TWI634698B - 電化學單元結構及製法 - Google Patents

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Abstract

一種電化學單元結構包括一基板；一第一金屬層，該第一金屬層設置於該基板上；及一電化學電池陣列，該電化學電池陣列設置於該第一金屬層上，該電化學電池陣列包括多數個電化學電池，該每一電化學電池包括：一第一金屬層設置於該基板上；一第一電極設置於該第一金屬層上；一高分子層設置於該基板上，且相鄰該第一金屬層及該第一電極；一第二金屬層設置於該高分子層上；一第二電極設置於該第二金屬層上。每二電化學電池之高分子層間構成有一通孔，且每二電化學電池間定義一腔室於該第一電極上方，並與該通孔連通。本發明更提供一種電化學單元之製程。

Description

電化學單元結構及製法
本發明係關於一種電化學單元結構及製法。
電化學電池單元是利用離子在陰陽極間的溶液中運動，或者利用電子在陰陽極間的外部金屬導線移動，而形成電化學電池，例如半導體製程中的電鍍製程即是利用溶液中的離子沉積薄膜金屬層。
電化學電池通常利用一個外接的外部電極對多數個在晶片上的內部電極，且，因外接外部電極，所以外部電極及內部電極之間的距離較長，假如縮短外部電極及內部電極的距離，可以減少電極間由溶液引起的電位降低的情況(IR drop)。
在半導體製造過程中，利用接合方式形成腔室(cell cavity)，從而在腔室(cell cavity)形成過程中引起接合不良和對位誤差的問題，尤其當電化學電池(cell)尺寸縮小時更會引起接合不良和對位誤差的問題。
本發明之目的在於電化學單元之電池以矩陣方式排列，每個電池均配備專屬銀/氯化銀之第一及第二電極，第 一及第二電極之間構成微小通孔，每個電池可以獨立量測微小物質通過微小通孔時，因為微小物質的體積變化所造成的電極之間的溶液阻抗的改變，會反應在偵測電流上，分析電流變化和微小物質體積的關係，若體積和物質種類有相關性，則進而可分辨通過微小通孔的物質種類。
本發明之再一目的是將第二電極整合至電化學電池中，使第二電極(外部電極)對多個內部電極(第一電極)的由溶液引起的電位降低的不一致情況可改善。
本發明之又一目的是也縮短第一電極(內部電極)與第二電極(外部電極)之間的距離，改善電解質(electrolyte)溶液引起的電位降低的情況。
本發明之另一目的是在製程中由接合(bonding)引起的接合不良和對位誤差也將改善。
本發明之又一目的是在腔室(cell cavity)四周形成保護層或停止層，可擴展腔室(cell chamber)材料的選擇。
為達到上述目的之電化學單元結構，本發明電化學單元結構包括一基板；一第一金屬層，該第一金屬層設置於該基板上；及一電化學電池陣列，該電化學電池陣列設置於該第一金屬層上，該電化學電池陣列包括多數個電化學電池，該每一電化學電池包括：一第一金屬層設置於該基板上；一第一電極設置於該第一金屬層上；一高分子層設置於該基板上，且相鄰該第一金屬層及該第一電極；一第二金屬層設置於該高分子層上；一第二電極設置於該第二金屬層上。
其中，每二電化學電池之高分子層間構成有一通 孔，且每二電化學電池間定義一腔室於該第一電極上方，並與該第二開口及該通孔連通。該腔室周邊的該高分子層的壁上可形成一保護層。
其中，該高分子層為一T型結構，該T型結構可一體成型且為相同材料。該T型結構可包括一水平部分與一垂直部分，該水平部分與該垂直部分可為相同材料或不相同材料。該高分子層包括一垂直部分及一水平部分，其中該水平部分設置在該垂直部分上方，該水平部分與該第二電極接觸，而該垂直部分與該第一電極、該金屬層及該基板接觸，每二電化學電池之高分子層的水平部分間形成一通孔。其中該水平部分具有一第一端與一第二端，該第一端與該第二端為一垂直面，或該第一端與該第二端為一斜面。該水平部分的第一端與第二端為垂直面，構成一圓形通孔，或該水平部分的第一端與第二端為斜面，構成一圓錐狀通孔。
其中，該高分子層設置在該第一電極間的開口及該第一金屬層上的第一開口，且與該第一電極和第一金屬層相鄰接。
