TWI438893B - 光學元件及固態成像裝置 - Google Patents

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Description

光學元件及固態成像裝置
本發明係關於光學元件及固態成像裝置，特別關於允許以化學上穩定、低成本、淺型結構來實現僅選擇性取出特定波長的電磁成份之技術的光學元件及固態成像裝置。
例如數位靜態相機、攝影機等包含固態成像裝置的電子裝置近來增加，固態成像裝置係藉由拍攝物體以成像。目前主流的固態成像裝置包含CCD(電荷耦合裝置)影像感測器、CMOS(互補金屬氧化物半導體)影像感測器、等等。於下，這些固態成像裝置總稱為「CCD/CMOS影像感測器」。CCD/CMOS影像感測器具有從可見光波長至近紅外光波長寬廣範圍之靈敏度。但是，不似人眼，CCD/CMOS影像感測器無法區別顏色資訊，舉例而言，無法區別紅光與藍光。因此，在一般的CCD/CMOS影像感測器中，僅使例如紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)、互補色光(青綠(Cy)、品紅(M)、及黃光(Y)、綠光(G))等特定波長的電磁波透射之濾光器設於每一像素的前表面。藉由使用一般的CCD/CMOS影像感測器，從透射光的強度，取得每一色光的強度資訊，以及，藉由每一色光的強度資訊的訊號處理，形成顏色資訊。
對於一般的CCD/CMOS影像感測器中使用的濾光器，通常使用例如顏料、染料等有機原材料。但是，包含濾光器的構成成份之碳及氫等分子的接合能量實質上與紫外光的能量相同。因此，當以高能量的光長時間照射濾光器時，碳鍵及碳氫鍵會斷開。因此，在濾光器曝露於包含紫外光的陽光下長期使用、在紫外光特別強的環境下使用、等等(例如，爬山、滑雪、海中嬉戲、等等)，濾光器的透光特徵會改變。結果，所拍攝的影像之色彩再生的特徵會變差(舉例而言，請參考2006年6月IEEE Electron Device Letters,Vol. 27,No.6,p457-459)。
因此，使用無機材料或光子晶體的濾光器已實用(舉例而言，請參考PCT國際公開專利申請號2006/028128及2005/013369之國內再公開)。此外，已提出稱為「線柵」或「金屬光學濾光器」的濾光器(在說明書中，於下統一稱為「金屬光學濾光器」)(舉例而言，請參考Paul F. Goldsmith所著的準光學系統(Quasioptical System)IEEE Press,ISBN 0-7803-3439-6、2003年12月P. B. Catrysee & B.A.Wandell於J. Opt. Soc. Am. A,Vol. 20,No. 12，p.2293-230、及2005年SehWon Ahn等於Nanotechnology Vol. 16,1874-1877(LG))。
在CCD/CMOS影像感測器中，希望實現化學上穩定、低成本、及淺型結構之選擇性地僅選取特定波長的電磁成份之技術。但是，在此情形中，PCT國際公開專利申請號2006/028128及2005/013369之國內再公開、2006年6月IEEE Electron Device Letters,Vol.27,No.6,p457-459、Paul F. Goldsmith所著的準光學系統(Quasioptical System)IEEE Press,ISBN 0-7803-3439-6、2003年12月P. B. Catrysee & B.A Wandell於J. Opt. Soc. Am. A,Vol. 20,No. 12,p.2293-230、及2005年SehWon Ahn等於Nanotechnology Vol. 16,1874-1877(LG)中說明的濾光器未充份滿足需求。
