FR2935070A1 - Imageur comprenant des elements optiques de filtrage et de convergence - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un imageur (110) comprenant des zones photosensibles (12) et une matrice d'éléments colorés (E1-E3) réalisant une fonction de filtrage d'une lumière incidente (LR) dirigée vers les zones photosensibles. Selon l'invention, les éléments de la matrice d'éléments colorés présentent une surface supérieure convexe et réalisent également une fonction de microlentilles de convergence par rapport à la lumière incidente.
Description
IMAGEUR COMPRENANT DES ÉLÉMENTS OPTIQUES DE FILTRAGE ET DE CONVERGENCE
La présente invention concerne un imageur comprenant des zones photosensibles incorporées dans un substrat de semi-conducteur, et une matrice d'éléments colorés réalisant une fonction de filtrage d'une lumière incidente dirigée vers les zones photosensibles. La présente invention se rapporte également à la fabrication d'imageurs de technologie CMOS ("métal-oxydesemi-conducteur complémentaire"). Les imageurs fabriqués selon la technologie CMOS sont actuellement utilisés dans un nombre croissant d'applications en raison de leur faible prix de revient relativement aux imageurs de type CCD (dispositif à couplage de charges). Les imageurs CMOS ont initialement été utilisés pour fabriquer des capteurs d'image à basse résolution de médiocre qualité (par exemple des cybercaméras). A l'heure actuelle, après un investissement significatif de recherche et de développement, les imageurs CMOS peuvent rivaliser avec les imageurs de type CCD. La présente invention entre dans le cadre des efforts réalisés pour perfectionner de cette technologie d'imageurs. La figure 1 représente un module d'acquisition de trame photo et/ou vidéo, prévu par exemple pour être incorporé dans un dispositif portable tel qu'un téléphone mobile, un appareil de prise de vues ou une caméra vidéo. Le module 1 comprend une structure 2, un bloc de support de lentilles 3, des lentilles 4 montées dans le bloc 3, un diaphragme 5, un filtre infrarouge 6 et un support 7. Un imageur CMOS 11 est disposé sur le support 7 et reçoit une lumière incidente LR traversant les lentilles et le filtre infrarouge. L'imageur CMOS 11 se présente sous la forme d'une puce de semi-conducteur et comprend plusieurs photosites, formant chacun un pixel (non visible sur la figure 1). Chaque pixel comprend une photodiode et un circuit destiné à commander et à interconnecter la photodiode. Les pixels sont arrangés sous forme matricielle. Une mosaïque de filtres colorés, tels que des filtres vert, rouge et bleu, est répartie au-dessus de la matrice de pixels par exemple selon l'architecture de Bayer (les cellules d'une rangée étant alternativement vertes et rouges ou alternativement bleues et vertes). Chaque pixel est ainsi recouvert par un filtre d'une couleur déterminée et fournit des informations de luminance se rapportant à la couleur qui lui est attribuée, en formant des informations de pixels. La figure 2 est une vue en coupe transversale simplifiée de l'imageur 11 dans une région correspondant à trois pixels Pixl, Pix2, Pix3. Cette figure est prévue uniquement pour des raisons illustratives, et ne représente pas une vraie architecture de Bayer, les couleurs verte rouge, bleu n'apparaîtraient pas en ligne. De bas en haut, les couches lla, llb, 11c, lld et lle et des microlentilles MLO (MLO-1, MLO-2, MLO-3) peuvent être distinguées. La couche lla est le substrat de semi-conducteur dans lequel l'imageur est implanté. Cette couche lla comprend une zone active de l'imageur comprenant des photodiodes 12 et leurs circuits de commande et d'interconnexion associés (non détaillés). La couche llb est formée d'un matériau diélectrique qui couvre entièrement le substrat lla. La couche llc est une couche de passivation déposée sur l'imageur à la fin du processus de fabrication. La couche lld comprend des filtres colorés R1, R2, R3, par exemple des éléments vert, rouge et bleu, formant les filtres colorés mentionnés ci-dessus, avec un filtre coloré par pixel. La couche lle, ou couche d'aplanissement, est une couche intermédiaire d'un matériau formant une base de niveau pour les microlentilles MLO. Les microlentilles MLO sont disposées suivant une matrice de microlentilles MLA avec une microlentille par pixel.