其中，該電化學電池包括有一內連線，該內連線自該第二電極與該第二金屬層經該高分子層及第一金屬層的第一開口延伸至該基板內的第二內部電路，並延伸至與外部電路或電路板連接。
本發明電化學單元結構更包括有一第一內部電路則自該第一電極及第一金屬層延伸至該基板內部，並延伸至與外部電路或電路板連接，其中該第一內部電路與該第二內部電 路兩者不接觸。
本發明一種電化學單元之製法，包括：提供一基板；形成一電化學電池陣列於該基板上，該電化學電池陣列包括多數個電化學電池，步驟包括：形成多數個第一電極於該基板上；形成一高分子層於該第一電極與該基板上；形成一第二電極於該高分子層上。
本發明更包括形成一內連線經該高分子層與該基板內的第二內部電路分別連接至該第二電極與一電路或電路板；及形成一第一內部電路經該基板內部分別連接第一電極與該電路或電路板，其中該第一內部電路與該第二內部電路不接觸。
其中，每二電化學電池之高分子層間形成有一通孔。
其中，該基板係包括一矽基板及具金屬繞線及主動元件的一氧化層(或氮化層)並形成預備連接第一電極的第一內部電路及形成預備連接第二電極的第二內部電路。
其中，該基板上形成一第一金屬層，該第一金屬層以濺鍍或化學氣相沉積方式鍍上金屬。
其中，利用光阻在第一金屬層表面定義第一電極的位置，在該第一金屬層上電鍍銀，而後在銀表面氯化形成氯化銀，使在第一金屬層上形成銀/氯化銀以構成第一電極。
其中，該第一電極上方形成一犠牲層，移除相鄰於該犧牲層與第一電極的光阻，露出多數個開口直到第一金屬層為止。
其中，將該開口底部的第一金屬層蝕刻出第一開口至基板，使其和鄰近該開口底部的第一金屬層分開，而讓相鄰近的第一電極之間絶緣，使電化學電池陣列中的每一電化學電池的第一電極獨立。
其中，以化學氣相沉積方式沉積氮化層或氧化層並填滿該開口及該第一開口並覆蓋該犧牲層。
其中，利用化學性機械平坦化方法研磨表面並將該犠牲層與該氮化層或氧化層露出；或是利用化學性機械平坦化方法將表面高低差相除後，再研磨至距犠牲層一高度即停止，犠牲層上方氧化層或是氮化層的厚度以光或聲納量測方式決定。
其中，以旋轉塗佈方式沉積高分子聚合層於該犧牲層及該氮化層上，並以雷射鑽孔或蝕刻方式自高分子聚合層貫通直至基板表面，且填入一導電材料形成內連線並與第二內部電路連接使導通。
其中，濺鍍或化學氣相沉積方式或無電鍍法鍍上該第二金屬層於該高分子聚合層上，並且利用光阻定義出電化學電池的第二電極的位置後，電鍍銀，並將銀表層氯化形成氯化銀，使在第二金屬層上形成銀/氯化銀以構成第二電極。
其中，將第二電極下方的第二金屬層蝕刻出第二開口，使其和鄰近第二電極下方的第二金屬層分開，使相鄰近的兩個第二電極之間絶緣。
其中，以旋轉塗佈或化學氣相沉積方式沉積氮化層或保護層後，以光阻定義氮化層上的通孔位置，蝕刻貫穿氮 化層與高分子聚合層以形成通孔，並利用有機或無機溶液移除犠牲層，接著，利用稀釋氫氟酸溶液蝕刻第二電極表面覆蓋的氮化層，使第二電極露出來。
10‧‧‧基板
102‧‧‧矽基板
104‧‧‧具金屬繞線及主動元件的氧化層或氮化層
12‧‧‧第一金屬層
120‧‧‧第一開口
122‧‧‧鈦
124‧‧‧銅
126‧‧‧金
14‧‧‧電化學電池陣列
16‧‧‧電化學電池
162‧‧‧第一電極
1620‧‧‧開口
164‧‧‧第二電極
166‧‧‧第二金屬層
1660‧‧‧第二開口
1662‧‧‧保護層
168‧‧‧高分子層
1680‧‧‧通孔
1682‧‧‧保護層
1686‧‧‧垂直部分
1684‧‧‧水平部分
1688‧‧‧垂直面
1689‧‧‧斜面
1686’‧‧‧氧化層或氮化層
1684‧‧‧高分子聚合層
18‧‧‧腔室
180‧‧‧犠牲層
20‧‧‧內連線
210‧‧‧第二內部電路
22‧‧‧第一內部電路
30‧‧‧罩蓋
32‧‧‧注入口
圖一A為本發明電化學單元結構之第一實施例剖視圖。
圖一B為本發明電化學單元結構之第二實施例剖視圖。
圖二A為本發明電化學單元結構之第三實施例剖視圖。
圖二B為本發明電化學單元結構之第四實施例剖視圖。
圖三A-F為本發明電化學單元之製法的第一實施例示意圖。
圖四A-F為本發明電化學單元之製法的第二實施例示意圖。
