CN100515922C - 具有隔膜的传感器以及制作它的方法 - Google Patents

Abstract

一种传感器装置，包括电路芯片、粘合膜以及通过粘合膜固定在电路芯片上的传感器芯片。传感器芯片包括具有前表面和后表面的衬底、置于衬底后表面的凹腔以及置于衬底的前表面以盖住凹腔的隔膜。在传感器芯片与电路芯片之间放置粘合膜以便形成连接凹腔与凹腔外部的通路。

Description

具有隔膜的传感器以及制作它的方法

技术领域

本发明涉及具有隔膜的传感器以及制作它的方法。

背景技术

叠置结构型传感器装置包括利用粘合剂接合在电路芯片上的含有隔膜的传感器芯片。传感器芯片包括半导体衬底，例如硅衬底。刻蚀衬底的一面以形成凹腔。然后，在衬底的另一面形成由绝缘膜或衬底自身形成的隔膜以使衬底的凹腔被隔膜覆盖。

在传感器装置用作加速度传感器或角速度传感器的情况下，则隔膜具有用于探测电容的梳齿状敏感部分。梳齿状敏感部分的间隙提供一条通路将空气由凹腔内传送到凹腔外。因此，即使凹腔内的空气热膨胀，空气也可通过通路释放。

然而，在传感器装置用作红外传感器或压力传感器的情况下，衬底的凹腔被隔膜气密性封闭。因此如果制作这种装置，由于凹腔内空气的热膨胀而向隔膜施加压力。这样，隔膜有可能因受压而破裂。

在日本专利申请出版物No.2002-33341中公布了一种技术。在电路芯片上固定传感器芯片的一面形成凸形部分。这样，将传感器芯片固定在凸形部分上从而形成释放空气的间隙。在传感器芯片与电路芯片之间除凸形部分以外的部分形成间隙。然而，制造具有凸形部分的电路芯片有困难。

此外，粘合剂是例如芯片粘合胶的液体粘合剂。这项技术是公开在例如日本专利申请出版物No.H07-58134中。当使用粘合剂将传感器芯片固定在电路芯片上时，粘合剂可能会漫延(crawl up)到传感器芯片上。因此，粘合剂可能粘住隔膜，从而导致传感器芯片性能降低。而且，隔膜可移动部分可能被固定住导致传感器装置不工作。这样，具有传感器芯片的叠置结构型传感器装置的可靠性降低。

发明内容

由于上述问题，本发明的一个目的是提供一种具有传感器芯片的叠置结构型传感器装置。尤其是该传感器装置具有高可靠性。

本发明的另一目的是提供一种用于制作具有传感器芯片的叠置结构型传感器装置的方法。

传感器装置包括电路芯片、粘合膜以及通过粘合膜安装在电路芯片上的传感器芯片。传感器芯片包括具有前表面和后表面的衬底、置于衬底后表面上的凹腔以及置于衬底前表面上的隔膜以使该隔膜覆盖凹腔。粘合膜置于传感器芯片与电路芯片之间以形成连接凹腔与凹腔外的通路。

在上述传感器装置中，粘合在传感器芯片与电路芯片之间的粘合膜不漫延。此外，阻止了分布在衬底凹腔内的空气由于热膨胀而向隔膜产生压力。因此，该传感器装置具有高可靠性。

此外，提供了一种用于制作上述传感器装置的方法。该方法包括在粘合膜内形成通路以及通过粘合膜将传感器芯片粘合到电路芯片上的步骤。在利用上述方法制作的传感器装置中，粘合在传感器芯片与电路芯片之间的粘合膜不漫延(crawl up)。此外，阻止了分布在衬底凹腔内的空气由于热膨胀而向隔膜产生压力。因此，该传感器装置具有高可靠性。

附图说明

通过下面参照附图的详细描述，本发明的上述以及其它目的、特征、优点将更加明显。在图中：

图1A是根据本发明的第一实施例的传感器装置的剖面图，图1B是解释传感器芯片与粘合膜之间关系的平面示意图；以及

图2A至2C是解释根据第一实施例改进的其它传感器装置中传感器芯片与粘合膜之间关系的平面示意图。

具体实施方式

具有隔膜的传感器芯片通过粘合膜安装在电路芯片上因而形成传感器装置。该装置被称作叠置结构型传感器装置。该装置适用于红外传感器、湿度传感器、气体传感器、流量传感器、加速度传感器或角速度传感器。

