TWI438500B - 一種形成相位光柵的方法 - Google Patents

Description

一種形成相位光柵的方法

本發明係關於一種形成相位光柵的方法。特定言之，本發明係關於一種使用選擇性蝕刻使得相位光柵之圓環高度不同的方法。

光柵(grating)是由週期性細密條紋所構成的光學元件。構成光柵的條紋可以是元件透光率、厚度或折射率的變化。其中，以厚度或折射率變化製成的光柵則是調變光波相位(phase)來達到繞射的效果，因此又稱為相位光柵(phase grating)。

光柵的製作一般是以玻璃或塑膠材料為基板，再設法改變其表面的透光率、表面形狀或折射率，例如在玻璃基板上利用機械方法刻畫細密的條紋，以製成反射式光柵。另外，用塑膠為材料的光柵則是以厚度調變為主流，其是先用金屬材料製作母模，再大量灌膜翻製。其困難點在於條紋的斷面形狀控制不易，成品良率較差且效率不佳。

例如，傳統的夫涅爾透鏡(Fresnel Lens)已知具有透鏡聚光性質，卻沒有一般玻璃龐大透鏡厚重的缺點。透鏡本 身可以是由聚合物材料注壓而成的薄片，表面刻錄了由小到大的同心圓，不過每一圈的角度和厚薄程度都不一樣，進而可以產生將一光束聚焦於一點的功能。

首先，美國專利5,132,843揭示一種光柵透鏡。此等光柵透鏡由多個形成在基材上的同心圓組成。但是，美國專利5,132,843並未揭示基材為何種材料或是可以由何種方法在基材上形成多個同心圓。另外，美國專利6,570,145揭示另一種相位光柵成像感應器(phase grating imaging sensor)及其形成方法。美國專利6,570,145揭示在金屬材料，例如鉻上，形成多個同心圓而得到相位光柵成像感應器。但是，上述之相位光柵屬於夫涅爾區域平面光柵(planer grating Fresnel zone)。此等夫涅爾區域平面光柵的透鏡其深度相同，又位於相同的表面上。此等平面光柵形式的聚焦效率並不能達成最佳性能。因此極需要一種聚焦效率更佳的相位光柵，以及一種相容於現行半導體技術的製程，好克服夫涅爾透鏡式的相位光柵在半導體材料中應用的障礙。

本發明即在於提出一種聚焦效率更佳的涅爾透鏡式相位光柵。此等位於影像感應器上的相位光柵，由於透鏡的深度不同，立體形式的構形使得本發明的夫涅爾透鏡式 相位光柵擁有絕佳的聚焦效率，能夠充分發揮傳統的夫涅爾透鏡具有的透鏡聚光及濾光性質，又避免了一般半導體感光元件，例如微鏡片(micro lens)及彩色濾光片(color filter)的複雜製程。如此一來，就可以克服夫涅爾透鏡式的相位光柵在半導體領域中應用的障礙。還有一併使得半導體領域中的微型光學元件，例如CMOS影像感測器(CMOS Image Sensor, CIS)之光感測元件，得以善加利用夫涅爾透鏡式相位光柵的先天優勢。

本發明第一方面首先提出一種形成相位光柵的方法。本發明形成相位光柵的方法，首先提供基材。其次，於基材上形成第一介電層。第一介電層包含具有具斜邊之凹穴。隨後，形成第二介電層，其填滿具有斜邊之凹穴並覆蓋第一介電層。再來，選擇性蝕刻第二介電層，而形成所需之相位光柵。所得之相位光柵包含一圓柱與複數個圓環，其中之圓柱與複數個圓環為同心，同時複數個圓環還位於凹穴之斜邊上方，使得複數個圓環之高度各自不同。

本發明第二方面，再提出一種形成相位光柵的方法。本發明形成相位光柵的方法，首先提供基材。其次，於基材上形成第一介電層。第一介電層包含具有斜邊之凸起。隨後，形成第二介電層，其覆蓋第一介電層。再來，選擇性蝕刻第二介電層，而形成所需之相位光柵。所得之相位 光柵包含一圓柱與複數個圓環，其中之圓柱與複數個圓環為同心，同時複數個圓環位於凸起之斜邊上方，使得複數個圓環之高度各自不同。

