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CN107121475B - 传感器的制造方法及传感器 - Google Patents

传感器的制造方法及传感器 Download PDF

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CN107121475B CN201610104382.1A CN201610104382A CN107121475B CN 107121475 B CN107121475 B CN 107121475B CN 201610104382 A CN201610104382 A CN 201610104382A CN 107121475 B CN107121475 B CN 107121475B
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Abstract

本发明提供一种传感器的制造方法和传感器，所述方法包括以下步骤：提供具有模穴的模具。在模穴中配置至少一芯片。芯片具有相对的主动面与背面；主动面朝向模穴的底面。将高分子材料填入模穴中，以覆盖芯片的背面。进行热处理，使得高分子材料固化为高分子基板；进行脱模处理，使得高分子基板从模穴分离出来；在高分子基板的第一表面上形成多条导线；导线与芯片电性连接。以降低制造成本，进而提升商业产品竞争力。

Description

传感器的制造方法及传感器
技术领域
本发明是有关于一种传感器的制造方法及传感器，且特别是有关于一种整合芯片在高分子基板中的传感器的制造方法及传感器。
背景技术
系统级封装(System in Package，简称为：SiP)是指将一个系统或子系统的全部或大部分电子功能整合在一个基板中。举例来说，系统级封装可包括多种芯片，其可以2D或3D堆叠方式接合(bonded)到所述基板上。所述芯片可例如是处理器、动态随机存取存储器(DRAM)、快闪存储器结合其他被动元件(如电容器、电阻器等)。因此，系统级封装只需要加入极少的外部元件即可运作。对于现今越来越微型化的电子产品而言，系统级封装不仅具有缩小封装体积、重量的功效，还可降低功耗。
一般而言，场效应管(Field-Effect Transistor，简称为：FET)是一种利用电场效应来控制电流大小的半导体元件，由于场效应管具有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等优点，因此，其应用范围较广。举例来说，场效应管可应用在传感器上，其包括气体传感器或是生物传感器等。然而，当场效应管应用在生物传感器时，传统硅晶圆制造需耗费较多的成本，且具有较低的晶圆面积利用率。
发明内容
本发明提供一种传感器的制造方法及传感器，其可整合芯片在高分子基板中，以降低制造成本，进而提升商业产品竞争力。
本发明提供一种传感器的制造方法，包括以下步骤。提供具有模穴的模具。在模穴中配置至少一芯片。芯片具有相对的主动面与背面。主动面朝向模穴的底面。将高分子材料填入模穴中，以覆盖芯片的背面。进行热处理，使得高分子材料固化为高分子基板。进行脱模处理，使得高分子基板从模穴分离出来。在高分子基板的第一表面上形成多条导线。导线与芯片电性连接。
在本发明的一实施例中，在形成上述导线之后，还包括在芯片上形成微流道结构。
在本发明的一实施例中，在形成上述微流道结构之前，还包括在高分子基板的第一表面上形成保护层。保护层具有开口。开口至少暴露出芯片的感测区。
在本发明的一实施例中，上述高分子基板的第一表面与芯片的主动面为共平面。
在本发明的一实施例中，上述高分子材料包括热固性树脂材料。
在本发明的一实施例中，上述热固性树脂材料包括环氧树脂(Epoxy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合。
在本发明的一实施例中，上述芯片包括晶体管式芯片、表面声波式芯片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。
在本发明的一实施例中，上述晶体管式芯片包括高速电子迁移率晶体管、硅基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。
本发明提供一种传感器，包括高分子基板、至少一芯片以及多条导线。芯片内埋在高分子基板中。芯片具有相对的主动面与背面。主动面外露在高分子基板的第一表面。导线配置在高分子基板上。导线与芯片电性连接。
在本发明的一实施例中，上述传感器还包括微流道结构配置在芯片上。
在本发明的一实施例中，上述高分子基板的第一表面与芯片的主动面为共平面。
在本发明的一实施例中，上述芯片包括晶体管式芯片、表面声波式芯片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。
在本发明的一实施例中，上述晶体管式芯片包括高速电子迁移率晶体管、硅基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。
