CN115249723A - 微透镜阵列及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及微透镜阵列及其形成方法。一种形成器件的方法，方法包括：在基板之上沉积第一光致抗蚀剂层，通过图案化和回流第一光致抗蚀剂层形成种子透镜阵列，种子透镜阵列的尺寸跨基板变化，在种子透镜阵列之上形成第二光致抗蚀剂层，以及通过图案化和回流第二光致抗蚀剂层形成微透镜阵列。

Description

微透镜阵列及其形成方法
技术领域
本发明总体上涉及光电子器件，并且在特定实施例中涉及微透镜阵列及其形成方法。
背景技术
诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的光电子器件包括图像拾取元件的像素阵列。通常，每个像素包括诸如光电二极管的光敏部分，并且可以包括非光敏电路装置。当光电子器件暴露于光时，由收集光的光敏部分接收光子并且将它们转换为指示输出的电荷信号。另一方面，暴露于非光敏电路装置的光未被收集并且导致灵敏度减小。
通常，作为在不增加光敏部分的尺寸的情况下改善光收集灵敏度的技术，可以在像素阵列之上形成微透镜阵列。阵列的每个微透镜与对应的像素相关联。每个微透镜覆盖像素的光敏部分和非光敏区域，并且将光聚焦到光敏部分上，使曝光的光会聚(例如焦点)到光敏部分上。
在需要感测彩色图像的应用中，像素阵列还可以包括滤色器以捕捉曝光的光的特定颜色。通常，微透镜、滤色器和光敏部分的中心准确地对齐。换句话说，它们基本同轴。
传统上，通过使用以下单个光刻过程形成微透镜阵列：在滤色器的层之上形成光致抗蚀剂的层、通过图案化光掩模将光致抗蚀剂的层暴露于辐射、显影光致抗蚀剂层以形成图案化光致抗蚀剂层，以及在回流步骤中对抗蚀剂层进行热处理，以部分回流图案化抗蚀剂层。基于光致抗蚀剂的粘度，抗蚀剂层形成微透镜的轮廓。然后，冷却抗蚀剂层以硬化抗蚀剂，从而形成微透镜阵列。
然而，常规的微透镜阵列具有它们自己的一系列缺点。在非远心光电子器件(诸如，移动电话相机或成像手机)中，在阵列的中心处的像素接收主光线角(CRA)为0度的光。然而，CRA可能从阵列的中心到阵列的边缘增加。
换句话说，由阵列收集的光线从中心到边缘逐渐偏离垂直。通常，每个微透镜具有相同的曲率半径，并且不考虑CRA的改变和增加的光线光学路径。这可能导致焦点和焦平面从阵列的中心到阵列的边缘改变，从而导致焦点的垂直移动。
发明内容
根据本发明的一个实施例，一种形成器件的方法包括：在基板之上沉积第一光致抗蚀剂层；通过图案化和回流第一光致抗蚀剂层来形成种子透镜阵列，种子透镜阵列的尺寸跨基板变化；在种子透镜阵列之上形成第二光致抗蚀剂层；以及通过图案化和回流第二光致抗蚀剂层来形成微透镜阵列。
根据本发明的另一个实施例，一种形成器件的方法包括：确定针对要制造的具有多个光敏区域的器件的每个光敏区域的主光线角；确定要在每个光敏区域之上形成的微透镜阵列中的透镜的焦距；确定用于形成微透镜阵列的种子层的光掩模的特征尺寸；以及形成微透镜阵列，微透镜阵列中的每个透镜具有在相应光敏区域之上的焦距，焦距从器件的中心到器件的边缘变化。
根据本发明的另一个实施例，一种器件包括：微透镜阵列，该微透镜阵列包括透镜阵列，透镜阵列中的每个透镜被配置成定位在光电子器件的多个光敏部分的相应光敏部分之上，并且其中透镜阵列中的每个透镜的尺寸从微透镜阵列的中心到微透镜阵列的边缘改变，其中透镜阵列中的每个透镜包括种子部分和覆盖种子部分的主透镜部分。
附图说明
为更全面地理解本发明及其优点，现结合附图进行以下描述，其中：
图1A-图1B图示了根据本申请的一个实施例的在制造的各个阶段期间的光电子器件的截面图，其中图1A图示了在基板上形成微透镜阵列之后的器件的截面图，并且图1B图示了在将微透镜阵列附接在滤色器阵列之上以形成光电子器件之后的器件的截面图；
图2A-图2G图示了根据本申请的一个实施例的在制造的各个阶段期间的光电子器件的截面图，其中图2A图示了在基板上形成第一光致抗蚀剂层之后的器件，图2B图示了在使用第一光掩模图案化第一光致抗蚀剂层之后的器件，图2C图示了在第一多个段被回流并且形成种子透镜阵列之后的器件，图2D图示了在将第二光致抗蚀剂层沉积在种子透镜阵列之上之后的器件的截面图，图2E图示了在通过第二光掩模曝光第二光致抗蚀剂层以形成第二多个段之后的器件，图2F图示了在第二多个段被回流并且形成微透镜阵列之后的基板，并且图2G图示了基板被剥离并且微透镜阵列被附接在滤色器阵列之上之后的器件；
图3是对应于图2A-图2G的流程图，并且图示了形成具有改善灵敏度的光电子器件的示例过程流程；
图4A包括根据本申请的一个实施例的用于形成种子透镜的第一光掩模的俯视图的图示；
图4B图示了对于正确对焦，主光线角度与透镜焦距之间的关系；
图4C图示了根据本申请的一个实施例的用于形成第一光掩模的CRA移位模型；
图5A-图5F图示了根据本申请的一个实施例的在制造的各个阶段期间的光电子器件的截面图，其中图5A图示了在第一光致抗蚀剂层形成在滤色器阵列上之后的器件，图5B图示了在使用第一光掩模、利用第一多个段图案化第一光致抗蚀剂层之后的器件，图5C图示了在第一多个段被回流并且形成种子透镜阵列之后的器件，图5D图示了在第二光致抗蚀剂层被沉积在种子透镜阵列之上之后的器件，图5E图示了在通过第二光掩模曝光第二光致抗蚀剂层以形成第二多个段之后的器件，并且图5F图示了在第二多个段被回流并且形成微透镜阵列之后的器件；
