導電層的導電層開孔與貫通體式封蓋的第二窗口及位於第二窗口下方的腔體相連通；第二導電層上設置若干電紡纖維，位於導電層開孔上方的電紡纖維與導電層開孔間配合形成所需的探測孔，防粘層覆蓋第二窗口的內壁、導電層開孔的內壁、第二導電層及電紡纖維的表 面。所述多孔陽極氧化物薄膜包括氧化鈦薄膜、氧化鋁薄膜或氧化矽薄膜。所述防粘層的材料包括聚四氟乙烯(特氟龍)、聚對二甲苯、全氟癸羧酸、全氟辛基三氯矽烷、十八烷基三氯矽烷、二氯二甲基矽烷、氯代矽烷、氯氟矽烷、甲氧基矽烷、三氯矽烷、矽酮、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯或聚矽氮烷。本實用新型的優點:1、本實用新型提出的一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構，為晶片級封裝，封裝體積小，適用於更廣泛的場合。2、本實用新型提出的一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構的製造方法，為基於鍵合工藝的微加工技術，與傳感器製造工藝兼容，便於傳感系統的集成。3、本實用新型提出的一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構的製造方法，根據傳感器使用環境不同，可以採用不同的微納加工工藝，製作不同孔徑的過濾薄膜以及防粘層，實現方法靈活多樣。4、能夠有效防止環境中的顆粒雜質與油汙汙染與傳感器晶片的接觸，提高傳感器結構的適用範圍，保持傳感器結構的檢測精度，延長傳感器結構的使用壽命，減低使用成本，安全可靠。

圖廣圖5為本實用新型實施例1的具體實施工藝步驟剖視圖，其中圖1為本實用新型在體式封蓋內形成腔體並在第二表面形成掩膜層後的剖視圖。圖2為本實用新型在掩膜層內形成掩膜層開孔後的剖視圖。圖3為本實用新型在體式封蓋內形成探測孔後的剖視圖。圖4為本實用新型製作防粘層後形成封裝封蓋的剖視圖。圖5為本實用新型封裝封蓋與承載襯底鍵合連接後的剖視圖。圖圖12為本實用新型實施例2的具體實施工藝步驟剖視圖，其中圖6為本實用新型體式封蓋內形成腔體後的剖視圖。圖7為本實用新型在腔體的內壁通過重摻雜形成薄膜封蓋後的剖視圖。圖8為本實用新型體式封蓋與臨時襯底鍵合形成第一臨時鍵合體後的剖視圖。圖9為本實用新型得到探測孔及腐蝕腔體後的剖視圖。圖10為本實用新型製作防粘層後的剖視圖。圖11為本實用新型薄膜封蓋與承載襯底鍵合連接後的剖視圖。圖12為本實用新型去除體式封蓋及臨時襯底後形成薄膜封蓋與承載襯底連接後的剖視圖。圖13 圖18為本實用新型實施例3的具體實施工藝步驟剖視圖，其中圖13為本實用新型在體式封蓋內形成腔體後的剖視圖。圖14為本實用新型在腔體內壁及體式封蓋的第一表面上形成第一導電層及陽極氧化種子層後的剖視圖。圖15為本實用新型形成多孔陽極氧化物薄膜及探測孔後的剖視圖。圖16為本實用新型在體式封蓋內形成第一窗口且將第一窗口與探測孔連接後的首1J視圖。圖17為本實用新型製作防粘層形成封裝封蓋後的剖視圖。圖18為本實用新型將封裝封蓋與承載襯底鍵合連接後的剖視圖。圖19 圖26為本實用新型實施例4的具體實施工藝步驟剖視圖，其中，圖19為本實用新型在體式封蓋具體的第二表面上形成第二導電層後的剖視圖。圖20為本實用新型在第二導電層內形成導電層開孔後的剖視圖。圖21為本實用新型得到第二窗口及支架後的剖視圖。圖22為本實用新型形成第二鍵合體後的剖視圖。圖23為本實用新型在第二導電層上設置電紡纖維以形成所需的探測孔後的剖視圖。圖24為本實用新型製作防粘層後的剖視圖。圖25為本實用新型去除臨時襯底形成封裝封蓋後的剖視圖。圖26為本實用新型封裝封蓋與承載襯底鍵合連接後的剖視圖。附圖標記說明:1_承載襯底、2-傳感器結構、3-體式封蓋、4-掩膜層、5-掩膜層開孔、6-探測孔、7-防粘層、8-封裝封蓋、9-腔體、10-薄膜封蓋、11-臨時襯底、12-腐蝕阻擋層、13-腐蝕腔體、14-第一導電層、15-陽極氧化種子層、16-陽極氧化掩膜層、17-多孔陽極氧化物薄膜、18-第一窗口、19-第二導電層、20-導電層開孔、21-支架、22-第二窗口、23-金屬薄膜及24-電紡纖維與25-體式襯底。
