CN107369722A - 一种传感器封装结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种传感器封装结构及其制备方法，包括：半导体器件衬底，半导体器件衬底具有传感器阵列、与传感器阵列相电连的互连层；传感器阵列暴露于半导体器件衬底表面；键合于半导体器件衬底上且相对于传感器阵列上方设置的封装芯片；封装芯片具有支撑柱，支撑柱封闭环绕在传感器阵列的周围设置，封装芯片通过支撑柱底部与半导体器件衬底相键合，从而在半导体器件衬底和封装芯片之间形成真空封闭空腔，真空封闭空腔为传感器阵列提供真空环境；以及引出极，将互连层相电连。本发明的结构简单，成本低廉，探测精度高。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种传感器封装结构及其制备方法。
背景技术
传感器是通过探测声、光、电等变化来探测物体的信息。常规的传感器的封装工艺中，通常采用金属或者陶瓷材料利用真空技术来进行封装，包括抽真空、焊接等步骤，工艺成本高，工艺复杂。
并且，传统封装结构中，引出极PAD通常位于衬底正面，占用较多的正面面积，增加了封装体积，并且传统封装结构光线损失严重，大大影响传感器的探测精度。
发明内容
为了克服以上问题，本发明旨在提供一种传感器封装结构及其制备方法，从而简化结构，提高集成度。
为了达到上述目的，本发明提供了一种传感器封装结构，其包括：
半导体器件衬底，半导体器件衬底具有暴露的传感器阵列、与传感器阵列相电连的互连层；
键合于半导体器件衬底上且相对于传感器阵列上方设置的封装芯片；封装芯片具有支撑柱，支撑柱封闭环绕在传感器阵列的周围设置，封装芯片通过支撑柱底部与半导体器件衬底相键合，从而在半导体器件衬底和封装芯片之间形成真空封闭空腔，真空封闭空腔为传感器阵列提供真空环境；以及
引出极，与互连层相电连。
优选地，位于所述真空封闭空腔顶部的封装芯片底部设置有光汇聚薄膜，光汇聚薄膜用于将入射光汇聚到传感器阵列上。
优选地，光汇聚薄膜相对传感器阵列的一面具有呈同心环型排列的多个凸起，多个凸起的曲率从同心环型外侧向中心递减，多个凸起的水平宽度从同心环型外侧向中心递增；光汇聚薄膜的厚度小于引出极的厚度。
优选地，在所述真空封闭空腔底部的半导体器件衬底表面还具有真空吸杂材料，用于吸附真空封闭空腔内的气体。
优选地，所述真空吸杂材料为金属钡、锶、镁、钙、锆的一种、或其中两种或多种的合金、或其中两种或多种的化合物、或钡铝镍合金。
优选地，在所述半导体器件衬底上环绕着所述传感器阵列设置有第一键合材料，第一键合材料与所述支撑柱底部相对，所述支撑柱底部设置有第二键合材料，第一键合材料与第二键合材料相键合，从而实现支撑柱底部与半导体器件衬底的键合。
优选地，所述第一键合材料为铝或锡，所述第二键合材料为锗、硒化锌、或硫系玻璃；或者，第一键合材料为以铝或锡为主元素，并通过离子注入形成的二元或多元复合材料；第二键合材料为以锗、硒化锌、或硫系玻璃为主，并通过离子注入形成的二元或多元复合材料。
优选地，引出极设置于半导体器件衬底背面，通过导电通孔与互连层相电连；或者，
所述引出极位于真空封闭空腔之外的半导体器件衬底表面，且对应于引出极上方的封闭芯片中设置有开口，引线穿过所述开口与引出极相连接。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种传感器封装结构的制备方法，其包括以下步骤：
步骤01：提供一半导体器件衬底，该半导体器件衬底具有传感器阵列、与传感器阵列相电连的互连层；传感器阵列暴露于半导体器件衬底表面；然后，在半导体器件衬底上制备引出极，引出极与互连层相电连；
步骤02：提供一封装芯片，在封装芯片中刻蚀出沟槽，沟槽之间形成突出的支撑柱；
其中，步骤01和步骤02不分先后顺序；
步骤03：然后，将封装芯片的支撑柱朝下，采用真空键合工艺，将支撑柱底部与半导体器件衬底相键合；支撑柱封闭环绕在传感器阵列的周围设置，从而在半导体器件衬底和封装芯片之间形成真空封闭空腔。
