JP2007123856A - 映像感応装置とその製造方法および映像モジュール - Google Patents

映像感応装置とその製造方法および映像モジュール Download PDF

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Abstract

【課題】入射主光角の変異によりもたらされた輝度差及び入射主光角変位の課題によりもたらされた光学混線効果を解除すると共に、感光素子分布の不均一の問題を解決可能な映像感装置を提供する。
【解決手段】入射角を調整するミクロプリズムと、集光効率を増加するミクロレンズと、光線を受入れて光電変換を行う感光器と、光電を信号に変換して信号処理を行うIC積み重ね層とを備えてなる。この種の映像感応装置の構造は集積回路製造プロセス及び集積光学製造プロセスを利用して製造される。
【選択図】図7

Description

本発明は微小電子の光学製品に関し、特に、微小電子の映像感応装置の構造及びその積み重ね方法に関する。
光電製品の日進月歩にともない、映像感応器に対する需求が不断に増加した。目前、一般の映像感応器はCCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)映像感応器とCMOS(Complementary Metal−Oxide Semiconduconductor:相補型モス)映像感応器との二大類型に分けられる。
映像感応器は映像の光線変化を記録し、さらに光線を電子信号に転化して、処理チップにより記録及び解読された後、新たに映像に還元して出力、再現又は貯蔵する。該映像感応器は数多い複数の感光素子により組成され、該感光素子は通常CCDまたはCMOSにより形成されている。
CCDは細密に配列したMOS(Metal Oxide Semiconductor:金属酸化物半導体)電容アレイであって、Holeを利用して電子を捕獲する。その製作方式は先ずN型(P型も可)雑種レス単結晶珪素片上に二酸化珪素層を構成した後、さらに該二酸化珪素上方に一層の光子ふく射を受けるPN型MOS電容構造を構成し、このMOS電荷構造は光電ダイオードと同様に光線を電子信号に変換する働きをする。該MOS電容アレイ周辺に絶縁層及び信号伝送回路を配置し、最後細密に単結晶珪素片上に分布するCCD素子を形成した後電源配置を加入して、集積回路製造プロセスにより整備すると、CCD感光素子が完成される。
CMOSは光束変化を記録できる半導体であり、その主たる材質はシリコン(Si)及びゲルマニウム(Ge)の2種の元素であって、それをCMOS上に共存させるN級(陰電気をおびる)及びP級(陽電気をおびる)の半導体である。この二つの半導体は相補効能で発生した電流により、処理チップにより記録及び解読された後、新たに映像の方式で出現又は出力する。CCDとCMOSとの唯一の区別は、CCDが半導体単シリコン結晶材料上に形成され、そしてCMOSが金属酸化物の半導体材料上に形成されていることである。しかし、両者の工作原理は基本上同一である。
映像感応器に彩色映像を感応且つ出力させ得るために、基本上該映像感応器は光電変換を進行できる半導体素子を備える他に、複数のカラー・フィルタを具備しなければならず、通常アレイの形式で存在している。カラー・フィルタ・アレイは通常両三原色組(three−color primary configuration)の中の一組が選択され、従来では赤(R)、緑(G)、青(B)により組成されたRGBカラー・フィルタ・アレイ、又は黄(Y)、赤(magenta,M)、緑(cyan,C)により組成されたYMCカラー・フィルタ・アレイが採用されている。
従来では、半導体感光素子はカラー・フィルタ・アレイの下方に配置され、そしてカラー・フィルタ・アレイの上方に複数のミクロレンズ(通常凸レンズ)が設置されており、凸レンズの集光特性を利用して、入射光線を収束、フォーカスすると共に半導体感光素子に投射することにより、該複数のミクロレンズが光線を集光縮小して面積がより小さい光センサ上に投射し、映像感応器全体の感光度を増加する。従って従来の映像感応器はCCD半導体感光素子またはCMOS半導体感光素子のいずれかを採用しても、その全体構造は光線入射方向によって配列すると、概略複数のミクロレンズ、カラー・フィルタ・アレイ及び半導体感光素子を包含する三つの部分に分けられる。
以下、従来のCMOS映像感応器を紹介する。図1はCMOS感光素子の従来構造見取り図である。この図におけるCMOS感光素子は基層11と、第1の感光ダイオード12aと、第2の感光ダイオード12bと、第3の感光ダイオード12cと、金属不透光層13と、第1のカラー・フィルタ層14aと、第2のカラー・フィルタ層14bと、第3のカラー・フィルタ層14cと、ミクロレンズ層15と、光束16とを備えてなる。その中、第1のカラー・フィルタ層14aは通常緑光線をろ過するのに用いられ、第2のカラー・フィルタ14bは赤光線をろ過するのに用いられ、第3のカラー・フィルタ層14cは通常青光線をろ過するのに用いられている。
通常一つの感光素子は画素(pixel)と称され、それがCCD又はCMOS材質であるか否かを問わず、数多い複数の画素により映像感応器が構成され、即ち、一個の映像感応器は100万個にのぼる画像から構成されている。映像感応器について言えば、その含む画素の多寡により該映像感応器の結像品質に対して重大な影響がある。CCD型の映像感応器については、各欄(column)毎における各画素に生ずる電子信号は順に緩衝器(buffer)中に伝送した後、さらにCCD傍に位置するADC(Analog to Digital Converter)変換器に出力して電子信号の増幅及びディジタル信号への変換を進行し、最後処理チップに伝送する。しかしながら、CMOS型の映像感応器については、各画素傍は直接ADC変換器に接続しており、各画素に生じた電子信号を直接増幅してディジタル信号に変換し、処理チップに伝送して解読した後映像を形成する。したがって、CCD型の映像感応器とCMOS型の映像感応器との構造における最大の差異はADC変換器の位置及び数量である。
