CN101069107A

CN101069107A - 无间隙微透镜阵列及其制造方法

Info

Publication number: CN101069107A
Application number: CNA2005800414523A
Authority: CN
Inventors: 乌尔里希·C·伯蒂格; 李劲
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Aptina Imaging Corp
Priority date: 2004-12-03
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2025-11-29
Also published as: KR100947717B1; TWI299576B; CN101069107B; KR20070086918A; WO2006060298A2; JP2008522245A; US20060119950A1; TW200627655A; EP1828815A2; WO2006060298A3; US7307788B2

Abstract

本发明提供一种具有第一组球状微透镜和第二组球状微透镜的微透镜阵列。所述第二组球状微透镜位于所述第一组球状微透镜的个别微透镜之间的区域内，以此方式使得整个微透镜阵列上具有最小化间隙。基于半导体的成像器包括：像素阵列，其具有嵌入的像素单元，每一像素单元具有光传感器；和微透镜阵列，其具有刚才所述的球状微透镜。

Description

无间隙微透镜阵列及其制造方法

技术领域

本发明大体上涉及使用微透镜的基于半导体的成像器装置的领域，且更明确地说，涉及制造用于所述装置的微透镜阵列。

背景技术

在光电成像应用中已使用包括电荷耦合装置(CCD)和CMOS成像器的固态成像器。固态成像器电路包括像素单元的聚焦平面阵列，其中每一单元包括光传感器，所述光传感器可为光闸、光导体或具有积聚光产生的电荷的掺杂区域的光电二极管。将微透镜置放于成像器像素单元上以将光聚集到所述光传感器的初始电荷积聚区域上。

使用微透镜，通过从较大光收集区域收集光并将其聚焦到光传感器的较小的光敏区域上而大大改进了成像装置的光敏性。由于成像器阵列和像素的光敏区域的尺寸持续变小，所以提供能够将入射光线聚焦到像素单元的光敏区域上的微透镜变得愈加困难。此问题部分归因于在构造具有用于日益变小的成像器装置的最佳聚焦特性的微透镜方面难度增加。微透镜在制造期间的成形对优化微透镜的焦点来说较为重要。此又增加了下伏像素阵列的量子效率。较佳地利用球形微透镜形状将入射光聚焦到窄焦点上，这允许按需要减小光传感器的尺寸。然而，球形微透镜存在如下所述的不良间隙问题。

微透镜可通过减成法或加成法而形成。在加成法中，透镜材料形成于衬底上。透镜材料随后形成为微透镜。

在常规的加成微透镜制造过程中，中间材料以阵列沉积到衬底上并通过使用回流工艺而形成为微透镜阵列。每一微透镜形成为与相邻微透镜之间具有最小距离，通常不小于0.3微米。任何小于0.3微米的距离均可能使两个相邻微透镜在回流期间桥接。在已知工艺中，每一微透镜作为周围具有间隙的单一正方形而在材料层中图案化。在对所述图案化的正方形微透镜材料进行回流期间，凝胶滴受到表面张力与重力的力平衡的作用而形成局部球形形状。微透镜接着以此形状硬化。如果两个相邻凝胶滴之间的间隙过窄，那么其可能接触并融合或桥接为一个更大的滴。桥接会改变透镜的形状，这导致焦距改变，或更确切地说，导致聚焦范围中能量分布改变。在聚焦范围中能量分布的改变会导致像素的量子效率损耗且像素之间的串扰增强。另一方面，如果制造期间间隙过宽，那么所述间隙允许未经聚焦的光子穿过微透镜阵列中的空间，从而导致量子效率更低且相邻像素单元的各个光传感器之间的串扰增加。

因此，需要形成一种具有较小焦点的微透镜阵列以增加相关联的光传感器的量子效率。还需要形成一种微透镜之间具有最小化间隙而在微透镜制造回流工艺期间不引起桥接的微透镜阵列。

