CN105319621A - 双透镜结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本揭示提供的双透镜结构包含由具有第一折射率的彩色滤光片层形成的第一透镜结构，以及由具有第二折射率的微透镜层形成的第二透镜结构，第二透镜结构设置在第一透镜结构上，且彩色滤光片层的第一折射率与微透镜层的第二折射率不同，入射光进入第二透镜结构，然后穿透过第一透镜结构。此外，本揭示还提供双透镜结构的制造方法。

Description

双透镜结构及其制造方法

技术领域

本发明有关于微透镜阵列，特别有关于用在固态影像感测器的具有双透镜结构的微透镜阵列，以及双透镜结构的制造方法。

背景技术

近年来，固态影像感测器的技术已经逐渐发展，并且广泛地在各种影像拍摄设备中使用，例如数码摄影机、数码相机、便携式个人电脑、便携式行动电话以及类似的设备。影像感测器可吸收具有特定波长的入射光，例如可见光、紫外光、红外光或类似的光线，并且产生相应于被吸收的光线的电子信号。以半导体为制造基础的影像感测器可具有多种不同的种类，例如电荷耦合元件(chargecoupleddevice；CCD)影像感测器，或者互补式金属氧化半导体(complementarymetaloxidesemiconductor；CMOS)影像感测器。

固态影像感测器通常是由含有光感应器(photo-sensor)的像素阵列所组成，在一个独立像素中的每一个光感测器会产生相应于照射在影像感测器的此光感应器上的入射光的电子信号，因此，每一个光感应器所产生的电子信号的大小与照射在此光感应器上的入射光的量成比例关系。

在固态影像感测器上方会设置微透镜阵列，使得入射光线折射至光感应器上，然而，通常有大量的入射光线并不会直接到达光感应器上，此光线的损失会导致固态影像感测器的灵敏度无法提升。

发明内容

依据本揭示的实施例，提供双透镜结构及其制造方法，此双透镜结构设置在固态影像感测器上方，并且作为固态影像感测器的微透镜阵列，经由此双透镜结构可以改善微透镜阵列聚集光线的效率，进而提升了固态影像感测器的灵敏度。

在一些实施例中，提供双透镜结构，此双透镜结构包含第一透镜结构，其由具有第一折射率的彩色滤光片层形成。此双透镜结构还包含第二透镜结构，其由具有第二折射率的微透镜层形成，并且第二透镜结构设置在第一透镜结构上。入射光进入第二透镜结构，然后穿透过第一透镜结构，其中彩色滤光片层的第一折射率与微透镜层的第二折射率不同。

在一些实施例中，该彩色滤光片层的该第一折射率大于该微透镜材料层的该第二折射率，该第一透镜结构具有一第一凸面轮廓表面，该第二透镜结构具有一第二凸面轮廓表面设置在该第一透镜结构的该第一凸面轮廓表面上方，且该入射光从该第二凸面轮廓表面进入该第二透镜结构。

在一些实施例中，该第二透镜结构更包括与该第二凸面轮廓表面为相反面的一第三凸面轮廓表面，该第三凸面轮廓表面顺应性地形成在该第一透镜结构的该第一凸面轮廓表面上，并且该第三凸面轮廓表面与该第一凸面轮廓表面接触；以及该第一透镜结构更包括与该第一凸面轮廓表面为相反面的一平坦表面。

在一些实施例中，该彩色滤光片层的该第一折射率低于该微透镜材料层的该第二折射率，该第一透镜结构具有一第一凹面轮廓表面，该第二透镜结构具有一第一凸面轮廓表面设置在该第一透镜结构的该第一凹面轮廓表面上方，该入射光从该第一凸面轮廓表面进入该第二透镜结构。

在一些实施例中，该第二透镜结构更包括与该第一凸面轮廓表面为相反面的一第二凹面轮廓表面，该第二透镜结构的该第二凹面轮廓表面顺应性地形成在该第一透镜结构的该第一凹面轮廓表面上，并且该第二凹面轮廓表面与该第一凹面轮廓表面接触；以及该第一透镜结构更包括与该第一凹面轮廓表面为相反面的一平坦表面。

在一些实施例中，更包括一格子状分隔物与该彩色滤光片层设置在一相同平面上，且该格子状分隔物将该彩色滤光片层分隔成数个区域，其中该格子状分隔物具有一第三折射率，该第三折射率低于该彩色滤光片层的该第一折射率，该格子状分隔物具有一高度大于该彩色滤光片层位在该第一凹面轮廓表面的底部处的一高度，并且该格子状分隔物具有一宽度范围从0.1μm至0.3μm。

在一些实施例中，提供双透镜结构的制造方法，此方法包含：形成具有第一折射率的彩色滤光片层在基底上；形成第一硬遮罩在彩色滤光片层上，并且第一硬遮罩具有凸面轮廓；使用第一硬遮罩对彩色滤光片层进行蚀刻，以形成具有第一凸面轮廓表面的第一透镜结构；形成具有第二折射率的微透镜材料层在第一透镜结构上；形成第二硬遮罩在微透镜材料层上，并且第二硬遮罩具有凸面轮廓；以及使用第二硬遮罩对微透镜材料层进行蚀刻，以形成具有第二凸面轮廓表面的第二透镜结构，其中彩色滤光片层的第一折射率大于微透镜材料层的第二折射率。

