DE10247819A1

DE10247819A1 - Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung, Sensor-Anordnung und Digitalkamera

Info

Publication number: DE10247819A1
Application number: DE10247819A
Authority: DE
Inventors: Georg Seidemann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: DE10247819B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung, eine Sensor-Anordnung und eine Digitalkamera. Bei dem Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung wird eine Mehrzahl von Sensor-Chips auf und/oder in einem Substrat ausgebildet, von denen jeder eine Mehrzahl von Sensorfeldern aufweist. Um jeden der Sensor-Chips herum wird ein Graben einer Tiefe ausgebildet, die größer ist als die Tiefe der Sensorfelder in dem Substrat. Ferner wird ein jeweiliger Sensor-Chip vereinzelt, indem von der Rückseite des Substrats Material einer Tiefe abgetragen wird, die mindestens gleich der Differenz zwischen der Dicke des Substrats und der Tiefe des Grabens ist. Die Sensor-Chips werden zum Bilden der Sensor-Anordnung zusammengesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung, eine Sensor-Anordnung und eine Digitalkamera.
Die Technologie der Digitalkamera wird zunehmend bedeutsamer.
Allerdings ist es schwierig, eine Bildsensor-Anordnung für eine Digitalkamera mit einer Dimension wie im Falle einer Kleinbildkamera (z.B. 24mm × 36mm) oder wie im Falle einer noch größeren Kamera zu realisieren. Bei einer Digitalkamera mit einer Sensorfläche von 24mm x 36mm böte sich der Vorteil, eine Standard-Kleinbildkamera und deren optisches Linsensystem auch für die Digitalkamera nutzen zu können. In einem solchen Szenario müsste bei einem Systemwechsel von einer analogen Kamera auf eine digitale Kamera im Wesentlichen nur die Rückwand der Kamera dahingehend modifiziert werden, dass ein herkömmlicher Film durch eine Bildsensor-Anordnung einer geeigneten Dimension ersetzt wird.
Ein Problem bei dem halbleitertechnologischen Herstellen einer in einem Halbleitersubstrat integrierten Bildsensor-Anordnung ist darin zu sehen, dass bei der Verwendung eines Fotosteppers, wie er bei vielen Lithographie-Verfahren verwendet wird, das maximale Bildfeld begrenzt ist (beispielsweise auf 19.6mm × 26.Omm mit einer maximalen Diagonale von 31.1mm). Somit ist lediglich ein Bildfeld einer eingeschränkten Dimension realisierbar. Daher ist ein Ausbilden einer Bildsensor-Anordnung mit einer Größe von 24mm x 36mm mit nur einem Belichtungsvorgang während der Lithographie nicht möglich.
Ferner ist ein Bildsensor mit einem Bildfeld von 24mm × 36mm so groß, dass aufgrund einer unvermeidlichen Defektdichte während der Halbleiter-Prozessierung eine erreichbare Ausbeute von funktionsfähigen Bildsensor-Anordnungen gering ist und somit hohe Kosten anfallen. Mit anderen Worten ist bei einer großflächigen einstöckigen Bildsensor-Anordnung keine ausreichende Ausbeute zu erwarten, so dass das Herstellen einer solchen Bildsensor-Anordnung teuer ist.
Um dieser Problematik zu begegnen, werden gemäß dem Stand der Technik unterschiedliche Wege beschritten.
Zum einen wird versucht, die Bildoptik einer herkömmlichen Kamera auf eine kleine Sensor-Anordnung mit hochintegrierten Sensorfeldern anzupassen. Allerdings führt dies im Allgemeinen zu einer Verschlechterung der Bildqualität. Ferner ist es notwendig und aufwändig, die Bildoptik der Kamera auf die halbleitertechnologisch hergestellte kleine Sensor-Anordnung anzupassen.
Weiter wird versucht, eine Sensor-Anordnung mit einer Größe herzustellen, die nur knapp unterhalb der Bildfeldgröße des Fotosteppers liegt. In diesem Falle kann die Standardoptik einer Kamera verwendet werden, allerdings sind teure und nur aufwändig herstellbare optische Korrekturlinsen erforderlich. Ferner sind mittels eines Verlängerungsfaktors die Belichtungsparameter der Kamera einzustellen. Wird zum Beispiel ein 36mm × 24mm Kleinbildfilm durch einen Digitalfilm der Dimension 28.7mm × 19.1mm ersetzt, so fällt (infolge der Wirkung der Korrekturoptik bzw, eines veränderten Abstands zwischen Linse und Film) auf den kleineren Digitalfilm näherungsweise dieselbe Lichtmenge wie sonst auf den größeren Kleinbildfilm. Deshalb ist es bei Verwendung von Korrekturlinsen häufig erforderlich, eine aufwändige Justierung der Belichtung des Digitalfilms vorzunehmen. In diesem Zusammenhang spricht man von einem Verlängerungsfaktor.
