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Die Erfindung betrifft einen Bildsensor und ein Verfahren zur Herstellung dieses Bildsensors.
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Viele Wechselverkehrszeichen und Fahrzeug-Heckleuchten werden heute mit LEDs betrieben. Zur Erhöhung der Lebensdauer und zur Helligkeits-Regulierung werden diese oft gepulst betrieben. Liegt die Puls-Wiederholrate in der gleichen Größenordnung wie die Bild-Wiederholfrequenz der Kamera, kann es passieren, dass Puls und Detektions-Zeit nur teilweise überlappen. Im ungünstigsten Fall nimmt die Kamera über mehrere Bilder hinweg immer in den Pausen des Verkehrszeichens auf. Folglich wird das Zeichen nicht erkannt.
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Vor diesem Hintergrund werden ein Bildsensor und ein Verfahren zur Herstellung dieses Bildsensors beschrieben, wobei der Bildsensor das oben genannte Problem behebt und eine zuverlässige Erkennung von gepulst betriebenen Lichtquellen sicherstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung beschreibt einen Bildsensor, umfassend eine phosphoreszierende Schicht, welche derart angebracht ist, dass von dieser Schicht ausgehende Strahlung von einer aktiven Sensorfläche des Bildsensors erfassbar ist.
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Unter einer aktiven Sensorfläche kann beispielsweise ein Pixel eines Bildsensors verstanden werden. Falls auf dieser Sensorfläche eine transparente, insbesondere für sichtbares Licht durchlässige, Schutzschicht angebracht sein sollte, so fällt auch diese Schutzschicht unter die Definition der aktiven Fläche. Diese Schutzschicht kann beispielsweise auch eine nach einem Ätzvorgang auf dem Sensor verbleibende Schicht aus dem Material des Bildsensors, beispielsweise Silizium, sein.
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Hierbei wird unter erfassbar verstanden, dass die Strahlung auf direktem Weg von der aktiven Fläche erfasst werden kann, sodass beispielsweise die ausschließliche Erfassung von Streustrahlung über weitere Oberflächen nicht unter diese Definition fällt.
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Unter einem phosphoreszierenden Material wird ein Material verstanden, welches im Anschluss an eine Lichteinwirkung (Bestrahlung mit Photonen) nachleuchtet. Das Nachleuten muss hierbei nicht unbedingt (kann aber, und kann auch ausschließlich) im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen. Bildsensoren können beispielsweise auch für Strahlung im Infrarot- oder UV-Bereich sensitiv sein.
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Der beanspruchte Bildsensor hat mehrere Vorteile. Der größte Vorteil besteht darin, dass ein Übersehen von gepulst betriebenen Lichtquellen ausgeschlossen werden kann. Da phosphoreszierende Materialien keine Totzeit haben, können auch während einer optisch inaktiven Zeit des Sensors (z.B. während der Auslesezeit) Photonen durch das phosphoreszierende Material gesammelt werden. Die phosphoreszierende Schicht leuchtet dann auch nach Beendigung der aktiven Bestrahlung weiter (Nachleuchten) und belichtet somit die aktive Fläche bei der Erfassung des nächsten Bildes. Ein völlig dunkles Bild durch ein „Verpassen“ der Pulse der Lichtquelle (falls die Lichtpulse immer außerhalb der Belichtungs-Zeitfenster des Bildsensors ausgesendet werden) ist somit ausgeschlossen.
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Der Bildsensor bietet zudem den Vorteil, dass er sehr kostengünstig hergestellt werden kann und gleichzeitig eine hohe Bildrate bei der Aufnahme von Bilder mit einem hohen Dynamikumfang (HDR-Bilder) möglich ist. Des Weiteren kann auch in hellen Umgebungen die Belichtung über eine Veränderung der Belichtungszeit angepasst werden.
