图像传感器及其制作方法与流程

1.本发明属于集成电路制造技术领域，具体涉及一种图像传感器及其制作方法。


背景技术：

2.液晶是介于液体与固体之间的一种特殊物质形态。由于液晶分子具有双折射性、取向有序性和光电活性等特殊性质，因而它不仅在电子、光电显示领域有广泛的应用，还可以作为生物和化学领域中的信号转换元件。控制液晶分子排列是目前智能功能材料和器件发展的焦点，液晶对外加电场的响应这一特性已应用于许多显示设备。在外加电场的作用下，液晶分子长轴沿着电场方向取向，然而，在无外加电场条件下，液晶分子也可通过平行或垂直取向的分子层或其他诱导层来实现其定向取向。
3.利用液晶分子作为信号转换元件开发了很多生物液晶图像传感器，并将其应用于多种物质如：蛋白质、抗体、重金属离子、核酸、农药的检测。其基本原理是利用待测物在敏感膜表面的特异性识别反应(如抗原抗体反应)来扰乱液晶分子的有序排列，进而实现目标物的定性及定量分析。生物液晶图像传感器通过生物液晶池颜色的变化提供生物化学反应信息，在临床医学、食品检测和生物科学领域有广阔的应用前景。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种图像传感器，使用者采用加热或uv照射后,玻璃盖板即可轻易拨离,后再将抗体或抗原滴入生物液晶表层撷取图像传感器画面信号进行后端分析。
5.本发明提供一种图像传感器，包括：
6.半导体衬底，所述半导体衬底上形成有若干像素区；
7.框胶，所述框胶形成在所述半导体衬底上，所述框胶包括设置于所述半导体衬底周侧的周圈框胶和设置于所述周圈框胶内的若干反应圈框胶；
8.生物液晶，所述生物液晶至少填充在每个所述反应圈框胶内；所述生物液晶具有抗原或抗体修饰的液晶传感界面；
9.玻璃盖板，所述玻璃盖板与所述半导体衬底相对设置；
10.粘附层，所述粘附层将所述框胶与所述玻璃盖板粘附在一起；所述粘附层经加热或紫外线照射可解除粘附力。
11.进一步的，所述反应圈框胶包括若干间隔分布的第一反应圈框胶，所述第一反应圈框胶呈圆形环状。
12.进一步的，所述第一反应圈框胶内的所述生物液晶的直径尺寸为10μm～100μm。
13.进一步的，所述反应圈框胶包括若干连接的第二反应圈框胶，所述第二反应圈框胶呈n边形环状。
14.进一步的，所述生物液晶包括液晶层和覆盖于所述液晶层表面的抗体层或抗原层。
15.进一步的，所述抗体层包括羧基(cooh)经化学修饰后与所述液晶层产生化学接合。
16.进一步的，所述半导体衬底上方形成有微透镜阵列和平坦层，所述平坦层覆盖所述微透镜阵列，所述生物液晶和所述反应圈框胶形成在所述平坦层的表面，所述平坦层的折射率为1.2～1.5。
17.进一步的，所述半导体衬底与所述微透镜阵列之间形成有彩色滤光单元，所述彩色滤光单元包括红色滤光单元、绿色滤光单元和蓝色滤光单元。
18.进一步的，所述图像传感器还包括：第一偏光结构层，所述第一偏光结构层嵌入所述平坦层中且位于所述微透镜阵列的上方。
19.进一步的，所述半导体衬底与所述微透镜阵列之间形成有单色像素单元，所述图像传感器还包括：第二偏光结构层，所述第二偏光结构层设置在所述单色像素单元中。
20.进一步的，所述半导体衬底面向所述玻璃盖板的一侧表面周侧设置有第一电极。
21.进一步的，所述图像传感器还包括：第一绝缘层、第一再分布金属层和焊锡球；所述第一绝缘层覆盖所述半导体衬底远离所述玻璃盖板的一侧表面以及侧壁表面；所述第一再分布金属层沿所述第一绝缘层的侧壁表面分布并延伸至所述第一绝缘层的上表面和下表面；所述第一再分布金属层将所述第一电极引出至所述第一绝缘层远离所述半导体衬底的一侧表面；所述第一再分布金属层还包括间隔分布的第一焊盘，所述第一焊盘的表面形成有所述焊锡球。
22.进一步的，所述图像传感器还包括：第二绝缘层、第二再分布金属层和焊锡球；所述半导体衬底中形成有引出孔，所述引出孔的周圈侧壁以及所述半导体衬底远离所述玻璃盖板的一侧表面形成有所述第二绝缘层；所述第二再分布金属层通过所述引出孔将所述第一电极引出至所述第二绝缘层的表面；所述第二再分布金属层还包括间隔分布的第二焊盘，所述第二焊盘的表面形成有所述焊锡球。
23.本发明提供一种图像传感器的制作方法，包括：
