CN114877917B - 基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法，该传感器包括基体、传感器主体、盖帽层和多个电极。基体包括：第一衬底、介质层、第一绝缘层和多个硅通孔。介质层和第一绝缘层分别覆盖在第一衬底的两个面，且都被各硅通孔贯穿。各电极设置于对应的各硅通孔的通孔区域。传感器主体包括测试电极和敏感材料层，测试电极位于介质层上方，敏感材料层覆盖在测试电极的目标区域上。盖帽层包括第二衬底和键合环，第二衬底的第一面设置有容置槽。键合环设置于第二衬底的第一面。本公开提供的基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法，具有高性能、低成本、小型化、高可靠性、高工艺可行性与兼容性、高晶圆级均一性，应用范围更广。

Description

基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法

技术领域

本公开涉及集成电路封装技术领域，尤其涉及一种基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法。

背景技术

随着制造水平的提高，微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem，MEMS)技术被逐渐应用于传感器领域。相比于传统传感器，MEMS传感器体积更小、重量更轻、功耗更低、成本更低，更加适用于在智能设备与可穿戴设备上的集成。因此，MEMS传感器逐渐成为该领域的重要方向之一。

在推动传感器走向小型化的同时，相关技术中的传感器芯片的设计受到了挑战。例如，器件小型化要求更高可靠性与更小体积的三维封装；敏感膜涂覆工艺需要与晶圆级制备工艺更好兼容；更高效率的流片过程要求晶圆级的植球工艺与封装工艺设计。另外，传感器走向小型化的需求，也对工业进行微型传感器的批量制备提出了更高的要求。复杂且微小的器件结构要求生产过程整体更严格的失效分析与应力控制，批量化与低成本的目标要求器件采取晶圆级封装，敏感薄膜的制备要求与微纳加工技术与晶圆级的衬底相兼容。

因此，如何提高一种能够解决上述问题的薄膜型传感器及其制造方法是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本公开提出了一种基于晶圆级封装的薄膜型传感器，所述传感器包括基体、传感器主体、盖帽层和多个电极；

所述基体包括：第一衬底、介质层、第一绝缘层和多个硅通孔，所述介质层覆盖在所述第一衬底的第一面的至少部分区域；各所述硅通孔贯穿于所述第一衬底和所述介质层；所述第一绝缘层覆盖在所述第一衬底的第二面且至少暴露出对应于各所述硅通孔的通孔区域，所述第一衬底为硅衬底；

各所述电极设置于对应的所述通孔区域且与对应的所述硅通孔电连接；

所述传感器主体包括测试电极和敏感材料层，所述测试电极位于所述介质层上方且与对应的所述硅通孔连接；所述敏感材料层覆盖在所述测试电极的目标区域上；

所述盖帽层包括第二衬底和键合环，所述第二衬底的第一面设置有容置槽，所述传感器主体的至少部分处于所述容置槽中；所述键合环设置于所述第二衬底的第一面且闭合环绕所述容置槽，用于将所述基体和所述盖帽层固定连接在一起。

在一种可能的实现方式中，所述传感器主体还包括：加热电极、第二绝缘层；

所述加热电极位于所述介质层上方且与对应的各所述硅通孔连接；

所述第二绝缘层位于所述介质层上方且至少覆盖所述加热电极，且所述第二绝缘层设置有用于暴露出所述测试电极所连接的硅通孔的电极通孔；

其中，所述测试电极位于所述第二绝缘层上方且所述目标区域与所述加热电极重叠，并通过所述电极通孔连接到对应的各所述硅通孔。

在一种可能的实现方式中，所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域，所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域，所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

在一种可能的实现方式中，所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层，所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层的对应于所述容置槽的区域，所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽内；或者

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域且所述第二绝缘层还覆盖裸露的所述介质层的全部区域，所述键合环与所述第二绝缘层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

在一种可能的实现方式中，所述加热电极的形状包括可延展形状，所述可延展形状包括蛇形、S形中的任意一种；并且/或者

所述测试电极包括叉指电极，所述目标区域为所述叉指电极的周期性图案区域，所述加热电极的可延展形状区域和所述目标区域的尺寸匹配且位置重叠；并且/或者

根据本公开的一方面，提供了一种基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法，所述方法包括：

在第一衬底的第一面制备介质层；对所述第一衬底和所述介质层进行刻蚀、并对所述第一衬底进行减薄，形成多个硅通孔；在所述第一衬底的第二面制备第一绝缘层，并对所述第一绝缘层进行刻蚀以至少暴露出各所述硅通孔对应的通孔区域，得到所述传感器的基体；

