DE102016208841A1

DE102016208841A1 - Farbsensor mit winkelselektiven Strukturen

Info

Publication number: DE102016208841A1
Application number: DE102016208841.6A
Authority: DE
Inventors: Wladimir Tschekalinskij; Stephan Junger; Nanko Verwaal; Norbert Weber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-05-23
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2036-05-24
Also published as: US20170336317A1; US10139339B2; DE102016208841B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Farbsensor mit wenigstens einem photosensitiven Element, vor dem ein Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten ausgebildet ist, und wenigstens einem Farbfilter, durch das auf eine Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallende optische Strahlung gefiltert wird, bevor sie auf eine photosensitive Fläche des photosensitiven Elements trifft. Bei dem vorgeschlagenen Farbsensor ist zwischen der Lichteintrittsseite und der photosensitiven Fläche ein Array aus winkelselektiven Durchgangspassagen für die optische Strahlung ausgebildet, die jeweils nur Anteile der auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallenden optischen Strahlung auf die photosensitive Fläche gelangen lassen, die innerhalb eines begrenzten Einfallswinkelbereichs bezüglich einer senkrecht zum Farbfilter verlaufenden Achse auf die Lichteintrittsseite treffen. Der Farbsensor ermöglicht bei einer Fertigung des Farbsensors in Halbleitertechnologie eine Integration der winkelselektiven Strukturen in den CMOS-Schichtstapel. Damit lassen sich ultraflache Farbsensoren realisieren.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Farbsensor mit wenigstens einem photosensitiven Element, vor dem ein Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten ausgebildet ist, und wenigstens ein Farbfilter, durch das auf eine Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallende optische Strahlung gefiltert wird, bevor sie auf eine photosensitive Fläche des photosensitiven Elements trifft.
Optische Farbsensoren kommen bspw. in Kolorimetern, für die Farberkennung in Druckmaschinen und in der Textilindustrie, zur Farbregelung von LED-Leuchten oder in der Analytik zum Einsatz. Sie nutzen in der Regel Interferenzfilter oder plasmonische Filter als Farbfilter vor dem photosensitiven Element. Derartige Filter zeigen eine starke Winkelabhängigkeit. Bei nicht senkrecht auftreffender Strahlung verschiebt sich die zentrale Wellenlänge des Durchlassbereiches der Filter in den kurzwelligen Bereich. Diese Verschiebung ist abhängig vom Einfallswinkel, der Brechzahl des Filters und der Wellenlänge: λ₁ = λ₀(1 – sin²Θ/n²)^1/2 wobei θ dem Einfallswinkel, λ₁ der Peak-Wellenlänge bei dem Einfallswinkel θ, λ₀ der Peak-Wellenlänge bei senkrechtem Einfall (θ = 0°) und n dem effektiven Brechungsindex des Farbfilters entsprechen. Bei plasmonischen Filtern ist dieser Effekt stärker ausgeprägt als bei Interferenzfiltern. Die Filtercharakteristik wird breiter und die Transmission im Durchlassbereich nimmt ab. Dieses Verhalten hat einen Einfluss auf die Genauigkeit der Messungen mit einem derartigen Farbsensor.
Stand der Technik
Zur Gewährleistung einer hohen Messgenauigkeit werden bei Farbsensoren winkelselektive Strukturen eingesetzt, die nur optische Strahlung auf das photosensitive Element gelangen lassen, die unter einem entsprechend kleinen Einfallswinkelbereich auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors trifft. Dies kann durch einen zusätzlichen mechanischen Aufbau auf dem Farbsensor realisiert werden. Sehr oft besteht dieser Aufbau aus einem Schacht mit einer kleinen Öffnung, die den maximalen Einfallswinkel festlegt. Bei einem Farbsensor, der vollständig in Halbleitertechnologie hergestellt wurde, ist der mechanische Aufbau jedoch viel größer als der Farbsensor selbst. Eine Integration einer derartigen winkelselektiven Struktur in Halbleitertechnologie lässt sich für photosensitive Elemente mit größerer photosensitiver Fläche nur schwer realisieren, weil in diesem Fall der CMOS-Schichtstapel über der photosensitiven Fläche, der normalerweise eine Dicke von ≤ 10 μm aufweist, etwa 1 mm oder höher sein müsste, um eine gute Filterwirkung zu erreichen. Da optische Farbsensoren im Unterschied zu Bildsensorelementen einer RGB-Kamera für eine absolut genaue Messung von Farbtemperatur und Farbort eingesetzt werden, benötigen sie jedoch ein entsprechend großflächiges photosensitives Element mit geringem Rauschen und hoher Empfindlichkeit. So haben üblicherweise Photodioden, die in optischen Farbsensoren zur Farbmessung eingesetzt werden, eine photosensitive Fläche von ≥ 20 × 20 μm. Demgegenüber sind die Bildsensorelemente bzw. -pixel in RGB-Kameras in der Regel deutlich kleiner und haben eine Pixelgröße von ≤ 5 × 5 μm. In derartigen Bildsensoren für RGB-Kameras werden sog. Cross-Talk-Filter in Form von Wellenleitern oder Mikrolinsen eingesetzt, um ein Übersprechen zwischen den einzelnen Pixeln zu verhindern. Hierbei geht es nicht um eine Begrenzung des Einfallswinkels im Hinblick auf die spektrale Filterung, sondern lediglich um die Vermeidung des Übersprechens zwischen den einzelnen Pixeln.
