专利名称：用于传感器芯片的开放式封装结构及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种开放式封装结构及其制造方法，尤其是一种用于传感器芯片的开放式封装结构及其制造方法，具体地说是一种能够阻挡使用环境中的颗粒杂质及油污污染的封装结构及其制造方法，属于传感器封装的技术领域。
背景技术：
随着物联网技术的发展，需要大量的传感器对不同类型的数据进行采集。经过二十余年的研发，传感器芯片的设计和制造工艺逐步成熟，但仍未能大量走出实验室，发挥其在军事和民品中的潜在应用，原因之一是传感器芯片的封装问题没有得到很好的解决。因此，开发成熟可靠、低成本的传感器封装技术并应用到实际产品中就显得尤为迫切。如今，有相当一部分传感器被应用于工业自动化生产领域以及环境监测领域，对复杂环境中的环境参数(如人体器官内的生物信息、涂装车间和设备内的工艺参数、食品和药品包装 中的保存环境等)进行检测，在这些复杂环境中，通常存在有物理或化学杂质对裸露的传感器芯片产生性能和寿命上的影响。因此，采取适当的封装方法，是保证传感器芯片在复杂环境中正常稳定工作的关键因素。以工厂的涂装车间为例，该环境中存在大量的漆雾颗粒与油污可能影响需要与外界接触的传感器芯片的正常工作，于是该类传感器的封装必须能够阻挡漆雾颗粒与油污，防止其与传感器的敏感区域接触或阻塞传感器芯片探测外界环境的探测孔。2005年，丹麦森迈帝克公司发明了一种使用疏水性油性材料(多孔聚四氟乙烯)作为湿度传感器芯片的保护膜，该保护膜位于湿度传感器器件封装壳体表面以阻挡外界环境中的杂质；2007年，德国特斯托公司提出了一种湿度传感器的器件级封装结构，该结构采用了多层保护膜，其中最外层为与上述案例相同的多孔特氟龙烧结体，内层为水蒸气的选择性透过膜，具体可以为磺化聚四氟乙烯或Nafion材料；2008年，德国博世公司在对汽车用传感器提出了一种高可靠性的封装方法，该方法在传感器器件外部加上了一个具有烧结金属过滤孔的外壳，使传感器满足在汽车排气管道中环境参数检测的需求；2011年，美国霍尼韦尔公司在传感器器件级封装中提出了多种不同的过滤结构，包括螺旋状、孔状和带孔的膜状，该结构采用不同的疏水材料制成。分析上述具有代表性的研究背景可知，目前传感器的封装中的防杂质或过滤结构已有较多的报道，但总的来说，均为体积较大的器件级封装。随着传感系统的集成度越来越高以及应用场合的物理空间越来越小，庞大的传感器封装体积已经不能满足未来的应用需求，于是需要对传感器进行芯片级封装，且采用与芯片加工制造工艺兼容的封装方法。虽然密歇根大学于2005年提出了一种湿度传感器的芯片级封装方法，但该结构无法有效过滤外界环境的杂质，保护传感器芯片。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于传感器芯片的开放式封装结构及其制造方法，其实现芯片级封装，体积小，能够有效防止环境中的颗粒杂质与油污污染与传感器芯片的接触，与传感器芯片制造工艺兼容，适应范围广，安全可靠。按照本发明提供的技术方案，所述用于传感器芯片的开放式封装结构，包括承载衬底及位于所述承载衬底上的传感器结构；所述承载衬底上键合固定有封装封盖，所述封装封盖包括用于与承载衬底键合连接的封盖基体，所述封盖基体内包括用于容纳传感器结构的腔体；封盖基体与承载衬底键合连接后，传感器结构伸入腔体内；传感器结构的上方设有若干用于探测外界环境的探测孔，所述探测孔与腔体相连通，探测孔的内壁覆盖有防粘层，且所述防粘层覆盖封盖基体与外界接触的对应表面。所述封盖基体包括用于与承载衬底键合连接的体式封盖或薄膜封盖；所述封盖基体采用薄膜封盖时，薄膜封盖的第一表面与承载衬底相键合，探测孔贯通薄膜封盖后与腔体相连通；所述探测孔的孔径为I μ πΓ ΟΟ μ m。所述封盖基体包括用于与承载衬底键合连接的体式封盖或薄膜封盖；所述封盖基体采用体式封盖时，体式封盖的第一表面与承载衬底键合连接，第二表面覆盖有防粘层；贯 通体式封盖的探测孔与腔体相连通，所述探测孔的孔径为I μ πΓ ΟΟ μ m。所述封盖基体包括用于与承载衬底键合连接的体式封盖或薄膜封盖；所述封盖基体采用体式封盖时，所述腔体的侧壁上设有第一导电层，所述第一导电层上覆盖有阳极氧化种子层；在腔体的底壁上形成多孔阳极物薄膜；探测孔为贯通多孔阳极氧化物薄膜的孔状结构，且探测孔与贯通体式封盖的第一窗口相连通，所述第一窗口位于探测孔的正上方，所述探测孔的孔径为IOnnTl μ m。所述封盖基体包括用于与承载衬底键合连接的体式封盖或薄膜封盖；所述封盖基体为体式封盖时，所述体式封盖的第一表面与承载衬底键合连接，第二表面覆盖有第二导电层；贯通第二导电层的导电层开孔与贯通体式封盖的第二窗口及位于第二窗口下方的腔体相连通；第二导电层上设置若干电纺纤维，位于导电层开孔上方的电纺纤维与导电层开孔间配合形成所需的探测孔，防粘层覆盖第二窗口的内壁、导电层开孔的内壁、第二导电层及电纺纤维的表面。所述多孔阳极氧化物薄膜包括氧化钛薄膜、氧化铝薄膜或氧化硅薄膜。所述防粘层的材料包括聚四氟乙烯(特氟龙)、聚对二甲苯、全氟癸羧酸、全氟辛基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、二氯二甲基硅烷、氯代硅烷、氯氟硅烷、甲氧基硅烷、三氯硅烷、硅酮、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯或聚硅氮烷。一种用于传感器的开放式封装结构的制造方法，所述开放式封装结构的制造方法包括如下步骤