Les microlentilles MLO exécutent une fonction de convergence, représentée sur la figure 2, par rapport à la lumière incidente LR. La lumière LR arrive au niveau des surfaces convexes des microlentilles MLO, puis traverse les corps de la lentille MLO et des filtres colorés R1, R2, R3 et converge sur les photodiodes 12 de la couche lla grâce aux microlentilles. Les microlentilles MLO sont généralement fabriquées en utilisant un matériau polymère photosensible (résine photosensible), ci-après décrit comme étant une "résine photosensible de microlentille". Un procédé de fabrication des microlentilles comprend par exemple une étape de dépôt d'une couche de résine photosensible de microlentille sur la couche d'aplanissement lle, une étape de "cuisson douce" de la couche de résine photosensible de microlentille, une étape d'exposition de la couche de résine photosensible à une lumière ultraviolette (UV) à travers un photomasque et une étape d'élimination de la résine photosensible de microlentille exposée en utilisant un solvant organique pour obtenir une matrice de microlentilles plates. Les microlentilles plates sont ensuite soumises à une étape de "fluage thermique" à une température déterminée pour subir un traitement qui gonfle le matériau et rend convexes les surfaces supérieures des microlentilles. Une étape finale de "cuisson dure" assure le durcissement des microlentilles. Ce procédé de fabrication classique de microlentilles présente certains inconvénients tels que le fait que la couche d'aplanissement lle doit être déposée sur des filtres colorés avant de fabriquer la matrice de microlentilles, et le fait que les microlentilles sont éloignées des photodiodes 12 en raison de l'interposition des filtres colorés et de la couche d'aplanissement. En conséquence, il peut être souhaitable de prévoir un procédé de fabrication d'une matrice de microlentilles
qui ne nécessite pas le dépôt d'une couche d'aplanissement entre les filtres colorés et la matrice de microlentilles. Il peut également être souhaitable de prévoir une structure d'imageur dans laquelle la matrice de microlentilles est plus proche du plan des photodiodes. Un mode de réalisation de l'invention concerne un imageur comprenant des zones photosensibles incorporées dans un substrat de semi-conducteur, et une matrice d'éléments colorés réalisant une fonction de filtrage d'une lumière incidente dirigée vers les zones photosensibles, dans lequel les éléments de la matrice d'éléments colorés présentent une surface supérieure convexe et réalisent également une fonction de microlentille de convergence par rapport à la lumière incidente. Selon un mode de réalisation, les éléments colorés ont des couleurs différentes. Selon un mode de réalisation, les surfaces supérieures des éléments colorés présentent la même 20 convexité. Selon un mode de réalisation, les surfaces supérieures des éléments colorés sont de convexités différentes en fonction de la couleur des éléments colorés. 25 Un mode de réalisation de l'invention concerne également un module d'acquisition de trame photo et/ou vidéo, comprenant un imageur selon l'invention. Un mode de réalisation de l'invention concerne également un procédé de fabrication d'un imageur, 30 comprenant les étapes consistant à former une couche de base comprenant des zones photosensibles incorporées dans un substrat de semi-conducteur, fabriquer, sur la couche de base, des blocs colorés réalisant une fonction de filtrage d'une lumière incidente dirigée vers les zones 35 photosensibles, le procédé comprenant en outre une étape
consistant à mettre en forme la surface supérieure des blocs colorés pour obtenir des éléments colorés ayant une surface supérieure convexe et réalisant en outre une fonction de microlentille de convergence par rapport à la lumière incidente. Selon un mode de réalisation, l'étape de mise en forme de la surface supérieure des éléments colorés comprend les étapes consistant à former des blocs colorés ayant une surface supérieure plate, former des microlentilles provisoires ayant une surface supérieure convexe sur les blocs colorés plats, et graver les microlentilles provisoires et les blocs colorés pour transférer la forme des microlentilles provisoires aux blocs colorés jusqu'à ce que les microlentilles provisoires soient entièrement éliminées. Selon un mode de réalisation, les éléments colorés sont formés en utilisant au moins un matériau d'un premier type qui ne gonfle pas lorsqu'il est soumis à une certaine température, les microlentilles provisoires sont formées en utilisant au moins un matériau d'un deuxième type qui gonfle lorsqu'il est soumis à une certaine température, et la formation des microlentilles provisoires comprend des étapes de : dépôt d'au moins une couche du matériau du deuxième type, exposition puis développement de la couche du matériau du deuxième type pour obtenir des blocs du deuxième type de matériau, et exposition des blocs du deuxième type de matériau à une étape de fluage thermique de manière à obtenir les microlentilles provisoires.
Selon un mode de réalisation, l'étape de formation de microlentilles provisoires ayant une surface supérieure convexe comprend des étapes de : dépôt d'un volume calibré d'au moins un matériau, et durcissement du matériau.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes de : formation d'une matrice de blocs colorés, formation d'une matrice de microlentilles provisoires sur la matrice de blocs colorés, et gravure des microlentilles provisoires et des blocs colorés pour transférer la forme des microlentilles provisoires aux blocs colorés jusqu'à ce que les microlentilles provisoires soient entièrement éliminées. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes de : formation d'une matrice de blocs colorés ayant des couleurs différentes, formation de premières microlentilles provisoires sur des premiers blocs colorés ayant une première couleur, formation au moins de deuxièmes microlentilles provisoires sur au moins des deuxièmes blocs colorés ayant une deuxième couleur, les deuxièmes microlentilles provisoires ayant une forme convexe différente de la forme convexe des premières microlentilles provisoires, et gravure des premières et des deuxièmes microlentilles provisoires et des premiers et des deuxièmes blocs colorés pour transférer la forme des premières et des deuxièmes microlentilles provisoires aux premiers et aux deuxièmes blocs colorés. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend des étapes de : formation de premiers blocs colorés ayant une première couleur, formation de premières microlentilles provisoires sur les premiers blocs colorés, gravure des premières microlentilles provisoires et des premiers blocs colorés pour transférer la forme des premières microlentilles provisoires aux premiers blocs colorés, formation au moins de deuxièmes blocs colorés ayant une deuxième couleur, formation de deuxièmes microlentilles provisoires sur les deuxièmes blocs colorés, et gravure des deuxièmes microlentilles provisoires et des deuxièmes blocs colorés pour
