CN1607673A - 高敏感度的封装影像感测器及包含此影像感测器的装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种高敏感度的封装影像感测器及包含此影像感测器的装置，高敏感度的封装影像感测装置藉由提供一可增强镶嵌式微透镜聚焦于影像感测器光敏感元件的机制而形成。一般来说，设于封装层与微透镜间的接合材料会削弱微透镜的聚焦能力，在本发明中，聚焦效果藉由设置于接合材料与微透镜间的中间光学折射层而恢复，本发明克服了公知技术的缺陷，可在维持封装制程优点的情况下，藉由微透镜重新聚焦于光学感测区上，提高感测器的敏感度。

Description

高敏感度的封装影像感测器及包含此影像感测器的装置

技术领域

本发明涉及一种影像感测器及包含此影像感测器的装置，特别是有关于一种藉由新的封装制程形成的镶嵌微透镜且具有高敏感度的CMOS或CCD封装影像感测器及包含此影像感测器的装置。

背景技术

在许多光电产品中，包括数码相机、手机及玩具等，固态影像感测器为一必要的元件。以最简单的型态来说，一感测器包含一光感测元件(例如光二极管)数组，该等元件并连接至用来转换光感测装置输出信号(一般来说为电荷)成为电子显示态的固态装置，传统的信号转换固态装置包括电荷耦合装置(chargecoupled device，CCD)及互补式金氧半(CMOS)影像感测器。

为使上述装置能在一较佳情况下操作，来自感测影像的光线必须聚焦在光感测元件上，且尽可能减少装置表面与光感测元件间沿光路径的传送损失。潜在的聚焦问题可以在光感测元件上设置一小的透镜结构(即微透镜)获得解决。这些透镜镶嵌于感测结构中，并以微影技术配合熔化或热回流光阻步骤，而形成半球形的透镜结构，另为解决传送损失的问题，可利用透明接合物质(环氧)与玻璃(或其它透明媒介物)作为连接、过滤及保护的层别。

习知技术中，已揭露有许多不同型态的固态感测器结构，例如Okamoto(美国专利第6,545,304号)揭露在半导体基底的一部分区域上设置一光电转换元件组以及建立一电荷转移路径，以移转累积的信号电荷至一邻近且连接有读出闸极的读出闸极区。Umetsu(美国专利第6,528,831号)揭露一固态影像撷取装置，形成一数组光电感测元件并邻近于电荷转移通道，其中在一介电层上形成一读取附带转移电极(read-cum-transfer electrode)且围绕每一光电元件。上述装置均为CCD型的感测装置。

习知技术中亦有揭露增强传送光线至感测装置活性元件的方法，Teranishi(美国专利第5,844,289号)揭露一结合微透镜的固态影像感测器。Abramovich(美国专利第6,362,498号)揭露一结合微透镜的彩色CMOS影像感测器，其中该等微透镜藉由活性离子蚀刻法(RIE)形成于一氮化硅层中。

固态影像感测器在结合指针技术(如数码相机或手机等)之前，须先进行一适当的封装程序，此封装程序可保护易碎的固态元件，其提供一适当且稳定的构形以与各种不同形状、设计型态的指针技术接合，且亦提供一简单可进入的内连线电路，使感测器方便与各式类似的技术作结合，然而，这些封装在电性或机械性质上的优点却严重影响了影像感测器所需的光学特性。

影像感测器可采用一特殊的商业上可利用的封装技术(由Shellcase公司提供销售)，然此处讨论的问题仍与其它封装方法有关。如图1所示，该封装影像感测器(Shellcase封装)为一玻璃-硅-玻璃复层，且图中显示一习知商业上的封装影像感测器制作型态，该制作型态包括一上层金属层10与一下层金属层20，而两金属层间夹有一光学及电性上的活性硅层90，由于可扩及整片晶圆，遂称为晶圆级芯片封装(wafer level chip scale packaging，WLCSP)。

下层金属层20上有复数个连接装置39，其藉由熔化及再固化(re-solidifying)与外部电路(不为装置的一部分)连接，而连接装置39与接合在硅层上的影像感测装置90的固态电路形成内部连接(藉由穿过玻璃层的导线)，此外，硅层上表面101包含有一光学感测区，感测区设置有被数组镶嵌微透镜30覆盖的一光二极管数组，其中微透镜在图中显示为凸状结构，而在微透镜30与光二极管之间更设置有一滤光层结构(未显示)。

