TW417309B - Color microlenses and a method for creating - Google Patents

Description

417309 五 '發明說明（1) 發明範圍 本發明係關於影像感測器與顯示裝置之領域。 一般背景 微透鏡已長時間使用在影像裝置，以便將光聚焦在感測 器上’而該等感測器係包括電荷耦合裝置（CCD )感應器 和互補金屬氧化物半導體（CM〇S )感測器β該該微透鏡係 藉由故集來自較大光收集區域的光，並將它在感測器的較 小光敏感區域上聚焦而能明顯地改良該影像裝置的光敏感 度。感測器的整個光收集區域與感測器的光敏感區域的比 係定義為填滿因素。技藝設計的典型填滿因素係小於 50%。 產生彩色影像信號的一先前技藝方法是在圖丨々顯示◊來 自成像物體的光是以光線1〇4表現，並通過一組微透鏡 、112、116。該等微透鏡是在平面層12〇上形成。在通 過平面層120之後’光線1〇4便會由顏色過濾器124、128、 1 32過濾’而這些顏色過濾器係整個形成顏色過濾器陣 列。在顏色過濾器陣列中的每個顏色過濾器1 2 4、1 2 8、 132只允許特殊顏色的光能夠通過，所定義的I，顏色光 係具有特殊的頻率範圍。在顏色過濾器陣列中所使用的典 型顏色過濾器124、128、132是紅色、綠色、與藍色過濾 器（RGB)、或藍綠色、紅紫色、與黃色（CMY)過濾器。每個 微透鏡與顏色過濾器組合係符合該等感測器1 3 6、U 0、 1 44 »每個感測器是光敏感裝置，它能夠將投射該等感測 器136、140、144的光強度轉換成電氣信號。諸如感測器

417309 五、發明說明（2) 的微透鏡、顏色過濾器、與感測器136、140、144係符合 影像的圖素。該等感測器1 3 6、1 40、1 44彼此是相互靠 近，而且每個感測器會接收來自相對顏色過濾器124、 128、132的過濾光。藉由該等感測器136、140、144的輸 出組合，諸如繪圖處理器的處理器便能決定投射在感測器 136、140、144附近區域的大略光強度與顏色。藉由產生 如圖1所顯示的如此感測器（紅色感測器1 60、藍色感測器 1 64、綠色感測器1 68)陣列，所有的彩色影像便能重建。 在圖1A與1 B中所描述結構的個別微透鏡、顏色過濾器、 與影像感測器的製造具有某些缺點。例如，傳統結構的缺 點是需要許多的處理步驟，以形成包括該等感測器1 48、 136、140、144的第一層；包括該等顏色過濾器152、 124、128、132、的第二層、及支撐微透鏡108、112、I!6 的第三平面層156。 目前結構的另一缺點是該等微透鏡、112、116是由 該平面層1 5 6及該顏色過濾器層1 5 2從該等相對的影像感測 器1 3 6、1 4 0、1 4 4分離。該分離能減少光抵達該等感測器 136、140、144，因為某些光會吸收通過該等多層152、 156。此外，該分離會在圖素之間造成更多的串音。當遠 離軸線的光以鈍角入射於諸如微透鏡n2的時候，"串音 便會產生。該遠離轴線的光會通過平面層156與顏色過濾 器128而不會通過相對於該顏色過濾器128的感測器140， 相反會投射在毗鄰的感測器136 °或者’進入微透鏡112的 該遠離軸線光會通過過濾器124與丨28之間，而抵達毗鄰的

