Brevet FR2904144A1 — publié le 20080125

PROCEDE DE FABRICATION D'UN WAFER DE SEMI- CONDUCTEUR COMPRENANT UN FILTRE OPTIQUE INTEGRE La présente invention concerne la fabrication d'un wafer de semi-conducteur couvert par une plaque de verre et notamment la fabrication d'un wafer comprenant des imageurs CMOS. Les imageurs réalisés selon la technologie CMOS ("Complementary Metal Oxide Semiconductor") font l'objet d'un nombre croissant d'applications en raison de leur faible prix de revient comparativement aux imageurs CCD ("Charge Coupled Device"). De tels imageurs CMOS étaient initialement utilisés pour réaliser des capteurs d'image à faible résolution et de qualité médiocre (par exemple des caméras web). Aujourd'hui, après un important investissement en recherche et développement, les imageurs CMOS peuvent rivaliser avec les imageurs CCD. La présente invention s'inscrit dans un effort de développement et de perfectionnement de cette technologie d'imageurs visant une baisse des prix de revient à qualité d'image au moins égale. La figure 1 représente un exemple de module de capture d'images et/ou de capture vidéo utilisant un imageur CMOS, destiné par exemple à être monté dans un appareil portatif tel un téléphone mobile, un appareil photographique ou une caméra vidéo. Le module 1 comprend un châssis 2904144 2 2, un bloc optique 3, des lentilles 4 solidaires du bloc 3, un filtre optique 5 et un support 6. Une microplaquette de semi-conducteur 100 intégrant un imageur CMOS 10, est disposée sur le 5 support 6 et reçoit la lumière passant à travers les lentilles 4 et le filtre 5. Le filtre 5 est généralement un filtre infrarouge (applications grand public) mais peut être aussi un filtre spécifique pour des applications industrielles 10 nécessitant de capter des images dans une certaine gamme de fréquences ou de rejeter certaines gammes de fréquences. L'imageur CMOS 10 comprend des photosites formant chacun un pixel (non visibles sur la 15 figure 1). Chaque pixel comprend une photodiode et un circuit de contrôle et d'interconnexion de la photodiode. Les pixels sont agencés de façon matricielle et une mosaïque de filtres rouges, verts, bleus est répartie au-dessus de la matrice 20 de pixels, généralement selon l'architecture de Bayer. La figure 2 est une vue en coupe schématique de la microplaquette 100 et de l'imageur 10 dans une région correspondant à trois pixels PIX1, 25 PIX2, PIX3. On distingue un substrat semi-conducteur 15 dans lequel l'imageur 10 est implanté, et une microplaquette de verre 20 fixée sur l'imageur par l'intermédiaire d'une couche de colle 19. En allant du bas vers le haut, l'imageur 10 comprend des couches 10-1 10-2, 10-3, 10-4, 10-5 et des microlentilles LO (LO-1, LO-2, LO-3). La couche 10-1 représente la partie active de l'imageur et comprend des photodiodes et leurs circuits de contrôle et d'interconnexion associés 2904144 3 (non détaillés). La couche 10-2 est un matériau diélectrique qui recouvre entièrement le substrat 15. La couche 10-3 est une couche de passivation déposée sur l'imageur en fin de processus de 5 fabrication. La couche 10-4 est formée par des résines colorées et comprend des secteurs R, G, B de couleur rouge, verte ou bleue formant les filtres de couleur primaire susmentionnés, à raison d'un filtre de couleur par pixel. La couche 10 10-5 est une couche de résine intermédiaire formant un support pour les microlentilles LO et offrant une bonne planéité (couche de "planarisation"). Les microlentilles LO sont agencées en une matrice "MLA" (Microlens Array) à 15 raison d'une microlentille par pixel, et sont recouvertes par la couche de colle 19 et par la microplaquette de verre 20. Des étapes d'un procédé de fabrication classique de la microplaquette d'imageur 100 sont 20 représentées sur les figures 3A à 3E. Le procédé comprend tout d'abord la fabrication collective d'une pluralité d'imageurs 10 sur un wafer de silicium 15', comme représenté sur la figure 3A. A l'étape illustrée sur la figure 3B, une plaque de 25 verre 20' est fixée sur la face avant du wafer 15' par l'intermédiaire d'une couche de colle 19' recouvrant tout