CN1682376A - 半导体器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体器件(10)，其包括半导体元件(1)，特别地是固态图像传感器(1)，其包括半导体本体(11)，该半导体本体的一个表面具有光学有源部分(1A)和非光学有源部分(1B)，该光电半导体元件(1)的电连接区域(2)存在于该非光学有源部分(1B)中，而包括光学部件(3B)的本体(3)存在于该半导体本体(11)表面的光学有源部分(1A)上面。根据本发明，本体(3)包括光学透明薄片(3)，其存在于半导体本体(11)表面的光学有源部分(1A)上，并通过光学透明粘合层(4)与之附着，并且其中形成了光学部件(3B)。该器件(10)是非常稳定的、紧凑的、并且易于制造，即可以量产。例如，通过将适当形成的压模(13)按压在薄片(3)中，可以容易地形成部件(3B)，诸如透镜(3B)。根据本发明的用于制造根据本发明的器件的方法是有成本效益和容易的。

Description

半导体器件及其制造方法
本发明涉及一种半导体器件，其包括光电半导体元件，更具体地是固态图像传感器，包括半导体本体，该半导体本体的表面具有光学有源部分和非光学有源部分，该光电半导体元件的电连接区域位于该非光学有源部分中，在该半导体本体表面的光学有源部分上位于有包括光学部件的本体。如果该元件包括图像传感器，则该器件应用于例如照相机中。本发明还涉及制造该器件的方法。
这种器件公知于在1993年11月11日出版的专利文献WO93/22787。其描述了安装在印刷电路板(PCB)上的固态图像传感器。借助于引脚安装在PCB上的具有透镜的透镜座，位于该传感器上。该引脚穿过挠性薄片延伸，在该薄片上提供了用于该传感器的电连接区域的连接导体，该传感器位于其表面的光学有源部分的外部。该构造的目的还在于，具有传感器相对于透镜的适当的对准。
已知器件的缺陷在于，其对低温操作是敏感的。在这些条件下，图像有时会逐渐减弱。此外，该已知器件的制造相对复杂。
本发明的目的在于提供一种具有首段中定义类型的器件，其不具有上文所述缺陷，并且其适用于较低的温度下而且还易于制造。
为此，根据本发明，在首段中定义类型的器件其特征在于，该本体包括光学透明薄片，其中形成了位于半导体本体表面的光学有源部分上并与之连接的部件。本发明首先且主要基于这样的认识，即由渗入元件和光学部件之间的空间中的湿气凝结引起了较低温度下出现的图像减弱。通过使用薄片将其覆盖，避免了传感器表面的有源部分上的湿气凝结，或者由排放气体引发的其他蒸汽凝结。由于选择了光学透明材料用于该薄片，因此对来自诸如图像传感器的光电半导体元件的辐射的灵敏度未受到由其带来的不利影响。存在于薄片上面的空间中的湿气液滴、以及在薄片上的凝结与否、或者同样出现于其中的灰尘颗粒，对图像的光学质量基本上不具有任何影响，这是因为它们不位于焦点中。由于避免了湿气或者杂质在传感器表面上的凝结和沉降，还延长了传感器的寿命。根据本发明的器件的进一步的特征在于，由于在其上可能出现反射损耗的表面数目减少，因此该器件可以具有高达10％的较大的辐射敏感度。
本发明进一步基于这样的认识，即，例如通过使用(加热的)压模按压在薄片上，诸如透镜的光学部件可以容易地形成于该薄片中。这可以在薄片粘合在元件上之后实现。这样，在光学部件相对于表面的光学有源部分进行对准时，可以利用通常在半导体元件中以任何方法可以获得的对准特征。而且，光学薄片的施加以及其中部件的形成可以在半导体元件仍处于所谓的粘合相态时发生。总而言之，作为这些因素的结果，根据本发明的器件的制造是特别简单的。