本發明第三方面，又提出一種形成相位光柵的方法。本發明形成相位光柵的方法，首先提供基材。其次，於基材上形成第一介電層。隨後，選擇性蝕刻第一介電層而形成所需之相位光柵。所得之相位光柵包含一圓柱與複數個圓環，且圓柱與複數個圓環之間分別具有一環形溝，其中之圓柱與複數個圓環為同心，且相鄰環形溝之深度不同。

由於本發明方法，巧妙地利用半導體製程中沉積操作的沉積/濺射(deposition/sputter)比所造成的差異、不同材料的蝕刻選擇比與蝕刻操作的特性，經由選擇性蝕刻即可方便又容易地得到所需之相位光柵。此等相位光柵，由於選擇性蝕刻法造成透鏡的深度不同，所產生的立體形式構形會使得本發明夫涅爾透鏡式相位光柵擁有絕佳的聚焦效率與光學性能。如此一來，本發明相位光柵既能夠充分發揮傳統夫涅爾透鏡具有的透鏡聚光性質，又避免了一般半導體感光元件，例如微鏡片(micro lens)及彩色濾光片(color filter)複雜製程的缺點。

本發明精神在於提供多種形成相位光柵的實施方法，而得到聚焦效率更佳的夫涅爾透鏡式相位光柵。本發明相位光柵既能夠充分發揮傳統夫涅爾透鏡具有的透鏡聚光性質，又避免了半導體感光元件，例如微鏡片(micro lens)及彩色濾光片(color filter)的複雜製程的缺點，特別適合應用於半導體領域中的微型光學元件，例如CMOS影像感測器(CMOS Image Sensor, CIS)之光感測元件中。

本發明首先提供一種形成相位光柵的方法。第1-7圖例示本發明形成相位光柵方法的一較佳實施例。如第1圖所示，首先提供一基材101。基材101較佳含有矽。此外，基材101中還包含有光感測元件102等之微型光學元件。並於基材101上形成第一介電層110，使得第一介電層110形成具有斜邊112之凹穴111。例如，本發明形成具有斜邊之凹穴的第一介電層第一種的步驟可以是，如第2圖所示，先於基材101上形成一圖案化層103，然後，如第1圖所示，再進行一化學氣相沉積，例如高密度電漿(HDP)，於是形成第一介電層110，不但覆蓋圖案化層103，並因此使得第一介電層110形成具有斜邊112之凹穴111。其中可以經由調整此高密度電漿化學氣相沉積之沉積/濺射(deposition/sputter)比，使第一介電層110藉由圖案化層103的輪廓來達成具有斜邊112之凹穴111結構。或是，第二種的步驟可以是，先形成第一介電層110再進行一選擇 性蝕刻，使得第一介電層110形成具有斜邊112之凹穴111。圖案化層103可以包含金屬或是氮化物，例如氮化矽，且若圖案化層103為不透光材料所構成，其更可當作環繞光感測元件102的黑色矩陣(BM)。形成圖案化層103的方式可以是，在基材101上先全面性地形成一材料層。然後，再使用微影與蝕刻步驟建立所需之圖案化層103。

之後，如第3圖所示，再於第一介電層110上形成第二介電層120，填滿具有斜邊112之凹穴111並同時覆蓋第一介電層110。斜邊112之不同斜率可以適合不同之光學應用範圍，例如紅光、綠光或藍光等等之不同色光。第一介電層110與第二介電層120之材料可以相同也可以不同。例如，使用蝕刻選擇比相異之材料組合，像是氧化物搭配氮化物等。以下將先例示說明使用蝕刻選擇比不同的材料之步驟。

繼續選擇性蝕刻第二介電層120而形成具有夫涅爾透鏡(Fresnel Lens)結構之相位光柵，並位於相對應之光感測元件102上方。進行選擇性蝕刻的方式可以是，如第4圖所示，先在第二介電層120上形成輔助選擇性蝕刻之蝕刻遮罩140。第5圖例示在第二介電層120上設置選擇性蝕刻遮罩140之上視圖。選擇性蝕刻遮罩140在第二介電層120，其包含中心圓141與複數個呈同心圓且交錯排列之圓 環142以及未被選擇性蝕刻遮罩140所遮擋之光柵區143(grating zone)。然後，再進行第二介電層120的蝕刻，如第6圖所示。由於構成第一介電層110與第二介電層120之材料的蝕刻選擇比不同，因此第二介電層120之選擇性蝕刻可直至暴露出第一介電層110與凹穴111之斜邊112。最後去除蝕刻遮罩140，於是形成相位光柵130。

