CN1656615A - 电子成像器件 - Google Patents

Abstract

一种电子成像器件(10)，包括一个包含电功能电路的基层(20)，基层(20)具有用于电路互连的第一侧面(22)及作为光探测侧面的第二侧面(24)。第二侧面(24)具有排列在基层(20)内的暴露的光敏电子元件。预定高度的隔板装置被提供相邻于该第二侧面(24)。这种隔板装置可以被有利地用于获得透镜***的透镜与光探测侧面之间预定距离的偏差。因此，在制作完成后不再需要各个成像器器件的透镜***的单独聚焦。此外，在本发明的一个实施方案中，形成了改善微透镜性能的空气间隙。

Description

电子成像器件

本发明涉及根据权利要求1的一种电子成像器件，特别是电子成像芯片。

当今的图像传感器技术发展为新一代具有广泛用户适用性的数字成像产品铺平道路。根据调查研究，对于计算机***设备来讲，消费者的第一优选为数码相机。自从大部分消费者购买得起这种高质量、功能完善的数码相机之后，其销量就保持快速增长。鉴于其有可能提供即时可见的图像且该图像可很容易被***到计算机产生的文档中、使用因特网作为通信媒介的普及度增加、更重要的是省略了胶片处理费用及时间，因此数码相机将取代传统的胶片相机来用于许多消费者应用领域。其总体可达到的市场，包括工业及安全相机、医疗器械、汽车传感器、PC摄像头、扫描仪、数码相机以及数字可携式摄像机的数字成像，预计从1996年的大约2千万台增长到2002年的超过1亿台。因此，市场的激烈竞争要求更有效和合理地生产用于大众消费市场的图像传感器器件。

首先，成像器件，亦称为图像传感器或简称为成像器，是担当着电子设备眼睛的专用集成电路。因此，它们探测并把入射光，即光子首先转化为电荷，即电子，最后转化为数字位，即二进制信息。每个单独的图像单元(像素)对应于一个固态光敏传感器单元。典型地，例如在扫描仪中，一个图像传感器包括至少一个这类传感器单元的阵列。通常，例如在数码照相机或摄像机中，这些传感器单元被排列成一个形成图像平面的二维矩阵。包含其功能为光敏区域的传感器单元的芯片，其侧面亦称为感光单元或光探测侧面。对于这些传感器单元，使用了两种主要技术：电荷耦合器件(CCD)技术以及互补金属氧化物半导体(CMOS)技术。

最简单的成像一个像素的CCD图像传感器单元为一种电荷传输器件，它收集像素内的光电荷并使用时钟脉冲把电荷沿一个像素链移位到一个电荷敏感放大器。CCD输出一个像素接一个像素的模拟信号。最简单的成像一个像素的CMOS图像传感器单元是所谓的无源像素，它包括光电二极管及存取晶体管。光电二极管内的光生电荷被动地从各个像素传输到下游电路。

对于制作有源器件很理想的硅来讲，由于其半导体特性而呈现出不良的高频性能。这导致了不良的相互连接以及串扰，并阻碍了高质量条线和电感器的集成。基于一种创新的双极方法，绝缘衬底上硅(SOI)技术是一种新颖的途径，即能够把电路转移到绝缘衬底范围内。在硅上使用绝缘体的优点在于降低了寄生电容。这样就能克服这一难题，即在很小结构中的互连电容，特别是当使用越来越高的频率时，这种互连电容在电路的总功耗中变成主导地位。在更广泛的SOI方法中，即在所谓的任何衬底上硅(SOA)技术中，这些效应几乎可以被完全消除，这是因为整个电路被转移到诸如玻璃的绝缘衬底上。原则上，晶片自顶向下被粘合到新衬底上，并且将原始的硅移出。

首先，成像芯片产品的一个重要目标为探测光的各个像素内的固定部分(real estate)，即光学填充因子。现今的填充因子不是100％，这是由于像素区域的一部分被用于将信号传输到成像电路的其余部分。因此，在别处的入射光要么丢失，要么通过在电路内产生电流引起图像内的赝像。提高填充因子同时保持相同分辨率的一个已知方法是使用微透镜，该微透镜是CCD及许多CMOS有源像素传感器的标准技术特征。聚焦光到各个像素的光敏部分的微透镜可以直接在用于各个像素的芯片表面上刻蚀而成，或者在生产过程中作为单独的元件被添加。因此，当在各个像素上精确地沉积时，微透镜将入射光集中到光敏区域，从而产生提高的有效填充因子。