a、提供体式衬底,选择性地掩蔽和腐蚀所述体式衬底，以在体式衬底内形成所需的腔
体；
b、利用上述形成腔体的体式衬底，制作所需孔径的探测孔，所述探测孔位于所述腔体底壁的正上方，并与腔体相连通，以形成所需的封盖基体；
C、在上述封盖基体上制作防粘层，所述防粘层覆盖探测孔的内壁及封盖基体的外侧表
面；
d、提供载有传感器结构的承载衬底，将上述封盖基体与承载衬底对准并进行键合，以形成位于承载衬底上键合固定的封装封盖，得到所需的开放式封装结构。
所述封盖基体与承载衬底键合的方法包括表面活化键合、使用中间物键合或阳极键合；所述步骤c中，通过等离子增强型化学气相沉积、低压化学气相沉积、热丝化学气相沉积或真空涂覆的方法制作防粘层。所述步骤b包括如下步骤
bl、所述腔体的开口位于体式衬底的第一表面，在体式衬底的第二表面上淀积掩膜
层；
b2、选择性地掩蔽和刻蚀所述掩膜层，得到贯通掩膜层的掩膜层开孔；b3、利用所述掩膜层及掩膜层开孔，在体式衬底进行反应离子刻蚀或湿法腐蚀，形成贯通体式衬底的探测孔，所述探测孔与掩膜层开孔及腔体相连通；以形成所需的体式封盖。所述步骤b包括如下步骤 Si、所述腔体的开口位于体式衬底的第一表面，对体式衬底的第一表面及腔体的内壁图形化，并对体式衬底的第一表面及腔体的内壁进行重掺杂，以形成薄膜封盖；
s2、提供临时衬底，并将所述临时衬底键合在体式衬底的第二表面上，以形成第一临时键合体；
S3、对上述第一临时键合体进行各向同性的湿法腐蚀，以在腔体的底壁上形成贯通薄膜封盖的探测孔，并在体式衬底内形成腐蚀腔体，所述腐蚀腔体与探测孔相连通。所述步骤b包括如下步骤
tl、所述腔体的开口位于体式衬底的第一表面，对体式衬底的第一表面及腔体的内壁采用物理气相沉积法制作第一导电层，并在所述第一导电层上使用物理气相沉积法制作阳极氧化种子层；第一导电层及阳极氧化种子层均覆盖于体式衬底对应的第一表面及腔体的内壁；
t2、在上述阳极氧化种子层上设置阳极氧化掩膜层，利用所述阳极氧化掩膜层在腔体的底壁上形成若干多孔阳极氧化物薄膜及贯通多孔阳极氧化物薄膜的探测孔；t3、对体式衬底的第二表面进行反应离子刻蚀，以在体式衬底内形成第一窗口 ；t4、对第一窗口下方的第一导电层进行反应离子刻蚀，使得探测孔及多孔阳极氧化物薄膜通过第一窗口与外界环境接触，得到所需的体式封盖。所述步骤b包括如下步骤
wl、所述腔体的开口位于体式衬底的第一表面，在体式衬底的第二表面设置第二导电
层；
w2、选择性地掩蔽和腐蚀第二导电层，以得到所需贯通第二导电层的导电层开孔；w3、利用第二导电层及导电层开孔对体式衬底进行反应离子刻蚀，直至形成贯通体式衬底的第二窗口 ；相邻的第二窗口间形成支架，得到所需的体式封盖；
w4、提供具有金属薄膜的临时衬底，所述体式封盖的第一表面临时衬底键合，以形成第二临时键合体；体式封盖的第一表面与临时衬底的金属薄膜相接触；
w5、向上述第二临时键合体喷射电纺液并固化电纺织物，在第二导电层的表面形成电纺纤维，所述电纺纤维与导电层开孔及第二窗口配合形成探测孔。本发明的优点
I、本发明提出的一种用于传感器芯片的开放式封装结构，为芯片级封装，封装体积小，适用于更广泛的场合。
2、本发明提出的一种用于传感器芯片的开放式封装结构的制造方法，为基于键合工艺的微加工技术，与传感器制造工艺兼容，便于传感系统的集成。3、本发明提出的一种用于传感器芯片的开放式封装结构的制造方法，根据传感器使用环境不同，可以采用不同的微纳加工工艺，制作不同孔径的过滤薄膜以及防粘层，实现方法灵活多样。4、能够有效防止环境中的颗粒杂质与油污污染与传感器芯片的接触，提高传感器结构的适用范围，保持传感器结构的检测精度，延长传感器结构的使用寿命，减低使用成本，安全可靠。
图广图5为本发明实施例I的具体实施工艺步骤剖视图，其中
图I为本发明在体式封盖内形成腔体并在第二表面形成掩膜层后的剖视图。
图2为本发明在掩膜层内形成掩膜层开孔后的剖视图。图3为本发明在体式封盖内形成探测孔后的剖视图。图4为本发明制作防粘层后形成封装封盖的剖视图。图5为本发明封装封盖与承载衬底键合连接后的剖视图。12为本发明实施例2的具体实施工艺步骤剖视图，其中 图6为本发明体式封盖内形成腔体后的剖视图。图7为本发明在腔体的内壁通过重掺杂形成薄膜封盖后的剖视图。图8为本发明体式封盖与临时衬底键合形成第一临时键合体后的剖视图。图9为本发明得到探测孔及腐蚀腔体后的剖视图。图10为本发明制作防粘层后的剖视图。图11为本发明薄膜封盖与承载衬底键合连接后的剖视图。图12为本发明去除体式封盖及临时衬底后形成薄膜封盖与承载衬底连接后的剖视图。图13 图18为本发明实施例3的具体实施工艺步骤剖视图，其中 图13为本发明在体式封盖内形成腔体后的剖视图。图14为本发明在腔体内壁及体式封盖的第一表面上形成第一导电层及阳极氧化种子层后的剖视图。图15为本发明形成多孔阳极氧化物薄膜及探测孔后的剖视图。图16为本发明在体式封盖内形成第一窗口且将第一窗口与探测孔连接后的剖视图。图17为本发明制作防粘层形成封装封盖后的剖视图。图18为本发明将封装封盖与承载衬底键合连接后的剖视图。图19 图26为本发明实施例4的具体实施工艺步骤剖视图，其中，