图6图示了根据本申请的一个实施例的光电子器件的截面图；以及
图7图示了根据本申请的一个实施例的包括第一光致抗蚀剂层和第二光致抗蚀剂层的微透镜阵列的截面图。
具体实施方式
虽然微透镜阵列已经改善了诸如互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的光电子器件的像素的灵敏度，但是由于每个微透镜的尺寸相同，仍然存在限制。即，光线不会以一致的主光线角(CRA)进入每个微透镜。具体地，光的CRA和光学路径从阵列的中心到阵列的边缘增加(即偏离垂直)。这可以使每个微透镜的焦点(和焦平面)垂直增加并且引起焦点的垂直移动。然而，随着器件尺寸的减小(例如，变得更薄并且像素尺寸减小)；光电子器件从中心到边缘的灵敏度变得越来越差。
本公开的实施例公开了形成微透镜阵列，其中每个微透镜的会聚半径(ROC)被优化以解决增加的CRA。更具体地，本发明的实施例涉及具有改善灵敏度的光电子器件，该光电子器件包括微透镜阵列，微透镜阵列包括具有从器件的中心到边缘改变的曲率半径(ROC)的透镜阵列。在各种实施例中，形成光电子器件的方法包括从基板的中心到边缘形成不同尺寸的种子透镜阵列，并且使用它们作为引导以形成微透镜阵列。
图1A-图1B图示了根据本申请的一个实施例的在制造的各个阶段期间的光电子器件的截面图，其中图1A图示了在基板上形成微透镜阵列之后的器件的截面图，并且图1B图示了在将微透镜阵列附接在滤色器阵列之上以形成光电子器件之后的器件的截面图。
图1A图示了在形成包括变化曲率半径(ROC)的透镜的微透镜阵列之后，从基板的中心到基板的边缘的基板部分的示意图。
参考图1A，微透镜阵列20可以形成在基板18之上。在一个或多个实施例中，基板18可以包括氧化硅、硅、包括树脂的聚合物、陶瓷基板、石英、玻璃或本领域技术人员已知的任何其他基板材料。基板18可以包括涂层/膜，包括诸如铬、钛、铝、钼的金属层或诸如氧化物层、氮化物层的电介质层。如果基板18是光电子器件的像素阵列上最终组装器件的一部分，则基板18是透明的，具有低的光学色散。然而，在一些实施例中，基板18是在形成透镜阵列之后被去除的载体基板，并且仅透镜阵列被安装在光电子器件之上。
在各种实施例中，微透镜阵列20可以包括透镜22的阵列。在一个或多个实施例中，透镜22可以具有从基板18的中心到基板18边缘改变的曲率半径(ROC)。换句话说，在一个或多个实施例中，每个透镜22的ROC可以从基板18的中心到边缘增加，以便改善光电子器件的灵敏度。在一个或多个实施例中，透镜22因此具有从基板18的中心到边缘逐渐减小的高度。这将在下面更详细地讨论。
在各种实施例中，微透镜阵列20中的每个透镜22可以被配置成与光电子器件的滤色器和/或光敏部分(例如，像素)对齐。
图1B图示了包括微透镜阵列20的光电子器件的截面图。
在各种实施例中，光电子器件11可以包括形成在多个光敏部分14之上的滤色器16的阵列，多个光敏部分14形成在半导体基板10之上。在一些实施例中，光电子器件11还可以包括附加层，诸如绝缘层、遮光膜和平坦化层等，它们全部都形成在光敏部分14和半导体基板10之间。
在各种实施例中，半导体基板10可以是体硅基板、绝缘体上硅基板、碳化硅基板、砷化镓基板或任何其他基板，例如以形成本领域技术人员已知的光电子器件。
在各种实施例中，每个光敏部分14可以包括光电二极管，诸如SPAD光电二极管或具有本领域技术人员已知的可以将收集的光转换成指示输出的电信号的光检测器阵列的任何其他光敏器件。为了清楚起见，该图示未显示与光电二极管一起形成的金属化和晶体管的栅极线以及光电二极管的具体结构。
本申请的实施例适用于正面照明和背面照明。在正面照明的情况下，微透镜阵列20通过金属化与光电二极管分离，而在背面照明的情况下，光电二极管将被夹置在金属化和微透镜阵列20之间。
每个光敏部分14(即像素)可以通过沟槽隔离区域12与其相邻光敏部分14横向隔离，沟槽隔离区域12通常包括半导体氧化物，沟槽隔离区域12延伸贯穿有源层(在该情况下为光敏部分14)的厚度。备选地，像素之间的绝缘可以通过相对于光敏部分14的掺杂的过度掺杂(P型)来实现。沟槽隔离区域12之间的间隔限定了像素的尺寸。
在各种实施例中，微透镜阵列20可以被附接到滤色器16的阵列。在一个或多个实施例中，附接微透镜阵列20可以包括剥离基板18，并且经由透明粘合剂层将其附接到滤色器16之上。在各种实施例中，透明粘合剂层可以包括光致抗蚀剂和/或高透射率聚合物，其可以帮助平坦化微透镜阵列20的表面，同时在滤色器和微透镜阵列20之间提供良好的粘附性。
在一个或多个实施例中，滤色器16的阵列中的每个滤色器可以与相应的光敏部分14对齐。滤色器16的阵列中的每个滤色器可以是红色、蓝色或绿色滤色器。滤色器16的阵列可以被布置成捕获光敏部分14中的每个光敏部分之上的特定颜色。例如，滤色器16的阵列可以以交替方式、拜耳阵列或任何其他期望的布置方式被布置。