优选地，所述步骤01中，所述半导体衬底位于传感器阵列的一面还形成真空吸杂材料；然后，在真空吸杂材料中刻蚀出凹槽，凹槽与后续的支撑柱相对应；在凹槽沉积第一键合材料；
所述步骤02中，形成突出的支撑柱之后，还包括：在沟槽底部、支撑柱侧壁和顶部沉积第二键合材料；并且刻蚀去除支撑柱侧壁的和支撑柱外侧区域的所有第二键合材料，仅保留支撑柱顶部的和支撑柱内侧围绕的沟槽底部的第二键合材料；然后，图案化支撑柱内侧围绕的沟槽底部的第二键合材料，以在第二键合材料表面形成光汇聚薄膜，光汇聚薄膜呈同心环型排列的多个凸起，多个凸起的曲率从同心环型外侧向中心递减，多个凸起的水平宽度从同心环型外侧向中心递增；
所述步骤03中，将支撑柱朝下，此时，支撑柱顶部变为支撑柱底部，使支撑柱底部的第二键合材料与第一键合材料相键合。
本发明的传感器封装结构及其制备方法，改进了传统的采用金属、陶瓷等的封装材料，采用一芯片作为封装壳体，通过刻蚀工艺在芯片上刻蚀出沟槽和支撑柱，从而在支撑柱朝下与半导体器件衬底键合后可以形成有效的真空封闭空腔将传感器阵列保护在其中，由于芯片本身尺寸很小且薄，大大降低了传感器封装结构的体积，有利于传感器封装结构的轻质化和微型化；同时，在真空封闭空腔顶部的封装芯片底部设置具有同心环型排列的多个凸起构成的光汇聚薄膜，利用光传播原理实现了将入射光精准地汇聚在传感器阵列上，避免入射光入射到传感器阵列与支撑柱的空隙之间的半导体器件衬底上造成入射光的损失，从而提高光的利用率和传感器的探测精度；此外，采用第一键合材料和第二键合材料，使得封装芯片与半导体器件衬底之间的键合更加牢固；并且，真空吸杂材料可以不断地吸取真空封闭空腔内的气体，保持真空封闭空腔的真空度。
附图说明
图1为本发明的一个较佳实施例的传感器封装结构的示意图
图2为图1的传感器封装结构的俯视示意图
图3为本发明的一个较佳实施例的光汇聚薄膜的结构示意图
图4为本发明的一个较佳实施例的传感器封装结构的制备方法的流程示意图
图5～7为本发明的一个较佳实施例的传感器封装结构的制备方法的各制备步骤示意图
图8为本发明的一个较佳实施例中用于制备光汇聚薄膜的掩膜版的结构示意图
图9为本发明的其它较佳实施例的传感器封装结构的示意图
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。
以下结合附图1～9和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。
请参阅图1和图2，图2中，为了便于表达，利用填充图案来示出支撑柱031，虚线框表示红外探测阵列10，同心环示意出光汇聚薄膜的结构；本实施例的一种传感器封装结构，包括：
半导体器件衬底01，半导体器件衬底01具有传感器阵列10、与传感器阵列10相电连的互连层；这里，在传感器阵列10底部形成有后道工艺互连层011和前道工艺互连层012。传感器阵列10暴露于半导体器件衬底01表面；本实施例中的引出极09(pad)设置于半导体器件衬底01背面，通过导电通孔08、接触块07与后道工艺互连层011相电连。引出极09设置于半导体器件衬底01背面，使得水平方向相邻的真空封闭空腔之间不具有空腔，而是以支撑柱031作为水平方向上相邻的真空封闭空腔的间隔。
本实施例的传感器封装结构还包括：键合于半导体器件衬底01上且相对于传感器阵列10上方设置的封装芯片03；封装芯片03具有支撑柱031，支撑柱031封闭环绕在传感器阵列10的周围设置，封装芯片03通过支撑柱031底部与半导体器件衬底01相键合，从而在半导体器件衬底01和封装芯片03之间形成真空封闭空腔，真空封闭空腔为传感器阵列10提供真空环境。
本实施例的传感器封装结构中的引出极09与后道互连层011相电连，用于将传感器阵列10探测得到的信号通过引出极09传输到外部电路。
本实施例中，在真空封闭空腔底部的半导体器件衬底10表面还具有真空吸杂材料02，用于吸附真空封闭空腔内的气体。较佳的，真空吸杂材料为金属钡、锶、镁、钙、锆的一种、或其中两种或多种的合金、或其中两种或多种的化合物、或钡铝镍合金。
