CN110164882A

CN110164882A - 光学感测器及其制造方法

Info

Publication number: CN110164882A
Application number: CN201810140509.4A
Authority: CN
Inventors: 曾汉良; 李新辉
Original assignee: Vanguard International Semiconductor Corp
Current assignee: Vanguard International Semiconductor Corp; Vanguard International Semiconductor America
Priority date: 2018-02-11
Filing date: 2018-02-11
Publication date: 2019-08-23
Anticipated expiration: 2038-02-11
Also published as: CN110164882B

Abstract

本发明提供一种光学感测器及其制造方法，光学感测器包括影像感测阵列、准直器层以及遮光层；影像感测阵列包括多个像素；准直器层设置在影像感测阵列上，包括对应像素的多个开口以及朝向影像感测阵列的第一面及与第一面相反的第二面；遮光层设置在开口的侧壁。

Description

光学感测器及其制造方法

技术领域

本发明关于一种光学感测器及其制造方法，且特别关于一种具有准直器的光学感测器及其制造方法。

背景技术

现今的行动电子装置(例如手机、平板电脑、笔记板电脑等)通常配备有使用者辨识系统，用以保护个人数据安全。由于每个人的指纹皆不同，因此指纹感测器是一种常见并可靠的使用者辨识系统。

市面上的指纹感测器常使用光学技术以感测使用者的指纹，这种基于光学技术的指纹感测器通常使用准直器(collimator)来使入射到感测器的光线平行前进。然而，目前所采用的准直器虽然大致符合需求，但是它们并非在所有方面都令人满意。

发明内容

本发明实施例提供一种光学感测器，包括影像感测阵列、准直器层以及遮光层；影像感测阵列包括多个像素；准直器层设置在影像感测阵列上，包括对应像素的多个开口以及朝向影像感测阵列的第一面及与第一面相反的第二面；遮光层设置在开口的侧壁。

本发明实施例亦提供一种制造光学感测器的方法，包括：提供影像感测阵列，影像感测阵列包括像素；在影像感测阵列上形成准直器层，其中准直器层包括对应像素的开口；以及在开口的侧壁设置遮光层。

本发明实施例另提供一种制造光学感测器的方法，包括：提供基板；在基板的正面形成凹槽；在凹槽的侧壁及底部设置第一遮光层；将基板倒置接合至影像感测阵列，使凹槽朝向影像感测阵列的像素对应设置；以及从基板的背面薄化基板，直到去除凹槽的底部的第一遮光层。

本发明有益效果在于，

附图说明

以下将配合所附图式详述本发明的实施例。应注意的是，依据在业界的标准做法，各种特征并未按照比例绘示且仅用以说明例示。事实上，可能任意地放大或缩小元件的尺寸，以清楚地表现出本发明的特征。

图1是根据本发明一实施例绘示的光学感测装置对目标成像的范例。

图2是一光学感测器的示意图。

图3是一光学感测器的示意图。

图4是根据本发明一实施例绘示的光学感测器的示意图。

图5是根据本发明另一实施例绘示的光学感测器的示意图。

图6是根据本发明又一实施例绘示的光学感测器的示意图。

图7是根据本发明又再一实施例绘示的光学感测器的示意图。

图8是根据本发明另一实施例绘示的光学感测器的示意图。

图9A、图9B及图9C是根据本发明又一实施例绘示的光学感测器的示意图。

图10A-图10E为用以说明本发明一实施例的制造光学感测器的方法的一系列剖面图。

图11A-图11H为用以说明本发明另一实施例的制造光学感测器的方法的一系列剖面图。

附图标号：

100～光学感测装置；

102～目标；

104～盖板层；

104A～上表面；

106～光学感测器；

200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100～光学感测器；

202、302、402、502、602、702、802、902、1002、1102～准直器层；

204、304、404、504、604、704、804、904、1004、1104～图像感测阵列；

206、306、406、506、606、706、806、906、1006A～遮光层；

208、308、408、508、608、708、808、908、1008、1108～像素；

210、310、410、510、610、710、810、910、1010～开口；

212、212’、312、312’、412、412’～光线；

814、1014～透明材料；

916、918～滤光层；

1006A～底部遮光层；

1006B～遮光材料层；

1106A～第一遮光层；

1106B～第二遮光层；

1120～基板；

1120A～正面；

1120B～背面；

1122～凹槽；

D～直径；

T～厚度。

具体实施方式

以下公开许多不同的实施方法或是例子来实行所提供的标的的不同特征，以下描述具体的元件及其排列的实施例以阐述本发明。当然这些实施例仅用以例示，且不该以此限定本发明的范围。举例来说，在说明书中提到第一特征形成于第二特征之上，其包括第一特征与第二特征是直接接触的实施例，另外也包括于第一特征与第二特征之间另外有其他特征的实施例，亦即，第一特征与第二特征并非直接接触。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示，这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间有特定的关系。

