CN109560095B - 用于增加角灵敏度的多像素检测器及相关方法 - Google Patents
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Abstract
图像传感器包括多像素检测器。多像素检测器包括在基板中形成的并具有第一光电二极管区域的第一像素，与第一像素相邻地在基板中形成的并具有第二光电二极管区域的第二像素，以及在第一像素和第二像素两者上方的微透镜。微透镜包括(a)在垂直于基板的上表面并包括第一和第二光电二极管区域两者的第一剖面平面中的具有N1个局部极大值的第一高度轮廓，和(b)在垂直于第一剖面平面和上表面并仅包括第一和第二光电二极管区域中的一个的第二剖面表面中的具有N2>N1个局部极大值的第二高度轮廓。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，并特别地涉及用于增加角灵敏度的多像素检测器及相关方法。
背景技术
许多数字照相机具有自动聚焦能力。自动聚焦可以是完全自动的，以便照相机识别场景中的物体并对物体聚焦。在一些情况中，照相机可以确定哪些物体比其他物体更重要并随后对更重要的物体聚焦。可替代地，自动聚焦可以使用指定对场景的哪个部分或哪些部分感兴趣的用户输入。基于以上，自动聚焦功能识别由用户指定的场景的一个或一些部分中的物体，并使照相机对这样的物体聚焦。
为实现市场适应，自动聚焦功能必须是可靠且快速的，以便每次用户捕获图像时，照相机快速地对场景的期望的一个部分或一些部分聚焦。优选地，自动聚焦功能足够快速使得用户注意不到按压触发按钮和图像捕获之间的任何延时。对于无法手动调焦的照相机(例如紧凑的数字照相机或照相机手机)，自动聚焦特别地重要。
为此，照相机制造商正在研发具有片上相位检测的图像传感器，即通过在图像传感器的像素阵列中包括相位检测自动聚焦(PDAF)像素具有集成相位检测能力的图像传感器。
发明内容
在一个方面，图像传感器包括多像素检测器。多像素检测器包括在基板中形成并具有第一光电二极管区域的第一像素，与第一像素相邻地在基板中形成并具有第二光电二极管区域的第二像素，以及在第一像素和第二像素之上的微透镜。微透镜包括(a)在垂直于基板的上表面垂直并包括第一和第二光电二极管区域两者的第一剖面平面中的具有N1个局部极大值的第一高度轮廓，以及(b)在垂直于第一剖面平面和上表面并仅包括第一和第二光电二极管区域中的一个的第二剖面平面中的具有N2>N1个局部极大值的第二高度轮廓。
在第二方面，公开用于增加多像素检测器对入射其上的光的角灵敏度的方法。多像素检测器具有基板，基板包括在第一方向上与第二光电二极管区域相邻的第一光电二极管区域。方法包括对光赋予相移以便光具有：在与基板相交的、平行于基板的上表面并包括第一方向的剖面平面中的椭圆形强度分布，椭圆形强度分布具有(i)第一方向上的第一宽度和(ii)垂直于第一方向并在剖面平面中的第二方向上的超过第一宽度的第二宽度。
在第三方面，用于形成微透镜的方法包括在基板的上基板表面形成可回流材料的块，可回流材料的块具有与上基板表面相对的上表面，在上表面中具有朝上基板表面延伸的缺口。方法还包括热回流材料的块以产生微透镜。
附图说明
图1示出示例性使用场景中的具有PDAF像素的一个示例性图像传感器。
图2是图1的像素阵列的多像素检测器的剖视图。
图3是图2的多像素检测器的示意性角灵敏度图。
图4是实施例中包括用于增加角灵敏度的微透镜的多像素检测器的平面图。
图5、图6和图7是图4的PDAF像素检测器的剖视图。
图8是相比于图2的PDAF像素检测器的图4的PDAF像素检测器的实施例的改进角灵敏度的图形描绘。
图9A是具有入射到其微透镜上的照明的图2的PDAF像素检测器的顶视图。图9B和图9C示出微透镜对入射的照明的效果。
图10A是具有入射到其微透镜上的照明的图4的PDAF像素检测器的实施例的顶视图。图10B和图10C示出实施例中微透镜对入射的照明的效果。
图11是实施例中图4的多像素检测器的滤色镜的上表面上的有缺口的块的平面图。
图12是图11的有缺口的块的剖视图。
图13是实施例中用于增加多像素检测器对入射到其上的光的角灵敏度的方法的流程图。
图14是实施例中用于形成微透镜的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出在示例性使用场景190中具有PDAF像素的一个示例性图像传感器101。图像传感器101包括像素阵列100A并在数字照相机180中实施用于对场景150成像。数字照相机180例如是照相机手机或紧凑的数字照相机。数字照相机180使用图像传感器101的片上相位检测能力以对场景150聚焦。当聚焦时，数字照相机180使用图像传感器101捕获场景150的聚焦的图像120，而不是失焦的图像130。