在根据本发明的半导体器件的优选实施例中，薄片经由光学透明粘合层连接到半导体本体的表面。使用光学透明粘合层的优点在于，可以在生产过程中以简单的方式施加此粘合层，提供了适当的粘合而无需全部或者部分地消除薄片的有利效果。
在根据本发明的半导体器件的另一优选实施例中，另一本体附着于该半导体本体，该另一本体包括位于半导体本体表面的有源部分上的另一光学部件，该另一光学部件借助于空腔与薄片隔开。这样，例如，通过对于该另一光学部件选择不允许IR辐射通过的滤光器，元件可以受到保护，防止红外(IR)辐射的不期望的干扰。有时该部件还可以有利地包括另一透镜。该另一本体包括例如圆柱形的部分，其一端粘合到薄片，而另一端提供有该另一光学部件。
半导体元件优选地安装在电绝缘挠性薄片上，该薄片的一侧具有导体图案(conductor pattern)，电连接区域借助于布线链接连接到导体图案，并且该布线链接封装在绝缘外壳中。类似于另一本体，该外壳优选地是不透明的。这意味着，例如，可见光自其反射或由其吸收。
一种制造所述半导体器件的方法，该半导体器件包括具有半导体本体的光电半导体元件，该半导体本体的表面具有光学有源部分和光学非有源部分，在该光学非有源部分中存在该光电半导体元件的电连接区域，在该半导体本体表面的光学有源部分上面提供了具有光学部件的本体，根据本发明，该方法的特征在于，针对本体选择光学透明薄片，其中所形成的薄片被提供在半导体本体表面的光学有源部分上。
在根据本发明的半导体器件的优选实施例中，薄片通过光学透明粘合层连接到半导体本体的表面。使用光学透明粘合层的一个优点在于，此粘合层在制造过程中易于施加，并且提供了适当的粘合而无需全部或者部分地消除薄片的有利效果。
在另一优选实施例中，通过使用成形压模按压在薄片上，在薄片中形成了光学部件。这优选地在半导体元件仍处于所谓的粘合相态时发生。
在有利的变化方案中，另一本体附着于该半导体本体，该另一本体提供有另一光学部件，使得该另一光学部件位于光学透明薄片上，并且通过空腔与之隔开。对于该另一本体，优选地选择圆柱形的部分，其一端粘合到薄片，而另一端提供有该另一光学部件。半导体元件优选地施加在电绝缘挠性薄片上，该薄片的一侧具有导体图案，电连接区域借助于布线链接连接到导体图案，并且该布线链接封装在绝缘外壳中。
在非常有利的实施例中，具有许多带状或者矩形光学透明薄片的载体本体在包括许多半导体元件的晶片上移动，其中该光学透明薄片在背离载体本体的一侧上接纳粘合层，并且该具有薄片的载体本体相对于具有半导体元件的晶片对准之后，通过将载体本体按压在晶片上，随后移去载体本体，将该薄片粘合到该半导体元件。
一旦为晶片提供了光学透明薄片，并且一旦在其中形成了光学部件，优选地，提供有另一光学部件的另一本体附着到晶片中的每个半导体元件，由此该另一部件位于半导体元件表面的有源部分上，并且通过空腔与薄片隔开。该晶片优选地以面对半导体元件表面的一侧固定到位于环状物内部的膜上，并且在安装了另一光学部件之后，通过划片将该晶片切分为分立的半导体元件。
在有吸引力的变化方案中，独立的半导体元件沉积在带状的电绝缘挠性薄片上，该薄片的一侧提供有导体图案，电连接借助于布线链接而链接到该导体图案，该布线链接封装在绝缘外壳中，随后该带状挠性薄片被切分为多个部分，每个部分包括一个半导体元件。
