-
Die
Erfindung betrifft die elektronischen Bildsensoren, und insbesondere
die Sensoren sehr kleiner Abmessungen, die es ermöglichen,
Miniaturkameras wie diejenigen herzustellen, die man ggf. in ein
Mobiltelefon einbauen möchte.
-
Für diese
Art Anwendung ist es notwendig, die gesamte Kamera durch Verfahren
herzustellen, die so wirtschaftlich wie möglich sind, um nicht zu abschreckenden
Kosten des Geräts
zu kommen, da dieses a priori für
einen Verkauf an den privaten Endverbraucher bestimmt ist.
-
Um
dies zu erreichen, versucht man einerseits, den Bildsensor und die
elektronischen Verarbeitungsschaltungen wenn möglich auf dem gleichen monokristallinen
Halbleitersubstrat (im Prinzip Silicium) herzustellen, und andererseits
versucht man, soweit wie möglich
das Aufbringen von verschiedenen Schichten, die Ätzungen, die Wärmebehandlungen usw.
kollektiv auf einem globalen Substrat in Form einer Scheibe (oder "Wafer") durchzuführen, die
viele gleiche Sensoren aufweist, ehe die Scheibe in einzelne Sensoren
zerschnitten wird. Typischerweise weist eine Siliciumscheibe mehrere
tausend einzelne Chips auf, die je den Kern eines Bildsensors, also
einer Kamera, bilden.
-
Diese
Herstellungsverfahren und Aufbauten eines Farbbildsensors, die bis
heute vorgeschlagen wurden, sind aber hinsichtlich des Qualität/Herstellungskosten-Verhältnisses
nicht ganz zufriedenstellend: Man hat kein Herstellungsverfahren
gefunden, das gleichzeitig ausreichend einfach, industriell effizient
und mit immer höheren
Qualitätsanforderungen an
das gelieferte Bilds kompatibel ist. Eine dieser Anforderungen ist
insbesondere die Qualität
der Kolorimetrie, die besonders durch die klare Trennung der Lichtstrahlen zwischen
benachbarten fotoempfindlichen Punkten bestimmt wird, die mit verschiedenen Farbfiltern
bedeckt sind.
-
Ein
Farbbildsensor wird üblicherweise
folgendermaßen
hergestellt: Man geht von einer Siliciumscheibe aus, auf deren Vorderseite
Vorgänge
der Maskierung, des Einbringens von Verunreinigungen, des Aufbringens
von verschiedenen provisorischen oder endgültigen Zusammensetzungsschichten,
von Ätzungen
dieser Schichten, Wärmebehandlungen usw.
durchgeführt
werden; diese Vorgänge
ermöglichen
es, eine Matrix aus fotoempfindlichen Punkten und aus den diesen
Punkten zugeordneten Verarbeitungsschaltungen elektrischer Signale
zu definieren; dann werden auf die Vorderseite der Siliciumscheibe farbige
Filterungsschichten aufgebracht, die individuell geätzt werden,
um ein Matrixmuster zu definieren: Die Matrix weist in Zeile und
in Spalte Gruppen von drei oder vier nebeneinander liegenden Filtern
unterschiedlicher Farben für
jeden Bildpunkt des Sensors auf. Jeder Elementarfilter befindet
sich über
einer jeweiligen fotoempfindlichen Zone, die das Licht einer einzigen
Farbe empfängt.
Die direkt benachbarten Filter über
direkt benachbarten fotoempfindlichen Zonen haben unterschiedliche
Farben. Schließlich
wird die Siliciumscheibe in Chips zerschnitten, die je einen einzelnen
Farbbildsensor bilden.
-
Die
Farbfilter sind über
den Isolierschichten, leitenden Schichten und halbleitenden Schichten
angeordnet, die zur Definition der fotoempfindlichen Punkte und
ihren Verbindungen gedient haben. Sie befinden sich in einem Abstand
von mehreren Mikrometern oberhalb der Siliciumzonen, die die Lichtphotonen
in Elektronen umwandeln. Dieser senkrechte Abstand ist nicht vernachlässigbar
bezüglich
der waagrechten Abmessungen eines fotoempfindlichen Punkts, und
er induziert das folgende Phänomen: Photonen,
die ein Farbfilter durchquert haben, erreichen nicht sofort die
diesem Filter entsprechende fotoempfindliche Zone; auf dem Weg,
den sie nach dem Farbfilter noch durchlaufen müssen, können sie gestreut werden, Brechungen,
Reflexionen erfahren, usw. Daraus folgt, dass ein Teil der Photonen
eine benachbarte fotoempfindliche Zone erreichen kann. Wenn man
mit monochromem Licht arbeitet, hätte dies keine große Bedeutung:
Es würde
daraus ein geringer räumlicher
Auflösungsverlust
entstehen, der nur die Bildzonen betreffen würde, die hohe räumliche
Frequenzen aufweisen. Bei einer Farbbildkamera ist das Problem aber
sehr viel kritischer, da selbst Bildzonen, die nur schwache räumliche
Frequenzen haben (zum Beispiel eine Bildzone mit gleichmäßiger roter
Farbe), stark betroffen sind: Die Farbe wird systematisch zerstört, da die
den anderen Farben entsprechenden Pixel systematisch einen Teil
des Lichtflusses empfangen, der nicht für sie bestimmt ist. Die Qualität der Kolorimetrie
ist also besonders betroffen von der Streuung des Lichts in dem
Zwischenraum, der den Farbfilter und die ihm entsprechende fotoempfindliche
Zone trennt.