希望提供化學上穩定、低成本、及淺型結構之選擇性地僅選取特定波長的電磁成份之技術。
根據本發明的光學元件包含第一濾光器、第二濾光器、及光接收元件，第一濾光器具有使入射光中頻率低於第一截止頻率之成份透射的功能，第二濾光器具有使入射光中頻率高於第二截止頻率之成份透射的功能，光接收元件用於光電轉換入射光中透射過第一濾光器及第二濾光器的成份，使用導體薄膜構成的金屬光學濾光器作為第一濾光器及第二濾光器中至少之一。
在根據本發明的實施例之光學元件中，將透射過第一濾光器及第二濾光器的每一成份光電轉換，第一濾光器具有使入射光中頻率低於第一截止頻率之成份透射的功能，第二濾光器具有使入射光中頻率高於第二截止頻率之成份透射的功能。導體薄膜構成的金屬光學濾光器作為第一濾光器及第二濾光器中至少之一。
根據本發明的實施例之固態成像裝置包含配置成矩陣像素之眾多光學元件，每一光學元件均包含第一濾光器、第二濾光器、及光接收元件，第一濾光器使入射光中頻率低於第一截止頻率之成份透射，第二濾光器使入射光中頻率高於第二截止頻率之成份透射，光接收元件用於光電轉換入射光中透射過第一濾光器及第二濾光器的成份，使用導體薄膜構成的金屬光學濾光器作為第一濾光器及第二濾光器中至少之一。
金屬光學濾光器包含導體薄膜製成的金屬部份及介質部份，介質部份填充有用於固態成像裝置敏感的電磁波長之介質。
金屬光學濾光器包含導體薄膜製成的金屬格部份，金屬格部份的間隙部份由使固態成像裝置敏感的電磁波長透射之介質填充。
在金屬光學濾光器中，金屬部及介質部之一具有格狀或蜂巢狀分佈結構，另一者配置在所述之一中。
在金屬光學濾光器中，根據對應於第一截止頻率或第二截止頻率的介質中的波長，決定格狀或蜂巢狀分佈結構。
光學元件除了包含第一濾光器及第二濾光器之外又包含具有第一濾光器或第二濾光器的功能之至少一濾光器。
第一濾光器及第二濾光器於入射光的入射方向上堆疊。
光學元件又包含晶片上集光元件，第一濾光器及第二濾光器配置於晶片上集光元件與光接收元件之間。
光學元件又包含金屬佈線層，設置於晶片上集光元件與光接收元件之間，第一濾光器及第二濾光器配置於金屬佈線層中。
在固態成像裝置中，在中央部份中，光接收元件的光軸與第一濾光器及第二濾光器的光軸相符，而在離中央部份一段距離的部份中，光接收元件及第一和第二濾光器具有位置關係，所述位置關係根據所述部份的距離朝向中央部份偏離。
在根據本發明的實施例之固態成像裝置中，作為像素之眾多光學元件以矩陣配置。在每一光學元件中，光電轉換透射過第一濾光器的成份及透射過第二濾光器的成份，第一濾光器具有使入射光中頻率低於第一截止頻率之成份透射的功能，第二濾光器具有使入射光中頻率高於第二截止頻率之成份透射的功能。使用導體薄膜構成的金屬光學濾光器作為第一濾光器及第二濾光器中至少之一。
如上所述，根據本發明的實施例，可以以化學上穩定、低成本、淺型結構，實現選擇性地僅取出特定波長的電磁波之技術。
 1.　一般固態成像裝置
首先，說明一般的固態成像裝置之概要，以助於瞭解本發明。
圖1是剖面視圖，顯示作為一般場放大固態成像裝置的實施例之CMOS影像感測器11的像素部。
一般固態成像裝置11的像素部份配置成包含晶片上集光元件21(微透鏡21)、平滑層22、金屬佈線23、光感測器24、晶片上彩色濾光層25。