图19为本发明在体式封盖具体的第二表面上形成第二导电层后的剖视图。图20为本发明在第二导电层内形成导电层开孔后的剖视图。图21为本发明得到第二窗口及支架后的剖视图。图22为本发明形成第二键合体后的剖视图。
图23为本发明在第二导电层上设置电纺纤维以形成所需的探测孔后的剖视图。图24为本发明制作防粘层后的剖视图。图25为本发明去除临时衬底形成封装封盖后的剖视图。图26为本发明封装封盖与承载衬底键合连接后的剖视图。附图标记说明1_承载衬底、2-传感器结构、3-体式封盖、4-掩膜层、5-掩膜层开孔、6-探测孔、7-防粘层、8-封装封盖、9-腔体、10-薄膜封盖、11-临时衬底、12-腐蚀阻挡层、13-腐蚀腔体、14-第一导电层、15-阳极氧化种子层、16-阳极氧化掩膜层、17-多孔阳极氧化物薄膜、18-第一窗口、19-第二导电层、20-导电层开孔、21-支架、22-第二窗口、23-金属薄膜及24-电纺纤维与25-体式衬底。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。为了能够阻挡使用环境中的颗粒杂质及油污污染，本发明包括承载衬底I及位于所述承载衬底I上的传感器结构2 ;所述承载衬底I上键合固定有封装封盖8，所述封装封盖8包括用于与承载衬底I键合连接的封盖基体，所述封盖基体内包括用于容纳传感器结构2的腔体9 ;封盖基体与承载衬底I键合连接后，传感器结构2伸入腔体9内；传感器结构2的上方设有若干用于探测外界环境的探测孔6，所述探测孔6与腔体9相连通，探测孔
6的内壁均覆盖有防粘层7，且所述防粘层7覆盖封盖基体与外界接触的对应表面。本发明实施例中，防粘层7在制备过程中也会覆盖腔体9的内壁；承载衬底I可以采用常规的材料制备，其材料包括硅、氧化硅、碳化硅、氮化硅、氮化镓、砷化镓、磷硅玻璃、硼硅玻璃、石英玻璃、锗、锗化娃、氧化招、氮化招、碳化招、氮化钛、氧化钛、碳化钛、氧化锌、硫化镉、締化镉、磷化铟、锗酸秘、氧化锡、氧化铁、五氧化二fL、氧化错、氧化镁、氧化镍、氧化钴、氧化钾-氧化铁、铬酸镁-氧化钛、氧化锌-氧化锂-氧化fL、硫化锌、氮化铟、镁招尖晶石、招酸锂、镓酸锂、二硼化锆或有机材料，此处不再一一列举。传感器结构2位于承载衬底I上，且传感器结构2的敏感区域需要与外界环境接触的传感器结构，因此，传感器结构2的类型包括湿度传感器、气体传感器、压力传感器或化学传感器。在承载衬底I上制备传感器结构2为常规的过程，此处不再赘述。封盖基体能与承载衬底I通过键合连接，封盖基体的材料包括硅、金属、陶瓷或有机材料，封盖基体的材料选择为常规的选择，封盖基体可以为体式封盖3或薄膜封盖10，根据不同的封装体积及使用环境来进行选择；当封盖基体为体式封盖3或薄膜封盖10时，本发明实施例中的封装封盖8具有不同的结构，封装封盖8的具体结构通过下述实施例进行详细描述。探测孔6的孔径为IOnnTlOO μ m，探测孔6的孔径大小由传感器结构2工作的场所决定；探测孔6的孔径要小于传感器结构2工作场所颗粒杂质的外径，以通过探测孔6能够阻挡颗粒杂质通过探测孔6与传感器结构2接触。封盖基体上的防粘层7能够避免油污粘附在传感器结构2上及防止杂质颗粒粘附在封盖基体上，从而能够保持传感器结构2的检测精度，延长传感器结构2的使用寿命，扩大传感器结构2的适用范围。防粘层7为薄膜结构，所述防粘层7的材料包括聚四氟乙烯(特氟龙)、聚对二甲
苯、全氟癸羧酸、全氟辛基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、二氯二甲基硅烷、氯代硅烷、氯氟硅烷、甲氧基硅烷、三氯硅烷、硅酮、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯或聚硅氮烷；且可以通过等离子增强型化学气相沉积、低压化学气相沉积、热丝化学气相沉积或真空涂覆的方法制作防粘层7 ;可以通过所需的工艺来制备防粘层7。上述用于传感器的开放式封装结构，其对应的制造方法包括如下步骤
a、提供体式衬底25，选择性地掩蔽和腐蚀所述体式衬底25，以在体式衬底25内形成所需的腔体9 ；
b、利用上述形成腔体9的体式衬底25，制作所需孔径的探测孔6，所述探测孔6位于所述腔体9底壁的正上方，并与腔体9相连通，以形成所需的封盖基体；
C、在上述封盖基体上制作防粘层7，所述防粘层7覆盖探测孔6的内壁及封盖基体的外侧表面；
所述封盖基体的外侧表面是指封盖基体与下述承载衬底I相接触的另一侧表面。本发明实施中,利用体式衬底25形成体式封盖3及薄膜封盖10，体式衬底25也具有第一表面及 与所述第一表面相对应的第二表面，体式衬底25的第一表面与形成的体式封盖3的第一表面及薄膜封盖10的第一表面相对应；体式封盖3的第二表面积薄膜封盖10的第二表面为与所第一表面相对应的一个表面，下述相同。d、提供载有传感器结构2的承载衬底1，将上述封盖基体与承载衬底I对准并进行键合，以形成位于承载衬底I上键合固定的封装封盖8，得到所需的开放式封装结构。下面通过实施例I、实施例2、实施例3和实施例4来说明本发明封装封盖8的结构及封装封盖8与承载衬底I间形成开放式封装的具体制备过程。实施例I