光学及电性上的活性硅层90的上、下表面70、80藉由一透明接合剂(一般为环氧)与两玻璃层10、20相接合，虽接合剂已控制至最小厚度以符合结构集积化的要求，但仍无法避免地削减了射入光学敏感区的光信号，而光信号的减少因光线被吸收及被微透镜30发散的结果，若再进一步探究微透镜发散光线的原因，即可发现由于环氧接合剂的折射率(一般为n_B＝1.5)与透镜材料的折射率(一般为n_L＝1.63)无法配合所致。

制程上虽可藉由调整微透镜的曲率半径来缩短聚焦长度，但有其制程条件及物理上的限制，一般来说，微透镜聚焦长度的缩短藉由增加光阻厚度得到一较小曲率半径而达成，但以旋转涂布法的旋转速率控制光阻厚度时，由于须考量到光阻层的均一度，遂旋转速率无法过慢，增加了控制上的难度。

请参阅图2，显示习知影像感测器的部分剖面，其中线段20代表入射光的前进路线。光线通过空气(折射率n_A＝1)后以一平行光束的型态进入一光学可接收堆栈层(optically receptive stacked layer)35，该堆栈层形成于半导体基底100的上表面101，而光学可接收堆栈层35上部包括一聚焦微透镜30，以下即概述该聚焦微透镜的形成过程，首先，覆盖一微透镜光阻层，并图案化该微透镜光阻层以形成一微透镜图案数组，之后，利用例如一温度维持在大约摄氏160度的加热板加热该图案化光阻层以产生热回流，而折射率(n_L)为1.63的聚焦微透镜30即因表面张力的缘故形成，若剥除光阻层，则热回流会导致半圆柱透镜的形成，微透镜30的曲率半径大约介于0.5-20μm，而以1-8μm为较佳的选择。

微透镜30与一折射率(n_CF)1.51厚度大约介于2-6μm的透明彩色滤光层40接触，而透明彩色滤光层40再与一折射率(n_IC)1.51厚度大约介于2-12μm的IC堆栈层50接触，该堆栈层有关于IC的设计与制程，其包括有保护层、金属层间介电层(IMD)、内层介电层(ILD)、金属导线、晶体管、接面及其它元件，由于金属导线会遮蔽光线，因此，该等遮蔽光线的结构会设置在像素边界之间。

如图所示，辐射光束藉由微透镜30的曲率表面与折射率(n_L)聚焦，也就是透镜表面的曲率半径以及透明彩色滤光层40的折射率。IC堆栈层50位于透镜下方，而辐射光束最后聚焦于设置在半导体基底100表面上的光敏感元件60，一般来说，光敏感元件60会再耦接至影像感测器内的积体装置结构，例如转换光敏感元件输出成为电子信号的电荷耦合装置(charge couplcd device，CCD)或互补式金氧半(CMOS)电路，而该等装置可利用现今技术与影像感测器作结合，由于该种耦合电路不为本发明的特征，遂不在此赘述，此外，本发明并不揭露关于讯号传递的路径，而仅就入射光传递至光敏感元件的过程作说明。

请参阅图3，为环氧接合层70光学效应的剖面示意图，折射率(nB)为1.5的环氧接合层70利用习知的方法在例如图1的封装过程中接合图2的感测装置90，然而，加入的与图2空气折射率不同的环氧层，破坏了辐射光束24的聚焦以及减少了讯号抵达光敏感元件60的数量，此时，由于制程与物理条件的限制，微透镜30已无法再藉由曲率半径的微缩来聚焦入射光线至光敏感元件60上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一高敏感度的封装影像感测器及包含此影像感测器的装置，以在维持封装制程优点的情况下，藉由微透镜重新聚焦于光学感测区上，以提高感测器的敏感度。

本发明的技术解决方案是：一种高敏感度的封装影像感测器，包括

一半导体基底，具有一上表面与一下表面，该上表面设置有复数个光敏感元件以及一光学可接收堆栈层(0ptically receptive stacked layer)，其中该光学可接收堆栈层包括一折射率为n_L的透镜层以及设置于该透镜层与该上表面间的光学层，而该透镜层形成一聚焦微透镜；

