晶圆级超声波感测装置及其制造方法与流程

本申请涉及超声波传递领域，特别是指一种晶圆级超声波感测装置及其制造方法。

背景技术：

随着3c产品的功能越来越方便，智能型手机、平板等智能型电子装置、或是笔记本电脑等已经成为了生活、工作必备的工具。由于现今工作数据、个人资料、甚至金融数据等都会储存于此类的电子产品中，数据的遗失可能造成用户的重大损失。因此，除了传统的账号、密码外，通常会采用用户的生理信息来认证、识别其用户，来达到充分防伪、避免数据流失的功能。

生理信息中，最常使用的方式是指纹辨识，指纹辨识是靠发送超信号至手指，再接收被指纹的波峰波谷反射回来的信号的强弱来辨识指纹。目前以超声波的方式可以得到较好的方式，即使在手指潮湿的条件下，都能有效的辨识。但目前采用的晶圆级的超声波感测元件的制程的良率仍不高，这会直接影响了制作成本及销售价格，若未来要成为3c产品的必要配置组件，则仍有很大的改善空间。

技术实现要素：

在此，提供一种晶圆级超声波感测装置，晶圆级超声波感测装置包括基板组件、超声波元件、第一保护层、第一导电线路、第二导电线路、第二保护层、传导材料、两个电性连接层及两个焊接部。

基板组件包含第一晶圆及第二晶圆，第一晶圆上开设有凹槽，第二晶圆与第一晶圆接合并覆盖凹槽，而界定出中空腔体。超声波元件位于第二晶圆上，且超声波元件与中空腔体的投影在垂直方向上叠合。第一保护层位于第二晶圆的第一表面，且围绕超声波元件。第一导电线路及第二导电线路位于第一保护层上，并分别连接至超声波元件的上表面，其中第一晶圆、第二晶圆、第一保护层及第一导电线路在第一侧表面上共平面；第一晶圆、第二晶圆、第一保护层及第二导电线路在第二侧表面上共平面。

第二保护层覆盖第一导电线路及第二导电线路，第二保护层具有开口，且超声波元件的上表面对应于开口。传导材料位于开口内且接触超声波元件的上表面。两个电性连接层分别设置于第一侧表面及第二侧表面，并连接第一导电线路及第二导电线路。两个焊接部位于第一晶圆的一底面，并分别连接两个电性连接层。

在一些实施例中，超声波元件包括依序堆叠在第二晶圆上的第一压电层、第一电极、第二压电层及第二电极，其中第二压电层及第二电极未覆盖出第一电极的部分上表面，传导材料接触第二电极，且第一电极与第二电极分别与第一导电线路及第二导电线路连接。

在一些实施例中，超声波元件包括第一超声波单元及第二超声波单元。第一超声波单元包含第一压电层及第一电极，第一压电层位于第二晶圆上，且第一压电层及第一保护层具有连通的第一接触孔。第一电极被包覆于第一压电层内，且第一电极的一部分曝露于第一接触孔，第一导电线路的一部分位于第一接触孔中，与第一电极连接。第二超声波单元在垂直第二晶圆的方向上未与第一超声波单元重叠，且第二超声波单元包含第二压电层、第二电路图案层及第二电极。第二压电层位于第二晶圆上，第二压电层与第一压电层为同层且彼此分离。第二电路图案层被包覆于第二压电层内，第二电路图案层与第一电极为同层且彼此分离。第二电极位于第二压电层上，第一保护层具有第二接触孔，第二接触孔与开口连通，第二导电线路的一部分位于第二接触孔中并与第二电极连接，传导材料的一部分填入第二接触孔中，与第二电极接触。

在一些实施例中，传导材料为聚二甲基硅氧烷。

在此，还提供一种晶圆级超声波感测装置的制造方法。晶圆级超声波感测装置的制造方法包括基材准备步骤、接合步骤、超声波元件形成步骤、第一保护层形成步骤、线路连接步骤、第二保护层形成步骤、开口开设步骤、移除步骤、电性连接层形成步骤、焊接部形成步骤、以及传导材料填充步骤。