Eine andere Möglichkeit zum Erzeugen einer ausreichend großen Sensor-Anordnung besteht darin, eine große Sensor-Anordnung mittels mehrfachen Belichtens mehrerer Bereiche eines Wafers bei dem Prozessieren des Halbleitersubstrats herzustellen. Dieses Herstellungsverfahren ist allerdings aufgrund der aufwändigen Mehrfach-Belichtung und der hohen Chipgröße einer einstöckigen Sensor-Anordnung und den damit verbundenen Ausbeute-Problemen teuer. Eine Komplett-Waferbelichtung ist aufgrund der erforderlichen Strukturfeinheit für eine einzelne Sensorzelle ungeeignet.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine ausreichend große Sensor-Anordnung mit einer Vielzahl von Sensorfeldern herzustellen, die eine verbesserte Qualität und verringerte Herstellungskosten aufweist.
Das Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung, durch eine Sensor-Anordnung und durch eine Digitalkamera mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung wird eine Mehrzahl von Sensor-Chips auf und/oder in einem Substrat ausgebildet, von denen jeder eine Mehrzahl von Sensorfeldern aufweist. Ferner wird um jeden der Sensor-Chips herum ein Graben einer Tiefe ausgebildet, die größer ist als die Tiefe der Sensorfelder in dem Substrat. Ein jeweiliger Sensor-Chip wird vereinzelt, indem von der Rückseite des Substrats Material einer Tiefe abgetragen wird, die mindestens gleich der Differenz zwischen der Dicke des Substrats und der Tiefe des Grabens ist. Schließlich werden die Sensor-Chips zum Bilden der Sensor-Anordnung zusammengesetzt.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Sensor-Anordnung mit einer Mehrzahl von Sensor-Chips bereitgestellt, von denen jeder eine Mehrzahl von Sensorfeldern aufweist. Die Sensor-Chips sind zum Bilden der Sensor-Anordnung zusammengesetzt. Jeder der Sensor-Chips ist hergestellt, indem auf und/oder in einem Substrat ein Sensor-Chip ausgebildet wird und um jeden der Sensor-Chips herum ein Graben einer Tiefe ausgebildet wird, die größer ist als die Tiefe der Sensorfelder in dem Substrat. Ein jeweiliger Sensor-Chip wird vereinzelt, indem von der Rückseite des Substrats Material einer Tiefe abgetragen wird, die mindestens gleich der Differenz zwischen der Dicke des Substrats und der Tiefe des Grabens ist.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß eine Digitalkamera mit einer Sensor-Anordnung mit den oben beschriebenen Merkmalen als Bildsensor-Anordnung geschaffen. Ferner weist die Digitalkamera eine Linsenoptik zum Projizieren eines Bildes auf die Bildsensor-Anordnung auf.
Eine Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Sensor-Anordnung aus einer Mehrzahl von Sensor-Chips zusammengesetzt ist, wobei die Dimensionierung eines Sensor-Chips unter Verwendung eines diesen umgebenden Grabens und somit mittels eines lithographischen Verfahrens definiert wird. Dies hat den Vorteil, dass der Abstand eines Sensorfelds von einem Rand des ihm zugeordneten Sensor-Chips sehr gering (in der Größenordnung von μm) gehalten werden kann. Darüber hinaus kann dieser Abstand mit einer sehr hohen Genauigkeit eingestellt werden. Letzteres ist wiederum eine Folge der Verwendbarkeit einer lithographisch definierbaren Begrenzung eines Sensor-Chips anstelle einer mechanisch definierten Begrenzung (z.B. Vereinzeln mittels Sägens des Wafers).
Die Tiefe der Gräben wird derart gewählt, dass beim rückseitigen Abtragen von Material des Substrats zum Vereinzeln der Sensor-Chips z.B. integrierte Schaltkreiskomponenten des Sensor-Chips (Sensorfelder, Steuerschaltkreis-Komponenten, etc.) vor einer Zerstörung geschützt sind. Somit wird vermieden, dass beim Abtragen von Material des Substrats solches Material abgetragen wird, das funktionelle Komponenten des Sensor-Chips enthält. Für den Fall, dass unterhalb der Sensorfelder in dem Substrat weitere integrierte Schaltkreiskomponenten ausgebildet sind, ist die Tiefe der Gräben derart gewählt, dass bei dem Abtragen von Material von der Rückseite des Substrats diese zusätzlichen Schaltkreiskomponenten vor einer Beschädigung geschützt sind. Somit ist die Tiefe der Gräben vorzugsweise mindestens so groß gewählt wie die Dicke der Sensorfelder in dem Substrat zuzüglich der Dicke optionaler zusätzlicher Schaltkreiskomponenten. Mit anderen Worten wird der Graben vorzugsweise mit einer Tiefe ausgebildet, die größer ist als die Tiefe des Sensor-Chips in dem Substrat, d.h. des funktionell bzw. schaltungstechnisch aktiven Bereichs in dem Substrat. In diesem Bereich des Sensor-Chips können auch Ansteuer- bzw. Ausleseleitungen für die einzelnen Sensorfelder etc. untergebracht sein sowie Vorverarbeitungselektronik (z.B. Verstärker), etc.