在所述介质层的上方制造测试电极；在所述测试电极的目标区域的上方制造敏感材料层，得到传感器主体；

在第二衬底的第一面制备键合环；对所述第二衬底的第一面进行刻蚀，形成容置槽，得到所述传感器的盖帽层；

通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，以使至少部分所述传感器主体处于所述容置槽中；

在各所述通孔区域植球，形成所述传感器的电极，完成所述传感器的制备。

在一种可能的实现方式中，在所述介质层的上方制造测试电极；在所述测试电极的目标区域的上方制造敏感材料层，得到传感器主体，包括：

在所述介质层的上方依次制造加热电极和第二绝缘层，且使所述第二绝缘层至少覆盖所述加热电极；

对所述第二绝缘层进行刻蚀，形成电极通孔，以暴露出用于与测试电极连接的硅通孔；

在所述第二绝缘层上制造出目标区域与所述加热电极重叠的测试电极，并使所述测试电极通过所述电极通孔与对应的硅通孔连接；

在所述目标区域的上方制造敏感材料层，得到传感器主体。

在一种可能的实现方式中，通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，包括以下任意一个步骤：

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

在一种可能的实现方式中，通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，包括以下任意一个步骤：

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层，则通过键合的方式将所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层的对应于所述容置槽的区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽内；

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域且所述第二绝缘层还覆盖裸露的所述介质层的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述第二绝缘层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

在一种可能的实现方式中，所述加热电极的形状包括可延展形状，所述可延展形状包括蛇形、S形中的任意一种；并且/或者

所述测试电极包括叉指电极，所述目标区域为所述叉指电极的周期性图案区域，所述加热电极的可延展形状区域和所述目标区域的尺寸匹配且位置重叠。

本公开实施例提供的基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法，能够整体设计系统优化，具有高性能、低成本、小型化、高可靠性、高工艺可行性与兼容性、高晶圆级均一性。根据整晶圆的应力动态调控与补偿、高工艺兼容度、热预算管理与分配对制造过程进行设置，避免制造过程中应力过大、工艺兼容性过差或热失效带来的良率损失，可广泛应用于晶圆级薄膜型传感器，例如薄膜型气体传感器、薄膜压力传感器、薄膜型温度传感器的制备与封装。

根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。

图1A示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的结构示意图。

图1B示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的截面示意图。

图2A示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的结构示意图。

图2B示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的截面示意图。

图3示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的结构示意图。

图4示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的结构示意图。

图5示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的结构示意图。

图6示出根据本公开一实施例的加热电极的结构示意图。

图7示出根据本公开一实施例的测试电极的结构示意图。

图8示出根据本公开一实施例的敏感材料层的结构示意图。

图9示出根据本公开一实施例的加热电极、测试电极和敏感材料层的相对位置示意图。

图10A示出根据本公开一实施例的盖帽层的俯视图。

图10B示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的盖帽层的俯视图。

图11示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型气体传感器的结构示意图。

图12示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法的流程图。

图13示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法的制造过程示意图。

图14示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法中传感器主体的制造过程示意图。

图15示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法中盖帽层的制造过程示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。

另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。

为解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法，所制造的传感器能够整体设计系统优化，所制造的传感器具有高性能、低成本、小型化、高可靠性、高工艺可行性与兼容性、高晶圆级均一性。根据整晶圆的应力动态调控与补偿、高工艺兼容度、热预算管理与分配对制造过程进行设置，避免制造过程中应力过大、工艺兼容性过差或热失效带来的良率损失，可广泛应用于晶圆级薄膜型传感器，例如薄膜型气体传感器、薄膜压力传感器、薄膜型温度传感器的制备与封装。

图1A、图2A、图3-图5示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的结构示意图。图1B、图2B示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的截面示意图。其中，图1B、图2B为第一绝缘层16中、与第一衬底11的第一面平行的任意一个截面的截面示意图。

如图1A所示，该传感器包括：基体、传感器主体、盖帽层和多个电极41。所述基体可以包括：第一衬底11、介质层12、第一绝缘层16和多个硅通孔15。所述传感器主体包括测试电极20和敏感材料层21。盖帽层包括第二衬底31和键合环32。

其中，如图1A所示，所述基体可以包括：第一衬底11、介质层12、第一绝缘层16和多个硅通孔15。所述介质层12覆盖在所述第一衬底11的第一面的至少部分区域。各所述硅通孔15贯穿于所述第一衬底11和所述介质层12。所述第一绝缘层16覆盖在所述第一衬底11的第二面且至少暴露出对应于各所述硅通孔15的通孔区域15’(如图1B所示)，所述第一衬底11为硅衬底。

在本实施例中，介质层用于将第一衬底与传感器主体中的测试电极以及下文描述的加热电极隔离，介质层可以为ONO介质层，ONO介质层可以为氧化硅(SiO₂)/氮化硅(SiN_x)/氧化硅层，可以采用等离子体增强化学气相沉积法(Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition，PECVD)等工艺制备。由于氮化硅与氧化硅有相反的热膨胀特性，因此可在高温工艺中减少热膨胀带来的附加应力，所以可以将介质层设置为ONO介质层。