其次，尽管电子成像芯片，例如上述的CCD及CMOS成像器，已经在电子成像器件中得到广泛的使用，但它们的使用经常由于其尺寸而受到限制；首先没有可利用的封装技术可以将像素平面的背面的对立两侧互连。在前述的SOI技术中，有可能在玻璃衬底上腐蚀出空洞，但这不是有利的方法，这是因为需要的处理量很大，而且难于获得纵横比。

US 5495114提出了一种微型电荷耦合器件的制作方法，包括把硅层切削至厚度足以允许光图像通过的步骤。随后将CCD倒置，使得图像被投影而通过切削后的硅层。引线被凸点连接到前述的CCD前表面，其相互垂直，以位于由***边缘定义的区域内，从而为CCD或从CCD提供电信号。

目前，SOA/SOI技术似乎为改善成像器模块的尺寸及可获得的偏差方面提供了可能。实际研究的进一步目标则涉及晶片水平的封装，即将尽可能多的成像器模块生产步骤集中到晶片级别。在此，研究目的在于更有效地使用单个成像器芯片所需的晶片区域，即固定部分。这将提高单个晶片相对于芯片产量的成品率。

最后，在实现低成本成像器模块中的一个重要的限制因素为，在装配备单个成像器模块后需要执行透镜的单独聚焦。再者，施加在成像器芯片光探测侧面的表面上的滤色器或微透镜，需要一个空气间隙以利用由于微透镜材料与空气间隙内的空气之间的折射率差所产生的光部分(light fraction)。然而，由于这种空气间隙是在成像器模块最后制作时产生的，一个重要问题在于外来材料对光敏元件的污染。

因此，本发明的一个目标是提供一种电子成像器件，特别是成像器芯片，它不需要对每个成像器芯片的透镜***单独聚焦。此外，另一个目标在于，当使用滤色器与/或微透镜时改善成像器模块的制作。而且，应当减小晶片上用于各个单独的成像器芯片所需的固定部分。

因此，提供了一种电子成像器件，特别是电子成像芯片，包括一个包含电功能电路的基层，该基层具有用于电路互连的第一侧面及作为光探测侧面的第二侧面，其中该光探测侧面包含排列在该基层内的暴露的光敏电子元件。这个基层可以为传统的硅晶片，并且所述光敏元件可以通过刻蚀过程被暴露。此外，邻近所述第二侧面布置了预定高度的隔板。有利地，形成这种隔板以使得需要高度的制作偏差可以被控制在预定范围内。

为了提供电功能电路的电互连，界面装置被布置在硅基层的第一侧面上。这些界面装置可以为弯曲箔。优选地，该弯曲箔为多层的弯曲箔。界面装置被附着到连接装置以用于将第一侧面与界面装置电互连。弯曲箔可以通过导电粘合剂被布置在硅基层上。然而，弯曲箔也可以通过使用挤压技术被电学地连接到硅基层内的电路。无论是使用导电粘合剂还是使用挤压技术，功能电路的预定引线和弯曲箔的预定引线被形成电学接触。有利地，该界面装置提供加固薄硅基层的刚性支持。同时，该硅基层的第一侧面被保护以免受直接热辐射，例如红外辐射。

在本发明的另一个实施方案中，电子成像器件在光到该光敏电学元件的路径中被提供了排列在光探测侧面上的滤色器装置。还可以在光到该光敏电学元件的路径中附加布置微透镜，或者以微透镜替代滤色器装置。为此，微透镜可以被布置在由功能电路内***区域和图像区域之间的形貌差别形成的凹入图像区域上，即包含光敏元件的区域。因此，***的附加金属层可以被用于提供大于图像区域的总厚度。在这种情况下，玻璃层可以被放置在晶片的顶上，自动在感光单元(photosite)上方形成一个空气间隙，从而提高了微透镜的有效性并防止污染。

