CN110634895A - 使用热塑性衬底材料的弯曲图像传感器 - Google Patents

使用热塑性衬底材料的弯曲图像传感器 Download PDF

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Abstract

本申请案涉及一种使用热塑性衬底材料的弯曲图像传感器。图像传感器包含多个光电二极管，其布置成阵列并安置在半导体材料中以通过所述半导体材料的第一表面接收光。所述半导体材料的至少部分是弯曲的。载体晶片附接到所述半导体材料的与所述第一表面相对的第二表面，且聚合物层附接到所述载体晶片，使得所述载体晶片安置在所述聚合物层与所述半导体材料之间。

Description

使用热塑性衬底材料的弯曲图像传感器
技术领域
本发明大体上涉及图像传感器制造，且特定来说(但非排他性地)，涉及弯曲图像传感器。
背景技术
图像传感器已变得无处不在。它们广泛应用于数字静态相机、蜂窝电话、安全摄像机，以及医疗、汽车及其它应用中。用于制造图像传感器的技术持续以迅猛的速度进步。举例来说，对更高分辨率及更低功耗的需求已促进这些装置的进一步微型化及集成化。虽然像素设计的进步已经显著改进图像传感器性能，但是已证明难以单独通过优化像素电路来克服若干光学限制。
发明内容
一方面，本申请案提供一种图像传感器，其包括：多个光电二极管，其布置成阵列并安置在半导体材料中以通过所述半导体材料的第一表面接收光，其中所述半导体材料的至少部分是弯曲的；及载体晶片，其附接到所述半导体材料的与所述第一表面相对的第二表面；及聚合物层，其附接到所述载体晶片并横跨所述阵列的宽度，使得所述载体晶片安置在所述聚合物层与所述半导体材料之间。
另一方面，本申请案提供一种图像传感器制造方法，其包括：在半导体材料中形成多个光电二极管，以通过所述半导体材料的第一表面接收光；将所述半导体材料的与所述第一侧相对的第二侧附接到载体晶片；将所述载体晶片附接到聚合物层，使得所述载体晶片安置在所述半导体材料与所述聚合物层之间；及使所述半导体材料、所述载体晶片及所述聚合物层变形，使得所述半导体材料至少部分是弯曲的。
附图说明
参考以下诸图描述本发明的非限制性及非穷尽实例，其中相似参考数字贯穿各种视图指代相似部分，除非另有规定。
图1说明根据本发明的实例的弯曲图像传感器。
图2A到2B说明根据本发明的实例的制造并弯曲图1的图像传感器的方法的部分。
图3说明根据本发明的实例的制造并弯曲图1的图像传感器的方法的部分。
图4说明根据本发明的实例的可包含图1的图像传感器的成像系统。
图5说明根据本发明的实例的经由温度的衬底曲率的曲线图。
对应参考字符贯穿附图的若干视图指示对应组件。所属领域的技术人员应了解，图式中的元件出于简单及清楚的目的而说明，且未必是按比例绘制。举例来说，图式中一些元件的尺寸相对于其它元件可被夸大以帮助提高对本发明的各种实施例的理解。此外，为了促进对本发明的这些各种实施例的更容易的观察，通常不描绘在商业上可行的实施例中有用的或必需的常见但众所周知的元件。
具体实施方式
本文描述一种用于具有聚合物装配的弯曲图像传感器的设备及方法的实例。在以下描述中，阐述众多特定细节以提供对所述实例的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，能够在不具有一或多个特定细节的情况下或配合其它方法、组件、材料等等实践本文所描述的技术。在其它情况下，未展示或详细地描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆某些方面。
贯穿本说明书的对“一个实例”或“一个实施例”的参考意指接合实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实例中。因此，贯穿本说明书的各种地方的短语“在一个实例中”或“在一个实施例中”的出现未必皆是指同一实例。此外，特定特征、结构或特性可以任何合适方式组合于一或多个实例中。
平坦图像传感器可能不具有用于图像捕获的最优形状。当透镜安置在相机前面以聚焦图像光时，透镜焦平面可为弯曲的，但是图像传感器是平坦的。此可能导致图像边缘周围模糊，这是因为光线离焦。弯曲传感器概念可从根本上改变光到达CMOS或其它类型的图像传感器阵列中的像素阵列的边缘的方式。通过使传感器弯曲，边缘处的图像质量可在亮度、清晰度、顺应性及角响应方面与中心处的图像质量相当。另外，利用弯曲图像传感器(其可为前侧或背侧照射)，可改进绿色及蓝色像素的量子效率。