So beschreibt bspw. die US 2006/0113622 A1 eine Struktur zur Vermeidung des Übersprechens von Bildsensorelementen, bei dem über jeder Photodiode ein optischer Wellenleiter in den Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten eingebettet ist, der durch eine Begrenzung aus einer reflektierenden oder absorbierenden Schicht das Übersprechen in benachbarte Bildsensorelemente verhindert.
Aus der US 2009/0295953 A1 ist ein Bildsensor mit einem Array aus Bildsensorelementen bekannt, bei dem für jedes Bildsensorelement durch Strukturierung der metallischen Schichten im CMOS-Schichtstapel eine Blendenanordnung gebildet wird, die einen Linseneffekt zur Fokussierung der einfallenden Strahlung auf die jeweilige Photodiode des Bildsensorelementes haben soll.
Aus der US 2014/0197301 A1 ist ein Bildsensor mit einem Array aus Bildsensorelementen bekannt, bei dem für jedes Bildsensorelement ein Lichtwellenleiter in den CMOS-Schichtstapel integriert ist. Zusätzlich wird vorgeschlagen, elektrische Durchkontaktierungen in den dielektrischen Schichten des Schichtstapels so auszubilden, dass sie einen oder mehrere geschlossene Ringe um den jeweiligen Wellenleiter herum bilden. Auch durch diese Maßnahmen soll das Übersprechen zwischen den einzelnen Bildsensorelementen verhindert werden.
Diese zur Vermeidung des Übersprechens bei Bildsensoren für Kameras eingesetzten Cross-Talk-Filter sind für die dort vorliegenden kleinen photosensitiven Flächen einzelnen Bildsensorelemente bzw. Pixel in den CMOS-Schichtstapel integrierbar. Sie müssen außerdem nur das Übersprechen zwischen den einzelnen Pixeln verhindern und dienen nicht der Begrenzung des Einfallswinkels für eine möglichst genaue spektrale Filterung. Um eine derartige Begrenzung des Einfallswinkels für eine großflächige Photodiode zu erreichen, wie sie bei optischen Farbsensoren eingesetzt wird, müsste der CMOS-Schichtstapels um ein Vielfaches erhöht werden.
In der DE 10 2010 011 577 A1 wird ein Lösungsweg für eine winkelabhängige Farbkorrektur bei einer Farbmessung mit Farbsensoren beschrieben, der keine zusätzliche winkelselektive Struktur am Farbsensor erfordert. Die gesamte Farbkorrektur findet in einem Rechner statt. Dies ist eine gute Lösung für Druckmaschinen, bei denen der Einfallswinkel des Lichts durch zusätzliche Optiken ausreichend eingegrenzt werden kann. In der allgemeinen Praxis ist damit eine Messung jedoch schwierig zu realisieren, weil das Nutzsignal (Licht mit Einfallswinkel < 20°) aus dem gesamten Signal (Licht mit Einfallswinkel > 20°) ausgefiltert werden soll. In der Regel trifft das gesamte Winkelspektrum von ±80° auf den Farbsensor.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Farbsensor mit winkelselektiven Strukturen anzugeben, der sich mit geringer Dicke realisieren lässt und eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht. In einer bevorzugten Ausgestaltung soll der Farbsensor einschließlich der winkelselektiven Strukturen vollständig in Halbleitertechnologie herstellbar sein.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Farbsensor gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Farbsensors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Der vorgeschlagene Farbsensor weist wenigstens ein photosensitives Element mit einer photosensitiven Fläche von vorzugsweise ≥ 10 × 10 μm, vor dem ein Schichtstapel aus dielektrischen und strukturierten metallischen Schichten ausgebildet ist, sowie wenigstens ein Farbfilter auf, durch das auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallende optische Strahlung gefiltert wird, bevor sie auf die photosensitive Fläche des photosensitiven Elements trifft. Das Farbfilter ist zwischen der Lichteintrittsseite des Farbsensors und der photosensitiven Fläche angeordnet. Es kann auf dem Schichtstapel oder zwischen Schichtstapel und photosensitiver Fläche angeordnet oder auch in den Schichtstapel integriert sein. Das photosensitive Element ist dabei vorzugsweise als Photodiode realisiert. Der vorgeschlagene Farbsensor zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Lichteintrittsseite und der photosensitiven Fläche ein Array aus winkelselektiven Durchgangspassagen für die optische Strahlung ausgebildet ist, die jeweils nur Anteile der auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallenden optischen Strahlung auf die photosensitive Fläche gelangen lassen, die innerhalb eines begrenzten Einfallswinkelbereichs bezüglich einer senkrecht zum Farbfilter verlaufenden Achse auf die Lichteintrittsseite treffen. Der begrenzte Einfallswinkelbereich beträgt dabei vorzugsweise ≤ 20°, besonders bevorzugt ≤ 10°.
