制造半导体裸片的方法、半导体裸片、封装件以及电子系统与流程

本公开涉及用于制造包括过滤模块的半导体裸片的方法、包括过滤模块的半导体裸片、容纳该半导体裸片的封装件以及容纳该封装件的电子系统。

背景技术：

以已知方式，mems(微电子机械系统)类型的声换能器(具体是麦克风)包括：膜敏感结构，被设计为将声压波(声波)转换成电量(例如，电容变化)；以及读取电子设备，被设计为对所述电量执行适当的处理操作(其中包括放大和过滤操作)，以提供表示所接收的声压波的电输出信号(例如，电压)。在mems敏感结构使用电容感测原理的情况下，其通常包括移动电极，移动电极作为隔膜或膜而获得、布置为面向固定电极，以提供具有可变电容的感测电容器的板。移动电极通过其第一部分(通常在周界处)固定至结构层，而其第二部分(通常在中心)响应于由入射声压波施加的压力自由移动或弯曲。因此，移动电极和固定电极形成电容器，并且构成移动电极的膜的弯曲根据将被检测的声信号而引起电容的变化。

参考图1，示出了以三轴坐标系统x、y、z所表示的声换能器设备19。声换能器设备19包括第一裸片21，该裸片集成了设置有膜2的mems结构1，具体是mems声换能器(麦克风)，膜2是移动的并且由导电材料制成，其面向刚性板3(本术语是指与柔性的薄2相比相对刚性的元件)。刚性板3包括面向膜2的至少一个导电层，使得膜2和刚性板3形成电容器的面对板。刚性板3和膜2形成用于将声波转换成电信号的换能结构，尤其是声学换能结构。

备选地，可通过不同的技术(例如，使用压电元件或压阻元件)获得换能结构(悬置在腔6之上的膜的形式)。

根据入射声压力波的而经历变形的膜2至少部分地悬置在结构层5之上并且直接面对腔6，通过在与结构层5的后表面5b(后部5b与布置在膜2附近的结构层5的前表面5a相对)对应的区域中进行蚀刻而得到腔体6。

mems结构1与集成处理电路或asic(专用集成电路)22’的半导体材料的另一裸片22一起容纳在封装20的内腔8中。asic22’通过导电体25’电耦合至mems结构1，该导电体25’连接第一和第二裸片21、22的相应焊盘26’。第一和第二裸片21、22并排耦合在封装件20的基底23上。例如，第一裸片21通过粘合层在结构层5的后表面5b上耦合至基底23；类似地，第二裸片22在其后表面22b上耦合至基底23。asic22’形成在第二裸片22的与后表面22b相对的前表面22a上。

在基底23中设置适当的金属化层和通孔(未详细示出)，用于将电信号朝向封装件20的外部路由。在第二裸片22的焊盘26”和基底23的相应焊盘26”之间设置通过线接合技术而得到的其他电连接25”。

与基底23进一步耦合的是封装20的壳体27，其将第一和第二裸片21、22包围在其中。所述壳体27可以由预模制金属或塑料制成。

例如，导电连接盘形式的电连接元件29被设置在基底23的底侧(向外暴露的一侧)，用于焊接和电连接至印刷电路。

基底23还具有通孔开口或孔28，其将第一裸片21的腔体6布置为与封装20的外部环境流体连通。通孔开口(以下称为“声端口”)28能够从封装20外部引入气流和声压波，它们作用于膜2而引起膜2的偏转。

以已知方式，声换能器的灵敏度取决于mems结构1的膜2的机械特性，并且进一步取决于膜2和刚性板3的装配。此外，通过腔体6得到的声室体积直接影响声学性能，确定声换能器的共振频率。

因此，对mems声换能器的装配施加了许多限制，这使得其设计特别有问题，特别在期望非常紧凑尺寸的情况下，诸如在便携式应用的情况下。

为了至少部分地保护腔体6和膜2不受灰尘和/或水和/或其他可能穿过通孔28的碎片的影响，由此减小腔体6的有效尺寸和/或形成漏电路径并由此危及声换能器的性能，已知提供位于封装20外且面向声端口28(与其相距一定距离)的过滤器(仅在图1中示意性示出并由参考符号30指定)。例如，所述过滤器30耦合至容纳封装件20的便携式设备(例如，手机)的保护壳。

