CN1689163A - 光学微系统和制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于小型照相机或小型矩阵显示器的光学微系统的制造。建议应当在半导体晶圆的正面上共同制造N个点阵阵列和相关的电路，以制造N个相同的芯片(10)，在每个阵列的一侧具有外部连接区(CC)；共同形成用于共同形成N个相同光学图像形成结构的平板且使其与半导体晶圆的正面紧密接触，每个光学图像形成结构覆盖相应的芯片(10)，并且被设计用来形成与相应芯片的整体矩阵相应的完整图像；贯穿晶圆的厚度开有延伸到接触区的导电过孔(32)，并且仅在这些不同的操作后，将晶圆切割成N个单独的光学微系统，该光学微系统包括由光学结构所覆盖的电子芯片。

Description

光学微系统和制造工艺

技术领域

本发明涉及具有单片电子点阵的光学微系统。

背景技术

此处使用术语“光学微系统”表示由单片芯片(通常，由硅制成)形成的图像传感或图像显示系统，在该芯片上，一方面蚀刻出排列成行和列的点阵阵列，另一方面蚀刻出控制该矩阵阵列的电路；与硅芯片紧密接触地设置光学图像形成结构，该芯片与附属的光学结构一起构成光学微系统。

在图像传感器的情形中，矩阵状排列的点为根据单元接收到的光而产生电信号的光敏元件；那么光学图像形成结构是一个能把检测到的完整图像投射到在单片芯片上形成的光敏单元矩阵阵列上的系统(通常，为物镜)。

相反，在图像显示装置的情形中，所述的点为发射或发送，或者反射光的电光单元，根据施加给所述单元的电信号来调制光；那么光学图像形成结构是一种能把施加给在芯片上形成的电光单元矩阵阵列的电信号转变成实或虚的可见图像的结构。

这些光学微系统是打算用于其中小型化是非常重要的应用。这些应用的例子包括，用于投射视频信号的小型光调制器，照相设备或照相机的取景器。移动电话手机上的显示屏和小型摄像机等。

这些系统的成本在很大程度上应归于集成电路芯片的制造成本。这一成本依次一方面取决于制造芯片的硅面积，另一方面取决于制造过程中所包括的操作的性质和数量。特别是，该成本是操作的共同性或非共同性的结果，意味着有些操作在包括若干单独芯片的硅晶圆上共同执行，而其他操作必须在把晶圆切割成单独芯片后在每个芯片上单独执行。如果某些操作不能共同地执行，则成本增加。对于共同操作，如果一个芯片所使用的硅的面积较大，那么仅能将较少数量的芯片放置在晶圆上，从而增加了针对每个芯片的操作成本。

为电子芯片增加光学结构会引起同样的成本问题，这是因为，一方面，必须需要附加的操作来产生这种结构，另一方面，需要为芯片增加光学系统的可能改变并且使得电子芯片本身所需的操作更加复杂或更加昂贵。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提高光学微系统成品的性价比。

本发明提出了一种具有单片电子矩阵的光学微系统的制造工艺，其中在厚度至少为大约一百或几百微米的(通常，由硅制成的)半导体晶圆的正面上，共同制造N个点阵阵列和与每个阵列相关的电路，以便在该晶圆上产生N个相同的单片电子芯片，在每个阵列的至少一侧上具有一组用于从外部连接相应芯片的电接触区，共同制造用于共同形成N个相同图像形成光学结构的平板，并且与半导体晶圆的正面紧密接触地放置，每个图像形成光学结构覆盖一相应的芯片，并且被设计用来形成与相应芯片的整个矩阵阵列相对应的完整图像，在半导体晶圆的背面且贯通其厚度打开到达正面上的接触区的孔，使用这些孔从晶圆的背面建立与接触区的导电连接，并且仅在这些不同的操作之后，把晶圆分割成N个单独的光学微系统，沿相同的切割线进行芯片之间的分离，以及覆盖芯片的光学结构之间的分离。

因此，根据本发明的光学微系统包括厚度为大约一百或几百微米的单片电子芯片、和用于形成与一个点阵阵列相对应的完整图像的光学结构、以及用于访问所述矩阵阵列的芯片背面的电接头以及背面的这些电接头与正面的接触区之间的导电过孔的紧密结合，在所述芯片的正面上具有所述点阵阵列和电接触区，紧靠芯片的正面放置该结构。