transférer la forme des deuxièmes microlentilles provisoires aux deuxièmes blocs colorés. Selon un mode de réalisation, les deuxièmes microlentilles provisoires comportent une surface supérieure convexe différente de la surface supérieure convexe des premières microlentilles provisoires. Selon un mode de réalisation, le procédé comprend les étapes consistant à former une matrice de blocs colorés, et appliquer un moule comprenant des cavités sur une surface supérieure de la matrice de blocs colorés, de manière à imprimer la forme des cavités du moule dans la surface supérieure de la matrice de blocs colorés. Selon un mode de réalisation, le moule comprend des cavités d'un premier type et des cavités d'au moins un deuxième type, et le procédé comprend les étapes consistant à appliquer sur une surface supérieure des premiers blocs colorés ayant une première couleur les cavités du premier type, et appliquer sur une surface supérieure des deuxièmes blocs colorés ayant une deuxième couleur les cavités du deuxième type. Ces caractéristiques, ainsi que d'autres, seront exposées plus en détail dans la description qui suit de divers modes de réalisation d'un imageur et de divers modes de réalisation de procédés de fabrication d'un imageur selon l'invention, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1 précédemment décrite représente un module d'acquisition de trames photo et/ou vidéo contenant un imageur CMOS, - la figure 2 précédemment décrite est une vue en coupe transversale simplifiée d'un imageur CMOS classique, - les figures 3A et 3B sont des vues en coupe transversale de modes de réalisation d'un imageur selon l'invention, - les figures 4A à 4C sont des vues de dessus de photomasques représentés dans des vues en coupe transversale sur les figures 5B, 5E, 5H, 10B, 10K, 11B, - les figures 5A à 5I sont des vues en coupe transversale, selon deux axes de coupe différents, représentant certaines étapes de modes de réalisation d'un procédé de fabrication d'un imageur selon l'invention, - la figure 6 est une vue de dessus d'un photomasque 10 représenté selon une vue en coupe transversale sur la figure 7B, - les figures 7A à 7F représentent des étapes d'un premier mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un imageur selon l'invention, 15 - les figures 8A à 8C sont des vues de dessus de photomasques représentés dans des vues en coupe transversale sur les figures 9B, 9F, 10E, 1ON, 11E, - les figures 9A à 9J représentent des étapes d'un deuxième mode de réalisation d'un procédé de fabrication 20 d'un imageur selon l'invention, - les figures 10A à 10R présentent des étapes d'un troisième mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un imageur selon l'invention, - les figures 11A à 11I représentent des étapes d'un 25 quatrième mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un imageur selon l'invention, - les figures 12A et 12B représentent des étapes d'un cinquième mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un imageur selon l'invention, et 30 - les figures 13A et 13B représentent des étapes d'un sixième mode de réalisation d'un procédé de fabrication d'un imageur selon l'invention. La figure 3A est une représentation simplifiée selon une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation 35 110 d'un imageur selon l'invention, par exemple un imageur CMOS. L'imageur 110 comprend un substrat lla qui comprend une zone active comprenant des photodiodes 12 et
leurs circuits de commande et d'interconnexion associés (non détaillés), formant une matrice de pixels incorporé dans le substrat. Cet imageur est par exemple destiné à être monté dans un module d'acquisition de trame photo et/ou vidéo tel que représenté sur la figure 1. Au-dessus de la matrice de pixels, est disposée une couche diélectrique llb et une couche de passivation llc est située au- dessus de la couche diélectrique llb. Dans la description qui suit, les couches 11a, llb, 11c seront collectivement appelées "couche de base" et désignées par la référence 10. L'imageur 110 comprend en outre une matrice ACE1 d'éléments colorés El, E2, E3. Chaque élément coloré est disposé au- dessus d'un pixel et présente une surface supérieure convexe, en réalisant de cette manière à la fois une fonction de microlentilles de convergence et une fonction de filtrage par rapport à une lumière incidente LR qui arrive au niveau des surfaces convexes des éléments.
Dans ce mode de réalisation, les éléments El ont une première couleur Cl, les éléments E2 ont une deuxième couleur C2 et les éléments E3 ont une troisième couleur C3, par exemple le vert, le rouge et le bleu respectivement. Les pixels fournissent habituellement des informations de luminance se rapportant à la couleur qui leur est attribuée et la matrice d'éléments colorés peut par exemple être arrangée selon l'architecture de Bayer. Cependant, d'autres architectures et d'autres combinaisons de couleurs peuvent être utilisées en fonction des propriétés de capture de lumière souhaitées. Sur la figure 3A, il peut être observé que les surfaces supérieures des éléments colorés El, E2, E3 présentent la même convexité, même s'ils sont de couleurs différentes. Cependant, en fonction de l'indice de réfraction des différents éléments colorés et de l'architecture des photodiodes dans la couche de base 10, il peut être souhaitable de prévoir des éléments colorés ayant des convexités différentes en fonction de leurs couleurs de manière à focaliser les rayons de lumière globalement sur le même plan focal, et de cette manière optimiser les propriétés optiques de la matrice d'éléments colorés. La figure 3B représente un autre mode de réalisation 111 d'un imageur selon l'invention qui diffère de l'imageur 110 en ce qu'il comprend une matrice ACE2 d'éléments colorés El', E2', E3' dont les surfaces supérieures présentent des convexités différentes. L'utilisation de convexités différentes en fonction de la couleur suivant laquelle les éléments sont formés permet d'adapter leurs propriétés optiques, telles que le plan focal, de manière à corriger les disparités optiques dues aux différents indices de réfraction pour les différentes couleurs. Les matrices ACE1 ou ACE2 d'éléments colorés El-E3 ou El'-E3' exécutant une double fonction, c'est-à-dire agissant en tant que filtres colorés et en tant que microlentilles de convergence, présentent l'avantage de ne pas nécessiter la couche d'aplanissement classique entre une matrice de filtres classique et une matrice de microlentilles classique. De plus, les éléments colorés sont plus proches des photodiodes 12 que la matrice de microlentilles classique représentée sur la figure 2. Six modes de réalisation différents d'un procédé de fabrication d'un imageur 110 ou 111 seront ci-après décrits en relation avec les figures 5A à 5I, 7A à 7F, 9A à 9J, 10A à 1OR, 11A à 11I, 12A et 12B et 13A et 13B.