图2A-图2G图示了用于形成具有改善灵敏度的光电子器件的过程的阶段，其中在基板上形成微透镜阵列。然后将基板附接在滤色器阵列之上，该滤色器阵列形成在形成于半导体基板之上的多个光敏部分之上。
图2A-图2G图示了根据本申请的一个实施例的在制造的各个阶段期间的光电子器件的截面图，图2A图示了在基板上形成第一光致抗蚀剂层之后的器件，图2B图示了在使用第一光掩模图案化第一光致抗蚀剂层之后的器件，图2C图示了在第一多个段被回流并且形成种子透镜阵列之后的器件，图2D图示了在将第二光致抗蚀剂层沉积在种子透镜阵列之上之后的器件的截面图，图2E图示了在通过第二光掩模曝光第二光致抗蚀剂层以形成第二多个段之后的器件，图2F图示了在第二多个段被回流并且形成微透镜阵列之后的基板，并且图2G图示了基板被剥离并且微透镜阵列被附接在滤色器阵列之上之后的器件。图3是对应于图2A-图2G的流程图，并且图示了形成具有改善灵敏度的光电子器件的示例过程流程。
为了提供示例，图2A-图2G可以参考图1B的光电子器件的结构来描述。然而，下面描述的过程步骤可以与本领域已知的任何光电子器件结合使用。
参考图2A，第一光致抗蚀剂层206被沉积在基板18之上(图3的框302)。在各种实施例中，第一光致抗蚀剂层206被选择为透明。在各种实施例中，第一光致抗蚀剂层206通过在基板18之上旋涂第一抗蚀剂材料来被沉积，并且执行软烘烤过程来由第一抗蚀剂材料形成光致抗蚀剂。在一个或多个实施例中，第一抗蚀剂材料可以包括光活性化合物，光活性化合物被设计成与来自光刻过程的光相互作用。例如，当第一抗蚀剂材料包含重氮萘醌正性光致抗蚀剂时，光活性化合物在暴露于UV光时形成羧酸。在各种实施例中，由第一抗蚀剂材料形成的光致抗蚀剂可以包括丙烯酸、聚乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚缩水甘油单乙醚等。第一光致抗蚀剂层206的膜厚可以取决于光电子器件的设计，诸如使用正面照明还是背面照明、像素的尺寸和数目等。在一个或多个实施例中，第一光致抗蚀剂层206可以被沉积为具有0.3um和0.5um之间的膜厚度，优选0.4um。
参考图2B，可以在第一光致抗蚀剂层206中形成包括第一多个段209的第一图案化抗蚀剂层207。在各种实施例中，可以通过以下方式在第一光致抗蚀剂层206中形成第一多个段209：将第一光致抗蚀剂层206暴露于穿过第一光掩模200的光，例如紫外线(UV)，并显影第一光致抗蚀剂层206(框304-框306)。
第一光掩模200包括具有不透明区域202的第一图案204，该不透明区域202的长度201A从要形成的器件的中心到要形成的器件的边缘逐渐减小。在一个实施例中，第一光掩模200是二元掩模，但在其他实施例中也可以使用其他类型的掩模。第一光掩模200可以被设计成形成用于所形成的多个光电子器件中的每个器件的微透镜阵列，并且因此第一光掩模200的上述图案可以跨整个第一光掩模200重复或复制。
返回参考图1B，因为所图示的光电子器件11包括6个滤色器16，所以第一多个段209可以包括6个段。在各种实施例中，第一多个段209中的每个段可以稍后在对应的滤色器16上对齐。尽管第一多个段209包括6个段，但这不指示可以形成的段的数目。
在各种实施例中，第一多个段209中的每个段的体积可以从基板18的中心到基板18的边缘逐渐减小。因此，在如上所述的各种实施例中，基于第一光掩模200的配置，第一多个段209的特征长度201B和特征宽度中的至少一项可以从基板18的中心到边缘减小。有利地，如上所述，第一多个段209的尺寸是可定制的。
参考图2B的所示示例，因为第一光掩模200的不透明区域202的长度201A减小，所以第一多个段209的特征长度201B或宽度也可以减小。
尽管使用光掩模200来形成图2B中所示的结构，但本申请的实施例还预期了其他技术，包括无掩模过程，诸如印刷以形成第一多个段209。然而，在所有实施例中，通过改变段的长度和/或宽度而不是高度来改变第一多个段209中的各个段的体积，使能了具有适于高产量制造的过程窗口的可重复过程。
参考图2C，可以在回流退火过程之后，形成种子透镜的阵列220。返回参考图2C，因为第一多个段209包括6个段，所以可以形成6个种子透镜222。在各种实施例中，可以通过回流第一多个段来形成种子透镜222(框308)。在一个或多个实施例中，回流可以包括针对5分钟和20分钟之间的时间，将基板18加热到80℃和200℃之间的温度。由于第一抗蚀剂材料的粘性，第一多个段209在回流退火期间回流以形成种子透镜222的轮廓。然后，在冷却时，第一多个段209固化，以形成具有大致半球形轮廓的种子透镜222。回流温度下的粘度和表面张力可以主要影响曲率半径，即种子透镜的焦距。在回流过程期间，第一多个段209中的每个段通过形成半球形轮廓来减小表面积来降低其表面能。因此，种子透镜的阵列220的曲率半径可以通过改变回流退火过程来被优化。
在各种实施例中，种子透镜222的尺寸，诸如矢状高度214和直径218，可以根据第一多个段209的体积从基板18的中心到边缘逐渐改变。如本领域技术人员所理解的，在第一多个段209回流时，它们的高度208减小。因此，每个种子透镜具有小于对应第一段的高度208的矢状高度214。
