具有中介结构的指纹感测装置的制作方法

本发明涉及指纹感测装置。具体地，本发明涉及包括用于增强感测装置性能的中介结构的指纹感测装置，以及涉及制造包括这样的中介结构的指纹传感器的方法。

背景技术：

由于用于身份验证的生物特征装置(并且特别是指纹感测装置)的发展已导致产生被制成更小、更便宜且更具能效的装置，所以这样的装置的可能应用在日益增加。

特别地，指纹感测由于小型化因素、相对有利的成本/性能因素以及高的用户接受度而已经被越来越多地用于例如消费电子装置。

基于用于提供指纹感测元件和辅助逻辑电路的CMOS技术构建的电容式指纹感测装置正日益普及，因为这样的感测装置可以被制成既小又具能效，同时能够高精度地识别指纹。因此，电容式指纹传感器被有利地用于消费者电子设备，例如便携式计算机、平板电脑以及移动电话如智能手机。

指纹感测芯片通常包括电容式感测元件阵列，该电容式感测元件阵列提供指示数个感测结构与放置在指纹传感器的表面上的手指之间的电容的量度。感测芯片还可以包括用于处理感测元件阵列的寻址的逻辑电路。

典型的指纹传感器被保护，以便手指不与感测元件物理接触。特别地，可以期望的是，在传感器之上布置玻璃板来保护传感器，或者将传感器布置在显示玻璃后面。通过在感测表面与感测元件之间布置元件，感测表面与感测元件之间的距离增加，这减小了放置在装置的感测表面上的手指与电容式感测元件之间的电容耦合。

随着距离的增加和电容耦合的减小，需要感测元件的灵敏性增加，即感测元件必须能够测量较低的电容。随着感测元件被推向关于最小可测量电容的极限，确保指纹传感器在传感器的整个感测区域上均匀地测量变得 越来越重要。

鉴于上述内容，期望改进具有放置在感测表面上的手指与感测元件之间的低的电容耦合的指纹传感器的性能。

对于改进电容耦合已进行了许多尝试，例如，美国2013/0201153公开了一种指纹感测装置，其中，在指纹感测装置的感测表面与感测元件之间布置有导电绞线。在导电绞线之间布置有绝缘材料。然而，手指与像素之间的直接电连接可能会造成与静电放电(ESD)相关的问题。此外，表面的金属部分可能会氧化，从而导致不期望的美学效果。

技术实现要素：

鉴于上述指纹感测装置的期望特性和现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种指纹感测装置和一种用于制造该指纹感测装置的方法，所述指纹感测装置改进了电容的接近其可测量极限的电容量度。

根据本发明的第一方面，提供了一种指纹感测装置，所述指纹感测装置包括：包括感测元件阵列的感测芯片，所述感测元件被配置成连接至读出电路，所述读出电路用于检测所述感测元件中的每个感测元件与放置在所述感测装置的感测表面上的手指之间的电容耦合，其中，所述感测元件的表面限定感测平面；多个中介结构，其被布置在所述感测芯片上而在感测平面上方延伸，其中，所述多个中介结构在所述感测平面上方具有基本上相同的高度；以及保护板，其借助于布置在所述感测芯片上的粘合剂而被附接至所述感测芯片，其中，所述保护板支承在所述中介结构上，使得所述保护板与所述感测平面之间的距离被所述中介结构的高度限定。

感测芯片在本上下文中应被理解为包括多个感测元件的芯片，所述感测元件为导电板或垫的形式，通常被布置成阵列，能够在各个感测元件与放置在所述指纹感测装置的外表面上的手指之间形成电容耦合。通过对各个感测元件的电容耦合的读出，可以由于取决于电容耦合的距离而检测到指纹的脊和谷。为了实现具有足够分辨率的指纹图像，通常所述感测元件基本上小于手指的特征(脊和谷)。通常，芯片也可以被称为管芯。

