CN105190265A - 微机械型的传感器装置和相应的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微机械型的传感器装置以及一种相应的制造方法。所述微机械型的传感器装置包括具有正面（VS）和背面（RS）的基片（1），其中在所述基片（1）的正面（V）上形成有多个柱子（S1、S2）。在每个柱子上形成有相应的传感器元件（P1、P2），所述传感器元件具有比所属的柱子（S1、S2）更大的侧向的伸展度，其中在所述柱子（S1、S2）的侧面在所述传感器元件（P1、P2）的下方设置有空腔（H）。所述传感器元件（P1、P2）通过相应的分离槽（G1、G2）在侧向上彼此隔开并且通过相应的所属的柱子（S1、S2）在相应的所属的背面触头（V6、E1；V7、E1）处电接触。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机械型的传感器装置以及一种相应的制造方法。
背景技术
虽然也能够运用到任意的微机械型的结构元件上，但是借助于基于硅的热电的红外传感器来对本发明以及以其为基础的问题进行解释。
热电的红外传感器从US5,424,544A、US6,239,433B1和WO2010/119131A1中得到公开。在那里所描述的示例经受麻烦的、成本密集的制造过程。所公开的像素结构通过其共同的电极层导致像素元件彼此间的热串扰。所熟知的结构元件部分地要求昂贵的、真空密封的包装。
发明内容
本发明提供了一种根据权利要求1所述的微机械型的传感器装置以及一种根据权利要求10所述的相应的制造方法。
优选的改进方案是相应的从属权利要求的主题。
本发明所基于的构思在于，设置一种微机械型的传感器装置，该传感器装置具有传感器元件，所述传感器元件通过基片支柱以机械的方式固定并且在电子方面进行接触并且在侧向上通过空腔来延伸。
本发明因此提供了一种成本低廉的集成的微机械型的传感器装置以及一种相应的制造方法连同在芯片级上进行封装的可行方案，其中一种优选的使用情况是薄膜-高温计-照相机或薄膜-高温计-运动传感器。
这种根据本发明的制造方法能够实现所述传感器元件的较高的填塞因子。结构尺寸可以通过芯片级-封装来缩小，并且所述传感器元件彼此间的机械的和/或热的和/或电的串扰可以通过分离槽和空腔明显地降低或完全被消除。
所述分离槽同样用于对所述基片进行牺牲层蚀刻，但是可以通过附加的牺牲层蚀刻孔来补充。反触点负责所有传感器元件的电连接，并且同时在压接过程中用作对像素的支持。在此有利的是，相应的传感器元件的正面触头和背面触头尽可能完全重合。有利地环绕地用比如由SiO2构成的蚀刻停止层保护所述背面触头免受牺牲层蚀刻介质、比如蚀刻气体的损害。
根据一种优选的改进方案，所述传感器元件具有相应的正面触头，其中所述正面触头处于所述传感器元件的与背面对置的侧上、也就是所述传感器元件的背离所述基片的侧上。这能够实现节省位置空间的电的连接。
根据另一种优选的改进方案，所述基片具有带有环形触头的边缘区域，所述边缘区域通过相应的边缘壁被导引到与背面对置的侧上并且通过相应的分离槽在侧向上与所述传感器元件隔开。因此，所述基片可以大面积地电连接并且提供不透气的密封的覆盖层。
根据另一种优选的改进方案，所述传感器元件对红外线敏感并且具有热电层，所述热电层被埋入在第一与第二电极层之间。因此可以形成高度集成的红外照相机。
根据另一种优选的改进方案，所述传感器元件在所述第一电极层上具有电绝缘的第一吸收层并且在所述第二电极层上具有电绝缘的第二吸收层。这提供了较好的光吸收效果。
根据另一种优选的改进方案，所述柱子（S1、S2）被蚀刻停止层所包围，所述蚀刻停止层优选相当于所述电绝缘的第一吸收层。这能够实现相关的层的多重功能并且有助于可较好地控制的蚀刻过程。
根据另一种优选的改进方案，在与背面对置的侧上压接测评装置，该测评装置与所述环形触头和所述正面触头相接触。因此可以节省位置空间地连接所述测评装置。
根据另一种优选的改进方案，如此压接所述测评装置，使得其将所述空腔封闭。因此在所述空腔中可以形成受控的氛围，比如真空。
根据另一种优选的改进方案，所述传感器元件具有蚀刻孔。因此可以加速并且很好地控制所述牺牲层蚀刻过程。