Bien que ces figures n'illustrent que la formation de quelques éléments colorés, il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que ces modes de réalisation permettent la fabrication collective d'une pluralité d'imageurs sur une tranche de semi-conducteur qui sera ensuite divisée en puces pour obtenir des puces d'imageurs individuelles. Il sera noté que les figures 3A, 3B ne sont données qu'à des fins illustratives, et ne représentent pas une structure de Bayer conventionnelle en ce que les couleurs verte, rouge et bleu sont représentées alignées. Premier mode de réalisation Ce mode de réalisation se rapporte à la fabrication d'une matrice ACE1 qui comprend des éléments colorés El-E3 présentant la même convexité. Il comprend une première phase consistant à produire collectivement une matrice de blocs colorés plats sur la couche de base 10, puis une deuxième phase consistant à mettre en forme la surface superieure des blocs colorés, en utilisant des microlentilles provisoires, pour obtenir la matrice ACE1. Première phase La figure 4A représente un mode de réalisation d'un exemple de photomasque MOl utilisé pour exposer une couche de résine photosensible colorée de couleur Cl, par exemple verte, à une lumière ultraviolette. La figure 4B représente un mode de réalisation d'un exemple de photomasque MO2 utilisé pour exposer une couche de résine photosensible colorée de couleur C2, par exemple rouge, à une lumière ultraviolette. La figure 4C représente un mode de réalisation d'un exemple de photomasque M03 utilisé pour exposer une couche de résine photosensible colorée de couleur C3, par exemple bleue, à une lumière ultraviolette. Chaque photomasque comprend des zones transparentes (représentées en blanc) ayant la forme d'un carré. Ces photomasques seront utilisés en association avec des résines photosensibles colorées d'un type négatif, ce qui signifie que les zones transparentes deviennent insolubles lorsqu'elles sont exposées à une lumière ultraviolette et subsistent après l'étape d'enlèvement de résine. Par exemple, si une architecture Bayer est souhaitée, la répartition des zones transparentes ("TZ") peut être la suivante : Tableau 00 - Exemple d'architecture souhaitée C2 Cl C2 Cl C2 Cl C3 Cl C3 Cl C2 Cl C2 Cl C2 Cl C3 Cl C3 Cl Tableau 01 - Photomasque MO1 (couleur Cl) TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ Tableau 02 - Photomasque MO2 (couleur C2) 10 Tableau 03 - Photomasque M03 (couleur C3) La première phase sera à présent décrite en référence à une vue en coupe transversale faite selon un 15 axe de coupe AA', et ensuite en référence à une vue en coupe transversale faite selon un axe de coupe BB' indiqués dans les tableaux ci-dessus. Elle comprend les étapes suivantes : (Vue selon l'axe de coupe AA') TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ TZ A B A' B' A B A' B' A B A' B' A B A' B' - dépôt d'une couche 21 d'une résine photosensible colorée de couleur Cl sur la couche de base 10 et cuisson douce de la couche 21 (figure 5A), - exposition de la couche 21 à de la lumière ultraviolette à travers le photomasque M01 (figure 5B), - élimination des zones non exposées de la couche 21, pour obtenir les blocs colorés B1 (figure 5C), - dépôt d'une couche 22 d'une résine photosensible colorée de couleur C2 sur la couche de base 10 et les blocs B1, et cuisson douce de la couche 22 (figure 5D), - exposition de la couche 22 à de la lumière ultraviolette à travers le photomasque MO2 (figure 5E), - élimination des zones non exposées de la couche 22, pour obtenir les blocs colorés B2 (figure 5F), (Vue selon l'axe de coupe BB') - dépôt d'une couche 23 d'une résine photosensible colorée de couleur C3 sur la couche de base 10 sur laquelle les blocs colorés B1, B2 ont déjà été formés et cuisson douce de la couche 23 (figure 5G), - exposition de la couche 23 à de la lumière ultraviolette à travers le photomasque M03 (figure 5H), et - élimination des zones non exposées de la couche 23 pour obtenir les blocs colorés B3 et l'obtention en conséquence d'une matrice Al de blocs colorés B1, B2, B3 (figure 5I, les blocs B2 n'étant pas visibles selon l'axe de coupe BB'). La matrice Al de blocs colorés qui vient d'être décrite peut comprendre des blocs présentant la même hauteur ou des hauteurs différentes selon ce qui est souhaité, de même que des configurations de couleurs différentes. Ces étapes sont mises en œuvre en utilisant des paramètres habituels du procédé qui sont bien connus de l'homme de l'art et peuvent varier en fonction des matériaux, des outils et des machines utilisés pour mettre en œuvre le procédé. Par exemple, le dépôt d'une
résine photosensible peut être exécuté en déposant une quantité de résine photosensible au centre de la couche de base 10 et en étalant la résine photosensible sur la couche de base 10 par un procédé d'application à la tournette ou par centrifugation. L'étape de cuisson douce peut être exécutée pendant quelques dizaines de secondes à une température d'environ 100 °C. Les étapes d'exposition peuvent être exécutées en exposant la couche de résine photosensible à de la lumière ultraviolette à travers un photomasque, pendant une durée correspondant au transfert de l'énergie photonique d'environ 300 mJ (milliJoules) par exemple. Pour éliminer les zones de résine photosensible non exposées et pour développer l'image des photomasques MO1, MO2 ou M03, une étape consistant à plonger la couche de résine photosensible dans un bain de solvant organique à une température déterminée (par exemple 23 °C), pendant une durée de quelques dizaines de secondes (par exemple 80 s) peut être exécutée. A la fin du procédé, une étape après la cuisson peut être exécutée pendant quelques minutes et à une température d'environ 200 °C pour durcir la résine. Deuxième phase Une fois que la matrice Al de blocs colorés B1, B2, B3 a été formée, les microlentilles provisoires sont formées au-dessus de la matrice Al en utilisant une résine photosensible de microlentille. Un photomasque M11 représenté sur la figure 6 est utilisé pour exposer la résine photosensible de microlentille à une lumière ultraviolette. Les zones du photomasque représentées en blanc sont transparentes et la lumière ultraviolette traverse celles-ci. Le photomasque M11 comprend une matrice de disques de forme circulaire adjacents qui bloquent la lumière ultraviolette. Ces disques circulaires définissent la forme de la base de microlentilles provisoires qui vont être formées d'une manière décrite plus loin, mais pourraient aussi être de
forme orthogonale, carrée, etc., si d'autres géométries sont visées. Une résine photosensible de microlentille d'un type positif est utilisée, ce qui signifie que les zones exposées à une lumière ultraviolette deviennent solubles et sont éliminées lorsqu'elles sont placées dans un agent de développement de résine photosensible. En conséquence, les disques opaques adjacents et tangents du photomasque M11 correspondent à la forme souhaitée des microlentilles provisoires devant être formées. Plus particulièrement, la deuxième phase comprend les étapes suivantes : - dépôt d'une couche 31 d'une résine photosensible de microlentille sur la matrice Al de blocs colorés B1, B2, B3 (comme observé ici selon l'axe de coupe AA' où seuls les blocs B1, B2 sont visibles) et cuisson douce de la couche 31 (figure 7A), - exposition de la couche 31 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque M11 (figure 7B), - élimination des zones exposées de la couche 31, pour obtenir une matrice de blocs MO (figure 7C), - fluage thermique des blocs MO de manière à obtenir une matrice de microlentilles provisoires LO (figure 7D), - gravure des microlentilles provisoires LO et de la matrice L1 de blocs colorés par un procédé isotrope, par exemple une gravure au plasma ou chimique, jusqu'à ce que les microlentilles provisoires LO aient été entièrement éliminées par gravure et que leur forme soit transférée dans la matrice Al de blocs colorés (figure 7E).