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Da keine aufwendige Elektronik, die beispielsweise bei einem Flicker-Mitigation-Modus von bekannten Bildsensoren einzusetzen ist, notwendig ist, weist der Bildsensor einen reduzierten Energieverbrauch auf und produziert somit auch weniger Abwärme, die folglich nicht aufwendig abgeführt werden muss (z.B. durch eine aufwendige Kühlung). Hierdurch vereinfacht sich folglich auch das Kühlkonzept für den Bildsensor bzw. die Kamera, in welcher ein derartiger Bildsensor verbaut wird.
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Da gepulst beleuchtete Objekte in jedem Bild sichtbar sind, vereinfacht sich folglich deren Erkennung und ein Nachverfolgen / Tracken der Objekte. Hierdurch können auch einfachere und schnellere Algorithmen verwendet werden, wodurch sich die Sicherheit bei der Erkennung von Objekten und beispielsweise bei Anwendungen des Sensors in sicherheitsrelevanten Anwendungen, wie beispielsweise bei der Steuerung von automatisierten Robotern oder Fahrzeugen, erhöht.
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Diese Vereinfachung führt auch dazu, dass weniger Rechenleistung in einem Steuergerät zur Auswertung der Bilddaten notwendig ist. Das Steuergerät kann hierdurch kostengünstiger gefertigt werden und es kann zudem Energie eingespart und somit die Abwärme des Steuergeräts verringert werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die phosphoreszierende Schicht unmittelbar auf der aktiven Sensorfläche des Bildsensors aufgebracht.
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Unter unmittelbar aufgebracht wird verstanden, dass die Schicht in direktem Kontakt mit der aktiven Sensorfläche steht. Entsprechend der Definition der aktiven Sensorfläche fällt unter diesen Anspruch auch die unmittelbare Aufbringung der phosphoreszierenden Schicht auf eine eventuell vorhandene optisch transparente Schicht, insbesondere Schutzschicht, auf der aktiven Sensorfläche.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Bildsensor eine Farbmaske, wobei die phosphoreszierende Schicht unmittelbar an die Farbmaske angrenzt.
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Unmittelbar angrenzend bedeutet, dass keine weiteren Elemente oder Schichten zwischen Farbmaske und phosphoreszierender Schicht angeordnet sind. Die phosphoreszierende Schicht und die Farbmaske können in direktem Kontakt stehen, müssen sich aber nicht zwangsweise berühren.
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Bei der Farbmaske kann es sich um eine beliebige Farbmaske handeln, beispielsweise um einen klassischen Bayer-Filter oder dergleichen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die phosphoreszierende Schicht zwischen der aktiven Sensorfläche und der Farbmaske angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Bildsensor wenigstens zwei aktive Sensorflächen, wenigstens zwei phosphoreszierende Schichten und wenigstens ein Trennelement, wobei die Schichten und das Trennelement derart zu den Sensorflächen angeordnet sind, dass jeweils von einer der Schichten ausgehende Strahlung lediglich von jeweils einer der aktiven Sensorflächen erfassbar ist.
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Die Trennelemente könnten hierbei beispielsweise durch Seitenwände von in den Bildsensor eingeätzten Gräben über den aktiven Sensorflächen gebildet werden. Alternativ können auch Trennelemente auf den Bildsensor aufgebracht werden, beispielweise in Form vorgefertigter Masken. Diese können beispielsweise auf den Bildsensor geklebt werden und/oder durch eine entsprechende mechanische Passung in Position gehalten werden.
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Die Ausführung mit wenigstens einem Trennelement bietet den Vorteil, dass ein Übersprechen zwischen den aktiven Sensorflächen, beispielsweise unterschiedlichen Pixeln des Bildsensors, unterbunden wird. Somit trägt die zu einem aktiven Sensorelement zugehörige phosphoreszierende Schicht ausschließlich zur Belichtung dieses Sensorelementes bei und verursacht hierdurch keine Messfehler und/oder Verfälschungen und/oder ungewollte Streuung der Strahlung.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Trennelement als Trennschicht und/oder als Steg ausgebildet und zwischen den aktiven Sensorflächen angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Trennelement zumindest in Teilbereichen strahlungsabsorbierende und/oder -reflektierende Eigenschaften auf.