如果第一介電層110與第二介電層120之材料之間不具有蝕刻選擇比相異性，則本發明可在形成第二介電層120之前先形成一蝕刻停止層104以覆蓋第一介電層110，如第7圖所示。蝕刻停止層104可以是氮化矽、氧化矽與氮氧化矽......等多種材料，只要蝕刻停止層104與第二介電層120具有相異之蝕刻選擇比即可。此時，再進行第二介電層120的蝕刻時，即會暴露出蝕刻停止層104，而形成相位光柵130。

請參考第6圖，相位光柵130包含一圓柱131與複數個圓環132。複數個圓環132並與夫涅爾光柵區133 (Fresnel grating zone)交錯排列。圓環132的寬度或是夫涅爾光柵區133的寬度可以相同也可以不同。圓柱131與複數個圓環132為同心排列。此外，複數個圓環132位於凹穴111之斜邊112上方，使得複數個圓環132之高度各自不同。這樣的結果造成夫涅爾光柵區133的深度實質上不同，所產生 的立體構形會使得本發明夫涅爾透鏡式相位光柵130擁有絕佳的聚焦效率與光學性能。如此一來，本發明相位光柵130既能夠充分發揮傳統夫涅爾透鏡具有的透鏡聚光性質，又避免了一般半導體感光元件，例如微鏡片(micro lens)及彩色濾光片(color filter)複雜製程的缺點。

本發明又提供另一種形成相位光柵的方法。第8-10圖例示本發明形成相位光柵方法的另一較佳實施例。如第8圖所示，首先提供一基材201。基材201較佳含有矽。此外，基材201中還包含有光感測元件202。並於基材201上形成第一介電層210，使得第一介電層210具有斜邊212之凸起211。本發明形成第一介電層210第一種的步驟可以是，先於基材201上形成一圖案化層203。然後再進行化學氣相沉積，例如高密度電漿(HDP)，同時又調整此化學氣相沉積的沉積/濺射比，使第一介電層210藉由圖案化層203的輪廓而形成具有斜邊212之凸起211的結構。或是，第二種的步驟可以是，先形成第一介電層210再進行一選擇性蝕刻，使得第一介電層210形成具有斜邊212之凸起211。

之後，如第9圖所示，再於第一介電層210上形成第二介電層220。斜邊212之不同斜率可以適合不同之光學應用範圍，例如紅光、綠光或藍光等等之不同色光。如前 所述，第一介電層210與第二介電層220之材料可以相同也可以不同。例如，使用蝕刻選擇比相異之材料組合，像是氧化物搭配氮化物等。以下將先例示說明使用蝕刻選擇比不同的材料之步驟。

繼續，選擇性蝕刻第二介電層220直至暴露出第一介電層210與具有斜邊212之凸起211，而形成相位光柵。選擇性蝕刻第二介電層220的方式可以是如前所述，在此不多贅言。

同樣地，請參考第7圖，如果第一介電層與第二介電層之材料之間不具有蝕刻選擇比相異性，則在形成第二介電層之前需要先形成一蝕刻停止層以覆蓋第一介電層。蝕刻停止層可以是氮化矽、氧化矽與氮氧化矽......等多種材料，只要蝕刻停止層與第二介電層具有相異之蝕刻選擇比即可。此時，再進行第二介電層的蝕刻時，即會暴露出蝕刻停止層，於是形成相位光柵。

請參考第10圖，相位光柵230包含一圓柱231與複數個圓環232，且相位光柵230係位於相對應之光感測元件202上方，而圓環232並與夫涅爾光柵區233 (Fresnel grating zone)交錯排列。圓環232的寬度或是夫涅爾光柵區233的寬度可以相同也可以不同。圓柱231與複數個圓環 232為同心排列。此外，複數個圓環232位於凸起211之斜邊212上方，使得複數個圓環232之高度各自不同。這樣的結果造成夫涅爾光柵區233的深度不同，所產生的立體構形會使得本發明夫涅爾透鏡式相位光柵230擁有絕佳的聚焦效率與光學性能。如此一來，本發明相位光柵230既能夠充分發揮傳統夫涅爾透鏡具有的透鏡聚光性質，又避免了半導體感光元件，例如微鏡片(micro lens)及彩色濾光片(color filter)複雜製程的缺點。

本發明再提供又一種形成相位光柵的方法。第11-14圖與第12A圖例示本發明形成相位光柵方法的又一較佳實施例。如第11圖所示，首先提供一基材301。基材301較佳含有矽。此外，基材301中還包含有光感測元件302。並於基材301上形成第一介電層310。形成第一介電層310的步驟可以是，例如，進行化學氣相沉積，於是形成第一介電層310。繼續，進行第一介電層310的選擇性蝕刻而形成相位光柵330。