第5頁 417309 五、發明說明（3) 感測器1 3 6 ’❼造成該影像感測器i 3 6的錯誤讀取β 目前微透鏡過濾器紐合的額外缺點係包括用來製造圖1 的多層結構之額外處理步驟，該等層148、152、156分離 會導至降低可信度，而且會增加製造該等分離透明微透鏡 108、112、116、顏色過濾器124、128、132、及結合平面 層156的材料成本。 微透鏡、顏色過濾器層、結構的第二使用是在彩色顯示 裝置。圖2係描述使用在薄膜傳輸（TFT)液晶顯示裝置中的 微透鏡顏色過濾器結構範例。在圖2，來自背光或其它光 源204的光會通過包括顏色過遽器212、216、與220的顏色 過濾器層208。該等顏色過濾器212、216、220典型上是不 同的顏色，其允許只有一顏色光通過每個過濾器。在微透 鏡層236的微透鏡224、228與232會經由基材240與TFT基材 248的液晶顯示（LCD)層244而聚焦光來自相對顏色過渡器 212、2 16、2 20的光。每個TFT開關252、256、2 6 0係符合 相對的顏色過濾器212、216、220。藉由控制通過每個開 關252、256、260的光度，每個顏色過濾器212、216、220 的輸出便能受到控制。該等顏色過遽'器的輸出和TFT開關 的結合會產生該彩色顯示裝置的圖素輸出。 使用所描述的技術而形成的顯示裝置會有先前所描述的 缺點’其包括（1)不同的農造；（2)由微透^鏡層所產生的 分離增加會在過濾器和開關之間造成串音；及（3)在多層 之間所造成的裝置可信度問題’及因多層的需要而導至增 加材料的成本。

第6頁 41V309 五、發明說明（4) 用以形成微透鏡和顏色過濾器結構的改良方法係意欲 的。 發明總結 本發明係描述在半導體基材上形成彩色微透鏡陣列的方 法。該方法係包括在半導體表面上放置的彩色微透鏡阻 體。該彩色微透鏡阻體會受圖型形成而然後加溫烘烤，以 造成在彎曲表面的彩色微透鏡上產生該彩色微透鏡阻體的 流動。 圖式之簡單說明 圖1 A係用以獲得彩色影像的傳統顏色過濾器陣列結構之 截面圖。 圖1 B係描述在偵測裝置申的顏色過濾器配置範例。 圖2係利用微透鏡系統的薄膜傳輸（TFT )液晶顯示截面 圖。 圖3係利用微透鏡與顏色過濾器結合的彩色微透鏡取得 彩色影像的彩色影像裝置載面圖。 圖4係利用本發明的彩色微透鏡而顯示tft液晶顯示截面 圖。 圖5係顯示製造彩色微透鏡所使用的處理。 圖6A至6E係顯示在主要處理操作之後的微透鏡系統截面 圖。 詳細說明 在下列的描述係說明彩色微透鏡的陣列。在具趙實施例 甲’該等彩色微透鏡係使用半導體處理技術而在平面基材

417309 發明說明（5) 上形成，包括微透鏡阻趙的石版術及熱烘。將微透鏡與顏 色過濾器的功能結合成單一彩色微透鏡可減少元件數目及 用來製造彩色顯示器與影像取得裝置的操作數目。減少元 件數目也可增加裝置的可信度。利用彩色微透鏡的裝置範 例係包括但非局限諸如TFT顯示器的彩色影像顯示器、及 諸如電荷耦合裝置（CCD)數位照相機之影像取得裝置。 在隨同的描述中’某些細節的提供有助於對本發明的了 解。例如，用來於形成該等彩色微透鏡的某些處理會描 述。然而’製造彩色微透鏡的其它方法是可認定的。該等 所包括細節的提供有辅助對本發明的了解，而非限制本發 明的範圍。某些細節會省略，因為細節會使本發明造成模 糊’而且可從技藝的平常技術了解到。 圖3係描述在彩色影像裝置中使用的一組微透鏡3 〇 4、 308、312。來自外部源的光線316會通過彩色微透鏡304、 308、3 12，而且會投射在一組感測器32〇、324、與328 上。在該組中的每個微透鏡3〇4、308、312典型上係允許 不同顏色的光通過》因此，在一具體實施例中，一微透鏡 可使用紅色，另一係使用藍色，而第三微透鏡係使用綠 色。共同結合的時候，該組的三個微透鏡可偵測符合影像 圖素的光。在此具體實施例中，該等三個微透鏡304、 308、312是位在彼此（典型是在一微米範圍内）靠近，每個 微透鏡304、205、312所位在的地方可許一顏色光到達分 別符合該等微透鏡3〇4、308、342的該等感測器32〇、 324、328。處理器或其它適當的繪圖電路可結合該等三個