次に、図2はCMOS映像感応器部分の画素構造見取り図であり、CMOS感光素子とADC変換器とが画素を構成する。図2におけるCMOS映像感応器20は複数画素21と、CMOS映像感光素子22と、ADC変換器とを備えてなる。該CMOS型の映像感応器において、各画素わきは直接ADC変換器に接続しており、各画素に生じた電子信号を直接増幅してディジタル信号に変換し、処理チップに伝送して解読した後映像を形成する。
しかしながら、上記いかなる映像感応器を採用しても、光学混線効果により形成された光の干渉は従来から長い間映像感応器の研究開発者がずっと力を尽して解決を求めてきた難題であった。光学混線効果とは、光束がある画素のミクロレンズに入射した時、該光束角度が該ミクロレンズの法線から離れると、その入射角が過大なために、該光束が隣り合った画素の感応ダイオードに吸収されて光学上の干渉を生ずる現象を指していう。
次に、図3は光学混線効果見取り図である。図3において従来の映像感応器30は第1のミクロレンズ31aと、第2のミクロレンズ31bと、第3のミクロレンズ31cと、第1のカラー・フィルタ32aと、第2のカラー・フィルタ32bと、第3のカラー・フィルタ32cと、ライト・シールド33と、IC積み重ね層34と、第1の感光ダイオード35aと、第2の感光ダイオード35bと、第3の感光ダイオード35cと、垂線36と、第1の入射光線37aと、第2の入射光線37bと、第1の入射角38aと、第2の入射角38bとを備えてなる。その中、第1の入射角38aは第1の入射光線37aと垂線36との夾角であり、第2の入射角38bは第2の入射光線37bと垂線36との夾角である。
正常の無干渉状況において、第2のミクロレンズ31bを経過した光束は第2の感光ダイオード35bに吸収されることになっており、干渉状況は第2のミクロレンズ31bを経過した光束が入射角過大のために、第2の感光ダイオード35bと隣り合った感光ダイオードに吸収され、干渉を引起すこととなる。第1の入射光線37aにあっては、入射光線37aが第2のミクロレンズ31b、第2のカラー・フィルタ32b及びIC積み重ね層34を透過して第2の感光ダイオード35bに吸収されることは、正常なる無干渉状況に属する。そして第2の入射光線37bは入射角が過大、即ち第2の入射角38bが第2の入射角38aよりも大きいために、第2の入射光線37bが第2のミクロレンズ31b、第2のカラー・フィルタ32b及びIC積み重ね層34を透過した後、第1の感光ダイオード35aに変移して吸収されるのは干渉の発生状況に属し、光学混線効果と称されている。
輝度差は感光ダイオードに対して言い、当該感光ダイオードは不同角度からの光源を受入れ、即ち不同入射角の入射光線を受入れるのを必須とし、入射角が小さければ小さいほど、入射光線の該感光ダイオード上に形成された光圧は益々強くなり、これに対し、入射角が大きければ大きいほど、入射光線の該感光ダイオードに形成された光圧は益々弱くなり、光信号が電子信号に転ずると、光圧差は明暗の方式で現われ、光圧が強いところは輝度が比較的高く、光圧が弱いところは輝度が比較的弱く、この現象を輝度差という。
感光素子分布均一性とは画素アレイ間に対してそのCMOS感光素子とADC変換器との間の面積比及びその分布方式を指していう。図11は感光素子均一偏心分布実例の伏視図であり、該均一偏心分布の部分は画素111アレイと、CMOS感光ダイオード素子112アレイと、ADC変換器113アレイと、ミクロレンズ114アレイとを包含してなり、その中該感光素子分布の実例は現有の0.35μm製造プロセス技術を採用し、感光ダイオード素子112とADC変換器113との面積比は約40%〜60%である。この例において、CMOS感光ダイオード素子112は画素111の下方に位置しているので、それにマッチングして設計されたミクロレンズは図11に示すように均一偏心分布してから、ミクロレンズにより集中した光線をダイオード上に導入することができ、0.35μm製造プロセス技術においてCMOS感光ダイオード素子は空間的な周期配列特性を有する。しかしながら、0.13μm製造プロセスにおいて、面積比の維持及び信号変換性能の向上を求めるためには、ADC変換器をつとめて一組中に分布する必要がある。図12は感光素子の不均一分布実例の伏視図であり、該不均一偏心分布の部分は、画素121アレイと、CMOS感光ダイオード122アレイと、ADC変換器123アレイと、ミクロレンズ124アレイとを包含してなる。その中、該感光素子分布実例は現有の0.13μm製造プロセス技術を採用し、CMOS感光ダイオード素子122とADC変換器123との面積比はやはり40%〜60%である。この例において、4個の画素121は一組の共用対を形成しているので、それにマッチングして設計されたミクロレンズは図12に示すような不均一偏心分布とする必要があるが、ミクロレンズの重ね問題が発生している。
この光学混線効果、輝度差及び感光素子分布均一性に対して、各会社の映像感応器製造工場は、いずれも映像感応器により出力された映像品質を改善し光学性能を向上するよう力を尽して研究開発し、解決の道を求めている。したがって、本発明の前に、映像感応器の映像品質の改善に関する発明が二つあり、これを以下に説明する。
従来技術1:TW200525773号の台湾発明特許
上記従来技術1の発明の目的は、チップ上の不同区域においてより均一な光エネルギーを得ることが可能な映像センサを提供することにある。該発明の他の目的は混線現象の発生を回避する映像センサを提供することにある。
上記目的を達成するために、上記発明の第1の実施例において映像センサが設計され、その中ミクロレンズ層はそれぞれ複数の計測区に対応する複数個のミクロレンズを包含してなり、そして該ミクロレンズのサイズはミクロレンズからチップ中心に至る距離の関数であり、且つ、ミクロレンズのサイズはミクロレンズチップ中心に至る距離の増加につれて増加するので、ミクロレンズのサイズの不同を利用して不同区域の入射光線の不均一の問題を解決している。