例如，如图5所示，介质层12可以包括氧化硅层121、氮化硅层122和氧化硅层123。硅通孔15的直径可以为1μm～50μm、深宽比可以为5:1～10:1。第一绝缘层的材料可以是氧化硅等绝缘材料，第一绝缘层的厚度可以为300nm～1000nm。本领域技术人员可以根据实际需要对介质层、第一绝缘层、硅通孔的材料、尺寸进行设置，本公开对此不作限制。

如图1A所示，各所述电极41设置于对应的所述通孔区域15’且与对应的所述硅通孔15电连接。这样，通过硅通孔15下方连接电极41，可减少平面金属布线，将测试区域与电气区域有效隔离，从而提高器件可靠性，并实现器件小型化。

在本实施例中，电极41可以为通过激光植球等植球方式制造的金属球，金属球的材料可以是铅锡合金(PbSn)等。如图2A、图2B、图3-图5所示，该传感器还可以包括金属电极沉积层17。该金属电极沉积层17位于各通孔区域15’且覆盖各通孔区域15’。金属电极沉积层17的材料可以是钛(Ti)、铂(Pt)、金(Au)等金属。金属电极沉积层17的厚度可以是550nm。通过金属电极沉积层17可以便于后续通过植球方式制备电极41，保证植球的顺利进行。本领域技术人员可以根据实际需要对金属电极沉积层、电极的材料、尺寸进行设置，本公开对此不作限制。

如图1A所示，所述传感器主体包括测试电极20和敏感材料层21。所述测试电极20位于所述介质层12上方且与对应的各所述硅通孔15连接。所述敏感材料层21覆盖在所述测试电极20的目标区域上。

在本实施例中，敏感材料层的材料可以为氧化物、金属、高分子聚合物等，根据实际需要切换不同的材料。敏感材料层可以用自组装或整晶圆涂覆形成，并通过光刻实现图案化，从而与晶圆级制造技术更好兼容。其中，传感器主体工作过程中可以在测试电极两端施加一定电压，当敏感材料层在传感过程中发生特异性变化时，测试电极两端电信号会发生改变，通过读取该信号变化可实现相应检测。

在一种可能的实现方式中，如图2A、图3-图5所示，在所制造的传感器中敏感材料层21需要加热到一定温度后才能正常工作的情况下，所述传感器主体还可以包括：加热电极18、第二绝缘层19。所述加热电极18位于所述介质层12上方且与对应的各所述硅通孔15连接。所述第二绝缘层19位于所述介质层12上方且至少覆盖所述加热电极18，且所述第二绝缘层19设置有用于暴露出所述测试电极20所连接的硅通孔15的电极通孔191。

其中，若传感器主体还可以包括：加热电极18、第二绝缘层19，则所述测试电极20位于所述第二绝缘层19上方且目标区域与所述加热电极18重叠，并通过所述电极通孔191连接到对应的各所述硅通孔15。

在该实现方式中，加热电极18用于在通电时产生热量，这些热量能够对传感器主体中敏感材料层21进行加热，对敏感材料层21的温度进行调节，使得敏感材料层21在传感器工作过程中处于工作温度，保证传感器主体可以进行相应的检测。其中，若传感器为气体传感器(也即用于对外界环境中的气体种类和/或浓度进行检测的传感器)，则传感器主体还可以包括加热电极18、第二绝缘层19，敏感材料层21的材料可以是气敏材料，气敏材料被加热后可以与气体分子进行特异性结合。第二绝缘层19用于隔绝测试电极20和加热电极18，使得测试电极20和加热电极18互不联通。其中，第二绝缘层19的材料可以为氧化硅、氮化硅等绝缘材料，本公开对此不作限制。

图6示出根据本公开一实施例的加热电极的结构示意图。图7示出根据本公开一实施例的测试电极的结构示意图。图8示出根据本公开一实施例的敏感材料层的结构示意图。图9示出根据本公开一实施例的加热电极、测试电极和敏感材料层的相对位置示意图。其中，为更清晰的示意加热电极18、测试电极20和敏感材料层21在空间中的相对位置关系，图9并未示出第二绝缘层19。

在一种可能的实现方式中，所述加热电极18的形状可以包括可延展形状，所述可延展形状可以包括如图6所示的蛇形、S形等具有延展性的形状。这样，可以增加加热电极的长度。加热电极18可以包括可延展形状区域M1、用于连接硅通孔15的第一连接区181、用于实现可延展形状区域M1与第一连接区181之间连接的第一导线区182。

在一种可能的实现方式中，如图7所示，测试电极20可以为叉指电极。叉指电极中互不联通的叉指之间可以通过其上方覆盖的敏感材料层21实现联通。测试电极20可以包括周期性图案区域M2、用于连接硅通孔15的第二连接区201、用于实现周期性图案区域M2与第二连接区201之间连接的第二导线区202。目标区域可以为周期性图案区域M2。

