一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的制作方法

1.本公开涉及传感器制造技术领域，尤其涉及一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构。


背景技术：

2.电场传感器是检测电场强度的器件，广泛应用于气象探测、航空航天、石油化工、电力等诸多领域。基于mems技术的微型电场传感器凭借其体积小、成本低、可批量生产等优点，成为电场传感器的研究热点和发展方向。目前，微型电场传感器存在输出信号较小、信噪比较低、q值小等问题，制约了它的应用与发展。
3.已有的微型电场传感器封装结构需逐个装片与封焊，不利于批量化制造，封装工艺成本较高，并且封装后体积远大于芯片体积，制约了传感器的批量化生产和规模化应用。而圆片级封装技术，可以一次性完成不同层次结构间电气与机械连接，同时实现对整片晶圆上的结构进行气密或真空封装，产品的一致性、成品率与可靠性高。电场传感器圆片级封装的难点在于电场感应通道的构建，目前尚未见电场传感器的圆片级封装的报道。
4.早期的mems器件多采用硅-玻璃结构实现圆片级封装，但硅与玻璃之间存在热失配问题。采用全硅结构，可以解决硅-玻璃结构中热失配产生的应力问题，并且避免玻璃表面电荷积累对输出信号的干扰。全硅结构圆片级封装技术是提高器件性能、实现与ic的高密度集成进而实现微系统的必然选择。
5.在基于键合的圆片级封装方案中，密封腔内的电信号需要通过平面电极横向引出或tsv电极纵向引出，为了兼容其他工艺步骤，不影响器件性能，保证器件气密性，往往存在工艺流程较为复杂的问题。此外，如需衬底接地，还需要增加额外的工艺步骤，需要制作额外的焊盘或金属引线。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本发明提供了一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构，以解决上述技术问题。
7.本公开的一个方面提供了一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构，包括：基底层，制作有凹槽与多个垂直互连结构，表面沉积有第一绝缘层，所述第一绝缘层上刻蚀有使所述基底层接地的窗口；器件层，刻蚀有传感结构、闭合密封环和屏蔽梁；封帽层，通过第二绝缘层与所述器件层实现绝缘，并通过所述第二绝缘层的镂空区域与所述传感结构之间形成间隙；所述器件层与基底层通过键合绝缘连接；所述器件层、封帽层、基底层均由圆片级导体硅制成。
8.可选地，所述传感结构包括：第一锚点，第二锚点，感应结构，驱动结构，弹性梁；所述第一锚点将所述弹性梁固定于所述第二绝缘层表面，所述第二锚点将所述感应结构、驱动结构固定于所述第二绝缘层表面。
9.可选地，所述第一锚点、第二锚点与所述多个垂直互连结构通过键合介质层一一
对应键合，其中，所述第一锚点通过对应的垂直互连结构与外部接地电路连接。
10.可选地，与所述第一锚点对应的第一绝缘层刻蚀有所述窗口，键合或制备垂直互连结构的同时使所述基底层与所述接地垂直互连结构连接。
11.可选地，所述屏蔽梁通过所述闭合密封环与所述第一锚点连接接地。
12.在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
13.(1)本公开提供的结构的封帽层与传感结构间隙距离为微米量级，可改变感应结构上方的待测电场分布，有效增强感应结构周围的电场强度，增大输出感应电流，进而提高传感器灵敏度；
14.(2)本公开提供的结构可以在多个噪声耦合通道上均实现降噪，大幅提升降噪性能：基底层经由第一绝缘层表面刻蚀窗口与接地垂直互连结构连接，能降低驱动信号通过基底耦合至输出信号的串扰噪声；接地屏蔽梁可以降低层内驱动结构耦合至感应结构的噪声；输入驱动信号经由封帽层耦合到感应结构表面的同频噪声被感应结构中可动部分的同频振动调制为二倍频噪声，可在后续的滤波电路被消除。
15.(3)本公开可在键合或制备垂直互连结构的同时将基底接地，无需额外工艺步骤，并且基底是通过接地直互连结构接地，无需在基底上其他位置制作额外的焊盘或金属引线从而减少了基底表面使用面积。
16.(4)本公开首次实现了电场传感器的圆片级封装，制造工艺简单有效。
附图说明