在一般的固態成像裝置11的像素部份中，光感測器24配置在底部，以及，四平滑層22和三個金屬佈線層23交錯地疊層於光感測器24上。亦即，當上層被堆疊時，每一平滑層22被堆疊以用於使下層表面平滑。晶片上彩色濾光層25及晶片上集光元件21從下方依序堆疊於最上方的平滑層22上。
因此，晶片上彩色濾光層25配置於晶片上集光元件21及平滑層22上。
關於晶片上彩色濾光層25，通常使用2006年6月發表之IEEE Electron Device Letters,Vol. 27,No. 6,p457-459中所述的使用有機材料之彩色濾光器(於下，稱為「有機彩色濾光器」)。
但是，有機彩色濾光器對於例如紫外光等高能光具有低抗力之缺點。因此，近年來，使用無機材或光子晶體的彩色濾光器已逐漸實用作為晶片上彩色濾光層25。
關於使用無機材料的彩色濾光器之實施例，PCT國際公開之專利申請號2006/028128的國內再公開揭示使用波長視無機材料的吸收係數而定之非晶矽薄膜。可見光波長區中的非晶矽的吸收係數隨著波長增加而降低。因此，當考慮具有特定厚度的薄膜時，薄膜使0.7μm的波長之電磁波比0.5μm波長的電磁波更容易透射。因此，藉由控制厚度，可以容易地實現使長波長優先透射之彩色濾光器(稱為「長帶通濾光器」)。此外，非晶矽是無機材料，因此，可以克服有機材料因紫外光而劣化的缺點。但是，難以實現使短波長優先透射的彩色濾光器(於下，稱為「短帶通濾光器」)。此外，在PCT國際公開之專利申請號2006/028128的國內再公開揭示的彩色濾光器中，也執行用於色彩分離的算術處理。
關於使用光子晶體的彩色濾光器的實施例，PCT國際公開之專利申請號2005/013369的國內再公開揭示光子濾光器。光子濾光器包含具有不同折射率及以受控間隔週期地疊層之光學材料。光子濾光器對於特定波長的電磁波選擇性地產生多重反射，以致於取出具有所須波長或具有所須頻寬的電磁波。但是，光子濾波器無法以小數目的層來充份地截斷電磁波，因此，須要多層膜。因此，光子濾光器比有機濾光器厚。此外，光子濾光器使用高晶體操作技術精準地生長之晶體，因此，從成本觀點而言，比有機彩色濾光器差。
當一般的彩色濾光器簡單地作為晶片上彩色濾光器層25時，無法取得化學上穩定的、低成本、淺型結構。因此，為了取得此結構，發明人發現使用金屬光學濾光器作為固態成像裝置的晶片上彩色濾光器的方法。於下，說明金屬光學濾光器的概要。
2.　金屬光學濾光器的概要
金屬光學濾光器主要用於例如微波、毫米波、次毫米波、等比可見長光波長還長的電磁波頻帶中(舉例而言，參考Paul F. Goldsmith所著之Quasioptical Systems,IEEE Press,ISBN 07803-3439-6)。因此，金屬光學濾光器很用應用於可見光波長頻帶。少數例子為美國史丹佛大學的硏究團隊發表之電感式柵及法布立-培若各(Fabry-Perot)干涉儀型金屬光學濾光器有效作為可見光波長頻帶中的顯微元件(請參考2003年12月,P. B. Catrysse & B. A. Wandell於J. Opt. Soc. Am. A，Vol. 20,No. 12,p. 2293-2306)。以往應用實施例仍然維持在硏究發展的主要理由是難以在技術上實現物理長度比可見光波長更短的金屬光學濾光器結構。但是，近年來，線寬50 nm或更小的金屬光學濾光器處理已成為可能(舉例而言，請參考2005年SehWon Ahn等於Nanotechnology Vol. 16,1874-1877(LG)之文獻)。因此，金屬光學濾光器可以作為可見光波長的濾光器，亦即，作為彩色濾光器。
圖2顯示具有導體構成的一維格結構的金屬光學濾光器41。