具体地，在便携式应用的情况下，封装件20容纳在便携式设备本身的保护壳内，使得声端口28又面对通过过滤器30自身穿过便携式设备的保护壳制造的相应通孔开口或孔。目前使用的过滤器手动安装在便携式设备的保护壳上，从而相对于实际操作规范而言，过滤器过大，除了明显的膜2和刚性板3之外这是专门用于保护腔体6的。

此外，过滤器30防止污染颗粒通过便携式设备的保护壳形成的孔进入，但不能解决由来自不同来源的灰尘颗粒或其他碎片而引起的污染问题(例如，由于保护壳的密封性不好)。

类似地已知，如图2所示且在美国专利第9,769,554号中描述了使用硅过滤器32或者过滤模块，其包括形成在基底23和第一裸片21之间布置的具有通孔开口的编织物的织物。后一种技术方案在中间制造和组装步骤(即，在便携式设备中安装封装的步骤)期间提供了对污染物的保护。然而，在这两种情况下并且通常对于已知类型的过滤器，过滤器的厚度影响声换能器19的声学性能，影响信噪比(snr)。另一方面，过滤器的最小厚度不仅取决于技术限制，而且还取决于对过滤器的结构坚固性的要求，在将其物理耦合至衬底和/或容纳mems结构的裸片的步骤期间，过滤器不应受到损坏或破坏。换言之，过滤器应该具有可以安全操作的厚度。

与现有技术相关联的其他问题涉及以下事实：过滤模块在设备制造的高级步骤中耦合至mems结构，使得mems结构在过滤器定位之前的整个时间内受到可能污染颗粒的影响。

因此，期望提供一种制造方法，其中过滤器的厚度不受用于处理过滤器本身的工具所施加的厚度要求的限制，使得过滤器的厚度仅受用于有效制造过滤器的技术的限制。因此，可以使对包括所述过滤器的声换能器的信噪比(snr)的影响最小化。

此外，期望提供一种制造方法，其将使换能器的mems结构从制造的第一步起就得到保护，使得可能的污染颗粒不对mems结构本身的操作产生影响。

技术实现要素：

一个或多个实施例的公开的目的在于一种用于制造包括过滤模块的半导体裸片的方法，半导体裸片包括过滤模块、容纳半导体裸片的封装以及容纳封装的电子系统。在至少一个实施例中，过滤模块为集成类型。根据本发明的一个方面，半导体裸片是声换能器设备(例如，麦克风)。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在参照附图仅通过非限制性示例描述其优选实施例，其中：

图1和图2示出了根据已知类型的实施例的容纳设置有防颗粒过滤器的相应mems声换能器的相应封装件的侧视图；

图3以侧视图示出了根据本公开实施例的容纳设置有集成防颗粒过滤器的mems声换能器的封装件；

图4a和图4b是图3的封装件的一部分的顶视图；

图5a至图5d以侧视图示出了根据本公开实施例的用于制造设置有集成防颗粒过滤器的mems声换能器的步骤；

图6a至图6e以侧视图示出了根据本公开又一实施例的用于制造设置有集成防颗粒过滤器的mems声换能器的步骤；

图7示出了根据本公开的声换能器设备的电子系统；以及

图8至图10示出了根据相应实施例的作为彼此替代或图5b的步骤的替代的制造工艺的相应步骤。

具体实施方式

图3以侧视图示出了根据本公开的一个方面的声换能器设备51。图3中的声换能器设备51与图1和图2中的声换能器设备19相同的元件由相同的参考标号指定，并且不再进行进一步的描述。

更详细地，图3的声换能器设备51包括由基底(基底)23和覆盖元件27形成的封装件50。覆盖元件27基本上呈杯状，并且耦合至基底23以形成封装件50的腔体或内部空间8。贯穿基底23的厚度制造通孔开口28，其被设计为布置第一裸片21的腔体6与封装件50的外部环境进行声通信。以下，通孔开口28还将被称为“声端口”，并且第一裸片21的腔体6还将被称为“声室”。此外，术语“声通信”在这里与“直接声通信”的含义一起使用，在这个意义上，一般声波或声压波在被认为使用传播空气(或者可能的气体或气体混合物，从声传播的角度来看相当于空气)的唯一介质的环境中传播。