在图像微显示器使用充满液晶且由包括背电极的平板密封的腔体作为相关的光学结构的情形中，液晶处于芯片与该平板之间，还可以规定芯片包括一个用于从芯片的背面填充腔体的孔，从芯片的背面延伸到正面，用塞子密封该孔。如同贯穿芯片厚度并且从芯片的背面提供到达矩阵阵列电通路的电过孔那样形成该孔。

实际上通过各向异性等离子体蚀刻形成所述的孔，使用这一技术在硅中形成直径或边长为几十微米，深度超过数百微米的孔。还可以考虑激光或超声波钻孔技术。

最好，该制造工艺包括将芯片粘合到光学图像形成结构的步骤；该步骤可以包括在每个芯片周围形成密封珠以便提供这一粘合；在共同制造阶段，在半导体晶圆上或者在打算用来形成光学结构的平板上，以行和列的形式沉积该珠子；在共同制造步骤结束时，沿着沿密封珠方向延伸的行和列、并且最好沿着密封珠横向居中处，切割晶圆和平板。

附图说明

通过阅读下面参照附图给出的详细说明，本发明的其他特征和优点将是显而易见的，在附图中：

图1和图2用平面图表示共同制造过程中电子芯片阵列与光学结构阵列偏移层叠的原理；

图3和4分别用平面图和侧剖面图表示在共同制造后通过晶圆切割产生的单个光学微系统；

图5表示在切割晶圆时允许在芯片与光学系统之间形成偏移的余量；

图6表示根据本发明的光学微系统结构；

图7表示处于芯片与光学系统之间的密封珠的结构，以及沿珠子方向处于横向中心的切割线；

图8表示如何用在光学结构上形成的背电极制造电端口。

具体实施方式

将主要针对人们特别感兴趣的液晶图像微显示器来描述本发明。

为了更好地理解光学微系统的共同制造所引起的问题，在目前情况下该光学微系统是一个液晶微显示器，图1用平面图示意地表示出硅晶圆(或者更普遍地为集成电路衬底)，在其正面已经共同制造了N个相同的集成电路，每个集成电路与将要制造的一个微显示器相对应。在硅晶圆上进行的共同制造操作之后，沿图1中虚线所示的直线将硅晶圆分割成单独的芯片。由两条相邻的水平虚线H1H1和H2H2以及两条相邻的垂直虚线V1V1和V2V2组成的网格确定单个单片芯片的界线。

单个芯片10包括点阵阵列RM，处于这一网格周围的外围电路，以及沿芯片的至少一侧、处于芯片边缘上的金属接触区CC，不过实际上在需要设置大量接触点的情形中(例如数十个)，接触区是沿芯片的两侧设置。

在制造集成电路芯片时，通过常规方式，电接触区CC通过焊接到这些区的引线连接到外部(一种称作引线键合的技术)。

为了由这种芯片形成同时包含芯片和光学图像形成结构的光学微系统，希望尽可能通过与由包括N个芯片的硅晶圆共同制造芯片相同的方法，由包括N个结构的晶圆共同制造光学结构。

然而，这种制造方法遭遇到了障碍，本发明寻求使其后果最小化。

其中一个具体的障碍是由于需要使到达电接触区CC的通路空闲，以便允许把引线键合到电接触区。

在图2中，假设在(通过键合、焊接或其他方法)被加到硅晶圆的特定晶圆上共同地制造光学结构。已经用位于矩阵阵列20上面的椭圆形象征性地表示出与芯片10相对应的单个光学结构20。对于液晶微显示器，光学图像形成结构20主要包括填充液晶的腔和沉积于玻璃板上的透明电极，用于将来自矩阵阵列的电信号直接转变成将要显示的完整图像。在图像传感器的情形中，例如，通过将检测到的完整图像投影到矩阵阵列上的透镜，形成该结构。

为了使电接触区CC保持空着，用于随后在切割成单独微系统后的引线键合，应理解必须按照与芯片切割线不同的水平和垂直线组成的网格，将晶圆切割成光学结构：如果在右侧沿垂直线VV，在底部沿水平线HH切割芯片10，那么在右侧必须沿偏离线VV的线V’V’，在底部沿偏离线HH的线H’H’切割相应的光学结构。接触区一方面处于线HH与H’H’之间，另一方面处于线VV与V’V’之间。用于切割光学结构的行与列的网格，是一个与切割芯片的行和列的网格相偏离的网格。

因此，由于这种两步切割操作：按照行和列的两个不同网格，切割顶部，切割底部，所以使得在将晶圆切割成N个单独的微系统之前，通过将光学结构晶圆集成在硅晶圆上来共同制造微系统，变得困难且造价高。