Aufgrund der räumlich scharf definierten Begrenzung der Sensorfelder auf jeden der Sensor-Chips können mehrere Sensor-Chips derart zusammengesetzt werden, dass an einem Grenzbereich zwischen zwei benachbarten Sensor-Chips eine (z.B. optisch) wahrnehmbare Störung in der regelmäßigen Abfolge der Sensor-Chips vermieden ist. Bei einer als Bildsensor-Anordnung (z.B. für eine Kamera) ausgestalteten Sensor-Anordnung sind somit störende Linien an Grenzflächen zwischen benachbarten Sensor-Chips vermieden, die sonst aufgrund einer Unterbrechung der regelmäßigen Abfolge von Sensorfeldern in Grenzbereichen zwischen benachbarten Sensor-Chips auftreten können.
Ferner wird mittels Einbringens von Gräben zum Definieren eines Sensor-Chips eine geometrisch ideale Kante am Rand des Sensor-Chips erhalten, so dass benachbarte Sensor-Chips passgenau aneinandergefügt werden können.
Anschaulich wird die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung nicht aus einer einstöckigen Komponente (beispielsweise einem großen Siliziumstück) hergestellt, sondern aus mehreren kleinen Sensor-Chips (z.B. Bildsensoren), von denen jeder dieselbe Funktionalität aufweisen kann. Dies wird erreicht, indem nach dem Prozessieren der Sensor-Chips (d.h. dem Ausbilden der Sensorfelder, etc.) ein ausreichend tiefer Graben um den Sensor-Chip geätzt wird. Dieser Graben ist vorzugsweise geringfügig tiefer als die spätere endgültige Dicke der vereinzelten Sensor-Chips. Aufgrund der Justagegenauigkeit eines halbleitertechnologischen Lithographieverfahrens kann ein an einem Rand eines Sensor-Chips angeordnetes Sensorfeld sehr eng, typischerweise 1μm und weniger, um einen Sensor-Chip herumgelegt werden. Im Inneren des geätzten Grabens hat der Wafer immer noch ausreichend Stabilität, dass ein Process-Control-Monitoring (PCM) und ein Funktionalitätstest durchgeführt werden können. Nach einer diesbezüglichen Bewertung des Wafers wird der Wafer auf seine Zieldicke rückseitig gedünnt, indem Material von der Rückseite des Wafers abgetragen (beispielsweise mechanisch abgeschliffen) wird. Dadurch ist ein Vereinzeln der Sensor-Chips realisiert, wobei jeder Sensor-Chip eine bis auf eine Dimension von 1μm und weniger definierte Größe aufweist.
Auch ist problemlos realisierbar, den Sensorfeldern auf dem Sensor-Chip einen exakt definierten Abstand zu einer Kante eines Sensor-Chips zuzuweisen (wiederum bis zu einer Genauigkeit von 1μm und weniger). Diese Genauigkeit ermöglicht es, eine Sensor-Anordnung (einen großen Bildsensor) aus einer Mehrzahl zusammengesetzter Sensor-Chips (beispielsweise kleiner Bildsensoren) mittels einer Montage zusammenzusetzen.
Für den Anwendungsfall einer Digitalkamera treten bei einer typischen Bildpixelgröße von 5μm bis 10μm störende Linien an Grenzbereichen zwischen benachbarten Sensor-Chips üblicherweise nicht auf.
Erfindungsgemäß sind mehrere kleine Bauteile zusammengesetzt, um eine höhere Ausbeute bei der Sensorherstellung zu erreichen. Dadurch ist es für eine Digitalkamera (z.B. mit der Dimension einer Kleinbildkamera) ermöglicht, eine Bildsensor-Komponente herzustellen, bei der die oben beschriebenen aus dem Stand der Technik bekannten Probleme vermieden sind. Mittels Verringerns der Toleranzen aufgrund des Definierens von Sensor-Chips mittels einer Grabenätzung ist es erreicht, dass die zusammengesetzten Sensorfelder annähernd die gleiche Auflösung wie eine einkomponentige Sensor-Anordnung hat.