声室6的延伸部(在水平面xy中)大于声端口28的对应延伸部(也在水平面xy中)，使得声端口28完全与声室6通信，而没有直接出口到封装件50的内部空间8。

根据本公开的一个方面，第一裸片21的声室6仅通过在声端口28和第一裸片21的声室6之间延伸的过滤模块52与声端口28进行声通信。更具体地，过滤模块52在基底23和结构层5之间延伸。更具体地，过滤模块52延伸作为结构层5的继续，而在结构层5和过滤模块52之间不布置任何额外的中间层。换句话说，过滤模块52无缝地延伸作为结构层5的延长部；即，过滤模块52和结构层5形成整体块。

为了清楚描述，过滤模块52可功能地分为支撑部分54和过滤部分56，它们相互共面且一个接一个地延伸而不中断。支撑部54在一侧与基底23接触且在另一侧与结构层5接触，而过滤部56在对应于声端口28的位置延伸，并且形成用于使来自声换能器设备51的外部环境且被引导朝向声室6的污染颗粒的过滤接口。在这种情况下，支撑部分54与结构层5直接接触而不中断。

过滤模块52的延伸部(在水平面xy中)大于声端口28的对应延伸部(也在水平面xy中)，使得声端口28被过滤模块52完全包围(也在水平面xy中查看)。

根据本公开的一个方面，过滤模块52，尤其是过滤部分56具有均匀的厚度，例如包括在1μm和100μm之间，具体是5μm，并且具有多个通孔开口，使得被引导朝向声室6的声波不被中断，或者没有由于过滤模块52的存在而显著劣化。

过滤模块52可由与半导体器件的制造工艺兼容的任何材料制成，尤其是绝缘材料(诸如二氧化硅或氮化硅)或半导体材料(诸如单晶硅或多晶硅)，或者可替代地由与半导体器件的制造工艺兼容的任何其他材料制成。

在非限制性实施例中，基底23由多层结构形成，由一层或多层导电材料(通常为金属)组成，一层或多层导电材料由一个或多个介电层(例如，由bt(双马来酰三嗪)层压板构成)隔开。电气路径49通过基底23设置，用于将其面向内部空间8的内表面23a连接至其面向外部环境(支持电连接元件29)的外表面23b。电连接元件29尤其以连接盘的形式得到。在所谓lga(连接盘网格阵列)封装的情况下，如图2所示的情况。备选地，连接盘29可以被球或凸块的阵列所取代，得到所谓的bga(球网格阵列)封装件。

根据不同的实施例，基底23一般不包括金属或导电材料层，例如，由塑料材料制成。

覆盖元件27也可以由多层(例如，包括一个或多个塑料和/或金属层)形成，并且可以在其面向内部空间8的内表面27a上呈现金属涂层(未示出)，以提供电磁屏蔽。备选地，覆盖元件27完全由金属制成。

覆盖元件27进一步耦合至基底23，以便密封内部空间8。

以图中未示出的方式，第一耦合层在基底23的内表面23a和第一裸片21之间延伸。第二耦合层在基底23的内表面23a和过滤模块52之间延伸。在一个实施例中，第一和第二耦合层重合并形成单个耦合层，例如通过优选地施加非导电胶而得到。又一对应的耦合层(例如，优选地，非导电胶或双粘合带)以图中未示出的方式在基底23的内表面23a和第二裸片22之间延伸。

图4a是声换能器设备51的一部分在xy平面中的顶视图。具体地，图4a示出了过滤模块52相对于结构层5的布置。这里，过滤模块52具有平行六面体形状。此外，如前所述，过滤部分56具有多个过滤开口58，例如具有1μm和10μm之间(具体是5μm)的直径的圆形截面。从而，具有大于为过滤开口58选择的直径的至少一个尺寸(长度、宽度或厚度)的任何污染颗粒(例如，灰尘)被阻挡从腔6的外部环境朝向腔6的内侧传送(或者在任何情况下都很难通过)。具有大于为过滤开口58选择的直径的所有尺寸(长度、宽度和厚度)的污染颗粒都被过滤开口58完全过滤。