-
Dieses
Problem ist besonders kritisch bei den Technologien von CMOS-Bildsensoren.
Diese Technologie auf der Basis von Fotodioden als fotoempfindliche
Elemente wird immer häufiger
verwendet, da sie es ermöglicht,
auf dem gleichen IC-Chip sowohl den Bildsensor (Matrix von fotoempfindlichen Punkten)
als auch zugeordnete Signalsteuer- und Verarbeitungsschaltungen
herzustellen. Diese Technologie erfordert aber das Aufbringen von
vielen dielektrischen und metallischen Schichten über der Höhe des Siliciums,
in dem die eigentlichen fotoempfindlichen Zonen hergestellt sind.
Daraus folgt, dass die Farbfilter, die über dieser Stapelung aufgebracht werden,
besonders weit von den fotoempfindlichen Zonen entfernt sind, und
das Phänomen
der Verschlechterung der Kolorimetrie ist besonders deutlich. Die
Höhe des
Stapels erreicht in diesem Fall leicht etwa zehn Mikrometer.
-
Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, ein Herstellungsverfahren und
einen Aufbau eines Farbbildsensors anzubieten, die die kolorimetrische
Qualität
der erhaltenen Bilder zum Preis einer geringen, aber akzeptablen
Erhöhung
der Herstellungskomplexität
deutlich verbessern, ohne andere Qualitäten zu beeinträchtigen,
wie die Empfindlichkeit bei schwachem Licht und der reduzierte Platzbedarf.
-
Zu
diesem Zweck schlägt
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Farbbildsensors
vor, das aufweist:
- – die Bildung einer Reihe von
aktiven Zonen, die Bilderfassungsschaltungen aufweisen und je einem
Bildsensor entsprechen, auf der Vorderseite einer Halbleiterscheibe,
wobei jede aktive Zone fotoempfindliche Zonen aufweist, die mit
isolierenden und leitenden Schichten bedeckt sind, die das Auffangen
von elektrischen Ladungen erlauben, die in den fotoempfindlichen
Zonen erzeugt werden,
- – den Übertrag
der Scheibe mit ihrer Vorderseite auf die Vorderseite eines Trägersubstrats,
- – das
Entfernen des größten Teils
der Dicke der Halbleiterscheibe, wobei auf dem Substrat eine dünne Halbleiterschicht
gelassen wird, die die fotoempfindlichen Zonen enthält, wobei
die Dicke der Halbleiterscheibe nach der Verdünnung etwa 8 bis 30 Mikrometer
beträgt,
einschließlich
der Dicke der Stapelung von leitenden (14) und isolierenden
Schichten (16),
- – und
später
das Aufbringen und Ätzen
auf die so verdünnte
Halbleiterschicht von Farbfiltern.
-
Man
versteht, dass mit diesem Verfahren die Farbfilter sich nicht mehr über dem
Stapel von isolierenden und leitenden Schichten befinden, die (in
der CMOS- oder einer anderen Technologie) im Laufe der Herstellung
der Halbleiterscheibe möglicherweise
auf die fotoempfindlichen Zonen aufgebracht wurden. Ganz im Gegenteil,
die Filter befinden sich unter den fotoempfindlichen Zonen, entgegengesetzt
zu den isolierenden und leitenden Schichten, die sich dann auf der
anderen Seite der fotoempfindlichen Zonen befinden. Das heißt, dass
bei der Verwendung des Sensors in einer Kamera das Licht die Farbfilter durchquert
und direkt die fotoempfindlichen Zonen erreicht, ohne den Stapel
von isolierenden und leitenden Schichten durchqueren zu müssen.
-
Dieses
Herstellungsverfahren erfordert einen Übertrag einer Halbleiterscheibe
auf ein Substrat und eine Verdünnung
der Halbleiterscheibe. Die Techniken des Übertrags und der Verdünnung werden
immer besser beherrscht, so dass die Mehrkosten des Vorgangs für eine deutlich
verbesserte Bildqualität
akzeptabel sein werden.
-
Der
Platzbedarf des Sensors (da man Sensoren mit sehr kleinen Abmessungen
herstellen möchte)
wird nicht verschlechtert, und die Empfindlichkeit bei schwachem
Licht ist sogar verbessert.
-
Der
erfindungsgemäße Bildsensor
weist also hauptsächlich
auf einem Trägersubstrat
eine es überlagernde
Einheit auf, die einerseits eine sehr dünne Halbleiterschicht, in der
ein Matrixgitter von fotoempfindlichen Zonen geformt wurde, und
andererseits eine Stapelung von geätzten isolierenden und leitenden
Schichten aufweist, die das Auffangen von elektrischen Ladungen
erlauben, die vom Licht in jeder der fotoempfindlichen Zonen erzeugt
wurden, und er ist dadurch gekennzeichnet, dass Farbfilter auf diese überlagerte
Einheit auf der Seite der sehr dünnen Halbleiterschicht
aufgebracht werden, damit das zu erfassende Licht in der Reihenfolge
durch die Farbfilter und dann durch die fotoempfindlichen Halbleiterzonen
geht, ehe es den Stapel von isolierenden und leitenden Schichten
erreicht, ohne auf ein Gitter der leitenden Schichten zu treffen,
ehe es das Gitter von fotoempfindlichen Zonen erreicht, wobei die
Halbleiterschicht eine Dicke von etwa 3 bis 20 Mikrometern über der
Stapelung von leitenden und isolierenden Schichten hat.