发明内容

本发明的示范性实施例提供一种用于成像器的改进的微透镜阵列。

在一个示范性微透镜实施例中，微透镜阵列包括由各自不同的微透镜材料层形成的第一和第二组球状微透镜。第二组球状微透镜位于第一组的个别微透镜之间的区域中，以此方式使得整个微透镜阵列上微透镜之间具有最小化间隙。

本发明的基于半导体的成像器示范性实施例包括像素阵列和微透镜阵列。像素阵列具有嵌入的像素单元，每一像素单元具有光传感器。微透镜阵列具有球状微透镜，所述球状微透镜具有第一和第二组微透镜，其中第二组微透镜与第一组微透镜重叠以使所述阵列整个表面面积上透镜之间的间隙最小化。所述微透镜阵列通过使用非常窄的焦点将光聚焦到像素阵列的光传感器上。

一种制造微透镜阵列的示范性方法包括在衬底上形成第一组间隔开的球状微透镜；和在第一组微透镜未占用的空间内形成第二组球状微透镜。所述方法使微透镜阵列的总间隙最小化，同时减少了在制造期间相邻透镜的潜在的桥接效应或融合。

附图说明

从下文参看附图提供的以下具体实施方式中将更容易理解本发明的以上和其它优点及特征，附图中：

图1A是根据本发明的示范性实施例包括微透镜阵列的成像器装置的一部分的横截面图；

图1B是根据本发明的示范性实施例的微透镜阵列的成角度的俯视图；

图2A是说明根据示范性制造方法在初始制造阶段期间微透镜阵列的俯视图；

图2B是说明根据示范性制造方法在初始制造阶段期间微透镜阵列的横截面图；

图3A是说明在图2A所示的制造阶段之后的制造阶段期间微透镜阵列的俯视图；

图3B是说明在图2B所示的制造阶段之后的制造阶段期间微透镜阵列的横截面图；

图4A是说明在图3A所示的制造阶段之后的制造阶段期间微透镜阵列的俯视图；

图4B是说明在图3B所示的制造阶段之后的制造阶段期间微透镜阵列的横截面图；

图5A是说明在图4A所示的制造阶段之后的制造阶段期间微透镜阵列的俯视图；

图5B是说明在图4B所示的制造阶段之后的制造阶段期间微透镜阵列的横截面图；

图6展示具有根据本发明的示范性实施例构造的微透镜阵列的成像器的方框图；和

图7展示并入有包括根据本发明实施例构造的微透镜阵列的至少一个成像装置的处理器系统。

具体实施方式

在以下详细描述中，参看附图，附图构成本文的一部分并以说明方式展示可实践本发明的特定实施例。对这些实施例进行充分详细地描述以使所属领域的技术人员能够实践本发明，且应了解，可利用其它实施例，并可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出结构、逻辑和电性方面的变化。所述处理步骤的进程例示本发明的实施例；然而，步骤的次序不限于本文所陈述的次序，且除了必须按特定次序进行的步骤外，可如此项技术中已知那样来改变步骤的次序。

应了解，本文使用的术语“晶片”或“衬底”包括硅技术、绝缘体上硅(silicon-on-insulator，SOI)技术或蓝宝石上硅(silicon-on-sapphire，SOS)技术、掺杂半导体和非掺杂半导体、由基底半导体基础(base semiconductor foundation)支撑的外延硅层，和其它半导体结构。此外，当以下描述中提及“晶片”或“衬底”时，可能已利用先前的处理步骤在基底半导体结构或基础中或其上形成区域、结或材料层。另外，所述半导体无需为基于硅的，而是可基于硅锗、锗、砷化镓或其它半导体。

本文使用的术语“像素”是指含有光传感器装置和用于将光子转换为电信号的相关联的结构的光电元件单胞。出于说明的目的，本文的图和描述中说明单个代表性的三色像素及其形成方式；然而，通常同时进行多个类似像素的制造。因此，不应在限定意义上理解以下详细描述，且本发明的范围仅由所附权利要求书界定。