图3示出由这种双重切割方法产生的微系统，显示了由切割光学结构晶圆获得的光学晶片22与由切割硅晶圆获得的芯片10之间的偏移层叠，芯片的接触区CC没有被光学晶圆22所覆盖。

图4表示微系统的侧视图，也显示了芯片的侧边与光学晶圆22的侧边之间的这种偏移。与液晶显示器情形相应的图4，显示了一个填充有液晶CL的腔体，在硅片10的正面(正面为形成有矩阵阵列的一侧)与晶圆22之间形成该腔体。腔体覆盖所有的矩阵阵列RM。可以设置垫片24，以便确定腔体的厚度。密封珠26(通常由环氧树脂制成)围绕整个腔体，将其密封，同时将硅晶圆焊接到具有每个芯片的光学结构晶圆上。

图5用平面图表示密封珠26在悬置于矩阵RM上的腔体周围的位置。可以看到，这种系统的实际制造需要提供：

在矩阵RM与焊接珠26之间的间隔余量；

在焊接珠26与光学晶圆22的边缘之间的间隔余量；

在光学晶圆的边缘与接触区CC之间的间隔余量；特别是对于将

引线键合到接触区CC上面的工具来说，这种大的余量是必须的；

在接触区CC与硅晶圆边缘之间的间隔余量。

这些余量相应地增大了给定尺寸的矩阵RM所需的芯片面积，并且相应地增加了给定性能的微系统的成本。

图6给出了根据本发明的微系统的理论结构的剖面图。

硅芯片10与光学晶圆22没有横向偏移地精确层叠。芯片正面上的接触区CC通过恰好贯通芯片厚度的相应导电过孔32，与芯片背面上的相应接触区30电连接，这一厚度通常为数百微米，并且在任何情况下至少为70微米。通过与在厚度大约为10微米或更薄的减薄的硅上形成的图像传感器进行对比，来给出此处所述的厚度，这涉及到细致的操作，尤其是转移到支撑衬底上以及搭接，，并且这些都不是本发明所关注的问题，对于图像传感器是这样，对于显示器更是这样。

在所示液晶显示器的例子中，填充液晶CL的腔体在顶部被优选为玻璃晶圆的晶圆22封闭，在侧面通过完全围绕并精确地沿着芯片和晶圆边缘的密封珠26封闭，珠子26与晶圆(或芯片)边缘之间没有间隔余量，如果需要则可具有非常小的余量。可以设置垫片24，用于确定芯片与光学晶圆22之间的间隔(这些垫片可嵌入密封珠内)。

由晶圆22和腔构成光学图像形成结构，晶圆形成腔体的承重壁。

在图5所示实施例中必不可少的间隔余量不再是必须的。可以将从比例上来说大得多的芯片面积赋予矩阵阵列。

如果希望或者如果必要，接触区CC可以围绕芯片的四边分布，这对于诸如图5的芯片与光学晶圆之间具有偏移的结构来说是不可能的。

对于液晶显示器而言，还设有一个贯通硅晶圆厚度的液晶注入孔34，这是非常有益的。该注入孔要么与接触通孔32同时制造，要么稍后制造。在腔充满液晶后，用粘合剂，例如紫外固化粘合剂制成的塞36，堵塞上孔34。在晶片分割成单个微系统之前，在晶圆上制造过程中进行注入和堵塞，这样做尤其有利，特别是从所引入液晶的纯度这一观点上来说(在晶圆上操作时使杂质最少)。在将微系统的晶圆放置于真空中几个小时之后，进行注入。

采用注入孔，在其边缘的一部分上不需要中断密封珠26，允许在封闭密封珠的中断部分之前进行注入。

在厚硅中用作接触过孔或者注入孔的孔，可通过等离子体活性离子刻蚀形成。可以使直径或宽度为几十微米的孔，深度为数百微米，且这是非常合适的。接触区CC的宽度稍大于孔的宽度，以便孔必然会在接触盘的背面显现出来。如果液晶的特性需要的化，那么注入孔可具有比电连接过孔更大的直径；其不会在接触区上显现。

在芯片的背面，可以沉积并蚀刻导电层，形成与导电过孔32连接的接头30。再者使用该层在芯片背面上产生互连网格。通常要么通过焊线，要么通过直接键合到具有与接头30一致的接触区的衬底上以及芯片与衬底之间的焊接，来使用接头30将芯片与外部连接。在后一种情形中，希望形成接头30作为位于这些接头上的导电突起，或者在芯片背面上的其他要求的位置处形成这种突起，然后通过与接头30同时形成的互连将这些突起与接头30连接。