Ein in Halbleitertechnologie hergestellter Farbsensor ist in der Regel aus wenigstens einem photosensitiven Element, insbesondere einer Photodiode, und strukturierten Metallschichten als elektrische Kontaktierungen aufgebaut, die durch dielektrische Schichten getrennt sind. Über diesem Schichtstapel aus metallische Strukturen bildenden Metallschichten und dielektrischen Schichten befindet sich ein Farbfilter. Das Farbfilter kann auch unterhalb oder innerhalb des Schichtstapels angeordnet sein. Als Farbfilter können dabei, wie auch beim vorgeschlagenen Farbsensor, auch nanostrukturierte Metall- oder dielektrische Schichten eingesetzt werden, die Farbfilterwirkung haben. Bei dem vorgeschlagenen Farbsensor wird zur Begrenzung des Einfallswinkels der auf den Farbsensor einfallenden Strahlung, die auf die photosensitive Fläche trifft, ein Array aus Durchgangspassagen eingesetzt, die den Einfallswinkel durch ihre Dimensionierung entsprechend begrenzen. Durch Einsatz eines Arrays winkelselektiver Durchgangspassagen je photosensitivem Element anstelle einer einzelnen Durchgangspassage wie im Stand der Technik kann die Höhe dieser winkelselektiven Struktur auch bei dem bei Farbsensoren eingesetzten großflächigen photosensitiven Elementen niedrig gehalten werden. Damit lässt sich ein derartiger Farbsensor mit einer entsprechend geringen Höhe realisieren. Die winkelselektiven Durchgangspassagen stellen dabei Bereiche dar, durch die die einfallende Strahlung ohne größere Verluste passieren kann, wenn sie mit einem Einfallswinkel innerhalb des begrenzten Einfallswinkelbereiches in die Bereiche eintritt. Die Begrenzung dieser Bereiche erfolgt durch geeignete Strukturen, die auftreffende Strahlung so absorbieren oder reflektieren, dass diese den Bereich nicht oder nur zu einem geringen Anteil passieren kann. Das Array aus winkelselektiven Durchgangspassagen wird im Folgenden auch als Winkelfilter, die einzelnen winkelselektiven Durchgangspassagen werden auch als Winkelfilterelemente bezeichnet.
Grundsätzlich lässt sich das Array auch als zusätzlicher Aufbau über dem Schichtstapel realisieren. In der bevorzugten Ausgestaltung ist dieses Array jedoch in den Schichtstapel integriert, indem zumindest einige der metallischen Schichten so strukturiert sind, dass sie entsprechende Arrays metallischer Blenden bilden. Die einzelnen Blenden sind dabei jeweils so übereinander angeordnet, dass sie nur Licht innerhalb eines bestimmten Einfallswinkelbereichs auf die photosensitive Fläche des photosensitiven Elements gelangen lassen.
Jede Durchgangspassage soll Lichtfelder mit entsprechend kleinem Einfallswinkel möglichst ohne Dämpfung passieren lassen und Lichtfelder mit größeren Einfallswinkeln möglichst stark dämpfen. Das entsprechend ausgefilterte Licht darf auch nicht in Form von gestreutem Licht oder als Reflex auf die photosensitive Fläche treffen, sondern muss vorher zurück reflektiert oder absorbiert werden. Der vorgeschlagene Farbsensor verwendet dabei in der bevorzugten Ausgestaltung keine Wellenleiter, sondern nutzt lediglich Streuung und Absorption an entsprechend dimensionierten Metallstrukturen. Vorzugsweise werden hierbei nicht nur die metallischen Schichten zur Bildung der winkelselektiven Durchgangspassagen eingesetzt sondern auch metallische Durchkontaktierungen in den dielektrischen Schichten, die zur Begrenzung des Einfallswinkels geeignet ausgebildet und angeordnet werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die winkelselektiven Durchgangspassagen daher metallische Durchkontaktierungen, sog. Vias, in einer oder mehreren dielektrischen Schichten des Schichtstapels, die jeweils um zentrale Achsen der Durchgangspassagen herum verteilt angeordnet sind. Die unterste metallische Blende jeder Durchgangspassage, die der photosensitiven Fläche am nächsten liegt und in einer der untersten metallischen Schichten des Schichtstapels gebildet ist, weist dabei einen Öffnungsdurchmesser auf, der geringer ist als der Öffnungsdurchmesser der durch die Verteilung der metallischen Durchkontaktierungen um die zentrale Achse gebildeten Aperturen. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Winkelselektivität erreichen, da von der untersten Blende rückgestreute Strahlung durch die metallischen Durchkontaktierungen absorbiert wird. Der Grund für die Streuung und Beugung bei den Durchkontaktierungen ist, dass ihre Abmessungen zumindest in einer Dimension kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, wobei sie beispielsweise bei Einsatz der 180nm-CMOS-Technologie nur einen Durchmesser von ca. 250 nm aufweisen.
Das Array aus Durchgangspassagen umfasst dabei vorzugsweise wenigstens 3 × 3 Elemente bzw. Durchgangspassagen über der photosensitiven Fläche. Die Anzahl der Winkelfilterelemente hängt dabei in erster Linie von der Größe der photosensitiven Fläche und der erforderlichen Begrenzung des Einfallswinkels ab. Die Mittenabstände (Pitch) der einzelnen Winkelfilterelemente bzw. Durchgangspassagen betragen vorzugsweise zwischen 1 und 12 μm bei einer lateralen Ausdehnung der Winkelfilterelemente von vorzugsweise etwa 0,5 bis 8 µm.
