TWI421955B - 具壓力感測器之微機電結構及其製法 - Google Patents

具壓力感測器之微機電結構及其製法 Download PDF

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黃君安
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Description

具壓力感測器之微機電結構及其製法
本發明係有關於一種微機電結構，尤係指一種具壓力感測器之微機電結構及其製法。
壓力感測器是利用壓力感測元件來測知其承受氣體或液體壓力的數值者。隨著微機電系統技術(MEMS)蓬勃發展，以微機電元件製作壓力感測器是目前較為普遍之方法。
如第2圖所示，習知壓力感測器封裝件，大都採用LGA封裝結構，具體而言，該壓力感測器封裝件包括基板30；接置於該基板30上之微機電元件31；設於該微機電元件31上之感測薄膜32，且該感測薄膜32係與微機電元件31間形成一腔室35；電性連接該基板30與該感測薄膜32之銲線33；以及設於該基板30上遮蓋住該微機電元件31之封蓋34，其中，該封蓋34上開設有開口341。然而，封蓋34係具有開口341，以使外界氣或液壓力能進入封蓋34內，而該腔室35內本身已具有一固定壓力，當外界壓力壓迫感測薄膜32，則會與腔室35內壓力產生一壓力差，則可藉由微機電元件31測得，再透過銲線33將訊號傳至基板30，而基板30接置於欲應用之電子元件，如此則可構成一壓力感測迴路。但因微機電元件31接置於基板30之封裝方式其尺寸過於龐大，故不利於外部欲應用之電子元件的體積縮小。
因此，近來業界開發出晶圓級之微機電封裝結構製程，亦即利用蝕刻方式操作矽晶圓穿孔(Through-Silicon Via；TSV)製程，並作晶圓接合，以縮小感測元件之體積。如第3圖所示之美國專利公開公報第2006185429號之習知晶圓級壓力感測器封裝件，係包括一矽晶圓40；堆疊於該矽晶圓40上之感測晶圓41(sensor wafer)，其中，該感測晶圓41具有一感測薄膜411；以及藉由陽極接合(anodic bonding)接置於該感測晶圓41上之玻璃晶圓42，其中，該玻璃晶圓42開設有對應該感測薄膜411之開口421。而矽晶圓40與感測薄膜411形成一腔室45，其感測原理與前述習知技術雷同，故此不再贅述。而於矽晶圓40形成腔室45之凹部與盲孔皆需使用矽晶圓穿孔製程，該製程不僅價格昂貴，且技術精密度要求亦高，故將感測壓力元件以晶圓製程製作，雖可得到尺寸較小之封裝件，但該技術複雜且耗費成本甚鉅。
是以，如何解決以較為簡單之製程步驟卻能得到輕薄短小之晶圓級封裝結構，實為目前亟欲解決的課題。
本發明提供一種具壓力感測器之微機電結構的製法，係包括：準備一具有壓力感測元件之晶圓及封蓋，該晶圓之壓力感測元件具有一頂凹穴、形成於該頂凹穴周圍之壓力感測元件上的電性連接墊、以及設於該頂凹穴中並與其內緣連接之蝕刻停止膜及感測薄膜，其中，該蝕刻停止膜係介於該頂凹穴底部及感測薄膜之間；該封蓋之頂面形成有金屬層；接合該具有壓力感測元件之晶圓及封蓋，使該頂凹穴對應於該底凹穴以構成一腔室；切割該封蓋，以露出該電性連接墊；以銲線電性連接該金屬層與電性連接墊；於該壓力感測元件及金屬層上形成封裝膠體，以包覆該銲線；移除部分頂部封裝膠體，以外露出該銲線；於該封裝膠體頂面形成重配置層，並透過該銲線電性連接該電性連接墊；以及自該壓力感測元件之底面形成底面開口且外露出該蝕刻停止膜。
前述之製法復可包括於該重配置層上佈植銲球。
為接合具有壓力感測元件之晶圓及封蓋，該壓力感測元件上係可設有圍繞該頂凹穴之第一密封環，且該封蓋之底面設有第二密封環，且該第一密封環對應接合該第二密封環。此外，該複數電性連接墊係設於該第一密封環之外圍。