進行選擇性蝕刻的方式可以是，如第12圖所示，先在第一介電層310上形成輔助選擇性蝕刻之圖案化遮罩340。第12A圖例示在第一介電層310上設置圖案化遮罩340之上視圖。圖案化遮罩340在第一介電層310上呈同心圓排列，其中包含中心圓341與複數個呈交錯排列之圓 環342以及未被圖案化遮罩340所遮擋之光柵區343(grating zone)。各別光柵區343之寬度應該不同。然後，再進行第一介電層310的蝕刻，如第13圖所示。視情況需要，完成第一介電層310的蝕刻後可以移除圖案化遮罩340。在相同的蝕刻條件，例如等向性蝕刻下，不同的開口大小由於所感受到蝕刻的強度不同，即會形成深淺不一的溝渠。

請參考第13圖，相位光柵330包含一圓柱331與複數個圓環332，且相位光柵330係位於相對應之光感測元件302上方，而圓環332並與夫涅爾光柵區333(Fresnel grating zone)交錯排列。圓柱331與複數個圓環332為同心排列。複數個圓環332之寬度通常相同。然而由於各別光柵區343之寬度不同，即在蝕刻時的開放面積不同，會形成深淺不一的環形溝333’。一般說來，愈大的開口由於所感受到蝕刻的強度愈強，通常會形成較深的環形溝。第13圖例示環形溝333’越接近圓心之深度越淺，亦即環形溝333’之寬度越接近圓心越窄。不同深度造成之不同斜率可以適合不同之光學應用範圍，例如紅光、綠光或藍光等等之不同色光。

另一方面，第14圖例示環形溝333’越接近圓心之深度越深。亦即環形溝333’之寬度越接近圓心越寬。這樣的 結果造成環形溝333’的深度不同，所產生的立體構形會使得本發明夫涅爾透鏡式相位光柵擁有絕佳的聚焦效率與光學性能。如此一來，本發明相位光柵既能夠充分發揮傳統夫涅爾透鏡具有的透鏡聚光性質，又避免了半導體感光元件，例如微鏡片(micro lens)及彩色濾光片(color filter)複雜製程的缺點。

在本發明方法的實施過程中，會巧妙地利用在標準半導體製程中，氣相沉積操作的沉積/濺射(deposition/sputter)比所造成的差異、不同材料的蝕刻選擇比與不同大小的開口在相同蝕刻操作下，所形成差異性結果的特性。第15圖例示本發明所形成相位光柵之剖面圖。所以經由選擇性蝕刻即可方便又容易地在第一介電層110中圖案化層103的上方得到所需之相位光柵130，其包含圓柱131、複數個圓環132與夫涅爾光柵區133，同時亦暴露出蝕刻停止層104，如第15圖所示。如此一來，就可以克服夫涅爾透鏡式的相位光柵在半導體領域中應用的障礙。此外，還可以使得半導體領域中的微型光學元件，例如CMOS影像感測器(CMOS Image Sensor,CIS)之光感測元件，得以善加利用夫涅爾透鏡式相位光柵的先天優勢。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

101,201,301‧‧‧基材

102,202,302‧‧‧光感測元件

103,203‧‧‧圖案化層

104‧‧‧蝕刻停止層

110,210,310‧‧‧第一介電層

111,211‧‧‧凹穴

112,212‧‧‧斜邊

120,220‧‧‧第二介電層

130,230,330‧‧‧相位光柵

131,231,331‧‧‧圓柱

132,232,332‧‧‧圓環

133,233,333‧‧‧夫涅爾光柵區

140‧‧‧蝕刻遮罩

340‧‧‧圖案化遮罩

141,341‧‧‧中心圓

142,342‧‧‧圓環

143,343‧‧‧光柵區

333’‧‧‧環形溝

第1-7圖例示本發明形成相位光柵方法的又一較佳實施例。

第8-10圖例示本發明形成相位光柵方法的又一較佳實施例。

第11-14圖與第12A圖例示本發明形成相位光柵方法的又一較佳實施例。

第15圖例示本發明所形成相位光柵之剖面圖。

103‧‧‧圖案化層

104‧‧‧蝕刻停止層

110‧‧‧第一介電層

130‧‧‧相位光柵

131‧‧‧圓柱

132‧‧‧圓環

133‧‧‧夫涅爾光柵區

Claims (24)