在一些实施例中，该第一硬遮罩具有一厚度小于该彩色滤光片层的一厚度，在使用该第一硬遮罩对该彩色滤光片层进行蚀刻形成该第一透镜结构的该步骤之后，该彩色滤光片层的一下方部分不被蚀刻，并且该第一透镜结构的相邻区域的底部连接在一起；或者该第一硬遮罩具有一厚度等于该彩色滤光片层的一厚度，在使用该第一硬遮罩对该彩色滤光片层进行蚀刻形成该第一透镜结构的该步骤之后，该彩色滤光片层的一下方部分被蚀刻，并且该第一透镜结构的相邻区域的底部互相分开。

在一些实施例中，该第二硬遮罩具有一厚度小于该微透镜材料层的一厚度，在使用该第二硬遮罩对该微透镜材料层进行蚀刻形成该第二透镜结构的该步骤之后，该微透镜材料层的一下方部分不被蚀刻，并且该第二透镜结构的相邻区域的底部连接在一起。

在一些其他实施例中，提供双透镜结构的制造方法，此方法包含：形成具有第一折射率的分隔物材料层在基底上；形成第一格子状硬遮罩在分隔物材料层上；使用第一格子状硬遮罩对分隔物材料层进行蚀刻，形成具有数个开口的格子状分隔物在基底上；在格子状分隔物的开口中形成具有第二折射率的彩色滤光片层，以形成具有第一凹面轮廓表面的第一透镜结构；在第一透镜结构上涂布具有第三折射率的微透镜材料层；形成第二硬遮罩在微透镜材料层上，并且第二硬遮罩具有凸面轮廓；以及使用第二硬遮罩对微透镜材料层进行蚀刻，以形成具有第一凸面轮廓表面的第二透镜结构，其中分隔物材料层的第一折射率低于彩色滤光片层的第二折射率，并且彩色滤光片层的第二折射率低于微透镜材料层的第三折射率。

在该格子状分隔物的该些开口中形成该彩色滤光片层的该步骤包括一涂布制程、一曝光制程以及一显影制程，在该显影制程之后，该彩色滤光片层涂布在该格子状分隔物的顶部上的一部份被移除。

在一些实施例中，形成在该格子状分隔物的该些开口中的该彩色滤光片层经由该涂布制程而具有一凹下轮廓。

在一些实施例中，该第二硬遮罩具有一厚度等于该微透镜材料层的一厚度，在使用该第二硬遮罩对该微透镜材料层进行蚀刻形成该第二透镜结构的该步骤之后，涂布在该格子状分隔物的顶端上的该微透镜材料层的一部份被移除，暴露出该格子状分隔物。

在一些实施例中，该第二硬遮罩具有一厚度小于该微透镜材料层的一厚度，在使用该第二硬遮罩对该微透镜材料层进行蚀刻形成该第二透镜结构的该步骤之后，涂布在该格子状分隔物的顶端上的该微透镜材料层的一部份保留在该格子状分隔物上。

依据本揭示的实施例，提供双透镜结构作为固态影像感测器的微透镜阵列，凭借双透镜结构的设计，可以改善微透镜阵列聚集光线的效率。在这些实施例的双透镜结构中，第一透镜结构和第二透镜结构的表面轮廓依据形成第一透镜结构和第二透镜结构的材料的折射率进行修改调整。此外，本揭示的实施例还提供制造双透镜结构的方法，这些方法所形成的第一透镜结构和第二透镜结构可具有各种表面轮廓，使得双透镜结构可以准确地将入射光聚焦在光电转换元件上，以此提升了固态影像感测器的灵敏度。