17.为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
18.图1示意性示出了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的示意图；
19.图2示意性示出了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的器件层的三维示意图；
20.图3示意性示出了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的基底层的三维示意图；
21.图4示意性示出了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的器件层、第二绝缘层的微纳加工示意图；
22.图5示意性示出了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的基底层的微纳加工示意图；
23.图6示意性示出了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的整体器件键合的微纳加工示意图；
24.图7示意性示出了本公开实施例提供的第二种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的基底层的微纳加工示意图；
25.图8示意性示出了本公开实施例提供的第二种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的整体器件键合的微纳加工示意图；
26.图9示意性示出了本公开实施例提供的第三种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构的整体器件键合的微纳加工示意图；
27.附图说明：
28.100-封帽层；200-第二绝缘层；300-器件层；400-基底层；310-传感结构；3111-第一锚点；3112-第二锚点；312-感应结构；313-驱动结构；314-弹性粱；320-闭合密封环；330-屏蔽梁；410-凹槽；420-垂直互连结构，4211-与第一锚点3111对应的垂直互连结构420的通孔，4212-与第二锚点3112对应的垂直互连结构420的通孔；422-金属焊盘；423-导电硅柱；424-金属引线；430-第一绝缘层；440-与第一锚点3111对应的第一绝缘层刻蚀窗口；450-吸气剂；460-键合介质层。
具体实施方式
29.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
30.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
31.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
32.参阅图1、图2、图3和图4，本公开提供了一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构，包括：基底层400，器件层300，封帽层100，第一绝缘层430，第二绝缘层200。
33.基底层400，制作有凹槽410与多个垂直互连结构420，表面沉积有第一绝缘层430，所述第一绝缘层430上刻蚀有使所述基底层400接地的窗口440。
34.器件层300，刻蚀有传感结构310、闭合密封环320和屏蔽梁330。
35.封帽层100，通过第二绝缘层200与所述器件层300实现绝缘，并通过所述第二绝缘层200的镂空区域与所述传感结构310之间形成间隙。
36.所述器件层300与基底层400通过键合绝缘连接。
37.所述器件层300、封帽层100、基底层400均由圆片级导体硅制成。
38.可选地，器件层300、封帽层100、基底层400除了可选用硅基材料加工以外，也可以基于砷化镓、铁基材料等新型材料。