Unter dem Farbsensor gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht nur ein Farbsensor mit mehreren Farbkanälen bzw. photosensitiven Elementen zu verstehen, die entsprechend unterschiedliche Farbanteile detektieren und alle mit einem Schichtstapel, einem Farbfilter und einem Winkelfilter gemäß der vorangegangenen Beschreibung versehen sind. Vielmehr kann der vorgeschlagene Farbsensor auch als Primärfarbsensor ausgebildet sein, der dann nur ein photosensitives Element aufweist und nur einen durch den Farbfilter vorgegebenen Farbbereich detektiert. Farbsensoren gemäß der vorliegenden Erfindung, die auch als Multispektralsensoren ausgebildet sein können, lassen sich beispielsweise in Kolorimetern, für die Farberkennung in Druckmaschinen und in der Textilindustrie, zur Farbregelung von LED-Leuchten oder in der Analytik einsetzen. Dies ist keine abschließende Aufzählung. Durch die Möglichkeit des sehr flachen Aufbaus kann ein entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgebildeter, ultradünner Farbsensor sehr gut direkt in eine LED-Leuchte oder ein Smartphone integriert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene Farbsensor wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Beispiel für den Aufbau eines Farbsensors mit neun Farbkanälen;
2A ein Beispiel für den Aufbau eines Farbkanals eines Farbsensors mit oben liegendem optischen Filter;
2B ein Beispiel für den Aufbau eines Farbkanals eines Farbsensors mit unten liegendem optischen Filter;
3 ein Beispiel für den Aufbau eines Farbsensors mit winkelselektiver Struktur gemäß dem Stand der Technik;
4A ein Beispiel für den Aufbau des vorgeschlagenen Farbsensors in Draufsicht;
4B ein erstes Beispiel für den Aufbau einer Durchgangspassage des vorgeschlagenen Farbsensors im Querschnitt;
4C ein zweites Beispiel für den Aufbau einer Durchgangspassage des vorgeschlagenen Farbsensors im Querschnitt;
4D ein drittes Beispiel für den Aufbau einer Durchgangspassage des vorgeschlagenen Farbsensors im Querschnitt;
5A ein viertes Beispiel für den Aufbau einer Durchgangspassage des vorgeschlagenen Farbsensors im Querschnitt;
5B eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der winkelselektiven Strukturen des vorgeschlagenen Farbsensors;
6 ein Beispiel für die Ausgestaltung metallischer Blenden und Anordnung der Durchkontaktierungen einer Durchgangspassage beim vorgeschlagenen Farbsensor;
7A/B zwei Beispiele für den Aufbau einer Durchgangspassage beim vorgeschlagenen Farbsensor;
8 zwei Beispiele für die Ausgestaltung des Farbfilters beim vorgeschlagenen Farbsensor;
9A–C ein Beispiel für die Ausgestaltung der winkelselektiven Strukturen beim vorgeschlagenen Farbsensor in Draufsicht;
10 ein Beispiel für die Verteilung der Durchkontaktierungen um die zentrale Achse der Durchgangspassage beim vorgeschlagenen Farbsensor; und
11 ein weiteres Beispiel für die Verteilung der Durchkontaktierungen um die zentrale Achse der Durchgangspassage beim vorgeschlagenen Farbsensor.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Ein optischer Farbsensor weist in der Regel mehrere Farbkanäle bzw. Farbsensorelemente auf, die unterschiedliche Spektralanteile der einfallenden Strahlung detektieren. 1 zeigt beispielhaft im linken Teil eine Draufsicht auf einen optischen Farbsensor 1 mit neun Farbsensorelementen 2 für die Messung von Farbort und Farbtemperatur oder die Abschätzung des Spektrums der einfallenden Strahlung. Jeder dieser Farbsensorelemente 2 weist eine großflächige Photodiode 3, einen über der Photodiode 3 angeordneten CMOS-Schichtstapel 4 und ein optisches Farbfilter 8 auf. Im vorliegenden Beispiel verfügt jedes Farbsensorelement 2 über ein anderes Farbfilter, wie dies mit den unterschiedlichen Wellenlängenangaben im linken Teil der Figur angedeutet ist, die die jeweilige zentrale Durchlasswellenlänge (Peak-Wellenlänge) des Farbfilters angeben. Die Photodiode 3 weist in der Regel eine Fläche von ≥ 10 × 10 μm auf, um die für die genaue Messung von Farbtemperatur und Farbort erforderliche hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Im CMOS-Schichtstapel 4 sind vertikale Durchkontaktierungen 7 und horizontale Verdrahtungen 6a ausgebildet, die in einem Dielektrikum eingebettet sind. Es handelt sich dabei um einen Schichtstapel aus dielektrischen Schichten 5 und strukturierten metallischen Schichten 6, durch die die horizontalen Verdrahtungen 6a gebildet werden. Optional kann auf einem Farbsensorelement 2 auch eine Mikrolinse 9 angeordnet sein, wie dies beispielhaft in den 2A und 2B dargestellt ist. Auch der vorgeschlagene Farbsensor kann einen derartigen Aufbau aufweisen.
2A zeigt beispielhaft den Aufbau eines Farbsensorelements mit einem oberhalb des CMOS-Schichtstapels 4 angeordneten optischen Filter 8, über dem eine Mikrolinse 9 angeordnet ist. Das optische Filter 8, bspw. ein nanostrukturiertes optisches Filter, kann auch zwischen der Photodiode 3 und dem CMOS-Schichtstapel 4 angeordnet sein, wie dies in 2b schematisch dargestellt ist. Auch eine Anordnung zwischen den einzelnen Schichten 6 des CMOS-Schichtstapels 4 ist möglich.
Für eine genaue Farbmessung ist es aufgrund der Winkelabhängigkeit des Farbfilters erforderlich, den Einfallswinkel der auf die Photodiode auftreffenden und von der Photodiode detektierten Strahlung stark zu begrenzen. Hierzu wird gemäß dem Stand der Technik bspw. ein mechanischer Aufbau auf dem Sensorelement realisiert, wie er in 3 schematisch dargestellt ist. Diese winkelselektive Struktur ist in Form eines Zylinders 11 mit zwei Blenden 10 aufgebaut. Das Verhältnis zwischen den Durchmessern der Blenden 10 und der Höhe b des Zylinders 11 definiert den Empfangswinkel der einfallenden Strahlung. Allerdings muss für die in der Regel erforderlichen Einfallswinkel von ≤ 10° bei den bei Farbsensoren eingesetzten großflächigen Photodioden eine Höhe b dieses Aufbaus gewählt werden, der die Dicke c des Sensorelementes weit übersteigt. So lässt sich ein in Halbleitertechnologie mit einem CMOS-Schichtstapel realisiertes Farbsensorelement mit einer Dicke c von etwa 10 μm herstellen, während die Höhe des mechanischen Aufbaus b für die erforderliche Winkelselektivität etwa 10 mm beträgt. Derartige Farbsensoren bzw. Farbsensorelemente lassen sich dann für viele Anwendungen nicht einsetzen, die einen entsprechend flachen Aufbau des Farbsensors erfordern.
