TW201508931A - 光學感測器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種光學感測器及其製造方法。光學感測器可耦接於基板，包含半導體感測器晶粒以及複數個導電連接體。半導體感測器晶粒包含第一表面、第二表面以及感測部。當光學感測器耦接於基板時，第一表面面對基板。第二表面與第一表面相背，且向半導體感測器晶粒內部形成窗口。感測部設置於第一表面及第二表面間，且至少部分暴露於窗口。複數個導電連接體設置於第一表面，並與感測部耦接，供光學感測器耦接於基板。

Description

光學感測器及其製造方法
本發明係關於一種光學感測器的封裝，特別是有關於光學感測器及其製造方法。
對於工業，特別是自動化控制而言，感測元件是不可或缺的。常見的感測元件例如光感測器、溫度感測器、壓力感測器、濕度感測器、距離感測器等。其中，因為光感測器可以感測環境亮度，供顯示器作為調整亮度的參考，藉以達到省電功效，所以廣泛應用於各式具有顯示器的消費性產品上。
在常見的封裝製程中，光感測器的晶片與基板間是以導線耦接。由於需要預留間隙供打線使用，故模組在尺寸上較難達到小型化的需求。另一方面，有部分封裝材質較易因受熱而軟化(例如透明膠常用的樹脂)，進而去拉扯導線使其斷裂或與導線架接觸不良。
本發明之主要目的在於提供一種光學感測器及其製造方法，以解決先前技術所遭遇到之上述問題。
光學感測器可耦接於一基板，光學感測器包含半導體感測器晶粒以及複數個導電連接體。半導體感測器晶粒包含第一表面、第二表面以及感測部。當光學感測器耦接於基板時，第一表面面對基板。第二表面與第一表面相背，且向半導體感測器晶粒內部形成窗口。感測部設置於第一表面及第二表面間，且至少部分暴露於窗口。複數個導電連接體設置於第一表面，並與感測部耦接，供光學感測器耦接於基板。
半導體感測器晶粒進一步包含基材以及覆體。基材具有相背之第一表面以及承載面，其中感測部設置於承載面。覆體覆蓋承載面，並 形成窗口以至少暴露部分之感測部。
複數個導電連接體為焊球。感測部具有相背之第三表面及第四表面，第三表面朝向第一表面，第四表面至少部分暴露於窗口。感測部為PIN二極體。感測部為堆疊結構。感測部為五層式堆疊結構，包含：下電極、設置於下電極上的第一導電型氫化非晶矽層、設置於第一導電型氫化非晶矽層上的本徵氫化非晶矽層、設置於本徵氫化非晶矽層上的第二導電型氫化非晶矽層、以及設置於第二導電型氫化非晶矽層上且至少部分暴露於窗口的上電極。光學感測器進一步包含透鏡設置於窗口。感測裝置包含前述的光學感測器以及與複數個導電連接體耦接之基板。
光學感測器製造方法，包含：提供基材，具有相背之第一表面以及承載面；於承載面上設置感測部；於承載面上設置覆體，覆蓋承載面及感測部；於第一表面設置複數個導電連接體，且與感測部耦接；以及於覆體形成窗口以至少暴露部分之感測部。
在不同實施例中，光學感測器製造方法包含：提供基材，具有相背之第一表面以及承載面；於承載面上設置感測部；於承載面上設置覆體，覆蓋承載面及感測部；於覆體形窗口以至少暴露部分之感測部；以及於第一表面設置複數個導電連接體，且與感測部耦接。
光學感測器製造方法進一步包含設置透鏡於窗口。於第一表面設置複數個導電連接體之步驟包含使感測部和複數個導電連接體在第一表面之法線方向上的投影至少部分重疊。於第一表面設置複數個導電連接體之步驟包含使用焊球作為複數個導電連接體。
於承載面上設置該感測部之步驟包含：於承載面上設置下電極；於下電極上設置第一導電型氫化非晶矽層；於第一導電型氫化非晶矽層上設置本徵氫化非晶矽層；於本徵氫化非晶矽層上設置第二導電型氫化非晶矽層；以及於第二導電型氫化非晶矽層上形成上電極。
基於上述，在本發明中的光學感測器具有較低的生產成本及較小的體積。
本發明之另一目的在於提供一種光學感測器製造方法，具有較低的生產成本，從而得以解決先前技術所述及的問題。