39.在本公开其中一个实施例中，参阅图1、图2和图4，传感结构310和屏蔽梁330设于矩形闭合密封环320中，传感结构310包括：第一锚点3111，第二锚点3112，感应结构312，驱动结构313，弹性梁314，所述第一锚点3111将所述弹性粱314固定于所述第二绝缘层200表面，所述第二锚点3112将所述感应结构312、驱动结构313固定于所述第二绝缘层200表面。其中，感应结构312包括至少一对感应电极和屏蔽电极；驱动结构313包括至少一对驱动电极；屏蔽电极、每对驱动电极中的其中一个驱动电极与弹性粱314连接，感应电极、每对驱动电极中的另外一个驱动电极各通过一个第二锚点3112固定于第二绝缘层200上。屏蔽梁330设于感应结构312和驱动结构313之间，一端连接在矩形闭合密封环320上。
40.参阅图1和图4，在第二绝缘层200上，与矩形密封环320的内圈对应的矩形区域内，
除了与第一锚点3111、第二锚点3112对应的位置，其余区域的绝缘材料被镂空，使传感结构310与封帽层100之间形成微小间隙。一方面，该间隙为传感结构310提供了运动空间；另一方面，当该间隙足够小时，该间隙可以使感应结构312上方的待测电场发生重新分布，有效增强感应结构312周围电场强度，进而提高传感器灵敏度。一般器件级封装的电场传感器无法精确实现传感结构310与封帽层100之间微米量级的间隙。由于本公开提供的微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构为圆片级封装结构，基底层400、器件层300、封帽层100均采用圆片级导体硅制作，可使传感结构310与封帽层100之间的间隙距离精确控制在微米量级。
41.参阅图2和图3，图2中示意性示出了6个第二锚点3112和2个第一锚点3111，在图3中左边示出的基底层400的凹槽410附近，设置了与第二锚点3112和第一锚点3111位置对应的垂直互连结构420，图3中的右图表示基底层400的截面示意图，需要说明的是，该截面示意图并不为基底层400真正的截面图，仅仅用于示意第二锚点3112和第一锚点3111对应的位置的不同之处。在该截面示意图中，左边的通孔4212示意与第二锚点3112对应的垂直互连结构420的通孔，右边的通孔4211示意与第一锚点3111对应的垂直互连结构420的通孔。图5～9中截面图左右的通孔表示的意思与图3相同，在后面的描述中不再赘述。
42.参阅图2和图3，基底层400中间为凹槽410，给传感结构310提供了运动空间。采用热氧化、cvd或pvd等在基底有凹槽一侧表面或全表面形成第一绝缘层430。在基底层400的凹槽410周围，与第二锚点3112和第一锚点3111相对应的位置均设有垂直互连结构420。所述第一锚点3111、第二锚点3112与所述多个垂直互连结构420一一对应键合，其中，所述第一锚点3111通过对应的垂直互连结构420与外部接地电路连接。参阅图3中的右图，与所述第一锚点3111对应的第一绝缘层刻蚀有所述窗口440，键合或制备垂直互连结构的同时使所述基底层400与所述接地垂直互连结构420连接，以降低驱动信号通过基底耦合到输出信号的串扰噪声。此外，与感应电极对应的第二锚点3112键合的垂直互连结构420用于连接外部检测电路，与驱动电极对应的第二锚点3112键合的垂直互连结构420用于连接外部驱动电路。除了第二锚点3112和第一锚点3111，矩形闭合密封环320也与第一绝缘层430键合。
43.可选地，基底层与器件层的键合可以通过键合介质层460实现，所述键合介质层460制作于基底层有凹槽一侧表面与矩形闭合密封环320、第一锚点3111、第二锚点3112对应的位置，其中，所述键合介质层460将窗口440覆盖。可选地，所述键合介质层可以为玻璃浆料、聚合物、金属或合金等。可选地，金属或合金键合介质层可包括黏附阻挡层和金属共晶焊料层，黏附阻挡层可采用cr、ti、ni、w等，金属共晶焊料层可采用au、auin、ausn、cusn、auge、alge等。
44.可选地，垂直互连结构420可以包括垂直穿过基底层400的通孔和导电结构，通孔的截面面积小于对应的锚点的面积，导电结构可以包括金属焊盘422、导电硅柱423或金属引线424等。
45.可选地，所述第一绝缘层刻蚀窗口440可制作于基底层有凹槽一侧表面，金属共晶键合的同时完成基底与接地垂直互连结构的电学连接，从而将基底接地；所述第一绝缘层刻蚀窗口440也可制作于基底层无凹槽一侧表面，沉积金属形成焊盘等(即制备垂直互连结构的导电结构)的同时完成基底与接地垂直互连结构的电学连接。通过刻蚀窗口实现基底与接地垂直互连结构的电学连接，可在键合或制备垂直互连结构的同时实现基底接地，无