le wafer, la colle comprenant par exemple de l'époxy, de l'uréthane, du silicone.... A l'étape de la figure 3C, le wafer 15' est 30 retourné et est posé sur un support (non représenté) pour effectuer un traitement de sa face arrière. Ce comprend au moins wafer, une étape de 35 du wafer pour traitement en face arrière une étape d'amincissement du gravure et une étape de sciage obtenir une pluralité de 2904144 4 microplaquettes d'imageur comme la microplaquette 100. L'étape d'amincissement, représentée sur la figure 3D, est généralement effectuée par abrasion 5 mécanique (backlapping), et comprend le meulage et le polissage de la face arrière. L'épaisseur du wafer, initialement de l'ordre de quelques centaines de micromètres est de l'ordre de quelques dizaines ou d'une centaine de micromètres 10 en fin de processus. L'étape de gravure, représentée sur la figure 3E, permet d'obtenir des rainures ou sillons 25 ("grooves") sur la face arrière du wafer. Ces sillons peuvent être prévus pour diverses raisons, 15 par exemple pour faciliter la découpe ultérieure du wafer ou pour réaliser des contacts sur la face arrière. Les sillons 25 sont généralement réalisés par gravure chimique ou gravure au plasma. Un micromodule de capture d'image tel que 20 représenté sur la figure 1 présente l'inconvénient d'être d'une structure relativement complexe et de nécessiter un temps d'assemblage non négligeable, grevant sont prix de revient. En particulier, le filtre 5 est un composant 25 additionnel d'un prix de revient élevé et nécessite une ligne de fabrication dédiée, puis des étapes de stockage, de manutention et d'assemblage. Ainsi, un objectif de la présente invention 30 est de prévoir un filtre qui soit moins coûteux à réaliser et plus simple à assembler que le filtre classique précédemment décrit. Pour atteindre cet objectif, la présente invention se base sur l'idée simple mais non moins 35 inventive d'ajouter à la surface du wafer fini tel 2904144 5 que représenté en figure 3A, avant ou au moment de la fixation de la plaque de verre 20' (figure 3B), des couches de matériau polymère ayant des indices optiques différents afin de réaliser une fonction 5 de filtrage, par exemple de filtrage infrarouge. De cette manière, le filtre 5 dans le micromodule représenté en figure 1 n'est plus nécessaire. Plus particulièrement, la présente invention 10 prévoit un procédé de fabrication de microplaquettes de semi-conducteur comprenant chacune au moins un composant implanté dans le semi-conducteur, le procédé comprenant une étape d'implantation collective de composants sur une 15 face avant d'un wafer de semi-conducteur, une étape de fixation d'une plaque d'un matériau transparent sur la face avant du wafer, dans lequel l'étape de fixation de la plaque de matériau transparent est précédée d'une étape de 20 dépôt, sur la face avant du wafer, d'au moins une couche d'un matériau polymère formant un filtre optique. Selon un mode de réalisation, l'étape de fixation de la plaque de matériau transparent est 25 précédée d'une étape de dépôt, sur la face avant du wafer, de plusieurs couches de matériau(x) polymère(s) formant ensemble un filtre optique multicouche. 30 Selon un mode de réalisation, au moins la dernière couche du filtre est une couche de colle assurant la fixation de la plaque de matériau transparent. Selon un mode de réalisation, toute couche 35 formant le filtre est une couche de colle. 2904144 6 Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape consistant à recouvrir le filtre optique par une couche de colle assurant la fixation de la plaque de matériau transparent et 5 n'intervenant pas dans la fonction de filtrage optique. Selon un mode de réalisation, le matériau polymère de chaque couche du filtre est choisi dans le groupe comprenant les résines 10 photosensibles, les résines planarisantes et les colles. Selon un mode de réalisation, chaque couche du filtre est polymérisée avant le dépôt de la couche suivante. 