包含具有完全周向粘合的膜的传感器的制作方法

本公开涉及膜粘合沟槽，且更具体地讲，涉及包含具有完全周向粘附到基材的膜的化学传感器。

背景技术：

化学传感器可以使用半导体技术制造。半导体制造的使用可以引起化学传感器尺寸的减小以及化学传感器的大规模制造，从而降低每个传感器的单位成本。更一般而言，使用半导体制造来制造传感器产生与其对电路相同或类似的益处：每个传感器的低成本、小尺寸和高度可再现行为。半导体制造还有助于集成信号调节、补偿电路和致动器(即，整个感测和控制系统)，其可以大幅改善传感器性能而几乎不增加成本。

半导体制造技术还提供对层厚度和横向尺寸的精确控制，使得传感器可以小型化，并且因此它们将具有控制良好的特性。通过使传感器变小，可以用少量校准溶液来校准它们。样品体积可能很小(这在测试水时可能并不重要，但在测试诸如来自新生儿的血液样品的其他溶液时可能很重要)。传感器的操作还需要在样品之间进行冲洗，并储存在受控溶液中。如果传感器小型化(因为它们位于硅基材上)，所有这些溶液的体积可以更小。

发明概述

可以使用离子载体掺杂的聚合物膜制造化学传感器，诸如离子选择性电极(ise)。聚合物膜不能很好地粘合到氮化硅表面，所述氮化硅表面通常用于使硅模绝缘并保护硅和其他导电层免受被测溶液和电极与膜之间的内部填充溶液的影响。与氮化硅相比，二氧化硅对聚合物膜提供更高水平的粘合力。然而，二氧化硅吸收水，这使得其是电子器件的不良密封剂。本公开描述聚合物膜与固态液体化学传感器的表面的粘合，从而使传感器更可靠且稳固，并且使传感器具有更久的寿命。

实施方案的各方面涉及一种传感器装置。所述传感器装置可以是离子选择性化学传感器。传感器装置可以包括基材，所述基材包括传感器侧和背侧。传感器侧可以包括传感器侧电极；设置在基材上的第一钝化层；在第一钝化层上且邻近传感器侧电极的第二钝化层，所述第二钝化层包括暴露第一钝化层的一部分的粘合沟槽。背侧可以包括在基材背侧上的背侧电极。基材可以包括电连接传感器侧电极和背侧电极的穿硅通孔(tsv)。

实施方案的各方面涉及一种传感器装置。所述传感器装置可以是离子选择性化学传感器。传感器装置可以包括基材，所述基材包括传感器侧和背侧。传感器侧可以包括传感器侧电极；设置在基材上的第一钝化层；在所述第一钝化层上且邻近所述传感器侧电极的第二钝化层，所述第二钝化层包括暴露第一钝化层的一部分的粘合沟槽，和设置在第二钝化层上的聚酰亚胺环。背侧可以包括在基材背侧上的背侧电极。基材可以包括电连接传感器侧电极和背侧电极的穿硅通孔(tsv)。

实施方案的各方面涉及一种用于形成传感器装置的方法。所述方法可以包括提供硅基材，所述硅基材包括电绝缘掺杂区(与具有sio2的基材电绝缘，硅基材还包括正侧和背侧，所述正侧包括正侧钝化层，所述背侧包括背侧钝化层；蚀刻背侧钝化层的一部分以暴露在硅基材背侧上的电绝缘掺杂区的一部分；在硅基材背侧的电绝缘掺杂区上形成背侧电极；蚀刻正侧钝化层的一部分以暴露在硅基材正侧上的电绝缘掺杂区的一部分；在硅基材正侧上暴露的电绝缘掺杂区的部分上方形成正侧电极；在正侧第一钝化层的至少一部分上形成第二钝化层；蚀刻在传感器侧电极周围的第二钝化层中的沟槽以暴露正侧钝化层的一部分；在沟槽和传感器侧电极之间形成第一环(例如，su-8或聚酰亚胺或其他材料环)；和在沟槽周围形成第二环(例如，su-8或聚酰亚胺或其他材料环)。