Mittels gleichgeschnittener Sensor-Chips, die vorzugsweise alle die gleiche Größe aufweisen, werden Kanten idealer Geometrie und somit sehr gute Passflächen erhalten. Bei Verwendung einer einheitlichen Maske wird die Toleranz weiter reduziert. Dann ist das einzige begrenzende Kriterium die Maskenauflösung, die wesentlich besser ist als eine herkömmliche Toleranz beim Vereinzeln eines Substrats mittels Sägens.
Beim Sägen von Wafern zum Vereinzeln der Chips des Wafers liegt die Fertigungstoleranz im Bereich von 50μm und mehr. Würde man unter diesen Umständen Sensor-Chips nebeneinander anordnen, hätte dies zur Folge, dass die Berührungsstellen der einzelnen kleinen Bildsensoren im Digitalbild aufgelöst würden. Mit anderen Worten würde man hinsichtlich der optischen Wahrnehmung eines Betrachters eines Bildes nicht die gleiche Funktionalität erreichen wie bei einem großflächigen Bildsensor. Insbesondere würden in Grenzbereichen störende Linien auftreten.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtungen ist die Fertigungstoleranz derart stark reduziert, dass mehrere Sensor-Chips aneinander gereiht werden können und zusammen die gleiche optische Funktionalität wie eine einstöckige Sensor-Anordnung erreichen. Somit können größere und aufgrund der Modularität einzelner kleiner Bausteine auch billigere Bildsensoren als gemäß dem Stand der Technik hergestellt werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorzugsweise werden die Sensor-Chips im Wesentlichen formschlüssig zusammengesetzt. Aufgrund der erheblich verbesserten Passgenauigkeit der Sensor-Chips ist die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung daher in allen Bereichen anwendbar, wo ein räumlich definiertes Zusammensetzen unterschiedlicher Komponenten mit hoher räumlicher Genauigkeit erforderlich ist.
Der Graben kann derart gebildet werden, dass ein Abstand eines an einem Rand eines Sensor-Chips angeordneten Sensorfeldes von einem Rand nicht wesentlich größer ist als eine Ausdehnung des Sensorfeldes. In diesem Fall ist sichergestellt, dass in Grenzbereichen zwischen benachbarten Sensor-Chips störende Linien aufgrund einer Störung der symmetrischen Anordnung von Sensorfeldern vermieden sind.
Der Graben wird vorzugsweise unter Verwendung eines Lithographie-Verfahrens ausgebildet. Mit einem Lithographie-Verfahren ist eine Auflösung im Bereich von Mikrometern (beispielsweise 2μm bis 3μm) und darüber erreichbar. Da die Sensorfelder häufig eine Pixeldimension von 5μm bis 10μm haben, kann sichergestellt werden, dass Störungen, Verzerrungen oder Linien an Grenzflächen benachbarter Sensor-Chips vermieden sind.
Der Graben wird vorzugsweise unter Verwendung eines Ätz-Verfahrens ausgebildet. Besonders bevorzugt ist es, als Ätz- Verfahren ein anisotropes Ätz-Verfahren zu verwenden, um einen ausreichend steilen Kantenabfall an dem Rand eines Sensor-Chips zu erreichen, wodurch die Passgenauigkeit beim Zusammensetzen benachbarter Chips weiter erhöht ist. Das Ätz-Verfahren kann ein Trockenätz-Verfahren sein. Alternativ kann ein Nassätz-Verfahren verwendet werden. Generell ist bei dem Ätz-Verfahren darauf zu achten, dass die Unterätzung, d.h. die isotrope Ätz-Komponente, ausreichend gering gehalten ist, um ein formschlüssiges Aneinanderreihen benachbarter Sensor-Chips sicherzustellen. Besonders bevorzugt als Ätz-Verfahren ist Sputterätzen oder reaktives Ionenätzen (RIE, "reactive ion etching").
Das Material des Substrats kann unter Verwendung eines Chemical-Mechanical-Polishing-Verfahrens (CMP-Verfahren) oder eines Ätz-Verfahrens abgetragen werden. Alternativ kann Material unter Verwendung eines Lasers abgetragen werden.
Unterschiedliche Sensor-Chips können im Wesentlichen gleich groß ausgebildet werden. Insbesondere ist möglich, unterschiedliche Sensor-Chips unter Verwendung eines gemeinsamen Lithographie-Verfahrens, das heißt eines einheitlichen Wafers, auszubilden. Jedoch ist es auch möglich, die unterschiedlichen Sensor-Chips der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung aus unterschiedlichen Wafern herzustellen.