基材准备步骤是提供第一晶圆及复合基板，第一晶圆开设有凹槽，复合基板包含依序堆叠的第二晶圆、绝缘层、及第三晶圆。接合步骤是阳极接合第二晶圆及第一晶圆，第二晶圆覆盖凹槽，凹槽形成中空腔体。移除步骤是去除绝缘层及其上的第三晶圆，而完成基板组件。

超声波元件形成步骤是形成超声波元件在第二晶圆上，其中超声波元件与中空腔体的投影在垂直方向上叠合，且超声波元件包括第一电极及未与第一电极连接的第二电极。第一保护层形成步骤是形成第一保护层于超声波元件的上表面及第二晶圆的第一表面，第一保护层具有第一接触孔及第二接触孔，第一电极的一部分及第二电极的一部分分别曝露于第一接触孔及第二接触孔。

线路连接步骤是形成第一导电线路及第二导电线路在第一保护层上。部分的第一导电线路及第二导电线路分别设置于第一接触孔及第二接触孔中，而分别连接至超声波元件的第一电极及第二电极。第二保护层形成步骤是形成第二保护层以覆盖第一导电线路及第二导电线路。开口开设步骤是在第二保护层上开设出开口，开口中至少曝露出第二电极的一部分。

移除步骤是移除基板组件的一部分、第一保护层的一部分、第一导电线路的一部分、及第二导电线路的一部分，形成第一晶圆、第二晶圆、第一保护层、第一导电线路共平面的第一侧表面，以及第一晶圆、第二晶圆、第一保护层、第二导电线路共平面的第二侧表面。电性连接层形成步骤是分别在第一侧表面及第二侧表面分别形成电性连接层，电性连接层分别连接第一导电线路及第二导电线路。焊接部形成步骤，在第一晶圆晶板的表面形成两个焊接部，各焊接部叠连接各电性连接层。传导材料填充步骤在开口填入传导材料，传导材料接触超声波元件的上表面。

在一些实施例中，在接合步骤之前还包含研磨步骤，研磨步骤减薄第二晶圆的厚度。

在一些实施例中，在开口开设步骤后还包含载板覆盖步骤，载板覆盖步骤是覆盖载板在第二保护层及开口上，以遮蔽开口；且在焊接部形成步骤后还包含载板移除步骤，以移除载板而曝露出开口。

在一些实施例中，超声波元件形成步骤包括：在第二晶圆上依序形成第一压电层、第一电极、第二压电层及第二电极；以及去除第二压电层及第二电极的一部分，使得第二压电层及第二电极未覆盖第一电极的部分上表面，且开口开设步骤中，还移除在第二电极上方的第一保护层。

在一些实施例中，超声波元件形成步骤包括：在第二晶圆上依序形成第一压电材料层及第一电极材料层；将第一压电材料层及第一电极材料层图案化，以形成彼此分离的第一底压电层及第二底压电层，及分别堆叠在第一底压电层及第二底压电层之上的第一电极及第二电路图案层；在第一电极及第二电路图案层之上依序形成第二压电材料层及第二电极材料层；以及将第二压电材料层及第二电极材料层图案化，以形成彼此分离的第一压电层及第二压电层，及形成在第二压电层上的第二电极，其中第一电极被包覆于第一压电层内，而第二电路图案层被包覆于第二压电层内。

更详细地，在一些实施例中，形成第一保护材料层在第一压电层、第二压电层及第二电极上；以及在第一保护材料层进行穿孔，使第一保护材料层图案化为第一保护层，其中第一保护层包含第一接触孔及第二接触孔，第一接触孔贯穿第一保护层及第一压电层，使第一电极的一部分曝露于第一接触孔中，第二接触孔贯穿第一保护层，使第二电极的一部分曝露于第二接触孔。