本文使用的术语“球面”、“球形”、“球状”意在指称具有近似球形形状或在几何形状上类似球面的对象。所述术语并不意味着排除形状为不完美球形的对象，而是应解释为包含具有近似球面曲率的微透镜。类似地，术语“大体上无间隙”不仅意在包括个别微透镜之间具有零间隙的微透镜阵列，而且意在更广泛地包含微透镜间大体上无间隙的微透镜阵列。举例来说，认为约3％或3％以下表面面积为未由微透镜覆盖的空间(即，3％或3％以下的间隙)的微透镜阵列是大体上无间隙的，且在本发明的范围内。在根据本发明的大体上无间隙的微透镜阵列的优选实施例中，总表面面积的2％以下为间隙。

最后，当参考基于半导体的成像器(例如，CMOS成像器)描述本发明时，应理解，本发明可应用于要求高质量微透镜以达到最佳性能的任何微电子装置或微光学装置中。其它可采用本发明的示范性微光学装置包括CCD成像器和显示装置。

现参看各图，其中相似数字表示相似元件，图1A说明基于半导体的成像器134(例如，CMOS成像器)的一部分。成像器134包括微透镜阵列110，所述微透镜阵列110具有形成于接收表面120上的第一组微透镜101和第二组微透镜102。在微透镜阵列110下方为彩色滤光片阵列124、光屏蔽层126、至少一个也可包含金属导线互连(未图示)的ILD层127，和嵌入晶片132内的像素单元130。如此项技术中已知，额外层(例如，额外的BPSG层和ILD层)也可为成像器134的一部分。每一像素单元130包括晶体管129和光传感器128，所述光传感器128可为包括(但不限于)光闸或光电二极管的任何类型的光传感器。每一微透镜101、102与将光119聚焦到一个相关联的光传感器128上有关。尽管图1A和1B中展示第一组微透镜101和第二组微透镜102具有相同曲率和尺寸，但本发明并不限于此。也就是说，这些特性在第一组101与第二组102之间也可能不同，以使其可具有不同的曲率和/或不同的直径。

应了解，第二组微透镜102与相邻的第一组微透镜101的重叠减少了以上所讨论的间隙问题。如图1B所示，每一微透镜与四个其它相邻微透镜邻接以使得间隙150在微透镜阵列110上的面积最小。另外，微透镜101、102具有球形形状，即使当入射光119以角度α照射微透镜101时，所述球形形状也可将入射光119聚焦到光传感器128上的窄焦点115上。

参看图2A-5B，现描述制造大体上无间隙的微透镜阵列110的示范性方法。参看图2A-B，制造微透镜阵列110的第一步骤涉及将第一微透镜材料201沉积到接收表面120(图1A)上。任何已知的微透镜材料均可用于此步骤，且本发明决不限于所选择的微透镜材料的类型。示范性微透镜材料为例如日本合成橡胶公司(Japan Synthetic RubberCompany)制造的MFR-401光致抗蚀剂。使用第一圆形透镜图案200沉积微透镜材料201。第一透镜图案200为重复的材料环组成的棋盘形图案，所述材料环排列成行与列，在微透镜材料之间留有空间D。只要当回流发生时如下所讨论得到球形的透镜形状，也可将个别材料环形成为例如正方形的其它形状。在图案化步骤中，将具有预定厚度的微透镜材料201的薄膜涂覆于接收表面120上；使用适当掩模使材料201暴露；且继而溶解暴露的微透镜材料201(正抗蚀剂)或溶解未暴露的微透镜材料201(负抗蚀剂)。第一透镜图案200(或光掩模)通常是光掩模，其具有用于将均一的光场转换为空间上图案化光场的孔径光阑和孔径。通常，透镜图案200是大体上平坦的上面已蒸镀有铬图案的玻璃接收表面。铬图案界定将要透射到微透镜材料201的UV光场。所属领域的一般技术人员将了解，可使用其它类型的掩模(例如，可变透射掩模)。