保护板通常包括介电材料，以在放置在所述板上的手指与感测芯片的感测元件之间提供良好的电容耦合。特别地，保护板可以有利地包括玻璃或陶瓷材料，例如化学增强玻璃、ZrO₂或蓝宝石。上述材料全部提供以下方面的有利的特性：它们硬并因此耐磨和耐撕裂，并且它们是介电的， 因此在放置在保护板的表面上的手指与感测装置的感测元件之间提供良好的电容耦合。本文中描述的保护板通常形成指纹感测装置的外表面(在下文中被称为感测表面)。

根据本发明的各个实施方式的感测芯片随后可以布置在常规刚性PCB基板上，或者可以使用包括读出电路的柔性基板来实施以形成指纹感测装置。

本发明是基于以下实现：感测表面与感测平面之间的更均匀的距离分布可以改进指纹感测装置的性能。特别地，当使用保护板，并且感测表面与感测平面之间的距离增大到指纹的脊与谷之间的电容的差几乎无法被感测芯片辨别的程度时，电容耦合在感测装置的整个表面上尽可能地均匀变得越来越重要。

此外，由于有时在感测芯片上提供晶片涂覆材料以保护和覆盖感测元件，所以已经意识到晶片涂覆材料如果以高精度形成，则可以被用作用于限定感测平面与感测表面之间的距离的中介结构。保护板的厚度可以被高精度地控制，然而，将保护板附接至感测芯片的粘合剂通常较难以均匀地沉积，从而呈现较不均匀的表面。因此，之前已经通过附接保护板的粘合剂(至少部分地)限定了感测表面与感测平面之间的距离，这可能导致在距离和随后的指纹图像的读出方面的一些不均匀性。

根据本发明的实施方式，在感测元件上提供呈现高的厚度均匀性的中介结构，使得中介结构在感测平面上方具有基本上相同的高度。因此，利用借助于粘合剂附接至感测芯片同时支承在中介结构上的保护板，放置在保护板上的手指与感测元件之间的距离可以被高精度地控制。在这样的情况下，可以在整个感测区域上应用优化设置，从而便于获得高质量的指纹图像。此外，中介结构优选地被布置和配置成为保护板提供足够的机械支承，以避免在使用指纹传感器时保护板的移动或弯曲。

原则上中介结构可以由任何常用的晶片涂覆材料制成，该晶片涂覆材料可以指被布置成覆盖感测芯片并且特别是感测元件的任何材料。

根据本发明的一个实施方式，多个中介结构之间的高度变化可以有利地小于1μm。

根据本发明的一个实施方式，多个中介结构可以包括平行的行，该平行的行提供了制造简单并且可以提供对保护板的足够机械支承的中介结构的组件。可以基于指纹传感器的特定配置来选择行的特定配置，例如长 度、宽度、间距和取向。例如，平行的行可以与感测芯片的边缘对准，并且可以具有基本上与感测芯片的侧面类似的长度，从而在感测芯片的整个区域上方(包括在感测芯片的边缘处，以避免发生任何边缘效应)提供用于限定感测平面与感测表面之间的距离的中介结构。

可替选地，根据本发明的一个实施方式，多个中介结构可以包括居中于感测元件中的每个感测元件上的一个中介结构。因此，可以确保每个单个的感测元件至感测表面的距离被明确限定，并且所述距离在感测芯片的全部区域上是均匀的。应注意，中介结构的许多不同的构造都是可能的，同时仍然提供上述有利效果。

在本发明的一个实施方式中，在其中一个中介结构位于感测元件中的每个感测元件上的情况下，中介结构可以由具有比粘合剂的介电常数高的介电常数的材料形成。可以通过提供具有比周围粘合剂的介电常数高的介电常数的中介结构来实现手指与感测元件之间的改进的电容耦合。因此，可以借助于介电常数之差来将放置在感测表面上的手指与感测元件之间的电场朝各自的感测元件集中。因此，可以提供进一步改进的指纹感测装置。