一般来说，本文描述的设备、系统及方法的实例可具有以下共同特征。将成像晶片(例如，具有光电二极管的晶片)及载体晶片减薄到5μm到20μm，然后将其接合到热塑性衬底上。在一些实例中，将两个晶片减薄到此厚度范围，以便使其在不折断的情况下充分弯曲，否则晶片在弯曲时会破裂。热塑性衬底在相对高的温度下变形(针对聚合物)并且弯曲表面在冷却后仍保持。成像晶片、载体晶片及热塑性衬底接合在具有多个弯曲表面区域的模具上，所述多个弯曲表面区域与个别裸片对准。成像晶片上的每一裸片与模具表面上的每一弯曲表面区域对准。整个结构(包含模具)被加热到高温，热塑性材料经变形以遵循模具的弯曲表面。由于热塑性材料与成像晶片及载体晶片接合，因此成像晶片及载体晶片将随热塑性塑料变形。如下文图式中所说明，每一裸片将对准并跟随模具表面上的弯曲表面区域。如将展示，可在成像晶片及载体晶片与热塑性衬底接合之前处理整个图像传感器及芯片封装两者。应了解，可通过自组装(例如，基于硅烷的单层)或其它表面涂层来辅助将热塑性塑料接合到载体晶片。
以下揭示内容描述上文论述的实例以及其它实例，因为其与图式有关。
图1说明根据本发明的实例的弯曲图像传感器。在所描绘实例中，弯曲图像传感器100包含：半导体材料101、多个光电二极管103、聚合物层121(例如，热塑性塑料)、载体晶片123、光栅层131(具有光栅133)、滤色器层141(具有红色滤色器143、绿色滤色器145及蓝色滤色器147-其可布置成拜耳图案、EXR图案、反式X图案或类似者)、微透镜层161及光学透镜181。如在实例说明中展示，多个光电二极管103安置在半导体材料101中，半导体材料101具有面向图像光的凹形表面。在一些实例中，钉扎阱(其可包含掺杂半导体材料、金属/半导体氧化物、金属/半导体氮化物、聚合物或类似者)可安置在个别光电二极管103之间，以电隔离个别光电二极管103。滤色器层141安置微透镜层161与半导体材料101之间并且也是凹形的。滤色器层141及微透镜层161与多个光电二极管103光学对准，以将入射光引导到多个光电二极管103中。在所描绘实例中，滤色器层141、光栅层131及微透镜层161与半导体材料101的凹形横截面轮廓共形。这可有助于最小化弯曲图像传感器100的边缘上的光学缺陷。光栅层131安置在滤色器层141与半导体材料101之间，并且光栅层131与多个光电二极管103光学对准，使得光栅层131经由内部反射过程将光引导到多个光电二极管103中。在一个实例中，光栅133可包含金属网。在另一实例中，光栅133可包含通过例如热蒸发、化学气相沉积或类似者的处理技术制造的金属、氧化物或半导体结构。
在一个实例中，多个光电二极管103经布置成包含行及列的阵列(参见下文图4)，并且半导体材料101的凹形横截面轮廓的顶点位于多个光电二极管103的阵列的中心。在所描绘实例中，光学透镜181安置在图像光的源与半导体材料101之间，并且光学透镜181经定位以将图像光引导到半导体材料101中。为优化装置性能，在一个实例中，半导体材料101的凹形横截面轮廓的曲率半径近似于光学透镜181的曲率半径。在一个实例中，快门可安置在图像光与弯曲图像传感器100之间，以在帧之间或校准测量期间阻挡图像光到达弯曲图像传感器100。
如稍后将更详细描述，聚合物层121可接合到载体晶片123的背部(其接合到半导体材料101)，以便使载体晶片123及半导体材料101两者弯曲成凹形形状。聚合物层121可横跨光电二极管103阵列的宽度以完全粘附到晶片堆叠并促进弯曲。
在操作中，多个光电二极管103将吸收图像光以产生图像电荷。图像光经由光学透镜181聚焦到半导体材料101(及对应光学结构，例如微透镜层161、滤色器层141及光栅层131)上。在常规图像传感器中，透镜焦平面是弯曲的但是半导体装置堆叠是平坦的，从而导致图像传感器边缘模糊，这是因为其失焦(不符合透镜的曲率)。此处，弯曲图像传感器100可沿弯曲图像传感器100的边缘从光学透镜181接收聚焦图像光，这是因为弯曲图像传感器100的曲率现在近似于光学透镜181的表面的曲率。沿弯曲图像传感器100的边缘接收到图像光可接着有效地行进通过微透镜层161及滤色器层141进入多个光电二极管103。应了解，图像传感器100可为前侧(例如，图像传感器具有电路的侧)照明或背侧(例如，图像传感器具有较少电路的侧)照明。
