CN101414614A - 图像感测装置及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示一种图像感测装置及其制造方法，包括：一基板、一第一透明层、以及一微透镜阵列。基板具有一像素阵列形成于内。第一透明层具有一曲面且设置于基板上。微透镜阵列顺应性设置于第一透明层的该曲面且对应于基板内的像素阵列。本发明还揭示一种图像感测装置的制造方法。本发明提供的图像感测装置及其制造方法，通过改变微透镜阵列的几何配置，可将不同CRA的不同聚焦深度调整成大体一致的聚焦深度，以容许不同CRA的入射光能够适当地聚焦于所对应的光感测器，借以增加图像感测装置的光敏性。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学装置，特别涉及一种感测装置的结构及其制造方法。
背景技术
随着光电产品诸如数码相机、数字图像记录器、具有图像拍摄功能的手机、以及监视器逐渐普及化，图像感测装置的需求也与日俱增。图像感测装置用于记录来自图像的光学信号的变化并且将光学信号转换成电子信号。在记录及处理上述电子信号之后，便可产生一数字图像。而图像感测装置一般可分为两种主要类型：一者为电荷耦合装置(charge-coupled device，CCD)，而另一者为互补式金属氧化物半导体(complementary metal oxidesemiconductor，CMOS)装置。
图像感测装置通常包括一像素阵列。每一阵列包括一光感测器(photosensor)，用以提供对应照射于光感测器的光强度的一信号。当一图像聚焦于该阵列时，这些信号可用于显示一对应的图像。在传统的技术中，配有彩色滤光片(color filter，CF)阵列的微透镜阵列对应设置于像素阵列上方，用以将光线聚焦于像素阵列上。而彩色滤光片阵列则容许像素聚集具有特定波长的光线。
然而，尽管使用了微透镜阵列，由于微透镜阵列几何排列，大量的入射光线并未能有效地导入光感测器。入射光线对于每一光感测器的聚焦深度会随着光线入射角(即，主光入射角(chief ray angle，CRA))而变。由于入射至位于像素阵列边缘附近的光感测器的光线通常为倾斜的，因此位于像素阵列边缘附近的光感测器的聚焦深度短于入射至位于像素阵列中心附近的光感测器的光线。不同的聚焦深度使得邻近像素阵列边缘的入射光量少于邻近像素阵列中心的入射光量。如此一来，图像感测装置的光敏性(photosensitivity)会因而降低。
因此，有必要寻求一种新的图像感测装置结构，其能够增加图像感测装置的光敏性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种图像感测装置及其制造方法，其通过改变微透镜阵列的几何配置，以光感测器的聚焦深度，进而增加图像感测装置的光敏性。
根据上述的目的，本发明提供一种图像感测装置，包括：一基板、一第一透明层、以及一微透镜阵列。基板具有一像素阵列形成于内。第一透明层具有一曲面且设置于基板上。微透镜阵列顺应性设置于第一透明层的该曲面且对应于基板内的像素阵列。
又根据上述的目的，本发明提供一种图像感测装置的制造方法，包括：提供一基板，其具有一像素阵列形成于内。在基板上形成具有一曲面的一第一透明层。在第一透明层的曲面上顺应性形成一微透镜阵列，且对应于基板内的该像素阵列。
综上所述，本发明提供一种图像感测装置及其制造方法，通过改变微透镜阵列的几何配置，可将不同CRA的不同聚焦深度调整成大体一致的聚焦深度，以容许不同CRA的入射光能够适当地聚焦于所对应的光感测器，借以增加图像感测装置的光敏性。
附图说明
图1A至图1E绘示出根据本发明一实施例的图像感测装置制造方法剖面示意图；
图2A至图2C绘示出根据本发明一实施例的用于图像感测装置中曲面膜层形成方法剖面示意图；
图3A至图3C绘示出根据本发明另一实施例的用于图像感测装置中曲面膜层形成方法剖面示意图；
图4绘示出根据本发明一实施例的图像感测装置局部剖面示意图；