根据本发明的一个实施方式，多个中介结构可以被布置成与感测元件之间的边界对准，使得各个感测元件的中心部分不被中介结构覆盖。对于中介元件的其中感测元件的至少中心部分不被中介结构覆盖的以上配置，中介结构可以由具有比粘合剂的介电常数低的介电常数的材料形成，以实现以上描述的感测元件与手指之间的改进的电容耦合的效果。然后，粘合剂将填充中介结构之间的空间，使得形成相对于材料的介电常数不均匀的层，并且其中粘合剂的较高的介电常数提供了改进的电容耦合。

根据本发明的一个实施方式，中介结构可以被布置在感测芯片上的位于感测芯片的感测区域外部的位置处，感测区域被感测元件阵列限定。由此，中介结构可以被布置成形成部分包围感测元件阵列的框架。然后，可以将粘合剂主要布置在由中介元件形成的框架中。

根据本发明的一个实施方式，多个中介结构可以包括光致抗蚀剂。通过使用光致抗蚀剂，可以使用常规光刻法和显影工艺来形成中介结构，同时简化了整体工艺流程。另外，光致抗蚀剂可以容易地被调整成具有特定的介电常数，以便可以实现期望的介电常数比。

根据本发明的一个实施方式，感测装置还可以包括布置在感测芯片上 的接合垫与感测芯片被布置在其上的基板之间的接合线，其中，接合线的接合弧高低于中介结构。还可以具有稍微高于中介结构的高度的接合线弧高，在这种情况下，当保护板被附接至感测芯片时，保护板可以向下压到接合线上。

在本发明的一个实施方式中，感测装置还可以包括穿过所述感测芯片以将感测芯片电连接至基板的过孔连接部。过孔连接部(通常被称为硅通孔(TSV)连接部)可以被用来在不使用线接合的情况下将感测芯片电连接至基板上的读出电路。在例如以下情况下使用TSV连接部：线接合是不期望或不实用的情况(例如中介结构的期望高度低于线接合部的高度的情况)。例如，这种情况可以发生在传感器与非常厚的保护板(例如移动电话中的盖玻璃)一起使用的情况下。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造指纹感测装置的方法，所述方法包括：提供包括感测元件阵列的感测芯片，所述感测元件被配置成连接至读出电路，所述读出电路用于检测所述感测元件中的每个感测元件与放置在所述感测装置的感测表面上的手指之间的电容耦合，其中，所述感测元件的表面限定感测平面；在所述感测芯片上形成中介层；由所述中介层形成多个中介结构，其中，所述多个中介结构在所述感测平面上方具有基本上相同的高度；在所述感测芯片上提供液体粘合剂；以及在所述感测芯片上布置保护板，使得所述粘合剂填满所述多个中介结构之间的空间，并且使得所述保护板支承在所述中介结构上。

通过上述制造方法，可以制造一种呈现上述与本发明的第一方面相关的优点的指纹感测装置。

粘合剂为液体应被解释为其具有流动性，所述流动性足够高到允许粘合剂在保护板被布置在感测芯片上时重新分布。保护板被向下压到感测芯片上，直到保护板支承在中介结构上为止，从而限定了感测元件与感测表面之间的距离。通过粘合剂的重新分布，可以确保中介结构之间的空间被填充，并且多余的粘合剂被挤出到感测芯片的侧面。

根据本发明的一个实施方式，中介层可以通过旋涂或通过喷涂被沉积，旋涂和喷涂是允许在沉积所述中介层时的高精度和厚度均匀性的方法。另外，旋涂和喷涂代表已建立的与常规CMOS处理技术兼容的方法，从而提供容易地整合到现有制造工艺中的可控制造工艺。

在本发明的一个实施方式中，提供粘合剂可以包括将液体粘合剂分散 到中介结构上以及在中介结构之间。液体粘合剂可以容易地分散到感测芯片上、中介结构上方以及在中介结构中间。分散粘合剂时的均匀性不是关键，因为粘合剂将在保护板被向下压到粘合剂上时重新分布。

根据本发明的一个实施方式，中介层可以有利地包括光致抗蚀剂，并且由此可以使用光刻法来形成多个中介结构，光刻法是可以以高精度、均匀性和可重复性来执行的沿用已久的制造技术。