-
Der Übertrag
der Halbleiterscheibe kann durch Kleben, durch klassisches Schweißen, durch Anodenschweißen (bekannt
unter der englischen Bezeichnung "anodic bonding"), oder durch einfaches molekulares
Haften erfolgen (sehr hohe Kontaktkraft zwischen zwei sehr ebenen
Flächen).
-
Die
Verdünnung
der Scheibe nach dem Übertrag
auf das Substrat und vor dem Aufbringen der Farbfilter kann auf
mehrere verschiedene Weisen erfolgen: Verdünnung durch Läppen, chemisches Verdünnen, Kombination
der zwei Typen (zuerst mechanisch, dann chemische Endbearbeitung,
oder aber mechanische Bearbeitung in Gegenwart von chemischen Produkten);
man kann auch die Verdünnung
durch vorhergehende Versprödung
der Scheibe in Höhe
der gewünschten
Schnittebene durchfuhren, insbesondere durch Tiefeneinbringen von
Wasserstoff in die gewünschte
Schnittebene. In diesem letzteren Fall wird das Einbringen von Wasserstoff
in geringer Tiefe in die Halbleiterscheibe vor dem Übertrag der
Scheibe auf das Substrat ausgeführt.
Die Verdünnung
wird anschließend
durch eine Wärmebehandlung
durchgeführt,
die die Scheibe in Höhe
der eingebrachten Schnittebene trennt, indem eine dünne Halbleiterschicht
mit dem Substrat in Kontakt gelassen wird.
-
Die
sehr starke Verdünnung
der Scheibe lässt
deren Dicke von mehreren hundert Mikrometern vor dem Übertrag
auf das Substrat auf 3 bis 20 Mikrometer nach dem Übertrag
auf das Substrat übergehen.
-
Vorzugsweise
weist der IC-Chip, der einem einzelnen Sensor entspricht, eine Matrix
von fotoempfindlichen Elementen, Steuerschaltungen der Matrix und
zugeordnete Bildverarbeitungsschaltungen auf, die Signale empfangen,
die von den fotoempfindlichen Elementen der aktiven Zone stammen.
Die so der Matrix zugeordneten Schaltungen werden vorzugsweise gegenüber dem
Licht durch eine Aluminiumschicht maskiert, wobei nur die Matrix dem
Licht ausgesetzt ist.
-
In
einer besonderen Ausführungsform
werden auf dem Trägersubstrat
vor dem Übertrag
der Halbleiterscheibe metallbeschichtete Bohrungen geformt, die
mit der gleichen Geometrie angeordnet sind wie die Anschlusskontakte,
die auf der Halbleiterscheibe um jede aktive Zone herum (also am
Umfang jedes einzelnen Bildsensors) geformt werden. Beim Übertrag
kommen die Anschlusskontakte mit den metallbeschichteten Bohrungen
in Kontakt, und es können
an der Rückseite
des Trägersubstrats
Verbindungen nach außen
hergestellt werden. Die Bildsensoren können außerdem auf der Scheibe getestet
werden, ehe sie nach den Vorgängen
des Übertrags,
der Verdünnung,
des Aufbringens und des Ätzens
von Farbfiltern in einzelne Sensoren zerschnitten werden.
-
Die
Halbleiterscheibe ist vorzugsweise aus Silicium. Das Trägersubstrat
kann aus Silicium sein. Es kann auch aus einem anderen Werkstoff
hergestellt sein, dessen Dehnungskoeffizient mit demjenigen des
Siliciums kompatibel ist, um keine übermäßigen Beanspruchungen bei Temperaturschwankungen
zu erzeugen, denen der Aufbau aus Scheibe und Substrat ausgesetzt
ist.
-
Die
Druckschrift
US-A-5
244 817 beschreibt einen verdünnten Sensor für nicht-farbige
Bilder.
-
Die
Druckschrift
US-B1-6
257 491 beschreibt ein optisches Modul für einen
Scanner.
-
Die
Druckschrift
US-A-5
274 250 beschreibt einen nicht verdünnten Sensor mit Beleuchtung über die
Vorderseite.
-
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht. Es
zeigen:
-
1 einen
klassischen CMOS-Farbbildsensor;
-
2 einen
Farbbildsensor gemäß der Erfindung;
-
3 eine
besondere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Sensors
mit einer transparenten Schutzschicht über den Farbfiltern;
-
4 eine
mögliche
Verbindungsart des Sensors mit der Außenumgebung durch metallbeschichtete
Zugangsschächte,
die in der Siliciumscheibe vor dem Übertrag auf das Trägersubstrat
geformt werden;
-
5 eine
andere mögliche
Verbindungsart mit metallbeschichteten Bohrungen, die im Trägersubstrat
vor dem Übertrag
der Scheibe geformt werden;
-
6 noch
eine weitere mögliche
Verbindungsart mit metallbeschichteten Zugangsschächten, die
nach dem Vorgang der Verdünnung
geformt werden;
-
7 eine
Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Sensors,
bei der ein endgültiges Substrat
transparent ist, wobei die Farbfilter sich zwischen dem transparenten
Substrat und der verdünnten
Siliciumschicht befinden;
-
die 8 bis 12 die
verschiedenen Ausführungsschritte
des Sensors in einem praktischen Beispiel entsprechend der Ausführung der 5.
-
1 ruft
kurz das Prinzip eines Farbbildsensors des Stands der Technik in
Erinnerung. Der Sensor wird auf einem Siliciumsubstrat 10 hergestellt,
dessen Dicke mehrere hundert Mikrometer beträgt, wobei diese Dicke diejenige
der Siliciumscheibe ist, auf der gleichzeitig eine Vielzahl von
einzelnen Bildsensoren hergestellt wird.