附图说明

为了让本揭示的各种实施例的目的、特征、及优点能更明显易懂，以下配合所附图式作详细说明如下：

图1显示依据一些实施例，设置在固态影像感测器上方的双透镜结构的局部剖面示意图；

图2A-2E显示依据一些实施例，制造图1的双透镜结构的各制程阶段的局部剖面示意图；

图3显示依据一些其他实施例，设置在固态影像感测器上方的双透镜结构的局部剖面示意图；以及

图4A-4F显示依据一些实施例，制造图3的双透镜结构的各制程阶段的局部剖面示意图。

【主要元件符号说明】

100～双透镜结构；

101～基底；

101A～基底的正面；

101B～基底的背面；

102～固态影像感测器；

103～光电转换元件；

105～遮光层；

105P～遮光分隔物；

107～护层；

108～彩色滤光片层；

108R、108G、108B、109R、109G、109B～彩色滤光片部件；

109～第一透镜结构；

109VU～第一透镜结构的上方凸面轮廓表面；

109CU～第一透镜结构的上方凹面轮廓表面；

109FL～第一透镜结构的下方平坦表面；

110～微透镜材料层；

111～第二透镜结构；

111ML～微透镜元件；

111VU～第二透镜结构的上方凸面轮廓表面；

111CL～第二透镜结构的下方凹面轮廓表面；

111VL～第二透镜结构的下方凸面轮廓表面；

P～像素；

113～入射光；

114～分隔物材料层；

115～格子状分隔物；

116～开口；

120～第一硬遮罩；

121～第一硬遮罩的部件；

122、126、142～回蚀刻制程；

124～第二硬遮罩；

125～第二硬遮罩的部件；

130～硬遮罩材料层；

132～光罩；

134～曝光制程；

136～格子状硬遮罩；

138～蚀刻制程；

140～硬遮罩；

141～硬遮罩的部件；

H～分隔物的高度；

h～第一透镜结构位于上方凹面轮廓表面的底部处的高度；

W～分隔物的宽度。

具体实施方式

在本揭示的一些实施例中，使用双透镜结构作为微透镜阵列，并且将双透镜结构设置在固态影像感器上方，以改善微透镜阵列聚集光线的效率，并以此提升固态影像感器的灵敏度。

参阅图1，其显示依据本揭示的一些实施例，设置在固态影像感测器102上方的双透镜结构100的局部剖面示意图。固态影像感测器102包含基底101，例如为半导体基底，其具有正面101A和背面101B，半导体基底可以是晶圆或晶片。固态影像感测器102还包含数个光电转换元件103，例如光电二极管，形成在基底101的背面101B上，每一个光电转换元件103各自设置在固态影像感测器102的一个像素P中，并且这些光电转换元件103是互相隔离的，虽然图1中仅显示出五个像素，然而实际上固态影像感测器102具有数百万或更多的像素。

导线层(未绘出)包含许多的导线和固态影像感测器102所需的电子电路，导线层形成在基底101的正面101A上。此外，固态影像感测器102还包含遮光层105设置在基底101的正面101A上方，遮光层105具有数个遮光分隔物105P，每一个遮光分隔物105P设置在两个相邻的像素P之间。固态影像感测器102还具有护层(passivationlayer)107形成在遮光层105之上，并且护层107具有大抵上平坦的表面。

双透镜结构100包含第一透镜结构109形成在护层107上，以及第二透镜结构111形成在第一透镜结构109上。第一透镜结构109由具有第一折射率n1的彩色滤光片层形成，在一些实施例中，彩色滤光片层包含数个彩色滤光片部件，例如红色(R)的彩色滤光片部件109R、绿色(G)的彩色滤光片部件109G和蓝色(B)的彩色滤光片部件109B。在一些其他实施例中，彩色滤光片层还可包含白色(W)的彩色滤光片部件(未绘出)。这些彩色滤光片部件109R、109G和109B互相连接，并且每一个彩色滤光片部件各自对应于固态影像感测器102的一个像素P。

第二透镜结构111由具有第二折射率n2的微透镜材料层形成，微透镜材料层的第二折射率n2与彩色滤光片层的第一折射率n1不同，第二透镜结构111包含数个微透镜元件111ML，每一个微透镜元件111ML各自对应于固态影像感测器102的一个像素P，第一透镜结构109和第二透镜结构111组合成具有双透镜结构的微透镜阵列，并且应用于固态影像感测器102上。

在一些实施例中，彩色滤光片层的第一折射率n1大于微透镜材料层的第二折射率n2。在这些实施例中，由彩色滤光片层形成的第一透镜结构109针对每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B都具有上方凸面轮廓表面109VU，并且第一透镜结构109更具有与上方凸面轮廓表面109VU为相反面的下方平坦表面109FL。另外，由微透镜材料层形成的第二透镜结构111则针对每一个微透镜元件111ML都具有上方凸面轮廓表面111VU，并且第二透镜结构111更具有与上方凸面轮廓表面111VU为相反面的下方凸面轮廓表面111VL。此外，第二透镜结构111的下方凸面轮廓表面111VL顺应性地形成在第一透镜结构109的上方凸面轮廓表面109VU上，并且第二透镜结构111的下方凸面轮廓表面111VL与第一透镜结构109的上方凸面的轮廓表面109VU接触。

入射光113从上方凸面轮廓表面111VU进入第二透镜结构111，然后穿透过第一透镜结构109，到达光电转换元件103。如图1所示，在一些实施例中，双透镜结构100形成在基底101的正面101A上，因此，入射光113会穿透过形成在基底101正面101A上的导线层(未绘出)，然后再到达形成在基底101背面101B上的光电转换元件103，在这些实施例中，固态影像感测器102可称为前照式(front-sideilluminated；简称FSI)影像感测器。在一些其他实施例中，双透镜结构100形成在基底101的背面101B上，因此，入射光113先到达在基底101背面101B上的光电转换元件103，而不会穿透过在基底101正面101A上的导线层(未绘出)，在这些实施例中，固态影像感测器102可称为背照式(back-sideilluminated；简称BSI)影像感测器。

在FSI和BSI影像感测器中，入射光113都可以被双透镜结构100聚集，然后再聚焦在光电转换元件103上，因此，FSI和BSI影像感测器的灵敏度都可以经由本揭示的双透镜结构设计而提升。