また、上記目的を達成するために、上記発明の第2の実施例において映像センサが設計され、その中、ミクロレンズ層はそれぞれ複数の計測区に対応する複数個のミクロレンズを包含してなり、そしてミクロレンズ中心から、対応計測区中心に至る距離は対応計測区例えば光ダイオードからチップ中心に至る距離の関数であり、即ちミクロレンズからチップ中心に至る距離の増加につれてミクロレンズがチップ中心に向って移動する。ミクロレンズが移動すると、対応のカラー・フィルタ素子はこれにつれて移動し、入射光線が隣り合うカラー・フィルタ素子を通過しないよう確保することにより、入射光線の不均一の問題を改善することができる。
第2の実施例は1284×1028画素を具備した計測チップである。各画素の幅は4ミクロメータ、チップ中心から最も遠く離れているエッジ区域ではそのレンズは2.1ミクロメータ移動するのを要し、レンズからチップ中心に至る中心距離の遠近により、画素を31個族群に区分する。1はチップ中心地点に位置する画素群を代表し、族群31はチップ中心から最も遠く離れたところの画素群を代表する。
図4は第2の実施例において前三族群1,2,3におけるミクロレンズ・カラーフィルタ素子及び感光素子の修飾前及び修飾後の配列図である。図4において映像センサ41はミクロレンズ42と、カラー・フィルタ素子43と、IC積み重ね層44と、計測区45と、ベース46と、修飾後Aと、修飾前Bと、各ミクロレンズ中心eと、その対応計測区中心fとを備えてなる。
族群1Aにおいて、チップ中心地点に位置しているので、ミクロレンズ42と、カラー・フィルタ素子43と、計測区43とはいずれも同一位置を維持している。族群2Aにおいて、ミクロレンズ42及びカラー・フィルタ素子43は0.07メーターの距離でチップ中心に向って移動する。ミクロレンズ42の中心eと対応する計測区45との距離は0.07ミクロメータである。この規則でその族群のシフト状況を類推すれば、入射光線の不均一な問題を改善することができるが、光学混線効果によりもたらされた光の干渉を改善することができない。
従来の技術2:US6803250号のアメリカ発明特許
上記従来の技術2の特徴は、従来の映像感応器において、ミクロレンズ及び光感応区に凹面レンズ層を嵌入して該映像感応器の光学性能を向上することにある。
図5は上記従来の技術2の発明代表図である。図5における映像感応器50は基層51と、光感応区52と、第1の誘電体層53と、第1の導体層54aと、第1の導体層54bと、第2の誘電体層55と、第2の導体層56aと、第2の導体層56bと、第1の隙間57と、カラー・フィルタ層58と、第2の隙間59と、ミクロレンズ510とを備えてなる。
図5において、基層51は従来の半導体基層である。光感応区52は従来の感光ダイオードであり、基層51に嵌め込まれている。第1の誘電体層53には一対の第1の導体層54a,54bが嵌み込まれてある。第2の誘電体層55は第1の誘電体層53の上に位置している。第1の誘電体層53及び第2の誘電体層55は透光可能な非導体材料により形成され、入射光束の屈折角を改変することに用いられる。第1の誘電体層53及び第2の誘電体層55は酸化珪素、窒化珪素又は窒素酸化珪素により形成される。第1誘電体層53は凹レンズと同様な効果を有する。上記発明は主として第1の誘電体層53及び第2の誘電体層55を利用して入射光束の屈折角を改変することにあるが、完全に光学混線効果及び基度差を消除することができない。
したがって、一般に従来の映像感応器はいかなる策略を採用しても、いずれも同時に光学混線効果及び輝度差を解除できないことから、目前市場の映像感応器は、なお非常に大きな改善空間を有している。
本出願人は従来の技術中に存在している欠失にかんがみ、鋭意試験と研究を重ねた結果、ついに、本出願の「映像感応装置及びその製造方法」を案出した。これにより上記映像感応の従来の欠点を克服できることとなった。
本出願人は反復思考後、ついに新規な映像感応装置を設計した。即ち、ミクロプリズムを利用して、比較的大きな角度の入射角を比較的小さな角度の入射角に修整することにより、入射主光角の変位によりもたらした輝度差(shading)及び入射主光角変位の過大によりもたらした光学混線(optical crosstalk)効果を消除すると共に、感光素子分布の不均一の問題を解決することが可能な映像感応装置を提供するのを主旨とする。この種の映像感応装置は大幅に光学性能を向上することができる。また、この種の映像感応装置の構造は集積回路製造プロセス及び基体光学製造プロセスを利用して構成される。
本発明のアイディアに基づいて、入射角を有する入射光線を受入れる映像感応装置であって、入射光線を映像に還元する映像感応器と、該入射光線の該入射角を修整するミクロプリズムとを備えてなる。
上記本発明により提供される映像感応装置において、該映像感応器は、該入射光線を集中して集光効率を増加するミクロレンズと、該入射光線を受入れて光電変換を行う感光器と、光電を信号に変換して信号処理を行うIC積み重ね層とを備えてなる。
また、上記本発明により提供される映像感応装置において、該ミクロプリズムは比較的大きな角度を有する該入射光線の該入射角を、比較的小さな角度の入射角に修正する。
また、上記本発明により提供される映像感応装置において、該ミクロプリズムは誘電体材料又は高分子材料である。
また、上記本発明により提供される映像感応装置において、該ミクロプリズムの幅は約数ミクロメータ(μm)であり、この量級の大きさは該感光器と同一量級である。
好ましくは、本発明により提供される映像感応装置は更に、ミクロレンズ及びミクロプリズムを隔離して比較的よい折光効果を発生する中間層を備えてなる。
本発明により提供される映像感応装置において、該中間層は酸化珪素(SiO2 )、窒化珪素(Si2 3 )、窒素酸化珪素及び高分子材料の中の一つである。
また、本発明により提供される映像感応装置において、該中間層は複数の隙間層を備える。