Bei dem vorgeschlagenen Farbsensor wird diese Problematik dadurch gelöst, dass als winkelselektive Struktur ein Array aus winkelselektiven Durchgangskanälen bzw. Durchgangspassagen, im Folgenden auch als Winkelfilter bezeichnet, für jedes Farbsensorelement bzw. jede Photodiode eingesetzt wird. 4A zeigt hierzu beispielhaft eine Draufsicht auf ein entsprechendes Farbsensorelement 2, das ein derartiges Array von winkelselektiven Durchgangspassagen bzw. Winkelfilterelementen 12 über der Photodiode aufweist. Durch die Nutzung nicht einer einzelnen winkelselektiven Durchgangspassage wie bei 3, sondern eines Arrays aus winkelselektiven Durchgangspassagen kann die Höhe eines entsprechenden Aufbaus deutlich geringer ausfallen als beim Stand der Technik. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dieses Array aus winkelselektiven Durchgangspassagen bzw. Winkelfilterelementen daher auch in den CMOS-Schichtstapel 4 integriert.
Eine Möglichkeit der Realisierung besteht darin, die aus dem Stand der Technik bei den Bildsensor-Arrays bekannte Technik der Cross-Talk-Filter hier nicht zur Vermeidung des Übersprechens sondern zur Begrenzung des Einfallswinkels innerhalb eines Farbsensorelements einzusetzen. So zeigt 4B eine beispielhafte Ausgestaltung eines Winkelfilterelementes 12 im Querschnitt, das durch einen sich konisch zur Photodiode 3 hin im Querschnitt verringernden optischen Wellenleiter 13 im CMOS-Schichtstapel gebildet ist. Es kann ein zylindrischer Wellenleiter eingesetzt werden. Der Brechungsindex des Wellenleitermaterials ist in diesem Beispiel höher als der Brechungsindex des umgebenden Dielektrikums. Der jeweilige Wellenleiter kann auch mit reflektierenden oder absorbierenden Wänden ausgebildet sein. Die Technik zur Einbettung derartiger Wellenleiter in einen CMOS-Schichtstapel ist bspw. in der bereits genannten US 2014/0197301 A1 beschrieben. Als Wellenleiter können auch Zylinder aus Metall genutzt werden, die auch durch ringförmig um die zentrale Achse der Durchgangspassage geschlossene Durchkontaktierungen gebildet sein können. Durch geeignete Materialwahl oder absorbierende Beschichtung muss dabei verhindert werden, dass unerwünschte Strahlanteile durch Reflexion an der Innenseite der Zylinder auf die sensitive Fläche gelangen.
Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Wellenleitern 13 können über entsprechende, in den metallischen Schichten des CMOS-Schichtstapels 4 ausgebildete metallische Strukturen abgedeckt werden, wie dies in der 4C mit den beiden metallischen Strukturen 14, 15 angedeutet ist. Bei der oberen metallischen Struktur 14 kann es sich auch um eine zusätzlich auf den CMOS-Schichtstapel aufgebrachte und strukturierte Metallisierung handeln. 4D zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung, bei dem lediglich im unteren Bereich des CMOS-Schichtstapels eine metallische Struktur 15 zur Abdeckung der aktiven Fläche der Photodiode 3 angeordnet ist.
Ein mit einem Einfallswinkel < A (vgl. 4B und 4C) einfallender Strahl 31 geht fast ohne Abschwächung durch das jeweilige Winkelfilterelement 12 hindurch und gelangt auf die Photodiode 3. Ein Strahl 31 mit einem Einfallswinkel > A würde aufgrund der Eigenschaften des Wellenleiters 13 absorbiert oder reflektiert. Ein Array aus derartigen Winkelfilterelementen 12 kann in Strahlrichtung vor dem Farbfilter 8 oder auch hinter dem Farbfilter 8 angeordnet sein. Das Array muss die aktive bzw. sensitive Fläche der Photodiode 3 vollständig abdecken. Es weist einen Mittenabstand bzw. Pitch p der einzelnen Winkelfilterelemente 12 auf, der gleich oder größer als die Größe f jedes einzelnen Winkelfilterelements ist (vgl. 4A).
Das Verhältnis zwischen der Periode bzw. dem Pitch p des Arrays und der Elementgröße f definiert die Transmission und Qualität der Filterung. Der Raum zwischen den einzelnen Durchgangspassagen bzw. Winkelfilterelementen muss mit Metallstrukturen abgedeckt sein. Bei einem größeren Pitch p des Arrays wird die Filterwirkung besser, die Transmission verschlechtert sich jedoch und umgekehrt. Die Transmission des vorgeschlagenen Winkelfilters im Akzeptanzbereich des Winkelfilters (z.B. +/–5° für plasmonische Filter) liegt zwischen 5% und 30%. Dadurch wird das zur Verfügung stehende Signal (Photostrom) um den gleichen Faktor reduziert. In vielen Anwendungen in der Beleuchtungstechnik sind nur niedrige Abtastraten erforderlich, so dass die mit dem Einsatz des Winkelfilters verbundene Reduktion der Sensorempfindlichkeit durch die Verwendung eines integrierenden Vorverstärkers mit längeren Integrationszeiten kompensiert werden kann. Vorzugsweise liegt die Integrationszeit des Vorverstärkers zwischen 1 Millisekunde und 10 Sekunden. In Anwendungen mit höheren Abtastraten kann die Dämpfung des Winkelfilters durch eine Erhöhung der Photodiodenfläche oder einen höheren Verstärkungsfaktor des Vorverstärkers kompensiert werden.
