CN101106145A - 影像传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种影像传感器及其制造方法，该影像传感器包括改进的微透镜，用来应付倾斜入射光线或是不同光线要素等光学条件。影像传感器可以包括不同曲率半径的至少两个微透镜，也可以根据不同颜色的像素提供不同曲率半径的微透镜，还可包括至少一非对称的微透镜。该影像传感器的制造方法包括步骤：提供半成基底；在该半成基底上涂布光致抗蚀剂材料；使该光致抗蚀剂材料图形化成多个子单元，其中所述子单元包括至少第一子单元和第二子单元，该第一子单元和该第二子单元有不同的图案；回流该光致抗蚀剂材料，使该影像传感器中的该第一子单元和该第二子单元有不同的外形。本发明的影像传感器不仅可以补偿不同颜色的光，还可使倾斜入射的光线能较好地聚焦。
Description
技术领域
本发明涉及一种影像传感器。
背景技术
现今，数字影像元件已广泛地应用在许多电子产品中，它们使用在例如数字相机、数字录放机、具有照相功能的手机、安全保护监视器等电子产品中。
通常，一数字影像元件包括一影像传感器芯片，例如一电荷耦合元件(CCD)影像传感器芯片，或一互补金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器芯片。为能得到较好的光学特性，影像传感器芯片通常包括一层复合式微透镜，这样，入射光能更有效地集中于例如光二极管层的特定平面上，光二极管层接收光子，且由此产生电子信号。
图1所示的是一传统的影像传感器的剖面图。如图1所示，此结构包括一底层基底11、一光二极管层12、一内连线结构13(为简洁起见，在此仅显示一金属层，但其可包括多层金属层)、一钝化层14、一彩色滤光器15、一间隙壁层16和一微透镜层17。上述彩色滤光器包括多个红色(15R)、绿色(15G)和蓝色(图中未示出)部分，微透镜层包括多个微透镜171，以将入射光聚焦于光二极管层12和基底11间的界面。为了简化，在此省略微透镜层17上的层，例如镜片、封装和结合垫层等。
传统上，制造包括微透镜的影像传感器首先以一般的半导体制造步骤形成一包括层11～16的半成基底，再在层16上涂布一光致抗蚀剂层。接下来，依照掩模的图案对光致抗蚀剂层进行曝光和显影，以形成多个方型区块172，如图2所示。之后，进行一回流(reflow)步骤，换言之，此半成基底上的光致抗蚀剂层18进行超过摄氏150℃，10分钟的制造步骤，以使部分光致抗蚀剂层溶化。由于光致抗蚀剂材料具有黏性，溶化之后的光致抗蚀剂层会形成如图1所示的微透镜171结构，接着，使基底降温以形成呈固体型态的微透镜171。
上述传统的影像传感器具有下列缺点，微透镜171全部形成相同的曲率半径，然而，光线会投射于不同位置的微透镜，特别是中到大尺寸数字影像装置(具有百万像素或更多)的影像传感器可能有不同的入射角。更甚者，如图3所示，在外围区域，垂直地投射于微透镜中央区域的光线会以一倾斜角入射微透镜，从而产生垂直焦距偏移。另外，在外围区域的光点尺寸181并不符合要求，从而降低了影像传感器的敏感度。
美国专利第6,417,022号公开一种制造具有长焦距的微透镜的方法，由于金属层的数量增加，该方法处理的是厚金属层的总厚度，然而，在此专利中，芯片上所有的微透镜的曲率半径都相同，且此专利没有描述任何有关解决如上述图3所示传统影像传感器的缺点的方案。
因此，需要提供一具有较佳感光度的影像传感器，其中在不同位置的微透镜的曲率半径依不同光学的必要条件设计。
发明内容
鉴于以上所述的传统影像传感器的缺点，本发明提供一种改进的微透镜，以应付倾斜入射光线或不同光线要素等光学条件。
本发明提供一种影像传感器，该影像传感器包括至少两个具有不同曲率半径的微透镜。在一实施例中，上述至少两个微透镜包括一第一微透镜，该第一微透镜具有较小的曲率半径且位于影像传感器的中央区域，及一第二微透镜，该第二微透镜具有较大的曲率半径且位于影像传感器的外围区域。在另一实施例中，上述至少两个微透镜包括一第一微透镜，该第一微透镜具有较小的曲率半径且对应于一第一颜色，及一第二微透镜，该第二微透镜具有较大的曲率半径且对应于一第二颜色。
本发明提供一种影像传感器，该影像传感器包括至少一微透镜，该透镜沿着一平面具有非对称结构。
