CN118276215A - 制造具f-p腔结构的滤光片方法，滤光片阵列及滤光片结构 - Google Patents
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Abstract
一种制造多个具有法布立‑培若腔结构的滤光片的方法，包括设置载体。设置第一反射层于载体上。设置第一光学图案层及第二光学图案层在第一反射层的表面上，第一光学图案层具有多个第一纳米结构，第二光学图案层具有多个第二纳米结构。回流第一光学图案层及第二光学图案层，分别形成第一膜层及第二膜层。涂覆第二反射层于第一膜层及第二膜层上。本发明还提出一种多光谱透射滤光片阵列及一种多光谱透射滤光片结构。
Description
交叉引用
本发明主张2022年12月30日提交的新加坡专利申请号：10202260647U的优先权。该申请案的完整内容纳入为本发明专利说明书的一部分以供参照。
技术领域
本发明涉及一种滤光片，特别是涉及一种具有法布立-培若腔结构的滤光片。
背景技术
在现有技术中，影像感测器是当今电子产品的组成部分，特别是在数码相机和移动电话中。传统上，电荷耦合元件(CCD)和互补金属氧化物半导体(CMOS)影像感测器都用作以硅(Si)为基底的影像感测器，但CMOS影像感测器由于其精简、成本效益及低功耗，通常比CCD影像感测器更具优势。
为了表现出色彩敏感性，影像感测器的滤色器通常配备有光电二极管。这些滤色器通常由有机染料滤光器组成。然而，由于缺乏高温耐久性，高成本的制造流程对于需要三种以上基色的多光谱成像来说非常不切实际。
因此，对于法布立-培若(Fabry-Pérot,F-P)腔结构，其包括夹在两个金属反射器之间的中间介电层，由于其优异的窄带半高全宽(FWHM)而成为多光谱透射滤波器极具潜力的选择。在F-P腔结构中，可以通过控制中间介电层的厚度来调节颜色。因此，能够控制中间介电层的厚度以及在单芯片中制造多光谱滤光片的方法在相关技术领域中变得非常重要。
发明内容
针对上述技术缺陷，本发明提供了一种制造多个具有法布立-培若(F-P)腔结构的滤光片的方法、多光谱透射滤波器阵列及多光谱透射滤光片结构。
本发明提供一种制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，包括设置载体。设置第一反射层于载体上。设置第一光学图案层及第二光学图案层在第一反射层的表面上，第一光学图案层具有多个第一纳米结构，第二光学图案层具有多个第二纳米结构。回流(reflowing)第一光学图案层及第二光学图案层，分别形成第一膜层及第二膜层。涂覆第二反射层于第一膜层及第二膜层上。以及提供通过上述方法产生的一种多光谱透射滤光片阵列和一种多光谱透射滤光片结构。
依据一些实施例，调整光学层的厚度相当于调整法布立-培若(F-P)腔结构的厚度，从而调制滤光片的峰值波长。例如，滤光器可以跨越可见光到近红外光。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，然而所提供的附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1-图5为对应本发明一实施例的制造方法的示意图。
图6-图8为对应本发明一实施例中图案化步骤的示意图。
图9A-图9C分别为本发明一实施例中图案化处理后的示意图。
图10为本发明一实施例中，光学膜层厚度与纳米结构数量的关系示意图。
图11为本发明一实施例中，多个反射层的厚度、穿透率及波长关系示意图。
图12为本发明一实施例的多光谱透射滤光片结构的示意图。
具体实施方式
以下是通过特定的具体实施例来说明本发明所公开有关“制造具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法、多光谱透射滤光片阵列及多光谱透射滤光片结构”的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所公开的内容了解本发明的优点与效果。本发明可通过其他不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不背离本发明的构思下进行各种修改与变更。另外，本发明的附图仅为简单示意说明，并非依实际尺寸的描绘，事先声明。以下的实施方式将进一步详细说明本发明的相关技术内容，但所公开的内容并非用以限制本发明的保护范围。
应当可以理解的是，虽然本文中可能会使用到“第一”、“第二”、“第三”等术语来描述各种元件或者信号，但这些元件或者信号不应受这些术语的限制。这些术语主要是用以区分一元件与另一元件，或者一信号与另一信号。另外，本文中所使用的术语“或”，应视实际情况可能包括相关联的列出项目中的任一个或者多个的组合。