图5绘示出根据本发明一实施例的图像感测模块剖面示意图。
其中，附图标记说明如下：
100～基板
101～光感测器
102～像素阵列
104、108～透明层
104a、106a、108a、110a～曲面
106～彩色滤光层
110～光致抗蚀剂层(光敏层)
112～灰阶光掩模
114～曝光工艺
119～微透镜
120～微透镜阵列
130～透镜模块
200～图像感测模块
具体实施方式
以下说明本发明的实施例。此说明的目的在于提供本发明的总体概念而并非用以局限本发明的范围。本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
图1E绘示出根据本发明一实施例的图像感测装置。图像感测装置包括一基板100，例如一半导体基板，其具有一像素阵列102形成于内。基板100内可形成隔离区(未绘示)，用以定义用于排列像素阵列102的有源区。像素阵列102中每一像素单元包括一对应的光感测器101，将来自入射光(未绘示)的光学信号转换成电子信号。
一透明层104设置于基板100上。透明层104可为一单层结构或多层结构。在本实施例中，透明层104可包括一层间介电(interlayer dielectric，ILD)层及位于上方的钝化层或平坦层。此处为了简化附图，仅绘示出一平整透明层104。
一具有红色、绿色、及蓝色滤光片的彩色滤光层106设置于透明层104上。由氧化硅、氮化硅、或其组合所构成的另一透明层108覆盖彩色滤光层106，用以保护彩色滤光层106。在本实施例中，透明层108具有一曲面108a，用以补偿因不同主光入射角(CRA)的微透镜而偏移的聚焦深度。举例而言，透明层108具有平凸(plano-convex)的外型且曲面108a为对称的凸面，如图1E所示。在另一实施例中，透明层108的曲面108a为非对称的凸面，如图4所示。再者，在其它的实施例中，曲面108a由具有曲面104a的透明层104所造成，如图2C所示，或是由具有曲面106a的彩色滤光层106所造成，如图3C所示。由于彩色滤光层106及透明层108依序且顺应性地设置于具有曲面104a的透明层104，因此曲面106a会大体相同于曲面106a及/或曲面104a。
图1A至图1E绘示出根据本发明一实施例的图像感测装置制造方法剖面示意图。请参照图1A，提供一基板100，其具有一像素阵列102形成于内。基板100可由硅或其它半导体材料所构成，且含有不同元件，例如晶体管、电阻、及其它公知的半导体元件。此处为了简化附图，并未绘示出这些元件。再者，基板100也可具有隔离区(未绘示)形成于内，用以定义用于排列像素阵列102的有源区。每一有源区(即，像素单元)包括一对应的光感测器101，以将来自入射光(未绘示)的光学信号转换成电子信号。光感测器101包括光电二极管(photodiode)、光电晶体管(phototransistor)、或其它公知的光感测器。
在基板100上形成一透明层104。在本实施例中，透明层104可包括一层间介电(ILD)层及位于上方的钝化层或平坦层。ILD层可通过化学气相沉积(chemical vapor deposition，CVD)、低压化学气相沉积(low pressure CVD，LPCVD)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced CVD，PECVD)、高密度等离子体化学气相沉积(high density plasma CVD，HDPCVD)、或其它公知沉积技术形成，且可由氧化硅或其它低介电常数(low k)材料所构成，例如氟硅玻璃(FSG)、掺杂碳的氧化物、甲基硅酸盐类(methyl silsequioxane，MSQ)、含氢硅酸盐类(hydrogen silsequioxane，HSQ)、或氟四乙基硅酸盐(fluorine tetra-ethyl-orthosilicate，FTEOS)。再者，钝化层或平坦层可由氮化硅(例如，SiN或Si3N4)、氮氧化硅(例如，SiON)、碳化硅(例如，SiC)、碳氧化硅(例如，SiOC)、或其组合所构成。另外，ILD层中可具有金属内连线(未绘示)形成于内。此处为了简化附图，仅绘示出一平整的透明层104。