可在单次切割操作中切割芯片和光学晶圆，不存在横向偏移，并且不需要先在晶圆下面切割，然后在晶圆顶部切割。此外，假设密封珠26不必设置于矩阵阵列与接触区CC之间，则可以在晶圆上两相邻芯片行之间设置单行密封珠，并且在晶圆制造过程结束后，可以沿着精确地位于两芯片行之间的单个密封珠的中心锯成单独的微系统。图7表示理论上的总体布置，显示密封珠26的中心线HH和VV构成微系统切割线。密封珠具有近似为250微米的总宽度。

注意，在液晶显示器应用中，光学结构包括处于芯片上的电极的矩阵阵列与处于光学晶圆22上的背电极，液晶受矩阵阵列的电极与晶圆22上形成的背电极之间的电势差的控制。在图4中，可以在晶圆下面设置接触区，以便提供与背电极的电通路，假设接触区位于没有覆盖芯片10的光学晶圆的那部分中，则该接触区是可接触的。

在根据本发明的结构中，通过图8中所示的方式建立与背电极40的电连接，这与和芯片的键合焊盘建立的那些电连接类似。为了简单起见，该图在右侧上表示出芯片上的一个接触区CC，具有贯通芯片厚度的过孔32，过孔32与芯片背面上的导电区30接触；在左侧上，示出另一个处于芯片正面的接触区42，其覆盖恰好贯通芯片厚度并与芯片背面上的导电区46接触的导电过孔44。过孔44与过孔32类似，填充有导电材料。在接触区42上面，例如沉积了一滴导电粘合剂48，导电粘合剂48与晶圆22的背电极40接触。在将两个晶圆彼此粘合在一起之前进行该沉积过程。以这种方式，穿过芯片背面建立了到达背电极的电通路。

总之，微系统制造过程概括如下：

采用常规方法，通过沉积、蚀刻、掺杂操作，优选以CMOS工艺处理硅晶圆，以便产生矩阵阵列RM，控制该阵列的电路，其他辅助电路(转换器，信号处理电路等)以及接触区CC。

穿过硅晶圆的背面，利用反应离子蚀刻制造打算用来形成导电过孔32的孔，根据将要形成的孔的图案，通过光刻树脂确定待蚀刻孔的界线。为了该光刻，最好使用穿过硅晶圆厚度的红外光照系统进行抗蚀剂对准，并用于检查光刻抗蚀剂在半导体晶圆背面上的位置相对于晶片正面接触区44的位置是否合适。还可以通过激光或超声显微机械加工技术形成孔。

当蚀刻剂到达接触区CC时，停止对硅的蚀刻，表明孔正好贯穿硅的厚度。蚀刻要么在蚀刻剂没有侵蚀接触区的铝的情况下自动停止，要么在检测到出现了铝颗粒时停止。在CMOS工艺中，还可以在金属沉积之前制造的二氧化硅层处停止蚀刻。

注入孔34可以在这一阶段形成，或者可以单独形成。

将孔表面氧化，以防止随后导电过孔与构成芯片主体的硅衬底之间的电接触。

然后，在孔中沉积金属(优选铝)。如果注入孔34已经形成，则在这一阶段保护注入孔34。沉积于孔中的金属处于其表面上，或者填充该孔。

然后要么与前述的金属沉积步骤同时，要么在单独操作中，在整个背表面上沉积金属层。蚀刻该层，在芯片的背面上形成接头30和任何互连。

如果注入孔34还没有制成的话，则可以在这一阶段形成注入孔34。

如果必要，在需要通过直接的焊盘-焊盘表面焊接方式将微系统焊接到支撑衬底上的情况下，则可以在这一阶段在芯片背面上制造导电突起。原则上通过在芯片背面上的导电区上进行电镀来形成突起。