24.提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有若干像素区；
25.形成框胶，所述框胶形成在所述半导体衬底上，所述框胶包括设置于所述半导体衬底周侧的周圈框胶和设置于所述周圈框胶内的若干反应圈框胶；
26.形成生物液晶，所述生物液晶至少填充在每个所述反应圈框胶内；所述生物液晶具有抗原或抗体修饰的液晶传感界面；
27.提供玻璃盖板，所述玻璃盖板与所述半导体衬底相对设置；
28.将所述框胶与所述玻璃盖板通过粘附层粘附在一起；所述粘附层经加热或紫外线照射可解除粘附力。
29.进一步的，通过光刻工艺或丝印工艺形成所述框胶。
30.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
31.本发明提供一种图像传感器及其制作方法，包括：半导体衬底，半导体衬底上形成有若干像素区；框胶，框胶形成在半导体衬底上，框胶包括设置于半导体衬底周侧的周圈框胶，和设置于周圈框胶内的若干反应圈框胶；生物液晶，生物液晶至少填充在每个反应圈框胶内；生物液晶具有抗原或抗体修饰的液晶传感界面；玻璃盖板，玻璃盖板与半导体衬底相对设置；粘附层，粘附层将框胶与玻璃盖板粘附在一起；粘附层经加热或紫外线照射可解除
粘附力。本发明结合免疫反应的特异性、液晶取向排列技术和图像处理技术制成图像传感器。使用者采用加热或uv照射后,玻璃盖板即可轻易拨离,后再将抗体或抗原滴入生物液晶表层撷取图像传感器画面信号进行后端分析。
附图说明
32.图1为本发明一实施例的图像传感器形成框胶后的示意图。
33.图2为本发明一实施例的图像传感器的第一示例的俯视图。
34.图3为本发明一实施例的图像传感器的第二示例的俯视图。
35.图4为本发明一实施例的图像传感器形成玻璃盖板后的示意图。
36.图5为本发明一实施例的图像传感器平坦层内部示意图。
37.图6为本发明一实施例的图像传感器不含偏光结构层的示意图。
38.图7为本发明一实施例的图像传感器含第一偏光结构层的示意图。
39.图8为本发明一实施例的图像传感器含第二偏光结构层的示意图。
40.图9为本发明一实施例的图像传感器将信号引至电路板的示意图。
41.图10为本发明另一实施例的图像传感器示意图。
42.图11为本发明实施例的图像传感器形成方法流程示意图。
43.其中，附图标记如下：
44.100-半导体衬底；110-框胶；110a-第一反应圈框胶；110b-周圈框胶；110c-第二反应圈框胶；120-生物液晶；121-液晶层；122-抗体层；131-第一电极；132-第一绝缘层；133-第一再分布金属层；133a-第一焊盘；134-第一钝化层；135-焊锡球；
45.102-半导体衬底；136-第二绝缘层；137-第二再分布金属层；137a-第二焊盘；138-第二钝化层；141-平坦层；142-微透镜阵列；143-彩色滤光单元；143a-蓝色滤光单元；143b-绿色滤光单元；143c-红色滤光单元；144-第一偏光结构层；145-第二偏光结构层；146-单色像素单元；150-第三焊盘；160-电路板；161-第四焊盘；162-接插件；200-玻璃盖板；300-粘附层。
具体实施方式
46.基于上述研究，本发明实施例提供了一种图像传感器。以下结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
47.为了便于描述，本技术一些实施例可以使用诸如“在
…
上方”、“在
…
之下”、“顶部”、“下方”等空间相对术语，以描述如实施例各附图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件之间的关系。应当理解的是，除了附图中描述的方位之外，空间相对术语还旨在包括装置在使用或操作中的不同方位。例如若附图中的装置被翻转，则被描述为在其它元件或部件“下方”或“之下”的元件或部件，随后将被定位为在其它元件或部件“上方”或“之上”。下文中的术语“第一”、“第二”、等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。
48.本发明实施例提供了一种图像传感器，包括：
49.半导体衬底，半导体衬底上形成有若干像素区；