在各种实施例中，由于第一多个段209的变化尺寸，每个种子透镜222的矢状高度214和直径218可以从基板18的中心到边缘逐渐改变。在一个或多个实施例中，每个种子透镜222的矢状高度214和直径218可以从基板18的中心到边缘逐渐减小。
此外，回流退火过程的时间/温度被控制，使得与具有较小体积的段相比，具有较大体积的段回流较少。因此，对于具有较大体积(即，更靠近基板的中心)的第一多个段209(图2B)，回流之后的矢状高度214几乎类似于高度208(图2B)，以及回流之后的种子透镜的直径218几乎与特征长度201B类似(图2B)。另一方面，对于具有较小体积(即，更靠近基板的边缘)的第一多个段209，回流之后的矢状高度214远小于高度208，以及回流之后的种子透镜的直径218远小于特征长度201B。
如上所述，第一多个段209中的每个段的回流的量也可以通过回流过程的过程参数来控制。例如，增加回流处理时间可以增加每个段的回流的量(反之亦然)。在一个或多个实施例中，回流的增加可以导致种子透镜中的每个种子透镜的直径218的增加和矢状高度214的减小(反之亦然)。可以基于第一多个段209的尺寸和成分(例如，第一光致抗蚀剂层206的成分)以及种子透镜222的期望尺寸来配置回流过程参数。有利地，这允许基于第一光掩模200的配置和回流的过程参数来优化每个种子透镜222的尺寸。
在各种实施例中，种子透镜的直径218可以在特征长度201B的0.1x和1x之间的范围内，并且矢状高度214可以在高度208的0.1x和1x之间的范围内。下限是基于所使用的光刻系统的分辨率，并且在其他实施例中可以不同。在备选实施例中，基板18边缘中的少数像素可能不接收任何第一抗蚀剂材料并且可能不具有任何种子形成。这种区域可以仅形成有下面进一步描述的第二光致抗蚀剂层。
参考图2D，可以在种子透镜的阵列220之上形成第二光致抗蚀剂层224(框310)。在各种实施例中，第二光致抗蚀剂层224可以包括与第一光致抗蚀剂层206相同的抗蚀剂材料，并且因此，可以包括与种子透镜的阵列220相同的材料。可以以与第一光致抗蚀剂层206相同的方式形成第二光致抗蚀剂层224。
如图2D中所示，种子透镜的阵列220可以被用作引导图案，以控制第二光致抗蚀剂层224的形成。在各种实施例中，当抗蚀剂材料被沉积在基板18之上时，它与种子透镜222中的每个种子透镜的尺寸相互作用。换句话说，由于沉积过程试图跨基板18维持恒定的抗蚀剂材料体积，因此第二光致抗蚀剂层224的有效膜厚221(从基板18测量))看起来从基板18的中心到边缘减小。第二光致抗蚀剂层224的膜厚度可以取决于光电子器件的设计，诸如使用正面照明还是背面照明、像素的尺寸和数目等。在各种实施例中，第二光致抗蚀剂层224的膜厚221在基板18的中心处可以在0.65um和0.8um之间，并且在基板18的边缘处的最小厚度可以在0.4um和0.65um之间。
参考图2E，可以利用第二光掩模形成包括第二多个段226的第二图案化抗蚀剂层225。在各种实施例中，可以通过以下方式来形成第二多个段226：将第二光致抗蚀剂层224暴露于穿过第二光掩模的光，并且显影第二光致抗蚀剂层224(框312-框314)。在一个实施例中，第二光掩模可以是二元掩模，并且可以被设计成形成可以与光电子器件的对应滤色器对齐的多个微透镜。然而，与上述被设计成引入跨器件变化的第一光掩模不同，第二光掩模不具有引入跨器件变化的这种特征。因此，第二光掩模可以具有尺寸相等的不透明区域和透明区域的均匀间隔特征。在一个或多个实施例中，第二光掩模中的图案被设计成使得使用第二光掩模形成的第二多个段226与每个种子透镜222对齐。本领域技术人员将理解，由于第二光致抗蚀剂层的非平面性，在第二次曝光期间去除的材料可能不会导致具有完美矩形截面的段。
在一个或多个实施例中，由于第二光致抗蚀剂层224的变化有效膜厚221和种子透镜222中的每个种子透镜的不同尺寸，第二多个段226可以具有不同尺寸。返回参考图2E，从基板18的中心到,由于第二光致抗蚀剂层224的膜厚度221基板边缘减小，第二多个段226中的每个段的高度227可以减小。
参考图2F，第二多个段226可以经历回流，以形成包括透镜22的阵列的微透镜阵列20(框316)。在各种实施例中，因为种子透镜的阵列220和第二光致抗蚀剂层224包括相同的材料，所以第二多个段226中的每个段可以合并到相应的种子透镜222中。在一个或多个实施例中，可以以上面图2C中讨论的相同方式执行回流。然而，与图2C的先前回流退火相比，可以在更长的时间或更高的温度下执行该回流退火，这是因为要回流的材料的体积更大。
有利地，回流过程的过程参数、第二多个段226的尺寸和种子透镜222的尺寸控制透镜中的每个透镜的轮廓。这样做的一个优点是，这允许控制每个透镜22的尺寸，并且确保每个透镜22的曲率半径以及由此焦距从基板18的中心到边缘改变并且得到优化。这产生从基板18的中心到边缘具有不断减小的曲率半径/焦距(不断增加的陡度)的透镜22。
换句话说，可以基于第一光掩模200和第二光掩模的配置以及用于两个回流退火的回流过程参数，来形成具有优化的ROC的微透镜阵列20。在各种实施例中，第一光掩模200的设计和第一过程的第一回流过程可以被独立控制，而不改变第二光掩模和第二回流过程，如将在图4中进一步描述的。