請參閱圖一A、圖一B、圖二A、圖二B為本發明電化學單元結構之第一實施例剖視圖、第二實施例剖視圖、第三實施例剖視圖及第四實施例剖視圖，本發明電化學單元結構可包括以一基板10、一第一金屬層12、一電化學電池陣列14，該第一金屬層12設置於該基板10上，且該第一金屬層12上設置有該電化學電池陣列14。該基板10可包括有一矽基板102及一具金屬繞線及主動元件的氧化層或氮化層104等。其中該具金屬繞線及主動元件的氧化層或氮化層104設置在該矽基板102上。該第一金屬層12可包括鈦122、銅124、金126堆疊，其中鈦122可與該基板10的具金屬繞線及主動元件的氧化層或氮化 層104接觸。此為本發明之一實施例，其它等效結構亦屬本發明之精神範圍。在一實施例中，該第一金屬層12可為鉻/鎳(Cr/Ni)、鉻/金(Cr/Au)、鈦/銅(Ti/Cu)、鎳/金(Ni/Au)、鉻/鎳/金(Cr/Ni/Au)、鈦/銅/金(Ti/Cu/Au)、鈦/金(Ti/Au)......等等。
該電化學電池陣列14可包括有多數個電化學電池16，該每一電化學電池16包括一第一電極162、一第二電極164、一第二金屬層166及一高分子層168，該第一電極162可包括銀/氯化銀，該第一電極162設置在該第一金屬層12上。該高分子層168底部設置在該第一電極162間的開口1620及該第一金屬層12間的第一開口120，且與該第一電極162和第一金屬層12相鄰接。該高分子層168可包括高分子材料或氧化/氮化材料如氧化矽、氮化矽或多層氧化/氮化層膜等。該第二電極164設置在該第二金屬層166上，該第二金屬層166設置在該高分子層168上，該第二金屬層166設置有多數個第二開口1660。該第二金屬層166可包括鈦、銅、金堆疊，其中鈦可與該高分子層168接觸，金可與該第二電極164接觸。在一實施例中，該第二金屬層166可為鉻/鎳(Cr/Ni)、鉻/金(Cr/Au)、鈦/銅(Ti/Cu)、鎳/金(Ni/Au)、鉻/鎳/金(Cr/Ni/Au)、鈦/銅/金(Ti/Cu/Au)、鈦/金(Ti/Au)......等等。該第二電極164包括銀/氯化銀。
在一實施例中，該每一電化學電池16可包括該第一金屬層12設置於該基板10上，該第一電極162設置於該第一金屬層12上，該高分子層168設置於該基板10上，且相鄰該第一金屬層12及該第一電極162，該第二金屬層166設置於該高分子層168上，及該第二電極164設置於該第二金屬層166上。如 此，第二電極164位於高分子層168上方的設計使本發明將第二電極164整合至電化學電池中，使第二電極164(外部電極)對多個內部電極(第一電極162)因溶液引起的電位降低不一致的情況可改善，且縮短第一電極162(內部電極)與第二電極164(外部電極)之間的距離，改善電解質(electrolyte)溶液引起的電位降低的情況。另外，在製程中由接合(bonding)引起的接合不良和對位誤差也可改善。
每二電化學電池16之高分子層168間構成有一通孔1680，且每二電化學電池16間定義一腔室18於該第一電極162上方，並與該第二開口1660及該通孔1680連通。該腔室18周邊的該高分子層168的壁上可形成一保護層1682(protection layer/stop layer)，以保護該高分子層168。而且在腔室18四周形成保護層或停止層1682，也可擴展腔室18內材料的選擇。進一步地，該高分子層168可為一T型結構，如圖一A、圖二A所示，該高分子層168可為一水平部分1684與一垂直部分1686形成的T型結構，其中該水平部分1684與該垂直部分1686可為相同材料或不相同材料。如圖一B、圖二B所示，該高分子層168可為一體成型且相同材料之T型結構。如圖一A、圖二A所示，該高分子層168包括一垂直部分1686及一水平部分1684，其中該水平部分1684設置在該垂直部分1686上方，該水平部分1684與該第二金屬層166接觸，該第二金屬層166與該第二電極164接觸，而該垂直部分1686與該第一電極162、該第一金屬層12及該基板10接觸。該水平部分1684可為高分子材料(polymer)、氧化矽、氮化矽或多層氧化/氮化膜等，而該垂直部分1686可 為氧化矽材料、氮化矽或多層氧化/氮化膜等。每一電化學電池16之高分子層168的水平部分1684間形成上述通孔1680。