TWI578397B - A method of manufacturing a medium that can not penetrate a radiation for a functional element - Google Patents

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Description

為功能元件製造輻射不能穿透之介質的方法
本發明涉及一種製造輻射不能穿透之介質的方法，此等介質將至少一個包含多個功能元件的功能單元環繞遮蔽住，其中功能單元具有一個頂面、一個背面、以及環繞的側邊，同時可以在一片晶圓上一起連貫製造許多個功能單元。功能單元可以被視為一個根據所要完成的任務及作用而製造出的功能性組件。在本發明中，凡是能夠以定性或定量的方式測量特定的物理或化學特性(例如熱輻射、溫度、濕度、壓力、熱音、亮度、加速度)及/或環境物質特性的測量傳感器，都可以被視為功能單元。功能單元透過物理或化學效應測得測量值，然後經過進一步處理轉換成電信號。例如輻射傳感器就是一種功能單元。所謂輻射傳感器是指一種測量電磁輻射用的組件。不同構造方式的輻射傳感器可用於測定不同波長的輻射。
可以根據需要以功能單元完成的任務，決定應使用那些不同的偵測器或傳感器。例如可以利用光電池偵測光線(從近紅外線(NIR)到紫外線輻射(UV))，利用光電倍增器作為偵測從NIR到紫外線輻射用的高靈敏度偵測器，利用光電阻、光電二極體及光電晶體管偵測可見光、NIR及UV，利用CCD傳感器偵測可見光、NIR及UV，利用矽半導體偵測器或鍺半導體偵測器偵測高能量紫 外線輻射(真空紫外線，極端紫外線)、X光射線及γ射線，利用熱敏電阻式輻射熱測量計、熱敏元件、紅外線輻射檢波器及熱釋電傳感器偵測因其自身造成之溫度產生的輻射。
但是這些傳感器的測量結果可能會因為散射光或其他寄生效應而發生錯誤或重疊。
例如以矽製成的傳感器，其缺點是所測得的輻射的長波長部分滲入矽中的深度很大，因此滲入的光子會對通常位於塊材材料深處及與要偵測之輻射之入射位置距離遙遠的pn結造成電荷產生及/或電荷吸收，因而導致傳感器應測得的測量值發生誤差。第1圖顯示不同波長之輻射進到矽中的滲入深度。
為了改善傳感器的頻譜靈敏性，先前技術有提出頻譜優化傳感器，例如頻譜優化紫外線光電二極體。在這個例子中，所謂頻譜優化是指偵測器在紫外線範圍的頻譜最大靈敏度為(280…400)nm，也就是說，這種偵測器特別適於測量電磁輻射光譜的紫外線部分。有兩種方法可以達到優化目的，一種方法是透過選擇適當的材料製造光電二極體，以影響預先設定的頻譜靈敏度特性，另一種方法是另外安裝一個僅讓特定紫外線波長範圍之輻射透過的濾波器。例如以矽碳化物、銦鎵氮化物、鎵氮化物、鋁鎵氮化物為主要成分的光電二極體。
這種紫外線敏感的光電二極體經常被整合到包含計算及控制單元的電路中，也就是被整合到所謂的積體電路中。已知之積體電路結構形式的缺點是，這種積體電路除了紫外線靈敏性很小外，在可見光及紅 外線的範圍具有很高的頻譜靈敏性(第2圖)(參見DE 10 2012 001 481 A4及DE 10 2012 001 070 A1)。因此僅能經由修正計算求出在所測量之光譜中的紫外線部分，但是這樣做的前提是光譜必須是已知的。但是在實務上光譜通常並非已知。以光學傳感器而言，例如對日光光譜標準化的光學傳感器，如果是在人造光線的環境中使用，會產生錯誤的測量值，這是因為日光光譜及人造光光譜具有不同的波長成分。另外一個原因是日光的光譜會隨著白天中不同的時段而改變。如果未將時間改變的因素考慮進去，紫外線部分的測量值就不夠精確。因此只有在所使用的傳感器僅在要測量的紫外線範圍內靈敏的情況下，才有可能精確的測量出輻射源的紫外線部分。此處所稱的輻射源是指溫度高於絕對零度且發射出電磁輻射的物體。每一個溫度高於絕對零度都會按照自身的溫度發射出具有自身特性的電磁光譜。