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Wird beispielsweise ein Graben geätzt und anschließend mit strahlungsabsorbierenden und/oder -reflektierenden Schicht überzogen, bildet die Kombination aus Seitenwand und Schicht das Trennelement. Die Teilbereiche sind beispielsweise die Bereiche des Trennelementes, die aus der strahlungsabsorbierenden und/oder -reflektierenden Schicht bestehen. Je nach Material des Bildsensors kann auch bereits dessen Grundmasse entsprechende Eigenschaften aufweisen, sodass ggf. das gesamte Trennelement strahlungsabsorbierende und/oder -reflektierende Eigenschaften aufweist.
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Zudem wir ein Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors nach einer der oben aufgeführten Ausführungsformen beansprucht, welches den Schritt des Aufbringens einer phosphoreszierenden Schicht auf den Bildsensor umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den Schritt des Aufbringens einer Farbmaske auf den Bildsensor.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird insbesondere ein Bildsensor mit wenigstens zwei aktiven Sensorflächen und zwei phosphoreszierenden Schichten und wenigstens einem Trennelement hergestellt, wobei vor dem Aufbringen der phosphoreszierenden Schicht die folgenden Schritte ausgeführt werden:
- • Aufbringen einer Ätzmaske auf den Bildsensor zur Freilegung der wenigstens zwei aktiven Sensorflächen des Bildsensors und zur Bildung wenigstens eines zwischen den aktiven Sensorflächen angeordneten Trennelements;
- • Ätzen, insbesondere anisotropes Ätzen, des Bildsensors unter Verwendung der Ätzmaske;
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Bei dem Bildsensor kann es sich insbesondere um einen Bildsensor auf Siliziumbasis handeln. Silizium lässt sich leicht mittels bekannter Ätzverfahren bearbeiten. Die Verwendung andere gängiger und dem Fachmann bekannter Materialien sind möglich.
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Die Ätzmaske kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass durch den anschließenden Ätzvorgang Gräben in den Bildsensor geätzt werden, dessen Ränder bzw. Seitenwände Trennelemente ausbilden. Es kann folglich für jedes aktive Sensorelement ein eigener Graben geätzt werden, welcher das Sensorelement zu allen Seiten (bei gängigen Bildsensoren zu vier Seiten) bezüglich sich benachbart angeordneter Sensorelemente hin abschirmt.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den zusätzlichen Schritt des Aufdampfens einer strahlungsabsorbierenden und/oder -reflektierenden Schicht auf den geätzten Bildsensor und den weiteren Schritt des anschließenden erneuten Ätzens, insbesondere anisotropen Ätzens, zur Entfernung von Teilbereichen der aufgedampften Schicht.
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Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass nicht direkt zum Sensorelement gerichtete und unmittelbar auf diesem eintreffende Strahlung entweder absorbiert oder reflektiert werden kann. Hierdurch können Streulichteffekte vermieden werden.
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In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der Bildsensor während des Aufdampfens gekippt und/oder gedreht, sodass die zu den Sensorflächen gewandten Seiten der Trennelemente zumindest teilweise mit der strahlungsabsorbierenden und/oder -reflektierenden Schicht überzogen werden.
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Werden beispielsweise Gräben geätzt, werden unter den zu den Sensorflächen gewandten Seiten der Trennelemente die Innenwände der Gräben verstanden. Durch Kippen bzw. Neigen des Bildsensors kann, ausgehend von der Ausgangslage des Bildsensors, senkrecht von oben aufgedampftes Material an die Seitenwände bzw. an die zu den aktiven Sensorflächen gewandten Seiten gelangen. Folglich können diese Bereiche von der aufzudampfenden Masse erreicht werden und es kann eine gleichmäßige und/oder vollflächige Beschichtung erfolgen. Wird der Bildsensor alternativ oder ergänzend um eine seiner Achsen, insbesondere eine seiner Hauptträgheitsachsen, weiter insbesondere um eine auf der Sensorfläche senkrecht stehende Achse, gedreht, kann ebenfalls eine vorteilhafte Verteilung des aufzudampfenden Materials erreicht werden. Die Geschwindigkeit der Rotation kann hierbei variieren und in Abhängigkeit der Intensität des Aufdampfens angepasst werden.