优选地，光学薄片是这样制造的，借助于可以由UV辐射进行分离的胶将光学透明薄膜粘合到UV透明载体薄膜上，在光学透明薄膜中通过借助于激光束进行局部切割形成带状或者矩形薄片，随后该薄膜的多余部分可以挤压出去或者被完全去除。由例如UV透明载体薄膜形成薄片的载体本体。一旦薄膜的多余部分被去除并且一旦该薄片粘合到晶片上，则可以借助于UV辐射再次去除UV透明载体薄膜。优选地，通过一对板状真空镊子形成载体本体，通过该真空镊子拾取包括载体薄片的UV透明载体薄膜，随后通过UV辐射去除UV透明载体薄膜。
应当注意，通过根据本发明的方法，可以特别有利地产生所需用于适当光学操作的公差。这样，可以容易地获得xy方向上+/-50μm和z方向+/-100μm的光学部件的对准精度。然而，还可以获得更高的精度，诸如+/-5～10μm的公差。倾斜精度，即相对于90度的法线的角偏差，可以轻易达到+/-0.8度或者甚至更小。
现将通过参考实施例的示例和附图进一步描述本发明，在附图中：
图1以平面图示意性地示出了根据本发明的半导体器件的实施例，
图2以示意性地示出了沿图1所示器件的线II-II在厚度方向的剖面图，
图3～9在对应于图2的剖面图中示出了借助于根据本发明的方法的实施例进行的连续制造阶段中的图1的器件，
图10～14示出了图3～9的方法中，在连续的制造阶段中所使用的薄片制造，
图15说明了图10～14的制造的变型。
该图并非依照比例绘制，并且为了清楚起见，对所示的某些尺寸，诸如厚度方向上的尺寸进行了放大。在不同的图中，相似的区域和部件部分尽可能地采用了相似的参考符号。
图1在平面图中示意性地示出了根据本发明的半导体器件的实施例，图2示意性地示出了沿图1所示器件的线II-II在厚度方向的剖面图。器件10包括光电半导体元件1，这里是用于照相机的CMOS(互补金属氧化物半导体)固态图像传感器，其包括半导体本体11，其一个表面具有光学有源部分1A和非光学有源部分1B，在该非光学有源部分1B中存在元件1的电连接区域2。在半导体本体11表面的光学有源部分1A上方存在本体3，其包括光学部件3。而且，此处在CMOS传感器的表面上以及在其每个像素上，直接存在有所谓的微透镜。它们未在图中示出。
根据本发明，本体3包括光学透明薄片3，其位于半导体本体11表面的光学有源部分1A上，并且借助于粘合层4与之连接，并且其中形成了部件3B。在该示例中，光学薄片3包括聚乙烯且是100μm厚。其可由例如3M公司提供。薄片3还可由不同的材料制成，诸如聚酯，并且可具有适当的厚度，例如在20～200μm之间。横向尺寸与元件1的光学有源部分1A的尺寸相适应，并且在该示例中是2mm×1.5mm。这里有源部分1A是约1.6mm×1.2mm，而整个元件测量为1.4mm×4mm。这里粘合层4包括所谓的PSA(压敏粘合剂)，其也可获得自3M，名称为3M Optical Clear Adhesive，然而也可以使用其他的适当的粘合剂。透镜3B具有基本上对应于有源区域1A的尺寸的横向尺寸。确定透镜3B的开口以及焦距为例如在1～3mm之间。
在该示例中，器件10包括另一本体5，其固定到半导体本体11，在该情况中是固定到薄片3，并且其在半导体本体11表面的有源部分1A上方包括另一部件6，在该情况中是IR滤光器，其通过空洞或者空腔与薄片3隔开。另一本体5具有圆柱形部分5A，其一端通过粘合层19粘合在薄片3上，这里粘合层19也是PSA胶。其另一端允许待检测的辐射S，即可见光，入射在元件1上，并且具有另一光学部件6，在情况中是IR滤光器6。有利地，与该情况类似，半导体元件1固定在电绝缘挠性薄片17上，其一侧具有导体图案8。电连接区域2通过布线链接9连接到导体图案8，这里是通过薄片17中的过孔，并且该布线链接封装在绝缘外壳12中，其在该情况中包括在环氧树脂或者聚氨酯基底上的所谓的glob-top或者黑色封装，并且其对可见光是不透明的。这里外壳12还保护另一本体5的大部分，防止来自侧面的光入射。该示例的器件10是通过根据本发明的方法如下制造的。