此外，其中可能用到与空间相关用词，例如＂上＂、＂下＂、“下方”及类似的用词，这些空间相关用词为了便于描述图示中一个(些)元件或特征与另一个(些)元件或特征之间的关系，这些空间相关用词包括使用中或操作中的装置的不同方位，以及图式中所描述的方位。当装置被转向不同方位时(旋转90度或其他方位)，则其中所使用的空间相关形容词也将依转向后的方位来解释。

根据一些实施例，图1绘示出光学感测装置100对目标102(例如指纹)成像的范例。光学感测装置100包括盖板层104及在盖板层104下的光学感测器106。盖板层104保护光学感测装置100的其他元件，如其下的光学感测器106。盖板层104的材料可包括透明材料(例如玻璃或透明聚合物等)，以允许光线通过。当目标102接触盖板层104的上表面104A时，目标102将光源(未绘示)发出的光反射到光学感测器106上以读取。目标102具有各种轮廓特征，例如凸部与凹部(未绘示)。因此，当目标102接触盖板层104的上表面104A，目标102的凸部与盖板层104的上表面104A接触，而目标102的凹部不与盖板层104的上表面104A接触，亦即在102的凹部与盖板层104的上表面104A间有一气隙。因此，在目标102的凸部与凹部下方的像素所接受到的光线强度将会不同，从而可藉此对目标102的轮廓特征进行识别。

请参阅图2，在一些实施例中，光学感测器200包括准直器层202、准直器层202下的图像感测阵列20，其中准直器层202是设置为层状的准直器。图像感测阵列204另有多个个像素208与准直器层202中的开口210对应设置，使得入射光212可通过准直器层202的开口210入射到像素208上。

准直器层202由有序排列且可吸收入射光的结构所形成，在这些结构间具有开口210，用以仅允许垂直图像感测阵列204的入射光212通过，而不垂直于垂直图像感测阵列204的入射光会被大抵反射阻挡，进而降低抵达像素208上的散射光线，以窄化或聚焦入射光。因此，可改善像素208所感测到的图像模糊的问题。

然而，如图2所示，某些不垂直图像感测阵列204的入射光212’会被开口210的侧壁反射，从而抵达像素208(如虚线箭头所示)。这种被开口210的侧壁反射的非垂直图像感测阵列204的入射光212’会造成图像感测的误差。此外，在制造此种光学感测器时，工艺中的异物容易进入开口210中挡住像素208，从而使像素208无法有效地感测入射光。因此有必要对此种准直器层进行改良。

请参阅图3，在一些实施例中，光学感测器300包括准直器层302、准直器层302下的图像感测阵列304。图像感测阵列304另有多个个像素308与准直器层302中的开口310对应设置。此外，准直器层302中更包括多个平行于图像感测阵列304表面的遮光层306。

如图3所示，遮光层306可进一步阻挡不垂直像素308的入射光312’，以确保仅有垂直像素308的入射光312入射到像素308上。举例来说，遮光层306可吸收入射到开口310中不垂直像素308的入射光312’，使其不会被开口310的侧壁反射而抵达像素308上。然而，在准直器层302中设置多层的遮光层306需使用较复杂的工艺。举例来说，为了制成具有多层结构的准直器层302，需要使用多道沉积工艺，从而增加制造成本。此外，由于准直器层302与遮光层306材料的热膨胀系数不同，因此当温度变化时，准直器层302与遮光层306的热膨胀程度会不同，故温度改变时会导致光学感测器300翘曲，进而造成良品率下降。因此，仍有必要对此种光学感测器进行进一步的改良。

图4是根据本发明一实施例绘示的光学感测器400的示意图。光学感测器400包括准直器层402、准直器层402下的图像感测阵列404。图像感测阵列404另有多个个像素408与准直器层402中的开口410对应设置。在一些实施例中，准直器层的厚度T介于1-500μm的范围内，且开口410的直径D为1-100μm。如图4所示，开口410的侧壁上设置有遮光层406，以降低图像感测的误差。