La matrice ACE1 d'éléments colorés El, E2, E3 décrite ci-dessus est ainsi obtenue (figure 7F, E3 n'étant pas visible selon l'axe de coupe AA'). L'étape de fluage thermique est par exemple exécutée à une température d'environ 200 °C à 240 °C pendant quelques dizaines de secondes (par exemple de 30 à 60 s). Cette étape amène le matériau de résine photosensible des blocs MO à gonfler, en transformant les blocs plats MO en
microlentilles provisoires LO ayant des surfaces supérieures convexes. Il peut être noté que les résines photosensibles colorées utilisées pour fabriquer les blocs B1, B2 et B3 ont une composition chimique qui est différente de celle de la résine photosensible de microlentille et qui ne permet pas à la résine photosensible de gonfler. En conséquence, du fait que les résines photosensibles colorées ne peuvent pas gonfler et prendre la forme convexe appropriée, il est impossible de former directement les éléments colorés convexes avec la résine photosensible colorée en utilisant la technique de fluage thermique classique. Il peut également être noté que la résine photosensible utilisée pour fabriquer les microlentilles provisoires peut être d'un autre type qu'une "résine photosensible de microlentille", si elle présente la même vitesse de gravure ou une vitesse de gravure proche de celle des résines photosensibles utilisées pour réaliser les blocs colorés B1, B2, B3, et si elle gonfle en réponse à l'étape de fluage thermique pour rendre les surfaces supérieures des microlentilles provisoires convexes. Cependant, dans un souci de clarté, l'expression "résine photosensible de microlentille" est utilisée dans la présente description pour la distinguer des résines photosensibles utilisées pour former les blocs colorés. Deuxième mode de réalisation Ce mode de réalisation concerne la fabrication de la matrice ACE2 d'éléments colorés précédemment décrit et comprend une première phase de fabrication de la matrice Al de blocs colorés, représenté sur la figure 5I. Cette phase a déjà été décrite en relation avec le premier mode de réalisation et ne sera pas de nouveau décrite.
Une deuxième phase de ce mode de réalisation vise à produire trois types différents de microlentilles provisoires. Ces différents types de microlentilles
provisoires ont des convexités différentes de manière à obtenir, après transfert de leur forme dans la matrice Al de blocs colorés, des éléments colorés El', E2', E3' de convexités différentes.
La figure 8A représente un mode de réalisation d'un exemple de photomasque M21 utilisé pour exposer une première couche d'une résine photosensible de microlentille. La figure 8B représente un mode de réalisation d'un exemple de photomasque M22 utilisé pour exposer une deuxième couche de résine photosensible de microlentille et la figure 8C représente un mode de réalisation d'un exemple de photomasque M23 utilisé pour exposer une troisième couche de résine photosensible de microlentille. Chaque photomasque comprend des disques opaques, dont les emplacements correspondent aux emplacements d'un type de blocs colorés dans la matrice Al. Ici, les disques opaques du photomasque M21 correspondent aux emplacements des blocs colorés Bl dans la matrice Al, et correspondent en conséquence à l'emplacement des zones transparentes (TZ) dans le tableau 01 ci-dessus. De la même manière, les disques opaques du photomasque M22 correspondent aux emplacements des blocs colorés B2 dans la matrice Al et à l'emplacement des zones transparentes dans le tableau 02 ci-dessus. Les disques opaques du photomasque M23 correspondent aux emplacements des blocs colorés B3 dans la matrice Al et à l'emplacement des zones transparentes dans le tableau 03 ci-dessus. Les diamètres des disques opaques des photomasques M21, M22, M23 sont identiques, mais peuvent être différents dans d'autres modes de réalisation. La deuxième phase du procédé sera décrite plus en détail selon l'axe de coupe AA'. Elle comprend les étapes suivantes : - dépôt d'une première couche 31 ayant une première épaisseur de résine photosensible de microlentille sur la matrice d'éléments colorés Al et cuisson douce de la couche 31 (figure 9A), - exposition de la couche 31 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque M21 (figure 9B), - élimination des zones exposées de la couche 31, pour obtenir des blocs M1 ayant la première épaisseur et situés sur les blocs colorés B1 (figure 9C), - fluage thermique des blocs Ml de manière à obtenir des microlentilles provisoires L1 présentant une convexité qui est une fonction de la première épaisseur (figure 9D), - dépôt d'une couche 32 d'une résine photosensible de microlentille ayant une deuxième épaisseur sur la matrice Al et sur les microlentilles provisoires L1, et cuisson douce de la couche 32 (figure 9E), - exposition de la couche 32 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque M22 (figure 9F), - élimination des zones exposées de la couche 32, pour obtenir les blocs d'un type M2 ayant la deuxième épaisseur et situés sur les blocs colorés B2 (figure 9G), - fluage thermique des blocs M2 de manière à obtenir les microlentilles provisoires L2 ayant une deuxième convexité qui est une fonction de la deuxième épaisseur (figure 9H), - répétition des étapes ci-dessus en déposant une couche de résine photosensible de microlentille ayant une troisième épaisseur et en utilisant le photomasque M23 pour obtenir des microlentilles provisoires L3 ayant une troisième convexité qui est une fonction de la troisième épaisseur et situées sur les blocs colorés B3 (étapes non représentées), de sorte qu'une matrice de microlentilles provisoires L1, L2, L3 est obtenu, - gravure des microlentilles provisoires L1, L2, L3 et de la matrice de blocs colorés B1, B2, B3 par un procédé isotrope (figure 9I) jusqu'à ce que la résine photosensible de microlentille ait été éliminée par gravure et que la forme des microlentilles provisoires
L1, L2, L3 ait été transférée à la matrice Al de blocs colorés. On obtient ainsi la matrice ACE2 d'éléments colorés (figure 9J), la matrice comprenant des éléments colorés El', E2' et E3' de convexités différentes.