一折射率为n_I且厚度为t_I的中间光学折射层，形成于该微透镜上，该中间光学折射层的下表面与该微透镜顺应性地接触，且其上表面为一平坦表面；

复数个光学透明封装层，形成于该中间光学折射层上以及该半导体基底的下表面；以及

一折射率为n_B的透明接合材料，设置于该光学透明封装层与该中间光学折射层之间以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面之间，以接合该光学透明封装层与该中间光学折射层以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该中间光学折射层的厚度(t_I)大于该微透镜，而其折射率(n_I)小于该透明接合材料的折射率(n_B)。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该中间光学折射层的厚度(t_I)大于0.5μm。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该透明接合材料折射率(n_B)大体为1.5的环氧物质，而该中间光学折射层的折射率(n_I)大体介于1.33-1.5。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该中间光学折射层为一包括fluororesin衍生物、initatoe、甲基异丁基酮(MIBK)及三级丁醇(t-butanol)的混合物或一包括fluororesin衍生物、initatoe、三聚氰胺树脂(melamineresin)、甲基异丁基酮及三级丁醇的混合物所组成。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该微透镜的曲率半径大体介于0.5-20μm。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该微透镜的折射率(n_L)大体为1.63。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该光学层包括一透明彩色滤光层以及一介于该透明彩色滤光层与该半导体基底上表面间的IC堆栈层，其中该透明彩色滤光层的厚度大体介于2-6μm，折射率(n_CF)大体为1.51，而该IC堆栈层的厚度大体介于2-12μm，折射率(n_IC)大体为1.51。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该中间光学折射层所选定的折射率(n_I)与厚度(t_I)，使聚焦长度缩短，以使该微透镜聚焦入射光于该等光敏感元件上。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该微透镜折射率(n_L)与该中间光学折射层折射率(n_I)的差异(n_L-n_I)大于0.2。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中更包括复数个连接装置(solder connectors)，设置于与该半导体基底下表面接合的该光学透明封装层上并位于该半导体基底的相对面，以连接该封装影像感测器与外部电路。

本发明另提出一种包含如上所述的封装影像感测器的装置。

如上所述的封装影像感测器的装置，其中该装置包括手机、数字相机或玩具。

本发明还提出一种高敏感度的封装影像感测器，包括：

一半导体基底，具有一上表面与一下表面，该上表面设置有复数个光敏感元件，该等光敏感元件将入射光转换为电子信号；

一光学可接收堆栈层(optically receptive stacked layer)，形成于该半导体基底的上表面，该光学可接收堆栈层包括一折射率为n_L的透镜层以及设置于该透镜层与该上表面间的光学层，而该透镜层形成一聚焦微透镜；

复数个光学透明封装层，形成于该微透镜上以及该封装影像感测器的一下表面；以及

一折射率为n_B的透明接合材料，设置于该光学透明封装层与该微透镜之间以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面之间，以接合该光学透明封装层与该微透镜以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面，该微透镜折射率(n_L)与该透明接合材料折射率(n_B)的差异(n_L-n_B)大于0.2，以聚焦入射光于该等光敏感元件上。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该微透镜的折射率(n_L)大体为1.63，而该透明接合材料折射率(n_B)大体介于1.33-1.45的环氧物质。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中该透明接合材料折射率(n_B)大体为1.5的环氧物质，而该微透镜的折射率(n_L)大体介于1.73-1.8。

如上所述的高敏感度的封装影像感测器，其中更包括复数个连接装置(solder connectors)，设置于与该半导体基底下表面接合的该光学透明封装层上并位于该半导体基底的相对面，以连接该封装影像感测器与外部电路。

本发明还提出一种包含如上所述的封装影像感测器的装置。

如上所述的封装影像感测器的装置，其中该装置包括手机、数字相机或玩具。

本发明利用商业上广泛应用于晶圆级芯片封装(wafer level chip scalepackaging，WLCSP)的技术。本发明有三个实施例，在第一实施例中，一特殊的中间光学折射层设置于环氧接合层与微透镜之间，而中间光学折射层的折射率(n_I)即可补偿因结合环氧层与透镜结构折射率所造成入射光发散的现象，在第二实施例中，较低折射率的环氧作为接合物质，以在不须添加额外层的情况下达到上述相同的效果，第三实施例中，形成一折射率较高的微透镜(n＞1.7)。本发明克服了公知技术的缺陷，可在维持封装制程优点的情况下，藉由微透镜重新聚焦于光学感测区上，提高感测器的敏感度。

附图说明

图1为习知封装影像感测器的剖面示意图。

图2为习知未封装影像感测器的详细示意图，其中藉由微透镜与滤光层的接合产生正确的聚焦光束。

图3为图1习知封装影像感测器的详细示意图，说明因接合物质而发散入射光的现象。

图4为本发明第一实施例的详细示意图，其中外加层设于封装环氧层与微透镜之间。

图5为本发明第二实施例的详细示意图，其中使用低折射率的环氧层。

图6为本发明第三实施例的详细示意图，其中微透镜由较高折射率材质所形成。

图7为封装影像感测器最佳化的光学条件。

附图标号说明：

习知部份(图1-3)