在实施例中，像素阵列100A包括至少一个多像素检测器200。图2是多像素检测器200的剖视图。多像素检测器200包括像素210和220，像素210和220具有共用滤色镜240和微透镜250。像素210和220被形成在共用基板202中，共用基板202可以由一种或多种半导体材料形成。
滤色镜240具有高度242和上表面240T。像素210和220具有各自的上表面210T和220T。像素210和220具有合并的检测器宽度216X。像素210和220具有由基板202的二极管间区域203分离的各自的光电二极管区域212和222。竖线215表示距各个像素210和220的光电二极管区域212和222等距的平面。光电二极管区域212和222具有深度222D。
申请人已经确定PDAF的准确性取决于多像素检测器200的角灵敏度。图3是多像素检测器200的仿真的角灵敏度图300，其中检测器宽度216X等于1.0μm且微透镜250具有等于0.73μm的曲率半径。图300包括作为入射光角θ的函数的左像素210的像素响应310和右像素220的像素响应320，其中θ＝0对应于光垂直于表面210T和220T传播。像素220具有对正入射光角θ>0的峰响应。像素210具有对负入射光角θ<0的峰响应。像素响应310和320都具有最小值312和最大值313。
像素210和220(或等效地多像素检测器220)的角灵敏度的度量是最大值313和最小值312的比。在产生图300的仿真中，此最大值313等于1.65，且最小值312等于0.41，从而该二者的比等于4.02。
图4是多像素检测器400的平面图。多像素检测器400与多像素检测器200相似，除了微透镜250由微透镜450替换。
图5-7是对应于分别在图4中示出的剖面平面5A/5B、6和7的多像素检测器400的剖视图。图4-7示出相对于由轴x、y和z形成的坐标系498的多像素检测器400，其中，x-y平面平行于上表面240T。在下面的描述中最好一起查看图4-7。虽然剖面平面5A横跨光电二极管区域212，其可以等效地相反横跨光电二极管区域222或在光电二极管区域212和222之间的剖面平面5B处。在此或除非另有说明，提到由x、y或z中的至少一个表示的方向或平面指的是坐标系498。多像素检测器400具有x方向上的检测器宽度216X和y方向上的可以等于检测器宽度216X的检测器宽度216Y。
图4的平面图包括在滤色镜240的表面240T下方的像素210和220。微透镜450在表面240T上方。光电二极管区域212和222以点线示出以说明其在滤色镜240下方以及相对于微透镜450的位置。微透镜450具有外边缘450E，外边缘450E可以延伸覆盖光电二极管区域212和222的整体。
微透镜450在图5的剖视图中具有高度轮廓550。高度轮廓550具有区域510和520，区域510和520具有在上表面240T上方的各自的峰高度511和521以及各自的曲率半径512和522。峰高度511和521可以相等或不相等。相似地，曲率半径512和522可以相等或不相等。峰高度511和521在平行于上表面210T的方向上以距离517分离。距离517与检测器宽度216X、216Y的比可以是0.50±0.05，以便微透镜450以像素210和220的尺寸而调整大小。微透镜450具有中间高度515，中间高度515大于0并小于峰高度511和521的每个。
微透镜450在图6和图7的剖视图中分别具有高度轮廓650和750。高度轮廓650和750具有在上表面240T上方的各自的峰高度611和711以及各自的曲率半径612和712。峰高度611和711可以相等或不相等。相似地，曲率半径612和712可以相等或不相等。虽然图6和7将峰高度611和711示出为在二极管间区域203上方，峰高度611和711的一个或两个可以在光电二极管区域212或222的上方，或更一般地，相对于光电二极管区域212和222是偏心的。图6和7示出图5的剖面平面5B。当将剖面平面5A与剖面平面5B并置时，峰高度611和711分别地可以等于峰高度511和521。
x-z平面中的每个曲率半径(半径612和712)可以超过y-z平面中的全部曲率半径(半径512和522)以便微透镜450相比于x-z平面在y-z平面中具有更大的聚焦能力。