在一些实施例中，遮光层406包括例如聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、碳黑、无机绝缘或金属材料、硅等或其组合，且遮光层406在200-1100nm波长范围下的光吸收率大于99％。因此，当光线412及412’皆入射到开口410内时，不垂直像素408的光线412’会被遮光层406吸收，仅有垂直像素408的光线412可入射到像素408上。与图2的光学感测器200相比，光学感测器400在开口410的侧壁上具有遮光层406，因而可吸收不垂直像素408的的入射光412’，进而可防止检测图像时的失真问题。与图3的遮光层306相比，仅需简单的工艺便可在开口410中设置遮光层406，因而可降低制造成本。再者，由于仅在准直器层402的表面而非内部设置遮光层406，因两者的热膨胀系数不同所导致的翘曲问题亦可得到改善。

图5是根据本发明另一实施例绘示的光学感测器500的示意图。光学感测器500包括准直器层502、准直器层502下的图像感测阵列504。图像感测阵列504另有多个个像素508与准直器层502中的开口510对应设置。此外，在图像感测阵列504的背面与准直器层502之间及在开口510的侧壁上设置有遮光层506。

光学感测器500与图4的光学感测器400不同的是，遮光层506更设置在图像感测阵列504及准直器层502之间。通过此种配置方法，由于更设置了额外的遮光层506，可进一步吸收不想要的入射光，从而仅允许垂直于像素508的入射光入射到像素508上，进而防止感测图像时失真的问题。

图6是根据本发明又一实施例绘示的光学感测器600的示意图。光学感测器600包括准直器层602、准直器层602下的图像感测阵列604。图像感测阵列604另有多个个像素608与准直器层602中的开口610对应设置。此外，开口610的侧壁上与准直器层602上表面上设置有遮光层606。

光学感测器600与图4的光学感测器400不同的是，遮光层606更设置在准直器层602的上表面上。通过在准直器层602的上表面上设置额外的遮光层606，可进一步吸收不想要的入射光，而仅允许垂直于像素608的入射光入射到像素608上，以防止感测图像时失真。

图7是根据本发明又再一实施例绘示的光学感测器700的示意图。光学感测器700包括准直器层702、准直器层702下的图像感测阵列704。图像感测阵列704另有多个个像素708与准直器层702中的开口710对应设置。此外，开口710的侧壁上、准直器层702及图像感测阵列704间与准直器层702的上表面上设置有遮光层706。

光学感测器700与图4的光学感测器400不同的是，在剖面图中遮光层706包围准直器层702，如图7所示。通过这种配置方法，可进一步吸收不想要的入射光，从而仅允许垂直于像素708的入射光入射到像素708上，以防止感测图像时失真的问题。

图8是根据本发明另一实施例绘示的光学感测器800的示意图。光学感测器800包括准直器层802、准直器层802下的图像感测阵列804。图像感测阵列804另有多个个像素808与准直器层802中的开口810对应设置。除此之外，在开口810的侧壁上设置有遮光层806，且在开口810中填充有透明材料814。透明材料814可包括玻璃或透明树脂，例如聚对苯二甲酸乙二酯(polyethylene terephthalate，PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(polyethylenenaphthalate，PEN)、压克力树酯、环氧树酯等材料或其组合，且透明材料814在200-1100nm波长下的光穿透率大于70％，从而允许入射光线穿过透明材料814而抵达像素808。通过在开口810中填充透明材料814，可防止在制造光学感测器800时有异物进入开口810中，造成像素808被异物阻挡，从而失去感测入射光线的功能，因而可增加良品率。

本发明实施例的光学感测器可更设置有滤光层，其用以过滤光源，使得仅有特定波长的光可通过，进而防止在感测图像时来自其他波长光线的干扰，使得所得的影像更加清晰。滤光层的材料可为光刻胶材料，并且可通过各种不同的光刻胶材料，进而阻挡各种不同波段的光线射入。举例来说，若入射光为可见光，则滤光层可为半透明层以允许足够的光通过滤光层并到达像素上。如图9A所示，可将滤光层916设置在准直器层402的下表面下；或者亦可将滤光层918设置在准直器层402的上表面上，如图9B所示；也可在准直器层402的上表面及下表面同时设置滤光层916及918，如图9C所示，端看设计需求。此外，取决于设计需求，在图5-图8图的实施例中，亦可以相同的方式在准直器层的上表面或下表面上设置滤光层，进而达成相同或相似的效果。