参考图2G，在形成微透镜阵列20之后，可以将基板18从微透镜阵列20剥离，并且微透镜阵列20的暴露表面经由透明粘合剂层被附接在光电子器件11的滤色片16的阵列之上。在一个或多个实施例中，透明粘合剂层可以包括光致抗蚀剂和/或高透射率聚合物，其可以帮助平坦化微透镜阵列20的表面，同时在滤色器16和微透镜阵列20之间提供良好的粘附力。此外，在一个或多个实施例中，滤色器16和微透镜阵列20的一个或两个表面可以用诸如六甲基二硅氮烷(HDMS)的粘附促进剂进行预处理，以增强滤色器16的阵列和微透镜阵列20之间的粘附力。在其他实施例中，微透镜阵列20可以被直接形成到滤色器16的阵列上，如下面将进一步描述的。
图4A包括根据本申请的一个实施例的用于形成种子透镜的第一光掩模的俯视图的图示，图4B图示了对于正确对焦，主光线角度与镜头的焦距之间的关系，并且图4C图示了根据本申请的一个实施例的用于形成第一光掩模的CRA移位模型。
如先前关于图2B描述的，第一光掩模200可以用于图案化从基板18的中心到基板18的边缘沉积在基板18上的第一光致抗蚀剂层。在各种实施例中，第一光掩模200可以包括具有第一图案204的诸如石英基板的基板，该第一图案204可以用于在形成在基板18之上的第一光致抗蚀剂层中形成第一多个段(图2B)。
换句话说，第一图案204可以被配置成选择性地透射/阻挡来自第一光致抗蚀剂层的区域的光，例如紫外线(UV)。在一个或多个实施例中，第一图案204可以被形成为使得要形成在第一光致抗蚀剂层上的第一多个段的尺寸从基板18的中心到边缘改变。在各种实施例中，第一光掩模200可以以使得第一多个段中的每个段将与每个滤色器16和/或每个光敏区域14对齐的方式对齐。
在各种实施例中，如上所述，第一多个段可以被缩放和定位以形成种子透镜，该种子透镜将被用作引导图案以形成具有最佳曲率半径(ROC)的透镜。因此，第一光掩模200可以基于滤色器16的位置、每个透镜的期望ROC、第一光致抗蚀剂层的色调以及后续回流过程的过程参数来进行图案化和对齐。
如图4A中所示，第一图案204可以包括多个不透明区域202。返回参考图1A，由于光电子器件11包括6个光敏部分14，它还包括6个滤色器16，因此，第一光掩模200可以包括6个不透明区域202。虽然图2A中的第一光掩模200包括6个不透明区域202，但这不指示第一光掩模200中可以包括的不透明区域的数目。
如本领域技术人员理解的，如果第一光致抗蚀剂层是正性光致抗蚀剂，则第一光致抗蚀剂层暴露于UV光的部分变得可溶于显影剂并且被显影剂去除。因此，如图2A中所示，如果第一光致抗蚀剂层是正性色调光致抗蚀剂，则每个不透明区域202可以包括相关联段的截面形状和尺寸。
在操作期间，如果微透镜阵列中的透镜的曲率半径(ROC)从中心到边缘增加，则每个透镜的焦距也从光电子器件11的中心到边缘增加。如本领域技术人员理解的，微透镜的外表面的曲线越不陡峭，其ROC就越大，并且ROC越大，透镜的焦距就越大。有利地，第一图案204可以被配置成根据CRA移位模型来形成第一多个段，该第一多个段具有从基板18的中心到边缘大小减小的尺寸。
在各种实施例中，不透明区域202中的每个不透明区域的长度201A和宽度203可以被配置成控制第一多个段的尺寸。不透明区域202可以是涂覆在玻璃基板上的铬，因为铬对UV光不透明。在其他实施例中，不透明区域202可以涂覆有其他金属，诸如钼。在一个或多个实施例中，长度201A和宽度203控制第一多个段的截面尺寸。
在各种实施例中，可以使用CRA移位算法来生成光掩模200，如关于图4B中的图和图4C的流程图进一步解释的。
基于器件架构，可以在光电探测器/光电子器件上的每个光敏位置处计算主光线角(CRA)(图4C中的框402)。例如，可以针对光电探测器/光电子器件上的每个光敏部分14计算CRA。如图4B中所示，CRA在中心处为零，因为光源垂直撞击器件表面，而CRA朝向基板的边缘增加。CRA和焦距之间的实际关系将取决于包括器件架构在内的数个特征。然而，对于任何给定架构，可以计算主光线角(CRA)与光电子器件中透镜的焦距之间的固定关系。针对每个CRA，可以获得补偿路径差的焦距，以便边缘上的光与器件的中心处的光聚焦在/大约相同的焦平面上(图4C中的框404)。
基于焦距和微阵列中的透镜之间的节距，可以计算要形成的微透镜阵列中的每个透镜中的抗蚀剂体积(图4C中的框406)。抗蚀剂的体积是透镜的最终体积，如例如图2F-图2G中所示的。
基于实验测试数据，确定第二光致抗蚀剂(例如，在图2D中形成)的贡献(图4C中的框408)。例如，每个透镜之上的第二光致抗蚀剂的体积大致相同，因为与第一光致抗蚀剂不同，第二光致抗蚀剂具有均匀的图案。因此，基于要使用的旋涂过程，每个透镜之上的第二光致抗蚀剂的体积被实验知晓。
接下来可以从先前计算的抗蚀剂体积和第二光致抗蚀剂体积，计算要形成的每个种子透镜的矢状高度(框410)。例如，可以从计算的抗蚀剂体积减去第二光致抗蚀剂体积。在一些实施例中，可以不计算矢状高度。而是，种子透镜中所需的抗蚀剂体积可以足以在接下来的步骤中做出明智的决策。