Der Graben kann derart gebildet werden, dass ein Abstand eines an einem Rand eines Sensor-Chips angeordneten Sensorfeldes von dem Rand vorzugsweise höchstens 3μm, weiter vorzugsweise höchstens 1μm ist.
Im Weiteren wird die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung näher beschrieben. Ausgestaltungen des Verfahrens zum Herstellen der Sensor-Anordnung gelten auch für die Sensor-Anordnung und umgekehrt.
Zumindest eines der Sensorfelder kann ein CCD-Sensorfeld, ein Biosensorfeld, ein Kapazitäts-Sensorfeld, ein Druck-Sensorfeld oder ein Infrarot-Sensorfeld sein.
Ein CCD-Sensorfeld ("charge coupled device") ist anschaulich eine Anordnung von CCD-Elementen, d.h. integrierten Bauelementen, zum Umwandeln eines optischen Bildes in ein Bild elektrischer Ladungen mittels Photogenerierens von elektrischen Ladungen und anschließenden Umwandelns des Ladungsbildes in ein sequentielles elektrisches Signal unter Verwendung von CCD-Schieberegistern.
In der Biosensorik kann es ebenso vorteilhaft sein, die Sensorfelder benachbarter Sensor-Chips passgenau aneinander zu setzen, um eine hohe räumliche Auflösung des Biosensorfelds zu erreichen. Beispielsweise kann unter Verwendung eines geeigneten Biosensorfeldes ein Wachstum und eine zeitabhängige Funktionalität von auf dem Biosensorfeld aufgewachsenen Nervenzellen detektiert werden.
Ein halbleitertechnologischer Druck-Sensor kann auf dem piezoresistiven Effekt basieren.
Es ist auch möglich, ein Kapazitäts-Sensorfeld zu verwenden, bei dem anschaulich bei Anwesenheit eines mechanischen Drucks ein Luftspalt zwischen zwei (integrierten) Kondensatorplatten und somit die elektrischen Eigenschaften des Kondensators verändert werden. Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist somit ein Fingertip-Sensor mit einer ausreichend großen Dimensionierung.
Das Sensorfeld kann auch ein Infrarot-Sensorfeld sein, beispielsweise für eine Wärmebild-Kamera. Eine Wärmebild-Kamera basiert auf solchen Infrarot-Sensoren, die für Infrarotlicht empfindlich sind. Besonders geeignet sind CCDs oder Dioden aus dem Material HgCdTe (Quecksilber-Cadmium-Tellurid). Bei der Verwendung einer Wärmebild-Kamera kann es vorteilhaft sein, die Sensor-Anordnung unter Umgebungstemperatur abzukühlen, um die von der Sensor-Anordnung selbst abgestrahlte Infrarot-Strahlung gering zu halten.
Vorzugsweise weist jeder der Sensor-Chips einen Multiplexerbereich und einen Anschlusspadbereich auf, wobei die Sensor-Chips derart zusammengesetzt sind, dass die Multiplexerbereiche und die Anschlusspadbereiche entlang zumindest eines Teil des Rands der Sensor-Anordnung verlaufend angeordnet sind. In diesem Fall ist anschaulich die Sensor-Anordnung gebildet aus einem mittigen Abschnitt, in dem die Sensorfelder der Sensor-Chips angeordnet sind. Dieser Mittenbereich ist umgeben von Multiplexern zum selektiven Adressieren der Sensorfelder. Mittels der Anschlusspads können die elektrischen Signale der Sensorfelder einer in der Umgebung angeordneten Verarbeitungs-Elektronik bereitgestellt werden.
Ferner ist anzumerken, dass eine Randabdichtung ("seal ring"), wie sie entlang einer Umrandung eines Chips oft zu Schutzzwecken ausgebildet wird, bei den Sensor-Chips der Erfindung eingespart sein kann. Soll eine solche Randabdichtung ausgebildet werden, so ist ihre Dicke vorzugsweise so zu wählen (kleiner 3μm), dass die räumliche Abfolge der Sensorfelder in Grenzbereichen zwischen benachbarten Sensor-Chips nicht wahrnehmbar beeinflusst wird.