具體實施方式
下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。為了能夠阻擋使用環境中的顆粒雜質及油汙汙染，本實用新型包括承載襯底I及位於所述承載襯底I上的傳感器結構2 ;所述承載襯底I上鍵合固定有封裝封蓋8，所述封裝封蓋8包括用於與承載襯底I鍵合連接的封蓋基體，所述封蓋基體內包括用於容納傳感器結構2的腔體9 ;封蓋基體與承載襯底I鍵合連接後，傳感器結構2伸入腔體9內；傳感器結構2的上方設有若干用於探測外界環境的探測孔6，所述探測孔6與腔體9相連通，探測孔6的內壁均覆蓋有防粘層7，且所述防粘層7覆蓋封蓋基體與外界接觸的對應表面。本實用新型實施例中，防粘層7在製備過程中也會覆蓋腔體9的內壁；承載襯底I可以採用常規的材料製備，其材料包括矽、氧化矽、碳化矽、氮化矽、氮化鎵、砷化鎵、磷矽玻璃、硼矽玻璃、石英玻璃、鍺、鍺化娃、氧化招、氮化招、碳化招、氮化鈦、氧化鈦、碳化鈦、氧化鋅、硫化鎘、締化鎘、磷化銦、鍺酸秘、氧化錫、氧化鐵、五氧化二fL、氧化錯、氧化鎂、氧化鎳、氧化鈷、氧化鉀-氧化鐵、鉻酸鎂-氧化鈦、氧化鋅-氧化鋰-氧化釩、硫化鋅、氮化銦、鎂鋁尖晶石、鋁酸鋰、鎵酸鋰、二硼化鋯或有機材料，此處不再一一列舉。傳感器結構2位於承載襯底I上，且傳感器結構2的敏感區域需要與外界環境接觸的傳感器結構，因此，傳感器結構2的類型包括溼度傳感器、氣體傳感器、壓力傳感器或化學傳感器。在承載襯底I上製備傳感器結構2為常規的過程，此處不再贅述。封蓋基體能與承載襯底I通過鍵合連接，封蓋基體的材料包括矽、金屬、陶瓷或有機材料，封蓋基體的材料選擇為常規的選擇，封蓋基體可以為體式封蓋3或薄膜封蓋10，根據不同的封裝體積及使用環境來進行選擇；當封蓋基體為體式封蓋3或薄膜封蓋10時，本實用新型實施例中的封裝封蓋8具有不同的結構，封裝封蓋8的具體結構通過下述實施例進行詳細描述。探測孔6的孔徑為IOnnTlOO μ m,探測孔6的孔徑大小由傳感器結構2工作的場所決定；探測孔6的孔徑要小於傳感器結構2工作場所顆粒雜質的外徑，以通過探測孔6能夠阻擋顆粒雜質通過探測孔6與傳感器結構2接觸。封蓋基體上的防粘層7能夠避免油汙粘附在傳感器結構2上及防止雜質顆粒粘附在封蓋基體上，從而能夠保持傳感器結構2的檢測精度，延長傳感器結構2的使用壽命，擴大傳感器結構2的適用範圍。防粘層7為薄膜結構，所述防粘層7的材料包括聚四氟乙烯(特氟龍)、聚對二甲苯、全氟癸羧酸、全氟辛基三氯矽烷、十八烷基三氯矽烷、二氯二甲基矽烷、氯代矽烷、氯氟矽烷、甲氧基矽烷、三氯矽烷、矽酮、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯或聚矽氮烷；且可以通過等離子增強型化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、熱絲化學氣相沉積或真空塗覆的方法製作防粘層7 ;可以通過所需的工藝來製備防粘層7。上述用於傳感器的開放式封裝結構，其對應的製造方法包括如下步驟:a、提供體式襯底25，選擇性地掩蔽和腐蝕所述體式襯底25，以在體式襯底25內形成所需的腔體9 ；b、利用上述形成腔體9的體式襯底25，製作所需孔徑的探測孔6，所述探測孔6位於所述腔體9底壁的正上方，並與腔體9相連通，以形成所需的封蓋基體；C、在上述封蓋基體上製作防粘層7，所述防粘層7覆蓋探測孔6的內壁及封蓋基體的外側表面；所述封蓋基體的外側表面是指封蓋基體與下述承載襯底I相接觸的另一側表面。