在这些双透镜结构的实施例中，第一透镜结构109的第一折射率n1大于第二透镜结构111的第二折射率n2，并且第二透镜结构111具有上方凸面轮廓表面111VU，第一透镜结构109也具有上方凸面轮廓表面109VU。依据第一透镜结构109和第二透镜结构111的轮廓设计与折射率设计，可以改善双透镜结构100聚集光线的效率，并且以此提升了固态影像感测器102的灵敏度。相较于由单一透镜结构所形成的微透镜阵列，且其微透镜阵列设置在具有平坦表面的彩色滤光片层上的设计，本揭示的实施例的双透镜结构100可以大幅地提升微透镜阵列聚集光线的效率。

图2A-2E显示依据一些实施例，制造图1的双透镜结构100的各制程阶段的局部剖面示意图。参阅图2A，提供基底101，其具有数个光电转换元件103，例如光电二极管，形成在基底101的背面101B上。此外，导线层(未绘出)则形成在基底101的正面101A上，光电转换元件103和导线层可凭借半导体制造技术而形成。另外，在基底101的上还形成有遮光层105，遮光层105包含数个遮光分隔物105P，每一个遮光分隔物105P设置在两个相邻的像素P之间。在一些实施例中，遮光层105可由黑色光阻或金属材料制成，并且可经由曝光与显影制程形成黑色光阻的遮光层105。此外，在基底101的上还形成有护层107覆盖遮光层105，护层107具有大抵上平坦的表面。护层107的材料包含氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其他合适的材料，可经由沉积制程或涂布制程形成护层107，以完成固态影像感测器102。

接着，在固态影像感测器102的护层107上形成彩色滤光片层108，彩色滤光片层108具有第一折射率n1，彩色滤光片层108包含数个彩色滤光片部件，例如红色(R)的彩色滤光片部件108R、绿色(G)的彩色滤光片部件108G和蓝色(B)的彩色滤光片部件108B，这些彩色滤光片部件108R、108G和108B连接在一起并具有平坦的表面，可经由涂布与微影制程，在不同的步骤中，依序形成这些彩色滤光片部件108R、108G和108B。

参阅图2B，在彩色滤光片层108上形成第一硬遮罩(hardmask)120，第一硬遮罩120具有数个部件121，每一个部件121都具有凸面轮廓，并且每一个部件121各自对应于一个彩色滤光片部件108R、108G或108B。第一硬遮罩120的材料包含透明有机材料，可经由涂布、微影与蚀刻制程形成第一硬遮罩120。在一些实施例中，第一硬遮罩120的厚度小于彩色滤光片层108的厚度，并且第一硬遮罩120的每一个部件121的面积小于每一个彩色滤光片部件108R、108G和108B的面积，使得第一硬遮罩120的每一个部件121互相分开。

接着，使用第一硬遮罩120，在彩色滤光片层108上进行回蚀刻(etchingback)制程122。在一些实施例中，第一硬遮罩120与彩色滤光片层108的蚀刻选择比(etchingselectivityratio)可约为1：0.8，并且回蚀刻制程122可以是干式蚀刻，此干式蚀刻可使用以氟为基础的制程气体，例如CF₄、CHF₃等气体进行。在回蚀刻制程122之后，彩色滤光片层108的上方部分会被蚀刻，并且被塑造成凸面轮廓表面，而彩色滤光片层108的下方部分则不会被蚀刻，并且保留在护层107上，此时，第一硬遮罩120也会被移除，完成如图2C所示，由彩色滤光片层所形成的第一透镜结构109。构成第一透镜结构109的每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B都具有上方凸面轮廓表面109VU，并且第一透镜结构109的相邻区域的底部互相连接，亦即第一透镜结构109的彩色滤光片部件109R、109G和109B的底部是连接在一起的。

在一些其他实施例中，第一硬遮罩120的厚度大抵上等于彩色滤光片层108的厚度，并且第一硬遮罩120的每一个部件121的面积大抵上等于每一个彩色滤光片部件108R、108G和108B的面积，使得第一硬遮罩120的这些部件121互相连接。使用此第一硬遮罩120在彩色滤光片层108上进行回蚀刻制程122之后，彩色滤光片层108的上方部分与下方部分两者都会被蚀刻，并且每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B都被塑造成凸面轮廓，完成第一透镜结构109。在此实施例中，第一透镜结构109的相邻区域的底部互相分开，亦即第一透镜结构109的彩色滤光片部件109R、109G和109B的底部是互相分开的。

参阅图2D，在第一透镜结构109上涂布微透镜材料层110，微透镜材料层110具有大抵上平坦的表面，并且微透镜材料层110的第二折射率n2低于彩色滤光片层108的第一折射率n1，微透镜材料层110的材料包含透明有机材料。参阅图2E，在微透镜材料层110上形成第二硬遮罩124，第二硬遮罩124具有数个部件125，每一个部件125都具有凸面轮廓，并且每一个部件125各自对应于固态影像感测器102的一个像素P。在一些实施例中，第二硬遮罩124的材料可以与第一硬遮罩120相同，并且可经由涂布、微影与蚀刻制程形成第二硬遮罩124。