Der CMOS-Schichtstapel 4 unterscheidet sich bei Farbsensoren von Prozess zu Prozess. Die Array-Periode des vorgeschlagenen Winkelfilters liegt jedoch unabhängig davon vorzugsweise im Bereich zwischen 0,5 und 10 μm. Das Optimum der Größe f der Winkelfilterelemente liegt zwischen 0,5 und 8 μm.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Farbsensors bzw. der darin eingesetzten winkelselektiven Strukturen erläutert. 5A zeigt hierzu einen beispielhaften Aufbau eines Teils eines Farbsensorelementes mit zwei nebeneinander angeordneten Winkelfilterelementen 12. Ein Winkelfilterelement weist in diesem Beispiel eine oder mehrere Reihen aus Durchkontaktierungen 17 in den dielektrischen Schichten 5 des CMOS-Schichtstapels 4, eine Öffnung 18 in der untersten Metallschicht 19 des Schichtstapels 4 sowie als Inseln oder Ringe ausgebildete metallische Strukturen 20, 21, 22 in anderen metallischen Schichten (ME-Schichten) von der untersten Metallisierung bis zur Topmetallisierung. Durch diese metallischen Strukturen wird eine winkelselektive Durchgangspassage zur Photodiode im Si-Substrat 16 gebildet.
Das gesamte Farbsensorelement umfasst wiederum ein Array dieser Durchgangspassagen bzw. Winkelfilterelemente 12. Die Größe eines Winkelfilterelementes liegt im Bereich von 0,5 bis 10 μm. Bei einer derart kleinen Größe kann für eine Simulation nicht die Strahloptik angewendet werden. Es muss vielmehr die Feldausbreitung berechnet werden. In der Praxis kann die Größe eines Winkelfilterelements auch noch größer als 10 μm sein. Das Feld F1 mit dem Einfallswinkel A, der für den Winkelfilter noch akzeptabel ist, wird durch die mehreren Öffnungen in den CMOS-Schichten nur schwach gebeugt und trifft durch die Öffnung 18 der untersten Metallschicht 19 auf die Photodiode im Si-Substrat 16, wie dies in 5B schematisch angedeutet ist. Das Feld F2, das unter einem größeren Einfallswinkel auf die Lichteintrittsseite des Farbsensorelementes einfällt, trifft die Reihe an Durchkontaktierungen 17 an der in 5B angedeuteten Auftreffposition 23, wird dort stark gebeugt und teilweise reflektiert und breitet sich weiter bis zur nächsten Auftreffposition 24 aus. Dort wird es noch einmal an einer Reihe an Durchkontaktierungen 17 stark gebeugt und reflektiert und trifft dann auf die unterste Metallschicht 19. Von diesem Metall wird der Rest des Feldes F2 wieder nach oben zurück reflektiert, trifft also nicht auf die Photodiode 3 im Substrat 16. Bei Verwendung von Wolfram als Material für die Durchkontaktierungen 17 in den dielektrischen Schichten beträgt der Reflexionsgrad bei einer Wellenlänge von 587 nm etwa 50%, der verbleibende Energieanteil wird absorbiert. Der Reflexionsgrad für Aluminium, aus dem bspw. die metallischen Strukturen 19–22 gebildet sein können, beträgt 95%. Aufgrund der Mehrfachreflexion und Beugung an den Vias wird das Feld F2 viel stärker gedämpft als Feld F1. So wird bspw. durch nur zwei Reflexionen an Durchkontaktierungen 17 bereits eine Abschwächung des Feldes F2 um 75% erreicht.
Bei jedem Halbleiterprozess sind Designregeln zu beachten, die den minimalen Abstand zwischen Durchkontaktierungen definieren. Zur Realisierung des vorgeschlagenen Winkelfilters wird vorzugsweise der kleinste erlaubte Abstand zwischen den Durchkontaktierungen gewählt, da bei kleineren Abständen zwischen den Durchkontaktierungen die Beugung an diesen stärker wird, was die Effizienz von Winkelfiltern ohne Zusatzdämpfung erhöht.
6 zeigt nochmals einen derartigen Aufbau eines Winkelfilterelements im Querschnitt senkrecht zur Oberfläche der Photodiode sowie entlang der Querschnitte A-A und B-B, die den Ebenen der metallischen Schichten ME1 und ME4 entsprechen. In diesen Schichten sind die Durchkontaktierungen 17 zu erkennen, die um die Durchgangspassage herum angeordnet sind. Für diese Durchkontaktierungen 17 kann anstelle von Wolfram auch ein anderes Material verwendet werden, das eine starke Dämpfung oder Streuung für die einfallende Strahlung aufweist. Die durch die metallischen Strukturen in den metallischen Schichten gebildeten Blenden müssen ebenfalls nicht unbedingt aus Aluminium sein, sondern können auch aus einem anderen Metall bestehen.