關於一維格結構，圖2中所示的實施例使用格在橫向上延伸的結構，但是，延伸方向不限於橫向，可以是任何所須方向。
當金屬光學濾光器41的格間距比電磁波長短時，在與格平行的平面中振盪的電磁波由導體構成的格選擇性地反射及吸收。因此，在圖2所示的實施例中，當包含縱向極化波P1及橫向極化波P2之入射光透射過金屬光學濾光器41時，在與格平行的平面中振盪之橫向極化波P2由金屬光學濾光器41的格反射或吸收。結果，縱向極化波P1變成主要線性極化光。
另一方面，雖然圖式中未顯示，當金屬光學濾光器41具有導體構成的二維格結構時，波長大於格間距的成份會由縱向上及橫向上延伸的格選擇性地反射或有效地吸收。因此，金屬光學濾光器41可以呈現頻率過濾器的功能，僅使波長短於格間距的入射光成份選擇性地透射。
如上所述，金屬光學濾光器41具有由導體[金屬]構成的格結構並因而被視為低成本化學上穩定的濾光器。此外，金屬光學濾波器41的導體薄膜的典型厚度小至約100 nm。因此，相較於使用上述一般有機濾光器，使用金屬光學濾光器41作為晶片上彩色濾光器有助於固態成像裝置輪廓的淺型化。
但是，簡單地使用金屬濾光器41作為晶片上彩色濾光器，僅實現長通或短通濾光器。亦即，僅藉由使用金屬光學濾光器41作為晶片上濾光器，無法實現用於選擇性地僅取出所須範圍(所須上限波長與所須下限波長之間的範圍)之內的波長成份之技術。亦即，未實現所須波長頻帶內的帶通濾光器。
因此，為了實現所須波長頻帶中的帶通濾光器，本發明人發現使用二或更多彩色濾光層作為晶片上彩色濾光器之方法，以金屬光學濾光器41作為這些層中至少一層。
關於二或更多彩色濾光器層，使用下述將說明之至少第一濾光器及第二濾光器。使用金屬光學濾光器41作為第一濾光器及第二濾光器中至少之一。第一濾光器具有使入射光中頻率低於第一截止頻率的成份透射。第二濾光器具有使入射光中頻率高於第二截止頻率的成份透射。
關於本發明的方法應用至固態成像裝置的實施例，依序說明下述第一至第四實施例。
1.　第一實施例(應用金屬光學濾光器41S及41L)
2.　第二實施例(應用金屬光學濾光器41S及薄膜濾光器61)
3.　第三實施例(金屬光學濾光器41安裝於與金屬佈線23相同的層中)
4.　第四實施例(使用與第一至第三實施例中的配置不同的配置作為金屬光學濾光器41的配置)
3.　根據本發明的第一實施例之固態成像裝置
圖3是剖面視圖，顯示根據本發明的第一實施例之固態成像裝置31的像素部份之配置。
在圖3中，對應於圖1的部份以相同的代號表示。適當地省略此部份的說明。這應用至下述圖式。
固態成像裝置31的像素部份配置成包含晶片上集光元件21、平滑層22、金屬佈線23、光感測器24、及金屬光學濾光器41S和41L。
在固態成像裝置31的像素部份中，光感測器24配置於底部，以及，第四平滑層22和三個金屬佈線層23交錯地層疊於光感測器24上。亦即，當上層被層疊時，平滑層22中的每一層被層疊以用於使下表面平滑。金屬光學濾光器41L和41S以及晶片上集光元件21從下方依此次序層疊於最上方平滑層22上。金屬光學濾光器41L和41S的層疊方向是固態成像裝置31中的電磁波的傳播方向(入射方向)。
圖4是立體視圖，顯示圖3中所示的固態成像裝置31的像素部，其中，未顯示晶片上集光元件21、平滑層22、及金屬佈線23。
在圖4中，每一金屬光學濾光器41S及金屬光學濾光器41L中的填充圖案區(灰區)表示導體。圍繞導體之白區表示由介質填充的間隙部份。這應用至下述圖式。
舉例而言，金屬光學濾光器41S配置成作為短帶通濾光器。具體地，舉例而言，金屬光學濾光器41S配置成僅使預定波長(於下，稱為「第一臨界值」)或更低波長的電磁波成份透射。