本发明提供一种影像传感器的制造方法，该制造方法包括下列步骤：首先提供一半成基底，在半成基底上涂布光致抗蚀剂材料。接着，将光致抗蚀剂材料图形化成多个子单元，其中所述子单元包括至少一第一子单元和一第二子单元，第一子单元和第二子单元具有不同的图案。然后，回流光致抗蚀剂材料，其中第一子单元和第二子单元具有不同的外形。
本发明提供一种影像传感器的制造方法，该制造方法包括下列步骤：首先提供一半成基底，在半成基底上涂布一光致抗蚀剂材料。接着，将光致抗蚀剂材料图形化成多个子单元，其中至少一子单元包括多个凹洞，所述凹洞沿着一平面非对称分布。然后，回流光致抗蚀剂材料，其中至少一子单元形成非对称的外形。
本发明提供的影像传感器及其制造方法不仅可以补偿不同颜色的光，还可以使倾斜入射的光线能较好地聚焦。
附图说明
图1所示为传统的影像传感器的剖面图；
图2所示为如何制作传统的影像传感器的微透镜剖面图；
图3所示为传统的影像传感器的一缺点，即外围区域因倾斜的光线而产生失焦的问题；
图4a和图4b所示为本发明第一较佳实施例的剖面图；
图4c所示为图4b的俯视图；
图5a～图5d所示为本发明第二实施例，其中图5a和图5b分别为同一影像传感器依不同剖开线的剖面图，图5c是沿着图5d的C-C线的剖面图。
图6a和图6b所示为本发明第三较佳实施例的剖面图；
图6c所示为图6b的俯视图；
图7a～图7c所示为倾斜的入射光经由非对称微透镜良好地聚焦于焦点平面上。
其中，附图标记说明如下：
11基底 12光二极管层
13内连线结构 14钝化层
15彩色滤光器 16间隙壁层
17微透镜层 18光致抗蚀剂层
21光致抗蚀剂层 31光致抗蚀剂层
41光致抗蚀剂层 171微透镜
172方型区块 181光点尺寸
201方形或是长方形结构 202方形或是长方形结构
211微透镜 212微透镜
232凹洞 301方形或是长方形结构
302方形或是长方形结构 303方形或是长方形结构
311微透镜 312微透镜
313微透镜 332凹洞
333凹洞 402方形或是长方形结构
412微透镜 432洞
具体实施方式
以下将根据较佳实施例和附图描述本发明，附图仅用来辅助说明，其长度和宽度并未严格根据比例进行绘制。
图4a和图4b为本发明第一较佳实施例的剖面图，图4c为图4b的俯视图，其中所述附图的左侧显示影像传感器结构的中央区域，而所述附图的右侧显示影像传感器结构的外围区域。请参照图4a，影像传感器中，位于中央区域的微透镜211的曲率半径小于外围区域的微透镜212的曲率半径。在本发明的较佳实施例中，中央区域的微透镜的曲率半径介于2.00～2.20微米，而外围区域的微透镜的曲率半径介于2.35～2.55微米。
为实现上述结构，可以在形成微透镜时，减少形成外围区域微透镜212的光致抗蚀剂材料的量，使其相对地比中央区域微透镜211的光致抗蚀剂材料有较少的光致抗蚀剂材料量。举例来说，请参照图4b和图4c，首先提供一半成基底，其包括层11-16；接着，在半成基底上涂布一光致抗蚀剂材料以形成光致抗蚀剂层21；在涂布光致抗蚀剂材料之后，以不同的图案对中央区域和外围区域进行曝光，之后进行显影；在曝光和显影之后，外围区域的光致抗蚀剂材料形成多个方形或是长方形结构202，所述方形或是长方形结构202包括以阵列排列的凹洞232。如本领域技术人员所熟知的，上述步骤可通过适当地设计曝光用的掩模来实现，而凹洞232用于减少每一方形或是长方形结构202的光致抗蚀剂材料的量。虽然所述附图中所示的凹洞232为一致的方形，且相互对准，但本发明不限于此。只要凹洞232的形状和排列可以达到减少光致抗蚀剂材料的体积的目的，所述凹洞232可以是任意的形状和排列。然而，若方形或是长方形结构202要形成具有对称结构的微透镜212，方形或是长方形结构202中的凹洞232较佳地以对称方式排列。
接下来，将包括显影后的方形结构或是长方形结构201、202的基底加热到超过150℃，以使方形结构或是长方形结构201、202融化，然后，将基底冷却，形成如图4a所示的微透镜211、212。
影像传感器由于有图4a所示的微透镜结构，照射至影像传感器外围区域的入射光能更佳地聚焦于焦点平面上，因此影像传感器可得到较佳的光学特性。