在一些实施例中，第二硬遮罩124的厚度小于微透镜材料层110的厚度，并且第二硬遮罩124的每一个部件125的面积大抵上等于每一个像素P的面积，使得第二硬遮罩124的这些部件125互相连接。在一些其他实施例中，第二硬遮罩124的厚度小于微透镜材料层110的厚度，并且第二硬遮罩124的每一个部件125的面积小于每一个像素P的面积，使得第二硬遮罩124的这些部件125互相分开。

使用第二硬遮罩124，在微透镜材料层110上进行回蚀刻制程126，在一些实施例中，第二硬遮罩124与微透镜材料层110的蚀刻选择比可约为1：0.8，并且回蚀刻制程126可以是干式蚀刻。在回蚀刻制程126之后，微透镜材料层110的上方部分会被蚀刻，并且被塑造成凸面轮廓，作为第二透镜结构111的微透镜元件111ML，而微透镜材料层110的下方部分则不会被蚀刻，并保留在第一透镜结构109上。在回蚀刻制程126之后，第二硬遮罩124也会被移除，完成图1的双透镜结构100。如图1所示，第二透镜结构111包含由微透镜材料层110形成的数个微透镜元件111ML，并且每一个微透镜元件111ML都具有上方凸面轮廓表面111VU和下方凸面轮廓表面111VL。在此实施例中，第二透镜结构111的相邻区域的底部，亦即微透镜元件111ML的底部是连接在一起的。

在这些实施例中，可以依据形成第一透镜结构109的彩色滤光片层108的第一折射率n1，以及形成第二透镜结构111的微透镜材料层110的第二折射率n2，来调整第二透镜结构111的上方凸面轮廓表面111VU的曲率(curvature)以及第一透镜结构109的上方凸面轮廓表面109VU的曲率。此外，还可以依据光电转换元件103的位置、第一透镜结构109的厚度以及第二透镜结构111的厚度，来调整第二透镜结构111的上方凸面轮廓表面111VU的曲率和第一透镜结构109的上方凸面轮廓表面109VU的曲率。

参阅图3，其显示依据一些其他实施例，设置在固态影像感测器102上方的双透镜结构100的局部剖面示意图。如前所述，固态影像感测器102包含基底101，数个光电转换元件103形成在基底101的背面101B上，导线层(未绘出)则形成在基底101的正面101A上，此外，还包含遮光层105和护层107形成在基底101之上。

在一些实施例中，数个分隔物115形成在护层107上，每一个分隔物115设置在固态影像感测器102的两个相邻像素P之间，以上视角度观之，这些分隔物115具有格子的形状，因此，分隔物115也可称为格子状分隔物，格子状分隔物115具有数个开口116。第一透镜结构109由彩色滤光片层形成，并且设置在格子状分隔物115的开口116中，格子状分隔物115与彩色滤光片层设置在相同的平面上，并且格子状分隔物115将彩色滤光片层分隔成数个区域。在一些实施例中，彩色滤光片层的这些区域包含数个彩色滤光片部件，例如红色(R)的彩色滤光片部件109R、绿色(G)的彩色滤光片部件109G和蓝色(B)的彩色滤光片部件109B，每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B各自对应于彩色滤光片层的一个区域。在一些其他实施例中，彩色滤光片层的这些区域还可包含白色(W)的彩色滤光片部件。这些彩色滤光片部件109R、109G和109B经由格子状分隔物115互相分开，并且每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B各自对应于固态影像感测器102的一个像素P。

在一些实施例中，用于形成第一透镜结构109的彩色滤光片层具有第一折射率n1，而第二透镜结构111则由具有第二折射率n2的微透镜材料层形成。第二透镜结构111形成在第一透镜结构109上，第二透镜结构111包含数个微透镜元件111ML，每一个微透镜元件111ML各自对应于固态影像感测器102的一个像素P，第一透镜结构109和第二透镜结构111组合成具有双透镜结构的微透镜阵列，其应用于固态影像感测器102上。

在这些实施例中，彩色滤光片层的第一折射率n1低于微透镜材料层的第二折射率n2，并且由彩色滤光片层形成的第一透镜结构109的每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B都具有上方凹面轮廓表面109CU，此外，第一透镜结构109还具有与上方凹面轮廓表面109CU为相反面的下方平坦表面109FL。另外，由微透镜材料层形成的第二透镜结构111的每一个微透镜元件111ML则具有上方凸面轮廓表面111VU，此外，第二透镜结构111还具有与上方凸面轮廓表面111VU为相反面的下方凹面轮廓表面111CL。第二透镜结构111的下方凹面轮廓表面111CL顺应性地形成在第一透镜结构109的上方凹面轮廓表面109CU上，并且第二透镜结构111的下方凹面轮廓表面111CL与第一透镜结构109的上方凹面轮廓表面109CU接触。