图8是相比于多像素检测器200的多像素检测器400的实施例的改进的角灵敏度的图形描绘。在此示例中，多像素检测器200的微透镜250具有等于0.73μm的曲率半径。在多像素检测器400的此实施例中，微透镜450具有各自等于0.40±0.05μm的曲率半径512和522和各自等于0.58±0.05μm的曲率半径612和712，且检测器宽度216X和216Y都等于1.0μm。
分别如图2和6所示，多像素检测器200和多像素检测器400都包括右像素220。图8示出分别在多像素检测器200和400中的右像素220的像素响应820和像素响应840。像素响应820和840是入射光角θ的函数，其中θ＝0对应于光垂直于表面210T和220T传播，如图3所示。入射光角θ在±θmax变化，θmax约为12.5°。像素响应820和840跨±θmax之间的各自的范围825和845。范围845超过范围825，这是PDAF检测器400具有比多像素检测器200更高的角灵敏度的指示。
图9A是多像素检测器200的示意性平面图，平面图包括微透镜250和像素210和220。照明900以入射角θ入射到微透镜250上并朝像素210和220传播。图3示出入射角θ。
图2示出平行于表面210T和220T并与光电二极管区域212和222相交的剖面平面9。图9B和9C是在剖面平面9中的多像素检测器200的剖视图。当入射角θ等于0时，微透镜250对照明900赋予相移，以便其在剖面平面9中具有强度分布902，如图9B所示。强度分布902具有直径902W并在像素210和220上居中，从而强度分布902相等地分布在像素210和220之间。
当入射角θ等于10°时，微透镜250对照明900赋予相移，以便其在剖面平面9中具有强度分布912，如图9C所示。为讨论起见，强度分布912具有以不显著的量不同于直径902W的直径912W。强度分布912距竖线215以距离Δx9侧向偏置，以便其不相等地分布在像素210和220之间。图9C示出强度分布912的两个区域912a和912b，区域912a和912b分别位于像素210和220内。区域912a和912b具有各自的面积A912a和A912b并具有比R912＝A912a/A912b。直径902W和912W可以分别对应于强度分布902和912的半极大处全宽(FWHM)宽度或1/e2宽度。
图10A是PDAF检测器400的示意性平面图，平面图包括微透镜450和像素210和220。照明900以入射角θ入射到微透镜450上并朝像素210和220传播。图3示出入射角θ。微透镜450具有折射率n和复振幅透射率t(x,y)＝exp(-φ(x,y))，其中相移φ(x,y)＝nk0d(x,y)，其中k0＝2π/λ0，λ0是照明900中包括的自由空间波长，且d(x,y)是微透镜450的厚度函数。复振幅透射率t(x,y)确定微透镜450对透射穿过其的照明900赋予的相移的属性。图5-7的高度轮廓550、650和750是所选剖面中的厚度函数d(x,y)的图形说明。
在实施例中，微透镜450是具有常数厚度dg和空间变化的折射率ng(x,y)的双平面渐变折射率板，其中ng(x,y)·dg＝n·d(x,y)。在此示例中，双平面渐变折射率板赋予相移φg(x,y)＝φ(x,y)。
图10B和10C是图6和7的剖面平面10中的PDAF检测器400的剖视图。当照明900以法线入射(θ等于0)传播穿过微透镜450时，微透镜450对照明900赋予相移，以便其在剖面平面9中具有强度分布1002，如图10B所示。强度分布1002具有最大宽度1002X、高度1002Y(分别在方向x和y上)，且在像素210和220上居中，以便强度分布1002相等地分布在像素210和220之间。强度分布1002和强度分布902可以具有相等的面积。
当照明900以入射角θ＝10°传播穿过微透镜450时，微透镜450对照明900赋予相移，以便其在剖面平面10中具有强度分布1012，如图10C所示。强度分布1012具有最大宽度1012W和高度1012Y(分别在方向x和y上)，为讨论起见，最大宽度1012W和高度1012Y分别以不显著的量不同于最大宽度1002X和高度1002Y。宽度1002X和1012W可以分别对应于强度分布1002和1012的半极大处全宽(FWHM)宽度或e-2宽度。