在一些实施例中，接合步骤是在一抽真空的环境下进行。

综上所述，晶圆级超声波感测装置通过应用中空腔体及传导材料介质上的差异，使得在其中传递的超声波信号的速度不相同，而能达到信号有效地分辨。此外，通过基板组件的配置及制作方法，能有效地改善对位、接合的稳定度，整体的制作良率能有效的提升，进而减少整体的成本。

附图说明

图1为晶圆级超声波感测装置第一实施例的剖面示意图。

图2为晶圆级超声波感测装置第二实施例的剖面示意图。

图3a至图3o是晶圆级超声波感测装置第一实施例的制造方法对应于各步骤的剖面示意图。

图4a至图4h是晶圆级超声波感测装置第二实施例的制造方法不同于第一实施例的步骤所对应的剖面示意图。

附图标记说明如下：

1晶圆级超声波感测装置10基板组件

10b复合基板101第一侧表面

103第二侧表面11第一晶圆

11b底面111凹槽/中空腔体

13第二晶圆13a第一表面

15绝缘层17第三晶圆

20超声波元件201第一压电材料层

203第一电极材料层205第二压电材料层

207第二电极材料层21第一超声波单元

211第一底压电层213第一电极

215第一压电层22超声波元件

221第一压电层222第一电极

222a上表面223第二压电层

224第二电极224a上表面

23第二超声波单元231第二底压电层

233第二电路图案层235第二压电层

237第二电极30第一保护层

30a第一接触孔30b第二接触孔

41第一导电线路43第二导电线路

50第二保护层55开口

60传导材料71第一电性连接层

73第二电性连接层80焊接部

600载板

具体实施方式

图1为晶圆级超声波感测装置第一实施例的剖面示意图。如图1所示，第一实施例的晶圆级超声波感测装置1包括基板组件10、超声波元件22、第一保护层30、第一导电线路41、第二导电线路43、第二保护层50、传导材料60、第一电性连接层71、第二电性连接层73、以及两个焊接部80。基板组件10为复合的基板，包含第一晶圆11及第二晶圆13，第一晶圆11上开设有凹槽111，第二晶圆13与第一晶圆11通过阳极处理的方式接合并覆盖凹槽111，界定出中空腔体111。在此说明，凹槽111与中空腔体111实质为同一空间，因此采相同的附图标记。

超声波元件22位于第二晶圆13上，更详细地，是位于第二晶圆的第一表面13a上。超声波元件22的投影与中空腔体111的投影在垂直方向上叠合。也就是，超声波元件22的投影与中空腔体111的投影在一虚拟平面上至少一部分相互叠合。

第一保护层30位于第二晶圆13的第一表面13a，且围绕超声波元件22。第一导电线路41及第二导电线路43位于第一保护层30上，并分别连接至超声波元件22的上表面222a、224a，更详细地，第一导电线路41连接至超声波元件22的第一电极222的上表面222a，而第二导电线路43连接至超声波元件22的第二电极224的上表面224a。第一晶圆11、第二晶圆13、第一保护层30及第一导电线路41在第一侧表面101上共平面；而第一晶圆11、第二晶圆13、第一保护层30及第二导电线路43在第二侧表面103上共平面。更详细地，第一侧表面101及第二侧表面103为晶圆级超声波感测装置1的两个倾斜表面，其宽度由第一导电线路41、第二导电线路43朝向第一晶圆11逐渐地缩减。

第二保护层50覆盖第一导电线路41及第二导电线路43，第二保护层50具有开口55，且超声波元件22的上表面224a对应于开口55。传导材料60位于开口55内且接触超声波元件22的上表面224a。第一电性连接层71、第二电性连接层73分别设置于第一侧表面101及第二侧表面103，并分别连接第一导电线路41及第二导电线路43。两个焊接部80位于第一晶圆11的底面11b，并分别连接第一电性连接层71以及第二电性连接层73。焊接部80能焊接至电路板或特用芯片，提供控制晶圆级超声波感测装置1的电性回路。