本實用新型實施中，利用體式襯底25形成體式封蓋3及薄膜封蓋10，體式襯底25也具有第一表面及與所述第一表面相對應的第二表面，體式襯底25的第一表面與形成的體式封蓋3的第一表面及薄膜封蓋10的第一表面相對應；體式封蓋3的第二表面積薄膜封蓋10的第二表面為與所第一表面相對應的一個表面，下述相同。d、提供載有傳感器結構2的承載襯底1，將上述封蓋基體與承載襯底I對準並進行鍵合，以形成位於承載襯底I上鍵合固定的封裝封蓋8，得到所需的開放式封裝結構。下面通過實施例1、實施例2、實施例3和實施例4來說明本實用新型封裝封蓋8的結構及封裝封蓋8與承載襯底I間形成開放式封裝的具體製備過程。實施例1如圖5所示:本實施例中封蓋基體為體式封蓋3，所述體式封蓋3的第一表面與承載襯底I鍵合固定連接，傳感器結構2伸入體式封蓋3的腔體9內。體式封蓋3的第二表面上設置掩膜層4，所述掩膜層4內設有若干掩膜層開孔5，所述掩膜層開孔5位於腔體9底壁的正上方，掩膜層開孔5的正下方設有探測孔6，所述探測孔6的軸線與掩膜層開孔5的軸線位於同一直線上，且探測孔6的孔徑與掩膜層開孔5的孔徑相一致。體式封蓋3的第一表面與體式封蓋3的第二表面為兩個相對應的表面；本實用新型實施例中，體式封裝3的第一表面均為與承載襯底I相鍵合連接的表面，第二表面為遠離承載襯底I的表面，也即第二表面為與外部環境相接觸的表面，下述相同。防粘層7覆蓋在掩膜層4的表面，並覆蓋在掩膜層開孔5的內壁及探測孔6的內壁，且覆蓋在腔體9的內壁，所述腔體9的內壁包括腔體9的側壁及腔體9的底壁，探測孔6的一端開口位於腔體9的底壁上。掩膜層開孔5、探測孔6及腔體9間共同形成探測器結構2的探測通道。體式封蓋3及掩膜層4、探測孔6和防粘層7共同組成封裝封蓋8。本實施例中，可以通過相應的工藝過程使得腔體9的內壁不覆蓋防粘層7。如圖廣圖5所示:上述封裝結構可以通過下述工藝步驟製備得到，其中，所述承載襯底I為500 μ m厚的PyreX7740玻璃材料；傳感器結構2位於承載襯底I上方，為溼度傳感器；所述體式封蓋3位於承載襯底I上方，為375 μ m厚的體娃材料；所述掩膜層4位於體式封蓋3的上方，為500nm厚的二氧化娃薄膜；所述掩膜層開孔5位於掩膜層4內，孔徑為100 μ m ;所述探測孔6位於體式封蓋3內，孔徑為100 μ m ;所述防粘層7為薄膜結構，均勻塗覆在探測孔6的側壁以及體式封蓋3內腔體9的部分下表面和掩膜層4的上表面，其材料為聚四氟乙烯(特氟龍)。具體地包括:步驟1、如圖1所示，提供雙面拋光且表面晶向為〈100〉的矽片作為體式襯底25，在體式襯底25的第一表面使用濃度為40%的氫氧化鉀溶液進行溼法腐蝕，以在體式襯底25內製作得到深度為200 μ m的腔體9，腔體9呈喇叭狀，腔體9的開口小於體式襯底25第一表面的寬度；在體式襯底25的第二表面使用等離子體化學氣相沉積的方法沉積500nm後的二氧化矽薄膜，作為掩膜層4;步驟2、如圖2所示，選擇性地掩蔽和腐蝕掩膜層4，使用濃度為1%的氫氟酸水溶液對掩膜層4進行圖形化，以在掩膜層4內形成直徑為100 μ m的掩膜層開孔5，所述掩膜層開孔5貫通掩膜層4且呈圓形；步驟3、如圖3所示，以圖形化後的掩膜層4作為研磨，對體式襯底25使用四氟化碳-氧氣混合氣體進行反應離子刻蝕，直至形成通孔，以得到探測孔6，所述探測孔6與掩膜層開孔5及腔體9相連通，以形成體式封蓋3 ;本實施例中製備探測孔6的孔徑範圍為I μ m 100 μ m ；步驟4、如圖4所示，使用熱絲化學氣相沉積的方法，在體式封蓋3及掩膜層4表面沉積一層厚度約為30nm的聚四氟乙烯的防粘層7，防粘層7能夠完全覆蓋探測孔6的側壁以及體式封蓋3的部分下表面及掩膜層4的上表面，即防粘層7覆蓋在腔體9的內壁、探測孔6的內壁、掩膜層開孔5的內壁以及掩膜層4的上表面，以形成封裝封蓋8 ；步驟5、如圖5所示，提供載有傳感器結構2的承載襯底I，將上述封裝封蓋8與承載襯底I對準並進行鍵合，形成最終的封裝結構，鍵合的方式為使用中間物的焊料鍵合。實施例2如圖12所不:本實施例中封蓋基體為薄膜封蓋10,其中薄膜封蓋10為由體式襯底25通過相應工藝得到，採用薄膜封蓋10能進一步減小整個封裝結構封裝後的體積。