15 Selon un mode de réalisation, au moins une couche du filtre n'est pas polymérisée avant le dépôt de la couche suivante, laquelle est miscible avec la couche non polymérisée, de manière à former une couche résultante à gradient d'indice 20 qui est ensuite polymérisée. Selon un mode de réalisation, au moins une couche du filtre optique est déposée par enduction centrifuge. Selon un mode de réalisation, le procédé 25 comprend une étape de découpe du wafer en microplaquettes individuelles. Selon un mode de réalisation, l'étape d'implantation de composants sur une face du wafer comprend l'implantation d'imageurs destinés à 30 capter des images par l'intermédiaire de la plaque de matériau transparent et du filtre optique. Selon un mode de réalisation, la plaque de matériau transparent est en verre. La présente invention concerne également un 35 imageur implanté sur une microplaquette de semi- 2904144 7 conducteur, comprenant une microplaquette de matériau transparent solidaire de la microplaquette de semi-conducteur, par l'intermédiaire de laquelle l'imageur reçoit des 5 images à capter, et comprenant, entre la microplaquette de semiconducteur et la microplaquette de matériau transparent, au moins une couche de matériau polymère formant un filtre optique. 10 Selon un mode de réalisation, l'imageur comprend entre la microplaquette de semiconducteur et la microplaquette de matériau transparent plusieurs couches de matériau(x) polymère(s) formant ensemble un filtre optique 15 multicouche. Selon un mode de réalisation, le filtre optique est recouvert par une couche de colle assurant la fixation de la plaque de matériau transparent et n'intervenant pas dans la fonction 20 de filtrage optique. Selon un mode de réalisation, la dernière couche de matériau polymère du filtre optique est une couche de colle assurant la fixation de la plaque de matériau transparent. 25 Selon un mode de réalisation, toute couche de matériau polymère formant le filtre optique multicouche est une couche de colle. Selon un mode de réalisation, toute couche du filtre optique est formée par un matériau 30 appartenant au groupe comprenant les résines photosensibles, les résines planarisantes et les colles. Selon un mode de réalisation, le filtre optique présente un indice optique gradué. 2904144 8 Selon un mode de réalisation, le filtre optique multicouche présente un gradient d'indice optique. Selon un mode de réalisation, la 5 microplaquette de matériau transparent est en verre. La présente invention concerne également un appareil portatif comprenant un module photographique ou vidéo équipé d'un imageur selon 10 l'invention. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante du procédé selon l'invention, faite à 15 titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1 précédemment décrite représente un module de capture d'image pour appareil portatif, - la figure 2 précédemment décrite est une vue en 20 coupe schématique d'une microplaquette d'imageur, - les figures 3A à 3E précédemment décrites illustrent un procédé de fabrication d'imageurs sur wafer de semi-conducteur, - les figures 4A à 4D représentent des étapes de 25 réalisation d'un filtre selon l'invention, et - la figure 5 représente une microplaquette d'imageur selon l'invention. Un exemple de mise en oeuvre du procédé selon l'invention sera décrit ici dans le cadre d'une 30 fabrication d'imageurs sur wafer de semi-conducteur telle qu'illustrée sur les figures 3A à 3E précédemment décrites. La présente invention prévoit de déposer plusieurs couches d'un matériau polymère 35 durcissable sur le wafer fini 15' tel que 2904144 9 représenté en figure 3A (c'est-à-dire le wafer 15' équipé des imageurs 10), avant le montage de la plaque de verre 20'. Ces couches, et à tout le moins la dernière 5 couche déposée avant montage de la plaque de verre 20', sont par exemple des couches de colles (époxy, uréthane, silicone....) ayant des indices optiques déterminés. Si nécessaire, des additifs, colorés ou non, sont ajoutés aux formules de 10 colles standards afin d'obtenir des indices optiques déterminés. De façon générale, il est aisé à l'heure actuelle de se procurer tout type de colle ou autre matériau polymère défini par un cahier des charges précis spécifiant notamment la 15 couleur et l'indice