在图4到图9的实施例中，上述遮光层的层数虽然绘示为一层，但本发明并非以此为限。举例来说，在上述实施例中可视设计上的需求包括一层以上相同或不同材料的遮光层(如2-5层)，进而可达到更好的遮光效果。

图10A-图10E图为一系列剖面图，用以说明本发明一实施例的制造光学感测器1000的方法。在图10A中，提供一图像感测阵列1004，在其上具有间隔设置的多个像素1008。随后，在像素1008之间设置底部遮光层1006A，但并未设置在像素1008上。

设置底部遮光层1006A的方法包括在图像感测阵列1004上利用如化学气相沉积、物理气相沉积或旋转涂布等工艺沉积一遮光材料。随后，再以光刻与刻蚀工艺以图案化像素上的遮光材料，使得底部遮光层1006A仅位在像素1008间，而不是位在像素1008上。上述刻蚀工艺例如反应离子刻蚀(reactive ion etch，RIE)、中性束刻蚀(neutral beam etch，NBE)等或其组合，且上述刻蚀工艺可以是非等向性的(anisotropic)。上述遮光材料可使用例如与遮光层406相同的材料。

在图10B中，在图像感测阵列1004上沉积准直器层的材料(例如硅或金属材料(例如铜、镍或金属合金等))，并且通过光刻及刻蚀工艺在对应像素1008处形成开口1010，从而形成准直器层1002。

在图10C中，在准直器层1002及图像感测阵列1004上顺应性地沉积一遮光材料1006B，其覆盖准直器层1002、像素1008及开口1010的侧壁。遮光材料1006B的材料及工艺可与沉积底部遮光层1006A相似或相同。

在图10D中，通过回刻蚀工艺去除在准直器层1002上表面上及像素1008上的遮光材料1006B，仅留下在侧壁上的遮光材料1006B。上述回刻蚀工艺例如可为气体团簇离子束工艺(Gas cluster ion beam process)等适合的回刻蚀工艺。在回刻蚀工艺之后，底部遮光层1006A及遮光材料1006B共同构成一遮光层1006。

在图10E中，在开口1010中通过合适的沉积工艺填充入透明材料1014，从而形成光学感测器1000。通过在开口1010中填充透明材料1014，可防止在随后的工艺中任何异物进入开口1010中，进而防止像素1008被异物阻挡而无法有效地感测光线。透明材料1014的材料可与透明材料814相同，于此不再赘述。

应注意的是，上述步骤仅为示例性的，而非用于限制本发明。可更改、省略或增加上述步骤。举例来说，可省略图10E的步骤，且在图10A中不设置底部遮光层1006A，从而可得到如同图4的光学感测器400的结构。

图11A-图11H图为一系列剖面图，用以说明本发明另一实施例的制造光学感测器1100的方法。在图11A中，提供基板1120。基板1120在后续工艺中作为准直器层，且基板1120的材料可包括例如硅、金属材料及其他非金属材料，且基板包括正面1120A及背面1120B。在图11B中，在基板1120的正面1120A上通过光刻与刻蚀工艺以形成多个凹槽1122。在图11C中，在基板1120的正面1120A上及凹槽1122中沉积形成第一遮光层1106A。第一遮光层1106A的材料和沉积方法可与遮光层406相同。

在图11D中，在凹槽1122中填充透明材料1114。在图11E中，平坦化基板1120，使得在基板1120表面的第一遮光层1106A被去除，且使得基板1120与透明材料共同具有一平坦顶面。上述平坦化操作可以包括化学机械抛光及/或回刻蚀工艺。透明材料1114的材料可与透明材料814相同，于此不再赘述。

在图11F中，将基板1120倒置接合到影像感测阵列1104上。其中影像感测阵列1104上具有多个对应透明材料1114位置所设置的像素1108。在图11G中，从基板1120的背面1120B平坦化基板1120，直到露出透明材料1114。平坦化基板1120的方法可与图11E的平坦化方法相同。平坦化后的基板1120作为准直器层1102。因此，形成了光学感测器1000。

应注意的是，上述步骤仅为示例性的，而非用于限制本发明。可更改、省略或增加上述步骤。举例来说，如图11H所示，可在基板1120的背面1120B设置第二遮光层1106B，以进一步阻挡来自外界的光线，进而防止不垂直像素1108的光线到达像素1108上。