图3～9在对应于图2的剖面图中示出了借助于根据本发明的方法的实施例进行的连续制造阶段中的图1所示器件。从晶片111开始(图3)，由于以常规的方式进行制造，因此其包括大量的半导体元件1、1’，并且为了简便起见，仅示出了其中两个半导体元件1、1’，并且半导体元件1、1’包括光学有源区域1A。载体本体14在其上方移动，这里是经由通道14A连接到真空装置(在图中未示出)的一对板状真空镊子14。背对该真空装置存在提供有粘合层4的光学透明薄片3。该薄片相对于晶片111的有源区域1A对准。然后可以利用在晶片111上的对准特征。
现在(参看图4)，光学薄片3通过镊子14对准，并且被按压在晶片111上并通过粘合作用与之粘合。关闭镊子14的真空，随后移去镊子14。然后(参看图5)，借助于优选加热的压模13，通过将压模13按压在薄片3上，在薄片3中形成了透镜3B。这可以通过利用大量的压模13、或者通过在晶片111的表面上转移单一的压模13(如该示例中的)或者小的压模13阵列来同时地实现。
然后(参看图6)，晶片111安装在膜15上，其位于环16的内部。这可以这样实现，即通过将晶片111翻转而置于辅助环上(在图中未示出)，随后环16围绕晶片111安置。然后，膜15通过滚轧机接合到晶片111的背面和环16的背面。随后(参看图7)，通过利用粘合层19进行结合，具有栅格6的另外的本体5固定到该薄片。该步骤也可以完全或部分地串行或者并行地执行。
然后(参看图8)，通过使用划片机(在图中未示出)在两个相互垂直的方向上穿过栅格划片，可以由晶片111的元件1、1’形成独立的半导体本体11。最后(参看图9)，例如，通过一对管状的真空镊子(在图中未示出)从膜15上拾取独立的半导体元件，并且借助于粘合层18将其固定到具有导体图案8的绝缘挠性薄片17，其中粘合层18包括常见的本身是导电或者不导电的胶，诸如epotek(类)的粘合剂。随后安装布线链接9和绝缘外壳12，并且将薄片17切成片，每片包含一个元件1，产生了图1和2所示的器件10，该器件可即刻使用。
图10～14示出了图3～9的方法期间连续的制造阶段中所使用的薄片制造，除了图12示出了垂直于厚度方向的剖面图中的平面图。从载体薄膜开始(参看图10)，其对于UV辐射是透明的，并且具有约100μm的厚度。在其顶部上存在用于薄片3的材料的光学透明膜33。膜33通过粘合层21粘贴到载体薄膜，该粘合层21具有可借助于UV辐射变为可溶解的胶。膜33通过激光束22切断，在此操作中形成了薄片3，并且通过槽34使之与膜33的其余部分3A分离。选择激光束22的波长，使得其确实在膜33中被吸收，但是几乎不或者完全不在载体薄膜20或者粘合层21中吸收。在图12的平面图中以及在图11中对应于平面图的沿图12.2中的线XI-XI的剖面图中，示出了切通膜33。为清楚起见，图12用虚线示出了半导体晶片111的(未来的)位置。现在可以从膜20上分离掉膜33的多余部分3A。膜20可以用作图3中的载体本体14，用于在向薄片3提供粘合层4之后(如图3所示)，在晶片111上提供薄片3。在薄片3沉积在晶片1 1上之后，在穿过膜20对粘合层21进行UV辐射之后，移除膜20。