入射光113从上方凸面轮廓表面111VU进入第二透镜结构111，然后穿透过第一透镜结构109，到达光电转换元件103。对于FSI和BSI影像感测器的设计而言，入射光113都可以被双透镜结构100的第二透镜结构111和第一透镜结构109聚集，然后再聚焦在光电转换元件103上，因此，FSI和BSI影像感测器的灵敏度都可以经由双透镜结构的设计而提升。

在这些实施例中，第一透镜结构109的第一折射率n1低于第二透镜结构111的第二折射率n2，并且第二透镜结构111具有上方凸面轮廓表面111VU，第一透镜结构109具有上方凹面轮廓表面109CU。依据第一透镜结构109和第二透镜结构111的轮廓设计与折射率设计，可以改善双透镜结构100聚集光线的效率，并且以此提升固态影像感测器102的灵敏度。相较于由单一透镜结构所形成的微透镜阵列，并且其微透镜阵列设置在具有平坦表面的彩色滤光片层上的设计，本揭示的实施例的双透镜结构100可以大幅地提升微透镜阵列聚集光线的效率。

在一些实施例中，格子状分隔物115由具有第三折射率n3的透明材料形成，格子状分隔物115的第三折射率n3低于形成第一透镜结构109的彩色滤光片层的第一折射率n1，并且格子状分隔物115的高度H大于第一透镜结构109位于上方凹面轮廓表面109CU的底部处的高度h。在一些实施例中，固态影像感测器102的一个像素P的宽度范围在约0.9μm至约1.4μm之间，而格子状分隔物115的宽度W的范围在约0.1μm至约0.3μm之间。在一些其他实施例中，格子状分隔物115的宽度W和高度H可以依据固态影像感测器102的一个像素P的面积而改变成另一范围，并不限定于上述数值范围。

图4A-4F显示依据一些实施例，制造图3的双透镜结构100的各制程阶段的局部剖面示意图。参阅图4A，提供固态影像感测器102，其包含前述的基底101、数个光电转换元件103、导线层(未绘出)、遮光层105以及护层107。接着，在护层107上涂布分隔物材料层114，分隔物材料层114为透明且低折射率的材料，分隔物材料层114具有的第三折射率n3低于形成第一透镜结构109的彩色滤光片层的第一折射率n1，在一些实施例中，第三折射率n3可低于约1.4，而第一折射率n1则可大于约1.7。

参阅图4B，在分隔物材料层114上涂布硬遮罩材料层130。在一些实施例中，硬遮罩材料层130的材料为光阻，提供光罩132设置在硬遮罩材料层130上方，光罩132的图案相应于后续将形成的格子状分隔物115的图案，使用光罩132在硬遮罩材料层130上进行曝光制程134，在曝光后的硬遮罩材料层130上进行显影制程，形成如图4C所示的硬遮罩136在分隔物材料层114上。

以上视角度观之，硬遮罩136具有格子的形状，其对应于格子状分隔物115的图案，因此硬遮罩136也可称为格子状硬遮罩。参阅图4C，使用格子状硬遮罩136，在分隔物材料层114上进行蚀刻制程138，蚀刻制程138可以是干式蚀刻。在蚀刻制程138之后，分隔物材料层114的一部份被移除，形成如图4D所示的格子状分隔物115在护层107上，此格子状分隔物115具有数个开口116在其中。在一些实施例中，格子状分隔物115设置在固态影像感测器102的相邻像素P之间，并且格子状分隔物115的每一个开口116各自对应至一个像素P，此外，格子状分隔物115的图案可对应于遮光层105的图案。

参阅图4E，在护层107上涂布彩色滤光片层，并且彩色滤光片层填入格子状分隔物115的开口116中。彩色滤光片层包含数个彩色滤光片部件，例如红色(R)的彩色滤光片部件109R、绿色(G)的彩色滤光片部件109G和蓝色(B)的彩色滤光片部件109B，经由涂布、曝光和显影制程，在不同的步骤中依序形成这些彩色滤光片部件109R、109G和109B。此外，涂布在格子状分隔物115的顶部上的彩色滤光片部件109R、109G和109B的一部份可凭借上述的显影制程被移除。

在这些实施例中，格子状分隔物115的高度H大于彩色滤光片层的每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B的涂布厚度，因此，形成在格子状分隔物115的开口116中的每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B都具有上方凹面轮廓表面109CU，换言之，凭借涂布制程所形成的每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B都具有碟状(dish)轮廓，完成如图4E所示，由彩色滤光片层形成的第一透镜结构109，并且第一透镜结构109的每一个彩色滤光片部件109R、109G和109B都具有上方凹面轮廓表面109CU。

参阅图4F，在第一透镜结构109和格子状分隔物115的上涂布微透镜材料层110，微透镜材料层110具有的第二折射率n2大于形成第一透镜结构109的彩色滤光片层的第一折射率n1，并且微透镜材料层110具有大抵上平坦的表面。接着，在微透镜材料层110上形成硬遮罩140，硬遮罩140具有数个部件141，每一个部件141具有凸面轮廓，并且每一个部件141各自对应于固态影像感测器102的一个像素P。在一些实施例中，硬遮罩140的材料包含透明有机材料，可经由涂布、微影与蚀刻制程形成硬遮罩140。

