CN204271082U - 一种图像传感器微透镜结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种图像传感器微透镜结构，微透镜设置在像素的感光元器件上方，其材料为彩色滤光片材料，并且微透镜表面覆盖有保护层。微透镜和彩色滤光片两部分合为一体，相对现有技术中的图像传感器结构，本实用新型节省了制作工艺步骤和工艺材料，进而降低了生产成本。

Description

一种图像传感器微透镜结构

技术领域

本实用新型涉及图像传感器结构，特别涉及一种图像传感器微透镜结构。

背景技术

图像传感器已经被广泛地应用于数码相机、移动手机、医疗器械、汽车和其他应用场合。特别是制造CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器和CCD(电荷耦合型器件)图像传感器技术的快速发展，使人们对图像传感器的输出图像品质有了更高的要求。

在现有技术中，图像传感器从制作工艺结构上来讲分为两部分：前端制作工艺和后端制作工艺。前端制作工艺包含硅器件工艺和金属互连线工艺，使用前端工艺制作的图像传感器称为黑白图像传感器，因为图像传感器不设置彩色滤光片阵列，所以采集到的图像仅包含图像的光强度信息；后端制作工艺，包含彩色滤光片阵列工艺和微透镜阵列工艺，彩色滤光片工艺中包含红色滤光片、绿色滤光片和蓝色滤光片三种材料，此三种滤光片为Bayer阵列排列中的三种元素，黑白图像传感器添加了彩色滤光片阵列后的图像传感器像素可以分别采集实物的红色、绿色和蓝色信息，再经过后续信号处理操作使采集到的图像信号还原为彩色图像；微透镜制作在彩色滤光片的上方，制作微透镜的目的是可以汇集更多的光到感光元器件中，以提高像素的感光灵敏度。

现有技术中的图像传感器像素部分的竖切面结构，如图1所示。图1中，101为像素的感光元器件，感光元器件101制作在半导体基体中，102为绝缘介质层，每个像素的感光元器件上方分别设置有一种彩色滤光片，103、104、105分别为红色滤光片、绿色滤光片、蓝色滤光片中的其中一种，彩色滤光片103、104、105的上方设置平坦层106，平坦层106的上方对应每个彩色滤光片分别设置有微透镜107，微透镜107为凸面透镜，以汇集更多的光到感光元器件101中。图1所示，绝缘介质层102之上的后端工艺层包括彩色滤光片工艺、平坦层106工艺、微透镜107工艺；制作图像传感器芯片的工艺层数量越多，其制作成本就会越高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种高效的、降低图像传感器芯片制作成本的图像传感器微透镜结构。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

本实用新型的图像传感器的微透镜结构，微透镜设置在像素的感光元器件上方，所述微透镜的材料为彩色滤光片材料，所述微透镜的表面覆盖有保护层。

由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的图像传感器微透镜结构，由于图像传感器的微透镜采用彩色滤光片材料，省去了现有技术中的平坦层和微透镜材料，因此节省了芯片生产步骤和工艺材料，进而降低了图像传感器芯片生产成本。

附图说明

图1为现有技术的图像传感器像素部分的竖切面结构示意图。

图2为本实用新型实施例中图像传感器像素部分的竖切面结构示意图。

图3为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作之前的像素部分竖切面结构示意图。

图4为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的旋涂第一种彩色滤光片材料步骤的切面示意图。

图5为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中形成第一种彩色滤光片材料的矩形方块步骤的切面示意图。

图6为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的旋涂第二种彩色滤光片材料步骤的切面示意图。

图7为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中形成第二种彩色滤光片材料的矩形方块步骤的切面示意图。

图8为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的旋涂第三种彩色滤光片材料步骤的切面示意图。

图9为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中形成第三种彩色滤光片材料的矩形方块步骤的切面示意图。

图10为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的旋涂光刻胶步骤的切面示意图。

图11为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的形成光刻胶矩形方块步骤的切面示意图。

图12为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的将光刻胶矩形方块烘烤为凸面透镜形状步骤的切面示意图。

图13为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的干法离子刻蚀步骤中中途的切面示意图。

图14为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的干法离子刻蚀步骤中完毕后的切面示意图。

图15为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤中的淀积保护层步骤的切面示意图。

图16为本实用新型实施例中图像传感器，后端工艺制作步骤完毕后的像素部分的竖切面示意图。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例作进一步地详细描述。