-
Die
Bilderfassungsschaltungen (Matrix von fotoempfindlichen Punkten,
Transistoren, Verbindungen) werden auf einer Seite der Siliciumscheibe
hergestellt, die man Vorderseite nennen kann und die die Oberseite
in 1 ist. Die Herstellung impliziert einerseits Streuungen
und verschiedene Anordnungen in dem Silicium ausgehend von der Oberseite der
Scheibe, um insbesondere fotoempfindliche Zonen 12 zu formen,
und andererseits Beschichtungen und aufeinanderfolgende Ätzungen
von leitenden Schichten 14 und von isolierenden Schichten 16,
die eine Stapelung oberhalb der fotoempfindlichen Zonen 12 formen.
Die isolierenden und leitenden Schichten sind Teil der Bilderfassungsschaltungen und
ermöglichen
das Auffangen der elektrischen Ladungen, die in den fotoempfindlichen
Zonen von einem auf den Sensor projizierten Bild erzeugt werden.
-
Über dem
Stapel von leitenden und isolierenden Schichten ist ein Matrixgitter
eines Farbfilters 18 angeordnet, damit jeder einzelnen
fotoempfindlichen Zone 12 ein bestimmter Farbfilter 18 entspricht,
wobei die fotoempfindliche Zone 12 im Prinzip nur das Licht empfängt, das
den entsprechenden Farbfilter durchquert hat. Die benachbarten fotoempfindlichen Zonen
entsprechen unterschiedlichen Farben, zum Beispiel rot, grün, blau,
oder cyanblau, magentarot und gelb, und ein dreifarbiger Bildpunkt
entspricht drei (manchmal vier) benachbarten Farbfiltern.
-
Bei
der Verwendung kommt das vom zu erfassenden Bild modulierte Licht
auf den Filtern an, durchquert die leitenden und isolierenden Schichten und
kommt zu den fotoempfindlichen Zonen.
-
Die
isolierenden Schichten sind im Prinzip gut transparent, aber die
leitenden Schichten sind meist undurchsichtig und reflektierend;
die eigentliche fotoempfindliche Zone ist also nicht unter Abschnitten
von leitenden Schichten angeordnet, und das Licht kommt nach Durchquerung
der Farbfilter und der isolierenden Schichten direkt auf die fotoempfindliche
Zone.
-
Die
Vielzahl von übereinanderliegenden
isolierenden Schichten und das Vorhandensein von leitenden Schichten
meist aus Aluminium auf den Seiten erzeugt aber viele Brechungen
und Reflektionen, die zu einem Teil des Lichts werden, das von einem Farbfilter
zu den fotoempfindlichen Zonen geht, die nicht diesem Filter entsprechen.
Selbst ein geringer Prozentsatz von so abgeleitetem Licht führt zu einer starken
Verschlechterung der kolorimetrischen Leistungen des Sensors.
-
2 stellt
den erfindungsgemäßen Sensor dar.
Er weist ein Substrat 20 auf, das zunächst eine übereinander angeordnete Einheit
aus zwei Gruppen von Schichten trägt. Eine der Gruppen, die in
der Ausführung
der 2 direkt auf dem Substrat 20 getragen
wird, ist eine Stapelung von leitenden 14 und isolierenden
Schichten 16 analog zur Stapelung von leitenden 14 und
isolierenden Schichten 16 der 1, aber
in umgekehrter Richtung angeordnet. Diese Stapelung kann eine Dicke
von etwa zehn Mikrometer haben. Die zweite Gruppe von Schichten weist
eine sehr dünne
Siliciumschicht 30 (etwa 3 Mikrometer bis 20 Mikrometer
Dicke) auf, in der durch eine Anordnung und/oder Streuung von Verunreinigungen
fotoempfindliche Zonen 12 geformt wurden. Die leitenden
und isolierenden Schichten 14 und 16 definieren
elektrische Schaltungen, die das Auffangen von elektrischen Ladungen
erlauben, die vom Licht in den fotoempfindliche Zonen 12 erzeugt
werden. Die Gesamtheit der Zonen 12, der Schichten 14 und
der Schichten 16 ist gleich derjenigen der 1, aber
umgekehrt angeordnet, d. h. nach unten gerichtet.
-
Farbfilter 18 werden
auf die sehr dünne
Siliciumschicht 30 entgegengesetzt zu den leitenden und
isolierenden Schichten aufgebracht, so dass das Licht in der Reihenfolge
durch die Farbfilter, dann durch die fotoempfindlichen Siliciumzonen,
dann ggf. durch die isolierenden und leitenden Schichten geht. Man
wird sehen, dass die Ausführung
der 8 eine andere Stapelung als diejenige der 2 aufweist, da
das Substrat, das dann transparent ist, zuerst die Farbfilter, dann
die sehr dünne
Siliciumschicht, dann die Stapelung von isolierenden und leitenden
Schichten trägt,
aber die Farbfilter befinden sich noch entgegengesetzt zur Stapelung
von isolierenden und leitenden Schichten und benachbart zur Schicht
aus sehr dünnem
Silicium, im Gegensatz zu dem, was man in 1 sieht.
-
Folglich
gibt es allgemein über
den fotoempfindlichen Zonen 12 zwischen der Ebene dieser
Zonen und der Ebene der Farbfilter kein Gitter von elektrischen
Verbindungsleitern. Alle eingeätzten
Gitter von Leitern, die den Betrieb der fotoempfindlichen Matrix
gewährleisten,
befinden sich unter den fotoempfindlichen Zonen und den Farbfiltern,
die sie bedecken.