在一些实施例中，硬遮罩140的厚度小于微透镜材料层110的厚度，并且硬遮罩140的每一个部件141的面积小于每一个像素P的面积，使得硬遮罩140的这些部件141互相分开。在一些其他实施例中，硬遮罩140的厚度大抵上等于微透镜材料层110的厚度，并且硬遮罩140的每一个部件141的面积大抵上等于每一个像素P的面积，使得硬遮罩140的这些部件141互相连接。

接着，使用硬遮罩140，在微透镜材料层110上进行回蚀刻制程142，在一些实施例中，硬遮罩140与微透镜材料层110的蚀刻选择比可约为1：0.8，并且回蚀刻制程142可以是干式蚀刻或湿式蚀刻制程。在回蚀刻制程142之后，微透镜材料层110的上方部分会被蚀刻，并且被塑造成第二透镜结构111的每一个微透镜元件111ML的上方凸面轮廓表面111VU，而微透镜材料层110的下方部分则不会被蚀刻，并留在第一透镜结构109上。在回蚀刻制程142之后，硬遮罩140也会被移除。回蚀刻制程142之后所形成的第二透镜结构111包含由微透镜材料层110制成的微透镜元件111ML，第二透镜结构111形成在第一透镜结构109上，以完成图3的双透镜结构100。

在一些实施例中，涂布在格子状分隔物115的顶部上的微透镜材料层110的一部份可凭借回蚀刻制程142被移除，使得第二透镜结构111的微透镜元件111ML互相分开。在一些其他实施例中，于回蚀刻制程142之后，涂布在格子状分隔物115的顶部上的微透镜材料层110的一部份也可以被留下，使得第二透镜结构111的微透镜元件111ML互相连接。

在这些实施例中，可以依据形成第一透镜结构109的彩色滤光片层108的第一折射率n1，以及形成第二透镜结构111的微透镜材料层110的第二折射率n2，来调整第二透镜结构111的上方凸面轮廓表面111VU的曲率，以及第一透镜结构109的上方凹面轮廓表面109CU的曲率。此外，还可以依据光电转换元件103的位置、第一透镜结构109的厚度以及第二透镜结构111的厚度，来调整第二透镜结构111的上方凸面轮廓表面111VU的曲率以及第一透镜结构109的上方凹面轮廓表面109CU的曲率。

依据本揭示的实施例，提供双透镜结构作为固态影像感测器的微透镜阵列，凭借双透镜结构的设计，可以改善微透镜阵列聚集光线的效率。在这些实施例的双透镜结构中，第一透镜结构和第二透镜结构的表面轮廓依据形成第一透镜结构和第二透镜结构的材料的折射率进行修改调整。此外，本揭示的实施例还提供制造双透镜结构的方法，这些方法所形成的第一透镜结构和第二透镜结构可具有各种表面轮廓，使得双透镜结构可以准确地将入射光聚焦在光电转换元件上，以此提升了固态影像感测器的灵敏度。

虽然本发明已揭露较佳实施例如上，然其并非用以限定本发明，在此技术领域中具有通常知识者当可了解，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定为准。

Claims (14)

1.一种双透镜结构，包括：

一第一透镜结构，由具有一第一折射率的一彩色滤光片层形成；以及

一第二透镜结构，由具有一第二折射率的一微透镜材料层形成，并且设置在该第一透镜结构上，

其中入射光进入该第二透镜结构，并穿透过该第一透镜结构，且该彩色滤光片层的该第一折射率与该微透镜材料层的该第二折射率不同。

2.如权利要求1所述的双透镜结构，其特征在于，该彩色滤光片层的该第一折射率大于该微透镜材料层的该第二折射率，该第一透镜结构具有一第一凸面轮廓表面，该第二透镜结构具有一第二凸面轮廓表面设置在该第一透镜结构的该第一凸面轮廓表面上方，且该入射光从该第二凸面轮廓表面进入该第二透镜结构。

3.如权利要求2所述的双透镜结构，其特征在于，该第二透镜结构更包括与该第二凸面轮廓表面为相反面的一第三凸面轮廓表面，该第三凸面轮廓表面顺应性地形成在该第一透镜结构的该第一凸面轮廓表面上，并且该第三凸面轮廓表面与该第一凸面轮廓表面接触；以及该第一透镜结构更包括与该第一凸面轮廓表面为相反面的一平坦表面。

4.如权利要求1所述的双透镜结构，其特征在于，该彩色滤光片层的该第一折射率低于该微透镜材料层的该第二折射率，该第一透镜结构具有一第一凹面轮廓表面，该第二透镜结构具有一第一凸面轮廓表面设置在该第一透镜结构的该第一凹面轮廓表面上方，该入射光从该第一凸面轮廓表面进入该第二透镜结构。