Es ist anzumerken, dass das Substrat aus einem beliebigen Material hergestellt sein kann. Insbesondere kann das Substrat ein Silizium-Wafer sein. Alternativ kann das Substrat ein Glas-Substrat, ein Keramik-Substrat, etc. sein.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1A eine Draufsicht eines Sensor-Chips einer Sensor-Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
1B einen vergrößerten Ausschnitt des in 1A gezeigten Sensor-Chips,
2A einen Wafer mit einer Vielzahl von darauf ausgebildeten Sensor-Chips während eines Verfahrens zum Herstellen einer Sensor-Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2B eine Querschnitts-Ansicht entlang der in 2A gezeigten Schnittlinie I-I',
3A eine Draufsicht eines Wafers mit einer Vielzahl von Sensor-Chips einem anderen Zeitpunkt während des Verfahrens zum Herstellen einer Sensor-Anordnung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
38 eine Querschnitts-Ansicht entlang der in 3A gezeigten Schnittlinie II-II',
4A einen Wafer mit einer Vielzahl von Sensor-Chips zu einem weiteren Zeitpunkt während des Verfahrens zum Herstellen einer Sensor-Anordnung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4B eine Querschnitts-Ansicht entlang der in 4A gezeigten Schnittlinie III-III',
5 eine Sensor-Anordnung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 einen Wafer mit einer Vielzahl von darauf ausgebildeten Sensor-Chips während eines Verfahrens zum Herstellen einer Sensor-Anordnung gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1A ein Sensor-Chip 100 einer erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Der Sensor-Chip 100 weist einen Sensorbereich 101 mit einer Mehrzahl von Sensorfeldern (nicht gezeigt in 1A) auf, die in dem Sensorbereich 101 des Sensor-Chips 100 matrixförmig angeordnet sind. Ferner enthält der Sensor-Chip 100 einen Multiplexerbereich 102 zum selektiven Ansteuern der Sensorfelder des Sensor-Chips 100. In einem Randbereich des Sensor-Chips ist ein Anschlusspadbereich 103 vorgesehen, an dem elektrische Signale der Sensorfelder für eine externe Weiterverarbeitung bereitstellbar sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1B ein Randabschnitt 104 des Sensor-Chips 100 in einer vergrößerten Darstellung beschrieben.
In 1B sind eine Mehrzahl von Sensorfeldern 110 gezeigt, die auf den Sensorbereich 101 des Sensor-Chips 100 matrixförmig angeordnet sind. Die an dem gemäß 1B rechten Rand angeordneten Sensorfelder 110 sind von diesem rechten Rand in einem Abstand von 1μm vorgesehen. Jedes der Sensorfelder 110 ist mittels einer halbleitertechnologischen Prozessierung ausgebildet, so dass die Genauigkeit der räumlichen Lokalisierung der Sensorfelder 110 mittels eines lithographischen Verfahrens definiert ist.
In 2A ist ein Silizium-Wafer 200 gezeigt, auf dem insgesamt zwölf Sensor-Chips 100 ausgebildet sind, von denen jeder wie der in 1A gezeigte Sensor-Chip 100 aufgebaut ist.
In 2B ist eine Querschnitts-Ansicht des Wafers 200 entlang einer Schnittlinie I-I' gezeigt. Abweichend von 2A ist in 2B in Vorbereitung eines im Weiteren durchzuführenden Graben-Ätz-Verfahrens Photoresist 210 auf der Oberfläche des Wafers 200 abgeschieden (nicht gezeigt in 2A) und mittels einer photolithographischen Belichtung strukturiert. Dadurch sind die Sensor-Chips 100 mit Photoresist 210 bedeckt, wohingegen die gesamten Zwischen-Bereiche (Ritzrahmen-Bereiche) zwischen benachbarten Sensor-Chips 100 von einer Bedeckung mit Photoresist 210 frei sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 3A der Wafer 200 in einem Zustand beschrieben, nachdem die gemäß 2B mit strukturiertem Photoresist 210 bedeckte Anordnung einem Sputterätz-Verfahren unterzogen worden ist.
Im Anschluss daran wird der Photoresist 210 von der Anordnung befreit, wodurch der Wafer 200 in dem in 3A gezeigten Zustand erhalten wird. Wie in 3A gezeigt, sind zwischen benachbarten Sensor-Chips 100 Gräben 300 ausgebildet.
Wie in der in 3B gezeigten Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie II-II' aus 3A gezeigt, sind aufgrund der ausreichend tiefen Grabenätzung unterschiedlichen Sensor-Chips 100 zugeordnete Chipbereiche 310 geschaffen, die durch einen Abstandshalterbereich 311 voneinander getrennt sind. Die Breite des Grabens 300 ist gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 30μm. Die Tiefe des Grabens 300 ist gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel 300μm.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4A, 4B beschrieben, wie der mit Gräben 300 versehene Wafer 200 in eine Vielzahl von voneinander getrennten Sensor-Chips 100 vereinzelt wird.