如图5所示本实施例中封盖基体为体式封盖3，所述体式封盖3的第一表面与承载衬底I键合固定连接，传感器结构2伸入体式封盖3的腔体9内。体式封盖3的第二表面上设置掩膜层4，所述掩膜层4内设有若干掩膜层开孔5，所述掩膜层开孔5位于腔体9底壁的正上方，掩膜层开孔5的正下方设有探测孔6，所述探测孔6的轴线与掩膜层开孔5的轴线位于同一直线上，且探测孔6的孔径与掩膜层开孔5的孔径相一致。体式封盖3的第一表面与体式封盖3的第二表面为两个相对应的表面；本发明实施例中，体式封装3的第一表面均为与承载衬底I相键合连接的表面，第二表面为远离承载衬底I的表面，也即第二表面为与外部环境相接触的表面，下述相同。防粘层7覆盖在掩膜层4的表面，并覆盖在掩膜层开孔5的内壁及探测孔6的内壁，且覆盖在腔体9的内壁，所述腔体9的内壁包括腔体9的侦_及腔体9的底壁，探测孔6的一端开口位于腔体9的底壁上。掩膜层开孔5、探测孔6及腔体9间共同形成探测器结构2的探测通道。体式封盖3及掩膜层4、探测孔6和防粘层7共同组成封装封盖8。本实施例中，可以通过相应的工艺过程使得腔体9的内壁不覆盖防粘层7。如图广图5所示上述封装结构可以通过下述工艺步骤制备得到，其中，所述承载衬底I为500 μ m厚的PyreX7740玻璃材料；传感器结构2位于承载衬底I上方，为湿度传感器；所述体式封盖3位于承载衬底I上方，为375 μ m厚的体娃材料；所述掩膜层4位于体式封盖3的上方,为500nm厚的二氧化娃薄膜；所述掩膜层开孔5位于掩膜层4内，孔径为100 μ m ;所述探测孔6位于体式封盖3内，孔径为100 μ m ;所述防粘层7为薄膜结构，均匀涂覆在探测孔6的侧壁以及体式封盖3内腔体9的部分下表面和掩膜层4的上表面，其材料为聚四氟乙烯(特氟龙)。具体地包括步骤I、如图I所示，提供双面抛光且表面晶向为〈100〉的硅片作为体式衬底25，在体式衬底25的第一表面使用浓度为40%的氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，以在体式衬底25内制作得到深度为200 μ m的腔体9，腔体9呈喇叭状，腔体9的开口小于体式衬底25第一表面的宽度；在体式衬底25的第二表面使用等离子体化学气相沉积的方法沉积500nm后的二氧化硅薄膜，作为掩膜层4;
步骤2、如图2所示，选择性地掩蔽和腐蚀掩膜层4，使用浓度为1%的氢氟酸水溶液对掩膜层4进行图形化，以在掩膜层4内形成直径为100 μ m的掩膜层开孔5，所述掩膜层开孔5贯通掩膜层4且呈圆形；
步骤3、如图3所示，以图形化后的掩膜层4作为研磨，对体式衬底25使用四氟化碳-氧气混合气体进行反应离子刻蚀，直至形成通孔，以得到探测孔6，所述探测孔6与掩膜层开孔5及腔体9相连通，以形成体式封盖3 ;本实施例中制备探测孔6的孔径范围为I μ m 100 μ m ；
步骤4、如图4所示，使用热丝化学气相沉积的方法，在体式封盖3及掩膜层4表面沉积 一层厚度约为30nm的聚四氟乙烯的防粘层7，防粘层7能够完全覆盖探测孔6的侧壁以及体式封盖3的部分下表面及掩膜层4的上表面，即防粘层7覆盖在腔体9的内壁、探测孔6的内壁、掩膜层开孔5的内壁以及掩膜层4的上表面，以形成封装封盖8 ；
步骤5、如图5所示，提供载有传感器结构2的承载衬底I，将上述封装封盖8与承载衬底I对准并进行键合，形成最终的封装结构，键合的方式为使用中间物的焊料键合。实施例2
如图12所示本实施例中封盖基体为薄膜封盖10，其中薄膜封盖10为由体式衬底25通过相应工艺得到，采用薄膜封盖10能进一步减小整个封装结构封装后的体积。所述薄膜封盖10的第一表面与承载衬底I键合固定连接，传感器结构2伸入薄膜封盖10的腔体9内。薄膜封盖10呈凸台状，探测孔6位于传感器结构2的正上方，探测孔6贯通薄膜封盖10，并与腔体9相连通。防粘层7覆盖在探测孔6的内壁，并覆盖在腔体9的内壁，所述腔体9的内壁包括腔体9的侧壁及腔体9的底壁，探测孔6的一端开口位于腔体9的底壁上。掩探测孔6及腔体9间共同形成探测器结构2的探测通道。薄膜封盖10、探测孔6和防粘层7共同组成封装封盖8。如图6 图12所示上述封装结构可以通过下述工艺步骤制备得到，其中，所述承载衬底I为500 μ m厚度的PyreX7740玻璃材料；传感器结构2位于承载衬底I上，为湿度传感器；所述薄膜封盖10位于衬底I上方，为10 μ m厚的重掺杂P型硅材料；所述探测孔6位于薄膜封盖10内，孔径为50 μ m ;所述防粘层7为薄膜结构，均匀涂覆在探测孔6的侧壁以及薄膜封盖10的部分上下表面，其材料为聚四氟乙烯(特氟龙)。具体包括
步骤I、如图6所示，提供双面抛光且表面晶向为〈100〉的硅片作为体衬底25，在体式衬底25的第一表面一侧使用浓度为40%的氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，制作200 μ m深的以容纳传感器结构2的腔体9 ；
步骤2、如图7所示，对体衬底25的第一表面及腔体9的内壁进行图形化，并对体式衬底25的第一表面进行硼的重掺杂，以在腔体9的内壁内形成IOym厚的重掺杂层，所述重掺杂层的掺杂浓度5X IO19每平方厘米，作为薄膜封盖10，其中，在腔体9的底壁保留有若干未进行硼掺杂的区域，所述未进行硼重掺杂的区域与掺杂区域交替分布，以能够通过未重掺杂区域形成所需的探测孔6 ;
步骤3、如图8所示，提供临时衬底11，所述临时衬底11的材料为硅；在临时衬底11的一个表面上涂覆腐蚀阻挡层12，所述腐蚀阻挡层12为聚酰亚胺粘合胶；然后将临时衬底11设置腐蚀阻挡层12的表面与上述体式衬底25的第二表面进行临时键合，形成第一临时键合体；