在另一个备选方法中，微透镜上方的氧化物被刻蚀以实现具有更多表面形貌的空气间隙。然而，由于要求尽可能避免牺牲硅，接下来将在另一个优选实施方案中讨论产生空气间隙的一种进一步的方法，其中由于光探测侧面的背部的互连可能性使得几乎没有任何***部分。

为了把光图像投影到该光探测侧面上，电学成像器件包含用于聚焦光图像到该光敏元件上的透镜***。该透镜***通常包括透镜支架，该透镜支架具有包含透镜的透镜筒。此外，该透镜***可以由模制树脂制成，并且可以通过粘合剂固定。

在本发明的第一实施方案中，该透镜***包括具有预定高度的隔板。此外，该透镜***被布置在具有所述隔板的所述光探测侧面处的所述基层上。

在本发明的第二实施方案中，该感光单元包括可以通过刻蚀过程形成的、具有预定高度和形状的隔板。因此隔板的形状和高度可以利用硅的厚度和晶体结构通过刻蚀过程被精确地控制。正如这里所描述的一种可能方法，该隔板可以这样制成：在该基层的光探测侧面腐蚀期间，在该基层的光探测侧面上形成氧化物图形，作为刻蚀掩膜，以便暴露出该电学光敏元件。该硅隔板使获得高度偏差控制成为可能，使得无须聚焦各个单独成像器件上的透镜即可获得制作过程以及最终的产品。该过程中，可得到的总体高度偏差为+/-30微米范围之内，其中透镜支架的成型偏差占大部分，因此通过使用硅隔板来限制透镜支架的尺寸可以协助满足偏差方面的要求。

此外，在该硅隔板上提供一个透明层是有利的。该透明层可以由允许光谱中的预定频率通过该光探测侧面的材料制成。优选地，该透明层为玻璃层。此外，透镜***可以被附着到该透明层上，以便聚焦光图像到该光探测侧面内包含的该光敏元件上。当玻璃片可能被提供作为包括单个管芯(包含具有图像传感器的电路)的硅晶片上的透明层时，微透镜前方空气间隙的已知优点可以被包含在连接硅晶片到玻璃片的这一步骤中。

透明层的另一个优点在于，在洁净气氛中的制作期间，光敏元件被密封。此外，在光学透镜没有像焊盘栅格阵列(LGA)封装那样的情况下，最终模块可以被回流，其原因在于透镜及透镜支架的有限温度范围。当使用导电的压敏粘合剂时，它亦可与光学透镜***一起被附着到印刷电路板(PCB)上，这样就避免了回流过程中由于热所导致的透镜***变形。最后，直接附着到硅基层上的透镜***或者附着到硅隔板上的透明层形成一个密封腔，该密封腔经历压力变化。这可能导致硅基层的弯曲。因此，界面装置的另一个优点在于提供了防止硅基层弯曲的刚性支持。

上述电子成像器件的制作包含通过任何衬底上硅(SOA)过程产生该基层的步骤。此外，根据本发明，整个电子成像器件可以制作在晶片水平。因此，该制作过程可以被控制在该范围内，即提供了相对于该暴露电学光敏元件与该透镜***内透镜之间的预定距离+/-30微米的偏差。

本发明的另一个优点在于晶片水平封装的可能性。在此，使用的SOA过程也为优化该模块的制作提供新的可能性。这样就允许制作更小的成像器模块。因此，整个封装，包括还充当顶部有弯曲箔的很薄的硅的刚性支持的透镜支架，将在晶片范围上制作。使用硅隔板的附加效应为，除了透镜支架的支持之外还为器件提供机械支持。

一般而言，在SOA过程内制作这种电子成像器件的整个工艺流程包括下述步骤：

a)把多层弯曲箔附着在晶片第一侧面上，该晶片包含通过已知的半导体技术而掩埋在所述晶片内的功能电路的互连装置。这可以通过导电粘合剂或诸如使用焊料的凸起的其它技术来实现。挤压技术也可以被用来提供功能电路和弯曲箔之间的电连接；

b)从该晶片的第二侧面，即与第一侧面对立的侧面，通过刻蚀该硅晶片除去硅；这里可按照两种可能的方法(A)与(B)来进行：

A)只在放置光敏元件的图像区域的位置处，刻蚀晶片的第二侧面，使得硅的其余部分可以被用作透镜***的隔板。此外，在这种情况下，有可能在该硅隔板上放置透明层以在光探测侧面和透明层之间形成空气间隙，并保护光探测侧面免受外来材料污染；或

