CN107438213A - 一种水听器及其制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种水听器，其体积较小，容易制成大规模阵列，灵敏度高，线性度好，具有超高的噪声分辨率，包括ASIC晶圆和传感器晶圆，ASIC晶圆包括ASIC电路层和硅衬底层，硅衬底层上形成柱状凸起，传感器晶圆包括硅支撑层，硅衬底层朝上与硅支撑层的下表面真空键合形成空腔，硅支撑层的上表面上形成为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，上金属导电层和下金属导电层分别向外延伸形成上延伸部和下延伸部，复合层包裹在钝化层中且上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口，还包括TSV通孔，TSV通孔上端连接上延伸部和下延伸部，TSV通孔的下端连接焊球，此外，本发明还提供了一种水听器的制造工艺。
Description
技术领域
本发明涉及水听器技术领域，具体为一种水听器及其制造工艺。
背景技术
水听器，又称水下传声器， 其能够将水下的压力变化而产生声信号转换为电信号，从而能够可靠的得到水下的压力，常被用于声场的测绘、声传感器的检测标定以及超声设备的检测校准和性能评估等声学领域的研究。随着科学技术的不断发展和进步，水听器的应用技术也逐渐发展成熟。
现有技术中，水听器大多为压电陶瓷材料或复合材料制成的水听器。但目前压电陶瓷材料所制成的水听器由于其结构，由于压电陶瓷材料的纵向和横向的声阻抗远高于水介质，这就使得水中大部分声场能量在水和陶瓷接触的界面处发生反射，进而导致水听器整体性能较差，其灵敏度较低。与此同时，在现有技术中，复合材料所制成的水听器，虽然可以通过设置足够大的电容量，以达到较高的灵敏度，但大的电容量导致水听器的尺寸很大，难以微型化，严重影响了使用的便携性和适用性。现有技术中缺乏具有较高的灵敏度微型的水听器。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种水听器，其体积较小，容易制成大规模阵列，灵敏度高，线性度好，具有超高的噪声分辨率，此外，本发明还提供了一种水听器的制造工艺。
其技术方案是这样的：一种水听器，其特征在于：包括ASIC晶圆和传感器晶圆，所述ASIC晶圆包括ASIC电路层和硅衬底层，所述硅衬底层上设有凹槽，在所述凹槽内通过刻蚀形成柱状凸起，传感器晶圆包括硅支撑层，所述硅衬底层朝上与硅支撑层的下表面真空键合形成空腔，所述硅支撑层的上表面上形成自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，所述上金属导电层和所述下金属导电层分别向外延伸形成上延伸部和下延伸部，所述复合层包裹在钝化层中且所述上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口，其还包括分别垂直穿过所述硅支撑层和所述ASIC晶圆设置的TSV通孔，所述TSV通孔的上端分别连接所述上延伸部和所述下延伸部，所述TSV通孔的下端连接生长在所述ASIC电路层下的焊球。
进一步的，所述上金属导电层和所述下金属导电层分别为Mo层。
进一步的，所述压电材料层别为AlN层。
进一步的，所述TSV通孔中填充有导电金属。
一种水听器的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：提供ASIC晶圆，对ASIC晶圆的硅衬底层进行减薄，然后进行刻蚀形成凹槽和柱状凸起；
步骤2：将步骤1中得到的ASIC晶圆的硅衬底朝上与硅支撑层的下表面真空键合形成空腔；
步骤3：在硅支撑层的上表面通过SOI工艺形成有自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，在复合层上包裹钝化层中且在上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口；