50.框胶，框胶形成在半导体衬底上，框胶包括设置于半导体衬底周侧的周圈框胶和设置于周圈框胶内的若干反应圈框胶；
51.生物液晶，生物液晶至少填充在每个反应圈框胶内；生物液晶具有抗原或抗体修饰的液晶传感界面；
52.玻璃盖板，玻璃盖板与半导体衬底相对设置；
53.粘附层，粘附层将框胶与玻璃盖板粘附在一起；粘附层经加热或紫外线照射解除粘附力。
54.下面结合图1至图9详细介绍本发明一实施例的图像传感器。
55.如图1至图5所示，图像传感器包括：半导体衬底100、框胶110、生物液晶120、玻璃盖板200和粘附层300。具体的，半导体衬底100由适合于半导体装置的任何半导体材料(诸如si、sic、sige等)制成。半导体衬底100面向玻璃盖板200的一侧形成有像素阵列，像素阵列包括排列成多列和多行的多个像素。具体的，半导体衬底100上形成有若干显示单元，显示单元包括像素阵列。每个显示单元均包括：多条扫描线、多条数据线、多个有源器件(如薄膜晶体管)，有源器件与像素阵列的像素电极电连接。半导体衬底100表面依次可形成有彩色滤光单元143、微透镜阵列142和平坦层141，入射光通过微透镜阵列142和滤光单元143进入像素单元。
56.框胶110形成在半导体衬底100上，框胶100包括设置于半导体衬底100周侧的周圈框胶110b和设置于周圈框胶110b内的若干第一反应圈框胶110a。示例性的，若干第一反应圈框胶110a为间隔分布的圆形环结构。若干第一反应圈框胶110a可形成在平坦层141的表面。周圈框胶110b例如呈方形环，周圈框胶110b的环形内圈可少部分覆盖平坦层141。框胶110可通过光刻工艺或丝印工艺形成。半导体衬底100上位于周圈框胶110b外围的区域可设置有第三焊盘150，用于图像传感器信号的引出。
57.生物液晶120可包括液晶层121和覆盖于液晶层121表面的抗体层122或抗原层。液晶层121以典型的双苯环分子ch3(ch2)4c6h4c6h4cn(简称5cb)为例，5cb是一种棒状液晶的分子，长度约2nm、宽约0.5nm，具有独特光学异向性。棒状液晶分子可用于液晶显示，液晶分子棒状结构的特性使其沿分子长轴方向光的折射率与垂直长轴方向光的折射率并不相等，液晶折射率上的各向异性产生入射光的双折射，导致入射偏振光的偏振状态和偏振方向发生变化。
58.示例性的，在第一反应圈框胶110a内和相邻的第一反应圈框胶110a之间，可先喷墨滴定液晶层121(例如5cb)，再在液晶层121的表面喷墨滴定抗体层122。通过偏光显微镜观察可知，视野为暗区，锥光下有黑十字消光，液晶层121(例如5cb)在液晶盒内是垂直排列的。生物液晶120还可包括dmoap，dmoap(n，n-二甲基-n-十八烷基-3-氨丙基三甲氧基甲硅烷)能有效地诱导液晶层121(例如5cb)液晶分子垂直排列，具有液晶感测层的图像传感器，可应用于生物医药领域，提供最佳光学适配。
59.生物液晶120进行抗体功能化修饰后，使其仅对预先指定的抗原敏感；或者，生物液晶120进行抗原功能化修饰后，使其仅对预先指定的抗体敏感；抗体与抗原结合过程中势必拉扯到液晶层121(例如5cb)液晶化学分子,故产生光折射变化。在偏光显微镜下的检测液晶的光信号，是一种可扩展灵敏度的技术,是对生医检测很重要技术一环。
60.免疫物质(如抗体、抗原)的分析检测对于临床诊断、医学基础研究具有重要的意义。对抗原和抗体进行特殊标记是免疫检测技术的关键。液晶为物质第四态，其分子排列有取向序(具有光学各向异性)，而无位置序(具有流动性)。这种中间相使得液晶介于固态晶体和各向同性液体之间，由于液晶这种兼具液体与晶体的性质使得液晶材料具有对物理、化学以及生物刺激反应极其敏感(非常容易引起液晶内分子取向的变化，造成指向失紊乱)和光学信号的放大作用(与晶体相比在相同刺激下更易引起光的折射率等光学参数的变化)，所以非常适合用于生物分子的检测。根据液晶分子排列结构分为三大类：近晶相、向列相和胆甾相。其中近晶相的棒状分子按分子长轴方向互相平行，分层排列，分子只能在层内转动或滑动，不能在层间移动。向列相的棒状分子按分子长轴方向互相平行交错排列，分子可以转动，可以上下滑动，流动性好，是用于显示的主要类型。