图2A到2B说明根据本发明的实例的制造及弯曲图1的图像传感器的方法的部分。图2A中描绘的是半导体材料201(包含接合到半导体材料201的载体晶片)、聚合物材料221及模具251。所属领域的技术人员将了解在制造过程中的此步骤，半导体材料可已经包含图1中的架构，例如光电二极管、光栅层、滤色器层及微透镜层，除了控制电路及读出电路的元件(将在别处对其进行论述)之外。然而，为了简化说明，已从图2A移除这些元件及其它元件。
在图2A中，聚合物层221(以及相应的半导体材料201)已经放置在扇形(例如，具有弯曲而非平坦凹痕的模具)模具251上。在一些实例中，模具251可由金属或陶瓷制成。如上所述，在制造工艺中的此时，光电二极管可能已经在半导体材料201中形成阵列，并且阵列与模具251的弯曲部分对准，而每一图像传感器的外围在模具251的平坦部分上对准。这些平坦部分界定用于将载体晶片上的图像传感器彼此分离的划线区域。模具251、半导体材料201、载体晶片及聚合物层221(以及在一些实例中，图1中描绘的其它装置架构件)被加热到160℃到240℃的温度范围(更具体来说大约200℃，这取决于聚合物的类型)。并且在一些实例中，此温度范围包含聚合物层221的玻璃化转变温度或熔融温度。因此，软化聚合物层221(其可包含聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚碳酸酯或类似者)改变形状以与模具251的表面大体上共形。这致使半导体材料201弯曲到模具251的凹形部分中。如上文描述，半导体材料201的此弯曲可通过化学机械抛光半导体材料201(包含载体晶片)到厚度为5μm到20μm(自750μm或更大向下)来促进。一旦返回到室温，半导体材料201、载体晶片、聚合物层221、微透镜层、滤色器层及光栅层都可永久变形为弯曲(即，不平坦)的。
图2B展示模具中的半导体材料201(例如，完整未切割的晶片)的俯视图。如所展示，每一正方形表示个别图像传感器200。并且根据本发明的教示，在放置在模具中之后，每一图像传感器200经弯曲以产生弯曲的传感器。如稍后将展示，这些图像传感器200中的每一者可经由切割(例如，机械或激光切割)彼此分离。
图3说明根据本发明的实例的制造及弯曲图1的图像传感器的方法300的部分。所属领域的一般技术人员将了解，图301到317可以任何顺序发生，甚至可并行发生，并且为简化说明，可能已省略步骤及特征。此外，根据本发明的教示，可将额外图/步骤添加到方法300或从方法300移除。
图301展示在已经在半导体材料(“S.M.”)中形成多个光电二极管(及图1中所展示的其它装置架构)之后的装置的划线部分。描绘的是将半导体材料的划线部分接合到玻璃层(“G.L.”)，并经由化学机械抛光(参见所描绘的抛光轮)将半导体材料(及载体晶片)减薄到5μm到20μm的组合厚度。光电二极管经安置以通过半导体材料的第一表面(玻璃附近)接收光，但在图301中的图像帧之外，这是因为仅描绘划线区域。在一些实例中，通过优化装备、轮及研磨条件，可实现5μm的薄晶片。
图303说明在划线区域中蚀刻半导体材料的一部分以形成沟槽。沟槽可用于形成通孔以接触电路或类似者。
图305展示半导体材料的部分的表面上的金属层溅射(MLS)。这可用于形成图像传感器中采用的各种金属层(触点、互连件等)。
图307展示沉积或形成隔离材料(例如，氧化硅、氧化铪或类似者)以隔离图像传感器的部分。如所展示，材料可给形成在划线区域中的沟槽加衬里。
图309说明打开通孔到电触点，在一些实例中，可通过从图表307蚀刻沉积氧化物材料来执行。可使用湿法或干法蚀刻来执行蚀刻。
图311展示沟槽及通孔中的溅射涂层AlCu(或另一种金属或导体)，以与图309中的蚀刻步骤中暴露的触点形成电连接。因此，图311展示在使半导体材料变形之前在半导体材料中形成控制电路的至少一部分或读出电路的一部分。
图313展示将半导体材料的第二侧(“S.M.”)附接到载体晶片(“C.W.”)。还说明形成聚合物层(例如，热塑性“T.P.”)，使得载体晶片安置在半导体材料与聚合物层之间。图313还展示使用图2A中展示的技术使聚合物层、载体晶片及半导体材料变形，使得半导体材料至少部分地是弯曲的。