为了形成穿过衬底的接触，可考虑不同的方法，包括，例如，确定正好贯穿衬底的厚度并被圆柱形绝缘环所围绕的导电硅焊盘的边界。

在这一阶段，完成了在芯片背面上的操作。

在不会干扰光学操作的位置处，垫片在芯片的晶圆的正面上已经形成，或者在这一阶段形成(垫片由树脂或氧化物制成，厚度受到控制)。

在这一阶段，尤其是当液晶需要按照与其接触的层的摩擦方向来取向时(具体来说如扭曲向列液晶的情形)，可以沉积一层液晶键控聚酰亚胺。沿希望的方向摩擦该聚酰亚胺。

在晶圆的芯片之间沿行和列沉积粘合剂密封珠(环氧树脂)。

在接触区上沉积直径大于已完成的腔体厚度的导电粘合剂液滴或导电材料球，该接触区提供与光学结构的背电极的接触。

实际上，光学结构的晶圆为涂有全部背电极的单个玻璃晶圆，确定或不确定每个芯片的边界，如果液晶的性质需要的话，则该背电极本身涂有摩擦过的聚酰亚胺。光学结构的晶圆粘合到硅晶圆。密封珠密封每个腔，并将晶圆彼此粘合。通过导电粘合剂建立与背电极的接触。

将密封珠热固化。

然后，在腔体中已经产生真空之后，用液晶填充腔体。通过抽吸和烘烤数小时产生真空。

用粘合剂，如UV固化粘合剂制成的塞子密封注入孔。

然后，例如通过沿行和列方向从密封珠的横向中心线，将晶圆切割成单独的微系统。

如果必要的话，当芯片的背面上已经形成导电凸起时，可通过常规的表面安装技术(焊接导线，然后翻转芯片，以便正面面对衬底，不过然后需要衬底相对于芯片打开，否则光学结构将不能起作用)，或者利用焊接、焊接盘到焊接盘的表面安装，将微系统表面安装到衬底上。

本发明对于液晶微显示器方面特别感兴趣，其中矩阵阵列的电极既作为用于向液晶局部施加电势差的控制电极，又作为光学反射器，将通过液晶到达电极的光反射，并使其通过液晶返回。在此情形中电极最好由铝制成。

Claims (5)

1、一种具有单片电子矩阵的光学微系统的制造方法，其中在厚度至少为大约一百或几百微米的半导体晶圆的正面上，共同制造N个点阵阵列(RM)和与每个阵列相关的电路，以便在该晶圆上产生N个相同的单片电子芯片(10)，在每个阵列(RM)的至少一侧上，具有一组用于将相应芯片与外部相连的电接触区(CC)，共同制造用于共同形成N个相同光学图像形成结构的平板，并且该平板设置成与所述半导体晶圆的正面紧密接触，每个光学图像形成结构(12)覆盖一个相应的芯片(10)，并且被设计用来形成与相应芯片的整个矩阵阵列相对应的完整图像，在所述半导体晶圆的背面且贯穿其厚度开一个到达正面上的接触区(CC)的孔(32)，这些孔用于从晶圆的背面建立与接触区的导电连接，并且仅在这些各种操作之后，将所述晶圆分割成N个单独的光学微系统，沿相同的切割线(HH，VV)来进行芯片之间，和覆盖芯片的光学结构之间的分割。

2、如权利要求1所述的工艺，其特征在于，它包括在每个芯片周围形成密封珠(26)，用于将所述芯片与所述光学图像形成结构粘接在一起，在共同制造阶段，在所述半导体晶圆上或者在用来形成所述光学结构的平板上，按照行和列沉积所述珠子，并且其特征还在于，在晶圆上的共同制造步骤结束时，沿着沿密封珠方向延伸、处于密封珠横向中心处的行和列切割晶圆和平板。

3、如权利要求1或2其中一项所述的工艺，用于制造液晶微显示器，在所述芯片和用于形成所述光学结构的平板之间形成的腔体内含有液晶，其特征在于为每个芯片形成贯穿所述半导体晶圆厚度的填充孔(34)，其特征还在于进行填充，并且在填充之后，在将所述晶圆和所述平板分割成单独的微系统之前，在该孔中形成一个塞子。

4、一种光学微系统，其特征在于包括厚度为一百或几百微米的单片电子芯片、和用于形成与一个点阵阵列相对应的完整图像的光学结构、以及用于访问所述矩阵阵列的芯片背面上的电接头(30)和在背面上的这些电接头与正面上的接触区之间的导电过孔(32)的紧密结合，所述单片电子芯片在其正面上具有点阵阵列(RM)和电子接触区(CC)，所述结构放置成紧靠所述芯片的正面。

5、如权利要求4所述的微系统，形成液晶微显示器，并且使用填充有液晶且通过由包括背电极的平板(12)所密封的腔体来作为相关的光学结构，液晶处于芯片与所述平板之间，所述芯片还包括用于从芯片的背面填充腔体的孔(34)，该孔从芯片的背面延伸到正面，所述孔通过塞子(36)来密封。

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