-
Die
Photonen, die einen Farbfilter 18 durchqueren, werden in
der sehr dünnen
Siliciumschicht 30 absorbiert und erzeugen elektrische
Ladungen, die in der fotoempfindlichen Zone 12 aufgefangen werden
(in der Praxis eine Fotodiode), die sich unter dem Farbfilter befindet.
Die elektrischen Ladungen werden von den Leitern der Stapelung aufgefangen, die
sich unter der fotoempfindlichen Zone befindet. Diese Stapelung
von isolierenden und leitenden Schichten stellt kein Hindernis für die Photonen
dar und erzeugt also keine Umlenkung zu den benachbarten fotoempfindlichen
Zonen. Nur die nicht von der Siliciumschicht 30 absorbierten
Photonen verlieren sich in diesen Schichten.
-
Das
Herstellungsverfahren des Sensors der 2 besteht
global darin, eine Siliciumscheibe genau so vorzubereiten, als ob
ein traditioneller Sensor wie derjenige der 1 hergestellt
würde,
mit Ausnahme des Einsetzens der Farbfilter. Dann wird diese Scheibe
auf eine andere Scheibe oder Trägerscheibe übertragen,
die das Substrat 20 bildet. Bei diesem Vorgang wird die
Vorderseite der Siliciumscheibe, die die fotoempfindlichen Schaltungen
trägt,
gegen die Trägerscheibe
gelegt (die man mit 20 bezeichnen kann, da sie das Substrat 20 der 2 bildet).
In diesem Stadium wird an Scheiben (mit einem Durchmesser von zum
Beispiel 150 bis 300 mm) und nicht an einzelnen Sensoren gearbeitet.
-
Vorzugsweise
sollte die Vorderseite der Siliciumscheibe vor dem Vorgang des Übertrags
sehr eben gemacht werden, da die Vorgänge des Aufbringens und des Ätzens der
Stapelung von isolierenden und leitenden Schichten 14, 16 ein
Relief auf dieser Seite erzeugt haben. Diese "Planarisierung" wird klassisch durch Aufbringen einer
Isolierschicht durchgeführt,
die die Hohlräume
des Reliefs ausfüllt. Diese
Planarisierungsschicht muss nicht transparent sein.
-
Der Übertrag
der Siliciumscheibe auf die Trägerscheibe 20 kann
durch verschiedene Mittel erfolgen, wobei das einfachste Mittel
einfach ein Halten durch molekulares Haften sein kann, wobei die
große Ebenheit
der in Kontakt stehenden Flächen
sehr hohe Kontaktkräfte
erzeugt. Eine Klebverbindung ist auch möglich. Wie man weiter unten
sehen wird, kann man auch eine mechanische und elektrische Verbindung
zwischen Anschlusskontakten der Siliciumscheibe und Anschlusskontakten
der Trägerscheibe 20 mittels
metallischer oder organischer leitender Buckel herstellen.
-
Nach
dem Übertrag
der Siliciumscheibe mit ihrer Vorderseite auf die Trägerscheibe
wird der größte Teil
der Dicke der Siliciumscheibe entfernt, um nur eine Dicke von etwa
8 bis 30 Mikrometern übrig zu
lassen, einschließlich
der Dicke der Stapelung von Schichten. Was von der Siliciumscheibe übrig bleibt, ist
nur noch einer Übereinanderanordnung
von einigen Mikrometern (zum Beispiel von 5 bis 10) für die Stapelung
von Schichten 14, 16 und etwa 3 bis 20 Mikrometern
für die
verbleibende Siliciumdicke, einschließlich der fotoempfindlichen
Zonen 12. Die verbleibende Dicke ist die Schicht 30 der 2.
-
Der
Vorgang der Verdünnung
kann durch mechanische Feinbearbeitung (Läppen), beendet durch eine chemische
Feinbearbeitung, oder durch mechanisch-chemische Feinbearbeitung,
oder nur durch eine chemische Feinbearbeitung, oder auch durch ein
besonderes Trennverfahren erfolgen, das vorher eine Anordnung einer
Versprödungs-Verunreinigung
in der Ebene erfordert, die die verdünnte Siliciumschicht begrenzen
wird.
-
Im
Fall dieser Trennung durch Anordnung von Verunreinigungen muss die
Anordnung vor dem Übertrag
der Siliciumscheibe auf die Trägerscheibe erfolgen.
Die Anordnung erfolgt nämlich über die
Vorderseite der Siliciumscheibe über
deren ganze Fläche
und bis in eine Tiefe, die die Schnittebene definieren wird. Die
vorhergehende Anordnung ist vorzugsweise eine Anordnung von Wasserstoff.
Sie kann in verschiedenen Stadien der Herstellung der Scheibe durchgeführt werden,
aber die Trennung der Dicke der Scheibe gemäß der angeordneten Schnittebene
erfolgt erst, wenn die Siliciumscheibe auf die Trägerscheibe
aufgesetzt wurde. Diese Trennung erfolgt hauptsächlich durch eine Wärmebehandlung, die
Spannungen erzeugt, die die Scheibe gemäß der vorangeordneten Schnittebene
halbiert.