请参考图1至图5，为对应本发明一实施例的制造多个具有法布立-培若(Fabry-Pérot,F-P)腔结构的滤光片的方法示意图。所述的制造方法包括步骤S11：设置载体11，如图1所示。步骤S12：设置第一反射层12于载体11上，如图2所示。步骤S13：设置第一光学图案层131及第二光学图案层132在第一反射层12的表面上，第一光学图案层131具有多个第一纳米结构1311，第二光学图案层132具有多个第二纳米结构1321，如图3所示。步骤S14：回流第一光学图案层131及第二光学图案层132，分别形成第一膜层133及第二膜层134，如图4所示。步骤S15：涂覆第二反射层15于第一膜层133及第二膜层134上，如图5所示。
如图3所示，两个相邻的岛状第一纳米结构1311之间形成第一间距P1，两个相邻的岛状第二纳米结构1321之间形成第二间距P2，第一间距P1和第二间距p2相同，然而，第一纳米结构1311的宽度(或直径)与第二纳米结构1321不同。此外，依据一些实施例，多个第一纳米结构1311和多个第二纳米结构1321在形状、尺寸或数量上至少存在一个差异。依据一些实施例，第一间距P1和第二间距P2不相同。换言之，两相邻的第一光学图案层131及第二光学图案层132的整体表面轮廓/图案不径相同。
如图4所示，第一膜层133和第二膜层134的厚度可以通过图案化结构及回流工艺以精确的控制，例如图案化处理后产生第一图案光学层131和第二图案光学层132。另一方面，参阅下表一，对应于见光和近红外线波长的透射率，第一膜层133和第二膜层134的厚度优选在92至228nm的范围内。
另外，依据一些实施例，载体11为硅载体11或含硅载体11。第一反射层12和第二反射层15的材质为银(Ag)或为布拉格反射镜。依据一些实施例，第一图案光学层131与第二图案光学层132为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材质的介电层。因此，通过上述结构的设计，在单芯片(石英)的上具有Ag-PMMA-Ag的结构，实现了多光谱滤光片结构。
请参阅图6至图8，说明本发明一实施例中，采用简单步骤二进位光刻(Simple-step-binary-lithography,SSBL)的方法。其中，在步骤S13还可以包括：步骤S131及步骤S132。步骤S131：在第一反射层12上涂覆光学层13。光学层13为中间介质层，其材质例如PMMA。步骤S132：通过电子束光刻对光学层13进行图案化处理，形成第一图案光学层131和第二图案光学层132。因此，在对应于第一图案光学层131和第二图案光学层132的多个图案化光学区域内形成多个纳米图案结构(孔状)。然后，进行回流工艺(步骤S14)以形成第一膜层133和第二膜层134。
此外，依据一些实施例，步骤S132还包括：在第一图案光学层131和第二图案光学层132之间形成内部边界135。内部边界135由第一侧壁1312和第二侧壁1322连接为一体。依据一些实施例，在回流的步骤中，内部边界间135不受回流影响，如图8所示。另依据一些实施例，步骤S132还可以包括：在第一膜层133和第二膜层134的周围形成框界136。框界136也可由第一侧壁1312和第二侧壁1322连为一体，如图3及图4所示，本发明并无限制框界136的有无。
请参阅图9A至图9C，分别为本发明一实施例中图案化处理后的示意图。根据该等实施例，第一间距P1或第二间距P2的范围为0.5至1μm。纳米结构(包括第一纳米结构1311或第二纳米结构1321)是类似孔状或类似岛状。依据图9A，纳米结构1313形成0.6μm×0.6μm的方孔(即区域A1)。依据图9B，由纳米结构1313形成的区域A2呈现走道的形状。另依据图9C的实施例，纳米结构1313分别形成在区域A3，两个相邻区域A3之间的间距为0.6μm。
依据一些实施例，第一膜层133和第二膜层134具有不同的预定厚度，以产生不同颜色的像素。
请再次参阅图5，本发明也提供一实施例的多光谱透射滤光器阵列。多光谱透射滤光片阵列包括：载体11、第一反射层12、光学层13和第二反射层15。光学层13形成具有不同厚度的第一颜色像素133和第二颜色像素134，以及其之间的像素边界135。
依据一实施例，像素边界135的厚度大于第一颜色像素133和第二颜色像素134的厚度。此外，光学层13还包括围绕第一颜色像素133和第二颜色像素134的框界136。框界136的厚度大于第一颜色像素133和第二颜色像素134的厚度。
请参阅图10，为本发明一实施例中，光学膜层厚度与纳米结构(孔洞)数量的关系示意图。膜层(第一膜层133及第二膜层134)的厚度与纳米结构(对应第一颜色像素133或第二颜色像素134)的数量成反比。换句话说，纳米结构的数量越多，膜层(第一膜层133及第二膜层134)的厚度就越薄。此外，在其他实施例中，第一颜色像素133与第二颜色像素134的厚度与波长成反比。例如，对应于第一颜色像素的第一膜层133和对应于第二颜色像素的第二膜层134的厚度在92nm至228nm的范围内。多光谱透射滤光片阵列的滤色范围在450至850nm。