附图说明
下面借助于实施方式参照附图对本发明的其他特征及优点进行解释。
在附图中：
图1是用于对根据本发明的第一实施方式的微机械型的传感器装置进行解释的示意性的横截面视图；
图2是用于对根据本发明的第二实施方式的、具有示范性的连接的测评装置的微机械型的传感器装置进行解释的示意性的横截面视图；
图3是用于对根据本发明的第三实施方式的、具有另一示范性的连接的测评装置的微机械型的传感器装置进行解释的示意性的横截面视图；并且
图4a）-e）是用于对根据本发明的第一实施方式的微机械型的传感器装置的制造方法进行解释的示意性的横截面视图。
在附图中，相同的附图标记表示相同的或功能相同的元件。
具体实施方式
图1是用于对根据本发明的第一实施方式的微机械型的传感器装置进行解释的示意性的横截面视图。
在图1中，附图标记1表示具有正面VS和背面RS的低阻抗的硅基片。在所述硅基片1的正面VS上形成第一柱子S1和第二柱子S2。在所述硅基片1的边缘区域RB中形成环绕的边缘壁SB。
在所述第一柱子S1和第二柱子S2上形成相应的、构造为热电的像素元件的形式的传感器元件P1或P2，其中所述传感器元件P1、P2分别具有比所属的柱子S1或S2更大的侧向的伸展度，并且其中在所述柱子S1或S2的侧面在所述传感器元件P1或P2的下方设置了空腔H。
所述传感器元件P1、P2通过相应的分离槽G1、G2在侧向上彼此隔开，并且通过相应的所属的柱子S1或S2在其相应的背面上通过所述柱子S1、S2和接触插头V6、V7电接触。所述传感器元件P1、P2具有下方的、由氧化硅构成的、电绝缘的层5a，该层也同时完全绝缘地包住所述柱子S1、S2。对于所述第一传感器元件P1来说，接触插头V6通过所述层5a从第一电极层E1被引导到支柱S1的上面上。在所述第一电极层E1上有热电层PS并且在其上面有第二电极层E2。在所述第二电极层E2上有由氧化硅构成的电绝缘的第二层5b，接触插头V2穿过所述第二层5b，所述接触插头V2将所述第二电极层E2与比如由TiW构成的金属层10连接起来。
所述热电层PS比如是c轴定向的PZT（锆钛酸铅）或BST（钛酸锶钡）。所述电极层E1、E2比如是LNO（铌酸锂）或SRO（锶钌氧化物）。
在所述金属层10上设置了比如由Cu或Cu/Sn构成的压接触头BK1、BK2和BR。在所述第一传感器元件P1中附加地设置了连续的蚀刻孔L，所述蚀刻孔对在下面进一步描述的制造过程来说有意义。
所述第二传感器元件P2与所述第一传感器元件P1相类似地构成，其中与柱子S2和第一电极层E1处于电连接之中的接触插头用附图标记V7来表示，并且其中与第二电极层E2和金属层10处于电连接之中的接触插头用附图标记V3来表示。第二传感器元件P2的、设置在金属层10上的压接触头拥有附图标记BK2。
在所述边缘壁SB上同样有所述电绝缘的第一层5a，接触插头V5穿过所述第一层5a，所述接触插头V5在该区域中建立所述基片1与所述第一电极层E1的电连接。在所述边缘区域RB中，热电层PS被两个另外的、由第二电极层E2的材料构成的接触插头VB1、VB2穿过，所述接触插头使所述第一电极层E1与所述第二电极层E2短路，也就是在电方面跨接所述热电层PS。
在所述第二电极层E2上，在所述边缘区域RB中同样有电绝缘的第二层5b，该第二层被与处于那里的金属层10建立连接的接触插头V1穿过。附图标记BR表示压接框架触头，所述压接框架触头像所述边缘壁SB和处于其上面的层一样环绕地构成。
所有压接触头BK1、BK2和所述压接框架触头BR因此一起处于所述传感器装置的、与背面RS对置的侧OS上，并且由于相同的层下部结构而具有相同的高度。
如此构成的、也被称为像素基片PS的微机械型的传感器的功能在于：来自背面RS的光线LI入射到所述传感器元件P1、P2的布置结构上，在那里在·由氧化硅构成的层5a、5b中被吸收，并且触发从中产生的温度变化，所述温度变化能够通过所述压接触头BK1、BK2和所述压接框架触头BR作为电压差以电的方式来检测。