Hierfür wird unter Verwendung eines CMP-Verfahrens ("chemical mechanical polishing") an der Rückseite 401 des Silizium-Wafers 200 Material soweit abgetragen, bis das Material der Abstandshalter 311 vollständig entfernt ist, so dass die unterschiedlichen Sensor-Chips 100 voneinander mechanisch getrennt werden.
Dies ist aus der in 4B gezeigten Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie III-III' aus 4A ersichtlich. Nach dem Abtragen von Material des Silizium-Wafers 300 von der Rückseite 401 werden somit voneinander getrennte Sensor-Chips 100 erhalten.
Wie in 4B gezeigt, sind die aneinandergrenzenden Grenzflächen benachbarter Sensor-Chips in ausreichender Genauigkeit parallel zueinander, so dass sich die Sensor-Chips 100 passgenau aneinanderfügen lassen. Insbesondere ist anzumerken, dass aufgrund der Verwendung eines Lithograhie-Verfahrens zum Definieren der Gräben 300 diese mit einer Genauigkeit von 1μm und weniger einstellbar sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 eine Sensor-Anordnung 500 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Um die in S gezeigte Sensor-Anordnung 500 zu erhalten, werden sechs der in 4A gezeigten vereinzelten Sensor-Chips 100 passgenau und formschlüssig aneinandergefügt, wodurch in einem zentralen Bereich die Sensorbereiche 101 einen großen Gesamt-Sensorbereich 501 bilden, der gemäß 5 von oben und unten von einem Gesamt-Multiplexerbereich 502 umgeben ist. Gemäß 5 auf und unterhalb des Gesamt- Multiplexerbereichs 502 ist ein Gesamt-Anschlusspadbereich 503 vorgesehen.
Die Größe der Sensorbereiche 101 sind so gewählt, dass im zusammengesetzten Zustand gemäß 5 der Gesamt-Sensorbereich 501 eine Dimension von 36mm × 24mm aufweist und somit unter Verwendung einer Standardoptik einer herkömmlichen Kleinbild-Kamera betrieben werden kann. Da die Vereinzelung der Sensor-Chips 100 mittels Grabenätzens und somit unter Verwendung eines Lithographie-Verfahrens realisiert ist, ist sichergestellt, dass auch in Grenzbereichen benachbarter Sensorbereiche 101 der Sensor-Anordnung 500 eine ausreichend definierte räumliche Abfolge der dort benachbarten Sensorfelder realisiert ist, so dass störende Linien auch in Grenzbereichen vermieden sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 ein Silizium-Wafer 600 während eines anderen Verfahrens zum Herstellen einer Sensor-Anordnung gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Prozessierung des Wafers 600 unterscheidet sich in einem wesentlichen Punkt von der Prozessierung des Wafers 200, die bezugnehmend auf 2A bis 4B beschrieben ist. Der Silizium-Wafer 600 weist eine Vielzahl von darauf ausgebildeten Sensor-Chips 100 auf, von denen jeder einen Sensorbereich 101, einen Multiplexerbereich 102 und einen Anschlusspadbereich 103 enthält. Im Unterschied zu der oben bezugnehmend auf 2A bis 4B beschriebenen Prozessierung wird das räumliche Definieren der exakten Größe und das Vereinzeln der Sensor-Chips 100 gemäß 6 nicht dadurch vorbereitet, dass in dem gesamten Zwischenbereich 105 zwischen jeweils benachbarten Sensor-Chips 100 ein anschaulich gemeinsamer Ätzgraben für alle Sensor-Chips 100 ausgebildet wird. Stattdessen wird gemäß 6 um jeden Sensor-Chip 100 herum ein separater Ätzgraben 601 ausgebildet, wohingegen in Wafer-Zwischenbereichen 602, das heißt in Bereichen zwischen unterschiedlichen Ätzgraben 601, ein Ätzen vermieden ist. Dies wird realisiert, indem unter Verwendung eines Lithographie- und eines Ätz-Verfahrens Photoresist derart auf der Oberfläche des Silizium-Wafers 600 abgeschieden und strukturiert wird, dass die Sensor-Chips 100 sowie die Wafer-Zwischenbereiche 602 mit Photoresist bedeckt sind, wohingegen die Oberflächenbereiche des Silizium-Wafers 600, in denen Ätzgraben 601 einzubringen ist, von einer Bedeckung mit Photoresist-Material frei sind. In einem nachfolgenden Ätz-Verfahren wird Material des Silizium-Wafers 600 mittels Ätzens derart entfernt, dass Ätzgräben 601 generiert werden. Anschließend wird der Photoresist von den vor einem Ätzen geschützten Sensor-Chips 100 und den Wafer-Zwischenbereichen 602 entfernt, wodurch der Silizium-Wafer 600 in der in 6 gezeigten Konfiguration erhalten wird. Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es somit ermöglicht, die Wafer-Zwischenbereiche 602 funktionell zu einem beliebigen Zweck zu verwenden, beispielsweise mit Teststrukturen zum Testen der Funktionalität der Sensor-Chips 100 zu versehen.