而如圖一B、圖二B所示，該高分子層168可為一體成型且相同材料之T型結構，該高分子層168包括一垂直部分及一水平部分(如圖一A與圖二A所示)，其中該水平部分設置在該垂直部分上方，該水平部分與該第二金屬層166接觸，該第二金屬層166與該第二電極164接觸，而該垂直部分與該第一電極162、該第一金屬層12及該基板10接觸。該水平部分與該垂直部分可為高分子材料(polymer)、氧化矽、氮化矽或多層氧化/氮化膜等。每一電化學電池16之高分子層168的水平部分間形成上述通孔1680。其中該水平部分1684具有一第一端與一第二端，該第一端與該第二端可為一垂直面1688，如圖一A、圖一B所示。或該第一端與該第二端可為一斜面1689，如圖二A、圖二B所示。
在一實施例中，該水平部分1684的第一端與第二端可為一垂直面1688，例如圓形通孔，如圖一A、圖一B所示。
在一實施例中，該斜面1689可從該第一端與該第二端的上端向外傾斜到下端。或者，在另一實施例中，該斜面1689可從該第一端與該第二端的上端向內傾斜到下端。例如為圓錐狀通孔，如圖二A、圖二B所示。
在一實施例中，該第二金屬層166周邊可形成一保護層1662(protection layer/stop layer)，以保護該高分子層168及該第二金屬層166。
該通孔1680利用垂直面1688的圓孔或斜面1689形成漸縮的圓錐孔，可提供微小物質通過，可用來量測溶液中的 微小物質對溶液阻抗造成的變化，進而可分辨微小物質的特徵。該通孔1680的孔徑可為大於或等於2nm。惟通孔1680孔徑可依據不同的微小物質而設計，均在本發明精神範圍內。進一步地，每對電化學電池16可以量測微小物質通過通孔1680時，因為微小物質的體積變化所造成的電極之間的溶液阻抗的改變會反應在偵測電流上，分析偵測電流變化和微小物質體積的關係，若體積和物質種類有相關性，則進而可分辨通過微小通孔1680的物質種類。例如Allen J.Bard and Larry R.Faulkner,“Electrochemical Methods,Fundamentals and Applications”一書第一章提到二電極之間的電位差可描述如Eappl=Eeq+η-iRs，Eappl為施加電位、Eeq為一電極相對另一電極的平衡電位、η為真正提供給電極反應的過電位、i為電流、Rs為溶液阻值，其中上述的電位和電流具方向性。若Eeq視為定值，Eappl為操控因子，η和i會隨著Rs改變，故i=-(Eappl-Eeq-η)/Rs。本發明可以偵測的參數為電流i，提供微小物質通過的通孔中的溶液阻值可視為Rs；當通孔被微小物質佔據時，可存在於通孔內的溶液或是電解質數目即變少，即可導電的離子變少，所以溶液阻值Rs將上升，Rs上升反應在電流絶對值i即下降，Rs可視為一個可變電阻。依據此一概念，可做出微小物質體積相對於電流絶對值的校正曲線。若微小物質的種類和體積有關，則即可由偵測電流分辨出物質種類。另，在牛津奈米孔技術(Oxford NANOPORE Technologies)中提出不同尺寸的生物分子經過奈米孔時可量測到電流的改變。而在自然奈米技術雜誌(NATURE NANOTECHNOLOGY | VOL 4 | APRIL 2009 pp265-270)提出生物分子通過奈米孔量測的電流訊號。
在一實施例中，該電化學電池16包括有一內連線20，該內連線20自該第二電極164與該第二金屬層166經該高分子層168及第一金屬層12的第一開口120延伸至該基板10連接一第二內部電路210，並延伸至與外部電路或電路板(圖中未示)連接。因此，本發明不需要外部電路連接第二電極。而第一內部電路22則自該第一電極162及該第一金屬層12延伸至該基板10內部，並延伸至與外部電路或電路板連接。其中第二內部電路210與該內部電路22兩者不接觸。如此，該內連線20不需要外側電路連接，且位於該腔室18旁邊，可縮短該第一電極162與該第二電極164間的距離。其中該內連線可為一導通孔(through via)。其中該第一內部電路22與該第二內部電路210可為一內連線或重佈線層。