B)刻蚀晶片的整个第二侧面，在这里用于透镜***例如透镜***自身的分离隔板是需要的。

然后，根据前述步骤(A)和(B)：

c)使用粘合剂或类似物，把透镜***(透镜支架、透镜筒及透镜)附着到该硅隔板或该透明层，即情况(A)，或使用该透镜***提供的隔板，把透镜***(透镜支架、透镜筒及透镜)直接附着到该硅层，即情况(B)；以及

d)将晶片分成单个的成像器件，即传感器模块。

在晶片水平制作整个成像器模块，不仅使得高质量标准得到满足，同时由于不再需要分别聚焦各个成像器芯片透镜***，从而降低了制作成本。聚焦是成本高昂的步骤，这是因为透镜***通常具有高的偏差。此外，还有可能在晶片水平最终测试单个模块。

通过结合附图给出的对本发明优选实施方案的下述描述，本发明的上述及其它目标、特点及优点将变得明显。应该注意的是，相同或等效部件在所有图中使用相同的数字。

图1示出本发明的第一实施方案；及

图2示出本发明的第二实施方案，其中提供透明层以在图像平面和透镜***之间形成一个空气间隙。

图1示出了根据本发明的成像器件10的截面示意图。首先，提供了包含硅器件的硅基层20，该硅器件包括根据电子成像技术的已知的功能电路，即光敏单元。这个硅基层具有用于电路互连的第一侧面22以及作为光探测侧面的第二侧面24。该第一侧面22上被附着了弯曲箔形式的互连装置30，它提供了该硅基层20内从第一侧面22到连接焊盘34的电连接功能电路(未在图中示出)的微通孔32。该互连装置30通过导电粘合剂被固定在所述互连侧面22。连接焊盘34为铜岛或类似物。

在该基层20的第二侧面24上，滤色器装置40被布置在图像平面内的元件上。滤色器装置40为一种选择性地允许光谱中的预定频率通过的光学元件。微透镜50被布置在该滤色器装置40上。这些微透镜50有利地提高了硅基层20的第二侧面24上图像平面内的光敏元件的有效填充因子。

在该滤色器装置40及微透镜50的结构的上方，提供了一个具有透镜支架60a的透镜***，该透镜支架60a具有包含透镜64的透镜筒62。透镜支架60a被布置成将透镜64保持在该透镜筒62内，以造成透镜64与硅基层20的第二侧面24上图像平面之间的预定距离。因此，预定高度的隔板66通过透镜支架60a被提供。透镜支架60a可以由树脂或类似材料制成，并且可以通过粘合剂被固定到硅基层20。

根据本发明的目标，根据图1的实施方案提供了一种小尺寸成像器件，其中除了构造简单的优点以外，成像器件的透镜***可以被包含在透镜64与成像平面之间距离的范围内，使得在制作结束时不再需要对各个成像器件10分别聚焦。

现在参考图2，但只突出与图1的实施方案的不同之处。图2通过截面示意图阐明本发明的另一个实施方案。首先，为了在硅基层20的光探测侧面24上提供透镜64与成像平面之间更为精确的预定距离，在这里布置了硅隔板70。在该隔板70上布置了附加的透明层80，该透明层80可以为玻璃层，其通过粘合剂被附着到该硅隔板70上。这个透明层80连同硅隔板70有利地形成一个空气间隙，该空气间隙提高了微透镜50的效率，并且还把光敏区域封闭在光探测侧面。

硅隔板70是在刻蚀光探测侧面24时形成的。使用的刻蚀过程可以被控制在这样一种程度，即通过考虑硅基层的厚度可提供隔板70所需要的高度。此外，隔板70的形状通过考虑硅基层20的晶体结构可以得到控制。因此，如果利用了硅的晶体结构，则如图2所示隔板70的各向同性的形状也可以被精细地成形，例如呈锥形。

此外，由于这个实施方案的透镜***不需要隔板装置来实现透镜64与光探测侧面24之间的预定距离，因此提供了透镜支架60b，包括透镜筒62及透镜64。透镜支架60b在预定位置被固定到透明层80，使得透镜在位于光探测侧面24的图形平面上提供预期的图像。