於一具體實施例中，前述的製法復包括於佈植銲球之前，移除該蝕刻停止膜。
根據前述之製法，本發明復提供一種具壓力感測器之微機電結構，係包括：壓力感測元件，係具有一貫穿其頂面之頂凹穴及對應該頂凹穴之底面開口；複數形成於該頂凹穴周圍之電性連接墊；感測薄膜，係設於該頂凹穴及底面開口之間，並連接其內緣；封蓋，以其底面接合該壓力感測元件，以構成一腔室；複數銲線，係形成於該電性連接墊上；封裝膠體，係形成於該壓力感測元件及封蓋上，以包覆該銲線並外露出各該銲線線頭；以及重配置層，形 成於該封裝膠體頂面並電性連接該銲線。
前述之微機電結構復可包括銲球，係佈植於該重配置層上。
於一具體實施例中，本發明之具壓力感測器之微機電結構，復包括蝕刻停止膜，係設於該感測薄膜下。
於一具體實施例中，該具壓力感測器之微機電結構復包括形成於該封蓋之頂面上的金屬層。
本發明之具壓力感測器之微機電結構的製法係利用具有壓力感測元件之晶圓與一封蓋作晶圓接合，且經過設計，令該具有壓力感測元件之晶圓上形成有電性連接墊，經過切割封蓋後得以進行打線及封裝製程，接著裸露銲線線頭以作為電性連接路徑，至於具有壓力感測元件之晶圓的底面，則形成有底面開口以構成壓力感測入徑(pressure inlet)，是以，本發明整合晶圓接合與打線製程，無須經由技術複雜且耗費成本之矽晶圓穿孔(Through-Silicon Via；TSV)製程，即可得到一新穎的具壓力感測器之微機電結構，不僅各步驟之操作簡單，亦可得到輕薄短小之微機電結構。
以下係藉由特定之具體實施例詳細說明本發明之技術內容及實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明的優點及功效。本發明亦可藉由其它不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如“上、下”、“內、外”、“前、後”、“一”及“底部”等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當亦視為本發明可實施之範疇。
請參閱第1A至1H圖，係為具壓力感測器之微機電結構的製法的示意圖。
如第1A圖所示，準備一具有壓力感測元件10之晶圓1及封蓋2，該晶圓1之壓力感測元件10具有一頂凹穴191、形成於該頂凹穴191周圍之壓力感測元件10上的電性連接墊15、以及設於該頂凹穴191中並與其內緣連接之蝕刻停止膜17及感測薄膜19。詳言之，該具有壓力感測元件10之晶圓1包括基底11、形成於該基底11上之內金屬介電層13(intermetal dielectrics；IMD)，其中，該基底11及內金屬介電層13係由晶圓代工廠製作完成，而該內金屬介電層13係為線路層形成於矽材料中，該蝕刻停止膜17之材質可為二氧化矽、氮化矽或金屬，而該感測薄膜19之材質可為矽、多晶矽、二氧化矽或金屬等做為感應壓力者，其中，該蝕刻停止膜17係介於該基底11及感測薄膜19之間，且該內金屬介電層13與該感測薄膜19頂面形成一頂凹穴191，前述該感測薄膜19係與該內金屬介電層13內之線路層連接，而當感測薄膜19因形變而藉由內金屬介電層13內之線路層而可傳輸電訊至該內金屬介電層13上之電性連接墊15；在第1A圖所示之態樣中，該封蓋2之底面可開設有底凹穴211，其頂面則形成有金屬層22。該底凹穴211可由乾式或濕式蝕刻蝕刻該封蓋2之底面而得，且大致上該底凹穴211之尺寸可對應該頂凹穴191。
此外，如第1A’圖所示之另一實施方式，該蝕刻停止膜17並非如第1A圖所示地設於該基底11上，而係與該基底11留有一空隙或空間171，但該蝕刻停止膜17及感測薄膜19仍與該內金屬介電層13內緣接合，以於感測薄膜19頂面形成一頂凹穴191。