第8頁 417309 五、發明說明（6) 感測器320、324、328的輸出，以決定投射在該等三個感 測器32 0、32 4、32 8附近平常區域的光顏色與強度。在影 像中，該平常區域係相對於圖素。若要改良解析度，圖素 應較小，而因此該等微透鏡應該會很小。微透鏡的直徑於 不同的裝置的大小是從8微米至15微米。 圖4係描述在彩色顯示裝置中的彩色微透鏡404、408、 412的使用。光源416係經由計算器基體層416而提供通過 微透鏡404、408、412的照明，而且提供給液晶顯示器 (LCD)層420。一組中的每個微透鏡能過濾不同的顏色，而 且會從光源4 16聚焦至所要切換的LCD液晶層420之特殊區 域。在每個彩色微透鏡下的LCD液晶係扮演開關，並將該 光過濾。當光能通過微透鏡下方區域的液晶或當來自通過 LCD層420的光受到阻礙的時候，所應用的電位便可決 定。存在LCD層420兩邊上的電極是用來提供電位。 在另一具體實施例中，薄膜轉移（TFT)開關428、432、 436可用來切換在LCD層420中的液晶。該等三個微透鏡 4 04、4 08、4 1 2係形成一組相對於彩色顯示裝置圖素。因 此’該等微透鏡404、408與412具有較小大小是意欲而非 必要’每個微透鏡的直徑典型上係小於丨〇微米，而高度是 3微米’所以該等微透鏡能靠近放置。人眼可接受該顯示 裝置的輸出，並合併圖素的微透鏡輸出，以產生意欲顯示 的實際顏色。 圖5係描述製造彩色微透鏡石版印刷方法的流程圖。在 方塊50 4，形成微透鏡的半導體基材表面會平面化處理。

第9頁 417309 五、發明說明（7) 平面化係提供沉積微透鏡阻體的平坦而光滑的基材平面。 在某些具體實施例中，當表面已磨光處理和光滑的時候， 平面化便不需要。平面化的一方法係包括旋轉，其會塗上 隨後會熱烘的平面層。在塗上平面層旋轉中所使用的材料 可分成非光可定義與光可定義的材料。”非光可定義"的 材料（非光敏感材料）係包括諸如壓克力與多有機矽氧烷。 "光可定義”的材料（光敏感材料）範例係包括以壓克力為 基礎的光阻及以環氧基樹脂立為基礎的光阻。在此具體實 施例中，光可定義的平面會使用，因為非光可定義的平面 時常需要額外的光石版術圖案操作，以打開接合填料區 域，而光可定義的平面層能直接圖型形成及蝕刻= 在方塊5 0 8，彩色微透鏡阻體材料係沉積在平面化表面 上。在一具體實施例中，該彩色微透鏡阻體的沈積係藉由 塗上彩色微透鏡阻體的平面層的旋轉而達成。該塗層的厚 度是由微透鏡所需的厚度決定。該微透鏡阻體的厚度是微 透鏡焦點長度需求的函數，較短的焦點長度需要較厚的透 鏡’而因此會是較厚的微透鏡阻體層。該微透鏡的焦點長 度在設計上能有效將光聚焦在相對的感測器上。該微透鏡 厚度（t)與焦點長度（f )的比較係根據下列關係式而估計： 3 At 、 1 3 e \ 7t(2_COS© 十 COS3©)) η1 - V )