一具有红色、绿色、及蓝色滤光片的彩色滤光层106是通过光刻工艺形成于透明层104上，使每一彩色滤光片能对应于每一像素单元或是光感测器101。
接着，在彩色滤光层106上形成一透明层108，用以保护彩色滤光层106。透明层108可通过CVD、LPCVD、PECVD、HDPCVD、或其它公知沉积技术形成，且可由氧化硅、氮化硅、或其组合所构成。
请参照图1B，一光敏层110，例如一正型光致抗蚀剂层，形成于透明层108上。之后，使用一灰阶光掩模(gray level mask)112对光致抗蚀剂层110实施一曝光工艺，例如I-line曝光工艺。灰阶光掩模112通常具有光栅结构，以在光通过时产生不同的光强度。因此，在本实施例中，可在灰阶光掩模112中设计出所需的光栅结构，使得实施曝光及显影工艺之后，光致抗蚀剂层110在不同的部位具有不同的厚度而构成一曲面110a。举例而言，光致抗蚀剂层110的中心部位的厚度大于其周围部位，使光致抗蚀剂层110的曲面110a呈现一对称的凸面，如图1C所示。
请参照图1C及图1D，在实施显影工艺之后，依序蚀刻具有曲面110a的光致抗蚀剂层110及下方的透明层108，例如使用干蚀刻去除光致抗蚀剂层110，同时在透明层108上形成一曲面108a，其大体相同于光致抗蚀剂层110的曲面110a。在本实施例中，透明层108具有平凸的外型且曲面108a为对称的凸面。在另一实施例中，光致抗蚀剂层110的曲面110a可为非对称凸面，使透明层108的曲面108a为非对称的凸面，如图4所示。需注意的是虽然图4中透明层108的左侧厚度大于其右侧厚度，然而在其它实施例中，透明层108的右侧厚度也可大于其左侧厚度。
请参照图1E，在透明层108的曲面108a上顺应性形成一微透镜阵列120，其具有多个圆盖型(dome-type)的微透镜119，其中微透镜阵列120中的微透镜119对应于像素阵列102中的光感测器101。微透镜阵列120可通过在透明层108上涂布一透镜树脂材料(未绘示)而形成。接着，通过光刻工艺以图案化透镜树脂材料，使其形成于对应的光感测器101上方的位置。接着，对图案化的透镜树脂材料实施一热流(thermal flow)工艺，以利用表面张力而形成圆盖型的微透镜119。
图2A至图2C绘示出根据本发明一实施例的用于图像感测装置中曲面透明层形成方法剖面示意图，其中相同于图1A至图1E中的部件使用相同的标记并省略其相关说明。请参照图2A，形成一彩色滤光层106之前，在透明层104上涂布一光致抗蚀剂层110。之后，使用灰阶光掩模112对光致抗蚀剂层110实施一曝光工艺114。
请参照图2B，接着实施显影工艺，以形成具有一曲面110a的光致抗蚀剂层110。
请参照图2C，依序蚀刻具有曲面110a的光致抗蚀剂层110及下方的透明层104，以去除光致抗蚀剂层110且同时在透明层104上形成一曲面104a，其大体相同于光致抗蚀剂层110的曲面110a。之后，依序在具有曲面104a的透明层104上顺应性形成一彩色滤光层106及一透明层108，使彩色滤光层106及透明层108分别具有大体相同于透明层104的曲面104a的曲面106a及108a。
图3A至图3C绘示出根据本发明一实施例的用于图像感测装置中曲面膜层形成方法剖面示意图，其中相同于图1A至图1E中的部件使用相同的标记并省略其相关说明。请参照图3A，形成一透明层108之前，在彩色滤光层106上涂布一光致抗蚀剂层110。之后，使用灰阶光掩模112对光致抗蚀剂层110实施一曝光工艺114。
请参照图3B，接着实施显影工艺，以形成具有一曲面110a的光致抗蚀剂层110。
请参照图3C，依序蚀刻具有曲面110a的光致抗蚀剂层110及下方的彩色滤光层106，以去除光致抗蚀剂层110且同时在彩色滤光层106上形成一曲面106a，其大体相同于光致抗蚀剂层110的曲面110a。之后，在具有曲面106a的彩色滤光层106上顺应性形成一透明层108，使透明层108具有大体相同于彩色滤光层106的曲面106a的曲面108a。