步骤4、如图9所示，使用EDP (乙二胺-联氨-邻苯二酚)腐蚀液对通过薄膜封盖10上方的未重掺杂区域对体式衬底25进行各项同性的湿法腐蚀，控制腐蚀时间，使薄膜封盖10中未重掺杂区域完全腐蚀，以形成探测孔6并且保证临时衬底11与体式衬底25不被完全腐蚀；同时在体式衬底25内形成腐蚀腔体13，所述腐蚀腔体13与探测孔6相连通，临时衬底11通过腐蚀阻挡层12不会被腐蚀；同时体式衬底25的第一表面及腔体9内壁形成薄膜封盖10的区域不会被腐蚀；
步骤5、如图10所示，使用热丝化学气相沉积的方法，在体式衬底25的内表面、薄膜封盖10的侧壁及上下表面沉积一层厚度约为30nm的聚四氟乙烯的防粘层7 ;通过上述方法 沉积后，防粘层7覆盖在腔体9的内壁及探测孔6的内壁与腐蚀腔体13的内壁；
步骤6、如图11所示，提供载有传感器结构2的承载衬底1，将上述经过步骤5工艺后的第一临时键合体与承载衬底I对准并进行键合，形成封装过渡结构，薄膜封盖10与承载衬底I键合的方式为阳极键合；
步骤7、如图12所示，再次使用EDP腐蚀液将上述位于薄膜封盖10上的体式衬底25去除，从而剥离临时衬底11以及腐蚀阻挡层12，形成由薄膜封盖10作为传感器封装封盖8的主体的封装结构。将上述临时衬底11及体式衬底25去除后，贯通薄膜封盖10的探测孔6才能与外部环境接触，从而传感器结构2通过腔体9及探测孔6与外界环境接触。薄膜封盖10相对于实施例I中的形成封装封盖8后的体式封盖3，能够减小最终形成封装结构的体积。实施例3
如图18所示本实施例中封盖基体为体式封盖3，所述体式封盖3的第一表面与承载衬底I键合固定连接，传感器结构2伸入体式封盖3的腔体9内。所述腔体9的侧壁上设有第一导电层14，所述第一导电层14上覆盖有阳极氧化种子层15 ;在腔体9的底壁上形成多孔阳极氧化物薄膜17，探测孔6为贯通多孔阳极氧化物薄膜17的孔状结构，且探测孔6与贯通体式封盖3的第一窗口 18相连通，所述第一窗口 18位于探测孔6的正上方。体式封盖3的第二表面上覆盖防粘层7，且所述防粘层7还覆盖在腔体9内壁上的阳极氧化种子层15、第一窗口 18的内壁、探测孔6的内壁以及相应多孔阳极氧化物薄膜17的表面，第一窗口 18、探测孔6及腔体9间共同形成探测器结构2的探测通道。体式封盖3、防粘层7、第一导电层14、阳极氧化种子层15、多孔阳极氧化物薄膜17、探测孔6、腔体9及第一窗口 18共同配合形成封装封盖8。如图13 图18所示上述封装结构可以通过下述工艺步骤制备得到，其中，所述承载衬底I为500 μ m厚的PyreX7740玻璃材料；传感器结构2位于承载衬底I上，为湿度传感器；所述体式封盖3位于承载衬底I上方,为375 μ m厚的体娃材料；所述第一导电层14为30nm金薄膜；所述阳极氧化种子层15为I. 5 μ m后的铝薄膜；所述多孔阳极氧化物薄膜17的厚度为2. 3 μ m ;所述第一窗口 18为圆形，直径为50 μ m ;所述探测孔6位于多孔阳极氧化物薄膜17中，平均孔径为IOOnm ;所述防粘层7为薄膜结构，均匀涂覆在探测孔6的侧壁、体式封盖3的上表面、阳极氧化种子层15的部分下表面以及多孔多孔阳极氧化物薄膜17的上下表面，其材料为聚四氟乙烯(特氟龙)。具体地
步骤I、如图13所示，提供双面抛光且表面晶向为〈100〉的硅片作为体式衬底25，在体式衬底25的第一表面使用浓度为40%的氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，制作200 μ m深的以容纳传感器结构2的腔体9 ；
步骤2、如图14所示,在腔体9的内表面使用磁控派射的方法依次沉积5nm钛和20nm金作为导电层14，再使用磁控溅射的方法沉积I. 5 μ m厚度的阳极氧化种子层15，所述阳极氧化种子层15的材料为铝；
步骤3、如图15所示，对阳极氧化种子层15进行图形化处理，以光刻胶为掩膜，即阳极氧化掩膜层16为光刻胶；使用稀硫酸溶液作为反应溶液，保持溶液温度30摄氏度以及阳极氧化电压20伏特，形成含有平均直径为IOOnm的探测孔6的多孔阳极氧化物薄膜17 ;所述 探测孔6从第一导电层14向下延伸后贯通多孔阳极氧化物薄膜17 ;得到探测孔6及多孔阳极氧化物薄膜17后，将阳极氧化掩膜层16去除，以便于进行后续的操作步骤；本实施例中，多孔阳极氧化物薄膜17为氧化铝薄膜，另外，多孔阳极氧化物薄膜17还可以为氧化钛薄膜、氧化硅薄膜或其他一些氧化物薄膜，此处不再一一列举；本实施例中得到探测孔6的孔径为IOnnTl μ m ；
步骤4、如图16所示,对体式衬底25的第二表面选择性地掩蔽和刻蚀，以对体式衬底25的第二表面进行图形化，使用四氟化碳-氧气混合气体对体式衬底25进行反应离子刻蚀，制作出第一窗口 18,所述第一窗口 18从体式衬底25的第二表面向下延伸至第一导电层14的表面；制作出第一窗口 18后，再使用三氯化硼气体对暴露的第一导电层14进行反应离子刻蚀，即对与第一窗口 18接触的第一导电层14进行反应离子刻蚀，使多孔阳极氧化物薄膜17通过第一窗口 18与外界环境接触；从而得到体式封盖3 ；