在第一实施例中，超声波元件22包括依序堆叠在第二晶圆13上的第一压电层221、第一电极222、第二压电层223及第二电极224，其中第二压电层223及第二电极224未覆盖出第一电极222的部分上表面222a。传导材料60接触第二电极224的上表面224a，且第一电极222与第二电极224分别与第一导电线路41及第二导电线路43连接。

更详细地，传导材料60位于开口55内且接触第二电极224的上表面224a的目的在于，使得超声波元件22所产生的超声波信号可以通过传导材料60而更佳地传递至手指。在一实施方式中，传导材料60可以是聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，pdms)，然而，这仅为示例，而非用以限制。

图2为晶圆级超声波感测装置第二实施例的剖面示意图。如图2所示，同时参见图1，第二实施例与第一实施例的差别主要在于超声波元件，第二实施例的超声波元件20包括第一超声波单元21及第二超声波单元23。第一超声波单元21包含第一压电层215及第一电极213。第一压电层215位于第二晶圆13上，且第一压电层215及第一保护层30具有连通的第一接触孔30a，第一电极213被包覆于第一压电层215内，且第一电极213的一部分曝露于第一接触孔30b，第一导电线路41的一部分位于第一接触孔30a中，并与第一电极213连接。更详细地，第一超声波单元21还包含第一底压电层211。第一底压电层211设置在第二晶圆13上，第一电极213堆叠设置在第一底压电层211上，且第一底压电层211及第一电极213被共同包覆于第一压电层215内。

第二超声波单元23在垂直第二晶圆13的方向上未与第一超声波单元21重叠。第二超声波单元23包含第二压电层235、第二电路图案层233及第二电极237。第二压电层235位于第二晶圆13上，第二压电层235与第一压电层215为同层且彼此分离。第二电路图案层233被包覆于所述第二压电层235内，第二电路图案层233与第一电极213为同层且彼此分离。第二电极237位于第二压电层235上，第一保护层30具有第二接触孔30b，第二接触孔30b与开口55连通。第二导电线路43的一部分位于第二接触孔30b中并与第二电极237连接，传导材料60的一部分填入第二接触孔30b中，与第二电极237接触。更详细地，第二超声波单元23还包含第二底压电层231。第二底压电层231设置在第二晶圆13上，第二电极237堆叠设置在第二底压电层231上，且第二底压电层231及第二电极237被共同包覆于第二压电层235内。

在此，在第一实施例与第二实施例的第一底压电层211、第二底压电层233、第一压电层215/221及第二压电层235/223可以使用的材为氮化铝(aln)、氧化锌(zno)、锆钛酸铅(pzt)等压电材料。第一保护层30及第二保护层50的材料可以为二氧化硅(sio2)。另外，第一电极213/222、第二电路图案层233及第二电极237的材料可以为铝(al)、钨(w)、钼(mo)、铂(pt)、金(au)、银(ag)、铜(cu)等导电材料。但这仅为示例，而非用以限制。

图3a至图3o是晶圆级超声波感测装置第一实施例的制造方法对应于各步骤的剖面示意图。晶圆级超声波感测装置的制造方法包括基材准备步骤、接合步骤、超声波元件形成步骤、第一保护层形成步骤、线路连接步骤、第二保护层形成步骤、开口开设步骤、移除步骤、电性连接层形成步骤、焊接部形成步骤、以及传导材料填充步骤。以下将参照图式，解释第一实施例的晶圆级超声波感测装置1的制造方法。

如图3a及图3c所示，基材准备步骤是提供第一晶圆11及复合基板10b，第一晶圆11开设有凹槽111，复合基板10b包含依序堆叠的第二晶圆13、绝缘层15、及第三晶圆17。在此，复合基板10b可以是一双层的绝缘层上硅(silicononinsulator，soi)基板。