所述薄膜封蓋10的第一表面與承載襯底I鍵合固定連接，傳感器結構2伸入薄膜封蓋10的腔體9內。薄膜封蓋10呈凸臺狀，探測孔6位於傳感器結構2的正上方，探測孔6貫通薄膜封蓋10，並與腔體9相連通。防粘層7覆蓋在探測孔6的內壁，並覆蓋在腔體9的內壁，所述腔體9的內壁包括腔體9的側壁及腔體9的底壁，探測孔6的一端開口位於腔體9的底壁上。掩探測孔6及腔體9間共同形成探測器結構2的探測通道。薄膜封蓋10、探測孔6和防粘層7共同組成封裝封蓋8。如圖6 圖12所示:上述封裝結構可以通過下述工藝步驟製備得到，其中，所述承載襯底I為500 μ m厚度的PyreX7740玻璃材料；傳感器結構2位於承載襯底I上，為溼度傳感器；所述薄膜封蓋10位於襯底I上方，為10 μ m厚的重摻雜P型矽材料；所述探測孔6位於薄膜封蓋10內，孔徑為50 μ m ;所述防粘層7為薄膜結構，均勻塗覆在探測孔6的側壁以及薄膜封蓋10的部分上下表面，其材料為聚四氟乙烯(特氟龍)。具體包括:步驟1、如圖6所示，提供雙面拋光且表面晶向為〈100〉的矽片作為體襯底25，在體式襯底25的第一表面一側使用濃度為40%的氫氧化鉀溶液進行溼法腐蝕，製作200 μ m深的以容納傳感器結構2的腔體9 ；步驟2、如圖7所示，對體襯底25的第一表面及腔體9的內壁進行圖形化，並對體式襯底25的第一表面進行硼的重摻雜，以在腔體9的內壁內形成IOym厚的重摻雜層，所述重摻雜層的摻雜濃度5 X IO19每平方釐米，作為薄膜封蓋10，其中，在腔體9的底壁保留有若干未進行硼摻雜的區域，所述未進行硼重摻雜的區域與摻雜區域交替分布，以能夠通過未重摻雜區域形成所需的探測孔6 ;步驟3、如圖8所示，提供臨時襯底11，所述臨時襯底11的材料為矽；在臨時襯底11的一個表面上塗覆腐蝕阻擋層12，所述腐蝕阻擋層12為聚醯亞胺粘合膠；然後將臨時襯底11設置腐蝕阻擋層12的表面與上述體式襯底25的第二表面進行臨時鍵合，形成第一臨時鍵合體；步驟4、如圖9所示，使用EDP (乙二胺-聯氨-鄰苯二酚)腐蝕液對通過薄膜封蓋10上方的未重摻雜區域對體式襯底25進行各項同性的溼法腐蝕，控制腐蝕時間，使薄膜封蓋10中未重摻雜區域完全腐蝕，以形成探測孔6並且保證臨時襯底11與體式襯底25不被完全腐蝕；同時在體式襯底25內形成腐蝕腔體13，所述腐蝕腔體13與探測孔6相連通，臨時襯底11通過腐蝕阻擋層12不會被腐蝕；同時體式襯底25的第一表面及腔體9內壁形成薄膜封蓋10的區域不會被腐蝕；步驟5、如圖10所示，使用熱絲化學氣相沉積的方法，在體式襯底25的內表面、薄膜封蓋10的側壁及上下表面沉積一層厚度約為30nm的聚四氟乙烯的防粘層7 ;通過上述方法沉積後，防粘層7覆蓋在腔體9的內壁及探測孔6的內壁與腐蝕腔體13的內壁；步驟6、如圖11所示，提供載有傳感器結構2的承載襯底1，將上述經過步驟5工藝後的第一臨時鍵合體與承載襯底I對準並進行鍵合，形成封裝過渡結構，薄膜封蓋10與承載襯底I鍵合的方式為陽極鍵合；步驟7、如圖12所示，再次使用EDP腐蝕液將上述位於薄膜封蓋10上的體式襯底25去除，從而剝離臨時襯底11以及腐蝕阻擋層12，形成由薄膜封蓋10作為傳感器封裝封蓋8的主體的封裝結構。將上述臨時襯底11及體式襯底25去除後，貫通薄膜封蓋10的探測孔6才能與外部環境接觸，從而傳感器結構2通過腔體9及探測孔6與外界環境接觸。薄膜封蓋10相對於實施例1中的形成封裝封蓋8後的體式封蓋3，能夠減小最終形成封裝結構的體積。實施例3如圖18所示:本實施例中封蓋基體為體式封蓋3，所述體式封蓋3的第一表面與承載襯底I鍵合固定連接，傳感器結構2伸入體式封蓋3的腔體9內。所述腔體9的側壁上設有第一導電層14，所述第一導電層14上覆蓋有陽極氧化種子層15 ;在腔體9的底壁上形成多孔陽極氧化物薄膜17，探測孔6為貫通多孔陽極氧化物薄膜17的孔狀結構，且探測孔6與貫通體式封蓋3的第一窗口 18相連通，所述第一窗口 18位於探測孔6的正上方。體式封蓋3的第二表面上覆蓋防粘層7，且所述防粘層7還覆蓋在腔體9內壁上的陽極氧化種子層15、第一窗口 18的內壁、探測孔6的內壁以及相應多孔陽極氧化物薄膜17的表面，第一窗口 18、探測孔6及腔體9間共同形成探測器結構2的探測通道。體式封蓋3、防粘層