尽管在别处描述(参见例如图1)，但是在此制造阶段，在使半导体材料变形之前已经形成微透镜层，以及安置在半导体材料与微透镜层之间的滤色器层。类似地，可在使半导体材料变形之前已形成光栅层，其中光栅层安置在滤色器层与半导体材料之间。在一些实例中，使半导体材料变形包含使微透镜层、滤色器层及光栅层变形，使得微透镜层、滤色器层及光栅层至少部分地是弯曲的(参见例如图1)。
图315展示在使半导体材料变形之后经由切割将图像传感器与安置在载体晶片上的其它图像传感器分离。这可借助于激光切片机或机械(例如，基于刀片的)切片机来实现。
图317说明拾取个别弯曲图像传感器并将其放置在图像传感器封装中以进行最终组装。
图4说明根据本发明的实例的可包含图1的图像传感器的成像系统。成像系统400包含像素阵列405、控制电路421、读出电路411及功能逻辑415。在一个实例中，像素阵列405是光电二极管或图像传感器像素(例如，像素P1、P2…、Pn)的二维(2D)阵列。如所说明，光电二极管布置成行(例如，行R1到Ry)及列(例如，列C1到Cx)以获取人员、位置、对象等等的图像数据，所述图像数据可随后用于呈现人员、位置、对象等等的2D图像。然而，行及列不必必须为线性，并且可取决于使用案例而采取其它形状。
在一个实例中，在像素阵列405中的每一图像传感器光电二极管/像素已获取其图像数据或图像电荷之后，所述图像数据由读出电路411读出且随后被转移到功能逻辑415。读出电路411可经耦合以从像素阵列405中的多个光电二极管读出图像数据。在各种实例中，读出电路411可包含放大电路、模/数(ADC)转换电路或其它电路。功能逻辑415可仅存储图像数据或甚至通过应用后图像效果(例如，裁剪、旋转、移除红眼、调整亮度、调整对比度或以其它方式)操纵图像数据。在一个实例中，读出电路411可沿读出列线一次读出一行图像数据(已说明)或可使用各种其它技术读出图像数据(未说明)，例如，串行读出或同时完全并行读出全部像素。
在一个实例中，控制电路421耦合到像素阵列405以控制像素阵列405中的多个光电二极管的操作。控制电路421可经配置以控制像素阵列405的操作。举例来说，控制电路421可产生用于控制图像获取的快门信号。在一个实例中，所述快门信号是全局快门信号，其用于同时启用像素阵列405内的所有像素以在单个获取窗口期间同时获取其相应图像数据。在另一实例中，所述快门信号是滚动快门信号，使得像素的每一行、每一列或每一群组在连续获取窗口期间被循序地启用。在另一实例中，图像获取与照明效果(例如闪光)同步。
在一个实例中，成像系统400可包含于数码相机、手机、膝上型计算机或类似物中。另外，成像系统400可耦合到其它硬件块，例如处理器、存储器元件、输出(USB端口、无线发射器、HDMI端口等等)、照明/闪光、电输入(键盘、触摸显示器、跟踪板、鼠标、麦克风等等)及/或显示器。其它硬件/软件块可将指令传送到成像系统400，从成像系统400提取图像数据，操纵由成像系统400供应的图像数据。
图5说明根据本发明的教示的经由温度的衬底曲率的曲线图500。应了解，曲线图500仅仅是温度(及裸片数目)如何影响裸片翘曲(弯曲)的实例说明。如所展示，随着温度的升高，正翘曲增加。受益于本发明的所属领域的技术人员将了解，天然衬底可翘曲～70μm，并且本文揭示的热工艺(使用热塑性衬底)可引起0.5mm的翘曲。因此，所提供的技术允许容易地操纵半导体曲率。因此，可实现弯曲图像传感器而无需许多额外处理步骤。
不希望本发明的所说明的实例的以上描述(包含摘要中所描述的内容)为穷尽性或将本发明限于所揭示的具体形式。尽管本文描述本发明的特定实例是出于说明性目的，但所属领域的技术人员将认识到，在本发明范围内各种修改是可能的。
依据以上详细描述可对本发明做出这些修改。所附权利要求书中使用的术语不应解释为将本发明限于本说明书中所揭示的特定实例。而是，本发明的范围应全部由所附权利要求书确定，所附权利要求书应根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (20)

1.一种图像传感器，其包括：
多个光电二极管，其布置成阵列并安置在半导体材料中以通过所述半导体材料的第一表面接收光，其中所述半导体材料的至少部分是弯曲的；及
载体晶片，其附接到所述半导体材料的与所述第一表面相对的第二表面；及