Mittels rückseitigen Ätzens des Silizium-Wafers 600 können die Sensor-Chips 100 nachfolgend vereinzelt werden. Danach können die vereinzelten Sensor-Chips 100 zum Beispiel in der in 5 gezeigten Weise zu einer erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung zusammengesetzt werden.

100: Sensor-Chip
101: Sensorbereich
102: Multiplexerbereich
103: Anschlusspadbereich
104: Randabschnitt
105: Zwischenbereich
110: Sensorfeld
200: Silizium-Wafer
210: Photoresist
300: Graben
310: Chip-Bereiche
311: Abstandshalterbereich
400: Anordnung
401: Rückseite
500: Sensor-Anordnung
501: Gesamt-Sensorbereich
502: Gesamt-Multiplexerbereich
503: Gesamt-Anschlusspadbereich
600: Silizium-Wafer
601: Ätzgraben
602: Wafer-Zwischenbereich

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung, bei dem – eine Mehrzahl von Sensor-Chips auf und/oder in einem Substrat ausgebildet wird, von denen jeder eine Mehrzahl von Sensorfeldern aufweist; – um jeden der Sensor-Chips herum ein Graben einer Tiefe ausgebildet wird, die größer ist als die Tiefe der Sensorfelder in dem Substrat; – ein jeweiliger Sensor-Chip vereinzelt wird, indem von der Rückseite des Substrats Material einer Tiefe abgetragen wird, die mindestens gleich der Differenz zwischen der Dicke des Substrats und der Tiefe des Grabens ist; – die Sensor-Chips zum Bilden der Sensor-Anordnung zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Sensor-Chips im Wesentlichen formschlüssig zusammengesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Graben derart gebildet wird, dass ein Abstand eines an einem Rand eines Sensor-Chips angeordneten Sensorfelds von dem Rand nicht wesentlich größer ist als eine Ausdehnung des Sensorfelds.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Graben unter Verwendung eines Lithographie-Verfahrens ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Graben unter Verwendung eines Ätz-Verfahrens ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem als Ätz-Verfahren ein anisotropes Ätz-Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem als Ätz-Verfahren ein Trockenätz-Verfahren verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem als Ätz-Verfahren – Sputterätzen; oder – reaktives Ionenätzen verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem Material des Substrats unter Verwendung – eines Chemical-Mechanical-Polishing-Verfahrens; oder – eines Ätz-Verfahrens abgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem unterschiedliche Sensor-Chips im Wesentlichen gleich groß ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Graben derart gebildet wird, dass ein Abstand eines an einem Rand eines Sensor-Chips angeordneten Sensorfelds von dem Rand höchstens 3μm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Graben derart gebildet wird, dass ein Abstand eines an einem Rand eines Sensor-Chips angeordneten Sensorfelds von dem Rand höchstens 1μm ist.
Sensor-Anordnung – mit einer Mehrzahl von Sensor-Chips, von denen jeder eine Mehrzahl von Sensorfeldern aufweist; – wobei die Sensor-Chips zum Bilden der Sensor-Anordnung zusammengesetzt sind; – wobei jeder der Sensor-Chips hergestellt ist, indem – auf und/oder in einem Substrat ein Sensor-Chip ausgebildet wird; – um den Sensor-Chips herum ein Graben einer Tiefe ausgebildet wird, die größer ist als die Tiefe der Sensorfelder in dem Substrat; – der Sensor-Chip vereinzelt wird, indem von der Rückseite des Substrats Material einer Tiefe abgetragen wird, die mindestens gleich der Differenz zwischen der Dicke des Substrats und der Tiefe des Grabens ist.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 13, bei dem zumindest eines der Sensorfelder – ein CCD-Sensorfeld; – ein Biosensorfeld; – ein Kapazitäts-Sensorfeld; – ein Druck-Sensorfeld; oder – ein Infrarot-Sensorfeld ist.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, bei der jeder Sensor-Chip einen Multiplexerbereich und einen Anschlusspadbereich aufweist, wobei die Sensor-Chips derart zusammengesetzt sind, dass die Multiplexerbereiche und die Anschlusspadbereiche entlang zumindest eines Teils des Rands der Sensor-Anordnung verlaufend angeordnet sind.
Digitalkamera – mit einer Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15 als Bildsensor-Anordnung; – mit einer Linsenoptik zum Projizieren eines Bildes auf die Bildsensor-Anordnung.