根据本发明的一个实施方式，所述方法可以包括以下步骤：在中介层上沉积硬掩模；对所述硬掩模进行图案化；根据所述硬掩模图案对所述中介层进行图案化；以及去除所述硬掩模。因此，提供了替选的制造技术。硬掩模可以例如由SiN制成，并且可以使用常规光刻法来形成硬掩模中的图案，随后将所述图案转移至中介层。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于制造指纹感测装置的方法，所述方法包括：提供半导体晶片，在所述半导体晶片上形成多个指纹感测芯片，各个感测芯片包括感测元件阵列，所述感测元件被配置成连接至读出电路，所述读出电路用于检测所述感测元件中的每个感测元件与放置在所述感测装置的感测表面上的手指之间的电容耦合，其中，所述感测元件的表面限定感测平面；在所述半导体晶片上形成中介层，所述中介层覆盖所述多个指纹感测芯片的子区域；由所述中介层形成多个中介结构，其中，所述多个中介结构在感测平面上方具有基本上相同的高度；将所述半导体晶片切成多个单个的感测芯片；在包括读出电路的基板上布置感测芯片；将所述感测芯片的感测元件电连接至所述读出电路；在所述感测芯片上提供液体粘合剂；以及在所述感测芯片上布置保护板，使得所述粘合剂填满所述多个中介结构之间的空间，并且使得所述保护板支承在所述中介结构上。

上述方法的优点在于可以使用已建立的沉积技术(例如旋涂)将中介层高度均匀地沉积在整个晶片上，从而提供其中可以同时制备大量感测芯片的更有效的制造方法。另外，使用旋涂或喷涂还允许相对于期望的中介层的厚度更容易地修正工艺。

当研究所附权利要求和以下的说明时，本发明的另外的特征及其优点将变得明显。本领域的技术人员意识到，本发明的不同特征可以进行组合，以在不脱离本发明的范围的情况下产生除了以下描述的实施例之外的实施例。

附图说明

现在将参考示出本发明的示例实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些和其它方面，其中：

图1示意性地示出包括根据本发明的实施方式的指纹感测装置的手持电子装置；

图2A至图2B示意性地示出根据本发明的实施方式的指纹感测装置；

图3A至图3B示意性地示出根据本发明的实施方式的指纹感测装置；

图4A至图4B示意性地示出根据本发明的多个实施方式的指纹感测装置；

图5是概述用于制造根据本发明的实施方式的指纹感测装置的方法的一般步骤的流程图；

图6A至图6G示意性地示出用于制造根据本发明的实施方式的指纹感测装置的方法；以及

图7示意性地示出根据本发明的实施方式的指纹感测装置。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参考电容式指纹感测装置来讨论根据本发明的指纹感测装置的各种实施方式。还讨论了用于制造指纹感测装置的方法。

图1是包括指纹感测装置102的手持装置100的示意性图示，该指纹感测装置102包括触摸屏显示器104。指纹感测装置102可以用于例如移动电话、平板电脑、便携式计算机或者需要某种方法来识别和/或验证用户的任何其它电子装置。

如俯视图中所见，图2A是根据本发明的实施方式的指纹感测装置200的示意性图示。特别地，图2A示出了多个中介结构202的轮廓线，其中，每个中介结构202被布置在感测装置200的感测元件204上。

图2B进一步详细地示出了感测装置200，其中示出了包括感测元件204阵列的感测芯片206。此处，可以看出，在中介结构202之间的空间中布置有粘合剂208，并且保护板210借助于粘合剂208附接至感测装置200。可以以高的精度来制造保护板210，并且跨感测区域的厚度变化通 常小于2μm。此外，感测元件204的表面与保护板210的表面212之间的距离被中介结构202的高度限定。中介结构的高度通常在5μm至50μm的范围内。针对特定应用的中介结构的高度可以例如基于以下来选择：用于将感测芯片与基板连接的接合技术或者所使用的粘合剂的类型。感测元件204的表面平面被限定为感测平面，并且保护板210的表面212被限定为感测表面212。