また、本発明により提供される映像感応装置において、該中間層はカラー・フィルタを備える。
また、本発明により提供される映像感応装置において、その配列組合方式は、光線の入射方向に従って、該IC積み重ね層は該感光器の上層に位置し、該ミクロレンズは該IC積み重ね層の上層に位置し、該ミクロプリズムは該ミクロレンズの上層に位置するように配列される。
また、本発明により提供される映像感応装置において、その配列組合方式は、光線の入射方向にしたがって、該IC積み重ね層は該感光器の上層に位置し、該ミクロプリズムは該IC積み重ね層の上層に位置し、該中間層は該ミクロプリズムの上層に位置し、該ミクロレンズは該中間層の上層に位置するように配列される。
また、本発明により提供される映像感応装置において、その配列組合方式は、光線の入射方向に従って、該IC積み重ね層は該感光器の上層に位置し、該ミクロレンズは該IC積み重ね層の上層に位置し、該中間層は該ミクロレンズの上層に位置し、該ミクロプリズムは該中間層の上層に位置するように配列される。
また、本発明により提供される映像感応装置は、効果的に輝度差(shading)及び光学混線(optical crosstalk)効果を低減することを特徴とする。
本発明のアイディアにより提出される映像感応装置の製造方法は、基層を提供するステップと、集積回路の製造プロセスで感光器を製造するステップと、集積光学製造プロセスでIC積み重ね層を製造するステップと、集積光学製造プロセスでミクロレンズを製造するステップと、集積光学製造プロセスでミクロプリズムを製造するステップと、を備えてなる。
また本発明のアイディアにより提出される映像感応装置の製造方法は、基層を提供するステップと、集積回路製造プロセスで感光器を製造するステップと、集積回路製造プロセスでIC積み重ね層を製造するステップと、集積光学製造プロセスでミクロプリズムを製造するステップと、集積光学製造プロセスで中間層を製造するステップと、集積光学製造プロセスでミクロレンズを製造するステップと、を備えてなる。
また、本発明により提出される映像感応装置の製造方法は、基層を提供するステップと、集積回路製造プロセスで感光器を製造するステップと、集積回路製造プロセスでIC積み重ね層を製造するステップと、集積光学製造プロセスでミクロレンズを製造するステップと、集積光学製造プロセスで中間層を製造するステップと、集積光学製造プロセスでミクロプリズムを製造するステップと、を備えてなる。
好ましくは、本発明により提供される映像感応装置において、該基層は半導体基層である。
また、本発明により提供される映像感応装置において、該ミクロプリズムは不透光の誘電体材料に形成されてなる。
また、本発明により提供される映像感応装置において、該ミクロプリズムはグレイ・スケール・マスク製造プロセス、フォトレジスト層製造プロセス及び蝕刻製造プロセスの中の一つを利用して製造される。
また、本発明により提供される映像感応装置において、該中間層はプラズマ補助化学気層沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVD)製造プロセスを利用して、酸化珪素(SiO2 )、窒化珪素(Si2 3 )、及び窒素酸化珪素の中の一つを沈積して形成される。
また、本発明により提供される映像感応装置において、該中間層は高分子材料により形成される。
また、本発明により提供される映像感応装置において、該中間層は隙間により形成される。
本発明は以下の実施例の説明により、上記発明の内容をより具体的に理解することができる。
実施の原理
映像感応装置において、各画素毎にミクロプリズムを配置し、光束が不同媒質を透過した際に屈折を発生する自然法則を応用して、光束の進行方向を調整して原来比較的大きい主光角(chief ray angle)を比較的小さい主光角に修整することにより効果的に画素間の光学混線効果を低減する。
図6は本発明がミクロプリズムを利用して主光角を修整する原理見取り図である。図6において、61は媒質、62はミクロプリズム、63はプリズム傾斜角、64は入射面、64aは入射面法線、65は出射面(exit plan)、65aは出射面法線、66xは第1の辺長、66yは第2の辺長、66zは第3の辺長、67aは入射光束、67bは出射光束、68aは第1の夾角、68bは第2の夾角、69aは第1の主光角、69bは第2の主光角、610は感光器である。
次に以下の複数個のパラメータを定義する。
α:ミクロプリズム62の入射面64と水平線との間の夾角、即ちプリズム傾斜角63である。
φ1 :出射光束67bと水平線との間の夾角、即ち第1の主光角69aである。
φ2 :出射光束67bと水平線との間の夾角、即ち第2の主光角69bである。
θ1 :入射光束67aと入射面法線64aとの間の夾角、即ち第1の夾角68aである。
θ2 :出射光束67bと入射面法線64aとの間の夾角、即ち第2の夾角68bである。
1 :媒質61の第1の屈折率。
2 :ミクロプリズム62の第2の屈折率。
a:第1の辺長66x。
b:第2の辺長66y。
p:第3の辺長66z。
該複数個パラメータの互いの間に以下の関係がある。
α=tan-1[b−a/p] 第1式
θ1 =α+φ1 第2式(a)
θ2 =α+φ2 第2式(b)
該複数個パラメータは必定スネル定律(Snell’s low)を満足する。この定律は光束が不同光束を透過した時に、光束進行方向の改変は不同媒質が有する不同屈折率に応じて改変することを説明する。該定律は自然法則の必然結果であり、即ち
α=tan-1[b−a/p] 第3式
第2式(a),(b)を第3式に入れると
α=tan-1[b−a/p] 第4式
第4式を展開すると
α=tan-1[b−a/p] 第5式
通常、ミクロプリズム62は透光可能な媒質材料にて製作され且つ媒質61は空気または低屈折率材料であるので、n2 <n1 、そして光束の進行がスネル定律たる自然法則に従うと、θ2 <θ、φ2 <φとなり、ミクロプリズム62を通して調整した後の光束は第2の主光角69bが第1の主光角69aよりも小さいのを、比較的大きい主光角を比較的小さい主光角に修整することができる。したがって、効果的に輝度差及び光学混線(optical crosstalk)効果を低減することができる。