其中，加热电极18中可延展形状区域M1和第一导线区182的宽度w1与叉指电极的宽度(也即周期性图案区域M2和第二连接区201的宽度)w2相等，也即w1＝w2。可延展形状区域M1条状金属之间的距离s1与叉指电极中叉指之间的距离(也即周期性图案区域M2中条状金属之间的距离)s2相同，也即s1＝s2。并且，w1与s1可以相等。可延展形状区域M1与周期性图案区域M2的尺寸相同。可延展形状区域M1、周期性图案区域M2的周期数也可以相同，其中，如图6所示的可延展形状区域M1的周期数为4，图7所示的周期性图案区域M2的周期数为4。加热电极18的厚度和测试电极20的厚度可以相同，该厚度可以为80nm～150nm，例如加热电极18和测试电极20的厚度设置为110nm。

在该实现方式中，加热电极18和测试电极20的材料可以是钛(Ti)、铂(Pt)等金属，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，敏感材料层21可以是球状(如图8所示)、片状、杆状等预设形状的敏感材料211的自组装团簇。敏感材料层21的尺寸可以略小于或等于周期性图案区域M2的尺寸，以使得敏感材料层21可以完全覆盖周期性图案区域M2，保证传感器的电路导通。

在本实施例中，可以根据传感器的尺寸设置需要对敏感材料层21、测试电极20、加热电极18的尺寸进行设置。假定根据传感器的尺寸设置确定敏感材料层21的尺寸为100μm×100μm～300μm×300μm，则s1、s2、w1、w2可以为5μm～20μm，测试电极20、加热电极18的长度可以为35μm～380μm。可以理解的是，本领域技术人员可以根据实际需要对传感器主体中各部分的尺寸、材料等进行设置，本公开对此不作限制。

在本实施例中，各硅通孔15设置于加热电极18的第一连接区181或测试电极20的第二连接区201下方，各硅通孔15中的填充金属在第一衬底11的第一面与加热电极18或测试电极20相接触，硅通孔15中的填充金属在第一衬底11的第二面通过金属电极沉积层17与电极41相连，可连接至外部使得检测到的信号输入处理电路。这样，硅通孔15用作互联线路，实现晶圆三维封装，将互联线路与电路区域与测试区域在空间上隔离。

其中，图10A示出根据本公开一实施例的盖帽层的俯视图。如图1A、图2A、图3-图5、图10A所示，盖帽层可以包括第二衬底31和键合环32。所述第二衬底31的第一面设置有容置槽312，至少部分所述传感器主体处于所述容置槽312中。所述键合环32设置于所述第二衬底31的第一面且闭合环绕所述容置槽312，用于将所述基体和所述盖帽层固定连接在一起。

图10B示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的盖帽层的俯视图。图11示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型气体传感器的结构示意图。当本公开的薄膜型传感器为薄膜型气体传感器时，如图10B、图11所示，在一种可能的实现方式中，若传感器为气体传感器，则盖帽层还可以包括透气膜层33和防尘网层34。第二衬底31的第二面可以设置有与所述容置槽312连接的、位置对应于所述目标区域的通气孔311。透气膜层33位于所述第二衬底31的第二面的上方且至少覆盖所述通气孔311。防尘网层34，位于所述第二衬底31的第二面且至少覆盖在所述透气膜层33的与所述通气孔311对应的区域，所述防尘网层34的对应于通气孔311的部分设置有多个通孔341。

在该实现方式中，透气膜层33可以覆盖在第二衬底31的第二面的全部区域(如图11所示)，也可以仅覆盖在第二衬底31的第二面对应于所述通气孔311的区域。该透气膜层33具有选择通过性，可以使气体进入通气孔311中，阻挡十微米级的污染物进入通气孔311中。例如，透气膜层33的材料可以为聚合物。这样，可以避免污染物对传感器中敏感材料层造成污染和损伤。本领域技术人员可以根据实际需要对透气膜层的材料、厚度进行设置，本公开对此不作限制。

防尘网层34可以覆盖在透气膜层33的全部区域(如图11所示)，也可以仅覆盖在透气膜层33的对应于所述通气孔311的区域。防尘网层34与透气膜层33的尺寸可以相同也可以不同，本公开对此不作限制。防尘网层34用于阻挡灰尘等大颗粒污物通过通气孔311落入传感器内部，避免大颗粒污物对传感器中敏感材料层造成污染和机械损伤。防尘网层34的材料可以是金属等能够抵抗腐蚀性气体的腐蚀的材料，以提高传感器的可靠性。例如，防尘网层34的材料可以是Pt。防尘网层34的厚度可以是100nm～300nm。本领域技术人员可以根据实际需要对防尘网层的材料、厚度进行设置，本公开对此不作限制。