10、玻璃层；          20、玻璃层、入射光行进路线；    24、聚焦的辐射光束；

30、微透镜；          35、光学可接收堆栈层；          39、连接装置；

40、透明彩色滤光层；  50、IC堆栈层；                  60、光敏感元件；

70、硅层上表面、环氧接合层；                         80、硅层下表面；

90、硅层、影像感测装置；        100、半导体基底；    101、半导体基底上表面。

本发明实施例部份(图4-7)

24、聚焦的辐射光束；    30、微透镜；        55、环氧层；

56、中间光学折射层；    60、光敏感元件；    70、接合层。

具体实施方式

为让本发明的上述技术方案、特征和优点能更明显易懂，下文特举一具体实施例，并配合附图，作详细说明如下：

本发明是对现有技术的改进，其相同部分此处不再叙述。

本发明的较佳实施例揭示一种高敏感度的封装影像感测器及形成一封装影像感测器的方法，使得封装结构的元件，例如接合材料，不会对感测器的光学效应及敏感度造成不利影响，而在制造影像感测器的过程中，所关心的不外乎是将入射光聚焦在感测器的光敏感元件上。

图7描述以C为圆心R为半径的微透镜59其球形的边界表面。位在沿微透镜轴在线与透镜顶点V相隔D₀距离的物体或点光源0会由一锥形辐射光束聚焦成一位于相同轴在线与顶点V相隔D_I距离的影像，若点光源0与微透镜球形界面59间的折射率为N₁，透镜内部(即图7中球形透镜表面的右边)的折射率为N₂，则球形波前会聚焦于I点上，成为一实像，根据Fermat理论，球形折射表面的相关公式可写成：

N₁/D₀+N₂/D_I＝(N₁-N₂)/R

而当D₀很大时，影像聚焦长度(F_i)可表示为：

F_i＝R(N₂/N₂-N₁)

此时，若固定F_i与N₂，则可获得一列理想的R与N₁，然在实际状况下，制程会限制曲率半径R的大小。

举例来说，若N₂＝1.63，N₁＝1(空气)，F_i＝12μm，则R选择为4.63μm。若N₂＝1.63，N₁＝1.5(环氧)，F_i＝12μm，则R为4.63μm或0.95μm，而其中必须选择0.95μm作为透镜的曲率半径，但0.95μm的尺寸太小很难控制，一般来说，R＞1.5μm的制程可较易控制且微透镜可达较佳的均一度。

此外，若N₂＝1.63，F₁＝12μm，R＞1.5μm，且N₂-N₁＞0.2，则应可得一具有较佳敏感度的影像感测器，在实际状况中，聚焦长度(F_i)大约是12μm左右，例如为1lμm或略高于12μm，以使封装影像感测器可以较小体积置于例如数码相机、手机、玩具或手表等光电装置的内部。

请参阅图4，说明本发明第一实施例及其封装方法，一外加的中间光学折射层56(n_I)形成于微透镜30与接合层70(n_B)之间，且n_I＜n_B，例如当环氧接合层的n_B为1.5时，则外加的中间光学折射层的n_I即小于1.5，而以1.33-1.45为较佳的选择。外加的中间光学折射层56具有高穿透率(大于90％，较佳为大于95％)、抗热性、抗化学性及高黏度(大于5mpas，较佳为大于10mpas)的特性，而由fluororesin衍生物、initatoe、甲基异丁基酮(MIBK)及三级丁醇(t-butanol)的混合物或由fluororesin衍生物、initatoe、三聚氰胺树脂(melamine resin)、甲基异丁基酮及三级丁醇的混合物所组成。中间光学折射层56的厚度大于微透镜30的厚度，其约略大于0.5μm，以1μm为较佳的选择。由图中可看出，辐射光束24藉由此外加的中间光学折射层56重新聚焦。

此外，外加的中间光学折射层56(n_I)亦可满足n_L-n_I大于0.2。

续参阅图5，说明本发明第二实施例的剖面型态，其中利用一折射率(n_B)低于1.5的环氧层55在封装过程中接合感测器(此时n_B大约介于1.33-1.45为较佳的选择)，本实施例使用较低折射率的环氧层可降低第一实施例外加中间层56的需求且仍可达到辐射光束24聚焦的目的。在此实施例中，环氧层55满足n_L-n_B大于0.2的要求，以聚焦入射光于光敏感元件60上，例如微透镜的折射率(n_L)大约为1.63时，则环氧层55的折射率(n_B)大约介于1.33-1.45。环氧层55可为一透明材质，例如折射率为1.4的有机聚硅氧烷混合物(organopolysiloxane)。