-
Die
Oberfläche
der verdünnten
Siliciumschicht 30 kann bearbeitet werden (Feinläppen, chemische
Reinigung, mechanisch-chemisches Polieren, usw.), um die Oberflächenfehler
zu entfernen, wonach die Farbfilter aufgebracht und geätzt werden können, was
zu einer Scheibe mit vielen Sensoren führt, deren allgemeiner Aufbau
derjenige der 2 ist. Falls gewünscht, kann
man eine oder mehrere zusätzliche
Schichten vor dem Aufbringen der Farbfilter aufbringen, und insbesondere
Passivierungsschichten, Antireflex-Schichten und andere Schichten,
zum Beispiel Schichten, die für
die elektrische Aktivierung der dotierten Siliciumschichten (Schichten
elektrischer Polarisation) notwendig sind. Diese zusätzlichen
Schichten sind in 2 mit 19 bezeichnet
und sind in den anderen Figuren nicht dargestellt.
-
3 zeigt
eine Ausführung,
in der ausgehend von 2 außerdem eine transparente Schicht 35 über die
ganze Fläche
des Sensors angeordnet wurde. Diese Schicht 35 aus Glas
oder transparentem Kunststoff wird eng gegen die Fläche angelegt, die
die Filter trägt.
Sie absorbiert wenig die Photonen und schützt die Fläche der Farbfilter und das
Silicium, das darunter ist. Diese Schicht kann eine Dicke von einigen
Mikrometern bis zu einigen hundert Mikrometern haben.
-
Eine
Planarisierungsschicht kann vor dem Aufbringen der Schicht 35 auf
die Farbfilter aufgebracht werden, um die Reliefunregelmäßigkeiten
aufgrund der Farbfilter verschwinden zu lassen.
-
Es
ist hier anzumerken, dass die transparente Schicht 35 auf
der von dem Substrat 20 getragenen Einheit eingesetzt werden
kann, während
letzteres noch in Form einer Scheibe ist (6 oder 8 Zoll Durchmesser
zum Beispiel), die viele einzelne Bildsensoren trägt.
-
Die 4 bis 7 stellen
verschiedene Arten dar, um Kontakte zwischen dem Sensor und der Außenumgebung
herzustellen, zum Beispiel um Steuersignale und eine Versorgungsenergie
zuzuführen,
und um die elektronischen Signale aufzufangen, die das vom Sensor
erfasste Bild darstellen. Diese Kontakte werden auch hier hergestellt,
während
man an der Scheibe arbeitet, vor der Teilung der Scheibe in einzelne
Sensoren.
-
In
der Ausführung
der 4 wurden in der Vorderseite der Siliciumscheibe
(in 4 nach unten weisende Seite) vor dem Übertrag
auf die Trägerscheibe
Zugangsschächte 50 erzeugt,
die sich bis auf eine Tiefe von 3 bis 20 Mikrometer unter der ursprünglichen
Fläche
des Siliciums erstrecken, und sich genauer exakt bis zu der Tiefe
erstrecken, bis auf die die Siliciumscheibe verdünnt werden wird.
-
Die
so ausgehöhlten
Zugangsschächte
befinden sich am Umfang jedes einzelnen Sensors, wobei die aktive
fotoempfindliche Matrixzone ZA von der Reihe von Schächten 50 umgeben
ist (deren Anzahl für
einen einzelnen Bildsensor typischerweise 30 oder 40 betragen kann).
Die Schächte 50 sind
mit einem leitenden Werkstoff 52 (Aluminium, Kupfer, Wolfram,
usw.) gefüllt,
der an der Oberfläche
der Siliciumscheibe (nach unten weisende Seite in Kontakt mit dem Übertrag-Substrat 20)
mit einer oder mehreren der leitenden Schichten 14 in Kontakt
kommt, genauer mit denjenigen, die einen Kontakt nach außen benötigen. Vor
dem Füllen
der Schächte
mit dem leitenden Werkstoff ist es vorteilhaft, eine isolierende Schicht
(nicht dargestellt) auf die Innenwände des Schachts aufzubringen,
um die Kontakte von der Siliciumschicht 30 zu isolieren.
-
Bei
der Verdünnung
des Siliciums nach dem Übertrag
wird der größte Teil
der Dicke des Siliciums entfernt, bis das Metall 52 der
Schächte 50 mit
der Fläche
fluchtet, die gerade verdünnt
wird. Dieses Metall kann dann entweder direkt oder nach komplementären Vorgängen des
Aufbringens und Ätzens verwendet
werden, um Kontaktbereiche nach außen zu bilden. Man kann daran
Schweißdrähte 54 (wire-bonding),
um den Übertrag
des Sensors mit der Rückseite
gegen eine IC-Karte durchzuführen,
oder aber leitende Buckel (zum Beispiel Indiumkugeln 56) für einen Übertrag
des Sensors mit der Vorderseite gegen eine IC-Karte ("Flip-Chip"-Technik) befestigen. In
diesem letzteren Fall ist offensichtlich die IC-Karte an der Stelle
der fotoempfindlichen Matrix offen, um das Licht hindurchzulassen.
Die Version mit Drähten 54 und
die Version mit Buckeln 56 sind in der gleichen 4 dargestellt,
aber natürlich
muss eine einzige Version in dem gleichen Sensor verwendet werden.
-
Die
Farbfilter 18 werden nach der Verdünnung der Siliciumscheibe eingesetzt.
-
5 stellt
eine andere Ausführung
dar, um Verbindungskontakte nach außen herzustellen. In dieser
Ausführung
wurde die Trägerscheibe 20,
auf die man die Siliciumscheibe übertragen
hat, vorher durch Bildung von leitenden Bohrungen 60 vorbereitet,
die die ganze Dicke des Trägers
durchqueren. Diese Bohrungen münden
an den zwei Seiten der Trägerscheibe,
und sie sind genau gegenüber
Anschlusskontakten 22 angeordnet, die auf der Vorderseite
der Siliciumscheibe am Umfang der aktiven Zone ZA jedes einzelnen
Bildsensors hergestellt wurden.