强度分布1012以距离Δx10从竖线215侧向偏置，以便其不相等地分布在像素210和220之间。图10C示出强度分布1012的两个区域1012a和1012b，区域1012a和1012b分别位于像素210和220内。区域1012a和1012b具有各自的面积A1012a和A1012b并具有比R1012＝A1012a/A1012b。比R1012超过R912，原因是强度分布1002的最大宽度1002X小于强度分布902的直径902W。例如，当Δx9＝Δx10时，此不等式成立。比R912和R1012的此差异说明相比于多像素检测器200的PDAF检测器400的较高的角灵敏度，示于图8，原因是入射角θ的改变引起相邻像素210和220之间像素响应的较大差异。
可以通过使有缺口的块的材料经受热回流工艺而形成微透镜450。图11和12示出这样的有缺口的块1100的示例。图11是在滤色镜240的上表面240T上的有缺口的块1100的平面图。图12是在坐标系498的y-z平面中的有缺口的块1100的剖视图。微透镜450和有缺口的块1100可以由具有在Tmin＝140℃和Tmax＝180℃之间的玻璃转化温度Tg的材料形成，这使能经由热回流工艺的微透镜450的形成。例如，有缺口的块1110和微透镜450由正光刻胶(positive photoresist)形成。在实施例中，像素210和220以及各自的光电二极管区域212和222在滤色镜240下方。光电二极管区域212和222具有各自的宽度214X和224X以及共用长度214Y。
有缺口的块1100具有空间尺寸1102X、1102Y和1102Z。有缺口的块1100具有沿由侧壁1111和1112限定的x方向的缺口1110。缺口1110具有侧壁1111和1112之间的宽度1116Y和距上表面1100T的深度1116Z。宽度1116Y可以小于空间尺寸1102X。虽然图11将缺口1110示出为具有尺寸1102X，在不脱离其范围的情况下，缺口1110可以具有小于1102X的长度。
有缺口的块1100在缺口1110内具有厚度1103Z。厚度1103Z可以等于0，以便有缺口的块1100仅名义上是单个块，原因是在此情况中其包括两个不同的且空间分离的块。
图13是示出用于增加多像素检测器对入射其上的光的角灵敏度的方法1300的流程图。多像素检测器具有包括与第二光电二极管区域相邻的第一光电二极管区域的基板。
方法1300包括步骤1310。步骤1310是对光赋予相移以便光在与基板相交、平行于基板的上表面并包括第一方向的剖面平面中具有椭圆形强度分布，椭圆形强度分布在第一方向上具有第一宽度，第一宽度小于与第一方向垂直的第二方向上的第二宽度。
在步骤1310的示例中，微透镜450对入射到PDAF检测器400的照明900赋予相移。透射穿过微透镜450的光在剖面平面10(图6和7)中具有强度分布1002。强度分布1002具有最大宽度1002X和高度1002Y，最大宽度1002X和1002Y对应于步骤1310的第一宽度和第二宽度。
在步骤1310中，相移可以具有(i)在第一方向上的具有N1个局部极大值的绝对值，和(ii)在第二方向上的具有N2>N1个局部极大值的绝对值。例如，微透镜450对入射的照明900赋予相移φ(x,y)，其中相移φ(x,y)借助于厚度函数d(x,y)，具有x方向上的一个局部极大值和y方向上的两个局部极大值。
图14是示出用于形成微透镜的方法1400的流程图。方法1400包括步骤1410和1420。步骤1410是在基板的上基板表面上形成可回流材料的块，可回流材料的块具有与上基板表面相对的上表面，其中具有朝上基板表面延伸的缺口。在步骤1410的示例中，有缺口的块1100在滤色镜240的上表面240T上形成，如图11-12所示。有缺口的块1100包括缺口1100，缺口1100从上表面1100T朝上表面240T延伸。
例如，当基板包括在第一方向中与第二光电二极管区域相邻的第一光电二极管区域时，步骤1410还可以包括步骤1412。步骤1412是形成块以便缺口具有在垂直于第一方向的第二方向上的宽度和在第一方向上的超过宽度的长度。在步骤1412的示例中，光电二极管区域在x方向上是邻边的且有缺口的块1100在滤色镜240的上表面240T上形成，以便沟1110是纵向定向的并平行于x方向。
步骤1420是热回流材料的块以形成微透镜。在步骤1420的示例中，有缺口的块1100被热回流以形成微透镜450，图4-7。
在不脱离其范围的情况下，上述的和下面所主张的特征可以以各种方式进行组合。以下示例仅示出一些可能的、非限制性的组合：