本発明は各類型の映像感応装置に適用され、通常、この類型の映像感応装置のサイズは大きくないので、本発明のミクロプリズム62の第3の辺長66z、即ちミクロプリズム62の幅は約ミクロメータ(μm,μ=10-6)量級のサイズである。
したがって、適当にミクロプリズムを運用して主光角の能力を修整すると、効果的に光学混線効果、輝度差、及びそれによりもたらしてきた光の干渉を消除することができる。
実施例1
図7(a)は実施例1にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果の見取り図である。図7(b)は実施例1にミクロプリズムを配置して主光角を修整する場合の見取り図である。図7(a)及び図7(b)において、70は基層、71は感光器、72はIC積み重ね層、73は中間層、74はミクロレンズ、75はミクロプリズム、76は小角度(例えば0°)の主光角、77は大角度(例えば20°)の主光角、78aは第1の辺長、78bは第2の辺長である。
次に図7(b)を参照しながら、以下の積み重ねステップで本発明の映像感応装置を製作する。先ず、集積回路製造プロセスで基層70を製造し、更に集積回路製造プロセスで基層70の上方に位置する感光器71を製造し、更に集積回路製造プロセスで感光器71の上方に位置するIC積み重ね層72を製造し、さらに集積回路製造プロセスでIC積み重ね層72上方に位置する中間層73を製造し、さらに集積光学製造プロセスで中間層73上方に位置するミクロレンズ74を製造し、最後に集積光学製造プロセスでミクロレンズ74上方に位置するミクロプリズム75を製造する。
本実施例の場合、ミクロプリズム55の第1の辺長及び第2の辺長を調整することにより、大角度(例えば20°)の主光角77を小角度(例えば0°)の主光角76に修整して光学混線効果を低減する目的を達成する。本実施例1は軽易に目前いかなる類型の映像感応器の構造にも実施できる。
実施例2
図8(a)は実施例2中にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果の見取り図である。図8(b)は実施例2中にミクロプリズムを配置して主光角を修整する場合の見取り図である。図8(a)及び図8(b)において、80は基層、81は感光器、82はIC積み重ね層、83は中間層、84はミクロプリズム、85はミクロレンズ、86は小角度(例えば0°)の主光角、87は大角度(例えば20°)の主光角、88aは第1の辺長、88bは第2の辺長である。
次に図8(b)を参照しながら、以下の積み重ねステップで本発明の映像感応装置を製作する。先ず、集積回路製造プロセスで感光器81を製造し、次に集積回路製造プロセスで感光器81上方に位置するIC積み重ね層82を製造し、次に集積回路製造プロセスでIC積み重ね層82上方に位置する中間層83を製造し、次に集積光学製造プロセスで中間層83上方に位置するミクロプリズム84を製造し、次に集積光学製造プロセスでミクロプリズム84上方に位置するミクロレンズ85を製造する。その中ミクロプリズム、ミクロレンズ及び光感応器間は最適化に達し得るように偏心または非偏心分布に設計する。
本実施例の場合、ミクロプリズム84の第1の辺長高度及び第2の辺長高度を調整することにより、大角度(例えば20°)の主光角97を小角度(例えば0°)の主光角96に修整して光学混線効果を低減する目的を達成する。本実施例2は軽易に目前いかなる類型の映像感応器の構造にも実施できる。
実施例3
図9(a)は実施例3中にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果の見取り図である。図9(b)は実施例3中にミクロプリズムを配置して主光角を修整する場合の見取り図である。図9(a)及び図9(b)において90は基層、91は感光器、92はIC積み重ね層、93はミクロプリズム、94は中間層、95はミクロプリズム、96は小角度(例えば0°)の主光角、97は大角度(例えば20°)の主光角、98aは第1の辺長、98bは第2の辺長である。
次に図9(b)を参照しながら以下の積み重ねステップで本発明の映像感応装置を製作する。先ず、集積回路製造プロセスで感応器91を製造し、次に集積回路製造プロセスで感光器91上方に位置するIC積み重ね層92を製造し、次に集積光学製造プロセスでIC積み重ね層92上方に位置するミクロプリズム93を製造し、次に集積回路製造プロセスでミクロプリズム93上方に位置する中間層94を製造し、次に集積光学製造プロセスで中間層94上方に位置するミクロレンズ95を製造する。
本実施例の場合、ミクロプリズム93の第1の辺長高度及び第2の辺長高度を調整することにより、大角度(例えば20°)の主光角97を小角度(例えば0°)の主光角96に修整して光学混線効果を低減する目的を達成する。本実施例3は軽易に目前いかなる類型の映像感応器構造にも実施できる。
実施例4
図10(a)は実施例4中にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果の見取り図である。図10(b)は実施例4中にミクロプリズムを配置して主光角を修正する場合の見取り図である。図10(a)及び図10(b)において、100は基層、101は感光器、102はIC積み重ね層、103はミクロレンズ、104は中間層、105はミクロプリズム、106は小角度(例えば0°)の主光角、107は大角度(例えば20°)の主光角、108aは第1の辺長、108bは第2の辺長である。
次に図10(b)を参照しながら以下の積み重ねステップで本発明の映像感応装置を製作する。先ず、集積回路製造プロセスで感光器101を製造し、次に集積回路製造プロセスで感光器101上方に位置するIC積み重ね層102を製造し、次に集積光学製造プロセスでIC積み重ね層102上方に位置する中間層104を製造し、次に集積回路製造プロセスで中間層104の被覆を受けたミクロレンズ103を製造し、次に集積光学製造プロセスで中間層104上方に位置するミクロプレズム105を製造する。