第10頁 417309 五、發明說明（8) Θ:微透鏡與支撑基材之間的接觸角 A :微透鏡的折射率 n0 :空氣折射率 "接觸角"是微透鏡曲率函數，而且能夠當作角度計 算，而該角度是在接近於該等微透鏡與該支撐基材X之間的 界面，而於該微透鏡上的—點與該微透鏡表面相切的第一 條線及平行於該支撐基材表面的第二條線之間所形成的角 度。該接觸角係如圖4所示的角度0450。 該彩色微透鏡的厚度與形狀可利用光線追蹤程式計算， 而且也決定在微透鏡阻體材料的折射率。不同彩微透鏡可 包括具不同折射率的不同色素。如此在組中的不同微透鏡 能有^同的大小。在圖素大小約在丨〇微米χ J 〇微求的典型 感測器應用令，該微透鏡的厚度可從2改變至4微米，其係 決定，微透鏡材料的折射率、微透鏡與感測器的距離、'及 感測器的區域。透鏡形狀的決定可在技藝完全了解而且 能經由商用比率追蹤程式來計算。 在方填5〗2 ’該微透鏡阻體是在相當低的溫度上做熱 烘，其係已知為"非高熱烘"。在完全的光阻上，非高熱烘 係包括時間大約1分鐘而溫度在大約丨〇 〇度攝氏（c )的微透 f阻體熱洪。在非高溫熱烘之後，圖型形成會執行，其中 該微透鏡阻體典型上係暴露在方塊516的光石版術處理的 紫外線（UV) °在一具體實施例中，該紫外線光具有大約 5 η:的波長或卜線及每平方公分毫焦耳的量。在暴 路#务' 外線光之後’該微透鏡阻體便能以發展人員的方法 417309 五、發明說明（9) 來發展。 在圖型形成方塊516之後，該過度的微透鏡阻體材料會 移除，而留下適當的微透鏡阻體量來形成微透鏡。典型 上，該結構具有大約正方形的形狀。該正方形的形狀係利 用較深的紫外線暴露形成，否則就如在方塊520中所知的 後圖型形成流暴露。較深的紫外線暴露會造成光阻的交互 連結，以改良該微透鏡阻體材料的透明。 在後圖型形成流暴露之後，該微透鏡的形狀仍然是正方 形的形狀。在方塊524，該微透鏡陣列是在高溫做熱烘， 以造成該微透鏡阻體的供應及形成意欲的彎曲形狀。在本 發明的製作中，該微透鏡陣列於預定的時間（例如，大約 兩分鐘）會加熱至溫度大約1 5 0 °C。 方塊508至524會重複，而每個不同的彩色微透鏡會在平 面化表面上存放《如此，如果紅色、綠色、與藍色的微透 鏡要在平面化表面上形成，在方塊508至524中所發表的三 個重複操作典型上是需要，亦即，紅色微透鏡的一重複、 綠色微透鏡的第二重複、與藍色微透鏡的第三重複，當在 方塊528的時候，便會決定最後的微透鏡是否已在平面化 表面上形成’選擇性的甲石夕炫基化層便會在方塊532中的 微透鏡上形成。 典型上，根據方塊504至5 24所形成的微透鏡陣列聚合透 鏡陣列’而且是從光阻钱刻劑形成。然而，先前的這些甲 梦炫基化聚合微透鏡是無光阻結構、熱、及從多數裝置所 需的環境穩定而形成。因此，在此具體實施例中，該微透

第12頁 417309 五、發明說明（ίο) 鏡陣列的表面係經由微透鏡阻體的曱矽烷基化而成矽酸 鹽。此矽酸鹽處理是已知能穩定光阻，而且已在諸 如American Chemical Society copyrighted 1994所出版 在第243至244 頁，由L. Thompson 、C. Grant Wilson 、與 M.J. Bowden 所編輯的 Introduction to M i cro 1 i thographv 文獻中描述。 在本發明的一具體實施例中，該甲矽烷基化微透鏡係進 一步獲得較深的紫外線漂白。在漂白處理上，該微透鏡陣 列係暴露在諸如Fusion DUV系統中發生，而於1分鐘的時 間大約200-3 00x 1 0_9米的較深（DUV)放射線及每平方公尺 500毫瓦的強度。該紫外線漂白會改變彩色微透鏡的光傳 送特性。漂白會減少微透鏡略帶黃顏色的趨向。 在方塊540 ’該甲矽烷基化彩色微透鏡表面係利用氧反 應離子處理（RIE)而轉換成矽酸鹽表面。矽酸鹽表面是較 佳的甲矽烷基化表面，因為矽酸鹽表面比較堅硬、更穩 定、和防止變形。為了要將曱矽烷基化表面轉換成矽酸鹽 表面’該甲矽烷基化微透鏡表面便會暴露於氧反應離子蝕 刻大約3 0秒。該R I E蝕刻能力應相當低，而不會造成明顯 的姓刻。典型的RI E姓刻能力是大約6 〇瓦特。 圖6A至6D係描述在圖5中所描述不同階段處理描的微透 鏡結構載面圖。在圖6A，所顯示的平面化表面604具有彩 色微透鏡阻體608的沉積層。圖6B係描述在方塊516所描 述的圖型形成之後的微透鏡阻體的”正方形M形狀。 圖6C係描述暴露於DUV放射線612期間而成圖案的微透鏡阻