如图2B中的横截面图所示，由于微透镜材料201在穿过一行材料环的平分线A-A′的方向上与相邻材料201相距距离D，所以在此阶段沉积的材料具有显着间隙。此时视所使用的抗蚀剂材料和所需的聚焦特性而定可能需要漂白步骤。通常通过将微透镜材料201暴露于紫外线(UV)辐射来执行漂白，紫外线(UV)辐射改变微透镜材料201的回流响应(reflow response)。微透镜材料201的漂白通常减少了材料201在随后的回流处理期间发生的熔化。因此，视需要，漂白可形成较少的具有较长焦距的圆形微透镜。可通过调整UV辐射程度、暴露时间和微透镜材料201回流前暴露于漂白辐射的部分而控制漂白步骤。可通过控制这些条件来利用漂白，而不显着影响形成的微透镜的球形形状。

接着，如图3B所示，第一微透镜材料201经受第一回流处理并固化以形成第一组微透镜101。通常，第一回流步骤在热板上进行，视所选择的微透镜材料201的类型而定，所述热板具有约150℃到约220℃范围内的均一温度。回流处理期间平衡力使微透镜材料201形成为球形形状的第一组微透镜。从俯视图(图3A)来看，固化步骤之后的布局并无差异。微透镜101仍然以圆形棋盘形图案存在于接收表面120上。此时，微透镜101为固态的，且不会受随后的制造步骤影响。

接着，如图4A-B所示，第二微透镜材料202沉积并图案化于接收表面120上，在第一微透镜101之间和其上的空间中。所述沉积和图案化步骤与参看图2A-B所讨论的步骤类似，只是使用具有棋盘形透镜图案210的第二光罩(reticle)来产生正方形材料元件而不是形成第一组微透镜101时所使用的圆形材料元件。第二微透镜材料202可能是或可能不是与第一微透镜材料201相同的材料，且可能具有与第一微透镜材料201相同或不同的厚度。如图5A所示，每一沉积的第二微透镜材料202与四个第一微透镜101的边缘接触并重叠。

此时，视所利用的第二微透镜材料202和第二组微透镜102的所需特性而定，可执行漂白步骤。如图5B所示，第二透镜材料202随后经回流和固化以在第一组微透镜101的相邻透镜之间的区域中形成第二组球状透镜102。回流条件可能与第一回流条件相同，或其视所选择的第二微透镜材料202的类型和第二组微透镜102的所需形状而定可能不同。

制造过程中的一个重要因素是，第二微透镜材料202的正方形沉积物不是沉积到平坦的表面上，而是部分置于现有第一组微透镜101的边缘上。这允许第二材料202的正方形沉积物在固化之后(图5B)形成球形第二组微透镜102，而不在相邻微透镜之间产生间隙。事实上，将第二透镜材料202沉积成邻接四个相邻的已优先硬化的第一微透镜101。此邻接允许形成大体上无间隙的微透镜阵列110，即，由于相邻微透镜之间的间隙面积最小化，所以总间隙面积少于或约等于整个微透镜阵列110面积的3％。另外，在两个阶段中形成透镜组101、102减少了以上讨论的桥接问题。明确地说，第二微透镜材料202在回流期间的流动不影响已形成的固态的第一组微透镜101，以使得在形成期间相邻透镜不会桥接。

对于某些成像器134应用，需要两组微透镜101、102具有不同的焦距或尺寸。举例来说，两组微透镜101、102可用于将入射光119(图1)聚焦到像素衬底130中的不同深度。在这些情况下，可调整所沉积的第二微透镜材料202的类型或厚度或调整回流条件以实现第一组微透镜101与第二组微透镜102之间的所需差异。

图6说明示范性成像装置300，其具有包括像素的像素阵列240和如上文参看图2A-5B所描述而构造的微透镜阵列110。行驱动器245响应于行地址解码器255而选择性地启动阵列240的行线。列驱动器260和列地址解码器270也包括于成像装置300中。成像装置300由控制地址解码器270、255的计时和控制电路250操作。控制电路250还控制行驱动器电路与列驱动器电路245、260。