所述热电层PS的热电的晶体是具有持久的电极化的离子晶体。如果对这些热电的晶体加热或使其冷却，那么对置的面就相反地充电。可以在相应的具有电极层E1、E2的晶体边缘（表面）上截取所产生的电压差。所述极化在此与所述温度变化成比例。不过，所存在的表面电荷通过从环境中接收的电荷载体、比如自由的电子得到补偿。表面电荷因此仅仅在像素的温度变化时出现。由于这些特性，可以在持久的光入射时在使用热电的像素元件的情况下用这样的热电照相机来非常好地检测运动，因为仅能够看见图像元素，在这些图像元素中红外辐射发生变化。而对于立像（Standbilder）来说则必须用斩波器对光入射进行调制。
比如在当前的、具有用于8-12μm的远红外的由SiO2构成的层5a、5b的实施方式中，测温的像素元件可以设有用于相应有意义的辐射的吸收层。
因此，SiO2层如下面进一步详细解释的那样承担作为用于所述支柱的蚀刻停止层和用于所述传感器元件的吸收层的双重功能。
所述空腔H和所述分离槽G1、G2负责所述传感器元件P1、P2彼此间的良好的绝热。因此所述传感器元件P1、P2的正面触头和背面触头一起确定从相应的传感器元件P1、P2中散热。较小的横截面导致较大的信号摆幅，较大的横截面引起像素的较快的时间常数。精确的尺寸设计为此取决于特殊的所期望的功能特性。
所述基片1附加地保护所述传感器元件免受污染。比如由TiW构成的金属层10在压接时用作扩散阻挡层并且也同时用作反射层或电镀开始层。
图2是用于对根据本发明的第二实施方式的、具有示范性的连接的测评装置的微机械型的传感器装置进行解释的示意性的横截面视图。
按照图2，构造为测评基片的形式的测评装置AS被压接到图1的像素基片PS上，所述测评基片具有线路区域SL和布线区域VL。所述测评基片AS具有用于与压接框架触头BR相连接的类似的压接框架触头BR’和用于与所述像素基片PS的压接触头BK1、BK2相连接的类似的压接触头BK1’、BK2’。相应的触头如此彼此压接在一起，使得所述线路基片AS封闭所述空腔H，其中在所述空腔中要么可以设置真空要么可以设置预先确定的气体环境。
此外，所述线路基片AS在其面向像素基片PS的侧上具有压接连接BV，所述压接连接用附图标记BV来表示并且通过所述布线区域VL与所述线路区域SL电连接。
所述压接连接优选通过热压焊接或SLID（固液互扩散）键合来建立。
对于所述压接来说有利的是，所述压接框架触头BR、BR’和所述压接触头BK1、BK2和BK1’、BK2’具有不同的大小。如果所述大小差异在此考虑层面彼此间的调整公差，那么所述压接过程就会容忍偏移，并且不会出现所述传感器元件的不受欢迎的倾斜。
无论在第一实施方式中还是在第二实施方式中，所述测评基片AS的压接框架触头BR’和压接触头BK1’、BK2’都具有比所述像素基片PS的压接框架触头BR和压接触头BK1、BK2更大的侧向的伸展度。
图3是用于对根据本发明的第三实施方式的、具有另一示范性的连接的测评装置的微机械型的传感器装置进行解释的示意性的横截面视图。
在按照图3的实施方式中，经过改动的、构造为测评基片AS’的形式的测评装置AS’被压接到按照图1的第一实施方式的像素基片PS上。
这同样通过相应的压接框架触头BR、BR’以及压接触头BK1、BK2和BK1’、BK2’来进行。所述布线区域在这种实施方式中具有附图标记VL’，并且不同于所述第二实施方式的布线区域VL而具有通孔敷镀部DK，使得所述线路区域SL能够从所述测评基片AS’的、与像素基片PS对置的侧接触。
图4a）-e）是用于对根据本发明的第一实施方式的微机械型的传感器装置的制造方法进行解释的示意性的横截面视图。
如在图4a）中所示出的那样，首先提供低阻抗的硅基片1，并且在其中通过在所述基片1中蚀刻环形槽RG形成所述柱子S1、S2以及所述边缘壁SB，其中所述环形槽RG包围着相应的柱子S1、S2或与所述边缘壁SB邻接。
在另一过程步骤中，所述环形槽RG用由氧化硅构成的、电绝缘的第一层5a来填塞，其中所述电绝缘的第一层5a此外以特定的高度覆盖了所述基片1的正面VS。
在紧随其后的过程步骤中形成接触插头V6、V7，所述接触插头穿过所述电绝缘的第一层5a与所述第一和第二柱子S1或S2电接触。此外，形成所述接触插头V5，所述接触插头穿过所述电绝缘的第一层5a与所述边缘壁SB电接触。这种电绝缘的第一层5a如在进一步的处理过程中详细解释的那样具有三重功能，也就是绝缘功能、蚀刻停止功能和吸收功能。还可选借助于CMP步骤使所述电绝缘的第一层5a的上面连同处于其中的接触插头V5、V6、V7平坦化。