前面提及的已知的解決方案都需要使用特殊的封裝技術，而目的這些封裝技術不是不易掌握，就是費用很高。另一個問題很難找到不易被透過的適當材料，例如很難找到不會被紅外線輻射透過、成本低廉、而且易於放入要遮蔽之空穴內的材料。
本發明的方法的一個任務是將功能單元(例如光度傳感器的積體電路)住遮蔽，以免散射光線射入功能單元，其作法是阻止散射光線從功能元件的側面及外面上方射入。
本發明的方法另一個任務是阻止不利的輻射照射功能單元的外表面，此處所稱的外表面是指能夠將入射輻射轉換成可計值之信號的作用表面。
本發明的方法另一個任務是提高晶圓上的功能單元的有效數量，以及簡化製程，以降低製造成本。
根據本發明提出的方法，為完成上述任務，應依序執行以下的步驟：首先在彼此相鄰的功能單元之間形成一道溝槽，其中這些功能單元是在一片晶圓上一起連貫製造出來的。例如可以利用已知的CMOS技術製造這些功能單元。接著使輻射不能穿透的介質沉積在溝槽表面及功能單元之頂面與溝槽相鄰的邊緣區域。這個步驟的執行可使用加成法及減除法的遮蔽技術，例如應用負阻特性層或正阻特性層。最後一個步驟是以非破壞性的方式將帶有輻射不能穿透之介質的功能單元分開。此處所謂非破壞的分開是指將含有功能元件的功能單元從晶圓分開，而且不會對所產生的輻射不能穿透的介質造成破壞，以達到全面阻止輻射從側面及頂面的特定位置射入功能單元的目的。
根據一種實施方式，沉積在功能單元之邊緣上的功能元件上的輻射不能穿透的介質有部分重疊，以阻止輻射從功能單元的頂面射入。這樣入射的輻射就只能夠從特定的位置(也就是功能元件所在的位置)射入功能單元。這樣這些功能單元被偵測到的信號就不會因為散射光線及/或其他寄生效應的影響而發生錯誤。例如功能單元可以是一種配備光學濾波器的傳感器，其中濾波器的作用是允許經選出的特殊光譜進入傳感器元件接受進一步的處理。
本發明之方法的一種實施方式是利用電沉積出輻射不能穿透的介質。例如可以利用金屬電鍍法(例如銅電鍍)產生輻射不能穿透的介質，以便將溝槽表面及晶圓表面上其他與溝槽直接相鄰的邊緣區域覆蓋住。沉積僅發生在被結構化之中間層對電鍍放行的區域(遮蔽過程)。此處所謂的中間層是指遮蔽層，其作用是僅開放晶圓表面的部分區域讓輻射不能穿透的介質可以沉積在其上，並將不應沉積出輻射不能穿透的介質的區域遮蔽 住。例如可以將光致抗蝕劑塗在遮蔽底材上，再用微影法在其上刻出需要的結構。
根據本發明之方法的一種實施方式，可以將一個中間層結構化成作為輻射不能穿透的介質的沉積過程用的陽掩模。此處所謂的陽掩模是指一種形式為種子層(seed-Layer)的層，這個層的作用是定義應出現金屬沉積的位置。根據本發明之方法的一種實施方式，可以將中間層結構化成作為輻射不能穿透的介質的沉積過程用的陰掩模。在這種情況下，所謂的陰掩模是指一種形式為保護層的層，這個層的作用是保護晶圓表面不應出現沉積的區域。
在晶圓表面形成並結構化一個遮蔽層後，接著在晶圓上的功能元件的頂面，以及所形成的溝槽的表面全面沉積出輻射不能穿透的介質。然後至少將功能元件之輻射作用區上的多餘材料去除。