需额外工艺步骤，并且基底通过接地直互连结构接地，无需在基底上其他位置制作额外的焊盘或金属引线从而减少了基底表面使用面积，这对于诸多面积微小的传感器件是非常有必要的。
46.可选地，基底层400的凹槽410中沉积有吸气剂450。吸气剂450用于实现基底层400与器件层300的真空封装。可选地，吸气剂450可由zr、ti、v等活性金属及其合金组成，这些材料还可以掺杂co、ni或fe等金属元素，提升吸气剂450性能。例如，可采用ti基非蒸散型吸气剂450，制作几百微米厚的ti吸气剂450薄膜，并在其上制作几十微米的au作为保护层。
47.进一步的，参阅图2与3，由于感应结构312的屏蔽电极与弹性梁314连接，屏蔽电极实际上通过弹性梁314、第一锚点3111和垂直互连结构420与外部接地电路连接接地，同样，与弹性梁314连接的驱动电极也通过第一锚点3111和垂直互连结构420接地。屏蔽梁330位于感应结构312与驱动结构313之间，一端连接在矩形闭合密封环320上，第一锚点3111连接在矩形闭合密封环320内，屏蔽梁330通过所述闭合密封环与所述第一锚点3111连接接地，可以降低层内驱动结构313耦合至感应结构312的噪声。
48.在本公开提供的微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构中，通过三个结构设计达到降噪的作用：其一，第一绝缘层430上与第一锚点3111对应的位置刻蚀有窗口440，键合或制备垂直互连结构的同时使基底层与接地垂直互连结构连接，以降低驱动信号通过基底耦合到输出信号的串扰噪声；其二，屏蔽梁330通过矩形闭合密封环320，经第一锚点3111、垂直互连结构420与外部接地电路连接接地，以降低层内驱动结构313耦合至感应结构312的横向噪声；其三，圆片级制作工艺可以使封帽层100与器件层300之间的各处电容不匹配度极小，降低后续差分输出中由于不匹配度造成的误差，并且输入驱动信号耦合到封帽层100的噪声是输入驱动信号的同频噪声，但该噪声作用在感应结构312表面时，由于屏蔽电极同频振动带来的调制作用，该噪声会变成二倍频输出，会在后续的滤波电路被消除。此结构设计在多个噪声耦合通道均实现了降噪，能显著降低噪声干扰。
49.传统的电场传感器在传感结构表面引线实现信号传输，由于输入驱动引线和输出感应引线之间存在空气，驱动信号不可避免地耦合到感应引线上，形成耦合噪声。不同于传统的引线方案，本公开提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构在基底层实现信号的传输，接地基底可大幅减小驱动信号耦合到感应信号的噪声。
50.实施例一
51.本公开的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构制造工艺步骤如下。
52.参阅图4，以soi晶圆的支撑层作为封帽层100，将soi晶圆的结构硅层、埋氧层按顺序相应加工为器件层300、第二绝缘层200，包括：在一个soi晶圆的结构硅层上刻蚀出第一锚点3111、第二锚点3112、感应结构312、驱动结构313、弹性梁314、矩形闭合密封环320和屏蔽梁330，得到器件层300；释放与矩形密封环320内圈对应的矩形区域中、且除去第一锚点3111、第二锚点3112对应的位置之外的埋氧层，得到第二绝缘层200；以soi晶圆的支撑层为封帽层100。
53.参阅图5，在一个导体硅片上刻蚀凹槽410，以及，在导体硅圆片上刻蚀垂直互连结构420的通孔4211、4212，得到基底层400；在基底层400的表面及通孔内壁上生长第一绝缘层430；在通孔4211旁的第一绝缘层430上刻蚀窗口440；在第一绝缘层430上与器件层300的矩形闭合密封环320、第一锚点3111、第二锚点3112对应的位置及通孔4211、4212内壁生长
键合介质层460；在基底层400的凹槽410中生长吸气剂450薄层。
54.参阅图6，在真空环境下，使soi晶圆上制备的矩形闭合密封环320、第一锚点3111、第二锚点3112与所制备的导体硅圆片键合，同时完成吸气剂450激活；在基底层400的底部及通孔4211、4212内溅射金属种子层，并在通孔中电镀几微米厚金属层形成保形穿透硅通孔(through silicon via，简称tsv)；通过光刻与刻蚀，图形化所沉积的金属层，从而形成金属焊盘422，此时，基底层400的通孔4211、4212和该金属焊盘422形成了垂直互连结构420。完成上述步骤后，沿矩形闭合密封环320外围划片，得到了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构。