本实用新型的图像传感器的微透镜结构，其较佳的具体实施方式是：

微透镜设置在像素的感光元器件上方，所述微透镜的材料为彩色滤光片材料，所述微透镜的表面覆盖有保护层。

所述微透镜材料包含以下三种材料中的任一种或多种：红色滤光片材料、绿色滤光片材料和蓝色滤光片材料。

每组像素单元包括三个首尾相连的像素，三个像素的感光器件的上方的微透镜材料分别为红色滤光片材料、绿色滤光片材料和蓝色滤光片材料。

所述微透镜的上表面到下表面的距离大于等于0.2um。

所述保护层采用无机物透明树脂材料或硅玻璃材料，其厚度大于等于10nm。

本实用新型的上述的图像传感器微透镜结构的制作方法，将三种彩色滤光片材料的微透镜分别制作在三个像素的上方，三个像素分别为第一像素、第二像素、第三像素，并且三个像素首尾相连，包括步骤：

a、准备前端工艺制作完毕的图像传感器，所述前端工艺包括制作彩色滤光片之前的硅器件工艺和金属工艺，且金属设置在绝缘介质中；

b、在绝缘介质上表面，旋涂第一种彩色滤光片材料，其厚度大于等于1um；

c、在第一像素的感光元器件上方，形成第一种彩色滤光片材料的矩形方块，其平面尺寸等于第一像素的平面尺寸，厚度保持不变；

d、旋涂第二种彩色滤光片材料，其厚度等于第一种彩色滤光片材料的厚度；

e、在第一像素相邻的第二像素的感光元器件上方，形成第二种彩色滤光片材料的矩形方块，其平面尺寸等于第二像素的平面尺寸，厚度保持不变；

f、旋涂第三种彩色滤光片材料，其厚度等于第一种彩色滤光片材料的厚度；

g、在第二像素相邻的第三像素的感光元器件上方，形成第三种彩色滤光片材料的矩形方块，其平面尺寸等于图像传感器第三像素的平面尺寸，厚度保持不变；

h、旋涂光刻胶，其厚度大于等于0.5um；

i、分别在第一种彩色滤光片材料矩形方块正上方、第二种彩色滤光片材料矩形方块正上方、第三种彩色滤光片材料矩形方块正上方形成相应的光刻胶方块，每个光刻胶方块平面尺寸为相应彩色滤光片平面尺寸的60％～95％；

j、高温烘烤光刻胶矩形方块至凸面透镜形状，烘烤温度为50摄氏度～200摄氏度，烘烤时间大于等于2分钟，然后冷却至室温；

k、干法离子刻蚀，所述光刻胶保持凸面透镜形状逐渐被刻蚀掉，其较薄的边缘被刻蚀掉后，继续刻蚀彩色滤光片材料，光刻胶材料和彩色滤光片材料整体保持凸面透镜形状，直至将光刻胶材料完全刻蚀完毕，形成彩色滤光片材料的微透镜后，停止干法离子刻蚀操作；

l、淀积保护层，在彩色滤光片材料的微透镜表面淀积无机物透明树脂材料或硅玻璃材料，其厚度大于等于10nm。

所述第一种彩色滤光片材料、第二种彩色滤光片材料、第三种彩色滤光片材料分别由红色滤光片材料、绿色滤光片材料、蓝色滤光片材料任意排序。

在图像传感器中，为了降低芯片生产成本，本实用新型从优化像素部分的后端工艺步骤和工艺材料入手，在现有技术中的图像传感器彩色滤光片和微透镜制作工艺步骤中，将分开的彩色滤光片和微透镜两个工艺层合并为一个工艺层，即将彩色滤光片制作成为微透镜形状，因此节省了现有技术中的平坦层工艺和微透镜工艺步骤及其工艺材料，进而有效降低了图像传感器芯片的生产成本。下面将结合具体实施例，详细阐述本实用新型的特征。