基于上述，本发明通过将芯片内埋在高分子基板中，使得高分子基板的表面与芯片的主动面为共平面。接着，将微流道结构配置在芯片上，以形成一种结合微流道与芯片的传感器。所述传感器不仅可降低制造成本，也与现有的半导体工艺相容。因此，在商业市场上，本发明的传感器具有产品竞争力。此外，本发明也可整合多种芯片在高分子基板中，所述芯片可分别具有气体感测、压力感测、湿度感测等特性，以达到系统级封装的功效。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1A至图1F所示为本发明的一实施例的一种传感器的制造流程示意图；
图2所示为图1E的部分传感器的上视示意图；
图3所示为图2的A-A’切线的剖面示意图。
附图标记说明：
10：通道；
12、14、212：开口；
100：模具；
102：模穴；
104：芯片；
104a：主动面；
104b：背面；
106：高分子材料；
106a：高分子基板；
108：微流道结构；
110、120、130：导线；
112：源极端；
114：漏极端；
116：栅极端；
122：反应层；
140：感测区；
200：蓝宝石基板；
202：GaN层；
204：AlGaN层；
206、208：欧姆接触层；
210：保护层；
H：高度；
L：长度；
W：宽度；
S1：第一表面；
S2：第二表面；
P：部分。
具体实施方式
参照本实施例的图式以更全面地阐述本发明。然而，本发明也可以各种不同的形式体现，而不应限于本文中所述的实施例。图式中的层与区域的厚度会为了清楚起见而放大。相同或相似的参考号码表示相同或相似的元件，以下段落将不再一一赘述。
图1A至图1F所示为本发明的一实施例的一种传感器的制造流程示意图。
请参照图1A，本发明的一实施例提供一种传感器的制造方法，其步骤如下。首先，提供具有模穴102的模具100。在一实施例中，模具100的材料可例如是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、压克力或是其他合适的材料。模穴102凹陷在模具100的表面，其中模穴102的凹陷深度可小于模具100的厚度。在本实施例中，模穴102的形状可例如是矩形，但本发明不限于此。在其他实施例中，模穴102的形状可例如是方形、圆形或是多边形。
接着，在模穴102中配置芯片104。芯片104具有相对的主动面104a与背面104b。芯片104的主动面104a朝向模穴102的底面。在一实施例中，芯片104可包括晶体管式芯片、表面声波式芯片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。晶体管式芯片可例如是高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistors，简称为：HEMT)、硅基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。虽然在图1A中仅所示一个芯片104，但本发明不以此为限。在其他实施例中，芯片104的数量与种类可依使用者需求而调整。举例来说，芯片104可例如是具有气体感测、压力感测、湿度感测、微尘感测等各种机械与物理感测特性。在此实施例中，可将具有各种感测特性的芯片104配置在模穴102中，使得本实施例的传感器可具有更多的弹性，以更加贴近客户或是使用者的需求。
请参照图1A与图1B，将高分子材料106填入模穴102中，以覆盖芯片104的背面104b。在一实施例中，高分子材料106包括热固性树脂材料。热固性树脂材料可例如是环氧树脂(Epoxy)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合，但本发明不以此为限。在其他实施例中，高分子材料106可以是具有低热膨胀系数的材料，或是可承受后续导线的蒸镀工艺温度或是溅镀工艺温度的材料即为本发明的范畴。虽然在图1B中，高分子材料106完全填满模穴102，但本发明不以此为限。在其他实施例中，高分子材料106也可不完全填满模穴102。也就是说，只要高分子材料106能覆盖芯片104的背面104b，使得芯片104内埋在高分子材料106中即为本发明的范畴。
请参照图1B与图1C，进行热处理，使得高分子材料106固化为高分子基板106a。由于高分子材料106可例如是热固性树脂材料，因此，在进行热处理时，高分子材料106可固化为固体状态的高分子基板106a。此时，芯片104内埋在高分子基板106a中。而芯片104的主动面104a外露在高分子基板106的第一表面S1。在一实施例中，热处理的温度可例如是50℃至200℃。
之后，进行脱模处理，使得高分子基板106a从模穴102分离出来。然后，将高分子基板106a倒置，使得高分子基板106a的第一表面S1朝上，并使得第二表面S2朝下。在本实施例中，脱模处理没有特别限制，其可例如是直接以手动方式让高分子基板106a从模穴102分离出来。
进行脱模处理后的高分子基板106a(或是传感器)如图1D所示，其高分子基板106a的第一表面S1与芯片104的主动面104a可视为共平面。在一实施例中，高分子基板106a的长度L可例如是10mm至50mm；其宽度W可例如是5mm至30mm；而其高度H可例如是0.5mm至2mm。但本发明不以此为限，其尺寸可依据使用者需求来调整。举例来说，本发明的传感器的尺寸可符合微安全数码(Micro Secure Digital，简称为：Micro SD)存储卡的尺寸，其长度可例如是20mm；其宽度可例如是10mm；其高度可例如是0.7mm。因此，本发明的传感器可与现行的微安全数码存储卡的读取装置相符，以读取生物检测的结果。