Troisième mode de réalisation Dans ce mode de réalisation, chaque type d'élément coloré El, E2 ou E3 de la matrice ACE1 est fabriqué indépendamment de la fabrication des autres types d'éléments colorés. En conséquence trois phases sont prévues : - phase 1 : fabrication des éléments El, - phase 2 : fabrication des éléments E2, - phase 3 : fabrication des éléments E3. La phase 1 comprend les étapes suivantes : - dépôt d'une couche 21 de résine photosensible colorée sur la couche de base 10 et cuisson douce de la couche 21 (figure 10A), - exposition de la couche 21 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque MO1 (figure 10B), - élimination des zones non exposées de la couche 21, pour obtenir les blocs colorés B1 (figure 10C), - dépôt d'une couche 31 de résine photosensible de microlentille sur la couche de base 10 et les blocs colorés B1, et cuisson douce de la couche 31 (figure 10D), - exposition de la couche 31 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque M21 (figure 10E), - élimination des zones exposées de la couche 31, pour obtenir des blocs MO de résine photosensible de microlentille sur les blocs colorés B1 (figure 10F), - exposition des blocs MO à une étape de fluage thermique de manière à obtenir les microlentilles provisoires LO sur les blocs colorés B1 (figure 10G), et - gravure des microlentilles provisoires LO et des blocs colorés B1 par un procédé isotrope jusqu'à ce que la résine photosensible de microlentille ait été éliminée par gravure et que la forme des microlentilles provisoires LO ait été transférée dans les blocs colorés B1 (figure l0I), pour obtenir les éléments colorés El ayant une surface convexe. Afin de protéger les éléments colorés El au cours de la phase de transfert de forme pour les éléments colorés suivants E2, E3, une mince couche d'oxyde peut être déposée sur la couche de base 10 et les éléments colorés El après l'étape 10I. Dans un souci de simplicité, cette couche mince n'est pas représentée dans les figures suivantes. Alternativement, une autre résine photosensible peut être déposée après l'étape 10P en utilisant le photomasque MO2, ce qui nécessite alors une étape de développement et une étape d'élimination de la résine après que les éléments E2 ont été gravés. Ces étapes doivent être répétées pour chaque élément coloré El, E2, E3. La phase 2 comprend les étapes suivantes : - dépôt d'une couche 22 de résine photosensible colorée sur la couche de base 10 et sur l'élément coloré El, et 20 cuisson douce de la couche 21 (figure 10J), - exposition de la couche 22 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque MO2 (figure 10K), - élimination des zones non exposées de la couche 22, pour obtenir les blocs colorés B2 (figure 10L), 25 - dépôt d'une couche 32 de résine photosensible de microlentille sur la couche de base 10, les éléments colorés El et les blocs colorés B2, et cuisson douce de la couche 32 (figure 10M), - exposition de la couche 32 à une lumière ultraviolette 30 à travers le photomasque M22 (figure 1ON), - élimination des zones exposées de la couche 32, pour obtenir des blocs MO de résine photosensible de microlentille sur les blocs colorés B2 (figure 100), - exposition des blocs MO à une étape de fluage thermique 35 de manière à obtenir les microlentilles provisoires LO sur les blocs colorés B2 (figure 10P),
- gravure des microlentilles provisoires LO et des blocs colorés B2 par un procédé isotrope jusqu'à ce que la résine photosensible de microlentille ait été éliminée par gravure et que la forme des microlentilles provisoires LO ait été transférée dans les blocs colorés B2 (figure 10Q), pour obtenir les éléments colorés E2 ayant une surface convexe. Pour exécuter la troisième phase, les étapes qui viennent d'être décrites en relation avec les figures 10J à 10Q sont répétées en utilisant les photomasques M03 et M23, pour former les éléments colorés E3. A la fin du procédé, la matrice ACE1 d'éléments colorés El, E2, E3, présentant tous la même convexité, est obtenue (figure 10R).
Quatrième mode de réalisation Dans ce mode de réalisation, la fabrication de chaque type d'élément coloré El', E2' ou E3' de la matrice ACE2 est exécutée indépendamment de la fabrication des autres types d'éléments colorés, comme dans le troisième mode de réalisation, mais avec pour but de fabriquer des éléments colorés ayant des convexités différentes. Le procédé comprend en outre les étapes suivantes : - réalisation des étapes représentées sur les figures 10A à lOI en utilisant une couche de résine photosensible colorée 21 ayant une épaisseur L21 et une couche 31 de résine photosensible de microlentille ayant une épaisseur L31, pour former un élément coloré d'un premier type El' sur la couche de base 10 (figure l01), l'élément El' ayant une première hauteur et une première convexité qui sont des fonctions des épaisseurs L21 et L31, - dépôt d'une couche 22 de résine photosensible colorée ayant une épaisseur L22 sur la couche de base 10 et les éléments colorés de type El', et cuisson douce de la couche 22 (figure 11A), - exposition de la couche 22 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque MO2 (figure 11B), - élimination des zones non exposées de la couche 22 pour obtenir les blocs colorés B2 (figure 11C), - dépôt d'une couche 32 d'une résine photosensible de microlentille ayant une épaisseur L32 sur la couche de base 10, les blocs B2 et les éléments colorés El', et cuisson douce de la couche 32 (figure 11D), - exposition de la couche 32 à une lumière ultraviolette à travers le photomasque M22 (figure 11E), élimination des zones exposées de la couche 32 pour 10 obtenir les blocs M2 sur les blocs colorés B2 (figure 11F), - exposition des blocs M2 à une étape de fluage thermique de manière à obtenir des microlentilles provisoires L2 (figure 11G), qui ont une convexité qui est une fonction 15 de l'épaisseur L32 de la couche 32, - gravure des microlentilles provisoires L2 et des blocs colorés B2 dans un procédé isotrope jusqu'à ce que la résine photosensible de microlentille ait été éliminée par gravure et que la forme des microlentilles 20 provisoires L2 ait été transférée au bloc coloré B2 (figure 11H). Les éléments colorés E2' sont obtenus, lesquels présentent une deuxième hauteur et une deuxième convexité qui sont des fonctions des épaisseurs L22 et L32, et 25 - répétition des étapes qui viennent d'être décrites en relation avec les figures 11A à 11H pour former les éléments colorés E3' ayant une troisième hauteur et une troisième convexité. A la fin du procédé, une matrice ACE2 d'éléments 30 colorés El', E2' et E3' de différentes convexités est obtenu (figure 11I). Cinquième et sixième modes de réalisation Conformément au cinquième mode de réalisation selon la présente invention, la fabrication de la matrice ACE1 35 est faite sans microlentille provisoire en mettant en oeuvre un procédé de nano-impression de manière à mettre à forme les surfaces supérieures convexes des blocs de la matrice Al. A cet effet, un moule N1 comprenant des cavités d'un seul type, comme représenté sur la figure 12A, est prévu.