步骤4：分别对应上金属导电层的上延伸部和下金属导电层的下延伸部形成贯穿ASIC晶圆和传感器晶圆的TSV通孔，TSV通孔的上端分别连接上延伸部和下延伸部；
步骤6：在ASIC晶圆的正面下端生长焊球连接TSV通孔的下端。
进一步的，在步骤2与步骤3之间，对硅支撑层的上端进行减薄处理。
进一步的，所述焊球的材料采用锡、铟，锡铅、锡银铜焊料中的任意一种。
进一步的，所述TSV通孔采用干法深硅刻蚀工艺形成。
进一步的，ASIC晶圆和硅支撑层的真空键合采用Si-Glass键合工艺，Si-Si键合工艺。
本发明的水听器的水听器晶圆以AlN为压电材料层，ALN具有宽带隙、高声速等优点可以提高水听器的灵敏度，ASIC晶圆设置ASIC电路和硅衬底层，通过ASIC晶圆的硅衬底层和硅支撑层的真空键合形成了空腔，形成空气金属反射界面，将声波限制在压电材料内，减少声能向衬底的泄漏，提升水听器的灵敏度，具有线性度好，具有超高的噪声分辨率的优点，可以探测更远距离，更微弱声信号，对于海洋勘探，航道监测，管网监测，水下导航等大规模民用领域具有重要意义；ASIC电路和水听器传感器共用硅衬底层，减小了水听器的的体积，本发明的水听器借助半导体制造技术的优势，尺寸小，单片集成水听器晶圆和ASIC晶圆，通过采用TSV通孔减小体积，使得水听器体积更小，容易制成大规模阵列，具有更好的电气连接性能，同时，在空腔内设置柱状凸起，可以对传感器晶圆进行限位，可以防止传感器晶圆与空腔的底面粘连，传感器晶圆无法复位造成水听器损坏。
附图说明
图1为本发明的水听器的结构示意图；
图2为本发明的水听器的制造工艺的步骤a到步骤c的流程示意图；
图3为本发明的水听器的制造工艺的步骤d到步骤f的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
见图1，图2，图3，本发明的一种水听器，包括ASIC晶圆1和传感器晶圆2，ASIC晶圆1包括ASIC电路层3和硅衬底层4，硅衬底层4上设有凹槽5，在凹槽5内通过刻蚀形成柱状凸起6，传感器晶2圆包括硅支撑层7，硅衬底层4朝上与硅支撑层7的下表面真空键合形成空腔17，硅支撑层7的上表面上形成自上至下分别为上金属导电层8、压电材料层9、下金属导电层10的复合层，上金属导电层8和下金属导电层10分别为Mo层，压电材料层9别为AlN层，上金属导电层8和下金属导电层10分别向外延伸形成上延伸部11和下延伸部12，复合层包裹在钝化层13中且上金属导电层8上端设有与环境声学连通的声进入开口14，其还包括分别垂直穿过硅支撑层7和ASIC晶圆1设置的TSV通孔15，TSV通孔15的上端分别连接上延伸部11和下延伸部12，TSV通孔15的下端连接生长在ASIC电路层3下的焊球16，TSV通孔中填充有导电金属。
见图2、图3，本发明的一种水听器的制造工艺，包括以下步骤：
步骤a：提供ASIC晶圆，对ASIC晶圆的硅衬底层进行减薄，然后进行刻蚀形成凹槽和柱状凸起；
步骤b：将步骤a中得到的ASIC晶圆的硅衬底朝上与硅支撑层的下表面真空键合形成空腔，ASIC晶圆和硅支撑层的真空键合采用Si-Glass键合工艺，Si-Si键合工艺；
步骤c：对硅支撑层的上端进行减薄处理；
步骤d：在硅支撑层的上表面通过SOI工艺形成有自上至下分别为Mo层、AlN层、Mo层的复合层，Mo层采用溅射、蒸发工艺，AlN层采用沉积工艺，在复合层上包裹钝化层中且在上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口；
步骤e：分别对应上金属导电层的上延伸部和下金属导电层的下延伸部形成贯穿ASIC晶圆和传感器晶圆的TSV通孔，TSV通孔的上端分别连接上延伸部和下延伸部，TSV通孔采用干法深硅刻蚀工艺形成；
步骤f：在ASIC晶圆的正面下端生长焊球连接TSV通孔的下端。