请参照图1D与图1E，在高分子基板106a的第一表面S1上形成导线110、120、130。导线110、120、130与芯片104电性连接。在一实施例中，导线110、120、130可以是金属导线，金属导线的材料可例如是金、银、铜或其组合。导线110、130的材料与导线120的材料可以相同或是不同。举例来说，导线110、120、130的材料可皆为金。在另一实施例中，导线110、130的材料可例如是铜，而导线120的材料可例如是金。在一实施例中，导线110、120、130的形成方法可例如是剥除法(lift-off process)，由于剥除法为所属领域具有通常知识者所周知，在此便不再详述。
值得注意的是，本实施例的传感器可利用高分子基板106a取代传统的硅晶圆基板，以降低制造成本，进而增加商业产品的竞争力。另外，由于本实施例的传感器的导线110、120、130是形成在高分子基板106a上，因此，相较于传统的硅基传感器(Si-basedsensor)，本实施例的芯片104可有效地缩小，以增加传感器的面积利用率。
图2所示为图1E的部分传感器的上视示意图。图3所示为图2的A-A’切线的剖面示意图。为图面清楚起见，在图3中仅所示出芯片，而未所示出高分子基板；在图2中未所示出保护层。
请同时参照图1E、图2以及图3，部分传感器P包括高分子基板106a、导线110、120、130以及芯片104。芯片104包括源极端112、漏极端114以及设置在源极端112与漏极端114之间的栅极端116。如图2所示，导线110与源极端112电性连接，导线130与漏极端114电性连接。另一方面，导线120可包括反应层122。反应层122相对于芯片104的栅极端116，且反应层122(或导线120)与栅极端116并未电性连接。反应层122上具有感测区140，其中感测区140包括键结于反应层122上的受体(receptor)。
具体来说，在进行生物检测时，是将具有能与所述受体产生反应的配体的待测样品放置在感测区140(或反应层122)上，使得所述配体键结于所述受体上。接着，施加一电压于导线120的反应层122上，使得反应层122与芯片104的栅极端116之间产生一压差，以得到检测电流。所述受体与所述配体的选择并没有特别的限制，只要所述配体能与所述传感器上的受体相互反应键结即为本发明的范畴。在一实施例中，所述待测样品可例如是核糖核酸(Ribonucleic acid，简称为：RNA)、脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid，简称为：DNA)、酵素、蛋白质、病毒、脂质或其组合，但本发明不以此为限。
另一方面，如图3所示，以高电子迁移率晶体管(HEMT)为例来说明，芯片104的结构是在蓝宝石(sapphire)基板200上依序形成GaN层202以及AlGaN层204。在一实施例中，AlGaN层204的尺寸小于GaN层202。换言之，GaN层202的部分顶面被暴露出来。接着，在AlGaN层204上分别形成欧姆接触层206、208，其中欧姆接触层206、208彼此不互相接触。在一实施例中，欧姆接触层206、208的材料可例如是Ti、Al、Ni、Au、Cr、Mo、Pt或其组合，其形成方法可例如是蒸镀或溅镀法。
之后，在欧姆接触层206上形成源极端112(可例如源极电极或导线110的延伸)；在欧姆接触层208上形成漏极端114(可例如漏极电极或导线130的延伸)。在一实施例中，源极端112与漏极端114的材料可包括一种或一种以上的导电材料，所述导电材料可例如是金属材料、金属化合物或其组合。金属材料可例如是Ti、Al、Ni、Au、W或其组合；金属化合物可例如TiN、TiW、TiWN、WN或其组合。源极端112与漏极端114的形成方法可例如是化学气相沈积法、物理气相沈积法或其他适当的形成方法。物理气相沈积法可以是蒸镀或溅镀。
然后，在蓝宝石基板200(或是在高分子基板106a的第一表面S1)上形成保护层210。保护层210覆盖GaN层202、AlGaN层204、欧姆接触层206、208、源极端112以及漏极端114的表面。保护层210具有开口212，其中开口212暴露出栅极端116的表面(如图3所示)或是暴露出芯片104的感测区(未所示)。在一实施例中，保护层210的材料可例如是氮化硅或光刻胶，其形成方法可例如是化学气相沈积法或涂布法。在本实施例中，保护层210可避免待测样品接触到导线110、120、130，以造成导线110、120、130的损坏。另外，保护层210也可暴露出靠近导线110、120、130的末端处的区域，以利于电性连接至读取装置的插槽。
请参考图1E与图1F，在芯片104上形成微流道结构108。详细地说，微流道结构108具有通道10以及配置在通道10两侧的开口12、14。也就是说，通道10以及开口12、14为连通的空间。通道10对应于(或暴露出)芯片104的感测区140(如图2所示)。在一实施例中，待测样品可通过开口12或开口14经由通道10与芯片104的感测区140接触，以进行生物检测。在一实施例中，微流道结构108的材料可例如是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其组合。