(A1)图像传感器包括多像素检测器。多像素检测器包括在基板中形成的并具有第一光电二极管区域的第一像素、与第一像素相邻地在基板中形成的并具有第二光电二极管区域的第二像素，以及在第一像素和第二像素上方的微透镜。微透镜包括(a)在垂直于基板的上表面并包括第一和第二光电二极管区域两者的第一剖面平面中的具有N1个局部极大值的第一高度轮廓，和(b)在垂直于第一剖面平面和上表面并仅包括第一和第二光电二极管区域中的一个的第二剖面表面中的具有N2>N1个局部极大值的第二高度轮廓。
(A2)在如(A1)表示的图像传感器中，第一高度轮廓可以具有N1＝1个局部极大值并以第一曲率半径R1为特征。第二高度轮廓可以包括对应于各自的曲率半径R21<R1和R22<R1的第一局部极大值和第二局部极大值。
(A3)在如(A2)表示的任一个图像传感器中，曲率半径可以满足R1＝730±70纳米。
(A4)在如(A2)和(A3)中的一个表示的任一个图像传感器中，曲率半径R21和R22可以在相差为(R21+R22)/2的百分之十以内时视为相等。
(A5)在如(A2)至(A4)中的一个表示的任一个图像传感器中，曲率半径R21和R22可以等于580±60nm。
(A6)在如(A1)至(A5)中的一个表示的任一个图像传感器中，微透镜可以具有730±70纳米的最大厚度。
(B1)表示用于增加多像素检测器对入射其上的光的角灵敏度的方法，多像素检测器具有包括在第一方向上与第二光电二极管区域相邻的第一光电二极管区域的基板。方法(B1)包括对光赋予相移，以便光在与基板相交、与基板的上表面平行并包括第一方向的剖面平面中具有椭圆形强度分布的步骤，椭圆形强度分布具有(i)在第一方向上的第一宽度和(ii)在垂直于第一方向并在剖面平面中的第二方向上的超过第一宽度的第二宽度。
(B2)在方法(B1)中，相移可以具有(i)在第一方向上的具有N1个局部极大值的绝对值和(ii)在第二方向上的具有N2>N1个局部极大值的绝对值。
(C1)表示用于形成微透镜的方法。方法(C1)包括在基板的上基板表面上形成可回流材料的块，可回流材料的块具有与所述上基板表面相对的上块表面，其中具有朝上基板表面延伸的缺口。方法还包括热回流可回流材料的块以产生微透镜。
(C2)在方法(C1)中，其中基板包括在第一方向上与第二光电二极管区域相邻的第一光电二极管区域，形成的步骤可以包括形成块，以便缺口具有在垂直于第一方向的第二方向上的宽度，和在第一方向上的超过宽度的长度。
(C3)在(C1)和(C2)的一个表示的任一个方法中，微透镜可以具有由(A1)至(A6)中的一个表示的任一个图像传感器的微透镜的属性。
在不脱离其范围的情况下，可以对上述图像传感器、多像素检测器和相关方法做出改变。因此，应该注意的是，在上述描述中包含的或在附图中示出的方式，应该被理解为说明性的且不具有限制意义。在此，且除非另有指示，形容词“示例性”意味着用作示例、例子或说明。所附权利要求旨在覆盖在此描述的所有通用和特定特征，以及本方法、图像传感器和检测器的范围的在语言上的所有声明应被认为落入其间。
Claims (6)
1.一种具有多像素检测器的图像传感器，包括
第一像素，在基板中形成并具有第一光电二极管区域；
第二像素，与所述第一像素相邻地在所述基板中形成，并具有第二光电二极管区域；以及
微透镜，在所述第一像素和所述第二像素上方，并具有：
(a)在垂直于所述基板的上表面并包括所述第一光电二极管区域和所述第二光电二极管区域两者的第一剖面平面中的具有N1个局部极大值的第一高度轮廓，N1≥1；以及
(b)在垂直于所述第一剖面平面和所述上表面并仅包括所述第一光电二极管区域和所述第二光电二极管区域中的一个的第二剖面平面中的具有N2>N1个局部极大值的第二高度轮廓。
2.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，
所述第一高度轮廓具有N1＝1个局部极大值并以第一曲率半径R1为特征；以及
所述第二高度轮廓包括对应于各自的曲率半径R21<R1和R22<R1的第一局部极大值和第二局部极大值。
3.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述第一曲率半径R1＝730±70纳米。
4.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述曲率半径R21和R22在(R21+R22)/2的百分之十以内为相等。
5.根据权利要求2所述的图像传感器，其中，所述曲率半径R21和R22等于580±60nm。
6.根据权利要求1所述的图像传感器，其中，所述微透镜具有730±70纳米的最大厚度。
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