應瞭解的是，上述一般描述及以下具體實施方式僅為例示性及闡釋性的，其並不能限制本發明所欲主張的範圍。
100‧‧‧半導體感測器晶粒
101‧‧‧第一表面
102‧‧‧承載面
103‧‧‧第二表面
188‧‧‧透鏡
199‧‧‧窗口
200‧‧‧基材
300‧‧‧導電連接體
400‧‧‧感測部
401‧‧‧下電極
402‧‧‧第一導電型氫化非晶矽層
403‧‧‧本徵氫化非晶矽層
404‧‧‧第二導電型氫化非晶矽層
405‧‧‧上電極
430‧‧‧第三表面
440‧‧‧第四表面
499‧‧‧區域
500‧‧‧光學感測器
600‧‧‧覆體
700‧‧‧基板
900‧‧‧感測裝置
圖1為本發明光學感測器之較佳實施例示意圖；圖2為本發明光學感測器之較佳實施例部分放大示意圖；圖3為本發明光學感測器之窗口側壁傾斜之實施例示意圖；圖4為本發明光學感測器進一步具有透鏡之實施例示意圖；圖5A為本發明光學感測器製造方法之較佳實施例流程圖；圖5B為本發明設置感測部之較佳實施例流程圖；圖6A到6F為本發明光學感測器之製造步驟示意圖；圖7為本發明光學感測器製造方法之不同實施例流程圖；圖8A到8F為本發明光學感測器之不同製造步驟示意圖；圖9A到9F為本發明光學感測器之不同製造步驟示意圖。
在下述諸實施例中，當元件被指為「連接」或「耦接」至另一元件時，其可為直接連接或耦接至另一元件，或可能存在介於其間之元件。
如圖1所示之較佳實施例，光學感測器500可耦接於基板700，以組成感測裝置900。光學感測器500包含半導體感測器晶粒100以及複數個導電連接體300。半導體感測器晶粒100包含第一表面101、第二表面103以及感測部400。當光學感測器500耦接於基板700時，第一表面101面對基板700。第二表面103與第一表面101相背，且第二表面103的一部份向半導體感測器晶粒100內部形成窗口199。感測部400設置於第一表面101及第二表面103間，且至少部分暴露於窗口199。更具體而言，感測部400具有相背之第三表面430及第四表面440，第三表面430朝向第一表面101，第四表面440至少部分暴露於窗口199。該些導電連接體300設置於第一表面101，並與感測部400耦接，供光學感測器500耦接於基板700。在本實施例中，基板700可以為印刷電路板、陶瓷基板或其他材質之基板。在本實施例中，複數個導電連接體300較佳為焊球，其可以以球柵陣列(Ball Grid Array,BGA)方式實作，然而在不同實施例中，亦可以凸柱等導體單元替換。
以不同角度觀之，半導體感測器晶粒100進一步包含基材200與覆體600。基材200具有相背之第一表面101與承載面102，其中感測部400設置於承載面102。覆體600覆蓋承載面102，並形成窗口199以至少暴露部分之感測部400。
如圖1所示，在光學感測器500中，感測部400與該些導電連接體300設置於不同表面，可藉此減少該些導電連接體300遮蔽感測部400所造成的干擾。進一步而言，在較佳實施例中，因為感測部400部分至少暴露於窗口199，欲感測的標的訊號或物質可通過窗口199到達感測部，又該些導電連接體300設置於與感測部400所在之承載面102相背之第一表面101，所以本實施例之光學感測器500可以採用例如球柵陣列等作為該些導電連接體300而不會遮蔽感測部400造成干擾。換言之，本實施例之光學感測器500可以達到晶圓級晶片尺寸封裝(wafer level chip scale package,WLCSP)。藉此，本實施例之光學感測器500以及使用其製成的感測裝置900，可具有較低的生產成本及較小的體積。
感測部400較佳包含為光感測部，其較佳為堆疊結構。更具體而言，如圖2所示圖1中區域499之放大圖，感測部400較佳為五層式堆疊結構，包含下電極401、設置於下電極401上的第一導電型氫化非晶矽層402、設置於第一導電型氫化非晶矽層402上的本徵氫化非晶矽層403、設置於本徵氫化非晶矽層403上的第二導電型氫化非晶矽層404、以及設置於第二導電型氫化非晶矽層404上的上電極405。