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Des Weiteren wird eine Kamera beansprucht, insbesondere eine Fahrzeugkamera, welche einen dieser Erfindung zugrundeliegenden Bildsensor umfasst.
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Zudem wird die Verwendung eines dieser Erfindung zugrundeliegenden Bildsensors in einer Fahrzeugkamera zur Erzeugung von Bilddaten für eine Fahrzeugfunktion, insbesondere eine Fahrzeugsicherheits- und/oder Fahrerassistenzfunktion und/oder einer automatisierten Fahrfunktion, beansprucht.
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Durch die Sicherstellung der Erkennung von gepulst beleuchteten Straßenschildern bietet eine derartige Verwendung den Vorteil, dass die Zuverlässigkeit und somit die Sicherheit von Fahrfunktionen erhöht werden kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Bildsensor.
- 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Bildsensors.
- 3 skizziert ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors.
- 4 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Bildsensors 101 dargestellt. Der Bildsensor 101 weist einen Körper 105 aus Silizium auf, welcher mehrere aktive Sensorflächen 104 umfasst. Unmittelbar auf den aktiven Sensorflächen 104 ist eine phosphoreszierende Schicht 103 aufgebracht. Über dieser Schicht ist ein klassischer Farbfilter 102 angebracht, sodass mittelst des Bildsensors 101 farbige Bilder erfassbar sind.
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In einer weiteren Ausführungsform wird als Material für die phosphoreszierende Schicht Phosphor verwendet. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass eine Trennschicht zwischen Silizium und Phosphor vorliegt. Reiner Phosphor könnte das Silizium dotieren und die Photodiode (ggf. in unerwünschter Weise) beeinflussen
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Bildsensors 201 dargestellt. Dieser weist einen ähnlichen Aufbau zu dem Bildsensor 101 aus dem ersten Ausführungsbeispiel auf. Er umfasst einen Körper 205 mit aktiven Sensorflächen 204. Auf diesen Sensorflächen 204 ist in diesem Ausführungsbeispiel jedoch keine zusammenhängende phosphoreszierende Schicht aufgebracht. Stattdessen ist über jeder aktiven Sensorfläche 204 eine separate phosphoreszierende Schicht 203 angebracht. Um eine Übersprechen zwischen den einzelnen Sensorflächen 204 zu vermeiden, sind zwischen den Sensorflächen 204 Trennelemente 206 angebracht. Diese sind für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich undurchlässig und schirmen folglich die unterschiedlichen Sensorflächen 204 inklusive der darauf angebrachten phosphoreszierenden Schichten 203 voneinander ab.
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Die Trennelemente können in weiteren Ausführungsformen lichtabsorbierende und/oder -reflektierende Eigenschaften aufweisen.
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Auf den phosphoreszierenden Schichten 203 sind in diesem Ausführungsbeispiel die Farbfilter 202 aufgebracht. Auch diese sind in diesem Ausführungsbeispiel separiert und werden durch die Trennelemente getrennt.
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Diese Trennung ist aber optional. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein zusammenhängender Farbfilter verwendet. In diesem Fall sind die Trennelemente etwas niedriger ausgestaltet, sodass eine ebene Fläche für die Anbringung des Farbfilters zur Verfügung steht.