此外，参照图4b）在按照图4a）的结构的上面使电极层E1沉积，并且在其上面又使所述热电层PS沉积。随后在所述热电层PS中在所述边缘区域中形成用于所述接触插头VB1、VB2的孔。随后在所述热电层PS上使所述第二电极层E2沉积，其中在此在这些孔中形成用于环绕的边缘接触的接触插头VB1、VB2。
随后在所述第二电极层E2上使电绝缘的第二层5b）沉积，并且其中形成接触插头V1、V2和V3。在这个过程步骤之后可以以CMP步骤的形式进行可选的平坦化步骤。
进一步参照图4c）来使由比如TiW构成的金属层10沉积，所述金属层形成电镀开始层、扩散阻挡层和用于有待检测的IR辐射LI的反射层。
在紧随其后的过程步骤中，在所述金属层10上形成第一或第二传感器元件P1、P2的压接框架触头BR和压接触头BK1、BK2。优选利用电镀在使用将所述金属层10的不应由此而增厚的区域遮盖的抗蚀剂掩模的情况下来如此形成所述压接框架触头BR和所述压接触头BK1、BK2。
如在图4d）中示出的那样，而后形成分离槽G1、G2，所述分离槽在侧向上将所述传感器元件P1、P2以及所述边缘区域BR彼此隔开。这有利地通过蚀刻过程来进行，所述蚀刻过程在所述硅基片1的正面VS上停止。附加地，可选地可以在所述传感器元件P1、P2中形成蚀刻槽L，所述蚀刻槽同样伸展直至所述硅基片1的正面VS。
紧接着在图4d）中示出的过程状态之后，在所述硅基片1的正面VS上借助于气态的蚀刻介质对因分离槽G1、G2和蚀刻槽L而裸露出来的部分进行牺牲层蚀刻，从而在所述柱子S1、S2的侧面并且在所述传感器元件P1、P2的下方形成空腔H，其中所述电绝缘的第一层5a作为围绕所述柱子S1、S2并且在边缘壁SB上的蚀刻停止层起作用。
因此，按照图4e）达到了按照图1的过程状态。
而后优选借助于所熟知的热压焊接步骤或SLID键合步骤来建立与按照第二或第三实施方式的测评基片AS或AS’的连接。
尽管借助于优选的实施例对本发明进行了描述，但本发明不局限于此。特别地，所提到的材料和拓扑结构仅仅是示范性的并且不局限于所解释的示例。
Claims (15)
1.微机械型的传感器装置，具有：
具有正面（VS）和背面（RS）的基片（1）；
其中在所述基片（1）的正面（V）上形成有多个柱子（S1、S2）；
其中在每个柱子上形成有相应的传感器元件（P1、P2），所述传感器元件具有比所属的柱子（S1、S2）更大的侧向的伸展度，并且其中在所述柱子（S1、S2）的侧面在所述传感器元件（P1、P2）的下方设置有空腔（H）；并且
其中所述传感器元件（P1、P2）通过相应的分离槽（G1、G2）在侧向上彼此隔开并且通过相应的所属的柱子（S1、S2）在相应的所属的背面触头（V6、E1；V7、E1）处电接触。
2.根据权利要求1所述的微机械型的传感器装置，其中所述传感器元件（P1、P2）具有相应的正面触头（V2、E2；V3、E3），并且其中所述正面触头（V2、E2；V3、E3）处于所述传感器元件（P1、P2）的背离所述基片（1）的侧（OS）上。
3.根据权利要求2所述的微机械型的传感器装置，其中所述基片（1）具有带有环形触头（V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR；V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR）的边缘区域（RB），所述环形触头通过相应的边缘壁（SB）在所述传感器元件（P1、P2）的侧（OS）上被引导，并且通过相应的分离槽（G1、G2）在侧向上与所述传感器元件（P1、P2）隔开。
4.根据前述权利要求中任一项所述的微机械型的传感器装置，其中所述传感器元件（P1、P2）对红外线敏感并且具有热电层（PS），所述热电层被埋入在第一与第二电极层（E1、E2）之间。
5.根据权利要求4所述的微机械型的传感器装置，其中所述传感器元件（P1、P2）在所述第一电极层（E1）上具有电绝缘的第一吸收层（5a）并且在所述第二电极层（E2）上具有电绝缘的第二吸收层（5b）。