请参阅图11，为本发明一实施例中，多个反射层的厚度、穿透率及波长关系示意图。反射层以银层为例。随着银层厚度增加18-28nm，透射带变窄，透射峰从80％下降到50％。依据一实施例，在F-P腔结构中使用24nm厚的银层作为金属反射器，则具有优选的70％透射峰值的窄带透射。并且在该等实施例中，第一反射层12和第二反射层15较佳具有相同的厚度。在相同波长下，反射层的厚度越小，透射率越高。
依据一些实施例，光学层13的材质选自于PMMA或二氧化硅(SiO2)，载体11的材质选自于二氧化硅或氮化硅(Si3N4)。
以PMMA为光学层13的材质为例，请参考下表一：
| 膜层厚度(nm) | 92 | 102～109 | 119～131 | 143 | 154～160 | 171～177 | 188～194 | 206～211 | 223～228 |
| 波峰波长(nm) | 450 | 480～500 | 530～564 | 600 | 632～650 | 682～700 | 732～750 | 784～800 | 833～850 |
表一
以二氧化硅为光学层13的材质为例，请参考下表二：
表二
需特别注意的是，当使用不同载体11材料材质，会导致滤光范围的偏移，以氮化硅为载体为例，蓝绿光波长范围的有显著蓝移现象，且FWHM也有放宽的现象，亦即透射带变宽，约略大于40％，较佳是50％～60％，透射峰从60％上升到75％。
请参阅图12，并同参阅图7及图8，图12为本发明一实施例的多光谱透射滤光片结构的示意图。本实施例提供一种多光谱透射滤光片结构，多光谱透射滤光片结构Z，包括：载体11、第一透射滤光器100以及第二透射滤光器200。载体11具有第一感测区域R1和第二感测区域R2。第一透射滤光器100包括第一底部反射层21、第一光学结构22以及第一顶部反射层23。第一底部反射层21设定在第一感测区域R1上。第一光学结构22包括具有第一深度的第一凹槽。第一顶部反射层23设定在第一光学结构22上。第二透射滤光器200邻接第一透射滤光器100，第二透射滤光器200包括第二底部反射层31、第二光学结构32以及第二顶部反射层33。第二底反射层31设置于第二感测区域R2上。第二光学结构32包括具有第二深度的第二凹槽。第二个顶部反射层33设置于第二光学结构32上。其中，第一深度与第二深度不同。
此外，第一光学结构22和第二光学结构32彼此连接并形成为围绕第一透射滤光器100和第二透射滤光器200的壁面235。
此外，第一光学结构22接收第一波长，第二光学结构32接收第二波长，第一波长大于第二波长。第二深度比第一深度深。
此外，多个像素的厚度在92nm至228nm的范围内，且多光谱透射滤光片结构Z的滤光范围在450nm至850nm之间。
此外，第一光学结构22与第二光学结构32的材质选自于PMMA或二氧化硅(SiO2)；载体11的材质选自于二氧化硅或氮化硅(Si3N4)；第一顶部反射层23、第一底部反射层21、第二顶部反射层33及第二底部反射层31的材质选自于DBR(布拉格反射镜)或银。依据一些实施例，多层组合例如Ag-PMMA-Ag-SiO2结构或Ag-PMMA-DBR-Si3N4结构可以被认为是F-P腔结构，且多光谱透射滤光片结构滤光范围跨越可见光到红外线波长的范围。
因此，本发明提供的多光谱透射滤光片阵列及多光谱透射滤光片结构中，凭借着“光学膜层设置于载体上，其中，第一像素、第二像素由具有不同厚度的膜层形成，并且像素间形成内部边界”，多光谱透射滤光片阵列及多光谱透射滤光片结构可以应用在芯片上。
另外，调整光学膜层的厚度相当于调整法布里-培若(F-P)腔结构的厚度，从而调制滤光片的峰值波长。例如，多光谱透射滤光片可以跨越可见光到近红外光的波长范围。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的权利要求书的保护范围，所以凡是运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的权利要求书的保护范围内。
Claims (20)
1.一种制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，所述制造方法包括：
设置一载体；
设置一第一反射层于所述载体上；
设置一第一光学图案层及一第二光学图案层在所述第一反射层的表面上，其中所述第一光学图案层具有多个第一纳米结构，所述第二光学图案层具有多个第二纳米结构；
回流所述第一光学图案层及所述第二光学图案层，分别形成一第一膜层及一第二膜层；以及
涂覆一第二反射层于所述第一膜层及所述第二膜层上。
2.根据权利要求1所述的制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，相邻的二所述第一纳米结构之间具有一第一间距，相邻的二所述第二纳米结构之间具有一第二间距；以及