第13頁 417309 五、發明說明（11) 體。為了要使角緣成圓形，該彩色微透鏡阻體會受限於如 圖5的方塊524所描述的熱流或交互連結熱烘，以產生如圖 6D所描述的彎曲微透鏡608。目前所形成圖6D彩色微透鏡 的彩色微透鏡阻體會甲矽烷基化、DUV漂白、和RIE，以產 生在圖6Ε中所描述的塗層微透鏡結構612。 當某些具體實施例連同圖式已詳細描述的時候，便可了 解到如此的具體實施例只是說明，而非對本發明的限制。 本發明並非局限在此所描述的特殊 然各種 不同的其它I改可…技藝中的平常=構

Claims (1)

1. 417309 六、申請專利範圍 1, 一種用以在半導體結構上形成彩色微透鏡陣列之方 法’其包括： 表面上沉積一第一彩色微透鏡阻體； 彩色微透鏡阻體形成圖型；及 一彩色微透鏡阻體’使該第一彩色微透鏡阻 微透鏡至少有一個帶有一個彎曲表面。 利範圍第1項之方法，其尚包括： 的紫外線照射固定該第一彩色微透鏡阻體， 色微透鏡阻體形成圖型於該等微透鏡阻體中 〇 利範圍第1項之方法，其包括： 一彩色微透鏡表面的甲矽烷基化 ’將該等微透鏡予以穩定。 利範圍第1項之方法，其尚包括利用一第二 體於該半導體結構上重複沉積、形成圖型和 該第二微透鏡阻體係過濾不同於該第一彩色 顏色。 禾J範圍第1項之方法，其尚包括： 微透鏡暴露於較深的紫外線予以漂^，以改 利範圍第1項之方法，其中該等沉積、形成 業會重複三次，每次均對應於不同的著色聚 利範圍第1項之方法，其中該形成圖型作業 在半導體 將該第一 熱供該第 體流動而造成 2. 如申請專 使用較深 以便在將該彩 造成交又連結 3. 如申請專 利用該第 (Silylation) 4. 如申請專 彩色微透鏡阻 熱烘等作業， 微透鏡阻體的 5. 如申請專 將至少一 良其透明性。 6 ·如申請專 圖型和熱烘作 合阻體。 7.如申請專

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   六、申請專利範圍 係使用微 8 _ —種

   其包括： 一光敏感感測器之陣列；及 一彩色微透鏡之陣列，在該彩色微透鏡之陣列，的每 個微透鏡均對應於在該光敏感感測器陣列中的一個光敏感 感測器’而且係設計供過濾一對應之色光。 9 如申請專利範圍第8項之彩色影像擷取裝置： 其中在該彩色微透鏡陣列中的每個微透鏡係—對應之 組微透鏡組中的一元件，每一組中的每個微透鏡可過 不同的色光。 1 0.如申請專利範圍第8項之彩色影像擷取裝置，其中在 該彩色微透鏡陣列中之每一微透直徑係小於1 5微米 Π ·如申請專利範圍第8項之彩裝置，其中該等光 敏感感測器是電荷耦合裝置感應 1 2 ·如申請專利範圍第8項之彩裝置，其中該等光 敏感感測器是金屬氧化物半導體慕。 1 3.如申請專利範圍第8項之彩裝置，其中該彩色 微透鏡陣列的一微透鏡是以一染色之聚合體做成。 14. 一種彩色顯示裝置，其包括： 一光源； 一個複數開關，用以控制來自該光源的光；及 多數彩色微透鏡，其係用以聚焦及過濾來自該光源的 光，並將來自該光源的光傳送至該複數..開關。 1 5.如申請專利範圍第1 4項之彩色^^裝置’其t該複

   第16頁 417309 申請專利範圍 ^ ---- 數開關之每個開關係〜淡a β β ^ Τ β , ^ 夜晶顯示層的區域。 1 6.如申請專利範圍笛 複數#辛料读饉Φ坫女第項之彩色顯示裝置，其中在該 個^ ’每個微透鏡對應於該複數開關中的- 1固開關。 1J·如申請專利範圍第14項之彩色顯示裝置，其令該複 數彩色微透鏡组成多數組的彩色微透鏡，每組彩色微透鏡 包括來自該多數彩色微透鏡的三個微透鏡，在該組微透鏡 中的每個微透鏡係供過濾一不同顏色的光之用。

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