在包括触摸屏的装置中，保护板210也可以是盖玻璃，并且覆盖指纹感测装置的盖玻璃也可以覆盖手持装置的显示部分和触摸屏部分。原则上，保护板可以是用于在覆盖和保护感测装置的同时仍然允许放置在保护板的表面上的手指与感测元件之间的电容耦合的任何结构。

感测元件204在此处被示为布置成方形阵列，该感测元件具有约50μm×50μm的尺寸，并且相邻元件之间的距离为约5μm。感测元件204是导电的，通常是含金属的，并且可以作为一般近似被认为是充当平行板电容器中的一个板，其中放置在指纹感测装置200的感测表面212上的手指表示另一个板。每个感测元件204被连接至读出电路(未示出)，所述读出电路用于检测所述感测元件204中的每个感测元件与放置在感测表面212上的手指之间的电容耦合。

图3A是根据本发明的实施方式的指纹感测装置300的示意性图示，其中，中介结构302被设置成与感测元件204之间的边界对准的平行的行或脊的形式。

在图3B中，可以看出，粘合剂被布置成填满脊302之间的空间并且将保护板210附接至感测芯片206。

图4A是指纹感测装置400的替选实施方式的示意性图示，其中，中介结构402被布置成与相邻感测元件204之间的边界对准，但是在相邻感测元件204之间的中介结构402中具有间隙或开口。

图4B是指纹感测装置410的替选实施方式的示意性图示，其中，中介结构412被布置在感测元件204阵列外部的感测芯片上，这限定了感测区域。因此，粘合剂208可以被布置成完全覆盖感测元件204，从而提供了均匀的覆盖层。如可以在图4B中看出的，在相邻中介结构412之间存在空间，这允许液体粘合剂在粘合剂被沉积时通过形成在结构之间的空隙而流出。因此，当保护板210被布置在感测装置410上以使保护板210支承在中介结构412上时，任何额外的粘合剂都可以被挤出到中介结构412 外部。应注意，图4B中所示的构造是中介结构的许多可能构造之一，并且中介元件的许多不同的构造都是可能的，其中主要特征在于中介结构全部具有相同的高度并且它们提供对保护板的机械支承。

提供如上述图2至图4中所示的中介结构的优点在于：当液体粘合剂被分散时，粘合剂可以容易地流出并且填充中介结构之间的空间，从而形成没有气隙的均匀层，这进而在感测元件204与感测表面212之间产生被明确限定的介电结构。粘合剂可以例如具有与制作中介结构的材料相同的介电常数，从而使包括中介结构和粘合剂的层从介电角度来看表现为均匀的层。

可替选地，可以使用具有不同介电常数的粘合剂和中介结构，在这种情况下，介电常数的差异可以被用来使电场朝感测元件集中。这要求位于每个感测元件正上方的材料应具有比周围材料高的介电常数。以图2A至图2B中的感测装置200为例，中介结构202需要具有比粘合剂208的介电常数高的介电常数来实现场集中效应。

图5是概述了根据本发明的实施方式的制造方法的一般步骤的流程图。还将参照图6A至图6G来讨论该制造方法。

首先，在图6A中示出的步骤502中，提供包括多个感测芯片602的圆形晶片600。晶片600可以例如是其中已使用常规CMOS兼容工艺而形成感测芯片602的硅晶片。通过使用全尺寸的圆形晶片，可以实现大规模处理的优点。

接下来504，如图6B中所示，在晶片600的表面上形成中介层604，从而覆盖感测芯片602以在晶片600的表面上形成均匀的层。中介层604(也可以被称为涂覆层)被形成为具有均匀的厚度并且覆盖晶片600的整个区域。中介层604可以例如是通过旋涂或喷涂沉积的光致抗蚀剂，并且该光致抗蚀剂可以是正性光致抗蚀剂或负性光致抗蚀剂。旋涂和喷涂是可以以高精度的晶片尺度来执行的沿用已久的制造技术，从而提供在晶片600的表面上具有均匀厚度的中介层604。为了实现经沉积的层的高的均匀性，可以使用超声喷嘴来有利地进行喷涂。此外，还可以使用诸如喷墨打印或3D打印之类的方法来形成中介结构。