另一方面，金屬光學濾光器41L配置成作為例如長帶通濾光器。具體地，舉例而言，金屬光學濾光器41L配置成僅使預定波長(於下，稱為「第二臨界值」)或更長波長的電磁波成份透射。
在此情形中，從圖4中的上部入射於固態成像裝置31上的光中，超過第一臨界值的高波長之成份由金屬光學濾光器41S反射或吸收，以及，僅有第一臨界值或更低的波長之成份透射。在透射過金屬光學濾光器41S的光成份中，小於第二臨界值的短波長之成份由金屬光學濾光器41L反射及吸收，以及，僅有第二臨界值或更大的波長之成份透射。結果，在入射於固態成像裝置31上的光中，僅有第一臨界值或更小以及第二臨界值或更大的波長之成份抵達光感測器24，以及，僅有抵達成份由光感測器24光電轉換。
因此，藉由層疊金屬光學濾光器41S及金屬光學濾光器41L，可以容易地實現僅使第一臨界值或更低的波長之成份以及第二臨界值或更大的波長之成份透射之帶通濾光器。
藉由改變金屬光學濾光器41S的格間隔及線長度，將第一臨界值設定於任何所須值。類似地，藉由改變金屬光學濾光器41L的格間隔及線長度，將第二臨界值設定於任何所須值。因此，藉由最佳化金屬光學濾光器41S和41L的格間隔及線寬度，可以實現具有任何所須頻帶的帶通濾光器之功能。
根據本發明的第一實施例之固態成像裝置31具有二金屬光學濾光層41以作為基本結構。但是，為了增進例如抗反射、透射效率、帶寬等特徵，可以設置三或更多金屬光學濾光層作為基本結構。
接著，參考圖5和6，說明金屬光學濾光器41S和41L中每一者的配置實施例。
圖5是上視圖，顯示作為短通濾光器之金屬光學濾光器41S的配置實施例。
如圖5所示，金屬光學濾光器41S包含金屬部份52及間隙部份51。金屬部份52具有格分佈結構。間隙部份51由介質填充。於下，不僅間隙部份51被適當地稱為「介質部份」，由介質填充的間隙部份也被稱為「介質部份」。金屬部份52由選擇性導電的金屬薄膜構成。金屬部份52的材料較佳地為一般半導體製程中使用之材料。當然，只要材料是導電的且適於微處理，則可以使用例如鍺、砷化鎵、鎢、銀、黃金、碳管、石墨薄膜、等等不同的導電材料中的任一材料。此外，舉例而言，導電材料構成的奈米線可以配置在格中以形成金屬部份52。另一方面，介質部份51中的介質較佳地為使光感測器24敏感的電磁波透射的介質，舉例而言，可為SiO2 、Si3 N4 、MgF2 、TiO2 、Ta2 O5 、等等。
金屬部份52具有圖5的XY平面中之二維週期結構。舉例而言，一週期的長度(格間隔)可以與介質部份51的介質中的電磁波的波長實質上相同。具體地，舉例而言，關於格結構的一週期長度的典型實施例，考慮可見光波長之光(R、G、及B光)的透射情形。在此情形中，R、G、及B的波長λRO 、λG0 、及λB0 分別約為λRO =600至800 nm，λGO =500至600 nm、及λBO =380至500 nm。當介質的折射率以n表示時，介質的波長為λ=λ0/n。因此，當介質部份51中的介質的折射率n為1.5時，介質中的波長λR 、λG 、及λB 分別約為λR =400至530 nm，λG =330至400 nm、及λB =250至330 nm。對應於金屬光學濾光器41S的截止頻率之波長λ(=1/f)相當於格間隔的0.5至2倍。因此，金屬部份52的結構週期，亦即，格間隔較佳地為下述長度。使波長比λ=700 nm(第一臨界值λ=700 nm)更短的光透射之濾光器間隔較佳地為250至900 nm。使波長比λ=550 nm(第一臨界值λ=550 nm)更短的光透射之濾光器間隔較佳地為200至700 nm。使波長比λ=450 nm(第一臨界值λ=450 nm)更短的光透射之濾光器間隔較佳地為150至600 nm。構成金屬部份52之導體的線寬較佳地約為100 nm或更小，以及，光學金屬濾光器41S的厚度(金屬部份52的厚度)較佳地約為10 nm或更多。但是，當金屬部份52過厚時，波長的透射率顯著地降低，因此，厚度更佳地為1 μm或更小。