具体实施例：

本实用新型实施例的图像传感器像素部分的竖切面结构示意图，如图2所示。图2所示，201为置于半导体基体中的感光元器件，左侧的感光元器件201标记为第一像素(像素1)的感光元器件，中间的感光元器件201标记为第二像素(像素2)的感光元器件，右侧的感光元器件201标记为第三像素(像素3)的感光元器件；图2所示，202为绝缘介质层，203为第一像素的微透镜，204为第二像素的微透镜，205为为第三像素的微透镜，其中微透镜203、微透镜204、微透镜205的材料类型为彩色滤光片材料，并且微透镜203、微透镜204、微透镜205所采用的材料为红色滤光片材料、绿色滤光片材料、蓝色滤光片材料中的其中一种，所述微透镜203、微透镜204、微透镜205为凸面透镜类型，所述微透镜203与微透镜204的连接处或微透镜204与微透镜205的连接处为微透镜的最低点，此最低点到微透镜203底部或微透镜204底部或微透镜205底部的距离最短，此最短距离大于等于0.2um；图2所示，206为覆盖在微透镜203、微透镜204、微透镜205上表面的保护层，其材料为无机物透明树脂材料或硅玻璃材料，其厚度大于等于10nm。

图2所示，由于微透镜203、微透镜204、微透镜205采用的是彩色滤光片材料，所以省去了现有技术中的一些工艺步骤和工艺材料，例如现有技术中的平坦层工艺层和微透镜工艺层，由此可见，本实用新型有效降低了图像传感器芯片的生产成本，提高了图像传感器芯片的市场竞争力。

本实用新型的实施例的图像传感器微透镜结构，工艺制作方法阐述如下，制作在所述第一像素、第二像素、第三像素的感光器件上方的微透镜彩色滤光片材料分别标记为第一种彩色滤光片材料、第二种彩色滤光片材料、第三种彩色滤光片材料，所述第一种彩色滤光片材料、第二种彩色滤光片材料、第三种彩色滤光片材料分别为红色滤光片材料、绿色滤光片材料、蓝色滤光片材料中的其中一种。所述图像传感器微透镜的工艺制作步骤如下：

首先，准备前端工艺制作完毕的图像传感器，所述前端工艺包括制作彩色滤光片之前的硅器件工艺和金属工艺，且金属设置在绝缘介质中。如图3所示，第一像素、第二像素、第三像素制作停留在绝缘介质层202处，绝缘介质202上表面光滑平整。

进一步，在绝缘介质202上表面，旋涂第一种彩色滤光片材料，其厚度大于等于1um。如图4所示，401为第一种彩色滤光片材料。

进一步，在第一像素的感光元器件201上方，形成第一种彩色滤光片材料的矩形方块，其平面尺寸等于第一像素的平面尺寸，厚度保持不变。如图5所示，在第一像素的感光元器件201上方形成了第一种彩色滤光片材料的矩形方块，其平面尺寸的宽和长等于第一像素平面尺寸的长和宽，并且矩形方块401正对第一像素的感光元器件201区。

进一步，旋涂第二种彩色滤光片材料，其厚度等于第一种彩色滤光片材料的厚度。如图6所示，601为第二种彩色滤光片材料，第二种彩色滤光片材料601的厚度与第一种彩色滤光片材料401的厚度相等，第二种彩色滤光片材料601不制作在第一种彩色滤光片材料401的上方。

进一步，在第一像素相邻的第二像素的感光元器件201上方，形成第二种彩色滤光片材料的矩形方块，其平面尺寸等于第二像素的平面尺寸，厚度保持不变。如图7所示，在第二像素的感光器件201上方形成第二种彩色滤光片材料的矩形方块601，第二种彩色滤光片材料的矩形方块601正对第二像素的感光器件201区，其平面尺寸的宽和长等于第二像素平面尺寸的长和宽。

进一步，旋涂第三种彩色滤光片材料，其厚度等于第一种彩色滤光片材料的厚度。如图8所示，801为第三种彩色滤光片材料，其厚度与第一种彩色滤光片材料的矩形方块401和第二种彩色滤光片材料的矩形方块601的厚度相等，第三种彩色滤光片材料801不制作在第一种彩色滤光片材料的矩形方块401和第二种彩色滤光片材料的矩形方块601的上方。