本發明的方法的一種實施方式是沉積出一個具有輻射不能穿透之厚度的金屬層作為輻射不能穿透的介質。本發明的方法的一種實施方式是以銅作為輻射不能穿透之介質。當然也可以用其他的金屬作為輻射不能穿透之介質，例如鋁、銀、金。
本發明的方法的一種實施方式是至少沉積出一個位於功能單元之邊緣的功能元件作為輻射不能穿透之介質。例如功能單元的一個功能元件可以是一個濾波元件，其作用是挑選出特定的光譜到傳感器元件中接受處理。為此在蝕刻出溝槽後，沉積出的波濾器必須進到溝槽內。在這種情況下，可以使用CVD法(化學蒸汽法)實現沉積。在輻射不能穿透之介質的沉積作業能夠在結構化過程中進行之前，必須先在晶圓上製造出的功能單元之間形成溝槽，以便使功能單元彼此分開。本發明的方法的一種實施方式是以蝕刻法產生溝槽。使用蝕刻法的主要優點是可以在每一片晶圓上製造出比使用晶圓鋸開法更高的晶片有效數量。因為蝕刻法可以縮小因 鋸片寬度造成兩片晶片之間(也就是兩個功能單元之間)無法利用的距離(切割道)。因此可以提高晶圓上可供主動電路利用的面積。為了以非破壞的方式將功能單元分開，本發明之方法的一種實施方式是在連貫的晶圓上將功能單元的背面黏貼在背面薄膜上，然後在背面薄膜上將功能單元分開。一種有利的方式是，在將功能單元黏貼在背面薄膜上之前，先在一個研磨過程中從背面將功能單元研磨到最終厚度。溝槽的深度較佳是比功能單元的最終厚度小5%左右。要將功能單元分開時，應使背面薄膜同時朝所有的徑向方向延伸，這樣就可以使晶圓沿著溝槽的最深處被撕開，因而將功能單元分開。根據本發明的方法的一種實施方式，溝槽被蝕刻出的深度大於功能單元的最終厚度。這樣做可以確保功能單元在接下來的研磨過程(背面研磨)中是從被面被分開。
根據上述兩種分開方法(溝槽蝕刻深度大於或小於功能單元的最終厚度)，在將功能單元黏貼在背面薄膜上之前，先將連貫的晶圓上的功能單元的頂面黏貼在頂面薄膜10上，然後將連貫的晶圓上的功能單元研磨到規定的最終深度。
1‧‧‧晶圓
2‧‧‧功能單元、晶片(IC)
3‧‧‧功能單元之間的區域，所謂的切割線
4‧‧‧PCM測試結構
5‧‧‧溝槽
6‧‧‧晶圓的塊材材料
7‧‧‧保護層、遮蔽層
8‧‧‧中間層
9‧‧‧輻射不能穿透的介質
10‧‧‧頂面薄膜
11‧‧‧背面薄膜
12‧‧‧晶圓表面
13‧‧‧側邊
14‧‧‧功能單元的邊緣區域
15‧‧‧功能單元之邊緣區域及輻射不能穿透的介質的重疊區域
16‧‧‧功能單元的背面，晶圓背面
IV、V‧‧‧細部圖
以下將配合圖式及一個實施例對本發明的內容做進一步的說明。
第1圖：根據先前技術，不同波長之入射輻射對矽的滲入深度。
第2圖：根據先前技術，一種對紫外線的靈敏度較低，但是對可見光及紅外線範圍光譜的靈敏度很高的IC光電二極體。
第3圖：晶圓佈局的一個例子，晶圓上有包含PCM測試 結構的功能單元(詳見第4圖之細部圖IV)，或是晶圓佈局的一個例子，晶圓上有不含PCM測試結構的功能單元(詳見第5圖之細部圖V)。
第4圖：如第3圖之晶圓的一個細部圖IV，具有含PCM測試結構的切割線。
第5圖：如第3圖之晶圓的一個細部圖V，有切割線，無PCM測試結構。
第6圖：包含步驟a)至k)之製造方法的示意圖