在本发明的一种优选实施方案中，传感器装置的传感器芯片是利用热电偶的电动势探测红外光的热堆(thermo-pile)型红外传感器。图1A和1B示出了根据优选实施方案的传感器装置S1。传感器装置S1包括传感器芯片10和电路芯片40。具有隔膜20的传感器芯片10通过粘合膜30安装在电路芯片上。

传感器芯片10由例如单晶硅衬底制成。利用蚀刻以及类似的方法在传感器芯片10的后表面11形成凹腔13。凹腔13的开口是矩形，如图1B所示。

薄膜层20b置于传感器芯片10(即衬底14)的几乎全部前表面12上。薄膜层20b包括各种线路层、各种膜层以及类似的层，因而薄膜层20b提供一种多层结构。薄膜层20b还包括置于衬底14的凹腔13上的隔膜20，该隔膜气密性地覆盖凹腔13。

具体而言，薄膜层20b的多层结构包括例如氮化硅膜21、氧化硅膜22、多晶硅线路层23、层间绝缘膜24、铝线路层25以及钝化膜26，并依此次序在传感器芯片10的前表面12上形成。

在传感器芯片10的几乎全部前表面12上形成氮化硅膜21和氧化硅膜22。利用化学气相沉积(即CVD)以及类似的方法形成氧化硅膜22和氮化硅膜21。氮化硅膜21和氧化硅膜22分别提供绝缘膜。

在氧化硅膜22上形成多晶硅线路层23。具体而言，线路层23被设置在从凹腔13的中心至设置在隔膜20(即凹腔13)之外的衬底14之间。利用CVD以及类似的方法形成线路层23。线路层23由N⁺型多晶硅制成，其中含有杂质因而可降低线路电阻。

在线路层23以及氧化硅膜22的一部分上形成层间绝缘膜24，在氧化硅膜22的所述部分上没有形成线路层23。层间绝缘膜24起着薄膜层20b中每个线路层的电绝缘的作用。利用CVD以及类似的方法形成层间绝缘膜24。层间绝缘膜24由掺氧化硼和含磷氧化物的二氧化硅膜(即BPSG膜，掺硼的磷硅酸盐玻璃膜)制成。

在层间绝缘膜24上形成铝线路层25以在相互相邻的多晶硅线路层23之间连接。利用溅射方法、气相沉积方法或类似方法形成铝线路层25。铝线路层25由铝和硅制成，即铝线路层25由铝硅合金(即A1-Si合金)制成。铝线路层25通过层间绝缘膜24中的接触孔与多晶硅线路层23电连接。

具体而言，多个多晶硅线路层23与多个铝线路层25串联连接以提供红外传感器S1的热电偶。每一线路层23、25具有预定的图形，提供众所周知的热堆(thermo pile)型红外传感器，因此由于赛贝克效应在多晶硅线路层23与铝线路层25的连接部分25a处产生电动势。这样，线路层23、25提供热电偶。

热电偶具有一个电极片。具体而言，在铝线路层25的一端形成铝片25b作为该电极片。此处，铝线路层25的另一端与连接部分25a连接。铝电极片25b电连接热电偶与外电路。

置于凹腔13上的连接部分25a提供一热结(即测量结)。置于凹腔13外(即置于衬底14上)的连接部分25a提供一冷结(即参考结)。热结和冷结之间的温度差产生电势差(即电压)。该电压通过铝电极片25b输出到外电路。

在铝线路层25以及未形成铝线路层25的层间绝缘膜24上形成钝化膜26。利用CVD方法以及类似的方法形成钝化膜26。钝化膜26由氮化硅膜、四乙基原硅酸盐膜(tetra-ethly-ortho-silicate film，即TEOS膜)或类似膜制成。钝化膜26有一开口用于露出铝电极片25b。

这样薄膜层20b包括层23、25以及膜21、22、24、26。此外还在隔膜20上形成红外吸收膜27。具体而言，红外吸收膜27置于凹腔13的中央以覆盖作为热结的连接部分25a。