在其他实施例(未图示)中，过滤开口58可具有多边形截面，其尺寸使得内接在多边形中的圆周具有包括在为上述圆形截面指定的相同范围内的直径。因此，过滤部分56防止尺寸大于上述直径的污染颗粒通过。

过滤开口58可以矩阵配置进行布置，其中彼此相邻的过滤开口58彼此隔开一定距离(在相应质心之间的水平面xy中测量)，该距离在3μm和15μm之间，特别是7μm。在其他实施例中，过滤开口58可以不规则的方式布置。

具体地，过滤开口58在过滤模块52/过滤部分56的中心区域中延伸，在顶视图中基本与通孔28对准。

通常，选择过滤开口58的数量，以最大化过滤开口58的面积(在水平面xy中测量)之和与过滤模块52的悬置部分的面积(在水平面xy中测量，限于在过滤开口58周围延伸，即环绕过滤部分56的固体部分延伸的过滤模块52的区域)之间的比率。例如，过滤开口58的面积之和与过滤模块52的悬置部分的面积之间的比率包括在0.3和0.7之间，具体是0.45。该比率与过滤开口58的体积之和与过滤模块52的剩余悬置部分的体积的比率一致。

图4b是根据本公开实施例的声换能器设备51的一部分的示意性顶视图(在平面xy中)，其是图4a的替代。

在图4b的实施例中，过滤模块52具有棱镜形状，其具有多边形基底(例如，八角形)。

图5a至图5d示出了用于制造声换能器51的方法，特别参考用于制造直接耦合或接合到结构层5的过滤模块52的步骤，使得过滤模块52延伸作为结构层5的延长，而不在它们之间布置任何附加的中间层(即，它们形成整体块)。

参考图5a，提供了包括mems结构1的晶圆100，该结构处于中间制造步骤(本身已知)。这里，mems结构1处于用于制造参照图1所述类型的mems麦克风的半成品状态，即在膜2和刚性板3嵌入并通过一个或多个牺牲层60(例如，氧化硅)彼此约束的步骤中。此外，在该中间制造步骤中，结构层5已被加工以移除其中的选择部分，从而至少部分地形成声腔6。

参照图5b，通过已知类型的晶圆-晶圆接合技术将晶圆100接合至另一晶圆110(具体是半导体材料，这里为硅)。具体地，晶圆100与晶圆110结合，使得晶圆110的表面110a布置为直接面向mems结构1的结构层5的后表面5b。该接合步骤根据直接接合或熔合接合的方法执行。

为此，在没有附加中间层的情况下，晶圆110布置为与晶圆100直接接触。接合处理基于两个接触面之间的化学键的创建。为此，两个表面都应清洁、平整且不呈现表面粗糙度。

更详细地，执行晶圆110的预处理步骤，这包括减小晶圆110的厚度以使其在方向上包括10和100μm之间的厚度，例如通过研磨步骤后跟减小表面粗糙度的可选抛光步骤。任选地，在结构层5的区域中，可以对晶圆100执行类似的抛光步骤。

晶圆100和晶圆110布置为彼此接触，用于在室温下执行预接合步骤，可施加几千牛顿的力，例如在1kn和10kn之间。可以跳过该步骤。

使晶圆100和晶圆110彼此接触(可能通过在其上施加几千牛顿范围内的压力，例如1kn和10kn之间)且在300℃和500℃之间的温度下，执行高温下的退火。

对晶圆110及/或晶圆100的上述预处理可包括表面活化的步骤(例如，等离子体处理或cmp)，可用于促进晶圆100、110之间的稳定接合。

关于图5c，执行晶圆110的掩模蚀刻。使用适当成形的光刻掩模，在其与表面110a相对的表面110b处执行掩模蚀刻，其中光刻掩模的形状使得晶圆110的选择部分在将形成过滤部分56的过滤开口58的区域中被暴露。

晶圆100的掩模蚀刻经由已知类型的表面微加工技术执行，其使用蚀刻化学剂选择性地去除衬底101(这里为硅)的材料而不去除牺牲层60(这里为氧化硅)和结构层5的材料。从而，在晶圆110的掩模蚀刻结束时，得到过滤模块52，过滤模块设置有对应于先前所述过滤开口58的通孔。过滤部分56的厚度由晶圆110的厚度表示。