本実施例の場合、ミクロプリズム105の第1の辺長高度及び第2の辺長高度を調整することにより、大角度(例えば20°)の主光角107を小角度(例えば0°)に修整して光学混線効果を低減する目的を達成する。本実施例4は軽易に目前のいかなる類型の映像感応器の構造にも実施できる。
上記4実施例において、基層70,80,90,100は従来の半導体基層を採用する。感光器71,81,91,101を基層70,80,90,100に嵌め込み、光線を受け入れて光電変換を行うための感光ダイオードとする。感光器71,81,91,101は多種の選択があり、その形態はある特定の従来の感光ダイオードに限らず、用途に合う光電変換素子であればいずれも採用可能である。IC積み重ね層72,82,92,102は金属材料を積み重ねてなるもので、光電を信号に変換して信号処理を行うことに用いられる。ミクロレンズ74,85,95,103は透光可能な誘電材料により製造され、凸レンズ型に属し、この凸レンズの集光効果を利用して入射光束を集中させ、集光効率を増加する。
その中、ミクロプリズム75,84,93,105は入射角の修整に用いられる。ミクロプリズム75,84,93,105の第1の辺長78a,88a,98a,108a及び第2の辺長78b,88b,98b,108bは映像感応装置の位置に対応する画素の所在に応じて第1の辺長78a,88a,98a,108aと第2の辺長78b,88b,98b,108bが不同のサイズを有することにより入射角を修整する。ミクロプリズム75,84,93,105はグレイ・スケール・マスク製造プロセス、フォトレジスト層製造プロセス及び蝕刻製造プロセスの中の一つを利用して、酸化珪素(SiO2 )、窒化珪素(Si23 )又は窒素酸化珪素等の透光可能な誘電体材料により製造される。ミクロプリズム75,84,93,105の材質は上記の材質に限らず、用途さえ合えばミクロプリズム75,84,93,105の材質とすることができる。ミクロプリズム75,84,93,105の特徴は効果的に輝度差(shading)及び光学混線(optical crosstalk)効果を低減することができる。
そして、中間層73,83,94,104はプラズマ補助化学気相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:PECVD)製造プロセスを利用して、酸化珪素(酸化珪素(SiO2 )、窒化珪素(Si23 )又は窒素酸化珪素等の透光可能な材質を沈積して形成される。中間層73,83,94,104の材質は上記の材質に限らず、用途にさえ合えば中間層73,83,94,104の材質とすることができる。中間層73,83,94,104はまた高分子材料又は隙間により形成されることができる。中間層73,83,94,104は複数のカラー・フィルタの配置又は光学効率の促進に用いられる。中間層73,83,94,104は使用上の需要に応じて選択設置され、又は設置しなくても良い。本発明の実施は中間層の有無により限制されるものでない。
実施例5
図13は実施例5中にミクロプリズムの映像センサを配置して結像レンズ組の映像モジュールとマッチングした測面図である。図13の映像感応モジュール130は複数のミクロプリズム131と、複数のミクロレンズ132と、複数の感光器133と、レンズ結像鏡組134とを備えてなり、CRA(chief ray angle)は各ミクロプリズムに対する入射角を指して言う。図13におけるCMOS映像感応装置においては、実施例4の実施方式を採用し、該CMOS映像感応装置に複数のミクロプリズムを配置して不同の入射角を修整している。該不同の入射角は複数のミクロプリズム131を通して修正した後、最適な角度である0度で複数の感光器133までに投射するので、映像感応モジュール130は大幅に感応器エッジの混線を低減すると共に、大幅に感応器エッジの輝度差特性を向上すると共に、大幅に感応器エッジの輝度差特性を向上することができる。したがって、映像感応モジュール130の各感応器133上にミクロプリズムを131を配置することにより、効果的にレンズ結像鏡組134によりもたらした主光角の大角度変化を消除できる。そしてレンズ結像鏡組によりもたらした主光角変化の効果をミクロプリズム131で効果的に消除できるので、このミクロプリズムをマッチングして設計された映像モジュール130は一歩進んでコンパクト・カメラ・モジュール(CCM)に設計することができる。ミクロプリズムは図13に示す離散式分布、つまり隣り合うミクロプリズム間に隙間を残す分布を採用、又は連続式分布、つまり隣り合うミクロプリズム間に隙間を残さない分布を採用することができる。
実施例6
図14は実施例6中にミクロプリズムの映像センサを配置して結像レンズ組の映像モジュールとマッチングした伏視図である。図14の映像感応モジュール140は複数の画素141アレイと、複数のミクロプリズム142アレイと、複数のミクロレンズ143アレイと、複数の感応器144アレイとを備えてなる。この図14において、映像感応モジュール140は複数のミクロプリズム140アレイを配置して、不同の入射光線を修整し、不均一に偏心した複数感光器144アレイ上に投射する。達成された映像感応器は未来画素が縮小した時に不均一に偏心する問題を解決することができる。
実施例7
図15A及び図15Bは本発明に替る。前記ミクロプリズム構造のミクロ回折格子の伏視図及び断面図である。これら図に示すように、ミクロ回折格子163は特定区域上に規則的に重複したミクロ構造配列を製作して有効ミクロプリズム(Effective Micro Prism)構造としたもので、これにより入射光線主光角を調整する目的を達成する。また、図15Cは本発明において有効ミクロプリズム構造163を配置した映像感応モジュール160の第7具体実施例である。この図に示すように、映像感応モジュール160に入射した入射光線162の主光角は有効ミクロプリズム構造163の作用を通して角度調整の効果を生じることが出来る。有効ミクロプリズム構造163の、映像感応モジュール中における配置は前記各実施例中のミクロプリズム構造の配置方式と全く同一である。他に、図15Dに示される、本設計の他の比較的好適な実施例において、ミクロ回折格子163は同時に複数の感光器161(a)及び161(b)上に配置して同様に主光角を調整できる。