61.本发明结合免疫反应的特异性、液晶取向排列技术和图像处理技术制成图像传感器。抗原例如细菌、霉菌和病毒。抗体，该化学成分结构有其特性，化学成分结构有记忆性，具随时抓取相对应的抗原。抗体层122中的抗体尾部通常为羧基(cooh)经化学修饰后可与液晶层121(例如5cb)产生化学接合,故抗体层122能接合了液晶层121。
62.抗体层122可通过喷墨滴定在液晶层121上，液晶层121(例如5cb)在液晶盒(即第一反应圈框胶110a)内是垂直排列的，这种取向造成正交偏振光不能透过液晶盒，从而在出射光处形成一幅全黑的图像。当外来抗原与抗体层122中的抗体发生免疫反应引起原先为整齐均一取向的液晶分子发生取向改变(液晶取向发生紊乱)，造成液晶取向变化的区域偏振光通过液晶盒，从而在出射光处形成一幅有亮斑分布的的图像，代表偏振光通过量的亮斑大小及数量与抗原浓度呈正相关。偏振光通过量的大小采用图像加权平均灰度值表征，利用图像加权平均灰度值定量分析抗原的浓度。
63.由于抗原与抗体的特异性结合会导致图像传感器上液晶取向发生改变，可以观察到第一反应圈框胶110a中的液晶图像发生从“暗”到“亮”的变化，从而检测抗原或抗体。检测时只需将待测样品加入第一反应圈挡墙内的生物液晶120并置于正交偏光条件下采集图像，测量步骤简单。生物液晶120具有特殊的光学放大效应，响应灵敏度高。采用图像加权平均灰度值定量待测物浓度，无须额外的光学检测设备。
64.生物液晶120至少填充在每个第一反应圈框胶110a内；生物液晶120具有抗原或抗体修饰的液晶传感界面。一个第一反应圈框胶110a内的生物液晶构成一个液晶反应圈，作为一个检测单元。若干第一反应圈框胶110a内的生物液晶构成液晶反应圈池。第一反应圈框胶110a将生物液晶120分割成若干个反应圈。
65.图像传感器包括若干液晶反应圈,每个液晶反应圈的直径尺寸约10μm～100μm,反应圈池形状可为圆形或蜂巢状。如图2所示，在一示例中，液晶反应圈池可包括若干间隔的圆形液晶反应圈，第一反应圈框胶110a为圆环形状。如图3所示，在另一示例中，液晶反应圈池可包括蜂巢状的若干连接的n边形液晶反应圈，第二反应圈框胶110c为连接的n边形环，n例如可为4、5、6或8中的任意一个数。
66.图像传感器包括玻璃盖板200和粘附层300，玻璃盖板200与半导体衬底100相对设置。粘附层300将框胶110与玻璃盖板200粘附在一起。位于第一反应圈框胶110a内的生物液晶120的顶面低于周圈框胶110b的顶面，如此一来，第一反应圈框胶110a内的生物液晶120的顶面不与粘附层300粘连，后续玻璃盖板200从框胶110上移除时粘附层300不粘连生物液
晶120，不影响生物液晶120。
67.半导体衬底100面向玻璃盖板200的一侧表面周侧设置有第一电极131，第一电极131用于将电信号引出与外围器件电连接。周圈框胶110b覆盖第一电极131。
68.在一实施例中，图像传感器还包括：第一绝缘层132、第一再分布金属层133、第一钝化层134和焊锡球135。第一绝缘层132覆盖半导体衬底100远离玻璃盖板200的一侧表面以及侧壁表面。第一再分布金属层133沿第一绝缘层132的侧壁表面分布并延伸至第一绝缘层132的上表面和下表面。第一再分布金属层133将第一电极131引出至第一绝缘层132远离半导体衬底100的一侧表面。第一再分布金属层133还包括间隔分布的第一焊盘133a，间隔分布的第一焊盘133a设置在第一绝缘层132远离半导体衬底100的一侧表面。在垂直于半导体衬底100的上下表面的截面上，半导体衬底100呈倒梯形或矩形。第一钝化层134覆盖第一再分布金属层133暴露出焊锡球135。
69.粘附层300经紫外线(uv)照射或产品制程结束外的加热(例如采用雷射瞬间高温照射)解除粘附力，主要照射或加热周圈框胶110b与玻璃盖板200之间的粘附层300，使玻璃盖板200可从框胶110上移除。应当注意，产品制程结束外的加热温度应低于焊锡球135的熔点。