5.如权利要求4所述的双透镜结构，其特征在于，该第二透镜结构更包括与该第一凸面轮廓表面为相反面的一第二凹面轮廓表面，该第二透镜结构的该第二凹面轮廓表面顺应性地形成在该第一透镜结构的该第一凹面轮廓表面上，并且该第二凹面轮廓表面与该第一凹面轮廓表面接触；以及该第一透镜结构更包括与该第一凹面轮廓表面为相反面的一平坦表面。

6.如权利要求4所述的双透镜结构，其特征在于，更包括一格子状分隔物与该彩色滤光片层设置在一相同平面上，且该格子状分隔物将该彩色滤光片层分隔成数个区域，其中该格子状分隔物具有一第三折射率，该第三折射率低于该彩色滤光片层的该第一折射率，该格子状分隔物具有一高度大于该彩色滤光片层位在该第一凹面轮廓表面的底部处的一高度，并且该格子状分隔物具有一宽度范围从0.1μm至0.3μm。

7.一种双透镜结构的制造方法，包括：

形成具有一第一折射率的一彩色滤光片层在一基底上；

形成一第一硬遮罩在该彩色滤光片层上，其中该第一硬遮罩具有一凸面轮廓；

使用该第一硬遮罩，对该彩色滤光片层进行蚀刻，形成具有一第一凸面轮廓表面的一第一透镜结构；

形成具有一第二折射率的一微透镜材料层在该第一透镜结构上；

在该微透镜材料层上形成一第二硬遮罩，其中该第二硬遮罩具有一凸面轮廓；以及

使用该第二硬遮罩，对该微透镜材料层进行蚀刻，形成具有一第二凸面轮廓表面的一第二透镜结构，

其中该彩色滤光片层的该第一折射率大于该微透镜材料层的该第二折射率。

8.如权利要求7所述的双透镜结构的制造方法，其特征在于，该第一硬遮罩具有一厚度小于该彩色滤光片层的一厚度，在使用该第一硬遮罩对该彩色滤光片层进行蚀刻形成该第一透镜结构的该步骤之后，该彩色滤光片层的一下方部分不被蚀刻，并且该第一透镜结构的相邻区域的底部连接在一起；或者该第一硬遮罩具有一厚度等于该彩色滤光片层的一厚度，在使用该第一硬遮罩对该彩色滤光片层进行蚀刻形成该第一透镜结构的该步骤之后，该彩色滤光片层的一下方部分被蚀刻，并且该第一透镜结构的相邻区域的底部互相分开。

9.如权利要求7所述的双透镜结构的制造方法，其特征在于，该第二硬遮罩具有一厚度小于该微透镜材料层的一厚度，在使用该第二硬遮罩对该微透镜材料层进行蚀刻形成该第二透镜结构的该步骤之后，该微透镜材料层的一下方部分不被蚀刻，并且该第二透镜结构的相邻区域的底部连接在一起。

10.一种双透镜结构的制造方法，包括：

形成具有一第一折射率的一分隔物材料层在一基底上；

形成一第一格子状硬遮罩在该分隔物材料层上；

使用该第一格子状硬遮罩，对该分隔物材料层进行蚀刻，形成具有数个开口的一格子状分隔物；

在该格子状分隔物的该些开口中形成具有一第二折射率的一彩色滤光片层，以形成具有一第一凹面轮廓表面的一第一透镜结构；

在该第一透镜结构上涂布具有一第三折射率的一微透镜材料层；

形成一第二硬遮罩在该微透镜材料层上，其中该第二硬遮罩具有一凸面轮廓；以及

使用该第二硬遮罩，对该微透镜材料层进行蚀刻，形成具有一第一凸面轮廓表面的一第二透镜结构，

其中该分隔物材料层的该第一折射率低于该彩色滤光片层的该第二折射率，并且该彩色滤光片层的该第二折射率低于该微透镜材料层的该第三折射率。

11.如权利要求10所述的双透镜结构的制造方法，其特征在于，在该格子状分隔物的该些开口中形成该彩色滤光片层的该步骤包括一涂布制程、一曝光制程以及一显影制程，在该显影制程之后，该彩色滤光片层涂布在该格子状分隔物的顶部上的一部份被移除。

12.如权利要求11所述的双透镜结构的制造方法，其特征在于，形成在该格子状分隔物的该些开口中的该彩色滤光片层经由该涂布制程而具有一凹下轮廓。

13.如权利要求10所述的双透镜结构的制造方法，其特征在于，该第二硬遮罩具有一厚度等于该微透镜材料层的一厚度，在使用该第二硬遮罩对该微透镜材料层进行蚀刻形成该第二透镜结构的该步骤之后，涂布在该格子状分隔物的顶端上的该微透镜材料层的一部份被移除，暴露出该格子状分隔物。

14.如权利要求10所述的双透镜结构的制造方法，其特征在于，该第二硬遮罩具有一厚度小于该微透镜材料层的一厚度，在使用该第二硬遮罩对该微透镜材料层进行蚀刻形成该第二透镜结构的该步骤之后，涂布在该格子状分隔物的顶端上的该微透镜材料层的一部份保留在该格子状分隔物上。