步骤5、如图17所示，使用热丝化学气相沉积的方法，在探测孔6的侧壁、体式封盖3的第二表面、阳极氧化种子层15的部分下表面以及多孔阳极氧化物薄膜17的上下表面沉积一层厚度约为30nm的聚四氟乙烯的防粘层7，形成制造完成的封装封盖8。本发明实施例中，除阳极氧化种子层15需要与承载衬底I键合接触的部分外，体式封盖3的第二表面、第一窗口 18的内壁、阳极氧化种子层15对应形成腔体9的表面及多孔阳极氧化物薄膜17的上、下表面均覆盖防粘层7。但阳极氧化种子层15对应与承载衬底I键合接触的部分覆盖防粘层7后，也不会影响封装封盖8与承载衬底I的键合过程。阳极氧化种子层15对应与承载衬底I键合接触的部分覆盖防粘层7不影响键合过程，为本技术领域的常规知识，不再赘述。步骤6、如图18所示，提供载有传感器结构2的承载衬底1，将上述封装封盖8与承载衬底I对准并进行键合，形成最终的封装结构，键合的方式为使用中间物的焊料键合。通过本实施例制备探测孔6及防粘层7过程，能够使得探测孔6的孔径变得较小，以满足更多要求严格的使用场所。实施例4
如图26所示本实施例中封盖基体为体式封盖3，所述体式封盖3的第一表面与承载衬底I相接触，第二表面覆盖有第二导电层19 ;贯通第二导电层19的导电层开孔20与贯通体式封盖3的第二窗口 22及位于第二窗口 22下方的腔体9相连通；第二导电层19上设置若干电纺纤维24，位于导电层开孔20上方的电纺纤维24与导电层开孔20间配合形成所需的探测孔6，防粘层7覆盖腔体9的内壁、第二窗口 22的内壁、导电层开孔20的内壁、第二导电层19及电纺纤维24。体式封盖3内形成第二窗口 22的同时，得到支架21 ;导电层开口 20与第二窗口 22具有相同的形状，探测孔6的孔径小于导电层开口 20及第二窗口22的直径；电纺纤维24在第二导电层19上交错分布。体式封盖3、支架21、第二窗口 22、第二导电层19、导电层开孔20、电纺纤维24、探测孔6以及防粘层7共同组成封装封盖8。腔体9、第二窗口 22、导电层开口 20及对应的探测孔6形成传感器结构2的探测导通。通过电纺纤维24与导电层开口 20形成探测孔6，使得较大直径的颗粒杂志依然不能通过探测通道后与传感器结构2接触，以保持传感器结构2进行探测的精度。如图IiT图26所示上述封装结构可以通过下述工艺步骤制备得到，其中，所述承载衬底I为500 μ m厚度的PyreX7740玻璃材料；传感器结构2位于承载衬底I上，为湿度传感器；所述体式封盖3位于承载衬底I上方，为375 μ m厚的体娃材料；所述第二导电层19为IOnm铬与150nm招形成的复合薄膜；所述电纺纤维24为平均直径IOOnm的聚醚聚脲聚氨酯；所第二述窗口 22和导电层开孔20为圆形，直径为100 μ m，其间距也为IOOym (即 支架21的截面宽度)；所述探测孔6的平均孔径为10 μ m;所述防粘层7为薄膜结构，均匀涂覆在体式封盖3部分下表面、电纺纤维24表面、探测孔6侧壁、第二窗口 22、导电层开孔20的侧壁以及第二导电层19上表面，其材料为聚四氟乙烯(特氟龙)。具体包括
步骤I如图19所示，提供双面抛光且表面晶向为〈100〉的硅片作为体式衬底25，在体式衬底25的第一表面侧使用浓度为40%的氢氧化钾溶液进行湿法腐蚀，制作200 μ m深的以容纳传感器结构2的腔体9 ;然后在体式衬底25的第二表面使用磁控溅射的方法依次沉积IOnm铬与150nm厚铝的复合薄膜，作为腐蚀掩膜层和第二导电层19 ；
步骤2、如图20所示，选择性地掩蔽和腐蚀第二导电层19，以对第二导电层19进行图形化；其中，使用PS70-10腐蚀液对第二导电层19的铝进行腐蚀，以得到贯通第二导电层19的导电层开孔20,即导电层开孔20从第二导电层19表面延伸到体式衬底25的第二表面；
步骤3、如图21所示，使用四氟化碳-氧气混合气体，以图形化后的第二导电层19为掩膜，对体式衬底25进行反应离子刻蚀，直至形成通孔，得到第二窗口 22，同时在体式封盖3内在得到第二窗口 22后形成支架21，支架21间隔相邻的第二窗口 22 ;支架21上具有第二导电层19 ;经过上述工艺步骤后，得到体式封盖3 ；
步骤4、如图22所示，提供一带有I μπι金属薄膜23的临时衬底11，所述金属薄膜23的材料为铝，临时衬底11的材料为硅；将临时衬底11与带有第二导电层19的体式封盖3临时键合，组成第二临时键合体；键合时，体式封盖3的第一表面与金属薄膜23相接触，已通过金属薄膜23与临时衬底11固定；
步骤5、如图23所示，对聚醚聚脲聚氨酯电纺溶液充以正电荷，向第二临时键合体喷射电纺液，在第二导电层19表面形成电纺纤维24，电纺纤维24交错分布于支架21上的第二导电层19及体式封盖3上的第二导电层19上；通过电纺纤维24能够遮挡部分导电层开孔20的孔径，即能够降低传感器结构2通过导电层开孔20的接触尺寸，也即电纺纤维24与导电层开孔20配合形成探测孔6 ;本发明实施例中，第二导电层19及金属薄膜23为用于制作电纺纤维24中需要使用的工艺层；探测孔6的大小由电纺纤维24的直径及分布决定；本实施例中，探测孔6的孔径为Iym 100 u m ；
步骤6、如图24所示，使用热丝化学气相沉积的方法，在体式封盖3部分下表面、电纺纤维24表面、探测孔6侧壁、第二窗口 22和导电层开孔20的侧壁以及第二导电层19上表面沉积一层厚度约为30nm的聚四氟乙烯的防粘层7 ;本发明实施例中，在制作防粘层7时，金属薄膜23与腔体9相对应的表面也会形成防粘层7。步骤7、如图25所示，将临时衬底11与体式封盖3剥离，形成制造完整的封装封盖8 ;临时衬底11与体式封盖3的解键合过程为现有的常规过程，此处不再赘述；