6.根据前述权利要求中任一项所述的微机械型的传感器装置，其中所述柱子（S1、S2）被蚀刻停止层（5a）所包围，所述蚀刻停止层优选相当于所述电绝缘的第一吸收层（5a）。
7.根据权利要求3所述的微机械型的传感器装置，其中在所述传感器元件（P1、P2）的侧（OS）上压接了测评装置（AS；AS’），所述测评装置与所述环形触头（V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR；V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR）和所述正面触头（V2、E2；V3、E3）相接触。
8.根据权利要求7所述的微机械型的传感器装置，其中如此压接所述测评装置（AS；AS’），使得其将所述空腔（H）封闭。
9.根据前述权利要求中任一项所述的微机械型的传感器装置，其中所述传感器元件（P1、P2）具有蚀刻孔（L）。
10.用于制造微机械型的传感器装置的方法，具有以下步骤：
提供具有正面（VS）和背面（RS）的基片（1）；
在所述基片（1）的正面（V）上通过对环形槽（RG）的蚀刻形成多个柱子（S1、S2），所述环形槽包围所述柱子（S1、S2）；
用电绝缘的第一层（5a）来如此填塞所述环形槽（RG），使得所述电绝缘的第一层（5a）覆盖所述正面（VS）；
形成第一接触插头（V6、V7），所述第一接触插头穿过所述电绝缘的第一层（5a）与各一个柱子（S1、S2）电接触；
施加传感器层序（E1、PS、E2），所述传感器层序与所述接触插头（V6、V7）电接触；
使电绝缘的第二层（5b）沉积在所述传感器层序（E1、PS、E2）上；
形成第二接触插头（V2、V3），所述第二接触插头分别穿过所述电绝缘的第二层（5b）在相应的第一接触插头（V6、V7）的上方与所述传感器层（E1、PS、E2）电接触；
形成分离槽（G1、G2），所述分离槽伸展直至所述正面（VS）并且由此将所述传感器层（E1、PS、E2）划分为传感器元件（P1、P2），所述传感器元件在侧向上因所述分离槽（G1、G2）而彼此隔开；并且
穿过所述分离槽（G1、G2）对所述正面（VS）进行回蚀刻，从而在所述柱子（S1、S2）的侧面在所述传感器元件（P1、P2）的下方形成空腔（H），其中所述电绝缘的第一层（5a）作为围绕着所述柱子（S1、S2）的蚀刻停止层起作用。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述传感器层序（E1、PS、E2）的施加包括以下步骤：
使第一电极层（E1）沉积，该第一电极层与所述接触插头（V6、V7）电接触；
使热电层（PS）沉积在所述第一电极层（E1）上；并且
使第二电极层（E2）沉积在所述热电层（PS）上。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其中在对所述正面（VS）进行回蚀刻之前在所述传感器层（E1、PS、E2）中形成附加的蚀刻孔（L），所述蚀刻孔伸展直至所述正面（VS）。
13.根据权利要求10、11或12所述的方法，其中通过对所述环形槽（RG）的蚀刻在所述基片（1）的边缘区域中形成边缘壁（SB），在所述边缘壁上形成环形触头（V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR；V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR），所述环形触头在所述传感器元件（P1、P2）的背离所述基片（1）的侧（OS）上被引导。
14.根据权利要求13所述的方法，其中在所述传感器元件（P1、P2）的侧（OS）上压接了测评装置（AS；AS’），所述测评装置通过第二接触插头（V2、V3）与所述环形触头（V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR；V5、E1、VB1、VB2、E2、V1、10、BR）和传感器元件（P1、P2）相接触。
15.根据权利要求14所述的方法，其中如此压接所述测评装置（AS；AS’），使得其将所述空腔（H）封闭。
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