7、第一導電層14、陽極氧化種子層15、多孔陽極氧化物薄膜17、探測孔6、腔體9及第一窗口 18共同配合形成封裝封蓋8。如圖13 圖18所示:上述封裝結構可以通過下述工藝步驟製備得到，其中，所述承載襯底I為500 μ m厚的PyreX7740玻璃材料；傳感器結構2位於承載襯底I上，為溼度傳感器；所述體式封蓋3位於承載襯底I上方,為375 μ m厚的體娃材料；所述第一導電層14為30nm金薄膜；所述陽極氧化種子層15為1.5 μ m後的鋁薄膜；所述多孔陽極氧化物薄膜17的厚度為2.3 μ m ;所述第一窗口 18為圓形，直徑為50 μ m ;所述探測孔6位於多孔陽極氧化物薄膜17中，平均孔徑為IOOnm ;所述防粘層7為薄膜結構，均勻塗覆在探測孔6的側壁、體式封蓋3的上表面、陽極氧化種子層15的部分下表面以及多孔多孔陽極氧化物薄膜17的上下表面，其材料為聚四氟乙烯(特氟龍)。具體地:步驟1、如圖13所示，提供雙面拋光且表面晶向為〈100〉的矽片作為體式襯底25，在體式襯底25的第一表面使用濃度為40%的氫氧化鉀溶液進行溼法腐蝕，製作200 μ m深的以容納傳感器結構2的腔體9 ；[0081]步驟2、如圖14所示，在腔體9的內表面使用磁控濺射的方法依次沉積5nm鈦和20nm金作為導電層14，再使用磁控濺射的方法沉積1.5 μ m厚度的陽極氧化種子層15，所述陽極氧化種子層15的材料為鋁；步驟3、如圖15所示，對陽極氧化種子層15進行圖形化處理，以光刻膠為掩膜，即陽極氧化掩膜層16為光刻膠；使用稀硫酸溶液作為反應溶液，保持溶液溫度30攝氏度以及陽極氧化電壓20伏特，形成含有平均直徑為IOOnm的探測孔6的多孔陽極氧化物薄膜17 ；所述探測孔6從第一導電層14向下延伸後貫通多孔陽極氧化物薄膜17 ;得到探測孔6及多孔陽極氧化物薄膜17後，將陽極氧化掩膜層16去除，以便於進行後續的操作步驟；本實施例中，多孔陽極氧化物薄膜17為氧化鋁薄膜，另外，多孔陽極氧化物薄膜17還可以為氧化鈦薄膜、氧化矽薄膜或其他一些氧化物薄膜，此處不再一一列舉；本實施例中得到探測孔6的孔徑為IOnnTl μ m ；步驟4、如圖16所示，對體式襯底25的第二表面選擇性地掩蔽和刻蝕，以對體式襯底25的第二表面進行圖形化，使用四氟化碳-氧氣混合氣體對體式襯底25進行反應離子刻蝕，製作出第一窗口 18,所述第一窗口 18從體式襯底25的第二表面向下延伸至第一導電層14的表面；製作出第一窗口 18後，再使用三氯化硼氣體對暴露的第一導電層14進行反應離子刻蝕，即對與第一窗口 18接觸的第一導電層14進行反應離子刻蝕，使多孔陽極氧化物薄膜17通過第一窗口 18與外界環境接觸；從而得到體式封蓋3 ；步驟5、如圖17所示，使用熱絲化學氣相沉積的方法，在探測孔6的側壁、體式封蓋3的第二表面、陽極氧化種子層15的部分下表面以及多孔陽極氧化物薄膜17的上下表面沉積一層厚度約為30nm的聚四氟乙烯的防粘層7，形成製造完成的封裝封蓋8。本實用新型實施例中，除陽極氧化種子層15需要與承載襯底I鍵合接觸的部分夕卜，體式封蓋3的第二表面、第一窗口 18的內壁、陽極氧化種子層15對應形成腔體9的表面及多孔陽極氧化物薄膜17的上、下表面均覆蓋防粘層7。但陽極氧化種子層15對應與承載襯底I鍵合接觸的部分覆蓋防粘層7後，也不會影響封裝封蓋8與承載襯底I的鍵合過程。陽極氧化種子層15對應與承載襯底I鍵合接觸的部分覆蓋防粘層7不影響鍵合過程，為本技術領域的常規知識，不再贅述。