Die Öffnung 18 in der metallischen Schicht 19 (ME1) hat in diesem Beispiel einen Durchmesser von etwa 0,3 bis 4 μm. Dieser Durchmesser ist abhängig von der Größe des Winkelfilterelementes und der Wellenlänge. Die Periode (Pitch p) des Arrays liegt im Bereich von 1 bis 12 μm. Eine Erhöhung des Pitch p verbessert die Winkelfilterwirkung, bewirkt aber auch eine höhere Dämpfung des senkrecht einfallenden Lichts durch Verschlechterung des Verhältnisses der Blendenöffnung 18 zur photosensitiven Fläche.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung mit mehreren reflektierenden Flächen mit höherem Reflexionsgrad in Form der strukturierten metallischen Schichten und den Reihen der Durchkontaktierungen mit geringem Reflexionsgrad und einem Mittenabstand der Durchkontaktierungen, der kleiner als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung ist, hat einen Vorteil gegenüber Ausgestaltungen mit um die Durchgangspassage herum geschlossenen, bspw. ringförmigen Durchkontaktierungen. Im vorgeschlagenen Design haben drei Effekte den größten Einfluss auf die vom Einfallswinkel abhängige Dämpfung. Dies sind die Absorption von Material selbst, die starke Beugung einer feineren Anordnung der Durchkontaktierungen sowie die Streuung und Beugung an den metallischen Strukturen der metallischen Schichten ME2 bis zum Topmetall. Die Strukturen in den metallischen Schichten sind zwischen den Durchkontaktierungen angeordnet. Sie können regelmäßig wie in 7A oder auch unregelmäßig angeordnet sein, wie in 7B beispielhaft dargestellt. Eine entsprechende Reihe einzelner Durchkontaktierungen mit geringem gegenseitigem Abstand hat dabei eine bessere Wirkung als ein metallischer Ringwellenleiter.
Ein Winkelfilter soll sich auch möglichst neutral zur Wellenlänge verhalten. In der vorgeschlagenen Anordnung sollte die kleinste Öffnung in jedem Winkelfilterelement daher vorzugsweise in der Nähe der Photodiode sein, um die Beugungseffekte an dieser Öffnung, die von der Wellenlänge abhängig sind, zu eliminieren. Bei Auftreten von wellenlängenabhängigen Effekten, beispielsweise einer wellenlängenabhängigen Dämpfung, kann auch eine Kalibrierung des Winkelfilters zusammen mit dem Farbfilter erfolgen, um mögliche Farbfehler zu kompensieren.
Besonders wichtig ist die Anwendung von Winkelfiltern in Farbsensoren, die einen nanostrukturierten optischen Farbfilter einsetzen. Optische Nanostrukturen im Dielektrikum oder im Metall sind sehr empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel. Schon ab einem Einfallswinkel von 5° werden der Bandpass-Filter auf Basis eines Locharrays um 20% breiter und die Filtertransmission um 25% schlechter.
8 zeigt ein Beispiel eines derartigen Farbsensorelementes im Ausschnitt, das oben eine strukturierte ME-Schicht 25 aufweist. Dies kann ein Locharray oder ein Inselarray 26 sein oder eine Kombination aus mehreren nanostrukturierten Schichten, die in den CMOS-Schichtstapel integriert sind. Es kann auch ein Polarisationsfilter 27 sein, das Stege aus Metall oder Dielektrikum hat. Solche Filter aus nanostrukturierten Schichten können sich oberhalb des Winkelfilters befinden, wie in 8 dargestellt, im CMOS-Schichtstapel integriert sein (zwischen den ME-Schichten) oder unterhalb des Winkelfilters angeordnet sein, d. h. zwischen der untersten metallischen Schicht ME1 und der Photodiode 3 bzw. dem Si-Substrat 16. Der Winkelfilter filtert das Licht aus, das unter einem zu großen Winkel einfällt und für das oder die nanostrukturierten Filter als Störlicht zu betrachten ist.
9 zeigt einen Ausschnitt aus einem Layout für den Aufbau eines Winkelfilters gemäß der vorliegenden Erfindung. In 9A sind hierbei die ME1- und ME2-Schichten und Durchkontaktierungen zu erkennen. 9B zeigt nur die ME1-Schicht 28 mit Öffnungen, 9C die ME2-Schicht 29 mit den Durchkontaktierungen bzw. Vias. Obwohl die Durchkontaktierungen in den Figuren im Querschnitt quadratisch dargestellt sind, können sie jede beliebige Querschnittsform aufweisen, beispielsweise bei der Fertigung rund bzw. ohne gerade Kanten ausgebildet werden.
Die Verteilung der Durchkontaktierungen 17 kann in unterschiedlicher Weise erfolgen. 10 zeigt hierzu ein Beispiel für eine Verteilung. Es können mehrere Reihen von Durchkontaktierungen 17 um die zentrale Öffnung herum verwendet werden, um die Effizienz des Winkelfilters zu erhöhen. Zusammen mit einer besseren Effizienz wird die Transmission des Filters jedoch geringer. Die Durchkontaktierungen 17 können hierbei bspw. in zwei Reihen regelmäßig angeordnet sein, wie in 10 dargestellt, oder auch unregelmäßig. Selbstverständlich sind auch beliebig andere Anordnungen der Durchkontaktierungen, auch in mehr als zwei Reihen möglich. Auch eine oder mehrere Reihen von Durchkontaktierungen mit gebrochener Symmetrie sind möglich. Ein solches Design erhöht die Transmission ohne eine Verschlechterung der Filtereffizienz. 11 zeigt hierzu beispielhaft eine Anordnung von zwei Reihen von Durchkontaktierungen 17, bei denen einzelne Durchkontaktierungen für eine regelmäßige Anordnung fehlen. Die Positionen dieser fehlenden Durchkontaktierungen 30 sind in der Figur angedeutet. Falls eine noch geringere Anzahl an Durchkontaktierungen verwendet wird, erhöht sich die Transmission, der Wirkungsgrad des Winkelfilters wird jedoch schlechter.