此外，本实施例中，在半导体器件衬底01上环绕着传感器阵列10设置有第一键合材料06，第一键合材料06与支撑柱031底部相对，支撑柱031底部设置有第二键合材料05，第一键合材料06与第二键合材料05相键合，从而实现支撑柱031底部与半导体器件衬底01的键合。较佳的，第一键合材料06为铝或锡等低熔点金属，或者第一键合材料为以铝或锡为主，并通过离子注入形成的二元或多元复合材料；第二键合材料05为锗、硒化锌、或硫系玻璃等，或者，第二键合材料为以锗、硒化锌、或硫系玻璃为主元素，并通过离子注入形成的二元或多元复合材料；为了起到有效的键合，第一键合材料06的厚度可为8～1000nm，较佳的为800nm～1000nm。第二键合材料05的厚度可以为3nm～10μm，较佳的为300nm～10μm。第二键合材料05由于设置在支撑柱031底部，支撑柱031的顶部横向宽度较小，第二键合材料05的厚度太大会减弱键合后支撑柱031的支撑能力，因此，第二键合材料05的厚度在100nm～1μm范围可以起到有效的支撑作用。需要说明的是，第一键合材料06可以设置于真空吸杂材料02中，也即是在真空吸杂材料02中刻蚀出凹槽，凹槽对应于支撑柱031的位置用于键合，然后将第一键合材料06沉积于其中即可。
请参阅图2和3，这里需要说明的是，图2和图3中的光汇聚薄膜04的结构仅是示意；这里的真空封闭空腔顶部的封装芯片03底部设置有光汇聚薄膜04，光汇聚薄膜04用于将入射光汇聚到传感器阵列10上；本实施例中，光汇聚薄膜04相对传感器阵列10的一面具有呈同心环型排列的多个凸起，多个凸起的曲率从同心环型外侧向中心递减，多个凸起的水平宽度从同心环型外侧向中心递增。需要说明的是，请结合图1，光汇聚薄膜03可以与第二键合材料05同时形成，也即是光汇聚薄膜04的材料可以与第二键合材料05相同。较佳的，为了有效实现较大面积的入射光汇聚到较小面积的传感器阵列10上，多个同心环型阵列中的凸起的宽度与凸起之间的间距的比例为1～5:1，凸起曲率从光汇聚薄膜04边缘向中心的方向递减，通过调节配合各个凸起的倾斜侧壁的曲率来实现光汇聚薄膜04的光汇聚焦点和焦距，并且还可以设置真空封闭空腔顶部到传感器阵列10的垂直距离小于或等于光汇聚薄膜04的光汇聚的焦距，凸起的宽度可以为1nm～10nm，凸起之间的间距可以为2～5nm。需要说明的是，光汇聚薄膜04还可以采用多层堆叠膜来实现。
在本发明的其它实施例中，请参阅图9，引出极09还可以位于真空封闭空腔之外的半导体器件衬底01表面，且对应于引出极09上方的封闭芯片03中设置有开口K，引线穿过开口K与引出极09相连接。引出极09与后道互连层011进行常规连接，例如，可以从互连层07向上引出。
请参阅图4，本实施例的上述传感器封装结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤01：请参阅图5，提供一半导体器件衬底01，该半导体器件衬底01具有传感器阵列10、与传感器阵列10相电连的互连层；互连层包括后道工艺互连层011和前道工艺互连层012；传感器阵列10暴露于半导体器件衬底07表面；然后，在半导体器件衬底01上制备引出极09，引出极09与后道工艺互连层011相电连。
具体的，由于本实施例的半导体器件衬底01位于传感器阵列10的一面还形成有真空吸杂材料02；而且第一键合材料06形成于真空吸杂材料02中，因此，本步骤01可以包括：首先，在半导体器件衬底01中制备前道工艺互连层012、后道工艺互连层011；然后，在半导体器件衬底01表面可以但不限于采用物理气相沉积工艺来沉积真空吸杂材料02，并在真空吸杂材料02中刻蚀出凹槽，凹槽与后续的支撑柱031相对应；接着，在凹槽中可以但不限于采用物理气相沉积工艺来沉积第一键合材料06，并刻蚀去除凹槽外的第一键合材料06以及用于形成传感器阵列10区域的第一键合材料05，将用于形成传感器阵列10区域的半导体器件衬底01暴露出来；然后，在用于形成传感器阵列10区域的半导体器件衬底01上制备传感器阵列10；最后，在互连层中制备接触块07和导电通孔08，使导电通孔08的一端暴露于前道工艺互连层012底部，在暴露的导电通孔08的一端形成引出极09。