接下来，确定第一光致抗蚀剂的抗蚀剂的尺寸(框412)。更具体地，对于要沉积的第一光致抗蚀剂材料(例如，图2A中的第一光致抗蚀剂层206)的给定厚度，抗蚀剂的尺寸可以基于在每个位置处的种子透镜中的抗蚀剂体积来被确定。例如，这可以是基于假设具有已知厚度的第一光致抗蚀剂的正方形形状。
如接下来在框414中说明的，可以针对给定光刻系统计算第一光掩模上的图案。例如，第一光掩模上的图案可以通过利用要使用的光刻系统的缩放比例缩放在框412中获得的抗蚀剂的尺寸来获得。因此，第一光掩模200中的不透明区域202的尺寸可以被确定，因为相邻不透明区域202之间的节距与第二光掩模相同。换句话说，相邻不透明区域202之间的节距被确定为与第二光掩模相同，以保持种子透镜与抗蚀剂的形成透镜22的剩余部分对齐。
如框416中进一步说明的，可以根据上面确定的不透明区域202的尺寸和节距来制造第一光掩模。在各种实施例中，第一光掩模在各种实施例中可以通过印刷形成，因为特征的分辨率未被显著地小型化。因此，基于CRA，第一光掩模的不透明区域202可以被定制以适应令人满意的光透射。因此，如图4A中所示，不透明区域202的长度201A和宽度203可以被配置成从基板18的中心到边缘减小。在一个或多个实施例中，这可以产生第一多个段，该第一多个段具有从基板18的中心到边缘减小的长度和宽度，而它们的高度保持不变。
当然，本申请的实施例适用于正性抗蚀剂和负性抗蚀剂。如果使用负性抗蚀剂，将调整图4C的流程图以颠倒本领域技术人员已知的计算。特别地，第一光掩模中的不透明区域和透明区域的尺寸将被颠倒。
有利地，本申请的实施例允许针对给定设计定制第一光掩模。这样做的一个优点是，它允许微透镜阵列中的每个透镜被形成为具有每个透镜的最佳曲率半径(ROC)。
本申请的实施例还预期了其中可以将微透镜阵列直接形成到光电子器件上的情况。
图5A-图5F图示了根据本申请的一个实施例的在制造的各个阶段期间的光电子器件的截面图，图5A图示了在第一光致抗蚀剂层形成在滤色器阵列上之后的器件，图5B图示了在使用第一光掩模、利用第一多个段图案化第一光致抗蚀剂层之后的器件，图5C图示了在第一多个段被回流并且形成种子透镜阵列之后的器件，图5D图示了在第二光致抗蚀剂层被沉积在种子透镜阵列之上之后的器件，图5E图示了在通过第二光掩模曝光第二光致抗蚀剂层以形成第二多个段之后的器件，并且图5F图示了在第二多个段被回流并且形成微透镜阵列之后的器件。在描述该实施例时，为了清楚起见不再描述过程和材料的具体细节，因为它们遵循早先描述的图2-图3的实施例。
如图5A中所示，第一光致抗蚀剂层206被沉积在滤色器16的阵列之上。通常，诸如二氧化硅的钝化层可以覆盖滤色器16的阵列以及光敏区域14。钝化层光学透明并且保护下面的器件。在如先前实施例中描述的各种实施例中，可以使用包括旋涂过程的涂覆过程来沉积第一光致抗蚀剂层206。参考图5B，包括第一多个段209的第一图案化抗蚀剂层207可以形成在第一光致抗蚀剂层206中。可以通过将第一光致抗蚀剂层206暴露于穿过第一光掩模200的光来形成第一图案化抗蚀剂层207，第一光掩模200如图4A-图4C中所述那样形成。参考图5C，可以形成种子透镜的阵列220。可以通过回流第一多个段209来形成种子透镜阵列。如图5D中所示，第二光致抗蚀剂层224可以形成在种子透镜的阵列220之上。如上所述，可以以与第一光致抗蚀剂层相同的方式形成第二光致抗蚀剂层224。第二光致抗蚀剂层224可以包括与第一光致抗蚀剂层206相同的材料或不同的材料。如图5E中所示，可以通过将第二图案化抗蚀剂层225暴露于穿过第二蚀刻掩模的光，来形成包括第二多个段226的第二图案化抗蚀剂层225。参考图5F，第二多个段226可以经历回流以形成微透镜阵列20，微透镜阵列20包括具有优化的会聚半径(ROC)的透镜22的阵列。
图6图示了根据本申请的一个实施例的光电子器件的截面图。
本申请的实施例还预期了其中基板的外围部分上的滤色器可能向光电子器件的中心移位的情况。如图6中所示，位于光电子器件11的外围部分上的滤色器16可能未对齐(例如，向器件的中心移位)。本申请的实施例使得透镜能够移位到更靠近器件11的中心，以也解决增加的主光线角度。换句话说，只要可以确定滤色器的未对齐图案，就可以进行校正以使得它们被合并到第一光掩模中。例如，可以在计算每个位置处所需的透镜焦距时包括这种校正(图4C的框404)。
图7图示了根据本申请的一个实施例的微透镜阵列的截面图，其图示了形成微透镜阵列的第一光致抗蚀剂层206和第二光致抗蚀剂层224。
通常，在各种实施例中，第一光致抗蚀剂层206的材料和第二光致抗蚀剂层224的材料可以是基本类似的材料。然而，本发明的实施例还预期了其中第一光致抗蚀剂层206包括与第二光致抗蚀剂层224不同的材料的情况。因此，微透镜阵列20和种子透镜的阵列220的其余材料可以包括不同的材料。
有利地，使用两种不同的抗蚀剂材料可以防止第一光致抗蚀剂层206和第二光致抗蚀剂层224的材料混合。这样做的一个优点是可以允许透镜22在回流期间更紧密地遵循种子透镜阵列的轮廓。
这里总结了本发明的示例实施例。其他实施例也可以从整个说明书以及本文提交的权利要求进行理解。