综上所述，本发明提供一种具有准直器的光学感测器，在准直器上具有可吸收特定波长光线的遮光层。若入射光不垂直准直器，则其会被准直器阻挡或被遮光层吸收。因此，可确保入射到光学感测器中的像素的光线皆是垂直的，可防止像素因接收到不垂直的入射光而造成影像模糊的问题。此外，本发明使用简单方式设置遮光层，可减少工艺所需时间，达到降低成本的目的。再者，本发明通过在准直器的开口中设置透明材料，可防止制造时的灰尘碎屑等进入上述开口中。

上述内容概述许多实施例的特征，因此任何所属技术领域中相关技术人员，可更加理解本发明的各面向。任何所属技术领域中相关技术人员，可能无困难地以本发明为基础，设计或修改其他工艺及结构，以达到与本发明实施例相同的目的及/或得到相同的优点。任何所属技术领域中相关技术人员也应了解，在不脱离本发明的精神和范围内做不同改变、代替及修改，如此等效的创造并没有超出本发明的精神及范围。

Claims

1.一种光学感测器，其特征在于，包括：

一影像感测阵列，包括多个像素；

一准直器层，设置在该影像感测阵列上，包括对应该些像素的多个开口，且该准直器层包括朝向该影像感测阵列的一第一面及与该第一面相反的一第二面；以及

一遮光层，设置在该些开口的侧壁。

2.如权利要求1所述的光学感测器，其特征在于，该遮光层更设置在该准直器层的该第一面及/或该第二面上。

3.如权利要求1-2中任一项所述的光学感测器，其特征在于，该遮光层的材料包括不透明树脂或深色树脂。

4.如权利要求1-2中任一项所述的光学感测器，其特征在于，该遮光层在200-1100nm波长下的光吸收率大于99％。

5.如权利要求1-2中任一项所述的光学感测器，其特征在于，该遮光层具有多层结构。

6.如权利要求1所述的光学感测器，其特征在于，更包括一滤光层，设置在该准直器层的该第一面上及/或在该第二面上。

7.如权利要求1所述的光学感测器，其特征在于，该些开口的直径为1-100μm。

8.如权利要求1所述的光学感测器，其特征在于，该准直器层的厚度为1-500μm。

9.如权利要求1所述的光学感测器，其特征在于，更包括一透明材料，设置在该些开口中。

10.如权利要求9所述的光学感测器，其特征在于，该透明材料在200-1100nm波长下的光穿透率大于70％。

11.如权利要求9所述的光学感测器，其特征在于，该透明材料包括树脂或玻璃。

12.一种制造光学感测器的方法，其特征在于，包括：

提供一影像感测阵列，该影像感测阵列包括多个像素；

在该影像感测阵列上形成一准直器层，其中该准直器层包括对应该些像素的多个开口；以及

在该些开口的侧壁设置一遮光层。

13.如权利要求12所述的制造光学感测器的方法，其特征在于，更包括在形成该准直器层之前，在该些像素之间设置一底部遮光层。

14.如权利要求12或13所述的制造光学感测器的方法，其特征在于，更包括在设置该遮光层后，在该些开口中填充一透明材料。

15.如权利要求12所述的制造光学感测器的方法，其特征在于，设置该遮光层包括：

在该准直器层的上表面及该些开口的底部及侧壁顺应性地沉积一遮光材料；以及

刻蚀去除该准直器层上表面及该些开口的底部的该遮光材料，以形成该遮光层。

16.一种制造光学感测器的方法，其特征在于，包括：

提供一基板；

在该基板的正面形成多个凹槽；

在该些凹槽的侧壁及底部设置一第一遮光层；

将该基板倒置接合至一影像感测阵列，使该些凹槽朝向该影像感测阵列的多个像素对应设置；以及

从该基板的背面薄化该基板，直到去除该些凹槽的底部的该第一遮光层。

17.如权利要求16所述的制造光学感测器的方法，其特征在于，设置该第一遮光层更包括在该基板的表面设置该第一遮光层。

18.如权利要求16所述的制造光学感测器的方法，其特征在于，在该些凹槽侧壁及底部设置该第一遮光层之后、及在将该基板倒置接合至该影像感测阵列之前，更包括在该些凹槽中填充一透明材料，且薄化该基板更包括露出该透明材料。

19.如权利要求16-18中任一项所述的制造光学感测器的方法，其特征在于，更包括在薄化该基板后，在该基板的背面设置一第二遮光层。