Ensuite, la phase qui a été décrite ci-dessus en relation avec les figures 5A à 5I est exécutée pour former les blocs colorés B1, B2, B3 sur la couche de base 10. Ensuite, le moule N1 est chauffé et est appliqué à la matrice Al pour mettre en forme les surfaces supérieures des blocs colorés et pour obtenir la matrice ACE1 d'éléments colorés El, E2, E3 ayant une forme convexe qui correspond à la forme concave des cavités (sur la figure 12B, l'élément E3 n'est pas visible selon l'axe de coupe AA').
Le sixième mode de réalisation selon la présente invention est similaire au cinquième mode de réalisation en ce qu'un procédé tel que la nano-impression est utilisé pour la fabrication d'une matrice d'éléments colorés, mais diffère en ce qu'il vise à produire la matrice ACE2 d'éléments colorés ayant des convexités différentes. Pour exécuter ce mode de réalisation, un moule N2 comprenant des cavités de formes différentes, comme représenté sur la figure 10A est prévu de sorte que la matrice ACE2 d'éléments colorés El', E2', E3' est obtenu (figure 13B, les éléments E3' n'étant pas visibles selon l'axe de coupe AA'). Comme autre avantage de ces modes de réalisation de l'invention qui utilisent des résines photosensibles colorées, il doit être noté que, dans la technique antérieure, les microlentilles classiques peuvent être exposées à une température supérieure à 200 °C au cours de la fabrication de l'imageur. Une telle exposition à des températures supérieures à 200 °C peut provoquer le jaunissement des microlentilles. Ici, les éléments colorés sont constitués d'une résine photosensible colorée qui est moins sensible aux effets thermiques, de sorte que l'effet de jaunissement est évité.
Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que divers autres modes de réalisation de ces procédés peuvent être prévus et qu'une matrice d'éléments colorés réalisant des fonctions de convergence et de filtrage peut également être fabriquée avec d'autres procédés pour déposer et former les éléments colorés. Par exemple, dans un autre mode de réalisation, un réseau de pipettes dispensant de la résine photosensible est utilisé pour déposer une matrice de gouttes d'une telle résine photosensible sur la matrice Al de blocs colorés. Chaque goutte correspond à un volume calibré de résine photosensible distribuée par les pipettes et présente la forme d'une microlentille. Ensuite, les gouttes sont durcies par le biais d'une étape de polymérisation, pour former des microlentilles provisoires qui sont ensuite utilisées comme décrit ci-dessus. Dans un autre mode de réalisation, un composé spécifique de résine photosensible colorée est créé, lequel gonfle lorsqu'il est soumis à une certaine température. Dans ce cas, la matrice d'éléments colorés présentant une forme convexe est réalisée directement sans utiliser de microlentilles provisoires et le procédé comprend le dépôt de blocs colorés et le fait de les soumettre ensuite à une certaine température de manière à les amener à gonfler. La structure de la matrice d'éléments colorés selon l'invention elle-même est susceptible de modifications, en particulier en fonction des formes et des propriétés souhaitées des éléments colorés. Par exemple, chaque élément coloré peut présenter une forme choisie pour optimiser le filtrage et la convergence de la lumière entrante de cette couleur. La matrice colorée peut également être choisie en fonction de l'application souhaitée. Toute autre combinaison d'éléments colorés El, E2, E3 ou El', E2', E3' peut également être prévue.
Dans une variante du premier mode de réalisation, les différentes microlentilles provisoires peuvent être accolées les unes aux autres en utilisant différents photomasques au lieu d'un seul (Mll) pour les fabriquer.
Dans ce cas, les formes convexes des éléments de couleur issus des microlentilles provisoires, sont également jointives (i.e. sont accolées sans espace résiduel les séparant). Dans les second, troisième et quatrième modes de réalisation, du fait que les microlentilles provisoires sont fabriquées au moyen de plusieurs photomasques, les microlentilles peuvent être fabriquées de manière à être jointives, de sorte que les formes convexes des éléments colorés, dérivées des microlentilles provisoires, sont également jointives.
Dans les cinquième et sixième modes de réalisation, les éléments colorés peuvent également être prévus jointifs en utilisant des moules ayant des cavités jointives. Enfin, bien que des modes de réalisation selon la présente invention ont été initialement conçus et développés pour des imageurs CMOS, il apparaîtra clairement à l'homme de l'art que les procédés qui ont été décrits sont applicables à différents types de couche de base 10, quelle que soit la technologie utilisée pour fabriquer une matrice de photodiodes incorporé dans un substrat de semi-conducteur. 26
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Imageur (110, 111) comprenant : - des zones photosensibles (12) incorporées dans un substrat de semi-conducteur (11a), et - une matrice (ACE1, ACE2) d'éléments colorés (El-E3, El'-E3') réalisant une fonction de filtrage d'une lumière incidente (LR) dirigée vers les zones photosensibles (12), caractérisé en ce que les éléments de la matrice (ACE1, ACE2) d'éléments colorés présentent une surface supérieure convexe et réalisent également une fonction de microlentille de convergence par rapport à la lumière incidente.