参考图5d，通过去除牺牲层60(例如，通过湿蚀刻)释放mems结构1的悬置元件的步骤(在所述牺牲层60由氧化硅制成的情况下，在hf槽中)。

对由晶圆100和过滤模块52形成的堆叠进行锯切的后续步骤(未示出)(分离步骤)能够使第一裸片21与在先前步骤期间形成的其他元件(具体是相同类型的其他裸片)隔离。

图6a至图6e示出了根据本公开的又一实施例的作为图5a至图5d的备选的用于制造声换能器51的工艺。本文描述的制造工艺具体参照过滤模块52的制造步骤，该过滤模块52直接耦合或接合至结构层5，使得过滤模块52延伸作为结构层5的延长部，而不在它们之间布置任何附加的中间层(即，它们形成整体块)。

参考图6a，提供了包括mems结构1的晶圆200，该结构处于中间制造步骤(本身已知)。这里，mems结构1处于用于制造参照图1所述类型的mems麦克风的半成品状态，即处于膜2和刚性板3嵌入并通过一个或多个牺牲层60(例如，氧化硅)彼此约束的步骤。此外，在该中间制造步骤中，结构层5已被机加工以去除其选择部分，从而至少部分地形成腔体6。

参考图6b，提供soi(绝缘体上硅)堆叠210，其以本身已知的方式包括在第一衬底212和第二衬底213(例如，均为硅)之间布置的中间层211(具体为氧化硅)。

根据本公开的一个方面，soi堆叠210的第二衬底213的厚度包括在1μm和100μm之间，具体是5μm，即等于过滤模块52(更具体地，过滤部分56)期望的厚度。此外，通过光刻和掩模蚀刻步骤对soi堆叠210的第二衬底213进行加工，以形成多个通孔开口216。这些开口的形状和尺寸根据规范选择，具体与过滤开口58的尺寸规范相对应。实际上，在随后的制造步骤中，通孔216将形成过滤开口58。

参照图6c，将soi堆叠210接合至晶圆200，使得第二衬底213与结构层5直接接触，并且先前形成的通孔开口216直接面对腔体6。在没有进一步中间耦合层的情况下，将soi堆叠210机械地接合至晶圆200。例如，可以使用直接接合或熔合接合技术，如前参照图5b所述。

参照图6d，去除第一衬底212(例如，经由研磨工艺与硅蚀刻工艺的组合，将中间层211用作蚀刻停止层)，由此暴露中间层211。

参照图6e，进行湿蚀刻，具体在hf槽中，以同时去除中间层211和牺牲层60，由此释放mems结构1的悬置元件并形成过滤模块52。

以图中未示出的方式，对由晶圆200和刚刚形成的过滤模块52形成的堆叠执行锯切或分离步骤，以得到第一裸片21。

图7示出了根据本公开的使用声换能器设备51的电子系统400。

除声换能器设备51外，电子系统400还包括微处理器(cpu)401、连接至微处理器401的存储块402和输入/输出接口403(例如键盘和/或显示器)，输入/输出接口403也连接至微处理器401。

声换能器设备51与微处理器401通信，具体地，发送被与第一裸片21的mems感测结构相关联的第二裸片22的asic22”处理的电信号。

例如，电子系统400是移动通信设备、手机、智能手机、计算机、平板电脑、pda、笔记本，但也包括录音机、具有录音能力的音频文件播放器、视频游戏机或其他类型的电子设备。