55.实施例二
56.本公开的另一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构制备步骤如下。
57.在本实施例中，制备器件层300、第二绝缘层200、封帽层100的方法与实施例一相同。
58.参阅图7，在一个导体硅片上刻蚀凹槽410，得到基底层400；在基底层400的上表面上生长第一绝缘层430；在第一绝缘层430上与第一锚点3111、第二锚点3112对应位置刻蚀出窗口440；在第一绝缘层430上与器件层300的矩形闭合密封环320、第一锚点3111、第二锚点3112对应的位置上生长键合介质层460，其中，键合介质层460覆盖了第一绝缘层430上的窗口440；在基底层400的凹槽410中生长吸气剂450薄层。
59.参阅图8，在真空环境下，使soi晶圆上制备的矩形闭合密封环320、第一锚点3111、第二锚点3112与所制备的导体硅圆片键合，同时完成吸气剂450激活；在基底层400的底部与窗口440对应的位置制作金属焊盘422；然后在该位置进行硅刻蚀，第一锚点3111对应的通孔4211截面面积小于对应窗口440面积，第二锚点3111对应的通孔4212截面面积大于对应窗口440面积，形成带金属焊盘422的导电硅柱423，该导电硅柱423与键合介质层460垂直连接，导电硅柱423周围可使用绝缘材料填充，此时，金属焊盘422、导电硅柱423及通孔4211、4212构成垂直互连结构420。完成上述步骤后，沿矩形闭合密封环320外围划片，得到了本公开实施例提供的另一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构。
60.实施例三
61.在实施例二的基础上，本实施例提供了另一种制作垂直互连结构420的方法。
62.在本实施例中，与实施例二一样，参阅图4所示的方法制备器件层300、第二绝缘层200、封帽层100；与实施例二一样，参阅图7所示的方法制备基底层400、第一绝缘层430、键合介质层460及吸气剂450薄层等。
63.参阅图9，首先，与实施例二一样，在真空环境下，使soi晶圆上制备的矩形闭合密封环320、第一锚点3111、第二锚点3112与所制备的导体硅圆片键合，同时完成吸气剂450激活；然后，在基底层400的底部第一锚点3111、第二锚点3112对应位置刻蚀硅形成柱形通孔4211、4212，该通孔4211、4212垂直于键合介质层460，与键合介质层460连接，通孔4211截面面积小于对应窗口440面积，通孔4212截面面积大于对应窗口440面积；在通孔内制作金属引线424，该引线一端与键合介质层460连接，另一端伸出通孔4211、4212，用于连接外部电路，此时，金属引线424及通孔4211、4212构成垂直互连结构420。完成上述步骤后，沿矩形闭合密封环320外围划片，得到了本公开实施例提供的一种微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构。
64.在上述实施例中，均通过将与第一锚点3111对应的第一绝缘层430刻蚀出一个窗口440使基底层400暴露出来，键合或制备垂直互连结构的同时使基底层400与接地垂直互连结构420连接接地，无需额外工艺，且无需在基底上其他位置制作额外的焊盘或金属引线。
65.本公开提供的微型电场传感器圆片级封装增敏降噪结构，封帽层100与传感结构310间隙微小，可有效增强感应结构312周围的电场强度，增大输出感应电流，进而提高传感器灵敏度；基底层400接地、屏蔽梁330接地以及封帽层100的设计，均可降低传感信号的噪声；该结构可在键合或制备垂直互连结构的同时将基底接地，且无需在基底上其他位置制作额外的焊盘或金属引线；整套工艺首次实现电场传感器的圆片级封装，制造工艺简单。
66.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
67.尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。