本发明的这个实施方案的一个优点为，可能在把成像器件10安装到PCB等上之后，透镜***可以在任何一端被附着到成像器件10。此外，由于高度偏差可以实现在+/-30微米范围内，因此不需要单独调整透镜***。

按照本公开，所有在附加的权利要求范围内的对上述实施方案以及其它实施方案的修改，对于本领域技术人员来讲是显而易见的。此外，已经结合附属实施方案详细描述了本发明，但应当理解的是，在权利要求的保护范围内可以进行各种其它修改。

在上述描述中，已经介绍了电子成像器件，它包括含有电功能电路的基层，其中基层具有用于电路互连的第一侧面以及作为光探测侧面的第二侧面。第二侧面具有排列在基层内的暴露的光敏电子元件。此外，具有预定高度的隔板装置被提供在临近于该第二侧面。该隔板装置可以有利地用于获得透镜***的透镜与光探测侧面之间要求距离的偏差控制。因此，生产之后不再需要对各个成像器件单独聚焦。此外，在本发明的一个实施方案中，通过在隔板装置上施加一个透明层形成了空气间隙，从而改善了微透镜的功能。

Claims (19)

1.一种电子成像器件，特别是电子成像芯片，包括：

包含电功能电路的基层，所述基层具有用于所述电路电互连的第一侧面和作为光探测侧面的第二侧面，其中所述第二侧面包含布置在所述基层中的暴露的光敏电子元件，并且预定高度的隔板被布置成相邻于所述第二侧面。

2.根据权利要求1的电子成像器件，其中所述光敏电子元件是通过刻蚀过程被暴露。

3.根据权利要求1或2的电子成像器件，包括界面装置，该界面装置被布置成向所述电功能电路提供电互连，并被附着到用于电互连所述第一侧面和所述界面装置的连接装置。

4.根据权利要求3的电子成像器件，其中所述界面装置为弯曲箔或者多层弯曲箔。

5.根据权利要求3或4的电子成像器件，其中所述连接装置为导电粘合剂。

6.根据权利要求3或4的电子成像器件，其中所述连接装置被布置成通过加压所述界面层到所述硅基层上来提供电连接。

7.根据前述任一权利要求的电子成像器件，其中在所述第二侧面上，在光到所述光敏电子元件的路径中布置了滤色器装置。

8.根据前述任一权利要求的电子成像器件，其中在所述第二侧面上，在光到所述光敏电子元件的路径中布置了微透镜。

9.根据前述任一权利要求的电子成像器件，其中具有所述预定高度的隔板的透镜***被附着到所述第二侧面，所述隔板的一端被附着到所述基层。

10.根据权利要求1-8中任一项所述的电子成像器件，其中所述第二侧面包括一种表面形貌，该表面形貌提供了具有预定高度和预定形状的所述隔板。

11.根据权利要求10的电子成像器件，其中透明层被附着到所述隔板。

12.根据权利要求11的电子成像器件，其中所述透明层为玻璃层。

13.根据权利要求11或12的电子成像器件，其中透镜***被附着到所述透明层

14.根据权利要求9或13的电子成像器件，其中所述透镜***还包括透镜支架，该透镜支架具有包含透镜的透镜筒。

15.一种制作根据权利要求1-14中任一项所述的电子成像器件的方法，其中所述电子成像器件是通过任何衬底上硅(SOA)或者绝缘衬底上硅(SOI)过程而制成。

16.根据权利要求15的方法，包括在晶片水平形成所述整个电子成像器件的步骤。

17.一种制作根据权利要求10-13中任一项所述的电子成像器件的方法，包括形成所述隔板的步骤：在所述基层的所述光探测侧面的腐蚀期间，在所述基层的所述光探测侧面上施加氧化物图形作为刻蚀掩膜，以便暴露出所述电学光敏元件。

18.一种制作根据权利要求8-12中任一项所述的电子成像器件的方法，包括制作模制树脂的所述透镜***的步骤。

19.一种制作根据权利要求9-13中任一项所述的电子成像器件的方法，所述方法被调整为提供相对于所述暴露电学光敏元件与所述透镜***内的所述透镜之间预定距离的+/-30微米偏差。

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