在一些实施方案中，第一钝化层包含二氧化硅。

在一些实施方案中，第二钝化层包含氮化硅和任选的二氧化硅。

在一些实施方案中，传感器侧电极包含在银上的氯化银。

在一些实施方案中，背侧电极包含金。

在一些实施方案中，tsv包括与基材的其余部分绝缘的p型掺杂的硅。

在一些实施方案中，第一环限定第一直径，并且其中粘合沟槽限定大于第一直径的第二直径。

一些实施方案还可以包括设置在聚酰亚胺环内的传感器侧电极上的水凝胶缓冲溶液。

在一些实施方案中，聚酰亚胺环是第一聚酰亚胺环，传感器装置包括围绕粘合沟槽和第一聚酰亚胺环的第二聚酰亚胺环。

一些实施方案还可以包括覆盖粘合沟槽并容纳在第二聚酰亚胺环内的聚合物膜。

在一些实施方案中，聚合物膜包含离子载体。

在一些实施方案中，聚合物膜包括离子选择性膜。

在一些实施方案中，聚合物膜接触粘合沟槽内的第一钝化层。

一些实施方案还可以包括设置在第一钝化层的在粘合沟槽内暴露的那部分上的一个或多个粘合层，其中聚合物膜与粘合层接触。

一些实施方案还可以包括在第一聚酰亚胺环内的正侧电极上形成水凝胶内部缓冲液。

一些实施方案还包括在传感器侧电极上方、在沟槽中和在第二聚酰亚胺环内形成聚合物膜。

在一些实施方案中，形成传感器侧电极还可以包括在硅基材正侧上暴露的电绝缘掺杂区上形成铂层；在铂层上形成银层；和在银层上形成氯化银层。

在一些实施方案中，基材包含硅或玻璃或陶瓷中的一种。

附图简述

图1是根据本公开的实施方案的传感器装置的示意图。

图2是根据本公开的实施方案的包括聚合物膜的传感器装置的示意图。

图3是根据本公开的实施方案的传感器装置的自顶向下视图的示意图。

图4是根据本公开的实施方案的包含具有完全周向粘附到基材的膜的化学传感器的示意图。

图5a-b是根据本公开实施方案的用于在传感器装置上形成背侧电极的工艺流程的示意图。

图6a-c是根据本公开的实施方案的用于形成包含具有完全周向粘附到基材的膜的化学传感器的工艺流程的示意图。

发明详述

可以使用离子载体掺杂的聚合物膜制造化学传感器，诸如离子选择性电极(ise)。例如，ise可以使用含有用于检测钾的离子载体缬氨霉素或用于检测钠的4-叔丁基杯[4]芳烃-四乙酸四乙酯的离子选择性聚合物膜。离子载体是分析物的选择性结合位点。聚合物膜在传感器电极和分析物溶液之间建立屏障。聚合物膜有助于将分析物引入离子载体，离子载体结合带电离子，在聚合物膜内部和外部水溶液之间产生电荷分离。可以测量电荷分离以确定特定分析物的存在。

聚合物膜不能很好地粘合到氮化硅表面，所述氮化硅表面通常用于使硅绝缘并保护硅和其他导电层免受被测溶液和电极与膜之间的内部填充溶液的影响。另外，与氮化硅相比，聚合物膜更好地粘合到二氧化硅。

在本公开中，在保护性氮化硅中形成沟槽以暴露二氧化硅钝化层。沟槽围绕整个银/氯化银电极。聚合物膜可以沉积在电极上(或在水凝胶缓冲溶液上)以形成附着到整个电极周围的粘合环的无缝膜。使得银/氯化银电极与从传感器侧到背侧穿过硅基材的导电通孔(例如，穿硅通孔)电接触。

通过使用通过通孔电连接到银/银电极的背侧电极，沟槽(这里也称为粘合沟槽)可以完全环绕有源传感器，从而使膜与表面的粘合性差的区域最小化。聚酰亚胺su-8或其他高纵横比光聚合物可以用于形成结构(例如，聚酰亚胺环)以“容纳”沉积的膜混合物(例如，通过表面张力)。