步驟6、如圖18所示，提供載有傳感器結構2的承載襯底I，將上述封裝封蓋8與承載襯底I對準並進行鍵合，形成最終的封裝結構，鍵合的方式為使用中間物的焊料鍵合。通過本實施例製備探測孔6及防粘層7過程，能夠使得探測孔6的孔徑變得較小，以滿足更多要求嚴格的使用場所。實施例4如圖26所示:本實施例中封蓋基體為體式封蓋3，所述體式封蓋3的第一表面與承載襯底I相接觸，第二表面覆蓋有第二導電層19 ;貫通第二導電層19的導電層開孔20與貫通體式封蓋3的第二窗口 22及位於第二窗口 22下方的腔體9相連通；第二導電層19上設置若干電紡纖維24，位於導電層開孔20上方的電紡纖維24與導電層開孔20間配合形成所需的探測孔6，防粘層7覆蓋腔體9的內壁、第二窗口 22的內壁、導電層開孔20的內壁、第二導電層19及電紡纖維24。體式封蓋3內形成第二窗口 22的同時，得到支架21 ;導電層開口 20與第二窗口 22具有相同的形狀，探測孔6的孔徑小於導電層開口 20及第二窗口22的直徑；電紡纖維24在第二導電層19上交錯分布。體式封蓋3、支架21、第二窗口 22、第二導電層19、導電層開孔20、電紡纖維24、探測孔6以及防粘層7共同組成封裝封蓋8。腔體9、第二窗口 22、導電層開口 20及對應的探測孔6形成傳感器結構2的探測導通。通過電紡纖維24與導電層開口 20形成探測孔6，使得較大直徑的顆粒雜誌依然不能通過探測通道後與傳感器結構2接觸，以保持傳感器結構2進行探測的精度。如圖1iT圖26所示:上述封裝結構可以通過下述工藝步驟製備得到，其中，所述承載襯底I為500 μ m厚度的PyreX7740玻璃材料；傳感器結構2位於承載襯底I上，為溼度傳感器；所述體式封蓋3位於承載襯底I上方，為375 μ m厚的體娃材料；所述第二導電層19為IOnm鉻與150nm招形成的複合薄膜；所述電紡纖維24為平均直徑IOOnm的聚醚聚脲聚氨酯；所第二述窗口 22和導電層開孔20為圓形，直徑為100 μ m，其間距也為IOOym (即支架21的截面寬度)；所述探測孔6的平均孔徑為10 μ m ;所述防粘層7為薄膜結構，均勻塗覆在體式封蓋3部分下表面、電紡纖維24表面、探測孔6側壁、第二窗口 22、導電層開孔20的側壁以及第二導電層19上表面，其材料為聚四氟乙烯(特氟龍)。具體包括:步驟I如圖19所示，提供雙面拋光且表面晶向為〈100〉的矽片作為體式襯底25，在體式襯底25的第一表面側使用濃度為40%的氫氧化鉀溶液進行溼法腐蝕，製作200 μ m深的以容納傳感器結構2的腔體9 ;然後在體式襯底25的第二表面使用磁控濺射的方法依次沉積IOnm鉻與150nm厚鋁的複合薄膜，作為腐蝕掩膜層和第二導電層19 ；步驟2、如圖20所示，選擇性地掩蔽和腐蝕第二導電層19，以對第二導電層19進行圖形化；其中，使用PS70-10腐蝕液對第二導電層19的鋁進行腐蝕，以得到貫通第二導電層19的導電層開孔20，即導電層開孔20從第二導電層19表面延伸到體式襯底25的第二表面；步驟3、如圖21所示，使用四氟化碳-氧氣混合氣體，以圖形化後的第二導電層19為掩膜，對體式襯底25進行反應離子刻蝕，直至形成通孔，得到第二窗口 22，同時在體式封蓋3內在得到第二窗口 22後形成支架21，支架21間隔相鄰的第二窗口 22 ;支架21上具有第二導電層19 ;經過上述工藝步驟後，得到體式封蓋3 ；步驟4、如圖22所示，提供一帶有I μ m金屬薄膜23的臨時襯底11，所述金屬薄膜23的材料為鋁，臨時襯底11的材料為矽；將臨時襯底11與帶有第二導電層19的體式封蓋3臨時鍵合，組成第二臨時鍵合體；鍵合時，體式封蓋3的第一表面與金屬薄膜23相接觸，已通過金屬薄膜23與臨時襯底11固定；步驟5、如圖23所示，對聚醚聚脲聚氨酯電紡溶液充以正電荷，向第二臨時鍵合體噴射電紡液，在第二導電層19表面形成電紡纖維24，電紡纖維24交錯分布於支架21上的第二導電層19及體式封蓋3上的第二導電層19上；通過電紡纖維24能夠遮擋部分導電層開孔20的孔徑，即能夠降低傳感器結構2通過導電層開孔20的接觸尺寸，也即電紡纖維24與導電層開孔20配合形成探測孔6 ;本實用新型實施例中，第二導電層19及金屬薄膜23為用於製作電紡纖維24中需要使用的工藝層；探測孔6的大小由電紡纖維24的直徑及分布決定；本實施例中，探測孔6的孔徑為Iym 100 u m ；步驟6、如圖24所示，使用熱絲化學氣相沉積的方法，在體式封蓋3部分下表面、電紡纖維24表面、探測孔6側壁、第二窗口 22和導電層開孔20的側壁以及第二導電層19上表面沉積一層厚度約為30nm的聚四氟乙烯的防粘層7 ;本實用新型實施例中，在製作防粘層7時，金屬薄膜23與腔體9相對應的表面也會形成防粘層7。[0097]步驟7、如圖25所示，將臨時襯底11與體式封蓋3剝離，形成製造完整的封裝封蓋8 ;臨時襯底11與體式封蓋3的解鍵合過程為現有的常規過程，此處不再贅述；步驟8、如圖26所示，提供載有傳感器結構2的承載襯底I，將上述封蓋結構8與承載襯底I對準並進行鍵合，形成最終的封裝結構，鍵合的方式為使用中間物的焊料鍵合。如圖f圖26所示:本實用新型在承載襯底I上鍵合固定封裝封蓋8，所述封裝封蓋8包括容納傳感器結構2的腔體9、用於傳感器結構2探測外界環境的探測孔6及用於防止油汙汙染的防粘層7 ;通過探測孔6、腔體9及連接探測孔6與腔體9間的通道形成傳感器結構2的探測通道，即得到本實用新型傳感器解構的開放式封裝。根據傳感器結構2的使用場合來設置對應孔徑的探測孔6，能有效濾除環境中的顆粒雜質與傳感器結構2的粘附；可以通過多種方法製備得到探測孔6，加工製作方便。本實用新型提出的一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構，為晶片級封裝，封裝體積小，適用於更廣泛的場合。本實用新型提出的一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構的製造方法，為基於鍵合工藝的微加工技術，與傳感器製造工藝兼容，便於傳感系統的集成。本實用新型提出的一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構的製造方法，根據傳感器使用環境不同，可以採用不同的微納加工工藝，製作不同孔徑的過濾薄膜以及防粘層，實現方法靈活多樣。能夠有效防止環境中的顆粒雜質與油汙汙染與傳感器晶片的接觸，提高傳感器結構的適用範圍，保持傳感器結構的檢測精度，延長傳感器結構的使用壽命，減低使用成本，安全可靠。上述實施例可以用來說明本實用新型的結構和製造過程，但本實用新型的實施絕不僅限於上述實施例。在不脫離本實用新型及所附的權利要求的範圍內，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本實用新型的保護範圍不局限於實施例和附圖所公開的內容。
權利要求1.一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構，包括承載襯底(I)及位於所述承載襯底(I)上的傳感器結構(2);其特徵是:所述承載襯底(I)上鍵合固定有封裝封蓋(8)，所述封裝封蓋(8)包括用於與承載襯底(I)鍵合連接的封蓋基體，所述封蓋基體內包括用於容納傳感器結構(2)的腔體(9);封蓋基體與承載襯底(I)鍵合連接後，傳感器結構(2)伸入腔體(9)內；傳感器結構(2)的上方設有若干用於探測外界環境的探測孔(6)，所述探測孔(6)與腔體(9)相連通，探測孔(6)的內壁覆蓋有防粘層(7)，且所述防粘層(7)覆蓋封蓋基體與外界接觸的對應表面。
2.根據權利要求1所述的用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其特徵是:所述封蓋基體包括用於與承載襯底(I)鍵合連接的體式封蓋(3)或薄膜封蓋(10);所述封蓋基體採用薄膜封蓋(10)時，薄膜封蓋(10)的第一表面與承載襯底(I)相鍵合，探測孔(6)貫通薄膜封蓋(10)後與腔體(9)相連通；所述探測孔(6)的孔徑為ΙμπΓ ΟΟμπι。