該電化學電池陣列14上設置有一罩蓋30，該罩蓋具有一注入口32可注入溶液，例如含鹽類電解質的溶液，如氯化鉀(KCl)等，於電化學電池陣列14內部。微小物質若帶電荷(正電荷或負電荷)，則可以用第一電極和第二電極間形成的電場，將微小物質引導進入電化學電池內部；微小物質若為中性，則靠分子運動擴散進入電化學電池內部。該注入口32可於注入適當的溶液量後封閉，例如塞柱或填膠等等。
請參閱圖三A-三F為本發明電化學單元之製法的第一實施例示意圖，本發明電化學單元的製法，步驟包括提供一基板10，及形成一電化學電池陣列14於該基板10上，其中該每一電化學電池16的步驟包括形成多數個第一電極162於基板 10上，接著形成一高分子層168於該第一電極162與該基板10上，形成一第二電極164於該高分子層168上。形成一內連線20經該高分子層168與該基板10的第二內部電路210分別連接該第二電極164與一電路或電路板(圖中未示)。形成一第一內部電路22於該基板10內部分別連接第一電極162與該電路或電路板，其中該第二內部電路210與該第一內部電路22不接觸。該電化學電池16的上方形成有一罩蓋30，並於該電化學電池16內部注入溶液。每二電化學電池16之高分子層168間形成有一通孔1680，提供微小物質通過，可用來量測溶液中的微小物質對溶液阻抗造成的變化，進而分辨微小物質的特徵。
如圖三A本發明電化學單元的第一實施例製法，步驟包括提供一基板10，該基板10係包括一矽基板102及一具金屬繞線及主動元件的氧化層(或氮化層)104並形成預備連接第一電極162的第一內部電路22和預備連結第二電極164的第二內部電路210。
如圖三B所示，在該基板10上形成一第一金屬層12，該第一金屬層12可包括例如鈦、銅、金等多層膜，以濺鍍或化學氣相沉積方式鍍上金屬。在一實施例中，該第一金屬層12可為鉻/鎳(Cr/Ni)、鉻/金(Cr/Au)、鈦/銅(Ti/Cu)、鎳/金(Ni/Au)、鉻/鎳/金(Cr/Ni/Au)、鈦/銅/金(Ti/Cu/Au)、鈦/金(Ti/Au)等等。
利用光阻在第一金屬層12表面定義第一電極162的位置。在該第一金屬層12上電鍍銀，而後在銀表面氯化形成氯化銀，使在第一金屬層12上形成銀/氯化銀(Ag/AgCl)以構成 第一電極162。
接著，在銀/氯化銀(第一電極162)上方形成一犠牲層180，該犠牲層180的材質可為高分子聚合物或是金屬。完成犠牲層180後，移除光阻，相鄰的犧牲層180與第一電極162之間露出多數個開口1620直到第一金屬層12為止。
將開口1620底部的第一金屬層12以蝕刻方式，例如濕蝕刻，蝕刻出第一開口120至基板10，使其和鄰近開口1620底部的第一金屬層12分開，而讓相鄰近的第一電極162之間絶緣，使電化學電池陣列14中的每一電化學電池16的第一電極162獨立。其中開口1620的尺寸大於第一開口120的尺寸。
在一實施例中，於開口1620及第一開口120內部周邊壁的第一電極162、第一金屬層12及基板10上和犧牲層180上方表面形成一保護層1682或停止層，以保護高分子層168及其側壁。其中保護層1682可為氮化層。
如圖三C所示，以化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)方式沉積氮化層和氧化層或是多層膜氧化/氮化層(multi-film)1686’(垂直部分)或168(水平和垂直部分)並填滿開口1620及第一開口120並覆蓋犧牲層180。在一實施例中，例如是氧化層。
如圖三D所示，接著，利用化學性機械平坦化方法(Chemical Mechanical Planarization,CMP)移除例如氧化層或氮化層1686’的表面高低差並將犠牲層180與垂直部分1686露出來。其中犧牲層180上方如有保護層1682，則可研磨至保護層1682即可。
如圖三E所示，以旋轉塗佈方式沉積高分子聚合層1684(水平部分)於犧牲層180及垂直部分1686(或保護層)上。
如圖三E所示，以雷射鑽孔或蝕刻方式自高分子聚合層168貫通直至基板10表面。填入導電材料形成內連線(導通孔)20並與基板10的第二內部電路210連接導通。
濺鍍或化學氣相沉積或無電鍍法沉積第二金屬層166於高分子聚合層1684上。