如图3d所示，接合步骤是以阳极接合第二晶圆13及第一晶圆11，第二晶圆13覆盖凹槽111，而形成中空腔体111。在一些实施例中，接合步骤是在抽真空的环境下进行，以使中空腔体111呈真空状态。为了考虑产品的厚度，更进一步地，在基材准备步骤之后、接合步骤之前还包含研磨步骤，以减薄第二晶圆13的厚度。研磨步骤可以通过化学机械研磨(chemicalmechanicalpolishing，cmp)来进行减薄，然而，此仅为示例，而非用以限制。如图3e所示，移除步骤是去除绝缘层15及其上的第三晶圆17，而完成基板组件10。在此，例如绝缘层15为二氧化硅时，可以通过以氢氟酸(hf)酸洗蚀刻的方式，去除绝缘层15，还同时移除其上的第三晶圆17。

参阅图3f及图3g，同时参见图1，在第一实施例的超声波元件形成步骤是形成超声波元件22在第二晶圆13上，其中超声波元件22的投影与中空腔体的投影在垂直方向上叠合，且超声波元件22包括第一电极222及未与第一电极222连接的第二电极224。

更详细地，在第一实施例中，是在第二晶圆13上先依序形成第一压电层221、第一电极222、第二压电层223及第二电极224。接着去除第二压电层223及第二电极224的一部分，使得第二压电层223及第二电极224未覆盖第一电极222的部分上表面222a。在一些实施例中，在移除第二压电层223及第二电极224时，也可以移除第一压电层221、第一电极222的一部分。

如图3h所示，第一保护层形成步骤是形成第一保护层30在超声波元件22的上表面222a、224a及第二晶圆13的第一表面13a。第一保护层30具有第一接触孔30a及第二接触孔30b。第一电极222的一部分及第二电极224的一部分分别曝露于第一接触孔30a及第二接触孔30b。第一保护层形成步骤可以通过先涂布保护层材料，再以钻孔、激光开口等方式形成第一保护层30。

如图3i所示，线路连接步骤是形成第一导电线路41及第二导电线路43在第一保护层30上。部分的第一导电线路41及第二导电线路43分别设置于第一接触孔30a及第二接触孔30b中，而分别连接至超声波元件22的第一电极222及第二电极224。如图3j所示，第二保护层形成步骤是形成第二保护层50以覆盖所述第一导电线路41及所述第二导电线路43。在一些实施例中，第二保护层50与第一保护层30可以为同一材料。

如图3k所示，开口开设步骤是在第二保护层50上开设出开口55，开口55中至少曝露出第二电极224的一部分。更详细地，开口开设步骤中，开口还移除在第二电极224上方的第一保护层30而使得第二电极224的上表面224a曝露出。

如图3m所示，移除步骤是移除基板组件10的一部分、第一保护层30的一部分、第一导电线路41的一部分、及第二导电线路43的一部分，形成第一晶圆11、第二晶圆13、第一保护层30、第一导电线路41共平面的第一侧表面101，以及第一晶圆11、第二晶圆13、第一保护层30、第二导电线路43共平面的第二侧表面103。在此，第一侧表面101及第二侧表面103为晶圆级超声波感测装置1的两个倾斜表面，其宽度由第一导电线路41、第二导电线路43朝向第一晶圆11逐渐地缩减。

在一些实施例中，为了确保移除时的机械强度，在移除步骤之前，可以如图3l所示，在开口开设步骤后还包含载板覆盖步骤，载板覆盖步骤是覆盖载板600在第二保护层50上，以遮蔽开口55。