3.根據權利要求1所述的用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其特徵是:所述封蓋基體包括用於與承載襯底(I)鍵合連接的體式封蓋(3)或薄膜封蓋(10);所述封蓋基體採用體式封蓋(3)時，體式封蓋(3)的第一表面與承載襯底(I)鍵合連接，第二表面覆蓋有防粘層(7);貫通體式封蓋(3)的探測孔(6)與腔體(9)相連通，所述探測孔(6)的孔徑為I μ m 100 μ m。
4.根據權利要求1所述的用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其特徵是:所述封蓋基體包括用於與承載襯底(I)鍵合連接的體式封蓋(3 )或薄膜封蓋(10 );所述封蓋基體採用體式封蓋(3)時，所述腔體(9)的側壁上設有第一導電層(14)，所述第一導電層(14)上覆蓋有陽極氧化種子層(15);在腔體(9)的底壁上形成多孔陽極物薄膜(17);探測孔(6)為貫通多孔陽極氧化物薄膜(17)的孔狀結構，且探測孔(6)與貫通體式封蓋(3)的第一窗口( 18)相連通，所述第一窗口(18)位於探測孔(6)的正上方，所述探測孔(6)的孔徑為IOnnTl μ m。
5.根據權 利要求2所述的用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其特徵是:所述封蓋基體包括用於與承載襯底(I)鍵合連接的體式封蓋(3)或薄膜封蓋(10);所述封蓋基體為體式封蓋(3)時，所述體式封蓋(3)的第一表面與承載襯底(I)鍵合連接，第二表面覆蓋有第二導電層(19);貫通第二導電層(19)的導電層開孔(20)與貫通體式封蓋(3)的第二窗口(22)及位於第二窗口(22)下方的腔體(9)相連通；第二導電層(19)上設置若干電紡纖維(24)，位於導電層開孔(20)上方的電紡纖維(24)與導電層開孔(20)間配合形成所需的探測孔(6)，防粘層(7)覆蓋第二窗口(22)的內壁、導電層開孔(20)的內壁、第二導電層(19)及電紡纖維(24)的表面。
6.根據權利要求4所述的用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其特徵是:所述多孔陽極氧化物薄膜(17)包括氧化鈦薄膜、氧化鋁薄膜或氧化矽薄膜。
7.根據權利要求1所述的用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其特徵是:所述防粘層(7)的材料包括聚四氟乙烯特氟龍、聚對二甲苯、全氟癸羧酸、全氟辛基三氯矽烷、十八烷基三氯矽烷、二氯二甲基矽烷、氯代矽烷、氯氟矽烷、甲氧基矽烷、三氯矽烷、矽酮、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯或聚矽氮烷。
專利摘要本實用新型涉及一種用於傳感器晶片的開放式封裝結構，其包括承載襯底及位於所述承載襯底上的傳感器結構；所述承載襯底上鍵合固定有封裝封蓋，所述封裝封蓋包括用於與承載襯底鍵合連接的封蓋基體，所述封蓋基體內包括用於容納傳感器結構的腔體；封蓋基體與承載襯底鍵合連接後，傳感器結構伸入腔體內；傳感器結構的上方設有若干用於探測外界環境的探測孔，所述探測孔與腔體相連通，探測孔的內壁及腔體的內壁均覆蓋有防粘層，且所述防粘層覆蓋封蓋基體與外界接觸的對應表面。本實用新型實現晶片級封裝，體積小，能夠有效防止環境中的顆粒雜質與油汙汙染與傳感器晶片的接觸，與傳感器晶片製造工藝兼容，適應範圍廣，安全可靠。
文檔編號B81B1/00GK202988702SQ20122049156
公開日2013年6月12日 申請日期2012年9月24日 優先權日2012年9月24日
發明者秦毅恆, 明安傑, 張昕, 譚振新 申請人:江蘇物聯網研究發展中心