利用光阻定義第二電極164的位置後，電鍍銀，並將銀表層氯化形成氯化銀，使在第二金屬層166上形成銀/氯化銀(Ag/AgCl)以構成第二電極164。在一實施例中，該第二金屬層166可為鉻/鎳(Cr/Ni)、鉻/金(Cr/Au)、鈦/銅(Ti/Cu)、鎳/金(Ni/Au)、鉻/鎳/金(Cr/Ni/Au)、鈦/銅/金(Ti/Cu/Au)、鈦/金(Ti/Au)等等。第二電極164形成後，接著移除光阻。
將第二電極164下方的第二金屬層166以蝕刻方式，例如濕蝕刻等，使其和鄰近第二電極164下方的第二金屬層166分開，使相鄰近的兩個第二電極164之間絶緣。
在一實施例中，以化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)方式沉積氮化層。即第二金屬層166及第二電極164和高分子聚合層1684上形成氮化層，形成保護層或停止層1662。
光阻定義氮化層上的通孔1680位置(via)，利用蝕刻方法，例如乾蝕刻等，貫穿氮化層1662與高分子聚合層1684以形成圓形通孔1680，接著移除光阻。
如圖三F所示，利用有機或無機溶液移除犠牲層 180。
利用稀釋氫氟酸(Diluted HF,DHF)溶液蝕刻第二電極164表面覆蓋的氮層1662，使第二電極164露出來。
形成一罩蓋30於電化學電池陣列14上。
自該罩蓋30上的注入口32注入溶液後封閉，例如含鹽類電解質的溶液，如氯化鉀(KCl)等，於電化學電池陣列14內部。
本發明電化學單元之製法的第一實施例係對應圖一A，圖二A亦對應類似製法，不同處在於：圖三E時，利用光阻定義氮化層上的通孔1680位置(via)，利用蝕刻方法，例如乾蝕刻等，貫穿氮化層1662與高分子聚合層1684以形成圓錐狀通孔1680，接著移除光阻。
請參閱圖四A-四F為本發明電化學單元之製法的第二實施例示意圖，本發明電化學單元的第二實施例製法與第一實施例製法大致相同，本發明電化學單元的第二實施例製法的不同步驟在於：如圖四D所示，利用化學性機械平坦化方法將多層膜氧化/氮化層168表面高低差相除後，再研磨至距犠牲層一高度即停止，犠牲層上方氧化層或是氮化層的厚度以光或聲納量測方式決定。其它雷同步驟，在此不予贅述。
綜上所述，本發明電化學單元結構之電池以矩陣方式排列，每個電池均配備專屬銀/氯化銀之第一及第二電極，第一及第二電極之間構成微小通孔，每個電池可以獨立量測微小物質通過微小通孔時，因為微小物質的體積變化所造成的電極之間的溶液阻抗的改變，阻抗改變會反應在偵測電流 上，分析偵測電流變化和微小物質體積的關係，若體積和物質種類有相關性，則進而可分辨通過微小通孔的物質種類。
另，本發明將第二電極整合至電化學電池中，使第二電極(外部電極)對多個內部電極(第一電極)的由溶液引起的電位降低不一致的情況可改善。同時，也縮短第一電極(內部電極)與第二電極(外部電極)之間的距離，改善電解質(electrolyte)溶液引起的電位降低的情況。再者，在製程中由接合(bonding)引起的接合不良和對位誤差也將改善。而且在腔室(cell cavity)四周形成保護層或停止層，可擴展腔室(cell chamber)材料的選擇。

Claims (37)

  1. 一種電化學單元結構，包括：一基板；一第一金屬層，該第一金屬層設置於該基板上；及一電化學電池陣列，該電化學電池陣列設置於該第一金屬層上，該電化學電池陣列包括多數個電化學電池，該每一電化學電池包括：一第一金屬層設置於該基板上；一第一電極設置於該第一金屬層上；一高分子層設置於該基板上，且相鄰該第一金屬層及該第一電極；一第二金屬層設置於該高分子層上；一第二電極設置於該第二金屬層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電化學單元結構，其中該第一電極與該第二電極為銀/氯化銀。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電化學單元結構，其中每二電化學電池之高分子層間構成有一通孔，且每二電化學電池間定義一腔室於該第一電極上方，並與該通孔連通。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電化學單元結構，其中該腔室周邊的該高分子層的壁上可形成一保護層。