本發明的方法先備妥一個以矽製成的晶圓1，其中晶圓1含有由積體電路(IC)及光學傳感器元件構成的功能單元2(見第3圖)。經過特殊處理可以在晶圓1的晶圓表面12加設結構化的光學濾波器，其作用是選擇特定的光譜進入傳感器元件接受處理。在本發明中，在經過上述處理的晶圓1的晶圓表面12上形成的溝槽結構格柵使溝槽5以間隔一特定的水平距離的方式將晶圓1上的每一個晶片(也就是每一個功能單元2)整個圍繞住。形成溝槽5的步驟如下： 透過在晶圓表面12上進行適當的微影結構化(第6a)圖及第6b)圖)，定義應形成溝槽5的區域，此處所謂的晶圓表面12包括含有IC之主動電路結構的功能單元2的晶圓面，以及含有功能元件2之頂面的晶圓面。所有不應形成溝槽5的區域都被一個能夠耐受後面的蝕刻製 程的保護層7覆蓋住，例如一個光致抗蝕劑層(第6b)圖)。這個步驟也稱為溝槽蝕刻製程。只有應形術溝槽5的區域未被覆蓋，也就說可以直接在晶圓表面12上被觸及。較佳是在所謂的切割線5內形成溝槽5，其中亦可將PCM測試結構4設置於切割線5內(參見第6a)圖及第4圖)。為了實現均勻的溝槽蝕刻製程，較佳是使用切割線5不含PCM測試結構的晶圓佈局。可以將PCM測試結構4設置在功能單元的其他不會造成干擾的區域。
在明確定義的製程條件下經過一段晶圓1的頂面12上的蝕刻製程後，溝槽5在晶圓1的塊材材料6內的深度即告確定(第6c)圖)。蝕刻製程的優點是可以實現比鋸開製程小很多的結構寬度，所以能夠節省珍貴的晶圓表面12的損耗。
本發明之方法的一種實施方式是控制及調整溝槽蝕刻製程，使所形成的溝槽5的深度略大於在最後一個步驟中形成的晶片2在塊材材料6內的最終厚度。根據本發明之方法的另一種實施方式，溝槽蝕刻製程是在快要到達晶片2的最終厚度時停止。所謂在快要到達晶片2的最終厚度時停止蝕刻製程是指，當溝槽5在塊材材料6內的深度僅比晶片2的最終厚度略小5%左右時，立刻停止蝕刻製程。經過背面研磨後，典型的晶圓厚度是200至400μm。如果最終厚度是200μm，溝槽深度大約是190μm。下一個步驟是去除保護層7(第6d)圖)。
不論是採用以上那一種實施方式的溝槽蝕刻 深度，所形成的溝槽5的表面及晶圓表面12上其他與溝槽5直接相鄰的邊緣區域14，都要透過金屬電鍍將其覆蓋一層輻射不能穿透的材料9(第6f)圖)。例如可以使用銅電鍍達到這個目的。晶圓表面12上的邊緣區域14的寬度要大到使沉積出來的銅層在重疊區域15將設置在一開始就晶圓表面12上的光學濾波器覆蓋住。這樣就可以確保不會有任何散色光線射入積體電路2的功能區並產生寄生信號。設置在積體電路2下方的輻射不能穿透的介質可以阻止輻射從積體電路2的背面16入。例如可以透過積體電路2所在的微印刷電路板(Micro-PCB)上的一個金屬面達到這個目的。
但是重要的是，在沉積過程中要選擇及控制沉積出的金屬層或功能層9的厚度，以使可見光、紅外線、或其他不利的散射光都不能通過，這樣就可以確保被金屬層或功能層9覆蓋的面對散射光有非常好的遮蔽效果。只有結構化的中間層8允許能夠被電鍍的區域才會沉積出金屬或輻射不能穿透的材料9。此處所謂的中間層8是指遮蔽層，其作用是僅開放晶圓表面12的部分區域讓輻射不能穿透的介質9可以沉積在其上，並將不應沉積出輻射不能穿透的介質9的區域遮蔽住。例如可以利用以微影法結構化的光致抗蝕劑達到遮蔽的目的。接著去除晶圓表面12上的保護層。但是也可以利用中間層標示出晶圓表面12在後面的電鍍步驟中應沉積出金屬層(也就是輻射不能穿透的介質9)的區域及位置(第6e)圖及第6f) 圖)。接下來的步驟是使經過上述處理的晶圓1變薄，也就是去除晶圓1上積體電路2達到目標深度應去除的塊材材料6。為此應將晶圓1的頂面12黏貼在黏性薄膜10上，並在背面研磨的過程中將背面16磨薄，直到達到塊材材料6的最終厚度為止(第6g)圖)。