本发明的水听器的水听器晶圆以AlN为压电材料层，ALN具有宽带隙、高声速等优点可以提高水听器的灵敏度，ASIC晶圆设置ASIC电路和硅衬底层，通过ASIC晶圆的硅衬底层和硅支撑层的真空键合形成了空腔，形成空气金属反射界面，将声波限制在压电材料内，减少声能向衬底的泄漏，提升水听器的灵敏度，具有线性度好，具有超高的噪声分辨率的优点，可以探测更远距离，更微弱声信号，对于海洋勘探，航道监测，管网监测，水下导航等大规模民用领域具有重要意义；ASIC电路和水听器传感器共用硅衬底层，减小了水听器的的体积，本发明的水听器借助半导体制造技术的优势，尺寸小，单片集成水听器晶圆和ASIC晶圆，通过采用TSV通孔减小体积，使得水听器体积更小，容易制成大规模阵列，具有更好的电气连接性能，同时，在空腔内设置柱状凸起，可以对传感器晶圆进行限位，可以防止传感器晶圆与空腔的底面粘连，传感器晶圆无法复位造成水听器损坏。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种水听器，其特征在于：包括ASIC晶圆和传感器晶圆，所述ASIC晶圆包括ASIC电路层和硅衬底层，所述硅衬底层上设有凹槽，在所述凹槽内通过刻蚀形成柱状凸起，传感器晶圆包括硅支撑层，所述硅衬底层朝上与硅支撑层的下表面真空键合形成空腔，所述硅支撑层的上表面上形成自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，所述上金属导电层和所述下金属导电层分别向外延伸形成上延伸部和下延伸部，所述复合层包裹在钝化层中且所述上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口，其还包括分别垂直穿过所述硅支撑层和所述ASIC晶圆设置的TSV通孔，所述TSV通孔的上端分别连接所述上延伸部和所述下延伸部，所述TSV通孔的下端连接生长在所述ASIC晶圆的正面下的焊球。
2.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于：所述上金属导电层和所述下金属导电层分别为Mo层。
3.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于：所述压电材料层别为AlN层。
4.根据权利要求1所述的一种水听器，其特征在于：所述TSV通孔中填充有导电金属。
5.一种水听器的制造工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：提供ASIC晶圆，对ASIC晶圆的硅衬底层进行减薄，然后进行刻蚀形成凹槽和柱状凸起；
步骤2：将步骤1中得到的ASIC晶圆的硅衬底朝上与硅支撑层的下表面真空键合形成空腔；
步骤3：在硅支撑层的上表面通过SOI工艺形成有自上至下分别为上金属导电层、压电材料层、下金属导电层的复合层，在复合层上包裹钝化层中且在上金属导电层上端设有与环境声学连通的声进入开口；
步骤4：分别对应上金属导电层的上延伸部和下金属导电层的下延伸部形成贯穿ASIC晶圆和传感器晶圆的TSV通孔，TSV通孔的上端分别连接上延伸部和下延伸部；
步骤6：在ASIC晶圆的正面下端生长焊球连接TSV通孔的下端。
6.根据权利要求5所述的一种水听器的制造工艺，其特征在于：在步骤2与步骤3之间，对硅支撑层的上端进行减薄处理。
7.根据权利要求5所述的一种水听器的制造工艺，其特征在于：所述焊球的材料采用锡、铟，锡铅、锡银铜焊料中的任意一种。
8.根据权利要求5所述的一种水听器的制造工艺，其特征在于：所述TSV通孔采用干法深硅刻蚀工艺形成。
9.根据权利要求5所述的一种水听器的制造工艺，其特征在于：ASIC晶圆和硅支撑层的真空键合采用Si-Glass键合工艺，Si-Si键合工艺。
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