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電化學單元結構，其中該高分子層為一T型結構，包括一垂直部分及一水平部分，其中該水平部分設置在該垂直部分上方，該水平部分與該第二金屬層接觸，該第二金屬層與第二電極接觸，而該垂直部分與該第一電極、該金屬層及該基板接觸，每二電化學電池之高分子層的水平部分間形成一通孔。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電化學單元結構，其中該水平部分具有一第一端與一第二端，該第一端與該第二端為一垂直面，構成一圓形通孔。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之電化學單元結構，其中該水平部分的第一端與第二端為斜面，構成一圓錐狀通孔。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之電化學單元結構，其中該水平部分為高分子材料、氧化矽、氮化矽或多層膜，而該垂直部分為氧化矽、氮化矽或多層膜。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之電化學單元結構，其中該基板包括有一矽基板及一具金屬繞線及主動元件的氧化層或氮化層，該氧化層或氮化層係設置在該矽基板上。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之電化學單元結構，其中該第一金屬層與該第二金屬層包括鈦、銅、金堆疊，其中鈦與該基板的氧化層或氮化層接觸，該第一金屬層與該第二金屬層為鉻/鎳、鉻/金、鈦/銅、鎳/金、鉻/鎳/金、鈦/銅/金或鈦/金。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之電化學單元結構，其中該高分子層設置在該第一電極間的開口及該第一金屬層間的第一開口，且與該第一電極和該第一金屬層相鄰接。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電化學單元結構，其中該高分子層包括高分子材料、氧化矽、氮化矽或多層膜。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之電化學單元結構，其中該第二金屬層設置有多數個第二開口，該第二金屬層包括鈦、銅、金堆疊，其中鈦與該高分子層接觸，金與該第二電極接觸。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之電化學單元結構，其中該電化學電池包括有一內連線，該內連線自該第二電極與該第二金屬層經該高分子層及第一金屬層的第一開口延伸至該基板內的第二內部電路，並延伸至與外部電路或電路板連接。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之電化學單元結構，其中更包括有一第一內部電路則自該第一電極及第一金屬層延伸至該基板內部，並延伸至與外部電路或電路板連接，其中第一內部電路與該第二內部電路兩者不接觸。
  16. 一種電化學單元之製法，包括：提供一基板；形成一電化學電池陣列於該基板上，該電化學電池陣列包括多數個電化學電池，步驟包括：形成多數個第一電極於該基板上；形成一高分子層於該第一電極與該基板上；形成一第二電極於該高分子層上，其中形成一罩蓋於該電化學電池陣列上，且填入溶液於該電化學電池陣列內部，該溶液為一含鹽類電解質的溶液。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之電化學單元之製法，其中更包括形成一內連線經該高分子層與該基板內的一第二內部電路分別連接至該第二電極與一外部電路或電路板；及形成一第一內部電路經該基板內部分別連接第一電極與該外部電路或電路板，其中該第一內部電路與該第二內部電路不接觸。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之電化學單元之製法，其中該電化學電池的上方形成有一罩蓋，並於該電化學電池內部充填有溶液。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之電化學單元之製法，其中每二電化學電池之高分子層間形成有一通孔。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之電化學單元之製法，其中該基板係包括一矽基板及一具金屬繞線及主動元件的氧化層或氮化層並形成預備連接第一電極的第一內部電路及形成預備連接第二電極的第二內部電路。