應根據所形成的溝槽5被蝕刻出的深度，在背面研磨的過程中將晶圓1上的積體電路2分開(溝槽深度大於功能單元的最終厚度--參見第6h)圖)，或是仍然經由塊材材料6形成的很薄的接片彼此連接(溝槽深度小於功能單元的最終厚度)。接著將被磨薄到所需要之最終厚度的晶圓1的背面16黏貼在另一個黏性薄膜上，也就是黏貼在背面薄膜(11)上(第6i)圖)。接著將薄膜10從晶圓1的頂面12去除(第6j)圖)。此處要注意的是，在被去除之前，薄膜10在晶圓1的頂面12上的黏著力很小或是已經變小，也就是遠小於背面薄膜11在晶圓1的背面16上的黏著力。這樣可以確保，在溝槽深度大於功能單元2的最終厚度的情況下，被分開的晶片仍然確實的固定在晶圓1的背面16上的背面薄膜11上。
為了支援後面的封裝作業，接著將晶圓1的背面16上的背面薄膜11放到張緊框內張緊，這樣會使之前已被分開的晶片彼此分的更開(第6k)圖)。
如果晶片或功能單元2在經過背面研磨後仍經由一個很薄的接片彼此連接，也就是說溝槽深度小於功能晶片的最終厚度，則將背面薄膜11放到張緊框內張緊 會使接片斷裂，因此晶片2會彼此分開，而且會彼此遠離。具輻射不能穿透之介質9的功能單元2的製造過程是在側邊13結束。
一種特別有利的方式是，利用這種低成本且易於掌控的技術，在側邊13及功能單元2的所有其他必要位置形成輻射不能穿透的介質9，而且在接下來的分開過程及封裝過程都不會破壞輻射不能穿透的介質9，或是影響其遮蔽功能。
使用本發明的方法還要注意的一點是，晶圓代工業者通常會以PCM測試結構4將積體電路(也就是晶圓1上的功能單元2)之間的所謂的切割線3的距離填滿，這個PCM測試結構4是晶圓代工過程中的製程控制及最終檢查(成品品質檢驗)所必需的，也就是如第4圖之示意圖所呈現的。因此前面提及的在晶圓1上形成溝槽結構格柵5的蝕刻製程的前提是，在溝槽結構格柵5所在的範圍內不存在任何金屬或其他電路結構(例如PCM測試結構4)。同樣的，還必須確定切割線3，也就是應形成溝槽5的位置，也不存在PCM測試結構(參見第5圖)。但是可以將PCM測試結構設置在晶圓佈局或掩模佈局的定的獨立區域，以及在積體電路之間設置同類的”空的”切割線。
可以利用以下的方程式計算出蝕刻製程所需的切割線最小寬度：晶片的目標最終厚度 20 ----------------------------=---------------------切割線的寬度 1+公差
製造完成後的晶圓的標準厚度大約是725μm。
經過背面研磨後，典型的最終厚度大約是200至400μm。根據上面的方程式，最終厚度為200μm，所需的切割線最小寬度大約是23至25μm。
如果切割線內有設置PCM測試結構，典型的切割線寬度為90至110μm。但是這個尺寸主要是由PCM測試結構的尺寸決定。如果不含PCM測試結構，即使是傳統的切割方法，例如鋸開或雷射切割，也需要比這個寬度更窄的切割線最小寬度。在使用傳統的切割方法時，通常會進行綜合分，以決定應將PCM測試結構設置在切割線內，或是設置在晶圓上的一個獨立區域，才能從每一片晶圓上製造出最多的晶片數量。
2‧‧‧功能單元、晶片(IC)
3‧‧‧功能單元之間的區域，所謂的切割線
5‧‧‧溝槽
6‧‧‧晶圓的塊材材料
7‧‧‧保護層、遮蔽層
8‧‧‧中間層
9‧‧‧輻射不能穿透的介質
10‧‧‧頂面薄膜
11‧‧‧背面薄膜
12‧‧‧晶圓表面
13‧‧‧側邊
14‧‧‧功能單元的邊緣區域
15‧‧‧功能單元之邊緣區域及輻射不能穿透的介質的重疊區域
16‧‧‧功能單元的背面，晶圓背面

Claims (14)