如图3n所示，电性连接层形成步骤是分别在第一侧表面101及第二侧表面103分别形成第一电性连接层71及第二电性连接层73。第一电性连接层71及第二电性连接层73分别连接第一导电线路41及第二导电线路43。最后如图3o所示，焊接部形成步骤，在第一晶圆11的底面11b形成两个焊接部80，焊接部80分叠连接第一电性连接层71及第二电性连接层73。传导材料填充步骤在开口55填入传导材料60，传导材料60接触超声波元件22的上表面224a。更详细地，接触到第二电极224的上表面224a。在覆盖有载板600的实施例中，焊接部形成步骤后还包含载板移除步骤，以移除载板600而曝露出开口55。

图4a至图4h是晶圆级超声波感测装置第二实施例的制造方法不同于第一实施例的步骤所对应的剖面示意图。第二实施例与第一实施例主要的差异在于超声波元件22的部分，而与第一实施例在超声波元件形成步骤之前的基材准备步骤、接合步骤大致雷同于图3a至图3e，在移除步骤、电性连接层形成步骤、焊接部形成步骤、以及传导材料填充步骤也大致雷同于图3m至图3o，在此将不再赘述，仅针对与第一实施例有差异之处来进行说明。

如图4a所示，第二实施例的超声波元件形成步骤包括：在第二晶圆13上依序形成第一压电材料层201及第一电极材料层203。接着如图4b所示，将第一压电材料层201及第一电极材料层203图案化，以形成彼此分离的第一底压电层211及第二底压电层231，及分别堆叠在第一底压电层211及第二底压电层231之上的第一电极213及第二电路图案层233。

如图4c所示，在第一电极213及第二电路图案层233之上依序形成第二压电材料层205及第二电极材料层207。此时，第二压电材料层205及第二电极材料层207覆盖第一底压电层211、第二底压电层231、第一电极213及第二电路图案层233。

接着如图4d所示，将第二压电材料层205及第二电极材料层207图案化，以形成彼此分离的第一压电层215及第二压电层235，及形成在第二压电层235上的第二电极237。此时，第一电极213被包覆于第一压电层235内，而第二电路图案层233被包覆于第二压电层235内。如此，形成第一超声波单元21及第二超声波单元23。

接着如图4e所示，在第二实施例的第一保护层形成步骤如同第一实施例，形成第一保护材料层在第一压电层215、第二压电层235及第二电极237上。并对第一保护材料层进行穿孔，而图案化为第一保护层30。第一保护层30包含第一接触孔30a及第二接触孔30a，第一接触孔30a贯穿第一保护层30，还贯穿第一压电层231，使第一电极213的一部分曝露于第一接触孔30a中，第二接触孔30b贯穿第一保护层30，使第二电极237的一部分曝露于第二接触孔30b。

接着如图4f所示，如同第一实施例，线路连接步骤是形成第一导电线路41及第二导电线路43在第一保护层30上。部分的第一导电线路41及第二导电线路43分别设置在第一接触孔30a及第二接触孔30b中，而分别连接至超声波元件20的第一电极213及第二电极237。

如图4g所示，第二保护层形成步骤是形成第二保护层50以覆盖所述第一导电线路41、第二导电线路43、及未连接第二导电线路43的第二电极237。最后如图4h所示，开口开设步骤是在第二保护层50上开设出开口55，开口55中至少曝露出第二电极224的一部分。更详细地，开口55还曝露出第一导电线路41、第二导电线路43。在此之后可以参照图3m至图3o，继续移除步骤、电性连接层形成步骤、焊接部形成步骤、以及传导材料填充步骤而完成如图2所示的第二实施例的晶圆级超声波感测装置1。

如同前述的各个实施例，晶圆级超声波感测装置1通过应用中空腔体111及传导材料60介质上的差异，使得在其中传递的超声波信号的速度不相同，而能达到超声波信号有效地分辨。此外，通过基板组件10的配置及制作方法，能有效地改善对位、接合的稳定度，整体的制作良率能有效的提升，进而减少整体的成本。