optique souhaités. Les couches peuvent être réalisées avec le même matériau polymère mais contenant des additifs différents, ou avec des matériaux polymères différents, ou une combinaison de ces deux 20 possibilités. Dans l'art antérieur, la couche de colle 19' (fig. 3B) qui permet de fixer la plaque de verre 20' a sensiblement le même indice optique que le verre, de manière que sa présence ne provoque pas 25 l'apparition de dioptres parasites. Les diverses couches de matériau polymère (ou de matériaux polymères) selon l'invention présentent au contraire des indices optiques distincts, afin que l'ensemble des couches forme un filtre optique 30 multicouche. Ces couches de matériau polymère sont de préférence déposées par enduction centrifuge ("spin coating"). Le matériau polymère peut être liquide ou gélatineux. Il est ensuite polymérisé 2904144 10 suivant les conditions requises (polymérisation aux UV ou polymérisation thermique). Ainsi, à l'étape représentée sur la figure 4A, une petite quantité de matériau polymère 30, 5 de l'ordre de quelques millilitres, est déposée sur le wafer 15', de préférence au centre du wafer. A l'étape représentée sur la figure 4B, le matériau 30 est étalé sur toute la surface de la plaque de verre 20' par centrifugation. La vitesse 10 de rotation du wafer est initialement assez faible, par exemple 1500 tr/min. Une forte accélération, par exemple jusqu'à 20000 tr/min, est ensuite appliquée au wafer pour favoriser la formation d'une couche uniforme 31 sur toute la 15 surface de la plaque de verre tout en éliminant le surplus de matériau polymère. La vitesse de rotation est ensuite stabilisée à une valeur plus basse, par exemple de l'ordre de 2000 à 7000 tr/mn, afin de définir l'épaisseur de la couche 20 31. La rotation est encore maintenue un certain temps pour permettre l'évaporation du solvant. L'évaporation du solvant diminue sensiblement la viscosité du matériau polymère dont dépend l'épaisseur du film. L'évaporation étant rapide, 25 il est nécessaire de veiller à ce que le délai d'étalement du matériau polymère soit court. Durant la rotation à grande vitesse, la plus grande partie du solvant contenu dans le matériau s'évapore pour finir par produire un film solide. 30 Une étape de cuisson est ensuite conduite. Cette étape assure l'élimination rapide des solvants résiduels et la polymérisation de la couche 31. Il s'ensuit une contraction (retrait volumique) du matériau polymère, qui engendre une 35 perte d'épaisseur de l'ordre de la fraction de 2904144 11 pourcent à quelques pourcents, selon le matériau utilisé. Le wafer est par exemple chauffé au moyen de plaques chauffantes portées à une température de 5 l'ordre de la centaine à quelques centaines de degrés (100-300 C en général). La durée du cycle de chauffage est ajustée pour atteindre le taux de solvant désiré, et peut être de quelques minutes à plus d'une heure. La cuisson est suivie d'une 10 étape de refroidissement du wafer, par exemple au moyen de plaques à température ambiante. Comme alternative, et selon le matériau retenu, l'étape de polymérisation peut également être conduite en exposant le wafer à un 15 rayonnement UV. La polymérisation aux UV est généralement plus courte que la polymérisation thermique et ne dure que quelques minutes au maximum. A l'étape illustrée sur la figure 4C, deux 20 autres couches polymères 32, 33 ont été déposées sur la couche 31, la dernière couche 33 servant également de couche de colle pour l'étape de collage de la plaque de verre 20' représenté sur la figure 4D. On a ainsi réalisé, sous la plaque 25 de verre 20', un filtre optique multicouche à indice optique gradué. L'homme de l'art notera que les couches polymères s'étendant sous la dernière couche (ici la couche 33) pourraient ne pas être des colles, 30 et pourraient être par exemple des résines photosensibles (par exemple les résines "CT" utilisées pour la fabrication des microlentilles des imageurs) ou des résines "planarisantes" (résines utilisées pour former des surfaces planes 2904144 12 en microélectronique), des résines de couleur, etc. Egalement, l'invention n'exclut pas que