在图6C中所示的下一步骤506中，使用光刻法在晶片的表面上形成中介结构606。此处，中介结构以其中各个结构606居中于对应的感测元件608上的单个结构的方式来设置。中介结构606的截面被示为基本上为 六边形。然而，中介结构的截面原则上可以任意地选择，并且其可以是圆形、方形，或者具有在其之间的任何多边形形状。另外，中介结构不需要是对称的，也不需要在竖直方向上对称。

作为使用光致抗蚀剂来形成上述中介结构的替选，也可以用其它材料来形成中介结构。作为示例，可以在晶片上形成硬掩模(例如SiN掩模)，在这之后使用光刻法图案化以及后续的深反应离子蚀刻(DRIE)对硬掩模进行图案化。也可以使用激光烧蚀来去除所选区域中的材料，以形成期望的中介结构的图案。另外，出于制造中介结构和相关几何结构的目的，也可以使用诸如喷墨打印或3D打印之类的附加技术。

在形成中介结构之后，可以用等离子体清洗工艺来处理中介层，以改进中介结构与后续沉积的粘合剂之间的粘合性。等离子体清洗可以例如包括混合有惰性气体(例如氮或氩)的氧气。

在晶片上形成中介结构606之后，将晶片切成508如图6D中所示的单独的感测芯片610。图6D进一步示出了在感测芯片上的接合垫609，接合垫609随后被用来将感测芯片602电连接至基板。如图6E中所示，随后将单个的感测芯片布置510在包括读出电路(未示出)的对应的基板612上，用于读出来自感测芯片610的感测元件608的信息，以形成指纹图像。借助于从感测芯片上的第一接合垫610延伸至基板上的第二接合垫618的接合线614来将感测芯片610连接至基板612。此处，仅示出了一个接合线以避免使附图混乱。

作为图6F中所示的下一步骤512，通过将粘合剂620分散在中介层上来提供液体粘合剂620，以便粘合剂620填充中介结构606之间的空间。

在如图6G中所示的最后步骤516中，借助于粘合剂620将保护板210附接至感测装置。将保护板210布置在粘合剂620上并施加一定压力，以便粘合剂620被重新分布以填充相邻中介元件606之间的所有空间。将保护板向下压，直到其支承在中介结构上为止。在感测芯片上施加粘合剂的步骤之后，可以包含干法步骤(有时被称为测试阶段固化)以使粘合剂部分干燥。万一固化，则可以在随后的组装步骤中通过施加热和压力来将保护板附接至部分固化/干燥的粘合剂。

图7示出了其中利用穿过感测芯片610的过孔连接部702来形成感测元件与基板612之间的电连接的感测装置。这样的过孔连接部702也可以被称为硅通孔(TSV)连接部。

虽然上述方法被示出为从整个晶片开始，但是同样地可以在已切好的感测芯片上形成中介结构。

此外，保护板还可以设置有框架(也可以被称为边框)，其在保护板处于适当位置时包围感测芯片。边框可以例如有助于保护感测芯片与基板之间的接合线。边框也可以是充当手指的驱动元件以及/或者起到ESD放电节点作用的传导结构。

应注意，本文中讨论的本发明的一般方面不限于本说明中公开的具体尺寸和大小。上述说明仅提供了如通过权利要求限定的发明构思的示例实施方式。

虽然已经参照其特定例示性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言许多不同的变化、修改等将变得明显。另外，应注意，虽然本装置和方法的部分可以以各种方式被省略、互换或布置，但是本装置和方法仍能执行本发明的功能。

另外，在实施请求保护的发明时，根据对附图、公开内容和所附权利要求的学习，本领域技术人员可以理解并且实现对公开的实施方式的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举某些手段的这一事实不表示不能有利地使用这些手段的组合。