红外吸收膜27吸收红外光使热结即连接部分25a的温度有效地增加。红外吸收膜27由经退火并硬化的含碳的聚酯树脂制成。

这样，传感器芯片10包括置于衬底14的后侧表面11上的凹腔13以及置于衬底14的前表面12上用于盖住凹腔13的隔膜20。

接下来，传感器芯片按如下步骤制作。首先，准备单晶硅衬底(即单晶硅晶片)用于形成传感器芯片10。此处，加工晶片以制作传感器芯片10。因此，在晶片上制作多个传感器芯片10后，晶片被划片并切割(即dicing-cut)以形成独立的传感器芯片10。

接下来，在晶片上形成将作为传感器芯片10的前表面12的薄膜层20b。具体而言，利用CVD方法以及类似方法在晶片上形成氮化硅膜21和氧化硅膜22。然后，在氧化硅膜22上形成多晶硅，然后将多晶硅刻蚀成预定的图形以形成多晶硅线路层23。

接下来，形成层间绝缘膜24，并利用光刻方法和类似的方法在层间绝缘膜24中的预定位置形成接触孔。然后，利用溅射方法、气相沉积方法或类似方法形成A1-Si合金膜。再然后，利用光刻方法和类似的方法将Al-Si合金膜刻蚀成预定的图形以形成铝线路层25以及铝电极片25b。

然后，利用CVD方法以及类似的方法形成钝化膜26，并利用光刻方法以及类似方法将钝化膜26刻蚀成预定图形因而在钝化膜26中形成用于露出铝电极25b的开口。

接下来，刻蚀晶片上没有形成薄膜层20b的另一面以形成凹腔13。晶片的另一面将是衬底14的后表面11。在此工艺中，用由抗刻蚀材料制成的掩模覆盖将是前表面12的晶片的一侧以及晶片的侧壁。然后，将晶片浸入碱性刻蚀剂如氢氧化钾(即KOH)溶液或四甲基氢氧化铵(即TMAH)溶液中以便在将是衬底14的后表面11的晶片的另一侧形成凹腔13。

然后，形成红外吸收膜27。这样就形成了传感器芯片10。然后将晶片划片并切割成独立的传感器芯片10。

利用粘合膜30将传感器芯片10安装在电路芯片40上。具体而言，传感器芯片10的后表面11粘合到电路芯片40上。粘合膜30由含有硅酮树脂(silicone resin)、聚酰亚胺树脂、环氧树脂或类似材料的粘性膜制成。该粘性膜是固体膜。该粘性膜可作为商业产品获得。

如图1B所示，粘合膜30置于传感器芯片10与电路芯片40之间，并在凹腔13之外。粘合膜30有一凹口31使粘合膜30具有C形。因此，在传感器芯片10与电路芯片40之间凹口31处不放置粘合膜30。凹腔13通过凹口31与凹腔13外部相连。具体而言，凹口31作为凹腔13与外部之间的通路。具体而言，粘合膜30具有预定的厚度，它提供通路使凹腔内的空气充分地穿过通路。

虽然在图1B中粘合膜30具有凹口31，粘合膜30还可具有图2A至2C中所示的其它形状。如图2A和2b所示，粘合剂具有一对线条形或四点形。在图2A中，一对凹口31置于粘合膜30的线之间，因此在每一凹口31上都设有通路。在图2B中，在粘合膜30的四个点之间置有四个凹口31，因此在粘合膜30的四个点之间形成四个通路，即每一通路置于传感器芯片10的每一边。

此外，在图2C中，粘合膜30具有方环形的形状。将粘合膜30的方环形放置在方形的传感器芯片上使粘合膜30的边与传感器芯片10的边成45度夹角。具体而言，粘合膜30绕传感器芯片10的中心转45度形成。因此凹腔13的四个角设置在粘合膜30之外，所以这四个角提供通路。

传感器装置S1用作下述的红外传感器。放置在隔膜20中央的连接部分25a的热结具有小热导率，该热导率小于放置在隔膜20外(即放置在衬底14上)的连接部分25a的冷结的热导率。此外，与冷结的温度升高相比较，红外吸收膜27加强了热结的温度升高。因此，当红外光照到隔膜20上即隔膜受到红外光照射时，热结的温度高于冷结的温度。然后，热结和冷结之间的温度差产生电势差即热电偶的电压。热电偶由多晶硅线路层23和铝线路层25提供。然后，电压从铝电极片25b输出。因此该电压对应于红外光，因而装置探测到红外光。