  21. 如申請專利範圍第16項所述之電化學單元之製法，其中該基板上形成一第一金屬層，該第一金屬層以濺鍍或化學氣相沉積方式鍍上金屬。
  22. 如申請專利範圍第16項所述之電化學單元之製法，其中利用光阻在第一金屬層表面定義第一電極的位置，在該第一金屬層上電鍍銀，而後在銀表面氯化形成氯化銀，使在第一金屬層上形成銀/氯化銀以構成第一電極。
  23. 如申請專利範圍第16項所述之電化學單元之製法，其中該第一電極上方形成一犠牲層，而後移除光阻，相鄰於該犧牲層與第一電極露出多數個開口直到第一金屬層為止。
  24. 如申請專利範圍第23項所述之電化學單元之製法，其中該犠牲層的材質為高分子聚合物或是金屬。
  25. 如申請專利範圍第23項所述之電化學單元之製法，其中將該開口底部的第一金屬層蝕刻出第一開口至基板，使其和鄰近該開口底部的第一金屬層分開，而讓相鄰近的第一電極之間絶緣，使電化學電池陣列中的每一電化學電池的第一電極獨立。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之電化學單元之製法，其中於該開口及該第一開口內部周邊壁和該犧牲層上方表面形成一保護層或停止層。
  27. 如申請專利範圍第26項所述之電化學單元之製法，其中以化學氣相沉積方式沉積氮化層或氧化層並填滿該開口及該第一開口並覆蓋該犧牲層。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之電化學單元之製法，其中利用化學性機械平坦化方法研磨表面並將該犠牲層與該氮化層或氧化層露出。
  29. 如申請專利範圍第27項所述之電化學單元之製法，其中利用化學性機械平坦化方法將表面高低差相除後，再研磨至距犠牲層一高度即停止。
  30. 如申請專利範圍第28項所述之電化學單元之製法，其中以化學氣相沉積或旋轉塗佈的方式沉積高分子聚合層於該犧牲層及該氧化層上。
  31. 如申請專利範圍第29項或第30項所述之電化學單元之製法，其中以雷射鑽孔或蝕刻的方式自高分子聚合層貫通直至基板表面，且填入一導電材料並與第二內部電路連接使導通。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之電化學單元之製法，其中以濺鍍或化學氣相沉積或無電鍍的方式鍍上該第二金屬層於該高分子聚合層上，並且利用光阻定義出電化學電池的第二電極的位置後，電鍍銀，並將銀表層氯化形成氯化銀，使在第二金屬層上形成銀/氯化銀以構成第二電極。
  33. 如申請專利範圍第32項所述之電化學單元之製法，其中將第二電極下方的第二金屬層蝕刻出第二開口，使其和鄰近第二電極下方的第二金屬層分開，使相鄰近的兩個第二電極之間絶緣。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之電化學單元之製法，其中以化學氣相沉積方式沉積氮化層於第二金屬層及第二電極和高分子聚合層上。
  35. 如申請專利範圍第34項所述之電化學單元之製法，其中以光阻定義氮化層上的通孔位置，蝕刻貫穿氮化層與高分子聚合層以形成通孔。
  36. 如申請專利範圍第35項所述之電化學單元之製法，其中利用有機或無機溶液移除犠牲層。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之電化學單元之製法，其中利用稀釋氫氟酸溶液蝕刻第二電極表面覆蓋的氮化層，使第二電極露出來。
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