在该示例中，提供有构图的膜33的(基板)膜通过真空镊子14拾取(参看图13)。现在，借助于穿过膜20的UV辐射24使得粘合层21可溶解，随后借助于适当的溶剂移除粘合层21和膜20。然后获得了如图14所示的载体本体14。一旦移除了膜33的多余部分3A，并且一旦借助于浸渍涂覆了粘合层4，则获得了如图3所示的情况。在其变型中，将真空镊子14的表面制作成具有一定的轮廓，而膜33的多余部分3A所处的镊子14的部分与载体板14齐平地安装。其结果是，由于多余部分3A被部分地挤压到载体板14的齐平安装部分中，因此不需要将其去除。
图15示出了图10～14的制造的变型。在类似于图12的平面图中，该图示出了薄片3和多余部分3A中膜33的分布的变型。槽34对应于激光束22所遵循的路线。激光束22可以最新不间断的路线。由于使多余部分3A是连贯制造的，因此可以容易地将其移除。这样，该带状物具有基本上对应于晶片111的直径的长度，由此带状物3在晶片111中的大量元件1上延伸。带状物3在其对应于图1中带状薄片7的纵向方向的纵向方向上安置在元件1上。如果元件1仅具有两行相互面对的电连接区域2，则该变型是特别适宜的。为清楚起见，在该图中用虚线示出了晶片111以及其中的元件1。在晶片111的划片过程中，如图8所示，穿过该图的平面划开带状薄片3。
本发明不限于所示实施例的示例，对于本领域的普通技术人员而言，在本发明的范围内，许多变化和修改是可行的。例如，可以制造具有不同几何形状和/或不同尺寸的器件。对于光学元件，可以使用凹透镜替换凸透镜。即使在本发明的范围内，也可能具有许多的变化方案。上文有关器件的陈述同样适用于其制造。例如，使用划片替换由激光束进行的切割用于形成薄片，也是可行的。而且，光学透明薄片可以例如借助于超声波或者激光焊接技术固定到半导体本体的表面。
而且，应当注意，该器件可以采用或不采用集成电路的形式，包括另外的有源和无源半导体元件或者电子元件，诸如二极管和/或晶体管以及电阻器和/或电容。这样，可以有利地形成附加电路，其执行诸如计时器、脉冲发生器、DA(数模)转换器或者图像处理装置DSP(数字信号处理)的功能。最后，应当注意，该器件还适于与除了图像传感器以外的光电部件一起使用，诸如光电二极管或LED，或者甚至是光学可编程或消除编程的ROM(只读存储器)。

Claims (19)

1.一种半导体器件，其包括光电半导体元件，所述光电半导体元件包括半导体本体，其表面具有光学有源部分和非光学有源部分，所述光电半导体元件的电连接区域位于所述非光学有源部分中，在该半导体本体表面的光学有源部分位于有包括光学部件的本体，其特征在于，所述本体包括光学透明薄片，其中形成了位于半导体本体表面的光学有源部分上并与之连接的光学部件。
2.权利要求1的半导体器件，其特征在于，所述薄片借助于光学透明粘合层连接到半导体本体的表面。
3.权利要求1或2的半导体器件，其特征在于，另一本体附着于所述半导体本体，所述另一本体包括位于半导体本体表面的有源部分上的另一光学部件，所述另一光学部件借助于空腔与薄片隔开。
4.权利要求3的半导体器件，其特征在于，所述另一本体包括圆柱形部分，其一端粘合到所述薄片，而另一端提供有所述另一光学部件。
5.权利要求1、2、3或4的半导体器件，其特征在于，所述光电半导体元件固定到电绝缘挠性薄片上，所述薄片的一侧提供有导体图案，所述电连接区域借助于布线链接连接到所述导体图案，并且所述布线链接封装在绝缘外壳中。
6.权利要求1、2、3、4、5或6的半导体器件，其特征在于，所述光电半导体元件包括固态图像传感器，所述部件包括透镜，且所述另一部件包括透镜和/或对于红外辐射是不透明的滤光器。