图5a～图5d所示的是本发明的第二实施例，除了在中央区域和外围区域分别提供不同曲率半径的微透镜外，也可以根据不同颜色的像素提供不同曲率半径的微透镜，以补偿不同波长的光。图5a和图5b分别为同一影像传感器沿不同剖开线的剖面图，该剖面图揭示红色、绿色和蓝色的像素，如图5a和图5b所示。红色像素上的微透镜有最小的曲率半径，绿色像素上的微透镜有次小的曲率半径，蓝色像素上的微透镜有最大的曲率半径。此微透镜可单独设置或是与第一实施例一并设置，换句话说，可使整个影像传感器中红色像素上的微透镜具有最小的曲率半径，或是中央区域的红色像素微透镜的曲率半径比外围区域的红色像素微透镜的曲率半径小。另外，绿色像素微透镜和蓝色像素微透镜也可以比照上述红色像素微透镜设置。在本发明的较佳实施例中，中央区域的红色像素微透镜的曲率半径约介于2.02～2.12微米，而外围区域的红色像素微透镜的曲率半径约介于2.37～2.47微米；中央区域的绿色像素微透镜的曲率半径约介于2.05～2.15微米，而外围区域的绿色像素微透镜的曲率半径约介于2.40～2.50微米；中央区域的蓝色像素微透镜的曲率半径约介于2.08～2.18微米，而外围区域的蓝色像素微透镜的曲率半径约介于2.45～2.55微米。红色像素微透镜的曲率半径较佳地比绿色像素微透镜的曲率半径小0.01至0.06微米，蓝色像素微透镜的曲率半径较佳地比绿色像素微透镜的曲率半径大0.01至0.06微米。
图5a和图5b的结构可采用以下方法形成。请参照图5c和图5d，其中图5c是沿着图5d中的C-C线的剖面图。首先，提供一包括层11～16的半成基底；然后，在半成基底上涂布一光致抗蚀剂材料层以形成一光致抗蚀剂层31；接着，对光致抗蚀剂层31进行曝光和显影以形成分别对应于红色、绿色和蓝色像素的多个方形或是长方形结构301、302和303。可通过适当地设计曝光掩模，使对应于蓝色像素的方形或是长方形结构303的凹洞总面积最大，使对应于绿色像素的方形或是长方形结构302的凹洞总面积次大，使对应于红色像素的方形或是长方形结构301没有凹洞(如图5d所示)或是凹洞总面积最小(图中未示出)。在所述附图的实施例中，方形或是长方形结构302、303分别有相同数目的凹洞332、333，而凹洞333大于凹洞332。然而，本发明不限于此，也可采用其它的设置，例如凹洞332、333的尺寸相同，但是方形或是长方形结构303的凹洞数目比方形或是长方形结构302的凹洞数目多。在比例上，必须是方形或是长方形结构303有最大的凹洞总面积，方形或是长方形结构302有次大的凹洞总面积，方形或是长方形结构301没有凹洞或是有最小的凹洞总面积。
接下来，将包括显影后的方形或是长方形结构301、302和303的基底加热到超过150℃，以使方形或是长方形结构301、302和303融化，然后，将基底冷却，形成如图5a和图5b中所示的微透镜311、312和313。
在本发明的较佳实施例中，即使得图5a和图5b所示的结构合并或是不合并第一实施例的技术，因为此结构可以补偿不同波长的光线，使不同的入射至影像传感器的入射光部分有较佳的聚焦，所以该结构本身即可为影像传感器提供较佳的光学表现。
图6a～图6c所示的是本发明的第三实施例。根据此实施例的技术，可通过非对称微透镜使倾斜的光线进行对准，而此种非对称微透镜可以设置在可能会接收到倾斜入射光的区域，例如外围区域。或者，若有需要，可使全部影像传感器都设置有非对称微透镜。
请参照图6a，微透镜412具有非对称的轮廓，例如沿着剖开线非对称，每一微透镜412左侧部分的曲率半径比右侧部分的曲率半径小，而此微透镜412从另一不同角度观察可以是对称的。此非对称微透镜结构使倾斜的入射光能更佳地聚焦。请参照图7a和图7b，一对称微透镜可使垂直的入射光有良好的对焦(光线1，2，3，4，5可聚焦于同一点)，但无法使倾斜的入射光有良好的对焦(光线1，2，3，4，5无法聚焦于同一点)。然而，如图7c所示，从左侧倾斜的入射光可经由非对称微透镜412良好地聚焦于焦点平面上(光线1，2，3，4，5可聚焦于同一点)。
以下描述形成此非对称微透镜的制造方法。请参照图6b和图6c，其中图6c是图6b的俯视图。首先，提供一包括层11～16的半成基底；然后，在半成基底上涂布一光致抗蚀剂材料层以形成一光致抗蚀剂层41；接着，对光致抗蚀剂层41进行曝光和显影以形成多个方形或是长方形结构402。如图6c所示，在此实施例中，每一方形或是长方形结构包括一些阵列凹洞432，其中每一方形或是长方形结构402右侧部分的凹洞432较密集。然而，本发明也可采用其它方法，例如，在方形或是长方形结构402的右侧部分提供较大的凹洞。在此实施例中，方形或是长方形结构402的光致抗蚀剂材料必须有不规则的分布，方形或是长方形结构402的具有较少光致抗蚀剂材料的部分会形成具有较大曲率半径的透镜。