示例1.一种形成器件的方法，所述方法包括：在基板之上沉积第一光致抗蚀剂层；通过图案化和回流所述第一光致抗蚀剂层来形成种子透镜阵列，所述种子透镜阵列的尺寸跨所述基板变化；在所述种子透镜阵列之上形成第二光致抗蚀剂层；以及通过图案化和回流所述第二光致抗蚀剂层来形成微透镜阵列。
示例2.根据示例1所述的方法，其中形成所述种子透镜阵列包括：在所述第一光致抗蚀剂层中形成不同尺寸的第一多个段，所述第一多个段中的每个段的尺寸从所述基板的中心到所述基板的边缘改变；以及回流所述第一多个段，以形成所述种子透镜阵列。
示例3.根据示例1或2之一所述的方法，其中形成所述微透镜阵列包括图案化与所述种子透镜阵列对齐的所述第二光致抗蚀剂层。
示例4.根据示例1至3之一所述的方法，其中每个种子透镜的曲率半径从所述基板的中心到所述基板的边缘逐渐增加。
示例5.根据示例1至4之一所述的方法，其中在所述基板之上沉积所述第一光致抗蚀剂层包括：在所述基板之上沉积所述第一光致抗蚀剂层，所述基板包括布置在多个光敏部分之上的滤色器阵列，所述第一光致抗蚀剂层形成在所述滤色器阵列之上。
示例6.根据示例1至5之一所述的方法，还包括将所述微透镜阵列附接到光电子器件，所述光电子器件包括多个光敏部分和滤色器阵列，并且其中所述微透镜阵列中的每个透镜被定位在所述滤色器阵列中的每个滤色器和所述多个光敏部分中的每个光敏部分之上。
示例7.根据示例1至6之一所述的方法，其中在所述光电子器件的中心部分中的所述滤色器阵列中的滤色器与相应的光敏部分对齐，并且在所述光电子器件的外围区域中的所述滤色器阵列中的滤色器与相应的光敏部分未对齐。
示例8.根据示例1至7之一所述的方法，还包括通过变化所述微透镜阵列中的每个透镜的曲率半径来补偿所述滤色器阵列的所述未对齐。
示例9.根据示例1至8之一所述的方法，其中所述第一光致抗蚀剂层和所述第二光致抗蚀剂层由相同的光致抗蚀剂材料制成。
示例10.根据示例1至9之一所述的方法，其中所述微透镜阵列中的每个透镜的曲率半径从所述基板的中心到所述基板的边缘增加。
示例11.根据示例1至10之一所述的方法，其中形成所述种子透镜阵列包括利用第一光掩模来图案化所述第一光致抗蚀剂层，其中形成所述微透镜阵列包括利用第二光掩模来图案化所述第二光致抗蚀剂层，其中所述第一光掩模包括变化尺寸的特征，所述第二光掩模包括具有相同尺寸的特征。
示例12.一种形成器件的方法，所述方法包括：确定要制造的具有多个光敏区域的器件的每个光敏区域的主光线角；确定要在每个光敏区域之上形成的微透镜阵列中的透镜的焦距；确定用于形成所述微透镜阵列的种子层的光掩模的特征尺寸；以及形成所述微透镜阵列，所述微透镜阵列中的每个透镜具有在相应光敏区域之上的所述焦距，所述焦距从所述器件的中心到所述器件的边缘变化。
示例13.根据示例12所述的方法，其中确定所述特征尺寸包括：基于所述焦距，确定每个光敏区域处的所述微透镜阵列中的透镜的抗蚀剂体积；确定第一光致抗蚀剂层和第二光致抗蚀剂层在每个光敏区域处的体积贡献；基于所述第一光致抗蚀剂层的体积贡献，确定在每个光敏区域处的第一光致抗蚀剂层的特征尺寸；以及基于所述第一光致抗蚀剂层的所述特征尺寸，确定在每个光敏区域处的光掩模的特征尺寸。
示例14.根据示例12或13之一所述的方法，还包括：形成所述光掩模；形成所述微透镜阵列的所述种子层；以及在所述种子层之上形成所述微透镜阵列。
示例15.一种器件，包括：包括透镜阵列的微透镜阵列，所述透镜阵列中的每个透镜被配置成定位在光电子器件的多个光敏部分的相应光敏部分之上，并且其中所述透镜阵列中的每个透镜的尺寸从所述微透镜阵列的中心到所述微透镜阵列的边缘改变，其中所述透镜阵列中的每个透镜包括种子部分和覆盖所述种子部分的主透镜部分。
示例16.根据示例15所述的器件，其中所述透镜阵列中的每个透镜的矢状高度从所述微透镜阵列的所述中心到所述微透镜阵列的所述边缘逐渐减小。
示例17.根据示例15或16之一所述的器件，还包括：半导体基板，包括所述多个光敏部分；以及滤色器，被布置在所述多个光敏部分和所述透镜阵列之间，其中所述透镜阵列中的每个透镜被定位在所述滤色器中的每个滤色器之上。
示例18.根据示例15至17之一所述的器件，其中所述种子部分和所述主透镜部分包括不同的材料。
示例19.根据示例15至18之一所述的器件，其中所述透镜阵列的每个种子部分的曲率半径从所述器件的所述中心到所述器件的所述边缘增加。
示例20.根据示例15至19之一所述的器件，其中所述透镜阵列中的每个透镜的曲率半径从所述器件的所述中心到所述器件的所述边缘增加。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但本描述不旨在被解释为限制意义。通过参考描述，本领域技术人员将清楚说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。

Claims (20)

1.一种形成器件的方法，所述方法包括：
在基板之上沉积第一光致抗蚀剂层；
通过图案化和回流所述第一光致抗蚀剂层来形成种子透镜阵列，所述种子透镜阵列的尺寸跨所述基板变化；
在所述种子透镜阵列之上形成第二光致抗蚀剂层；以及