如第1B圖所示，以例如晶圓接合(Wafer bonding)之方式接合該壓力感測元件10之內金屬介電層13及封蓋2，使該頂凹穴191對應於該底凹穴211以構成一密閉之腔室25。於第1B圖所示之一具體實施方式中，該壓力感測元件10之內金屬介電層13上設有圍繞該頂凹穴191之第一密封環16，且該封蓋2之底面設有圍繞該底凹穴211之第二密封環26，且該第一密封環16對應接合該第二密封環26。該第一密封環16及第二密封環26之材質可為如錫之金屬或玻璃質(Glass frit)之物質。此外，具體而言，該複數電性連接墊15係設於該第一密封環16之外圍。
如第1C圖所示，切割該封蓋2，以露出該電性連接墊15。
如第1D圖所示，以銲線18電性連接該金屬層22與電性連接墊15，由於該複數電性連接墊15係設於內金屬介電層13上，是以，該複數電性連接墊15係與該內金屬介電層13電性連接，此外，係可藉由反向打線製程自該電性連接墊15打線至該金屬層22上。接著，於該內金屬介電層13及金屬層22上形成封裝膠體20，以包覆該銲線18。
如第1E圖所示，藉由如化學機械研磨之方式移除部分頂部封裝膠體20，以外露出該銲線18。
接著，如第1F圖所示，於該經移除部分封裝膠體20之封裝膠體20頂面形成重配置層21，並透過該銲線18電性連接該電性連接墊15。
如第1G圖所示，自該具有壓力感測元件之晶圓1之底面以例如反應式離子蝕刻(DRIE)之乾式蝕刻或使用KOH之濕式蝕刻移除部份基底11，以形成貫穿該基底11之底面開口12，由於該蝕刻停止膜17具有阻止蝕刻之作用，因此於完成本步驟後，至少需外露出該蝕刻停止膜17。當然亦可視需求，復將蝕刻停止膜17移除。
如第1H圖所示，於該重配置層21上佈植銲球23，並可再切割該封裝膠體20以得到單一之本發明具壓力感測器之微機電結構3。
根據前述之製法，本發明復提供一種具壓力感測器之微機電結構3，係包括：壓力感測元件10，係具有一貫穿其頂面之頂凹穴191及對應該頂凹穴191之底面開口12；複數形成於該頂凹穴191周圍之電性連接墊15；感測薄膜19，係設於該頂凹穴191及底面開口12之間，並連接其內緣；具體而言，該壓力感測元件10包括基底11以及內金屬介電層13，形成於該基底11上，而該複數電性連接墊15係形成於該內金屬介電層13上。
前述微機電結構3復包括：封蓋2，該封蓋2之底面可視需要開設有底凹穴211，係以底面接合該壓力感測元件10之內金屬介電層13，使該底凹穴對應於該頂凹穴191，以構成一腔室25；複數銲線18，係形成於該電性連接墊15上；封裝膠體20，係形成於該壓力感測元件10及封蓋2上，以包覆該銲線18並外露出各該銲線18線頭；以及重配置層21，形成於該封裝膠體20頂面並電性連接該銲線18。此外，亦可包括銲球23，係佈植於該重配置層21上。
於較佳實施例中，該具壓力感測器之微機電結構3復包括形成於該封蓋2之頂面上的金屬層22。
於本具體實施例中，本發明之具壓力感測器之微機電結構3，復包括蝕刻停止膜17，係設於該感測薄膜19下，其中，該蝕刻停止膜17係介於該底面開口12及感測薄膜19之間。更具體而言，該蝕刻停止膜17係設於該基底11上。
於第1H圖所示之態樣中，該壓力感測元件10之內金屬介電層13上設有圍繞該頂凹穴191之第一密封環16，且該封蓋2之底面設有圍繞該底凹穴211之第二密封環26，且該第一密封環16對應接合該第二密封環26。該第一密封環16及第二密封環26之材質可為如錫之金屬或玻璃質(Glass frit)之物質。此外，具體而言，該複數電性連接墊15係設於該第一密封環16之外圍，並與該內金屬介電層13電性連接。又，該具壓力感測器之微機電結構3復包括金屬層22，係形成於該封蓋2之頂面上。