在一种可能的实现方式中，若传感器为气体传感器，则盖帽层还可以仅包括防尘网层(也即不包括透气膜层)，该和防尘网层位于所述第二衬底31的第二面且至少覆盖在所述通气孔311对应的区域，所述防尘网层的至少覆盖通气孔311的区域设置有多个通孔341。

在一种可能的实现方式中，该传感器还可以包括处理模块，该处理模块用于对加热电极和测试电极的通电进行控制，以使得传感器工作过程中，加热电极能通电以将敏感材料层加热至工作温度。在传感器工作过程中，处理模块本身或者控制对应的检测模块对流经测试电极的电流进行监测，并根据监测结果确定传感器所检测到的针对与对象的相关数据。其中，检测对象可以是气体、温度、湿度、加速度、速度等，本公开对此不作限制。

在本实施例中，盖帽层的厚度可以为200微米～400微米，第一衬底和第二衬底可以为硅等材料，以使得二者与器件层制造工艺具有较高的兼容性，保证第一衬底、基体与键合环之间接触强度的匹配。盖帽层的材料还可以是玻璃等材料，本公开对此不作限制。

在本实施例中，盖帽层和基体可以是尺寸相同、厚度相近或相同结构。这样，可以确保基体和盖帽层之间有相当的力学性能，在键合及后续操作中不会因膨胀系数、抗压强度等不匹配而产生问题。键合环32的材料可以是易于与基体键合的材料，例如，键合环32的材料可以是金(Au)等金属。为保证盖帽层和基体之间固定连接的可靠性，可以对键合环的宽度w3和厚度h进行设置，例如，w3可以为100μm～150μm，h可以为150nm。如图10所示，键合环32可以环绕容置槽且位于第二衬底31的第一面的边缘。

在本实施例中，可以通过键合的方式将键合环32固定到基体上，以将所述基体和所述盖帽层固定连接在一起。而由于基体和传感器主体结构上的差异，与键合环32键合连接的结构存在差异，以下通过键合方式一、二、三、四、五进行示意性说明。

键合方式一：

如图4所示，若传感器主体还包括第二绝缘层，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的对应于所述容置槽312的区域且所述第二绝缘层19还至多覆盖裸露的所述介质层12，则通过键合的方式将所述键合环32与所述第一衬底11的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层12位于所述容置槽312内。

键合方式二：

如图3所示，若传感器主体还包括第二绝缘层，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层19还至多覆盖裸露的所述介质层12的对应于所述容置槽312的区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述介质层12固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽312内。

键合方式三：

如图5所示，若传感器主体还包括第二绝缘层，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的全部区域且所述第二绝缘层还覆盖裸露的所述介质层12的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述第二绝缘层19固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、至少所述敏感材料层21位于所述容置槽312内。

键合方式四：

若传感器主体仅包括测试电极和敏感材料层，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的对应于所述容置槽312的区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述第一衬底11的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层12位于所述容置槽312内。

键合方式五：

如图1A所示，若传感器主体仅包括测试电极和敏感材料层，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述介质层12固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述敏感材料层21位于所述容置槽312内。

在本实施例中，容置槽312的位置、尺寸和形状可以根据传感器主体的位置、尺寸和形状进行设置，以使得至少传感器主体的敏感材料层21处于容置槽312中。容置槽312的深度可以为100微米～300微米。举例来说，若传感器为如图5所示的结构，敏感材料层21的尺寸为100μm×100μm～300μm×300μm，则容置槽312可以为长方体结构，其尺寸为500μm×500μm×100μm(100μm为深度)。

图12示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法的流程图。图13示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法的制造过程示意图。图14示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法中传感器主体的制造过程示意图。图15示出根据本公开一实施例的基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法中盖帽层的制造过程示意图。

如图12-图15所示，该方法包括：基体制造步骤、传感器主体制造步骤、盖帽层制造步骤、固定连接步骤和电极制造步骤。其中，基体制造步骤包括步骤S501至步骤S503。传感器主体制造步骤包括步骤S504至步骤S505。盖帽层制造步骤包括步骤S506至步骤S507。固定连接步骤包括步骤S508。电极制造步骤包括步骤S509。其中，图13和图14中示意性的以制造图1所示的传感器(假定图1中介质层为ONO介质层)为例，示出了制造方法的流程。可以理解的是，基体制造步骤可以在盖帽层制造步骤之前、之后、或者同步执行。传感器主体制造步骤在基体制造步骤之后执行，固定连接步骤在执行完基体制造步骤、传感器主体制造步骤、盖帽层制造步骤之后执行，电极制造步骤在固定连接步骤之后执行。

基体制造步骤：包括步骤S501至步骤S503。

在步骤S501中，在第一衬底11的第一面制备出介质层12，介质层12可以为氧化硅层121、氮化硅层122和氧化硅层123。可以采用PECVD工艺制备该介质层12。