与列驱动器260相关联的取样保持电路261读取用于阵列240的选定像素的像素重设信号Vrst和像素图像信号Vsig。微分放大器262为每一像素产生微分信号(Vrst-Vsig)，且所述微分信号(Vrst-Vsig)由模拟-数字转换器275(ADC)数字化。模拟-数字转换器275将经数字化的像素信号供应到形成数字图像的图像处理器280。

图7展示系统1100，其是典型的处理器系统，经修改以包括本发明的成像装置300(图6)。系统1100是具有可包括图像传感器装置的数字电路的示范性系统。此系统并非限制性的，其可包括计算机系统、静态或视频相机系统、扫描仪、机器视觉、视频电话，和自动聚焦系统，或其它成像器应用。

系统1100(例如，相机系统)通常包括中央处理单元(CPU)1102(例如，微处理器)，所述中央处理单元经由总线1104与输入/输出(I/O)装置1106通信。成像装置300也经由总线1104与CPU 1102通信。基于处理器的系统1100还包括随机存取存储器(RAM)1110，且可包括可移动存储器1115(例如，快闪存储器)，所述可移动存储器也经由总线1104与CPU 1102通信。成像装置300可与处理器(例如，CPU、数字信号处理器或微处理器)组合，其中在单个集成电路上或在与处理器不同的芯片上具有或不具有存储器存储。

虽然已结合现今已知的示范性实施例详细描述了本发明，但应容易了解，本发明并不限于这些揭示的实施例。事实上，本发明可经修改以并入有上文未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数目的变更、改变、替代或等效的配置。举例来说，本发明可用于用微透镜辐射光的显示装置中。因此，本发明不应视为受以上描述限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims

1.一种微透镜阵列，其包括：

由第一材料层形成的多个第一微透镜；和

由第二材料层形成的多个第二球状微透镜，且其经排列以使得所述第二球状微透镜的每一者与所述第一微透镜的至少四者邻接，使得所述微透镜阵列大体上无间隙。

2.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述多个第二微透镜的每一者具有与所述多个第一微透镜相同的直径。

3.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述多个第二微透镜的每一者具有与所述多个第一微透镜不同的直径。

4.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述多个第二微透镜的每一者具有与所述多个第一微透镜相同的焦距。

5.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述多个第二微透镜的每一者具有与所述多个第一微透镜不同的焦距。

6.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述第一材料层和所述第二材料层包含相同材料。

7.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述第一材料层和所述第二材料层包含不同材料。

8.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述多个第二微透镜的每一者具有与所述多个第一微透镜相同的厚度。

9.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述多个第二微透镜的每一者具有与所述多个第一微透镜的厚度不同的厚度。