感測部400較佳為PIN二極體。換言之，堆疊結構具有PIN結構，亦即第二導電型氫化非晶矽層404為P型，厚度較佳介於50Å至500Å，P型摻質的濃度較佳介於1×1017至1×1021原子/立方公分(atoms/cm 3)，P型摻質可以是硼；本徵氫化非晶矽層403的厚度較佳介於500Å至5000Å；第一導電型氫化非晶矽層402為N型，厚度較佳介於50Å至500Å，N型摻質的濃度較佳介於1×1017至1×1021原子/立方公分，N型摻質可以是磷或是砷。下電極401較佳為金屬。上電極405較佳為透光導電物質，例如但不限 為銦錫氧化物及銦鋅氧化物，以利光線通過。上電極405之厚度較佳介於500Å至5000Å。
進一步而言，PIN二極體具有雙面均可感光的特性。因此，在使用PIN二極體作為感測部400的實施例中，藉由在半導體感測器晶粒100之第二表面103(即晶背)開設可暴露第二導電型氫化非晶矽層404之窗口199，亦可讓第二導電型氫化非晶矽層404感光。藉此，本實施例之光學感測器500可以採用例如球柵陣列等作為該些導電連接體300而不會遮蔽感測部400造成干擾。
如圖3所示之不同實施例，窗口199之側壁可進一步傾斜使窗口199具有較大之開口，藉由增強對訊號的蒐集來增強感測效果。如圖4所示之不同實施例，光學感測器500可進一步包含透鏡188設置於窗口199，藉以減少粉塵等污染物接觸到感測部400而造成干擾。透鏡188較佳但不限為透明之環氧樹脂。透鏡188之頂面可具有不同的曲率，藉由增強對訊號的蒐集來增強感測效果。
如圖5A所示之較佳實施例，本發明光學感測器製造方法包含例如以下步驟。
步驟1010，提供基材，具有相背之第一表面以及承載面。具體而言，較佳係提供如圖6A所示具有第一表面101以及承載面102之基材200。其中，基材200較佳為氧化矽、硼磷矽玻璃、磷矽玻璃、無摻雜矽玻璃、氟摻雜矽玻璃、旋塗式玻璃等低介電常數材料。基材200可以使用化學氣相沈積法或旋塗法等方法形成，內部並形成有導線電連通第一表面101以及承載面102。
步驟1030，於承載面上設置感測部。具體而言，較佳係如圖6B所示於承載面102上設置感測部400。其中感測部400較佳係如圖2所示為五層式堆疊結構，包含下電極401、第一導電型氫化非晶矽層402、本徵氫化非晶矽層403、第二導電型氫化非晶矽層404、以及上電極405。
步驟1050，於承載面上設置覆體，覆蓋承載面及感測部。具體而言，較佳係如圖6C所示於承載面102上設置覆體600，覆蓋承載面102及感測部400。覆體600較佳為氧化矽、硼磷矽玻璃、磷矽玻璃、無摻 雜矽玻璃、氟摻雜矽玻璃、旋塗式玻璃等低介電常數材料。覆體600可以使用化學氣相沈積法或旋塗法等方法形成。
步驟1070，於第一表面設置該些導電連接體，且與感測部耦接。具體而言，較佳係如圖6D所示於第一表面101設置球柵陣列作為導電連接體300。導電連接體300係透過前述基材200內部之導線(無繪示)與感測部400耦接。
步驟1090，於覆體形成窗口以至少暴露部分之感測部。具體而言，較佳係如圖6E所示於覆體600形成窗口199以至少暴露部分之感測部400。其中，可藉由乾式或濕式蝕刻或雷射雕刻等方式於覆體600形成窗口199。
在較佳實施例中，光學感測器製造方法可進一步包含步驟1110，設置透鏡於窗口。具體而言，較佳係藉由將液態樹脂注入窗口199，並以紫外線照射或加熱使其硬化成為如圖6F所示之透鏡188。其中，可透過改變液態樹脂的注入量來控制透鏡188之形狀。例如，若液態樹脂的注入量略大於窗口的可容置體積，液態樹脂會因表面張力外凸於窗口的開口而形成凸透鏡。
如圖5B所示，在較佳實施例中，前述步驟1030包含例如以下步驟。