最后，请参阅图6，说明本发明第三实施例的剖面型态，其中微透镜30(n_L)为一折射率满足n_L-n_B大于0.2的透明材质，例如环氧层70的折射率(n_B)大约为1.5时，则微透镜30的折射率(n_L)高于1.7，而以1.73-1.8为较佳的选择。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (19)

1.一种高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，包括：

一半导体基底，具有一上表面与一下表面，该上表面设置有复数个光敏感元件以及一光学可接收堆栈层，其中该光学可按收堆栈层包括一折射率为n_L的透镜层以及设置于该透镜层与该上表面间的光学层，而该透镜层形成一聚焦微透镜；

一折射率为n_I且厚度为t_I的中间光学折射层，形成于该微透镜上，该中间光学折射层的下表面与该微透镜顺应性地接触，且其上表面为一平坦表面；

复数个光学透明封装层，形成于该中间光学折射层上以及该半导体基底的下表面；以及

一折射率为n_B的透明接合材料，设置于该光学透明封装层与该中间光学折射层之间以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面之间，以接合该光学透明封装层与该中间光学折射层以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面。

2.如权利要求1所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该中间光学折射层的厚度t_I大于该微透镜，而其折射率n_I小于该透明接合材料的折射率n_B。

3.如权利要求2所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该中间光学折射层的厚度t_I大于0.5μm。

4.如权利要求2所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该透明接合材料折射率n_B大体为1.5的环氧物质，而该中间光学折射层的折射率n_I大体介于1.33-1.5。

5.如权利要求4所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该中间光学折射层为一包括fluororesin衍生物、initatoe、甲基异丁基酮及三级丁醇的混合物或一包括fluororesin衍生物、initatoe、三聚氰胺树脂、甲基异丁基酮及三级丁醇的混合物所组成。

6.如权利要求4所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该微透镜的曲率半径大体介于0.5-20μm。

7.如权利要求4所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该微透镜的折射率n_L大体为1.63。

8.如权利要求1所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该光学层包括一透明彩色滤光层以及一介于该透明彩色滤光层与该半导体基底上表面间的IC堆栈层，其中该透明彩色滤光层的厚度大体介于2-6μm，折射率n_CF大体为1.51，而该IC堆栈层的厚度大体介于2-12μm，折射率n_IC大体为1.51。

9.如权利要求1所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该中间光学折射层所选定的折射率n_I与厚度t_I，使聚焦长度缩短，以使该微透镜聚焦入射光于该等光敏感元件上。

10.如权利要求9所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该微透镜折射率n_L与该中间光学折射层折射率n_I的差异n_L-n_I大于0.2。

11.如权利要求1所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，更包括复数个连接装置，设置于与该半导体基底下表面接合的该光学透明封装层上并位于该半导体基底的相对面，以连接该封装影像感测器与外部电路。

12.一种包含如权利要求1所述的封装影像感测器的装置。

13.如权利要求12所述的封装影像感测器的装置，其特征在于，该装置包括手机、数字相机或玩具。

14.一种高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，包括：

一半导体基底，具有一上表面与一下表面，该上表面设置有复数个光敏感元件，该等光敏感元件将入射光转换为电子信号；

一光学可接收堆栈层，形成于该半导体基底的上表面，该光学可接收堆栈层包括一折射率为n_L的透镜层以及设置于该透镜层与该上表面间的光学层，而该透镜层形成一聚焦微透镜；

复数个光学透明封装层，形成于该微透镜上以及该封装影像感测器的一下表面；以及

一折射率为n_B的透明接合材料，设置于该光学透明封装层与该微透镜之间以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面之间，以接合该光学透明封装层与该微透镜以及该光学透明封装层与该半导体基底下表面，该微透镜折射率n_L与该透明接合材料折射率n_B的差异n_L-n_B大于0.2，以聚焦入射光于该等光敏感元件上。

15.如权利要求14所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该微透镜的折射率n_L大体为1.63，而该透明接合材料折射率n_B大体介于1.33-1.45的环氧物质。

16.如权利要求14所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，该透明接合材料折射率n_B大体为1.5的环氧物质，而该微透镜的折射率n_L大体介于1.73-1.8。

17.如权利要求14所述的高敏感度的封装影像感测器，其特征在于，更包括复数个连接装置，设置于与该半导体基底下表面接合的该光学透明封装层上并位于该半导体基底的相对面，以连接该封装影像感测器与外部电路。

18.一种包含如权利要求14所述的封装影像感测器的装置。

19.如权利要求18所述的封装影像感测器的装置，其特征在于，该装置包括手机、数字相机或玩具。

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