图1是根据本公开的实施方案的传感器装置100的示意图。图1中所示的示意图未按比率绘制，因为缩放图示将使装置架构最小化。传感器装置100包括基材102。基材102可以包含硅104，例如硅<100>。基材102包括“传感器侧”101和“背侧”103。传感器侧101可以包括传感器侧第一钝化层106，其可以是二氧化硅(sio2)层106。基材背侧103还可以包括背侧钝化层108，其可以是二氧化硅108。术语“层”在整个本公开中使用并且意图包括一层或多层材料，并且不限于意指材料的单层或单个原子层。

硅基材102可以被掺杂以使其导电，或者可以包括电绝缘掺杂区110。电绝缘掺杂区110可以包括p型掺杂剂，诸如硼p型掺杂剂。传感器装置100包括传感器侧电极116和背侧电极112。电绝缘掺杂区110可以将传感器侧电极116与背侧电极112电连接，并且可以通过钝化层(例如，sio2层109)与基材的其余部分电绝缘。该电绝缘掺杂区110可以称为通孔110。

背侧电极112可以包含导电材料，诸如金属。在一些实施方案中，背侧电极112可以包括金(au)。可以通过焊盘114接近背侧电极112。在一些实施方案中，可以在背侧电极上方沉积另一个背侧钝化层113，以保护背侧103免受损坏。背侧钝化层113可以包含氮化硅或二氧化硅。

传感器侧101可以包括传感器侧电极116。通孔110物理且电连接到传感器侧电极116。传感器侧电极可以包含银(ag)和氯化银(agcl)。氯化银对内部填充溶液具有稳定的界面电位和具有所需的欧姆特性。

在一些实施方案中，通孔110物理且电连接到薄铂盘118。铂盘118可以被银完全覆盖。银具有氯化表面，产生银/氯化银电极。

在传感器侧第一钝化层106上是传感器侧第二钝化层120。传感器侧第二钝化层120可以包含氮化硅(si3n4)和二氧化硅(sio2)。作为实例，传感器侧第二钝化层120可以是氮化硅，或者可以包括在氮化硅的顶部的二氧化硅层。

在一些实施方案中，邻近传感器侧电极116的是位于传感器侧第二钝化层120上的聚酰亚胺环结构126a。聚酰亚胺环126a可以是环形或基本上环形的，并且围绕传感器侧电极116。

可以将粘合沟槽122a蚀刻到邻近聚酰亚胺环结构126a的传感器侧第二钝化层120中。粘合沟槽122a可以是第一粘合沟槽122a；多个粘合沟槽诸如第二粘合沟槽122b可以邻近第一粘合沟槽122a形成。第一粘合沟槽122a和第二粘合沟槽122b可以是环形或基本上环形的，并且可以围绕传感器侧电极116(并且在一些实施方案中，围绕聚酰亚胺环126a)。

蚀刻粘合沟槽122a和122b以暴露下面的传感器侧第一钝化层106(即，二氧化硅106)。如上所述，聚合物膜表明对二氧化硅106的粘合性高于对传感器侧第二钝化层120的氮化硅的粘合性。因此，粘合沟槽122a和122b可以促进聚合物膜粘合到传感器装置100。在一些实施方案中，可以将一个或多个粘合促进层124加到二氧化硅表面106以促进聚合物膜粘合。粘合促进层124可以包含硅烷(sih4)或硅烷醇。粘合沟槽122a和122b的形状还可以提供膜与基材的机械粘合。

在一些实施方案中，第二聚酰亚胺环126b可以位于传感器侧第二钝化层120上。第二聚酰亚胺环126b可以是环形或基本上环形的，并且可以包围传感器侧电极116和粘合沟槽122a(和122b或其他，如果存在的话)。