10.根据权利要求1所述的微透镜阵列，其中所述多个第一微透镜的每一者为球状。

11.根据权利要求10所述的微透镜阵列，其中所述微透镜阵列表面面积的小于约2％未被第一微透镜或第二微透镜覆盖。

12.一种成像器，其包含：

像素阵列，其包括多个像素，每一像素具有嵌入在衬底中的光传感器；和

形成于所述像素阵列上的大体上无间隙的微透镜阵列，所述微透镜阵列包含：

形成于第一材料层中的多个第一球状微透镜；和

形成于第二材料层中的多个第二球状微透镜，且其经排列以使得所述第二球状微透镜的每一者与所述第一球状微透镜的至少四者邻接。

13.根据权利要求12所述的成像器，其中所述成像器是CMOS成像器。

14.根据权利要求12所述的成像器，其中所述成像器是CCD成像器。

15.根据权利要求12所述的成像器，其中所述光传感器包含光电二极管。

16.根据权利要求12所述的成像器，其中所述光传感器包含光闸。

17.根据权利要求12所述的成像器，其中所述多个第一微透镜具有与所述多个第二微透镜的焦距不同的焦距以将入射光聚焦在所述衬底中的不同深度处。

18.根据权利要求12所述的成像器，其中所述第一材料层和所述第二材料层包含相同材料。

19.根据权利要求12所述的成像器，其中所述微透镜阵列的小于2％的总表面面积为空隙，其未被第一球状微透镜或第二球状微透镜覆盖。

20.一种图像处理系统，其包含：

处理器；和

成像器，其连接到所述处理器，且包含：

衬底，其具有形成于其上的多个像素单元，每一像素单元具有光传感器；和

无间隙微透镜阵列，其形成于所述像素单元上且包括相邻微透镜之间几乎无空间的多个球状微透镜。

21.根据权利要求20所述的图像处理系统，其中所述成像器是CMOS成像器。

22.根据权利要求20所述的图像处理系统，其中所述成像器是CCD成像器。

23.根据权利要求20所述的图像处理系统，其中在相邻微透镜之间几乎无空间意味着所述微透镜阵列的小于约2％的总表面面积未被球状微透镜覆盖。

24.一种形成微透镜阵列的方法，其包含：

在衬底上形成第一透镜材料；

用第一形状图案来图案化所述第一透镜材料以形成第一回流前透镜阵列；

回流所述第一回流前阵列以形成第一组微透镜，所述第一组微透镜具有多个第一微透镜且在相邻第一微透镜之间具有多个空间；

在所述衬底上形成第二透镜材料；

使用第二形状图案来图案化所述第二透镜材料以在所述多个空间中形成第二回流前透镜阵列；和回流所述第二回流前阵列以形成第二组微透镜。

25.根据权利要求24所述的方法，其进一步包含漂白所述第一回流前阵列或所述第二回流前阵列。

26.根据权利要求24所述的方法，其中在不同回流条件下执行所述第一回流动作和所述第二回流动作。

27.根据权利要求24所述的方法，其中使用温度在约150℃到约200℃范围内的热板作为基底加热表面进行所述第一回流动作或所述第二回流动作。

28.根据权利要求24所述的方法，其中所述第一形状为圆形。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述第二形状为正方形。

30.一种形成微透镜阵列的方法，其包含：

在第一材料层中以重复图案形成第一多个球状微透镜，在任两个相邻第一微透镜之间留有空间；和

在第二材料层中形成第二多个球状微透镜，至少部分位于相邻第一微透镜之间的空间中，以形成大体上无间隙的微透镜阵列。

31.根据权利要求30所述的方法，其中形成所述第二多个微透镜包含将微透镜材料至少部分沉积于所述第一多个微透镜上。

32.根据权利要求31所述的方法，其中形成所述第二多个微透镜包含形成与所述第一多个微透镜中至少四个邻近微透镜邻接的每一第二微透镜。

33.根据权利要求31所述的方法，其中所述第一多个微透镜和所述第二多个微透镜具有近似相同的直径。

34.根据权利要求30所述的方法，其中所述第二多个微透镜具有与所述第一多个微透镜不同的直径。

35.根据权利要求30所述的方法，其中所述第一多个微透镜和所述第二多个微透镜由相同材料制成。

36.一种形成成像器的方法，其包含：

形成像素阵列，所述像素阵列包含衬底中的多个像素，每一像素具有光传感器；和

形成大体上无间隙的微透镜阵列，所述大体上无间隙的微透镜阵列包含多个球状微透镜，所述多个球状微透镜形成于所述像素阵列上使得每一球状微透镜位于所述阵列的一像素上以便将入射光聚焦于所述像素阵列中的相关联的光传感器上，并与所述阵列上的至少四个其它微透镜邻接。

37.根据权利要求36所述的方法，其中所述无间隙的微透镜阵列的小于约2％的表面面积未被微透镜覆盖。

38.根据权利要求36所述的方法，其中所述形成大体上无间隙的微透镜阵列的动作包含在第一材料层中形成多个第一球状微透镜并在第二材料层中形成多个第二球状微透镜。

39.根据权利要求38所述的方法，其中所述形成多个第一球状微透镜的动作包含使用圆形材料的重复图案将第一微透镜材料图案化为所述第一多个透镜。

40.根据权利要求39所述的方法，其中所述形成多个第二球状微透镜的动作包括使用正方形材料的重复图案将第二透镜材料图案化为所述第二多个透镜。