圖6是上視圖，顯示作為長通濾光器的金屬光學濾光器41L的配置實施例。
如圖6所示，金屬光學濾光器41L具有之基本結構中，圖5中所示之金屬光學濾光器41S的金屬部份52及介質部份51相反。亦即，介質部份51具有格分佈結構。金屬光學濾光器41L的金屬部份52及介質部份51較佳的材料與參考圖5中所述的材料相同，因此，未說明。
介質部份51具有圖6的XY平面中的二維週期結構。舉例而言，關於格結構的一週期長度的典型實施例，考慮可見光波長的光(R、G、及B光)之透射情形。在此情形中，R、G、及B光的波長與上述參考圖5所述的波長相同。對應於金屬光學濾光器41L的截止頻率之波長λ(=1/f)相當於格間隔的0.5至2倍。因此，介質部份51的結構週期，亦即，格間隔較佳地為下述長度。使波長比λ=550 nm(第二臨界值λ=550 nm)更長的光透射之濾光器間隔較佳地為200至700 nm。使波長比λ=450 nm(第二臨界值λ=450 nm)更長的光透射之濾光器間隔較佳地為150至600 nm。使波長比λ=350 nm(第二臨界值λ=350 nm)更長的光透射之濾光器間隔較佳地為120至450 nm。構成介質部份51之介質的線寬較佳地約為50 nm。金屬光學濾光器41L的厚度(金屬部份52的厚度)較佳地為10nm或更大。
雖然使用一般的半導體製程，可以製造金屬光學濾光器41S及41L，但是，製造方法當然未特別限定。舉例而言，可以使用下述方法。首先，藉由濺射、真空蒸鍍、化學汽相沈積、等等，較佳地形成金屬部份52的導體薄膜。當難以藉由濺射來形成導體薄膜時，可以使用藉由電鍍之膜形成方法。藉由施加光阻，然後藉由縮影投影曝光之圖型化，可以實現格結構。在此情形中，較佳地使用例如高壓水銀燈的g線或i線、KrF準分子雷射、ArF準分子雷射、X光、電子束等波長儘可能短的電磁波作為曝照光源。關於蝕刻，較佳地使用各向異性乾蝕刻。用於蝕刻的氣體較佳地為四氯化碳、六氟化硫、三氟甲烷、二氟化氙、等等。但是，可以使用物理蝕刻。雖然重複說明，但是，可以使用上述方法以外的製造方法。
圖7是剖面視圖，顯示根據本發明的第一實施例之固態成像裝置31的像素部份的配置實施例，本實施例與圖3中所示不同。
圖7中所示的實施例之固態成像裝置31的像素部份具有之配置中，圖3中所示之實施例的金屬光學濾光器41S及金屬光學濾光器41L的位置互換。
在固態成像裝置31的像素部份中，光感測器24配置於底部，四平滑層22及三金屬佈線層23交錯地層疊於光感測器24上。亦即，當上層被層疊時，每一平滑層22被層疊以用於使下層表面平滑。金屬光學濾光器41S和41L以及晶片上集光元件21從下方依此次序層疊於最上平滑層22上。金屬光學濾光器41L及41S的層疊方向是固態成像裝置31中的電磁波的傳播方向(入射方向)。
圖8是透視圖，顯示圖7中所示的固態成像裝置31，其中，未顯示晶片上集光元件21、平滑層22、及金屬佈線23。
在從圖8中的上部入射於固態成像裝置31上的光中，小於第二臨界值的短波長之成份由金屬光學濾光器41L反射或吸收，以及，僅有第MM臨界值或更大的波長之成份透射。在透射過金屬光學濾光器41L的光成份中，超過第一臨界值的長波長之成份由金屬光學濾光器41S反射或吸收，以及，僅有第一臨界值或更小的波長之成份透射。結果，在入射於固態成像裝置31上的光中，僅有第一臨界值或更小以及第二臨界值或更大的波長之成份抵達光感測器24，以及，僅有抵達成份由光感測器24光電轉換。