此外，粘合膜30的凹口31提供凹腔13与凹腔13外部之间的通路。因此，凹腔13不是密封的，即由于通路的原因凹腔13是一个非密封的空间。因此，在制作装置S1时即使凹腔13内的空气热膨胀，由于膨胀的空气通过通路释放所以不会在隔膜20上施加压力。这样就限制了隔膜20由于受压破裂。

此外，粘合膜30由粘性膜制成，因此粘合膜30不会漫延到传感器芯片10。此处，传统粘合剂是液体型粘合剂，因此当使用粘合剂将传感器芯片安装在电路芯片上时粘合剂会漫延到传感器芯片。因此，根据本发明的传感器芯片10的性能不会变差。此外，隔膜20的可移动部分不会被粘合膜30固定。

这样，粘合在传感器芯片10与电路芯片40之间的粘合膜30不会漫延。此外，避免了衬底14的凹腔13内的空气由于热膨胀向隔膜20施加压力。因此，传感器装置S1具有高可靠性。

虽然传感器装置用作红外传感器，但只要传感器装置S1包括具有放置在凹腔上的隔膜的传感器芯片，使用粘合膜将传感器芯片安装在电路芯片上，传感器装置S1可用作任何传感器。例如，传感器装置可用作压力传感器、气体传感器或流量传感器。

上述改变和修改将被理解为在附加的权利要求书所限定的本发明的范围内。

Claims (16)

1.一种传感器装置，包括：

电路芯片；

粘合膜；以及

通过所述粘合膜安装在电路芯片上的传感器芯片，

其中所述传感器芯片包括：

具有前表面和后表面的衬底；

置于衬底后表面的凹腔；以及

置于衬底前表面的隔膜，因而所述隔膜盖住凹腔；以及

其中所述粘合膜置于传感器芯片与电路芯片之间，以及包括一个凹口，以形成连接凹腔和凹腔外部的通路。

2.根据权利要求1的装置，

其中所述粘合膜置于凹腔的外围。

3.根据权利要求1或2的装置，

其中所述粘合膜由包括硅酮树脂、聚酰亚胺树脂或环氧树脂的粘性膜制成。

4.根据权利要求1或2的装置，

其中传感器芯片用粘合膜粘合到电路芯片，粘合膜的通路除外，以及

其中所述隔膜气密性地盖住凹腔。

5.根据权利要求1或2的装置，

其中传感器芯片提供红外传感器、压力传感器、气体传感器或流量传感器。

6.根据权利要求1或2的装置，

其中具有凹腔的传感器芯片通过所述粘合膜安装在电路芯片上，因此该装置提供一种叠置结构。

7.根据权利要求1和2的装置，

其中传感器芯片由硅制成。

8.根据权利要求1或2的装置，

其中所述粘合膜具有预定的厚度，其提供通路使凹腔内的空气充分地通过通路。

9.用于制作根据权利要求1的传感器装置的方法，该方法包括步骤：

在所述传感器芯片的衬底的后表面形成凹腔，为所述隔膜的膨胀预留空间；

在粘合膜内形成通路；以及

通过粘合膜将传感器芯片粘合到电路芯片上。

10.根据权利要求9的方法，

其中所述粘合膜置于凹腔的外围，且包括一用于提供通路的凹口。

11.根据权利要求9或10的方法，

其中所述粘合膜由包括硅酮树脂、聚酰亚胺树脂或环氧树脂的粘合膜制成。

12.根据权利要求9或10的方法，

其中所述传感器芯片粘合到电路芯片除了粘合膜的通路处，以及

其中所述隔膜气密性地盖住凹腔。

13.根据权利要求9或10的方法，

其中传感器芯片提供红外传感器、压力传感器、气体传感器或流量传感器。

14.根据权利要求9或10的方法，

其中具有凹腔的传感器芯片通过粘合膜安装在电路芯片上，因此所述装置提供一种叠置结构。

15.根据权利要求9或10的方法，

其中传感器芯片由硅制成。

16.根据权利要求9或10的方法，

其中所述粘合膜具有预定的厚度，其提供通路使凹腔内的空气充分地通过通路。

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