倘於製作該具壓力感測器之微機電結構之過程中，復將蝕刻停止膜17移除，則得到不具蝕刻停止膜17之具壓力感測器之微機電結構3’，如第1H’圖所示。
於第1H”圖所示之另一具體實施例中，若選用如第1A’圖所示之具有壓力感測元件之晶圓1’，則該蝕刻停止膜17與該基底11之間留有一空間171，但該蝕刻停止膜17及感測薄膜19仍與該內金屬介電層13內緣接合，以於感測薄膜19頂面形成一頂凹穴191。
本發明之具壓力感測器之微機電結構的製法係利用具有壓力感測元件之晶圓與一封蓋作晶圓接合，令該具有壓力感測元件之晶圓之內金屬介電層上形成有電性連接墊，經過切割封蓋後得以進行打線及封裝製程，接著裸露銲線線頭以作為電性連接路徑，至於具有壓力感測元件之晶圓的底面，則形成有底面開口以構成壓力感測入徑，是以，本發明整合晶圓接合與打線製程，即可得到一新穎的具壓力感測器之微機電結構，無須經由技術複雜且耗費成本之矽晶圓穿孔製程，且不僅各步驟之操作簡單，亦可得到輕薄短小之微機電結構。
以上所述之具體實施例，僅係用以例釋本發明之特點及功效，而非用以限定本發明之可實施範疇，在未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
1、1’．．．晶圓
10．．．壓力感測元件
11．．．基底
12．．．底面開口
13．．．內金屬介電層
15‧‧‧電性連接墊
16‧‧‧第一密封環
17‧‧‧蝕刻停止膜
171‧‧‧空間
18、33‧‧‧銲線
19、32、411‧‧‧感測薄膜
191‧‧‧頂凹穴
2、34‧‧‧封蓋
20‧‧‧封裝膠體
21‧‧‧重配置層
211‧‧‧底凹穴
22‧‧‧金屬層
23‧‧‧銲球
25、35、45‧‧‧腔室
26‧‧‧第二密封環
3、3’‧‧‧具壓力感測器之微機電結構
30‧‧‧基板
31‧‧‧微機電元件
341、421‧‧‧開口
40‧‧‧矽晶圓
41‧‧‧感測晶圓
42‧‧‧玻璃晶圓
第1A至1H”圖係顯示本發明之具壓力感測器之微機電結構及其製法示意圖，其中，第1A’圖係顯示蝕刻停止膜與基底之間留有空間之示意圖；第1H’圖係顯示未具有蝕刻停止膜之具壓力感測器之微機電結構示意圖；以及第1H”圖係顯示採用第1A’圖之具有壓力感測元件之晶圓製作而得的微機電結構示意圖；
第2圖係顯示習知壓力感測器封裝件之剖面示意圖；以及
第3圖係顯示習知晶圓級壓力感測器封裝件之剖面示意圖。
10．．．壓力感測元件
11．．．基底
12．．．底面開口
13．．．內金屬介電層
15．．．電性連接墊
16．．．第一密封環
17．．．蝕刻停止膜
18．．．銲線
19．．．感測薄膜
191．．．頂凹穴
2．．．封蓋
20．．．封裝膠體
21．．．重配置層
211．．．底凹穴
22．．．金屬層
23．．．銲球
25．．．腔室
26．．．第二密封環
3．．．具壓力感測器之微機電結構

Claims (16)

  1. 一種具壓力感測器之微機電結構的製法，係包括：準備一具有壓力感測元件之晶圓及封蓋，該晶圓之壓力感測元件具有一頂凹穴、形成於該頂凹穴周圍之電性連接墊、以及設於該頂凹穴中並與其內緣連接之蝕刻停止膜及感測薄膜，其中，該蝕刻停止膜係介於該頂凹穴底部及感測薄膜之間，該封蓋之頂面形成有金屬層；接合該具有壓力感測元件之晶圓及封蓋，以構成一腔室；切割該封蓋，以露出該電性連接墊；以銲線電性連接該金屬層與電性連接墊；於該壓力感測元件及金屬層上形成封裝膠體，以包覆該銲線；移除部分頂部封裝膠體，以外露出該銲線；於該封裝膠體頂面形成重配置層，並透過該銲線電性連接該電性連接墊；以及自該壓力感測元件之底面形成底面開口且外露出該蝕刻停止膜。