7.一种制造所述半导体器件的方法，所述半导体器件包括具有半导体本体的光电半导体元件，所述半导体本体的表面具有光学有源部分和光学非有源部分，在所述光学非有源部分中存在所述光电半导体元件的电连接区域，在所述半导体本体表面的光学有源部分上安装了包括光学部件的本体，其特征在于，针对本体选择光学透明薄片，其中所形成的光学部件安装在半导体本体表面的光学有源部分上。
8.权利要求7的方法，其特征在于，所述光学部件借助于光学透明粘合层固定到半导体本体的表面。
9.权利要求7或8的方法，其特征在于，通过使用成形压模按压所述薄片，并且优选地同时进行加热，从而在所述薄片中形成了光学部件。
10.权利要求7、8或9的方法，其特征在于，提供有另一光学部件的另一本体固定到所述半导体本体，使得所述另一光学部件位于所述光学透明薄片上，并且通过空腔与之隔开。
11.权利要求10的方法，其特征在于，对于所述另一本体，选择圆柱形部分，其一端粘合到所述薄片，而另一端提供有所述另一光学部件。
12.权利要求7、8、9、10或11的方法，其特征在于，所述光电半导体元件固定到电绝缘挠性薄片上，所述薄片的一侧提供有导体图案，所述电连接区域借助于布线链接连接到所述导体图案，并且所述布线链接封装在绝缘外壳中。
13.权利要求7、8、9、10、11或12中的任何一个的方法，其特征在于，载体本体包括许多带状或者矩形光学透明薄片，所述光学透明薄片在背离载体本体的一侧上接纳粘合层，所述载体本体在包括许多半导体元件的晶片上移动，并且在所述具有薄片的载体本体相对于半导体元件的晶片对准之后，通过将所述载体本体按压在所述晶片上，随后移去所述载体本体，从而将所述薄片粘合到所述半导体元件。
14.权利要求13的方法，其特征在于，一旦所述晶片已经接纳了所述光学透明薄片，并且一旦在其中已经形成了所述光学部件，则提供有另一光学部件的另一本体附着到所述晶片中的每个半导体元件，由此所述另一部件位于所述半导体元件表面的有源部分上，并且通过空腔与所述薄片隔开。
15.权利要求14的方法，其特征在于，所述晶片以面对所述半导体元件表面的一侧固定到位于环内部的膜上，并且在安装了所述另一光学部件之后，通过划片将所述晶片切分为分立的半导体元件。
16.权利要求15的方法，其特征在于，独立的半导体元件固定到带状的电绝缘挠性薄片上，所述薄片的一侧提供有导体图案，电连接借助于布线链接而链接到所述导体图案，所述布线链接封装在外壳中，随后所述带状挠性薄片被切分为多个部分，每个部分包括一个半导体元件。
17.权利要求13、14、15或16中的一个的方法，其特征在于，所述薄片是这样制造的：借助于可以通过UV辐射进行分离的胶将光学透明薄膜粘合到UV透明载体薄膜上，在光学透明薄膜中通过借助于激光束进行切割形成带状或者矩形薄片，随后所述薄膜的多余部分可以部分地被挤压出去或者被完全去除。
18.权利要求17的方法，其特征在于，所述载体本体是由所述UV透明载体薄膜形成的，并且，在去除薄膜的多余部分之后并且在所述薄片固定到所述晶片之后，通过暴露于UV光将其去除。
19.权利要求17的方法，其特征在于，通过一对板状真空镊子形成载体本体，通过所述真空镊子拾取提供有所述薄片的所述UV透明载体薄膜，随后通过UV曝光去除所述UV透明载体薄膜，然后从所述载体本体上剥离所述薄膜的多余部分。
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