在另一实施例中，微流道结构108仅具有通道10，而不具有开口12、14。详细地说，本实施例可将高分子基板106a的第一表面S1与第二表面S2贯穿，以在通道10的两侧分别形成两个开口(未所示)，使得通道10与高分子基板106a中的所述两个开口连通。因此，待测样品可通过所述两个开口经由通道10与芯片104的感测区140接触，以进行生物检测。
此外，虽然本实施例的说明是以生物传感器为例，但本发明不以此为限。在其他实施例中，传感器也可具有气体感测、压力感测、湿度感测、微尘感测等各种机械与物理感测特性。
综上所述，本发明通过将芯片内埋在高分子基板中，使得高分子基板的表面与芯片的主动面为共平面。接着，将微流道结构配置在芯片上，以形成一种结合微流道与芯片的传感器。所述传感器不仅可降低制造成本，也与现有的半导体工艺相容。因此，在商业市场上，本发明的传感器具有产品竞争力。此外，本发明也可整合多种芯片在高分子基板中，所述芯片可分别具有气体感测、压力感测、湿度感测等特性，以达到系统级封装的功效。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (13)

1.一种传感器的制造方法，其特征在于，包括：
提供具有模穴的模具；
在所述模穴中配置至少一芯片，其中所述至少一芯片具有相对的主动面与背面，所述主动面朝向所述模穴的底面；
将高分子材料填入所述模穴中，以覆盖所述芯片的所述背面；
进行热处理，使得所述高分子材料固化为高分子基板；
进行脱模处理，使得所述高分子基板从所述模穴分离出来；以及
在所述高分子基板的第一表面上形成多条导线，其中所述导线与所述至少一芯片电性连接。
2.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，在所述高分子基板的所述第一表面上形成所述导线之后，还包括：在所述至少一芯片上形成高分子微流道结构。
3.根据权利要求2所述的传感器的制造方法，其特征在于，在所述至少一芯片上形成所述高分子微流道结构之前，还包括：在所述高分子基板的所述第一表面上形成保护层，所述保护层具有开口，所述开口至少暴露出所述至少一芯片的感测区。
4.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述高分子基板的所述第一表面与所述芯片的所述主动面为共平面。
5.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述高分子材料包括热固性树脂材料。
6.根据权利要求5所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述热固性树脂材料包括环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或其组合。
7.根据权利要求1所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述至少一芯片包括晶体管式芯片、表面声波式芯片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。
8.根据权利要求7所述的传感器的制造方法，其特征在于，所述晶体管式芯片包括高速电子迁移率晶体管、硅基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。
9.一种传感器，其特征在于，包括：
高分子基板；
至少一芯片，内埋在所述高分子基板中，其中所述至少一芯片具有相对的主动面与背面，所述主动面外露在所述高分子基板的第一表面；
多条导线，配置在所述高分子基板上，其中所述导线与所述至少一芯片电性连接；以及
高分子微流道结构，配置在所述至少一芯片上且与所述至少一芯片物理接触，其中所述至少一芯片的感测区外露于所述高分子微流道结构中的通道。
10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，其中所述导线彼此电性隔离，且所述导线包括：
第一导线，与源极端电性连接；
第二导线，与漏极端电性连接，其中所述源极端与所述漏极端彼此分隔，而栅极端位于所述源极端与所述漏极端之间；以及
第三导线，具有所述感测区。
11.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述高分子基板的所述第一表面与所述芯片的所述主动面为共平面。
12.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述至少一芯片包括晶体管式芯片、表面声波式芯片、二极管式芯片、半导体电阻式芯片、微机电式芯片或其组合。
13.根据权利要求12所述的传感器，其特征在于，所述晶体管式芯片包括高速电子迁移率晶体管、硅基晶体管、奈米线晶体管、奈米碳管晶体管、石墨烯晶体管、二硫化钼晶体管或其组合。
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