70.图6示出了图像传感器不含偏光结构层的情形。图像传感器中还可形成有偏光结构层，在一示例中，如图7所示，半导体衬底100表面依次可形成有彩色滤光单元143、微透镜阵列142和平坦层141，第一偏光结构层144嵌入平坦层141中且位于微透镜阵列142的上方。微透镜阵列142位于彩色滤光单元143的上方。在另一示例中，如图8所示，半导体衬底100表面设置有单色像素单元146，单色像素单元146不需要滤光单元，第二偏光结构层145设置在单色像素单元146中，第二偏光结构层145位于半导体衬底100表面和微透镜阵列142之间。平坦层141覆盖微透镜阵列142表面，将微透镜阵列142波浪起伏的表面调整为平整表面，以便在平坦层141平整表面更好的形成生物液晶120。平坦层141的折射率n例如为1.2～1.5，更好的匹配光学性能。
71.图4所示的图像传感器可为图像传感器晶圆划片(切割)后的单个图像传感器芯片的示意图。图像传感器按晶圆级别加工制作后，划片得到单个的图像传感器芯片。如图9所示，单个的图像传感器芯片可根据需要，将信号引出。例如将图像传感器焊接于电路板160上，图像传感器的焊锡球135分别与电路板160上的第四焊盘161电连接。第四焊盘161的信号通过电路板160上的金属引线引出至接插件162的针脚上。例如将图像传感器的输入信号(电源正、电源负)和输出信号(输出正、输出负)引出到接插件162的针脚上。
72.在另一实施例中，如图10所示，图像传感器还包括：第二绝缘层136、第二再分布金属层137、第二钝化层138和焊锡球135。半导体衬底102中形成有引出孔，引出孔可位于周圈框胶110b的下方。引出孔贯穿半导体衬底102，在引出孔的周圈侧壁以及半导体衬底102远离玻璃盖板200的一侧表面形成有第二绝缘层136。第二再分布金属层137包括引线电极和间隔分布的第二焊盘137a，引线电极将第一电极131引出至第二绝缘层136远离半导体衬底102的一侧表面。引线电极形成在引出孔中，填充引出孔中的第二绝缘层136形成的空腔并延伸直半导体衬底102的上表面和第二绝缘层136的下表面。间隔分布的第二焊盘137a设置在第二绝缘层136远离半导体衬底102的一侧表面。第二焊盘137a表面可形成有焊锡球135。在垂直于半导体衬底102的上下表面的截面上，半导体衬底102呈倒梯形或矩形。
73.本发明还提供一种图像传感器的制作方法，如图11所示，包括：
74.步骤s1、提供半导体衬底，半导体衬底上形成有若干像素区；
75.步骤s2、形成框胶，框胶形成在半导体衬底上，框胶包括设置于半导体衬底周侧的周圈框胶和设置于周圈框胶内的若干反应圈框胶；
76.步骤s3、形成生物液晶，生物液晶至少填充在每个反应圈框胶内；生物液晶具有抗原或抗体修饰的液晶传感界面；
77.步骤s4、提供玻璃盖板，玻璃盖板与半导体衬底相对设置；
78.步骤s5、将框胶与玻璃盖板通过粘附层粘附在一起；粘附层经加热或紫外线照射可解除粘附力。
79.通过光刻工艺或丝印工艺形成框胶。粘附层300经紫外线(uv)照射或产品制程结束外的加热(例如采用雷射瞬间高温照射)解除粘附力，使玻璃盖板200可从框胶110上移除。应当注意，产品制程结束外的加热温度应低于焊锡球135的熔点。使用者(用户)采用加热或uv照射后,玻璃盖板200即可轻易拨离,后再将抗体或抗原滴入生物液晶120表层撷取图像传感器画面信号进行后端分析。
80.综上，本发明提供一种图像传感器及其制作方法，包括：半导体衬底，半导体衬底上形成有若干像素区；框胶，框胶形成在半导体衬底上，框胶包括设置于半导体衬底周侧的周圈框胶，和设置于周圈框胶内的若干反应圈框胶；生物液晶，生物液晶至少填充在每个反应圈框胶内；生物液晶具有抗原或抗体修饰的液晶传感界面；玻璃盖板，玻璃盖板与半导体衬底相对设置；粘附层，粘附层将框胶与玻璃盖板粘附在一起；粘附层经加热或紫外线照射可解除粘附力。本发明结合免疫反应的特异性、液晶取向排列技术和图像处理技术。使用者采用加热或uv照射后,玻璃盖板即可轻易拨离,后再将抗体或抗原滴入生物液晶表层撷取图像传感器画面信号进行后端分析。
81.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于与实施例公开的器件相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
82.上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明权利范围的任何限定，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。