尽管描述为硅基材，但是在一些实施方案中，基材102可以由玻璃或陶瓷或其他合适的材料构成。

图2是根据本公开的实施方案的包括聚合物膜202的传感器装置100的示意图200。图2的示意图200显示增加了聚合物膜202以及水凝胶缓冲溶液204的图1的传感器装置100。在图2中，可以显示第一聚酰亚胺环126a以限定水凝胶缓冲溶液204的尺寸。外聚酰亚胺环126b限定用作传感器装置100的转换器的聚合物膜202的尺寸。

还在图2中显示聚合物膜202填充粘合沟槽122a和122b，并粘合到二氧化硅钝化层106上的粘合促进层124。基于聚酰亚胺环的形状并基于由膜组分和有机溶剂组成的沉积的聚合物膜混合溶液的表面张力，聚合物膜202可以由第二聚酰亚胺环126b“限制”。

显示聚合物膜202与水凝胶缓冲溶液204接触。水凝胶缓冲溶液204可以位于第一聚酰亚胺环126a内并接触电极116。水凝胶缓冲溶液204可以稳定在聚合物膜202和电极116之间的电势。为了提供与聚合物膜202的良好平衡的电接触，可以在银/氯化银电极116和聚合物膜202之间使用水凝胶缓冲溶液204。该基于水凝胶的填充溶液204用高浓度的盐缓冲。当暴露于水溶液时，聚合物膜202水合，并且当水移动通过膜进入水凝胶时，水凝胶缓冲溶液204的高盐含量可以在聚合物膜202上产生相当大的渗透压。

通孔110允许聚合物膜无缝地粘合到传感器装置。粘合沟槽122a(和122b)以及聚合物膜202与传感器装置100的所得无缝粘合防止由水凝胶缓冲溶液204产生的渗透压导致水凝胶缓冲溶液从聚合物膜202下方泄漏出来并围绕膜形成电短路路径。

图3是根据本公开的实施方案的传感器装置100的自顶向下截面图的示意图300。图300显示传感器装置100的自顶向下截面图的图示。中心处是通孔110。在通孔110上方是铂盘118。铂盘118上方是银/氯化银电极116。电极116周围是第一聚酰亚胺环126a。粘合沟槽122a和122b围绕第一聚酰亚胺环126a。第二聚酰亚胺环126b围绕粘合沟槽122a和122b。

图4是包含具有完全周向粘附到基材404的膜402的化学传感器的示意图400。显示膜402与基材404接触，其一部分在图4中示出。膜402覆盖形成化学传感器400的各种结构，不同之处在于背侧接触和背侧钝化层(即，膜覆盖化学传感器的在基材的传感器侧上的所有部件)。例如，膜402包围感测区域406，所述感测区域406可以包含水凝胶内部填充溶液，以及上述金属接触层。膜402还覆盖su-8或聚酰亚胺环(如图4中所示的环408)。膜402还覆盖粘合沟槽410。值得注意的是图4示出膜402使得完全周向粘附到第一钝化层。

图5a-b是根据本公开的实施方案的用于在传感器装置上形成背侧电极的工艺流程的示意图500和550。从图5a开始，图5a是示意性工艺流程图500，其显示用于形成背侧电极的一部分工艺步骤。起始硅基材可以包括二氧化硅的传感器侧第一钝化层、二氧化硅的背侧钝化层和可以用作通孔的电绝缘掺杂区(502)。电绝缘掺杂区可以通过诸如sio2层的钝化层与基材的其余部分(也可以掺杂)电绝缘。可以使用光刻技术蚀刻背侧钝化层以暴露通孔(504)。诸如金的金属沉积在传感器装置的背侧上并使用光刻技术图案化以形成电极(506)，实现从电绝缘掺杂区(通孔)到焊盘的电连接。

来看图5b，图5b是示意性工艺图550，其显示用于形成背侧电极的一部分工艺步骤。可以在基材的背侧上形成保护性钝化层(例如，二氧化硅或氮化硅)以保护背侧并保护背侧电极(508)。可以蚀刻保护性钝化层以在偏离电绝缘掺杂区的位置露出金属背侧电极，以形成偏移焊盘(510)。