-
Beim Übertrag
der Siliciumscheibe auf die Trägerscheibe
wird so der Kontakt zwischen den leitenden Bohrungen 60 und
den Bilderfassungsschaltungen der Siliciumscheibe hergestellt.
-
Die
leitenden Bohrungen, die an der Rückseite der Trägerscheibe 20 münden, ermöglichen
alle möglichen
Verbindungen mit der Außenumgebung, Wire-bonding,
Flip-Chip oder andere.
-
Man
stellt fest, dass die Verbindung hergestellt wird, während man
noch an der Siliciumscheibe arbeitet, und dass man einen Test der
Bildsensoren auf der Scheibe durchführen kann (Test unter Spitzen),
was aus Kostengründen
des Tests sehr vorteilhaft ist. Diese Anmerkung betrifft ebenfalls
die anderen hier beschriebenen Verbindungsmodi (4, 6, 7).
-
6 beschreibt
eine Ausführung,
bei der der Kontakt mit Hilfe der folgenden Vorgänge hergestellt wird: Nach
der Verdünnung
der Siliciumscheibe werden Zugangsschächte 70 nicht nur
in der verdünnten
Siliciumschicht 30, sondern auch in bestimmten der isolierenden
Schichten 16 hergestellt, bis das leitende Metall einer
leitenden Schicht 14 in Flucht gebracht wird, mit der man
eine Verbindung nach außen
herstellen möchte.
Man metallisiert anschließend
diese Schächte 70 durch
Aufbringen einer leitenden Schicht 72, die mit der Schicht 14 in Kontakt
kommt und die mit der Fläche
der verdünnten
Siliciumschicht 30 fluchtet, um äußere Anschlusskontakte 74 zu
bilden.
-
Außerdem kann
man in der Ausführung
der 6 ebenfalls vorsehen, dass der Vorgang des Übertrags
der Siliciumscheibe auf die Trägerscheibe 20 durch
einen Schweißvorgang,
vorzugsweise durch leitende Buckel 76 (zum Beispiel Indiumkugeln),
zwischen den leitenden Bereichen einer Schicht 14 der Siliciumscheibe
und leitenden Bereichen gegenüber
den ersten erfolgt, die in der Trägerscheibe 20 geformt
sind. Vorzugsweise füllt
ein Füllharz 78 den
Raum, der zwischen den zwei Scheiben freigelassen wird, die durch
die Dicke der Buckel getrennt sind. Dieses Harz gewährleistet
die Steifheit der Scheibe während
und nach der Verdünnung.
-
Man
stellt fest, dass in den Ausführungen
der 4 bis 6 das Trägersubstrat 20 aktive
oder passive Schaltungselemente aufweisen kann, insbesondere in
dem Fall, in dem dieses Substrat aus Silicium ist: Integrierte Schaltungen
können
in diesem Substrat gemäß der klassischen
Technologie der Herstellung von integrierten Schaltungen gebildet werden,
was es ermöglicht,
in den Bildsensor zusätzliche
elektronische Funktionen zu integrieren, andere als diejenigen,
die in die Siliciumschicht 30 integriert sind.
-
7 stellt
eine Ausführungsvariante
dar, die die folgenden Besonderheiten hat: die Farbfilter 18,
die verdünnte
Siliciumschicht 30 und die Stapelung von leitenden und
isolierenden Schichten 14 sind in dieser Reihenfolge auf
einem transparenten Substrat (Glas oder Kunststoff) 80 angeordnet.
Das zu erfassende Bild wird durch das transparente Substrat hindurch
gesehen und geht zuerst durch die Farbfilter, um die fotoempfindlichen
Zonen der verdünnten
Siliciumschicht 30 zu erreichen; die den durchquerten Filtern
entsprechenden Farbphotonen werden in der Schicht 30 absorbiert;
nur die nicht absorbierten Photonen können die Stapelung von isolierenden
und leitenden Schichten 14, 16 erreichen.
-
Anschlusskontakte 82,
die durch Aufbringen von Metall und Ätzen hergestellt werden und
Teil einer Schicht 14 oder in Kontakt mit einer Schicht 14 sind,
sind auf der Oberseite der Einheit (nach oben in 7)
vorgesehen.
-
Um
diesen Aufbau herzustellen, muss man verstehen, dass man einen ersten Übertrag
der Siliciumscheibe auf eine Trägerscheibe 20,
wie in der Ausführung
der 2, dann einen zweiten Übertrag des Aufbaus der 2 auf
ein transparentes Substrat 80 und eine totale oder teilweise
Unterdrückung der
Trägerscheibe 20 durchführt, die
nur als provisorischer Träger
gedient hat.
-
Ausgehend
von dem Aufbau der 2, der wie bereits beschrieben
hergestellt wurde, ebnet man hierzu, wenn nötig, die die Farbfilter tragende Oberfläche, um
ihr eine Ebenheit (insbesondere eine sehr gute Ebenheit, wenn der Übertrag
durch molekulares Haften erfolgt) zu verleihen, die mit einem neuen Übertrag
kompatibel ist. Das Planarisierungsharz muss transparent sein, da
es sich auf dem Weg des Lichts vor den fotoempfindlichen Zonen befinden wird.