要するに、この種の映像感応装置を使用して光束方向を修整し、入射主光角のシフトによりもたらした輝度差、及び入射主光角のシフトが過大なためにもたらした光学混線効果を消除することができ、さらには効果的に映像感応器により出力された映像品質を改善し、光学性能を向上して未来光感応器の不均一偏心の問題を解決することができる。
上記諸実施例は本発明の技術的手段をより具体的に理解できるように挙げたものであるが、本発明の技術的思想は決してこれに限定されず、添付クレームの範囲を逸脱しない限り当業者による単純な設計変更、付加、修飾、置き換等はいずれも本発明の技術的範囲に属する。
複数個のCMOS感光素子の従来構造の見取り図である。 CMOS映像感応器の画素構造見取り図である。 光学混線効果見取り図である。 従来の技術1の発明代表図である。 従来の技術2の発明代表図である。 本発明の、ミクロプリズムを利用して主光角を修整する原理見取り図である。 (a)は実施例1中にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果見取り図である。(b)は実施例1中にミクロプリズムを配置して主光角を修整する場合の見取り図である。 (a)は実施例2中にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果見取り図である。(b)は実施例2中にミクロプリズムを配置して主光角を修整する場合の見取り図である。 (a)は実施例3中にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果見取り図である。(b)は実施例3中にミクロプリズムを配置して主光角を修整する場合の見取り図である。 (a)は実施例4中にミクロプリズムを配置していない場合の光学混線効果見取り図である。(b)は実施例4中にミクロプリズムを配置して主光角を修整する場合の見取り図である。 感光素子の均一偏心分布の実例伏視図である。 感光素子の不均一偏心分布の実例伏視図である。 実施例5中にミクロプリズムの映像センサを配置して結像レンズ組の映像モジュールとマッチングした場合の側面図である。 実施例6中にミクロプリズムの映像センサを配置して結像レンズ組の映像モジュールとマッチングした場合の伏視図である。 本発明の有効ミクロプリズムのミクロ回折格子構造の伏視図である。 本発明の有効ミクロプリズムのミクロ回折格子構造の断面図である。 実施例7においてミクロ回折格子を配置して有効ミクロプリズムとした映像センサモジュールの見取り図である。 実施例7においてミクロ回折格子を配置して有効ミクロプリズムとした映像センサモジュールの見取り図である。
符号の説明
10 CMOS感光素子、 11 基層、 12a 第1の感光ダイオード、 12b 第2の感光ダイオード、 12c 第3の感光ダイオード、 13 金属不透光層、 14a 第1のカラー・フィルタ、 14b 第2のカラー・フィルタ、 14c 第3のカラー・フィルタ、 15 ミクロレンズ層、 16 光束、 20 CMOS映像感応器、 21 複数画素、 22 CMOS感光素子、 23 ADC変換器、 30 従来の映像感応器の部分、 31a 第1のミクロレンズ、 31b 第2のミクロレンズ、 31c 第3のミクロレンズ、 32a 第1のカラー・フィルタ、 32b 第2のカラー・フィルタ、 32c 第3のカラー・フィルタ、 33 ライト・シールド、 34 IC積み重ね層、 35a 第1の感光ダイオード、 35b 第2の感光ダイオード、 35c 第3の感光ダイオード、 36 垂線、 37a 第1の入射光線、 37b 第2の入射光線、 38a 第1の入射角、 38b 第2の入射角、 41 映像センサの部分、 42 ミクロレンズ、 43 カラー・フィルタ素子、 44 IC積み重ね層、 45 計測図、 46 ベース、 50 映像感応器の部分、 51 基層、 52 光感応器、 53 第1の誘電体層、 54a 第1の導体層、 54b 第1の導体層、 55 第2の誘電体層、 56a 第2の導体層、 56b 第2の導体層、 57 第1の隙間、 58 カラー・フィルタ、 59 第2の隙間、 510 ミクロレンズ、 61 媒質、 62 ミクロプリズム、 63 プリズム傾斜角、 64 入射面、 64a 入射面法線、 65 出射面、 65a 出射面法線、 66x 第1の辺長、 66y 第2の辺長、 66z 第3の辺長、 67a 入射光束、 67b 出射光束、 68a 第1の夾角、 68b 第2の夾角、 69a 第1の主光角、 69b 第2の主光角、 610 感光層、 70 基層、 71 感光器、 72 IC積み重ね層、 73 中間層、 74 ミクロレンズ、 75 ミクロプリズム、 76 小角度主光角、 77 大角度主光角、 78a 第1の辺長、 78b 第2の辺長、 80 基層、 81 感光器、 82 IC積み重ね層、 83 中間層、 84 ミクロレンズ、 85 ミクロプリズム、 86 小角度主光角、 87 大角度主光角、 88a 第1の辺長、 88b 第2の辺長、 90 基層、 101 感光器、 102 IC積み重ね層、 103 中間層、 104 ミクロレンズ、 105 ミクロプリズム、 106 小角度主光角、 107 大角度主光角、 108a 第1の辺長、 108b 第2の辺長、 111 画素、 112 CMOS感光ダイオード、 113 ADC変換器、 114 ミクロレンズ、 121 画素、 122 CMOS感光ダイオード素子、 123 ADC変換器、 124 ミクロレンズ、 131 複数のミクロプリズム、 132 複数のミクロレンズ、 133 複数の感光器、 134 レンズ結像鏡組、 141 複数の画素、 142 複数のミクロプリズム、 143 複数のミクロレンズ、 144 複数の感光器、 160 映像感応モジュール、 161 感光素子、 162 入射光線、 163 有効ミクロプリズム構造