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具壓力感測器之微機電結構的製法，其中，該壓力感測元件上設有圍繞該頂凹穴之第一密封環，且該封蓋之底面設有第二密封環，且該第一密封環對應接合該第二密封環。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之具壓力感測器之微機電結構的製法，其中，該複數電性連接墊係設於該第一密 封環之外圍。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之具壓力感測器之微機電結構的製法，復包括佈植銲球於重配置層上。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之具壓力感測器之微機電結構的製法，復包括於佈植銲球之前，移除該蝕刻停止膜。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之具壓力感測器之微機電結構的製法，其中，該蝕刻停止膜之材質係選自二氧化矽、氮化矽或金屬。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之具壓力感測器之微機電結構的製法，其中，該感測薄膜之材質係選自矽、多晶矽、二氧化矽或金屬。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之具壓力感測器之微機電結構的製法，其中，該封蓋之底面開設有底凹穴，且該頂凹穴對應於該底凹穴以構成一腔室。
  9. 一種具壓力感測器之微機電結構，係包括：壓力感測元件，係具有一貫穿其頂面之頂凹穴及對應該頂凹穴之底面開口，該壓力感測元件上設有圍繞該頂凹穴之第一密封環；複數形成於該頂凹穴周圍之電性連接墊；感測薄膜，係設於該頂凹穴及底面開口之間，並連接其內緣；封蓋，以其底面接合該壓力感測元件，以構成一腔室，該封蓋之底面設有第二密封環，且該第一密封環對 應接合該第二密封環；複數銲線，係形成於該電性連接墊上；封裝膠體，係形成於該壓力感測元件及封蓋上，以包覆該銲線並外露出各該銲線線頭；以及重配置層，形成於該封裝膠體頂面並電性連接該銲線。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之具壓力感測器之微機電結構，復包括蝕刻停止膜，係設於該感測薄膜下。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之具壓力感測器之微機電結構，其中，該蝕刻停止膜之材質係選自二氧化矽、氮化矽或金屬。
  12. 如申請專利範圍第9項所述之具壓力感測器之微機電結構，其中，該複數電性連接墊係設於該第一密封環之外圍。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之具壓力感測器之微機電結構，復包括金屬層，係形成於該封蓋之頂面上。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之具壓力感測器之微機電結構，其中，該感測薄膜之材質係選自矽、多晶矽、二氧化矽或金屬。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之具壓力感測器之微機電結構，復包括銲球，係佈植於該重配置層上。
  16. 如申請專利範圍第9項所述之具壓力感測器之微機電結構，其中，該封蓋之底面開設有底凹穴，且該頂凹穴對應於該底凹穴以構成一腔室。
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