穿硅通孔(tsv)(即，在基材的传感器侧和基材的背侧之间的电绝缘掺杂区)可以通过tsv钝化层与基材的其余部分绝缘。该钝化层可以是通过蚀刻技术在基材中形成环形环并氧化在tsv和基材之间的所得空腔而形成的sio2层。

图6a-c是根据本公开实施方案的用于形成包含具有完全周向粘合的膜的化学传感器的工艺流程的示意图。图6a是根据本公开的实施方案的用于形成包含具有完全周向粘合的膜的化学传感器的第一组工艺步骤的示意性工艺流程图600。可以使用光刻技术蚀刻传感器侧第一钝化层(sio2)以暴露电绝缘掺杂区(通孔)的核(602)。可以通过光刻和沉积形成铂盘以覆盖与通孔的接触(604)。传感器侧第二钝化层可以沉积在传感器侧第一钝化层(sio2)和铂盘上(606)。传感器侧第二钝化层可以是氮化硅，并且可以包括二氧化硅顶层。

图6b是根据本公开的实施方案的用于形成包含具有完全周向粘合的膜的化学传感器的第二组工艺步骤的示意性工艺流程图650。可以蚀刻传感器侧第二钝化层以暴露铂盘。诸如银的金属可以沉积在铂上以产生与通孔的电连接(608)。可以将粘合沟槽蚀刻到传感器侧第二钝化层(例如，使用光刻技术)中(610)。可以蚀刻一个或多个粘合沟槽。蚀刻传感器侧第二钝化层以暴露下面的传感器侧第一钝化层(sio2)。在一些实施方案中，可以在沟槽中形成粘合促进材料，以促进聚合物膜粘合到传感器装置的表面。粘合促进材料可以包含硅烷或硅烷醇或其他已知的粘合促进材料。

图6c是根据本公开的实施方案的用于形成包含具有完全周向粘合的膜的化学传感器的第三组工艺步骤的示意性工艺流程图660。可以在传感器侧第二钝化层上将高纵横比的光聚合物诸如聚酰亚胺或su-8图案化成环(612)。聚合物环可以通过诸如2001年1月24日提交的美国专利号6,764,652和2004年4月30日提交的美国专利号7,438,851中描述的那些技术形成，其内容通过引用整体并入。可以邻近电极形成第一聚合物环。可以形成直径比第一聚酰亚胺环大的第二聚合物环。

沉积在铂盘上的银可以进行氯化以形成银/氯化银电极(614)。可以通过将基材浸没在naocl或其他氯化溶液中来实现氯化。结果是银/氯化银电极可以用作传感器装置的传感器侧电极。

本公开中描述的各方面可以采用薄膜制造技术来产生本文所述的装置和结构，和来实现本文描述且对于本领域技术人员而言显而易见的优点。

本公开的优点是显而易见的。使用穿硅通孔连接到微离子选择性电极的优点可以包括以下：

完全周向粘合沟槽可以切穿氮化硅钝化层直至二氧化硅，二氧化硅具有可以共价键合聚合物膜的位点。这种共价键合使聚合物膜在整个表面上具有良好的粘合性，防止内部填充溶液(水凝胶缓冲溶液)和被测溶液之间的泄漏路径，该泄漏将使传感器无法使用。粘合促进剂的使用可以通过与聚合物膜形成更强的共价键来增加粘合力。

在本公开中，用于所有传感器连接(不仅是离子选择性电极)的焊盘可以在芯片的背侧上，这消除了构建微化学传感器的主要挑战：将连接线与测试溶液绝缘。在传统的固态化学传感器中，连接线将芯片连接到印刷电路板，并且必须封装从芯片到板和pcb上的所有导体，使得它们对被测溶液具有极高的阻抗。

微型ise具有非常高的阻抗，因此任何泄漏路径都可能使它们失去平衡，从而导致错误。微离子选择性电极(ise)不再由于氮化硅钝化层中的针孔缺陷而失效，因为消除了芯片正侧上的互连线。

虽然已经详细描述了某些实施方案，但是熟悉本公开所涉及领域的技术人员将认识到用于制造和使用如以下权利要求所述的传感器装置的各种额外和/或替代的设计、实施方案和工艺步骤。