进一步，在第二像素相邻的第三像素的感光元器件上方，形成第三种彩色滤光片材料的矩形方块，其平面尺寸等于图像传感器第三像素的平面尺寸，厚度保持不变。如图9所示，在第三像素的感光器件201上方形成第三种彩色滤光片材料的矩形方块801，第三种彩色滤光片材料的矩形方块801正对第三像素的感光器件201区，其平面尺寸的宽和长等于第三像素平面尺寸的长和宽。

进一步，旋涂光刻胶，其厚度大于等于0.5um。如图10所示，1001为旋涂的光刻胶层，其厚度大于等于0.5um。

进一步，分别在第一种彩色滤光片材料矩形方块正上方、第二种彩色滤光片材料矩形方块正上方、第三种彩色滤光片材料矩形方块正上方形成相应的光刻胶方块，每个光刻胶方块平面尺寸为相应彩色滤光片平面尺寸的60％～95％。如图11所示，1101为制作在第一种彩色滤光片材料矩形方块401正上方、第二种彩色滤光片材料矩形方块601正上方、第三种彩色滤光片材料矩形方块801正上方形成相应的光刻胶方块，所述光刻方块1101的中心位置分别正对彩色滤光片方块401、601、801的中心位置，所述光刻胶方块1101的平面尺寸为相应彩色滤光片方块401、601、801平面尺寸的60％～95％。

进一步，高温烘烤光刻胶矩形方块至凸面透镜形状，烘烤温度为50摄氏度～200摄氏度，烘烤时间大于等于2分钟，然后冷却至室温。如图12所示，凸面透镜1201分别在彩色滤光片方块401、601、801的正上方，相邻的两个凸面透镜1201相互连接在一起。

进一步，干法离子刻蚀，所述光刻胶保持凸面透镜形状逐渐被刻蚀掉，其较薄的边缘被刻蚀掉后，继续刻蚀彩色滤光片材料，光刻胶材料和彩色滤光片材料整体保持凸面透镜形状，直至将光刻胶材料完全刻蚀完毕，形成彩色滤光片材料的微透镜后，停止干法离子刻蚀操作。

图13示出了本实用新型的图像传感器，后端工艺制作步骤中的干法离子刻蚀步骤中中途的切面示意图。图13所示，所示虚线位置为凸面透镜1201刻蚀前的位置，凸面透镜1201边缘的材料已经被刻蚀完毕，仅在中心处附近残留了少量光刻胶，并且彩色滤光片方块401、601、801的周边处的材料也已经被刻蚀掉，图13所示的残留的光刻胶和已经被刻蚀少量部分的彩色滤光片整体保持着刻蚀前的凸面透镜形状。

图14示出了，本实用新型的图像传感器，后端工艺制作步骤中的干法离子刻蚀步骤中完毕后的切面示意图。图14所示，光刻胶凸面透镜1201已经被完全刻蚀，并且彩色滤光片方块中心位置的材料也被刻蚀了少量一部分，203、204、205为最终状态的彩色滤光片材料的凸面透镜。

最后，淀积保护层，在彩色滤光片材料的微透镜表面淀积无机物透明树脂材料或硅玻璃材料，其厚度大于等于10nm。如图15所示，在微透镜203、204、205的上表面淀积一层保护材料，目的是保护彩色滤光片材料不被空气侵蚀。图16示出了本实用新型的图像传感器，后端工艺制作步骤完毕后的像素部分的竖切面示意图，其中206为保护层材料，其厚度大于等于10nm。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种图像传感器的微透镜结构，微透镜设置在像素的感光元器件上方，其特征在于，所述微透镜的材料为彩色滤光片材料，所述微透镜的表面覆盖有保护层。

2.根据权利要求1所述的图像传感器微透镜结构，其特征在于，所述微透镜材料包含以下三种材料中的任一种或多种：红色滤光片材料、绿色滤光片材料和蓝色滤光片材料。

3.根据权利要求2所述的图像传感器微透镜结构，其特征在于，每组像素单元包括三个首尾相连的像素，三个像素的感光器件的上方的微透镜材料分别为红色滤光片材料、绿色滤光片材料和蓝色滤光片材料。

4.根据权利要求3所述的图像传感器微透镜结构，其特征在于，所述微透镜的上表面到下表面的距离大于等于0.2um。

5.根据权利要求4所述的图像传感器微透镜结构，其特征在于，所述保护层采用无机物透明树脂材料或硅玻璃材料，其厚度大于等于10nm。