步骤8、如图26所示，提供载有传感器结构2的承载衬底1，将上述封盖结构8与承载衬底I对准并进行键合，形成最终的封装结构，键合的方式为使用中间物的焊料键合。如图f图26所示本发明在承载衬底I上键合固定封装封盖8，所述封装封盖8包括容纳传感器结构2的腔体9、用于传感器结构2探测外界环境的探测孔6及用于防止油 污污染的防粘层7 ;通过探测孔6、腔体9及连接探测孔6与腔体9间的通道形成传感器结构2的探测通道，即得到本发明传感器解构的开放式封装。根据传感器结构2的使用场合来设置对应孔径的探测孔6，能有效滤除环境中的颗粒杂质与传感器结构2的粘附；可以通过多种方法制备得到探测孔6，加工制作方便。本发明提出的一种用于传感器芯片的开放式封装结构，为芯片级封装，封装体积小，适用于更广泛的场合。本发明提出的一种用于传感器芯片的开放式封装结构的制造方法，为基于键合工艺的微加工技术，与传感器制造工艺兼容，便于传感系统的集成。本发明提出的一种用于传感器芯片的开放式封装结构的制造方法，根据传感器使用环境不同，可以采用不同的微纳加工工艺，制作不同孔径的过滤薄膜以及防粘层，实现方法灵活多样。能够有效防止环境中的颗粒杂质与油污污染与传感器芯片的接触，提高传感器结构的适用范围，保持传感器结构的检测精度，延长传感器结构的使用寿命，减低使用成本，安全可靠。上述实施例可以用来说明本发明的结构和制造过程，但本发明的实施绝不仅限于上述实施例。在不脱离本发明及所附的权利要求的范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明的保护范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
权利要求
1.一种用于传感器芯片的开放式封装结构，包括承载衬底(I)及位于所述承载衬底(I)上的传感器结构(2);其特征是所述承载衬底(I)上键合固定有封装封盖(8)，所述封装封盖(8)包括用于与承载衬底(I)键合连接的封盖基体，所述封盖基体内包括用于容纳传感器结构(2)的腔体(9);封盖基体与承载衬底(I)键合连接后，传感器结构(2)伸入腔体(9)内；传感器结构(2)的上方设有若干用于探测外界环境的探测孔(6)，所述探测孔(6)与腔体(9)相连通，探测孔(6)的内壁覆盖有防粘层(7)，且所述防粘层(7)覆盖封盖基体与外界接触的对应表面。
2.根据权利要求I所述的用于传感器芯片的开放式封装结构，其特征是所述封盖基体包括用于与承载衬底(I)键合连接的体式封盖(3)或薄膜封盖(10);所述封盖基体采用薄膜封盖(10)时，薄膜封盖(10)的第一表面与承载衬底(I)相键合，探测孔(6)贯通薄膜封盖(10)后与腔体(9)相连通；所述探测孔(6)的孔径为ΙμπΓ ΟΟμπι。
3.根据权利要求I所述的用于传感器芯片的开放式封装结构，其特征是所述封盖基体包括用于与承载衬底(I)键合连接的体式封盖(3)或薄膜封盖(10);所述封盖基体采用体式封盖(3)时，体式封盖(3)的第一表面与承载衬底(I)键合连接，第二表面覆盖有防粘层(7);贯通体式封盖(3)的探测孔(6)与腔体(9)相连通，所述探测孔(6)的孔径为I μ m 100 μ m。
4.根据权利要求I所述的用于传感器芯片的开放式封装结构，其特征是所述封盖基体包括用于与承载衬底(I)键合连接的体式封盖(3 )或薄膜封盖(10 );所述封盖基体采用体式封盖(3)时，所述腔体(9)的侧壁上设有第一导电层(14)，所述第一导电层(14)上覆盖有阳极氧化种子层(15);在腔体(9)的底壁上形成多孔阳极物薄膜(17);探测孔(6)为贯通多孔阳极氧化物薄膜(17)的孔状结构，且探测孔(6)与贯通体式封盖(3)的第一窗口( 18)相连通，所述第一窗口(18)位于探测孔(6)的正上方，所述探测孔(6)的孔径为IOnnTl μ m。
5.根据权利要求2所述的用于传感器芯片的开放式封装结构，其特征是所述封盖基体包括用于与承载衬底(I)键合连接的体式封盖(3)或薄膜封盖(10);所述封盖基体为体式封盖(3)时，所述体式封盖(3)的第一表面与承载衬底(I)键合连接，第二表面覆盖有第二导电层(19);贯通第二导电层(19)的导电层开孔(20)与贯通体式封盖(3)的第二窗口(22)及位于第二窗口(22)下方的腔体(9)相连通；第二导电层(19)上设置若干电纺纤维(24)，位于导电层开孔(20)上方的电纺纤维(24)与导电层开孔(20)间配合形成所需的探测孔(6)，防粘层(7)覆盖第二窗口(22)的内壁、导电层开孔(20)的内壁、第二导电层(19)及电纺纤维(24)的表面。
6.根据权利要求4所述的用于传感器芯片的开放式封装结构，其特征是所述多孔阳极氧化物薄膜(17)包括氧化钛薄膜、氧化铝薄膜或氧化硅薄膜。
7.根据权利要求I所述的用于传感器芯片的开放式封装结构，其特征是所述防粘层(7)的材料包括聚四氟乙烯(特氟龙)、聚对二甲苯、全氟癸羧酸、全氟辛基三氯硅烷、十八烷基三氯硅烷、二氯二甲基硅烷、氯代硅烷、氯氟硅烷、甲氧基硅烷、三氯硅烷、硅酮、聚苯乙烯、聚氨基甲酸酯或聚硅氮烷。