在步骤S502中，对第一衬底11和介质层12进行刻蚀、并对所述第一衬底11进行减薄，形成多个硅通孔15。

其中，如图13所示，步骤S502可以包括：

对第一衬底11和介质层12进行刻蚀，形成制备该传感器所需的多个盲孔13；通过热氧化在盲孔13表面制备氧化硅绝缘层(可以避免后续高温损坏绝缘层)，而后在绝缘层表面采用原子层沉积(Atomic layer deposition，ALD)工艺或物理气相沉积(PhysicalVapor Deposition，PVD)工艺依次制备TiN阻挡层和Cu种子层；可以采用电镀工艺在盲孔13中填充金属形成如图10B所示的金属结构14，而后可以退火以部分释放填充金属带来的应力；由于介质层12上也电镀上了金属结构14，因而可以继续采用化学机械抛光(ChemicalMechanical Polishing，CMP)等工艺对介质层12上的金属结构14进行抛光；抛光后对第一衬底11的第二面进行减薄直至暴露出盲孔13，得到硅通孔15。其中，为简明图10B中并未示出硅通孔中的绝缘层、TiN阻挡层和Cu种子层。绝缘层用于在硅通孔15中的金属柱与第一衬底11之间实现电绝缘。阻挡层用于防止硅通孔15中的金属柱中电极金属扩散进入绝缘层及第一衬底11。

其中，可以采用电感耦合等离子体(Inductively Coupled Plasma，ICP)等干法刻蚀工艺对介质层12进行刻蚀，采用Bosch工艺对第一衬底11进行刻蚀，最终形成多个盲孔13。

在步骤S503中，在所述第一衬底11的第二面制备第一绝缘层16，并对所述第一绝缘层16进行刻蚀以至少暴露出各所述硅通孔15对应的通孔区域，完成基体的制造。

其中，可以采用PECVD制备第一绝缘层16，可以避免高温下硅通孔中的金属扩散。而后可以采用光刻工艺对通孔区域进行图案化，而后利用ICP工艺刻蚀第一绝缘层16直至暴露出各通孔区域。而后可以通过磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式在通孔区域中沉积金属电极沉积层17，作为后续植球的接触区(接触区的制造步骤为可选步骤)。通过制备硅通孔过程中的抛光和步骤S503中的减薄，可以消除薄膜应力导致的晶圆翘曲，保障后续工艺的顺利实施。

传感器主体制造步骤：包括步骤S504至步骤S505。

在步骤S504中，在介质层12的表面制备测试电极20。

其中，可以在介质层12表面涂覆光刻胶，基于测试电极20的结构和尺寸对光刻胶进行图案化后，暴露出介质层12表面需要制备测试电极20的区域，通过磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式进行金属沉积形成测试电极20，而后去掉介质层12表面的多余光刻胶。

在步骤S505中，在所述测试电极20的目标区域的上方制造敏感材料层21，完成传感器主体的制造。

其中，采用光刻的方式对测试电极20的目标区域上方进行图案化，暴露出测试电极20表面需要制备敏感材料层21的区域，而后采用涂覆的方式在进行敏感材料涂覆，剥离光刻胶之后得到敏感材料层21，得到传感器主体。

在一种可能的实现方式中，如图14所示，若传感器主体还包括加热电极和第二绝缘侧，则传感器主体的制造步骤可以包括：在介质层12的表面制备加热电极18。在加热电极18以及裸露的介质层12表面制造第二绝缘层19；对第二绝缘层19进行刻蚀，形成电极通孔191，以通过电极通孔191暴露出多个硅通孔15中用于与测试电极20连接的硅通孔；在所述第二绝缘层19上制造出目标区域与所述加热电极18重叠的测试电极20，并使所述测试电极20通过电极通孔191与对应的硅通孔15连接；在所述目标区域的上方制造敏感材料层21，完成传感器主体的制造。

在该实现方式中，可以在介质层12表面涂覆光刻胶，基于加热电极18的结构和尺寸对光刻胶进行图案化后，暴露出介质层12表面需要制造加热电极18的区域，通过磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式进行金属沉积形成加热电极，而后去掉介质层12表面的多余光刻胶。可以采用PECVD工艺沉积第二绝缘层。可以在第二绝缘层19表面涂覆光刻胶，基于测试电极20连接的硅通孔15的位置和尺寸对光刻胶进行图案化后，通过湿法刻蚀工艺对第二绝缘层19进行刻蚀，暴露出多个硅通孔15中用于与测试电极20连接的硅通孔而后去掉第二绝缘层19表面的多余光刻胶。可以在第二绝缘层19表面涂覆光刻胶，基于测试电极20的结构和尺寸对光刻胶进行图案化后，暴露出第二绝缘层19表面需要制备测试电极20的区域，通过磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式进行金属沉积形成测试电极20，而后去掉第二绝缘层19表面的多余光刻胶。采用光刻的方式对测试电极20的目标区域上方进行图案化，暴露出第二绝缘层19和测试电极20表面需要制备敏感材料层21的区域，而后采用涂覆的方式在进行敏感材料涂覆，剥离光刻胶之后得到敏感材料层21，得到传感器主体。