其中，当所述第一间距与所述第二间距相同，所述第一纳米结构的尺寸或形状与所述第二纳米结构不同；以及
其中，当所述第一间距与所述第二间距不同，所述第一纳米结构的尺寸或形状与所述第二纳米结构相同。
3.根据权利要求1所述的制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，所述第一膜层的厚度与所述第二膜层不同，且所述第一膜层与所述第二膜层的厚度范围在92-228nm。
4.根据权利要求1所述的制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，在所述设置所述第一光学图案层及所述第二光学图案层的步骤中，还包括：
涂覆一光学层在所述第一反射层上；以及
通过电子束光刻图案化所述光学层以形成所述第一光学图案层及所述第二光学图案层。
5.根据权利要求4所述的制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，在所述设置所述第一光学图案层及所述第二光学图案层的步骤中，还包括：形成一内部边界于所述第一光学图案层及所述第二图案层之间。
6.根据权利要求5所述的制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，所述内部边界在所述回流步骤中不发生回流。
7.根据权利要求1所述的制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，所述第一纳米结构及所述第二纳米结构的形状相似于孔洞或相似于岛状。
8.根据权利要求1所述的制造多个具有法布立-培若腔结构的滤光片的方法，其特征在于，所述第一膜层与所述第二膜层具有不同的预设厚度，以产生不同颜色的像素。
9.一种多光谱透射滤光片阵列，其特征在于，所述多光谱透射滤光片阵列包括：
一载体；
一第一反射层，设置在所述载体上；
一膜层，设置在所述第一反射层上，其中，所述膜层包括多个具有不同厚度的彩色像素以及多个形成在相邻二所述彩色像素之间的像素边界；以及
一第二反射层，设置在所述多个彩色像素上。
10.根据权利要求9所述的多光谱透射滤光片阵列，其特征在于，所述像素边界的厚度大于所述多个彩色像素的厚度。
11.根据权利要求9所述的多光谱透射滤光片阵列，其特征在于，所述光学层进一步包括一框界，所述框界围绕所述多个彩色像素，且所述框界的厚度大于所述多个彩色像素。
12.根据权利要求9所述的多光谱透射滤光片阵列，其特征在于，所述第一反射层与所述第二反射层的厚度范围为18-24nm。
13.根据权利要求9所述的多光谱透射滤光片阵列，其特征在于，所述多个彩色像素的厚度与波长成反比。
14.根据权利要求9所述的多光谱透射滤光片阵列，其特征在于，所述彩色像素的厚度范围为92-228nm，所述多光谱透射滤光片阵列的滤光范围为450-850nm。
15.根据权利要求9所述的多光谱透射滤光片阵列，其特征在于，所述光学层的材质选自于PMMA或二氧化硅，所述载体的材质选自于二氧化硅或氮化硅。
16.一种多光谱透射滤光片结构，其特征在于，所述多光谱透射滤光片结构包括：
一载体，所述载体具有一第一感测区域及一第二感测区域；
一第一透射滤波器，包括：
一第一底部反射层，设置在所述第一感测区域；
一第一光学结构，包括具有一第一深度的第一凹槽；以及
一第一顶部反射层，设置在所述第一光学结构上；以及
一第二透射滤波器，邻接所述第一透射滤波器，所述第二透射滤波器包括：
一第二底部反射层，设置在所述第二感测区域；
一第二光学结构，包括具有一第二深度的第二凹槽；以及
一第二顶部反射层，设置在所述第二光学结构上；
其中，所述第一深度与所述第二深度不同。
17.根据权利要求16所述的多光谱透射滤光片结构，其特征在于，所述第一光学结构与所述第二光学结构相连接，且形成一壁面，所述壁面围绕所述第一透射滤波器及所述第二透射滤波器。
18.根据权利要求16所述的多光谱透射滤光片结构，其特征在于，所述第一光学结构接收一第一波长，所述第二光学结构接收一第二波长，所述第一波长大于所述第二波长，所述第二深度大于所述第一深度，且所述多光谱透射滤光片结构的滤光范围为450-850nm。
19.根据权利要求18所述的多光谱透射滤光片结构，其特征在于，所述第一顶部反射层、所述第一底部反射层、所述第二顶部反射层及所述第二底部反射层的厚度范围为18-24nm。
20.根据权利要求18所述的多光谱透射滤光片结构，其特征在于，所述第一光学结构与所述第二光学结构的材质选自于PMMA或二氧化硅；所述载体的材质选自于二氧化硅或氮化硅；所述第一顶部反射层、所述第一底部反射层、所述第二顶部反射层及所述第二底部反射层的材质选自于DBR或银。
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