1. 一種形成相位光柵的方法，包含：提供一基材；於該基材上形成一第一介電層，且該第一介電層形成有一具斜邊之凹穴；形成一第二介電層，填滿該具有斜邊之凹穴並覆蓋該第一介電層；以及選擇性蝕刻該第二介電層而形成該相位光柵，使得該相位光柵包含一圓柱與複數個圓環，其中該圓柱與該複數個圓環為同心，且該複數個圓環位於該凹穴之該斜邊上方使得該複數個圓環之高度各自不同。
2. 如請求項1的方法，其中該基材包含一光感測元件以對應該相位光柵。
3. 如請求項1的方法，其中於該基材上形成該第一介電層包含：於該基材上形成一圖案化層；進行一化學氣相沉積，形成該第一介電層覆蓋該圖案化層並使得該第一介電層形成具有斜邊之該凹穴，其中該化學氣相沉積具有一沉積/濺射(deposition/sputter)比。
4. 如請求項3的方法，其中該圖案化層選自由金屬與氮化矽所組成之群組。
5. 如請求項1的方法，其中於該基材上形成該第一介電層包含：於該基材上覆蓋該第一介電層；進行一選擇性蝕刻，使得該第一介電層形成具有斜邊之該凹穴。
6. 如請求項1的方法，其中該第一介電層與該第二介電層具有不同之蝕刻選擇比，使得蝕刻該第二介電層時暴露該凹穴之該斜邊。
7. 如請求項1的方法，形成該第二介電層前進一步包含：形成一蝕刻停止層以覆蓋該第一介電層。
8. 如請求項7的方法，其中該蝕刻停止層選自由氮化矽、氧化矽與氮氧化矽所組成之群組。
9. 如請求項7的方法，其中蝕刻該第二介電層時暴露該蝕刻停止層。
10. 一種形成相位光柵的方法，包含：提供一基材；於該基材上形成一第一介電層，且該第一介電層形成有一具斜邊之凸起；形成一第二介電層，以覆蓋該第一介電層；以及選擇性蝕刻該第二介電層而形成該相位光柵，使得該相位光 柵包含一圓柱與複數個圓環，其中該圓柱與該複數個圓環為同心，且該複數個圓環位於該凸起之該斜邊上方使得該複數個圓環之高度各自不同。
11. 如請求項10的方法，其中該基材包含一光感測元件以對應該相位光柵。
12. 如請求項10的方法，其中於該基材上形成該第一介電層包含：於該基材上形成一圖案化層；進行一化學氣相沉積，形成該第一介電層並使得該第一介電層形成具有斜邊之該凸起，其中該化學氣相沉積具有一沉積/濺射(deposition/sputter)比。
13. 如請求項12的方法，其中該圖案化層選自由金屬與氮化矽所組成之群組。
14. 如請求項10的方法，其中於該基材上形成該第一介電層包含：於該基材上覆蓋該第一介電層；進行一選擇性蝕刻，使得該第一介電層形成具有斜邊之該凸起。
15. 如請求項10的方法，其中該第一介電層與該第二介電層具有不同之蝕刻選擇比，使得蝕刻該第二介電層時暴露該凸起之該斜 邊。
16. 如請求項10的方法，形成該第二介電層前進一步包含：形成一蝕刻停止層以覆蓋該第一介電層。
17. 如請求項16的方法，其中該蝕刻停止層選自由氮化矽、氧化矽與氮氧化矽所組成之群組。
18. 如請求項16的方法，其中蝕刻該第二介電層時暴露該蝕刻停止層。
19. 一種形成相位光柵的方法，包含：提供一基材；於該基材上形成一第一介電層；以及選擇性蝕刻該第一介電層而形成該相位光柵，使得該相位光柵包含一圓柱與複數個圓環，且該圓柱與該複數個圓環之間分別具有一環形溝，其中該圓柱與該複數個圓環為同心，且相鄰環形溝之深度不同。
20. 如請求項19的方法，其中該基材包含一光感測元件以對應該相位光柵。
21. 如請求項19的方法，其中各該環形溝之寬度不同。
22. 如請求項19的方法，其中該等環形溝越接近圓心之深度越淺。
23. 如請求項19的方法，其中該等環形溝之寬度越接近圓心越寬。
24. 如請求項19的方法，其中使用等向性蝕刻來蝕刻該第一介電層。