盖帽层制造步骤：包括步骤S506至步骤S507。

在步骤S506中，在第二衬底31的第一面制备键合环32。

其中，可以采用光刻的方式对键合环区域进行图案化，而后可以使用磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式进行沉积，而后对多余的胶层进行剥离获得键合环32。

在步骤S507中，对所述第二衬底31的第一面进行刻蚀，形成容置槽312。

其中，可以通过光刻对第二衬底31的第一面对应于容置槽的区域进行图案化，并采用BOSCH工艺刻蚀图案化区域内的第二衬底31，形成容置槽312。

在一种可能的实现方式中，若传感器为气体传感器，则盖帽层制造步骤可以包括：对所述第二衬底31进行刻蚀，形成贯穿所述第二衬底31且对应于所述目标区域的通气孔311。其中，可以采用BOSCH工艺对第二衬底31进行刻蚀，以形成通气孔311。对所述第二衬底31的第一面进行刻蚀，形成与所述通气孔311连接的容置槽312。其中，可以通过光刻对第二衬底31的第一面对应于容置槽的区域进行图案化，并采用BOSCH工艺刻蚀图案化区域内的第二衬底31，形成容置槽312。将预先制备的透气膜贴合在所述第二衬底31的第二面并至少覆盖所述通气孔311，形成透气膜层33。在所述透气膜层33上方进行防尘网层制备，形成至少覆盖所述透气膜层33的部分带有多个通孔341的防尘网层34。其中，可以采用光刻的方式对防尘网层进行图案化，暴露出透气膜层33上方和第二衬底的第二面上方需要制备防尘网层的区域，通过磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式进行金属沉积形成防尘网层，而后去掉多余光刻胶，完成防尘网层34的制备。

在一种可能的实现方式中，若传感器为气体传感器，且盖帽层包括防尘网层但不包括透气膜层，则盖帽层制造步骤可以包括：对所述第二衬底31进行刻蚀，形成贯穿所述第二衬底31且对应于所述目标区域的通气孔311。对所述第二衬底31的第一面进行刻蚀，形成与所述通气孔311连接的容置槽312。可以采用光刻的方式对防尘网层进行图案化，暴露出第二衬底的第二面上方需要制备防尘网层的区域，通过磁控溅射或蒸发镀膜等金属沉积方式进行金属沉积形成防尘网层，而后去掉多余光刻胶，完成防尘网层的制备，得到至少覆盖所述通气孔的部分带有多个通孔的防尘网层。

固定连接步骤：包括步骤S508。

在步骤S508中，通过键合的方式将所述键合环32与所述基体固定连接在一起，以使至少部分所述传感器主体处于所述容置槽312中。

其中，在键合过程中可以对基体施加反向压应力，进一步减轻翘曲。

其中，根据基体和传感器主体结构的差异，步骤S508包括以下任意一种实现方式：

若传感器主体不包括加热电极和第二绝缘层，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的对应于所述容置槽312的区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述第一衬底11的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层12位于所述容置槽312内.

若传感器主体不包括加热电极和第二绝缘层，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述介质层12固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述敏感材料层21位于所述容置槽312内。也即，最终得到如图1A所示的基体与盖帽层连接的状态的传感器。

若传感器主体包括加热电极18和第二绝缘层19，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的对应于所述容置槽312的区域且所述第二绝缘层19还至多覆盖裸露的所述介质层12，则通过键合的方式将所述键合环32与所述第一衬底11的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层12位于所述容置槽312内。也即，最终得到如图4所示的基体与盖帽层连接的状态的传感器。

若传感器主体包括加热电极18和第二绝缘层19，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层19还至多覆盖裸露的所述介质层12的对应于所述容置槽312的区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述介质层12固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽312内。也即，最终得到如图3所示的基体与盖帽层连接的状态的传感器。

若传感器主体包括加热电极18和第二绝缘层19，且所述介质层12覆盖所述第一衬底11的第一面的全部区域且所述第二绝缘层19还覆盖裸露的所述介质层12的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环32与所述第二绝缘层19固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、至少所述敏感材料层21位于所述容置槽312内。也即，最终得到如图5所示的基体与盖帽层连接的状态的传感器。

电极制造步骤：包括步骤S509。

在步骤S509中，在各所述通孔区域植球，形成所述传感器的电极41，完成所述传感器的制备。其中，可以采用激光植球的方式进行植球。

需要说明的是，尽管以上述实施例作为示例介绍了基于晶圆级封装的薄膜型传感器及其制造方法如上，但本领域技术人员能够理解，本公开应不限于此。事实上，用户完全可根据个人喜好和/或实际应用场景灵活设定传感器各结构、方法的各步骤，只要符合本公开的技术方案即可。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种基于晶圆级封装的薄膜型传感器，其特征在于，所述传感器包括基体、传感器主体、盖帽层和多个电极；