聚合物层，其附接到所述载体晶片并横跨所述阵列的宽度，使得所述载体晶片安置在所述聚合物层与所述半导体材料之间。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述载体晶片及所述聚合物层是弯曲的。
3.根据权利要求1所述的图像传感器，其进一步包括安置在所述半导体材料的所述第一表面附近的滤色器层，使得所述半导体材料安置在所述滤色器层与所述载体晶片之间。
4.根据权利要求3所述的图像传感器，其进一步包括安置在所述半导体材料与所述滤色器层之间的光栅层，以将光引导到所述多个光电二极管中。
5.根据权利要求4所述的图像传感器，其进一步包括微透镜层，所述微透镜层经安放以将光引导到所述滤色器层中并且经定位使得所述滤色器层安置在所述光栅层与所述微透镜层之间。
6.根据权利要求5所述的图像传感器，其中所述微透镜层、所述光栅层及所述滤色器层是弯曲的。
7.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述聚合物层包含热塑性塑料，且其中第一侧是背侧，且第二侧是前侧。
8.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述载体晶片及所述半导体材料具有5μm到20μm的组合厚度。
9.根据权利要求1所述的图像传感器，其中所述半导体材料的顶点位于所述多个光电二极管的所述阵列的中心。
10.根据权利要求6所述的图像传感器，其进一步包括透镜，所述透镜经定位以将光聚焦到所述半导体材料中，其中所述半导体材料的曲率与所述透镜的表面大体上相同。
11.一种图像传感器制造方法，其包括：
在半导体材料中形成多个光电二极管，以通过所述半导体材料的第一表面接收光；
将所述半导体材料的与所述第一侧相对的第二侧附接到载体晶片；
将所述载体晶片附接到聚合物层，使得所述载体晶片安置在所述半导体材料与所述聚合物层之间；及
使所述半导体材料、所述载体晶片及所述聚合物层变形，使得所述半导体材料至少部分是弯曲的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中变形包含：
将所述聚合物层置于具有弯曲表面的模具上；以及
加热所述半导体材料、所述载体晶片及所述聚合物层，使得所述聚合物层改变形状以大体上与所述模具的所述弯曲表面共形。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述加热的温度范围为160℃到240℃，且其中所述温度范围包含所述聚合物层的玻璃化转变温度或熔融温度。
14.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括将所述载体晶片及所述半导体材料化学机械抛光到5μm到20μm的组合厚度。
15.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：
在使所述半导体材料变形之前形成微透镜层；以及
在使所述半导体材料变形之前形成滤色器层，其中所述滤色器层安置在所述半导体材料与所述微透镜层之间。
16.根据权利要求15所述的方法，其进一步包括在使所述半导体材料变形之前形成光栅层，其中所述光栅层安置在所述滤色器层与所述半导体材料之间。
17.根据权利要求16所述的方法，其中使所述半导体材料变形包含使所述微透镜层、所述滤色器层及所述光栅层变形，使得所述微透镜层、所述滤色器层及所述光栅层至少部分是弯曲的。
18.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括：
在使所述半导体材料变形之后，经由切割将所述图像传感器与安置在所述载体晶片上的其它图像传感器分离。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括将所述半导体材料附接到玻璃层，其中所述半导体材料的所述第一表面安置在所述半导体材料的所述第二表面与所述玻璃层之间。
20.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括在使所述半导体材料变形之前，在所述半导体材料中形成控制电路的至少一部分或读出电路的一部分。
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