在本发明的其它实施例中，还可以在半导体器件衬底的正面制备引出极。
步骤02：请参阅图6，提供一封装芯片03，在封装芯片03中刻蚀出沟槽，沟槽之间形成突出的支撑柱031；
具体的，本步骤02中，可以但不限于采用光刻和刻蚀工艺在封装芯片03中刻蚀出沟槽，沟槽并不穿透封装芯片03，沟槽之间形成突出的支撑柱031；然后还包括：在沟槽底部、支撑柱031侧壁和顶部可以但不限于采用物理气相沉积工艺来沉积第二键合材料05；并且刻蚀去除支撑柱031侧壁的和支撑柱031外侧区域的所有第二键合材料05，仅保留支撑柱031顶部的和支撑柱031内侧围绕的沟槽底部的第二键合材料05。接着，图案化支撑柱031内侧围绕的沟槽底部的第二键合材料05，图案化后得到的光汇聚薄膜04，请再次参阅图2和图3，光汇聚薄膜04的形貌为：光汇聚薄膜04具有呈同心环型排列的多个凸起，多个凸起的曲率从同心环型外侧向中心递减，多个凸起的水平宽度从同心环型外侧向中心递增，由于该光汇聚薄膜04的表面呈凹槽和凸起环绕排布，中心的凸起的水平宽度最大，使得每个凹槽都与相邻凹槽之间的角度不同，可以将光线集中于一处，形成中心焦点，从而实现对光线的汇聚。
请参阅图8，为本实施例的光汇聚薄膜制备时所采用的掩膜版示意图，图8中仅是示例；在不透光材料层801上形成透光率从外到内依次递减的多组透光层组合802，也即是每个透光层组合802中的透光率从外到内依次递减，在这样每个透光层组合802之间设置一定间隔，也即是该间隔处具有最高的透光率，如图8所示，实现透光率递减的方式，可以采用具有相同透光率的透光层的不同层数或不同厚度来实现不同的透光率，这里每一层透光层的透光率大于零且小于100％，较佳的，为40～70％的透光率，并且，以不透光层801的中心所在直线为对称轴(图8中虚线箭头所示直线)，使得多个透光层组合802形成的掩膜版图案相互对称；这里，请结合图8和图3在利用该掩膜版进行光刻时，在每个透光层组合802之下会形成近似斜向上的弧形锯齿形状(虽然掩膜版中显示为阶梯状的透光层组合，但是在光刻后会形成近似弧形)，在每个透光层组合802之间的间隔下形成沿锯齿一端突然陡直凹陷；此外，在不透光层801的中心区域上的透光层组合802的长度大于不透光层801中心区域外侧的各个区域的每个透光层组合802的长度，如图3所示，光汇聚薄膜的中心区域呈对称弧形，横向宽度最大，中心区域的外侧呈多个锯齿排列。需要注意的是，请结合图6，在沉积第二键合材料05时沟槽底部和支撑柱031顶部所沉积的第二键合材料05的厚度相同，然而，后续通过刻蚀制备多个凸起后，所得到的光汇聚薄膜04的厚度小于第二键合材料05的厚度，由于光汇聚薄膜04的厚度比刻蚀之前的厚度减小，进一步降低了入射光的损失。需要说明的是，光汇聚薄膜04还可以采用多层堆叠膜分别图形化来实现。
还需要说明的是，上述步骤01和步骤02可以互换顺序或者同时进行。
步骤03：请参阅图7，然后，将封装芯片03的支撑柱031朝下，采用真空键合工艺，将支撑柱031底部与半导体器件衬底01相键合；支撑柱031封闭环绕在传感器阵列10的周围设置，从而在半导体器件衬底01和封装芯片03之间形成真空封闭空腔；
具体的，由于上述制备封装芯片时支撑柱031朝上，需要将封装芯片03与半导体器件衬底01进行键合，因此将支撑柱031朝下，此时，支撑柱031顶部就变为了支撑柱031底部，也即是使支撑柱031底部的第二键合材料05与第一键合材料06相键合，从而实现封装芯片03与半导体器件衬底01之间的键合。较佳的，可以采用380～400℃的键合温度来实现第一键合材料06和第二键合材料05之间的熔融键合。
针对本发明其它实施例的情况，请参阅图9，当引出极09位于真空封闭空腔之外的半导体器件衬底01表面时，在步骤03中，将第一键合材料06和第二键合材料05键合之后，还包括：在对应于引出极09上方的封闭芯片03中刻蚀出开口K，然后，将引线穿过开口K与引出极09相焊接。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种传感器封装结构，其特征在于，包括：
半导体器件衬底，半导体器件衬底具有暴露的传感器阵列、与传感器阵列相电连的互连层；