所述基体包括：第一衬底、介质层、第一绝缘层和多个硅通孔，所述介质层覆盖在所述第一衬底的第一面的至少部分区域；各所述硅通孔贯穿于所述第一衬底和所述介质层；所述第一绝缘层覆盖在所述第一衬底的第二面且至少暴露出对应于各所述硅通孔的通孔区域，所述第一衬底为硅衬底；

各所述电极设置于对应的所述通孔区域且与对应的所述硅通孔电连接；

所述传感器主体包括测试电极和敏感材料层，所述测试电极位于所述介质层上方且与对应的所述硅通孔连接；所述敏感材料层覆盖在所述测试电极的目标区域上；

所述盖帽层包括第二衬底和键合环，所述第二衬底的第一面设置有容置槽，所述传感器主体的至少部分处于所述容置槽中；所述键合环设置于所述第二衬底的第一面且闭合环绕所述容置槽，用于将所述基体和所述盖帽层固定连接在一起；

所述传感器主体还包括：加热电极、第二绝缘层；

所述加热电极位于所述介质层上方且与对应的各所述硅通孔连接；

所述第二绝缘层位于所述介质层上方且至少覆盖所述加热电极，且所述第二绝缘层设置有用于暴露出所述测试电极所连接的硅通孔的电极通孔；

其中，所述测试电极位于所述第二绝缘层上方且所述目标区域与所述加热电极重叠，并通过所述电极通孔连接到对应的各所述硅通孔。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域，所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域，所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层，所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层的对应于所述容置槽的区域，所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽内；或者

所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域且所述第二绝缘层还覆盖裸露的所述介质层的全部区域，所述键合环与所述第二绝缘层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，

所述加热电极的形状包括可延展形状，所述可延展形状包括蛇形、S形中的任意一种；并且/或者

所述测试电极包括叉指电极，所述目标区域为所述叉指电极的周期性图案区域，所述加热电极的可延展形状区域和所述目标区域的尺寸匹配且位置重叠。

5.一种基于晶圆级封装的薄膜型传感器的制造方法，其特征在于，用于制造权利要求1-4任意一项所述的传感器，所述方法包括：

在第一衬底的第一面制备介质层；对所述第一衬底和所述介质层进行刻蚀、并对所述第一衬底进行减薄，形成多个硅通孔；在所述第一衬底的第二面制备第一绝缘层，并对所述第一绝缘层进行刻蚀以至少暴露出各所述硅通孔对应的通孔区域，得到所述传感器的基体；

在所述介质层的上方制造测试电极；在所述测试电极的目标区域的上方制造敏感材料层，得到传感器主体；

在第二衬底的第一面制备键合环；对所述第二衬底的第一面进行刻蚀，形成容置槽，得到所述传感器的盖帽层；

通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，以使至少部分所述传感器主体处于所述容置槽中；

在各所述通孔区域植球，形成所述传感器的电极，完成所述传感器的制备；

在所述介质层的上方制造测试电极；在所述测试电极的目标区域的上方制造敏感材料层，得到传感器主体，包括：

在所述介质层的上方依次制造加热电极和第二绝缘层，且使所述第二绝缘层至少覆盖所述加热电极；

对所述第二绝缘层进行刻蚀，形成电极通孔，以暴露出用于与测试电极连接的硅通孔；

在所述第二绝缘层上制造出目标区域与所述加热电极重叠的测试电极，并使所述测试电极通过所述电极通孔与对应的硅通孔连接；

在所述目标区域的上方制造敏感材料层，得到传感器主体。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，包括以下任意一个步骤：

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；或者

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体中至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过键合的方式将所述键合环与所述基体固定连接在一起，包括以下任意一个步骤：

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的对应于所述容置槽的区域且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层，则通过键合的方式将所述键合环与所述第一衬底的第一面固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体和所述介质层位于所述容置槽内；

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域、且所述第二绝缘层还至多覆盖裸露的所述介质层的对应于所述容置槽的区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述介质层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、所述传感器主体位于所述容置槽内；

若所述介质层覆盖所述第一衬底的第一面的全部区域且所述第二绝缘层还覆盖裸露的所述介质层的全部区域，则通过键合的方式将所述键合环与所述第二绝缘层固定连接，以使所述基体和所述盖帽层固定连接在一起、至少所述敏感材料层位于所述容置槽内。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述加热电极的形状包括可延展形状，所述可延展形状包括蛇形、S形中的任意一种；并且/或者

所述测试电极包括叉指电极，所述目标区域为所述叉指电极的周期性图案区域，所述加热电极的可延展形状区域和所述目标区域的尺寸匹配且位置重叠。

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