  1. 一種製造輻射不能穿透之介質的方法，其中介質將至少一個包含多個功能元件的功能單元環繞遮蔽住，其中功能單元具有一個頂面、一個背面、以及環繞的側邊，同時可以在一片晶圓上一起連貫製造許多個功能單元，其特徵為依序執行以下的步驟：- 在彼此相鄰的功能單元之間形成一道溝槽，- 使輻射不能穿透的介質沉積在溝槽表面及功能單元之頂面與溝槽相鄰的邊緣區域，- 以非破壞性的方式將帶有輻射不能穿透之介質的功能單元分開。
  2. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：沉積在功能單元之邊緣上的功能元件上的輻射不能穿透的介質有部分重疊。
  3. 如前述申請專利範圍中任一項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：利用電鍍沉積出輻射不能穿透之介質。
  4. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：透過遮蔽過程定義沉積出的輻射不能穿透之介質。
  5. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：在晶圓上的功能元件的頂面，以及溝槽的表面全面沉積出輻射不能穿透的介質，然後至少將功能元件之頂面的輻射作用區上的多餘材料去除。
  6. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其 特徵為：沉積出一個具有輻射不能穿透之厚度的金屬層作為輻射不能穿透的介質。
  7. 如申請專利範圍第6項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：沉積出銅作為輻射不能穿透之介質。
  8. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：至少沉積出一個位於功能單元之邊緣的功能元件作為輻射不能穿透之介質。
  9. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：以蝕刻法形成溝槽。
  10. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：在連貫的晶圓上，功能單元的背面被黏貼在背面薄膜上，然後在背面薄膜上被分開。
  11. 如申請專利範圍第10項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：使背面薄膜同時朝所有的徑向方向延伸，以使晶圓沿著溝槽的最深處被撕開，因而將功能單元分開。
  12. 如申請專利範圍第9項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：溝槽被蝕刻出的深度大於功能單元的最終厚度。
  13. 如申請專利範圍第1項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：透過研磨過程將功能單元從功能單元的背面分開。
  14. 如申請專利範圍第10項的製造輻射不能穿透之介質的方法，其特徵為：在將功能單元黏貼在背面薄膜上之前，先將連貫的晶圓上的功能單元的頂面黏貼在頂面薄膜上，然後將連貫的晶圓上 的功能單元研磨到規定的最終深度。
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