步驟1031，於承載面上設置下電極。具體而言，係以物理氣相沈積法(PVD)或是化學氣相沈積法(CVD)沉積例如金、銀、銅、鈦、鎢、鉬、鉻或鋁等金屬及其疊層或合金或其他導電材料之後，再以微影、蝕刻製程進行圖案化，形成與前述基材200內部之導線(無繪示)耦接之下電極401(請見圖2)。
步驟1033，於下電極上設置第一導電型氫化非晶矽層。步驟1035，於第一導電型氫化非晶矽層上設置本徵氫化非晶矽層。步驟1037，於本徵氫化非晶矽層上設置第二導電型氫化非晶矽層。步驟1033、1035、1037較佳係使用電漿增強型化學氣相沈積法，以B2H6/H2和PH3/H2做為反應摻雜氣體，在沈積的過程中改變摻雜的型態或濃度，並進行微影與蝕刻製程加以以圖案化。其中，第二導電型氫化非晶矽層404為P型，厚度較佳 介於50Å至500Å，P型摻質的濃度較佳介於1×1017至1×1021原子/立方公分(atoms/cm 3)，P型摻質可以是硼；本徵氫化非晶矽層403的厚度較佳介於500Å至5000Å；第一導電型氫化非晶矽層402為N型，厚度較佳介於50Å至500Å，N型摻質的濃度較佳介於1×1017至1×1021原子/立方公分，N型摻質可以是磷或是砷。
步驟1039，於第二導電型氫化非晶矽層上形成上電極。具體而言，較佳係以濺鍍法沉積例如銦錫氧化物及銦鋅氧化物等材料於第二導電型氫化非晶矽層404上，並進行微影與蝕刻製程加以以圖案化。
如圖7所示，在不同實施例中，光學感測器製造方法包含例如以下步驟。
步驟2010，提供基材，具有相背之第一表面以及承載面。具體而言，較佳係提供如圖8A所示具有第一表面101以及承載面102之基材200。其中，基材200較佳為氧化矽、硼磷矽玻璃、磷矽玻璃、無摻雜矽玻璃、氟摻雜矽玻璃、旋塗式玻璃等低介電常數材料。基材200可以使用化學氣相沈積法或旋塗法等方法形成，內部並形成有導線電連通第一表面101以及承載面102。
步驟2030，於承載面上設置感測部。具體而言，較佳係如圖8B所示於承載面102上設置感測部400。其中感測部400較佳係如圖2所示為五層式堆疊結構，包含下電極401、第一導電型氫化非晶矽層402、本徵氫化非晶矽層403、第二導電型氫化非晶矽層404、以及上電極405。感測部400之設置流程較佳包含例如前述步驟1031、1033、1035、1037、及1039。
步驟2050，於承載面上設置覆體，覆蓋承載面及感測部。具體而言，較佳係如圖8C所示於承載面102上設置覆體600，覆蓋承載面102及感測部400。其中，覆體600較佳為氧化矽、硼磷矽玻璃、磷矽玻璃、無摻雜矽玻璃、氟摻雜矽玻璃、旋塗式玻璃等低介電常數材料。覆體600可以使用化學氣相沈積法或旋塗法等方法形成。
步驟2070，於覆體形成窗口以至少暴露部分之感測部。具體而言，較佳係如圖8D所示於覆體600形成窗口199以至少暴露部分之感 測部400。其中，可藉由乾式或濕式蝕刻或雷射雕刻等方式於覆體600形成窗口199。
步驟2090，於第一表面設置該些導電連接體，且與感測部耦接。具體而言，較佳係如圖8E所示於第一表面101設置球柵陣列作為導電連接體300。導電連接體300係透過前述基材200內部之導線(無繪示)與感測部400耦接。
在此不同實施例中，光學感測器製造方法進一步包含步驟2110，設置透鏡於窗口。具體而言，較佳係藉由將液態樹脂注入窗口199，並以紫外線照射或加熱使其硬化成為如圖8F所示之透鏡188。其中，可透過改變液態樹脂的注入量來控制透鏡188之形狀。例如，若液態樹脂的注入量略大於窗口的可容置體積，液態樹脂會因表面張力外凸於窗口的開口而形成凸透鏡。