通过本文所述和所示的本公开的特征的检查，可以明显看出其所提供的优势。

例如，将过滤模块52的厚度最小化，并将其与mems结构1完全集成，这使得过滤模块52对声换能器设备的信噪比的影响可以忽略不计。

此外，过滤模块52的厚度减小能够减小过滤模块52对声换能器设备的声学性能的影响。

此外，与现有技术相比，可以将过滤模块52集成到声换能器设备中，具有更大的灵活性。

此外，在固定耦合至mems结构之后，过滤模块在设备离开前端生产工厂之前立即保护mems结构不受污染颗粒的影响。因此，在运输和组装步骤中，mems结构也受到保护。

此外，在组装期间，除了已经设想在其封装中组装mems结构之外，无需额外的制造工艺。

最后，明显地，可以对本文所述和所示的公开进行修改和变更，而不背离本披露的范围。

例如，图5b的步骤(通过直接接合或熔合接合将晶圆100接合至另一晶圆110的步骤)可以设想晶圆100与晶圆110之间存在一个或多个氧化硅层(sio2)。

关于这点，图8示出：在与图5b相同的制造步骤中并且根据本公开的进一步实施例，晶圆110呈现在表面110a(即，表面110a是氧化硅层70的表面)处延伸的氧化硅层70。晶圆110接合至晶圆100，使得所述氧化硅层70被布置为直接面向mems结构1的结构层5的后表面5b并且与其接触。本身已知类型的直接接合或熔合接合步骤或者根据前面参照图5b描述的步骤在晶圆100和110之间提供稳定的耦合，或者更精确地，在氧化硅层70和表面5b的硅之间提供稳定的耦合。在创建图5c的过滤开口58的后续步骤中，氧化硅层作为蚀刻停止层操作，并且在已经参照图5d描述的湿蚀刻步骤(例如，在hf中)期间被去除。

根据本公开的又一实施例，如图9所示，晶圆100具有在表面5b处延伸的氧化硅层71(即，表面5b是氧化硅层71的表面)。晶圆110接合至晶圆100，使得氧化硅层71被布置为直接面向晶圆110的表面110a并与其接触。本身已知类型的直接接合或熔合接合步骤或者根据前面参照图5b已经描述的，在晶圆100和110之间提供稳定的耦合，更精确地，在氧化硅层71和表面110a的硅之间提供稳定的耦合。

根据本公开的又一实施例(如图10所示)，晶圆100和晶圆110具有分别形成表面5b、110a的相应氧化硅层71、70。晶圆110接合至晶圆100，使得相应氧化硅层70、71被布置为相互直接面对并接触。本身已知类型的直接接合或熔合接合步骤或者根据先前参考图5b描述的步骤在晶圆100和110之间提供稳定的耦合，或者更精确地，在氧化硅层70和71之间提供稳定的耦合。在创建图5c的过滤开口58的后续步骤中，晶圆110所承载的氧化硅层作为蚀刻停止层操作，并且在已经参考图5d描述的湿蚀刻步骤(例如，在hf中)期间被去除。

本文所述的变型实施例同样适用于图6a至图6e的实施例，其中从soi晶圆开始获得过滤器。

根据本公开的进一步变型，过滤模块52可以在平面xy中的平面图中具有不同的形状，例如圆形或椭圆形或一般的多边形或者具有圆角的多边形。

此外，可以在图5a至图5d的制造工艺和图6a至图6e的制造工艺中执行附加步骤，以在过滤部分56的表面上形成疏水材料层(例如sio2)，过滤部分56在使用中面向声端口28。例如，参照图6d，如果中间层211由疏水材料制成，则其可能无法完全去除。

此外，参照先前描述的所有实施例，可以设想在过滤部分56的表面上集成导电路径，过滤部分56在使用中面向声端口28。与过滤模块52外的偏置装置的适当连接路径可集成在基底23中，并且用于静电偏置过滤部分56，以赋予过滤模块52疏水特性。为此，基底23可以是lga类型的衬底，包括内芯和在芯的相对面上延伸的一个或多个金属层。例如，芯由刚性介电材料(例如，fr4)的裸片定义。

此外，可以将设置有过滤模块52的第一裸片21布置在基底23的凹部中，以进一步减少封装内沿z方向的空间占用。

最后，对于前面描述的每个实施例，可以设想mems声换能器设备的不同配置，具体是关于组成元件的几何形状。在封装件内的空间允许的情况下，除mems声学感器外，多个mems传感器可容纳在同一封装件内，每个传感器可设置有需要与外部环境通信的敏感元件。可进一步提供又一些集成电路(例如，asic)并容纳在同一封装件内。

可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。可根据上文的详细描述对实施例进行这些和其他更改。一般而言，在下列权利要求中，所用术语不应解释为将权利要求限于说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而是应该解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等效物的全部范围。因此，权利要求不被本公开限制。