la couche de colle 19' classique (fig. 2, fig. 3B) 5 soit déposée sur le wafer avant le dépôt des couches 31 à 33 selon l'invention, pour planifier la surface du wafer au-dessus des microlentilles L0. La couche de colle 19' peut également être déposée sur les couches 31 à 33 afin d'assurer le 10 collage de la plaque de verre. Dans ce cas, toutes les couches formant le filtre peuvent ne pas être des colles. Egalement, une couche de colle 19' ou une couche de planéité quelconque (couche "planarisante") peut être déposée sous les couches 15 31 à 33 et une couche de colle 19' être déposée sur les couches 31 à 33. Dans une variante de réalisation, la couche 31 n'est pas polymérisée avant le dépôt de la couche 32 et la couche 32 n'est également pas 20 polymérisée avant le dépôt de la couche 33. Les matériaux polymères formant les couches sont alors prévus miscibles (il peut s'agir du même matériau avec des additifs différents, comme indiqué plus haut) de sorte que la couche finale obtenue 25 présente un gradient d'indice, c'est-à-dire un indice optique variant progressivement. Une étape de polymérisation finale est appliquée à l'ensemble des couches après leur dépôt. Si aucune couche de colle n'est ajoutée sur le filtre 30 multicouche pour fixer la plaque de verre, cette polymérisation est faite après montage de la plaque de verre de manière que la structure multicouche assure le collage de la plaque de verre. 2904144 13 Comme représenté sur la figure 5, une microplaquette d'imageur 101 selon l'invention, obtenue par découpe du wafer, se distingue de la microplaquette classique 100 représentée sur la 5 figure 2 par la présence des couches 31, 32, 33 formant filtre entre le silicium 15 et la microplaquette de verre 20. Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que le procédé selon l'invention est susceptible 10 de diverses applications et variantes de réalisation. Notamment le nombre de couches déposées pour former le filtre selon l'invention peut varier selon le filtre désiré (infrarouge, ultraviolet, etc..) et les matériaux polymères 15 utilisés, l'exemple des trois couches 31 à 33 décrit plus haut n'étant aucunement limitatif. Un filtre selon l'invention peut également ne comprendre qu'une seule couche, s'il est possible de réaliser une composition polymère offrant à 20 elle seule toutes les propriétés optiques visées. Le procédé selon l'invention permet ainsi de réaliser des modules de capture d'image embarqués dans des appareils portatifs tels téléphones mobiles, des appareils photographiques, des 25 caméras vidéo..., sans qu'il soit nécessaire d'agencer dans ces modules un filtre distinct des microplaquettes d'imageurs. De plus, bien que le procédé selon l'invention ait été décrit dans ce qui précède en 30 relation avec la fabrication d'un wafer de semi-conducteur comprenant une plaque de verre, un matériau transparent autre que du verre peut être utilisé, par exemple du plexiglas. Le procédé selon l'invention est par ailleurs 35 applicable à la réalisation de tous types de 2904144 14 filtres optiques sur wafer destinés à laisser passer un rayonnement électromagnétique, dans le visible, l'infrarouge, l'ultraviolet voire au-delà, où à filtrer une bande de fréquences étroite 5 ou large. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication de microplaquettes de semi-conducteur (100) comprenant chacune au moins un composant (10) implanté dans le semi-conducteur, comprenant . - une étape d'implantation collective de composants (10) sur une face avant d'un wafer de semi-conducteur (15'), et - une étape de fixation d'une plaque d'un matériau transparent (20') sur la face avant du wafer, caractérisé en ce que l'étape de fixation de la plaque de matériau transparent (20') est précédée d'une étape de dépôt, sur la face avant du wafer, d'au moins une couche (31, 32, 33) d'un matériau polymère formant un filtre optique. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape de fixation de la plaque de matériau transparent (20') est précédée d'une étape de dépôt, sur la face avant du wafer, de plusieurs couches (31, 32, 33) de matériau(x) polymère(s) formant ensemble un filtre optique multicouche. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel au moins la dernière couche (33) du filtre est une couche de colle assurant la fixation de la plaque de matériau transparent. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 30 3, dans lequel toute couche (31, 32, 33) formant le filtre est une couche de colle. 15 2904144 16 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, comprenant une étape consistant à recouvrir le filtre optique par une couche de colle (19) assurant la fixation de la plaque de matériau 5 transparent et n'intervenant pas dans la fonction de filtrage optique. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel le matériau polymère de chaque 10 couche (31, 32, 33) du filtre est choisi dans le groupe comprenant les résines photosensibles, les résines planarisantes et les colles. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15 6, dans lequel chaque couche du filtre est polymérisée avant le dépôt de la couche suivante. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel au moins une couche du filtre n'est 20 pas polymérisée avant le dépôt de la couche suivante, laquelle est miscible avec la couche non polymérisée, de manière à former une couche résultante à gradient d'indice qui est ensuite polymérisée. 25 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel au moins une couche du filtre optique est déposée par enduction centrifuge. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant une étape de découpe du wafer en microplaquettes individuelles. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 35 à 10, dans lequel l'étape d'implantation de 2904144 17 composants sur une face du wafer comprend l'implantation d'imageurs (10) destinés à capter des images par l'intermédiaire de la plaque de matériau transparent (20') et du filtre optique 5 (31, 32, 33). 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel la plaque de matériau transparent (20') est en verre. 10 13. Imageur (101) implanté sur une microplaquette de semi-conducteur (15), comprenant une microplaquette de matériau transparent (20) solidaire de la microplaquette de semi-conducteur 15 et par l'intermédiaire de laquelle l'imageur reçoit des images à capter, caractérisé en ce qu'il comprend, entre la microplaquette de semi-conducteur (15) et la microplaquette de matériau transparent (20), au moins une couche (31, 32, 33) 20 de matériau polymère formant un filtre optique. 14. Imageur selon la revendication 13, comprenant entre la microplaquette de semi-conducteur et la microplaquette de matériau 25 transparent (20) plusieurs couches (31, 32, 33) de matériau(x) polymère(s) formant ensemble un filtre optique multicouche. 15. Imageur selon l'une des revendications 13 30 et 14, dans lequel le filtre optique est recouvert par une couche de colle (19) assurant la fixation de la plaque de matériau transparent et n'intervenant pas dans la fonction de filtrage optique. 2904144 18 16. Imageur selon l'une des revendications 13 et 14, dans lequel la dernière couche de matériau polymère (33) du filtre optique est une couche de colle assurant la fixation de la plaque de 5 matériau transparent. 17. Imageur selon l'une des revendications 13, 14 et 16, dans lequel toute couche de matériau polymère (31, 32, 33) formant le filtre optique 10 multicouche est une couche de colle. 18. Imageur selon l'une des revendications 13 à 17, dans lequel toute couche du filtre optique est formée par un matériau appartenant au groupe 15 comprenant les résines photosensibles, les résines planarisantes et les colles. 19. Imageur selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel le filtre optique présente un 20 indice optique gradué. 20. Imageur selon l'une des revendications 13 à 18, dans lequel le filtre optique multicouche présente un gradient d'indice optique. 21. Imageur selon l'une des revendications 13 à 20, dans lequel la microplaquette de matériau transparent est en verre. 30 22. Appareil portatif, caractérisé en ce qu'il comprend un module photographique ou vidéo équipé d'un imageur selon l'une des revendications 13 à 21. 25