-
Dann
wird der Übertrag
des so planarisierten Aufbaus auf das Substrat 80 durchgeführt, wobei
die Farbfilter oder die Planarisierungsschicht in direktem Kontakt
mit dem transparenten Substrat 80 sind. Man entfernt den
größten Teil
des oder sogar das ganze Substrat 20 durch mechanische
und/oder chemische Mittel, oder durch Versprödung durch Anordnung von Wasserstoff
zum Beispiel, wie bereits erläutert.
In diesem Fall muss die Anordnung von Wasserstoff in der Trägerscheibe 20 vor
dem ersten Übertrag
der Siliciumscheibe auf die Scheibe 20 erfolgt sein, was
voraussetzt, dass es zwischen dem Übertrag auf die Scheibe 20 und
dem Übertrag
auf das Substrat 80 keinen Vorgang auf Temperaturen gibt,
die das Reißen
in Höhe
der Ebene der Anordnung von Wasserstoff bewirken können.
-
Da
das provisorische Substrat 20 entfernt wurde, können Anschlusskontakte 82,
die mit den leitenden Schichten 14 der Bilderfassungsschaltungen verbunden
sind, mit der Fläche
des Aufbaus der 7 fluchten.
-
Die 8 bis 12 zeigen
das Ausführungsdetail
im Fall des Sensors der 5.
-
In 8 sieht
man den allgemeinen Aufbau einer Siliciumscheibe, auf der durch
klassische Techniken die Bilderfassungsschaltungen einer Vielzahl von
Bildsensoren mit fotoempfindlichen Zonen 12 hergestellt
wurden, die von einer Stapelung von leitenden 14 und isolierenden
Schichten 16 bedeckt sind.
-
Anschlusskontakte 22 werden
auf der Oberseite der Scheibe hergestellt.
-
Wenn
der Sensor mit einer klassischen Technologie hergestellt würde, würde man
dann auf die Fläche
der Scheibe ein Mosaik von Farbfiltern aufbringen.
-
Erfindungsgemäß werden
in diesem Stadium keine Farbfilter aufgebracht, sondern die Scheibe wird über ihre
Vorderseite auf ein Übertragssubstrat 20 übertragen,
das in 9 dargestellt ist.
-
Das
Substrat 20 ist eine Scheibe mit dem gleichen Durchmesser
wie die Scheibe 10 und mit einer analogen Dicke, um die
Steifheit des Aufbaus während
der Herstellung zu gewährleisten;
es kann außerdem
aus einer anderen Siliciumscheibe bestehen.
-
Das Übertragssubstrat
weist metallbeschichtete Bohrungen 60 auf, die seine ganze
Dicke durchqueren, angeordnet mit der gleichen Geometrie wie die
Eingangs-/Ausgangskontakte 22,
die auf der Siliciumscheibe 10 geformt sind.
-
Im
oberen Bereich jeder metallbeschichteten Bohrung findet man einen
leitenden Bereich 62, der beim Übertrag der Scheibe 10 auf
das Substrat 20 direkt mit einem Kontakt 22 der
Scheibe 10 in Kontakt kommen kann. Im unteren Bereich jeder
metallbeschichteten Bohrung hat man ebenfalls einen metallbeschichteten
Bereich 64.
-
Der Übertrag
kann nach dem Aufbringen einer "Planarisierungs"-Schicht durchgeführt werden, die
dazu dient, die Reliefs auszufüllen,
die auf der Vorderseite der Siliciumscheibe durch die Vorgänge des
Aufbringens und des Ätzens
der Stapelung von leitenden und isolierenden Schichten erzeugt wurden.
Diese Planarisierungsschicht muss nicht transparent sein. Sie muss
die Oberfläche
der leitenden Kontakte 22 frei lassen.
-
10 zeigt
die Scheibe 10 umgedreht mit der Oberseite nach unten,
in Kontakt über
diese Seite mit der Oberseite des Übertragssubstrats 20.
-
Der Übertrag
erfolgt durch Klebverbindung oder durch molekulares Haften. Er kann
sogar durch Schweißen
der Kontakte 22 auf die Bereiche 62 erfolgen.
-
Nach
diesem Übertrag
wird die Verdünnung der
Siliciumscheibe durchgeführt,
bis nur noch eine Dicke von 15 bis 30 Mikrometer übrig ist,
einschließlich
der Dicke der Stapelung von Schichten 14, 16. Die
verbleibende Siliciumdicke 30 und die Stapelung von Schichten 14, 16 enthalten
alle die Bilderfassungsschaltungen (11).
-
Schließlich werden
auf die so verdünnte
Siliciumschicht 30 ein Farbfilter-Mosaik und ggf. auch eine
transparente Folie, sogar Mikrolinsen aufgebracht (12).
-
Die
metallbeschichteten Bereiche 64, die sich an der Rückseite
des Trägersubstrats 20 befinden,
dienen als Eingangs-/Ausgangskontakte des Sensors, da sie elektrisch
mit den Bilderfassungsschaltungen verbunden sind, die in der verdünnten Siliciumscheibe 30 geformt
sind. Diese Kontakte können
für eine
Verbindung vom Typ "Wire-bonding" (mit geschweißten Drähten) oder
vorzugsweise vom Typ "Flip-Chip" (umgedrehter Chip)
verwendet werden. In diesem letzteren Fall werden leitende Buckel 66 an der
Oberfläche
der Bereiche 64 geformt.
-
Der
Aufbau kann dann getestet (die Sensoren sind funktionsfähig) und
dann in einzelne Bildsensoren zerschnitten werden.