8.一种用于传感器的开放式封装结构的制造方法，其特征是，所述开放式封装结构的制造方法包括如下步骤 (a)、提供体式衬底(25)，选择性地掩蔽和腐蚀所述体式衬底(25)，以在体式衬底(25)内形成所需的腔体(9)； (b)、利用上述形成腔体(9)的体式衬底(25)，制作所需孔径的探测孔(6)，所述探测孔(6)位于所述腔体(9)底壁的正上方，并与腔体(9)相连通，以形成所需的封盖基体； (c )、在上述封盖基体上制作防粘层(7 )，所述防粘层(7 )覆盖探测孔(6 )的内壁及封盖基体的外侧表面； (d)、提供载有传感器结构(2)的承载衬底(1)，将上述封盖基体承载衬底(I)对准并进行键合，以形成位于承载衬底(I)上键合固定的封装封盖(8)，得到所需的开放式封装结构。
9.根据权利要求8所述用于传感器的开放式封装结构的制造方法，其特征是所述封盖基体与承载衬底(I)键合的方法包括表面活化键合、使用中间物键合或阳极键合；所述步骤(C)中，通过等离子增强型化学气相沉积、低压化学气相沉积、热丝化学气相沉积或真空涂覆的方法制作防粘层(7)。
10.根据权利要求8所述用于传感器的开放式封装结构的制造方法，其特征是，所述步骤(b)包括如下步骤 (bl)、所述腔体(9)的开口位于体式衬底(25)的第一表面，在体式衬底(25)的第二表面上淀积掩膜层(4); (b2)、选择性地掩蔽和刻蚀所述掩膜层(4)，得到贯通掩膜层(4)的掩膜层开孔(5)；(b3)、利用所述掩膜层(4)及掩膜层开孔(5)，在体式衬底(25)进行反应离子刻蚀或湿法腐蚀，形成贯通体式衬底(25)的探测孔(6)，所述探测孔(6)与掩膜层开孔(5)及腔体(9)相连通；以形成所需的体式封盖(3)。
11.根据权利要求11所述用于传感器的开放式封装结构的制造方法，其特征是，所述步骤(b)包括如下步骤 (Si)、所述腔体(9)的开口位于体式衬底(25)的第一表面，对体式衬底(25)的第一表面及腔体(9 )的内壁图形化，并对体式衬底(25 )的第一表面及腔体(9 )的内壁进行重掺杂，以形成薄膜封盖(10); (s2)、提供临时衬底(11)，并将所述临时衬底(11)键合在体式衬底(25)的第二表面上，以形成第一临时键合体； (S3)、对上述第一临时键合体进行各向同性的湿法腐蚀，以在腔体(9)的底壁上形成贯通薄膜封盖(10)的探测孔(6)，并在体式衬底(25)内形成腐蚀腔体(13)，所述腐蚀腔体(13)与探测孔(6)相连通。
12.根据权利要求8所述用于传感器的开放式封装结构的制造方法，其特征是，所述步骤(b)包括如下步骤 (tl)、所述腔体(9)的开口位于体式衬底(25)的第一表面，对体式衬底(25)的第一表面及腔体(9)的内壁采用物理气相沉积法制作第一导电层(14)，并在所述第一导电层(14)上使用物理气相沉积法制作阳极氧化种子层(15);第一导电层(14)及阳极氧化种子层(15)均覆盖于体式衬底(25)对应的第一表面及腔体(9)的内壁； (t2)、在上述阳极氧化种子层(15)上设置阳极氧化掩膜层(16)，利用所述阳极氧化掩膜层(16)在腔体(9)的底壁上形成若干多孔阳极氧化物薄膜(17)及贯通多孔阳极氧化物薄膜(17)的探测孔(6)；(t3)、对体式衬底(25)的第二表面进行反应离子刻蚀，以在体式衬底(25)内形成第一窗口(18)； (t4)、对第一窗口(18)下方的第一导电层(14)进行反应离子刻蚀，使得探测孔(6)及多孔阳极氧化物薄膜(17)通过第一窗口(18)与外界环境接触，得到所需的体式封盖(3)。
13.根据权利要求8所述用于传感器的开放式封装结构的制造方法，其特征是，所述步骤(b)包括如下步骤 (wl)、所述腔体(9)的开口位于体式衬底(25)的第一表面，在体式衬底(25)的第二表面设置第二导电层(19); (w2)、选择性地掩蔽和腐蚀第二导电层(19)，以得到所需贯通第二导电层(19)的导电层开孔(20 )； (w3)、利用第二导电层(19)及导电层开孔(20)对体式衬底(25)进行反应离子刻蚀，直至形成贯通体式衬底(25)的第二窗口(22);相邻的第二窗口(22)间形成支架(21)，得到所需的体式封盖(3)； (w4)、提供具有金属薄膜(23)的临时衬底(11)，所述体式封盖(3)的第一表面临时衬底(11)键合，以形成第二临时键合体；体式封盖(3)的第一表面与临时衬底(11)的金属薄膜(23)相接触； (w5 )、向上述第二临时键合体喷射电纺液并固化电纺织物，在第二导电层(19 )的表面形成电纺纤维(24)，所述电纺纤维(24)与导电层开孔(20)及第二窗口(22)配合形成探测孔(6 )。
全文摘要
本发明涉及一种用于传感器芯片的开放式封装结构及其制造方法，其包括承载衬底及位于所述承载衬底上的传感器结构；所述承载衬底上键合固定有封装封盖，所述封装封盖包括用于与承载衬底键合连接的封盖基体，所述封盖基体内包括用于容纳传感器结构的腔体；封盖基体与承载衬底键合连接后，传感器结构伸入腔体内；传感器结构的上方设有若干用于探测外界环境的探测孔，所述探测孔与腔体相连通，探测孔的内壁及腔体的内壁均覆盖有防粘层，且所述防粘层覆盖封盖基体与外界接触的对应表面。本发明实现芯片级封装，体积小，能够有效防止环境中的颗粒杂质与油污污染与传感器芯片的接触，与传感器芯片制造工艺兼容，适应范围广，安全可靠。
文档编号B81B1/00GK102838079SQ20121035817
公开日2012年12月26日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者秦毅恒, 明安杰, 张昕, 谭振新 申请人:江苏物联网研究发展中心