Claims (13)

  1. 入射光を受入れる映像感応装置であって、
    入射角を修整するミクロプリズムと、
    集光用のミクロレンズと、
    光電を信号に変換して信号処理を行うIC積み重ね層と、
    光信号を受信して光電変換を行う感光器と、
    を備えてなる映像感応装置。
  2. 前記ミクロプリズムは比較的大きい角度を有する前記入射光線の入射角を比較的小さい角度に修整し、
    前記ミクロプリズムは媒質材料又は高分子材料であり、及び/又は
    前記ミクロプリズムの幅は約数ミクロメーター(μm、その中μ=10-6)であり、このような量級の大きさは前記感光品と同一量級である、
    請求項1記載の映像感応装置。
  3. 前記ミクロレンズ及び前記ミクロプリズムを隔離して比較的良好な折光効果を生ずる中間層を備え、その中:
    前記中間層は酸化珪素(SiO2 )、窒化珪素(Si2 3 )、窒素酸化珪素(SiON)及び高分子材料の中の一つであり、
    前記中間層は複数の隙間層を備え、
    前記中間層は複数のカラー・フィルタを備え、
    前記装置の配列方式は光線入射方向に従って配列し、即ち:
    前記ミクロレンズは前記中間層上層に位置し、
    前記中間層は前記ミクロプリズム層上層に位置し、
    前記ミクロプリズムはIC積み重ね層上層に位置し、
    前記IC積み重ね層は前記感光器上層に位置する、
    請求項1記載の映像感応装置。
  4. 前記ミクロプリズム、前記ミクロレンズ及び前記感光器三者の間は光線入射方向において非偏心分布を採用し、又は
    前記ミクロプリズム、前記ミクロレンズ及び前記感光器三者の間は光線入射方向において偏心分布を採用し、そしてこの偏心分布は規則偏心分布と非偏心分布とを備える、
    請求項1記載の映像感応装置。
  5. 前記配列組合方式は光線入射方向に従って配列組合せられ、即ち
    前記ミクロプリズムは前記ミクロレンズ上層に位置し、
    前記ミクロレンズは前記IC積み重ね上層に位置し、
    前記IC積み重ね層上層は前記感光器上層に位置し;
    前記映像感応装置の特徴は前記ミクロプリズムがミクロ回折格子構造により構成された有効ミクロプリズムであることにある、
    請求項1記載の映像感応装置。
  6. 基層を提供するステップと、
    前記基層上において集積回路製造プロセスで感光器を製造するステップと、
    前記感光器上において集積回路製造プロセスでIC積み重ね層を製造するステップと、
    前記IC積み重ね層上において集積光学製造プロセスでミクロレンズを製造するステップと、
    前記ミクロレンズ上において集積光学製造プロセスでミクロプリズムを製造するステップと、
    を備えてなる映像感応装置の製造方法。
  7. 基層を提供するステップと、
    前記基層上において集積回路製造プロセスで感光器を製造するステップと、
    前記感光器上において集積回路製造プロセスでIC積み重ね層を製造するステップと、
    前記IC積み重ね層上において集積光学製造プロセスでミクロプリズムを製造するステップと、
    前記ミクロプリズム上において集積光学製造プロセスで中間層を製造するステップと、
    前記中間層上において集積光学製造プロセスでミクロレンズを製造するステップと、
    を備えてなる映像感応装置の製造方法。
  8. 基層を提供するステップと、
    前記基層上において集積回路製造プロセスで感光器を製造するステップと、
    前記感光器上において集積回路製造プロセスでIC積み重ね層を製造するステップと、
    前記IC積み重ね層上において集積光学製造プロセスでミクロレンズを製造するステップと、
    前記ミクロレンズ上において集積光学製造プロセスで中間層を製造するステップと、
    前記中間層上において集積光学製造プロセスでミクロプリズムを製造するステップと、
    を備えてなる映像感応装置の製造方法。
  9. 前記基層は半導体基層であり、
    前記ミクロプリズムはグレイ・スケール・マスク製造プロセス、フォトレジスト層製造プロセス及び蝕刻製造プロセスを利用して製造される、
    請求項6ないし8のいずれか1項に記載の製造方法。
  10. 前記ミクロプリズムは透光のミクロ回折格子構造及び/又は誘電体材料により形成される請求項6ないし8のいずれか1項に記載の製造方法。
  11. 前記中間層はプラズマ補助化学気相沈積(Plasma Enhanced Chemica Vapor Deposition)製造プロセスで、酸化珪素(SiO2 )、窒化珪素(Si2 3 )及び窒素酸化珪素の中の一つを沈積して形成され、又は
    前記中間層は高分子材料により形成される、
    請求項7または8記載の製造方法。
  12. 物の空間映像を像の空間映像に変換する結像レンズ組と、
    像空間映像の光信号を電気信号に変換する映像感応器と、を備えてなり、
    その中、前記映像感応器の特徴はミクロプリズムを具備して不同入射角を修整することにある、
    映像モジュール。
  13. 前記映像感応器は
    前記複数角度の入射光線を調整する複数ミクロプリズムと、
    前記入射光線を焦点に合せて集光効率を増加する複数ミクロレンズと、
    光電を信号に変換して信号処理を行う複数IC積み重ね層と、
    前記入射光線を受入れて光電変換を行う複数感応器と、
    を備えてなる請求項12記載の映像モジュール。
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