進一步而言，對比圖6A到6F所示實施例及圖8A到8F可以發現，兩者之不同主要在於窗口199形成的次序先後。更具體而言，在圖6A到6F所示的實施例中，是先設置該些導電連接體300，而後再形成窗口199，藉此可避免設置該些導電連接體300時有污染物接觸到感測部400。在圖8A到8F所示的實施例中，是先形成窗口199，而後再設置該些導電連接體300。換言之，窗口199是直接在製作包含第一表面101、第二表面103以及感測部400的半導體感測器晶粒100的前端製程中完成，然後再於後端封裝製程中設置該些導電連接體300，製造流程較為流暢。
如圖9A到9F所示之不同實施例，窗口199在前端製程完成後，亦可先如圖9E先設置透鏡188於窗口，然後再如圖9F設置該些導電連接體300。如此，不僅可保持製造流程流暢，亦可避免設置該些導電連接體300時有污染物接觸到感測部400。
雖然前述的描述及圖式已揭示本發明之較佳實施例，必須瞭解到各種增添、許多修改和取代可能使用於本發明較佳實施例，而不會脫離如所附申請專利範圍所界定的本發明原理之精神及範圍。熟悉本發明所屬技術領域之一般技藝者將可體會，本發明可使用於許多形式、結構、佈置、比例、材料、元件和組件的修改。因此，本文於此所揭示的實施例應 被視為用以說明本發明，而非用以限制本發明。本發明的範圍應由後附申請專利範圍所界定，並涵蓋其合法均等物，並不限於先前的描述。
100‧‧‧半導體感測器晶粒
101‧‧‧第一表面
102‧‧‧承載面
103‧‧‧第二表面
199‧‧‧窗口
200‧‧‧基材
300‧‧‧導電連接體
400‧‧‧感測部
430‧‧‧第三表面
440‧‧‧第四表面
499‧‧‧區域
500‧‧‧光學感測器
600‧‧‧覆體
700‧‧‧基板
900‧‧‧感測裝置

Claims (10)

  1. 一種光學感測器，可耦接於一基板，該光學感測器包含：一半導體感測器晶粒，包含：一第一表面，當該光學感測器耦接於該基板時，該第一表面面對該基板；一第二表面，與該第一表面相背，且具有一窗口；以及一感測部，設置於該第一表面及該第二表面間，且至少部分暴露於該窗口；以及複數個導電連接體，設置於該第一表面，並與該感測部電性耦接，供該光學感測器耦接於該基板。
  2. 如請求項1所述之光學感測器，其中該半導體感測器晶粒進一步包含：一基材，具有相背之該第一表面以及一承載面，其中該感測部設置於該承載面；以及一覆體，覆蓋該承載面，並形成該窗口以至少暴露部分之該感測部。
  3. 如請求項1所述之光學感測器，其中該些導電連接體為焊球。
  4. 如請求項1所述之光學感測器，其中該感測部具有相背之一第三表面及一第四表面，該第三表面朝向該第一表面，該第四表面至少部分暴露於該窗口。
  5. 如請求項1所述之光學感測器，其中該感測部為PIN二極體。
  6. 如請求項1所述之光學感測器，其中該感測部為堆疊結構。
  7. 如請求項6所述之光學感測器，其中該感測部為五層式堆疊結構，包含：一下電極；一第一導電型氫化非晶矽層，設置於該下電極上；一本徵氫化非晶矽層，設置於該第一導電型氫化非晶矽層上；一第二導電型氫化非晶矽層，設置於該本徵氫化非晶矽層上；以及一上電極，設置於該第二導電型氫化非晶矽層上，且至少部分暴露於該窗口。
  8. 一種光學感測器的製造方法，包含：提供一基材，具有相背之一第一表面以及一承載面；於該承載面上設置一感測部；於該承載面上設置一覆體，覆蓋該承載面及該感測部；於該第一表面設置複數個導電連接體，且與該感測部耦接；以及於該覆體形成一窗口以至少暴露部分之該感測部。
  9. 如請求項8所述之製造方法，其中於該第一表面設置複數個導電連接體之步驟包含使用焊球作為該些導電連接體。
  10. 如請求項8所述之製造方法，其中於該承載面上設置該感測部之步驟包含：於該承載面上設置一下電極；於該下電極上設置一第一導電型氫化非晶矽層；於該第一導電型氫化非晶矽層上設置一本徵氫化非晶矽層；於該本徵氫化非晶矽層上設置一第二導電型氫化非晶矽層；以及於該第二導電型氫化非晶矽層上形成一上電極。
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