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In 3 ist die Herstellung eines weiteren Bildsensors 301 dargestellt. Bei diesem Bildsensor 301 handelt es sich um einen Backside-Illumination-(BSI)-Bildsensor 301. Bei herkömmlichen Sensoren reduzieren Leiterbahnen und Schaltungen die lichtempfindliche Fläche der Pixel. Wird der Sensor dagegen von der Rückseite beleuchtet (BSI), kann die gesamte Oberfläche genutzt werden. Alle Ausführungsbeispiele und oben angeführten Ausführungsformen können sowohl mit herkömmlichen Bildsensoren als mit BSI-Sensoren umgesetzt werden.
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3 a) zeigt den Bildsensors 301, welcher einen Körper 305 aus Silizium und mehrere Pixel 304 aufweist.
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In 3 b) ist der Bildsensor mit einer auf seine Oberfläche aufgebrachten Ätzmaske aus Lack 306 dargestellt.
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In 3 c) ist der Bildsensor 301 nach erfolgtem anisotropem Ätzvorgang abgebildet. Durch den Ätzvorgang wurden über den Pixeln 304 Gräben 308 ausgeformt. Die Seitenwände dieser Gräben 308 bilden Trennelemente 309 aus, welche in den Gräben 309 anordenbare phosphoreszierende Schichten örtlich und abhängig vom Material des Bildsensors ggf. auch schon optisch voneinander trennen bzw. abschirmen.
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In 3 d) ist der Bildsensor 301 nach Anwendung eines optionalen Schritts des Aufdampfens einer strahlungsabsorbierenden (alternativ oder ergänzend auch - reflektierenden) Schicht 307 abgebildet. Während des Aufdampfens kann der Bildsensor 301 optional gekippt und/oder gedreht werden, sodass eine optimale Abscheidung des aufzudampfenden Materials an den Innenwänden der Gräben 308 bzw. Trennelemente 309 erfolgen kann.
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In 3 e) ist der Bildsensor 301 nach Durchführung des weiteren Schritts des erneuten Ätzens, insbesondere anisotropen Ätzens, dargestellt. Die auf den kurzen Seiten der Trennelemente 209 und auf den Pixeln 304 aufgedampfte strahlungsabsorbierende Schicht 307 wurde hierbei wieder entfernt, sodass die strahlungsabsorbierende Schicht 307 lediglich an den Innenseiten der Gräben 308 bzw. Trennelemente 309 verbleibt.
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In 3 f) ist der Bildsensor 301 nach der Durchführung des zunächst finalen Schrittes der Aufbringung von phosphoreszierendem Material 303 auf die Pixel 304 gezeigt. Das phosphoreszierende Material 303 ist in den Gräben 308 angeordnet und wird durch die Trennelemente 209 voneinander separiert. Die aufgedampfte Schicht 307 ist hierbei als ein Bestandteil der Trennelemente 209 zu verstehen.
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In 4 ist ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung eines Bildsensors skizziert.
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Das Verfahren startet in Schritt 401.
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Im optionalen Schritt 402 wird eine Ätzmaske auf den Bildsensor aufgebracht.
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Im optionalen Schritt 403 wird der Bildsensor einem anisotropen Ätzverfahren unterzogen, sodass Gräben über den Pixeln des Bildsensors ausgebildet werden.
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Im optionalen Schritt 404 wird eine strahlungsabsorbierende (alternativ auch - reflektierende) Schicht auf den Bildsensor aufgebracht. Insbesondere wird der Bildsensor hierbei gekippt und gedreht, sodass die Innenseiten der Gräben mit der strahlungsabsorbierenden Schicht bedeckt werden.
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Im optionalen Schritt 405 erfolgt ein weiterer Ätzvorgang, bei welchem Teile der strahlungsabsorbierenden Schicht wieder entfernt werden. Insbesondere werden hierbei die Teile der Schicht entfernt, die sich auf den Pixeln des Bildsensors abgesetzt haben und diese folglich gegen Einstrahlung von Licht abschirmen würden.
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In Schritt 406 wird eine phosphoreszierende Schicht auf den Bildsensor, insbesondere auf die Pixel des Bildsensors, aufgebracht.
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Das Verfahren endet in Schritt 407.