- 2. Imageur selon la revendication 1, dans lequel 15 les éléments colorés ont des couleurs différentes (Cl, C2, C3).
- 3. Imageur selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel les surfaces supérieures des éléments colorés 20 (El-E3) présentent la même convexité.
- 4. Imageur selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel les surfaces supérieures des éléments colorés (El'-E3') sont de convexités différentes en fonction de 25 la couleur (Cl, C2, C3) des éléments colorés.
- 5. Module d'acquisition de trame photo et/ou vidéo, comprenant un imageur selon l'une des revendications 1 à 4.
- 6. Procédé de fabrication d'un imageur, comprenant les étapes consistant à : 30 - former une couche de base (10) comprenant des zones photosensibles (12) incorporées dans un substrat de semi-conducteur (lia), - fabriquer, sur la couche de base (10), des blocs colorés (Bl-B3) réalisant une fonction de filtrage d'une lumière incidente (LR) dirigée vers les zones photosensibles (12), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à mettre en forme la surface supérieure des blocs colorés (Bl-B3) pour obtenir des éléments colorés (E1-E3, El'-E3') ayant une surface supérieure convexe et réalisant en outre une fonction de microlentille de convergence par rapport à la lumière incidente.
- 7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape de mise en forme de la surface supérieure des éléments colorés comprend les étapes consistant à : - former des blocs colorés (Bl-B3) ayant une surface supérieure plate, - former des microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) ayant une surface supérieure convexe sur les blocs colorés plats (Bl-B3), et - graver les microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) et les blocs colorés (Bl-B3) pour transférer la forme des microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) aux blocs colorés (Bl-B3) jusqu'à ce que les microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) soient entièrement éliminées.
- 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel : - les éléments colorés (E1-E3, El'-E3') sont formés en utilisant au moins un matériau d'un premier type (21-23) qui ne gonfle pas lorsqu'il est soumis à une certaine température, - les microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) sont formées 35 en utilisant au moins un matériau d'un deuxième type (31, 32) qui gonfle lorsqu'il est soumis à une certaine température, et dans lequel la formation des microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) comprend des étapes de : - dépôt d'au moins une couche du matériau du deuxième type (31-32), - exposition puis développement de la couche du matériau du deuxième type pour obtenir des blocs du deuxième type de matériau (M0, Ml-M3), et - exposition des blocs du deuxième type de matériau (M0, M1-M3) à une étape de fluage thermique de manière à obtenir les microlentilles provisoires (LO, Ll-L3).
- 9. Procédé selon la revendication 7, dans lequel l'étape de formation de microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) ayant une surface supérieure convexe comprend des étapes de : - dépôt d'un volume calibré d'au moins un matériau, et - durcissement du matériau.
- 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant des étapes de : - formation d'une matrice (Al) de blocs colorés (B1-B3), - formation d'une matrice de microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) sur la matrice (Al) de blocs colorés, et - gravure des microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) et des blocs colorés (Bl-B3) pour transférer la forme des microlentilles provisoires (LO, L1-L3) aux blocs colorés (Bl-B3) jusqu'à ce que les microlentilles provisoires (LO, Ll-L3) soient entièrement éliminées.
- 11. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant des étapes de : - formation d'une matrice (Al) de blocs colorés ayant des 35 couleurs différentes, - formation de premières microlentilles provisoires (L1) sur des premiers blocs colorés (B1) ayant une première couleur (Cl), - formation au moins de deuxièmes microlentilles provisoires (L2) sur au moins des deuxièmes blocs colorés (B2) ayant une deuxième couleur (C2), les deuxièmes microlentilles provisoires (L2) ayant une forme convexe différente de la forme convexe des premières microlentilles provisoires (L1), et - gravure des premières (L1) et des deuxièmes (L2) microlentilles provisoires et des premiers (B1) et des deuxièmes (B2) blocs colorés pour transférer la forme des premières (L1) et des deuxièmes (L2) microlentilles provisoires aux premiers (B1) et aux deuxièmes (B2) blocs colorés.
- 12. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, comprenant des étapes de : - formation de premiers blocs colorés (B1) ayant une 20 première couleur (Cl), - formation de premières microlentilles provisoires (LO, Ll) sur les premiers blocs colorés (B1), - gravure des premières microlentilles provisoires (LO, Ll) et des premiers blocs colorés (Bl) pour transférer la 25 forme des premières microlentilles provisoires (LO, Ll) aux premiers blocs colorés (Bl), - formation au moins de deuxièmes blocs colorés (B2) ayant une deuxième couleur (C2), - formation de deuxièmes microlentilles provisoires (LO, 30 L1) sur les deuxièmes blocs colorés (B2), et - gravure des deuxièmes microlentilles provisoires (LO, L2) et des deuxièmes blocs colorés (B2) pour transférer la forme des deuxièmes microlentilles provisoires (LO, L2) aux deuxièmes blocs colorés (B2). 35
- 13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel les deuxièmes microlentilles provisoires (L2) comportent une surface supérieure convexe différente de la surface supérieure convexe des premières microlentilles provisoires (L1).
- 14. Procédé selon la revendication 6, comprenant les étapes consistant à : - former une matrice (Al) de blocs colorés, et - appliquer un moule (Nl) comprenant des cavités sur une surface supérieure de la matrice (Al) de blocs colorés, de manière à imprimer la forme des cavités du moule dans la surface supérieure de la matrice de blocs colorés.
- 15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel le moule (N2) comprend des cavités d'un premier type et des cavités d'au moins un deuxième type, et comprenant les étapes consistant à : - appliquer sur une surface supérieure des premiers blocs 20 colorés (B1) ayant une première couleur (Cl) les cavités du premier type, et - appliquer sur une surface supérieure des deuxièmes blocs colorés (B2) ayant une deuxième couleur (C2) les cavités du deuxième type. 25
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