图5绘示出根据本发明一实施例的图像感测模块剖面示意图。图像感测模块200包括一图像感测装置，如图1E所示，及设置于其上的一透镜模块130。在入射光(未绘示)通过透镜模块130之后，光会扩展成较宽的角度。也即，位于周边的微透镜119(即，位于像素阵列102边缘附近)的CRA大于位于中心的微透镜119(即，位于像素阵列102中心附近)的CRA。如此一来，位于周边的微透镜119的聚焦深度会短于位于中心的微透镜119的聚焦深度。因此，图像感测装置的光敏性会因为通过位于周边的微透镜119的光线无法适当地聚焦于所对应的光感测器101而降低。
然而，根据本实施例，由于微透镜阵列120直接形成于透明层108的曲面108a上，位于周边的微透镜119的聚焦深度得以延伸，使光线适当地聚焦于所对应的光感测器101。因此，可将不同CRA的不同聚焦深度调整成大体一致的聚焦深度，以容许不同CRA的入射光能够适当地聚焦于所对应的光感测器，借以增加图像感测装置的光敏性。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与修改，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求书所界定的范围为准。
Claims (13)
1.一种图像感测装置，包括：
一基板，具有一像素阵列形成于内；
一第一透明层，具有一曲面且设置于该基板上；以及
一微透镜阵列，顺应性设置于该第一透明层的该曲面且对应于该基板内的该像素阵列。
2.如权利要求1所述的图像感测装置，还包括一彩色滤光层，设置于该基板与该第一透明层之间。
3.如权利要求2所述的图像感测装置，其中该彩色滤光层具有一曲面，其大体相同于该第一透明层的该曲面。
4.如权利要求2所述的图像感测装置，还包括一第二透明层，设置于该基板与该彩色滤光层之间。
5.如权利要求4所述的图像感测装置，其中该彩色滤光层与该第二透明层分别具有一曲面，其大体相同于该第一透明层的该曲面。
6.如权利要求1所述的图像感测装置，其中该第一透明层的该曲面为对称或非对称的凸面。
7.一种图像感测装置的制造方法，包括：
提供一基板，其具有一像素阵列形成于内；
在该基板上形成具有一曲面的一第一透明层；以及
在该第一透明层的该曲面上顺应性形成一微透镜阵列，且对应于该基板内的该像素阵列。
8.如权利要求7所述的图像感测装置的制造方法，还包括在该基板与该第一透明层之间形成一彩色滤光层。
9.如权利要求8所述的图像感测装置的制造方法，其中形成具有该曲面的该第一透明层包括：
通过一灰阶光掩模在该彩色滤光层上形成具有一曲面的一光致抗蚀剂层；
依序蚀刻该光致抗蚀剂层及下方的该彩色滤光层，以去除该光致抗蚀剂层，同时在该彩色滤光层上形成一曲面；以及
在该彩色滤光层的该曲面上顺应性形成该第一透明层。
10.如权利要求8所述的图像感测装置的制造方法，还包括在该基板与该彩色滤光层之间形成一第二透明层。
11.如权利要求7所述的图像感测装置的制造方法，其中形成具有该曲面的该第一透明层包括：
通过一灰阶光掩模在该第二透明层上形成具有一曲面的一光致抗蚀剂层；
依序蚀刻该光致抗蚀剂层及下方的该第二透明层，以去除该光致抗蚀剂层，同时在该第二透明层上形成一曲面；以及
依序在该第二透明层的该曲面上顺应性形成该彩色滤光层及该第一透明层。
12.如权利要求7所述的图像感测装置的制造方法，其中形成具有该曲面的该第一透明层包括：
通过一灰阶光掩模在该第一透明层上形成具有一曲面的一光致抗蚀剂层；以及
依序蚀刻该光致抗蚀剂层及下方的该第一透明层，以去除该光致抗蚀剂层，同时在该第一透明层上形成一曲面。
13.如权利要求7所述的图像感测装置的制造方法，其中该第一透明层的该曲面为对称或非对称的凸面。
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