接下来，将包括显影后的方形或是长方形结构402的基底加热到超过150℃，以使方形或是长方形结构402融化，然后将基底冷却，形成如图6a所示的微透镜412。
本发明第三实施例的技术可单独运用，或是与第一实施例和/或第二实施例合并使用。如上所述，非对称微透镜可帮助倾斜光线有较佳的聚焦。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而其并非用以限定本发明。本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，可以作一些改动与修改。因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (13)
1.一种影像传感器，包括：
至少两个有不同曲率半径的微透镜。
2.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述至少两个微透镜包括：
一第一微透镜，具有较小的曲率半径，且位于该影像传感器的中央区域；以及
一第二微透镜，具有较大的曲率半径，且位于该影像传感器的外围区域。
3.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述至少两个微透镜包括：
一第一微透镜，具有较小的曲率半径，且对应于一第一颜色；以及
一第二微透镜，具有较大的曲率半径，且对应于一第二颜色。
4.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述至少两个微透镜包括：
一第一微透镜，具有较小的曲率半径，且对应于一红色像素；
一第二微透镜，具有次小的曲率半径，且对应于一绿色像素；以及
一第三微透镜，具有较大的曲率半径，且对应于一蓝色像素。
5.如权利要求1所述的影像传感器，其中所述至少两微透镜包括：
一第一微透镜，具有对称结构，且位于该影像传感器的中央区域；以及
一第二微透镜，至少沿着一平面有非对称结构，且位于该影像传感器的外围区域。
6.一种影像传感器，包括：
至少一微透镜，其沿着一平面有非对称结构。
7.一种影像传感器的制造方法，包括下列步骤：
提供一半成基底；
在该半成基底上涂布一光致抗蚀剂材料；
使该光致抗蚀剂材料图形化成多个子单元，其中所述子单元包括至少一第一子单元和一第二子单元，该第一子单元和该第二子单元有不同的图案；以及
回流该光致抗蚀剂材料，使该光致抗蚀剂材料中的该第一子单元和该第二子单元具有不同的外形。
8.如权利要求7所述的影像传感器的制造方法，其中该第一子单元和该第二子单元包括多个凹洞。
9.如权利要求7所述的影像传感器的制造方法，其中该第一子单元的图案和该第二子单元的图案有显然不同的比例。
10.如权利要求7所述的影像传感器的制造方法，其中该第一子单元形成一第一形状，该第一形状具有较小的曲率半径且位于该影像传感器的中央区域；以及
该第二子单元形成一第二形状，该第二形状具有较大的曲率半径且位于该影像传感器的外围区域。
11.如权利要求7所述的影像传感器的制造方法，其中该第一子单元形成一第一形状，该第一形状具有较小的曲率半径且对应于一第一颜色；以及
该第二子单元形成一第二形状，该第二形状具有较大的曲率半径且对应于一第二颜色。
12.如权利要求7所述的影像传感器的制造方法，其中所述子单元包括该第一子单元、该第二子单元和一第三子单元，其中该第一子单元形成一第一形状，该第一形状具有较小的曲率半径，且对应于一红色像素；
该第二子单元形成一第二形状，该第二形状具有次小的曲率半径，且对应于一绿色像素；以及
该第三子单元形成一第三形状，该第三形状具有较大的曲率半径，且对应于一蓝色像素。
13.如权利要求7所述的影像传感器的制造方法，其中该第一子单元形成一对称形状，且该对称形状位于该影像传感器的中央区域；以及
该第二子单元至少沿着一平面形成一非对称形状，且该非对称形状位于该影像传感器的外围区域。
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