键合于半导体器件衬底上且相对于传感器阵列上方设置的封装芯片；封装芯片具有支撑柱，支撑柱封闭环绕在传感器阵列的周围设置，封装芯片通过支撑柱底部与半导体器件衬底相键合，从而在半导体器件衬底和封装芯片之间形成真空封闭空腔，真空封闭空腔为传感器阵列提供真空环境；以及
引出极，与互连层相电连。
2.根据权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，位于所述真空封闭空腔顶部的封装芯片底部设置有光汇聚薄膜，光汇聚薄膜用于将入射光汇聚到传感器阵列上。
3.根据权利要求2所述的传感器封装结构，其特征在于，光汇聚薄膜相对传感器阵列的一面具有呈同心环型排列的多个凸起，多个凸起的曲率从同心环型外侧向中心递减，多个凸起的水平宽度从同心环型外侧向中心递增；光汇聚薄膜的厚度小于引出极的厚度。
4.根据权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，在所述真空封闭空腔底部的半导体器件衬底表面还具有真空吸杂材料，用于吸附真空封闭空腔内的气体。
5.根据权利要求4所述的传感器封装结构，其特征在于，所述真空吸杂材料为金属钡、锶、镁、钙、锆的一种、或其中两种或多种的合金、或其中两种或多种的化合物、或钡铝镍合金。
6.根据权利要求1所述的传感器封装结构，其特征在于，在所述半导体器件衬底上环绕着所述传感器阵列设置有第一键合材料，第一键合材料与所述支撑柱底部相对，所述支撑柱底部设置有第二键合材料，第一键合材料与第二键合材料相键合，从而实现支撑柱底部与半导体器件衬底的键合。
7.根据权利要求6所述的传感器封装结构，其特征在于，所述第一键合材料为铝或锡，所述第二键合材料为锗、硒化锌、或硫系玻璃，或者，第一键合材料为以铝或锡为主元素，并通过离子注入形成的二元或多元复合材料；第二键合材料为以锗、硒化锌、或硫系玻璃为主，并通过离子注入形成的二元或多元复合材料。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的传感器封装结构，其特征在于，引出极设置于半导体器件衬底背面，通过导电通孔与互连层相电连；或者，
所述引出极位于真空封闭空腔之外的半导体器件衬底表面，且对应于引出极上方的封闭芯片中设置有开口，引线穿过所述开口与引出极相连接。
9.一种传感器封装结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤01：提供一半导体器件衬底，该半导体器件衬底具有传感器阵列、与传感器阵列相电连的互连层；传感器阵列暴露于半导体器件衬底表面；然后，在半导体器件衬底上制备引出极，引出极与互连层相电连；
步骤02：提供一封装芯片，在封装芯片中刻蚀出沟槽，沟槽之间形成突出的支撑柱；
其中，步骤01和步骤02不分先后顺序；
步骤03：然后，将封装芯片的支撑柱朝下，采用真空键合工艺，将支撑柱底部与半导体器件衬底相键合；支撑柱封闭环绕在传感器阵列的周围设置，从而在半导体器件衬底和封装芯片之间形成真空封闭空腔。
10.根据权利要求9所述的传感器封装结构的制备方法，其特征在于，所述步骤01中，所述半导体衬底位于传感器阵列的一面还形成真空吸杂材料；然后，在真空吸杂材料中刻蚀出凹槽，凹槽与后续的支撑柱相对应；在凹槽沉积第一键合材料；
所述步骤02中，形成突出的支撑柱之后，还包括：在沟槽底部、支撑柱侧壁和顶部沉积第二键合材料；并且刻蚀去除支撑柱侧壁的和支撑柱外侧区域的所有第二键合材料，仅保留支撑柱顶部的和支撑柱内侧围绕的沟槽底部的第二键合材料；然后，图案化支撑柱内侧围绕的沟槽底部的第二键合材料，以在第二键合材料表面形成光汇聚薄膜，光汇聚薄膜呈同心环型排列的多个凸起，多个凸起的曲率从同心环型外侧向中心递减，多个凸起的水平宽度从同心环型外侧向中心递增；
所述步骤03中，将支撑柱朝下，此时，支撑柱顶部变为支撑柱底部，使支撑柱底部的第二键合材料与第一键合材料相键合。
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