通过图案化和回流所述第二光致抗蚀剂层来形成微透镜阵列。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述种子透镜阵列包括：
在所述第一光致抗蚀剂层中形成不同尺寸的第一多个段，所述第一多个段中的每个段的尺寸从所述基板的中心到所述基板的边缘改变；以及
回流所述第一多个段，以形成所述种子透镜阵列。
3.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述微透镜阵列包括图案化与所述种子透镜阵列对齐的所述第二光致抗蚀剂层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中每个种子透镜的曲率半径从所述基板的中心到所述基板的边缘逐渐增加。
5.根据权利要求1所述的方法，其中在所述基板之上沉积所述第一光致抗蚀剂层包括：在所述基板之上沉积所述第一光致抗蚀剂层，所述基板包括布置在多个光敏部分之上的滤色器阵列，所述第一光致抗蚀剂层被形成在所述滤色器阵列之上。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：将所述微透镜阵列附接到光电子器件，所述光电子器件包括多个光敏部分和滤色器阵列，并且其中所述微透镜阵列中的每个透镜被定位在所述滤色器阵列中的每个滤色器和所述多个光敏部分中的每个光敏部分之上。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在所述光电子器件的中心部分中的所述滤色器阵列中的滤色器与相应的光敏部分对齐，并且在所述光电子器件的外围区域中的所述滤色器阵列中的滤色器与相应的光敏部分未对齐。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括：通过变化所述微透镜阵列中的每个透镜的曲率半径来补偿所述滤色器阵列的所述未对齐。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一光致抗蚀剂层和所述第二光致抗蚀剂层由相同的光致抗蚀剂材料制成。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述微透镜阵列中的每个透镜的曲率半径从所述基板的中心到所述基板的边缘增加。
11.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述种子透镜阵列包括：利用第一光掩模来图案化所述第一光致抗蚀剂层，其中形成所述微透镜阵列包括：利用第二光掩模来图案化所述第二光致抗蚀剂层，其中所述第一光掩模包括变化尺寸的特征，所述第二光掩模包括具有相同尺寸的特征。
12.一种形成器件的方法，所述方法包括：
确定针对要制造的具有多个光敏区域的器件的每个光敏区域的主光线角；
确定要在每个光敏区域之上形成的微透镜阵列中的透镜的焦距；
确定用于形成所述微透镜阵列的种子层的光掩模的特征尺寸；以及
形成所述微透镜阵列，所述微透镜阵列中的每个透镜具有在相应光敏区域之上的所述焦距，所述焦距从所述器件的中心到所述器件的边缘变化。
13.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述特征尺寸包括：
基于所述焦距，确定在每个光敏区域处的所述微透镜阵列中的透镜的抗蚀剂的体积；
确定第一光致抗蚀剂层和第二光致抗蚀剂层在每个光敏区域处的体积贡献；
基于所述第一光致抗蚀剂层的体积贡献，确定在每个光敏区域处的第一光致抗蚀剂层的特征尺寸；以及
基于所述第一光致抗蚀剂层的所述特征尺寸，确定在每个光敏区域处的光掩模的特征尺寸。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
形成所述光掩模；
形成所述微透镜阵列的所述种子层；以及在所述种子层之上形成所述微透镜阵列。
15.一种器件，包括：
微透镜阵列，包括透镜阵列，所述透镜阵列中的每个透镜被配置成定位在光电子器件的多个光敏部分的相应光敏部分之上，并且其中所述透镜阵列中的每个透镜的尺寸从所述微透镜阵列的中心到所述微透镜阵列的边缘改变，其中所述透镜阵列中的每个透镜包括种子部分和覆盖所述种子部分的主透镜部分。
16.根据权利要求15所述的器件，其中所述透镜阵列中的每个透镜的矢状高度从所述微透镜阵列的所述中心到所述微透镜阵列的所述边缘逐渐减小。
17.根据权利要求15所述的器件，还包括：
半导体基板，包括所述多个光敏部分；以及
滤色器，被布置在所述多个光敏部分和所述透镜阵列之间，其中所述透镜阵列中的每个透镜被定位在所述滤色器中的每个滤色器之上。
18.根据权利要求15所述的器件，其中所述种子部分和所述主透镜部分包括不同的材料。
19.根据权利要求15所述的器件，其中所述透镜阵列的每个种子部分的曲率半径从所述器件的所述中心到所述器件的所述边缘增加。
20.根据权利要求15所述的器件，其中所述透镜阵列中的每个透镜的曲率半径从所述器件的所述中心到所述器件的所述边缘增加。
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