Der Winkelfilter kann beim vorgeschlagenen Farbsensor direkt in Halbleitertechnik hergestellt werden. Solche Farbsensoren werden deutlich kleiner, vor allem flacher, als Farbsensoren mit externem mechanischem Aufbau. Ein arrayförmiger Winkelfilter ist eine Lösung für großflächige Farbsensoren. Die Fläche des Farbkanals bzw. Farbsensorelements des Farbsensors kann dadurch ohne Verschlechterung der Winkelfilterfunktion vergrößert werden. Die Anwendung des Winkelfilters zusammen mit plasmonischen Metallfiltern, die sehr empfindlich gegenüber dem Einfallswinkel sind, hat den Vorteil, dass der ganze Farbsensor ohne Postprozessing hergestellt werden kann. Es lassen sich damit ultraflache Farbsensoren realisieren, die keinen externen mechanischen Aufbau benötigen. Aufgrund der geringen Winkelabhängigkeit vom Farbfilterspektrum wird mit dem vorgeschlagenen Winkelfilter die Sensorauflösung (spektrale Selektivität) erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Farbsensor
2: Farbsensorelement
3: Photodiode
4: CMOS-Schichtstapel
5: dielektrische Schicht
6: strukturierte metallische Schicht
6a: horizontale Verdrahtung
7: Durchkontaktierung
8: Farbfilter
9: Mikrolinse
10: Blende
11: Zylinderaufbau
12: Winkelfilterelement/Durchgangspassage
13: Wellenleiter
14: strukturierte Metallisierung
15: strukturierte metallische Schicht
16: Si-Substrat mit Photodiode
17: Durchkontaktierung
18: Öffnung
19: unterste metallische Schicht
20: metallische Struktur
21: metallische Struktur
22: metallische Struktur
23: Auftreffposition
24: Auftreffposition
25: nanostrukturiertes Farbfilter
26: Loch- oder Inselarray
27: Polarisationsfilter
28: ME1-Schicht
29: ME2-Schicht mit Durchkontaktierungen
30: fehlende Durchkontaktierung
31: einfallender Strahl

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2006/0113622 A1 [0004]
US 2009/0295953 A1 [0005]
US 2014/0197301 A1 [0006, 0039]
DE 102010011577 A1 [0008]

Claims

Farbsensor mit wenigstens einem photosensitiven Element (3), vor dem ein Schichtstapel (4) aus dielektrischen (5) und strukturierten metallischen Schichten (6) ausgebildet ist, und wenigstens einem Farbfilter (8), durch das auf eine Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallende optische Strahlung (31) gefiltert wird, bevor sie auf eine photosensitive Fläche des photosensitiven Elements (3) trifft, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichteintrittsseite und der photosensitiven Fläche ein Array aus winkelselektiven Durchgangspassagen (12) für die optische Strahlung ausgebildet ist, die jeweils nur Anteile der auf die Lichteintrittsseite des Farbsensors einfallenden optischen Strahlung (31) auf die photosensitive Fläche gelangen lassen, die innerhalb eines begrenzten Einfallswinkelbereichs bezüglich einer senkrecht zum Farbfilter (8) verlaufenden Achse auf die Lichteintrittsseite treffen.
Farbsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelselektiven Durchgangspassagen (12) durch metallische Strukturen (19–22) in dem Schichtstapel (4) gebildet sind.
Farbsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelselektiven Durchgangspassagen (12) jeweils metallische Blenden umfassen, die in mehreren der strukturierten metallischen Schichten (6) ausgebildet sind.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelselektiven Durchgangspassagen (12) jeweils metallische Durchkontaktierungen (17) in einer oder mehreren der dielektrischen Schichten (5) umfassen.
Farbsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die winkelselektiven Durchgangspassagen (12) jeweils metallische Durchkontaktierungen (17) in einer oder mehreren der dielektrischen Schichten (5) umfassen, die um zentrale Achsen der Durchgangspassagen (12) herum verteilt angeordnet sind, wobei ein Öffnungsdurchmesser einer untersten der metallischen Blenden, die der photosensitiven Fläche am nächsten liegt, jeweils geringer ist als Öffnungsdurchmesser der durch die Verteilung der metallischen Durchkontaktierungen (17) um die zentrale Achse gebildeten Aperturen.
Farbsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Durchkontaktierungen (17) in wenigstens einer Reihe um die zentralen Achsen der Durchgangspassagen (12) herum angeordnet sind, in der sie einen Mittenabstand aufweisen, der kleiner als 1 µm, besonders bevorzugt kleiner als 0,5 µm ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die photosensitive Fläche eine Größe von ≥ 10 × 10 µm aufweist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Array aus wenigstens 3 × 3 Durchgangspassagen (12) gebildet ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbsensor in Halbleitertechnologie, insbesondere in CMOS-Technologie, hergestellt ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das photosensitive Element (3) eine Photodiode ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbfilter (8) ein Interferenzfilter oder ein nanostrukturiertes Filter ist.
Farbsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Farbsensor wenigstens einen mit einem oder mehreren der photosensitiven Elemente (3) verbundenen integrierenden Vorverstärker aufweist.
Farbsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der integrierende Vorverstärker eine Integrationszeit aufweist, die im Bereich zwischen 1 Millisekunde und 10 Sekunden liegt.