因此，藉由層疊金屬光學濾光器41L及金屬光學濾光器41S，可以容易地實現僅使第一臨界值或更低的波長之成份以及第二臨界值或更大的波長之成份透射之帶通濾光器。
4.　根據本發明的第二實施例之固態成像裝置
圖9是剖面視圖，顯示根據本發明的第二實施例之固態成像裝置31的像素部份之配置實施例。
在圖9中所示的實施例中，固態成像裝置31的像素部份具有的配置中，使用薄膜濾光器61以取代圖7中所示的實施例之金屬光學濾光器41L。
在固態成像裝置31的像素部份中，光感測器24配置於底部，以及，四平滑層22和三金屬佈線層23交錯地層疊於光感測器24上。亦即，當上層被層疊時，每一平滑層22被層疊以用於使下表面平滑。金屬光學濾光器41S、薄膜濾光器61以及晶片上集光元件21從下方依此次序層疊於最上方平滑層22上。金屬光學濾光器41S及薄膜濾光器61的層疊方向是固態成像裝置31中的電磁波的傳播方向(入射方向)。
薄膜濾光器61是使用波長視材料的吸收係數而定的無機材料濾光器。關於薄膜濾光器61的材料，舉例而言，可以使用非晶矽。可以作為薄膜濾光器61的材料之其它實施例包含例如多晶矽、單晶矽等無機材料；由這些材料作為主成份構成的無機材料；例如氧化鈦、氧化鉭、氧化鈮、等無機成份；等等。
薄膜濾光器61具有吸收係數隨著波長增加而降低的物理特性。因此，允許薄膜濾光器61作為僅使第二臨界值或更大的波長之電磁波透射之長通濾光器。此外，藉由調整薄膜濾光器61的厚度，可以將所須頻率設定為第二臨界值。結果，藉由結合薄膜濾光器61與金屬光學濾光器41S，可以實現具有所須頻帶的帶通濾光器之功能。
圖10是立體視圖，顯示圖9中所示的固態成像裝置31的透視圖，其中，未顯示晶片上集光元件21、平滑層22、及金屬佈線23。
從圖10中的上部入射於固態成像裝置31上的光中，小於第二臨界值的短波長之成份由薄膜濾光器61反射或吸收，以及，僅有第二臨界值或更大的波長之成份透射。在透射過薄膜濾光器61的光成份中，超過第一臨界值的長波長之成份由金屬光學濾光器41S反射及吸收，以及，僅有第一臨界值或更小的波長之成份透射。結果，在入射於固態成像裝置31上的光中，僅有第一臨界值或更小以及第二臨界值或更大的波長之成份抵達光感測器24，以及，僅有抵達成份由光感測器24光電轉換。
因此，藉由層疊薄膜濾光器61及金屬光學濾光器41S，可以容易地實現使第一臨界值或更小及第二臨界值或更大的波長之成份透射之帶通濾光器。
圖11是剖面視圖，顯示根據本發明的第二實施例之固態成像裝置31的像素部份的配置實施例，本實施例與圖9中所示不同。
在圖11中所示的實施例中，固態成像裝置31的像素部份具有之配置中，圖9中所示之實施例的金屬光學濾光器41S及薄膜濾光器61的位置互換。換言之，圖11中所示的實施例之固態成像裝置31的像素部份具有之配置中，使用薄膜濾光器61取代圖3中所示之實施例的金屬光學濾光器41L。
在固態成像裝置31的像素部份中，光感測器24配置於底部，四平滑層22及三金屬佈線層23交錯地層疊於光感測器24上。亦即，當上層被層疊時，每一平滑層22被層疊以用於使下層表面平滑。薄膜濾光器61、金屬光學濾光器41S、以及晶片上集光元件21從下方依此次序層疊於最上平滑層22上。薄膜濾光器61及金屬光學濾光器41S的層疊方向是固態成像裝置31中的電磁波的傳播方向(入射方向)。
圖12是立體視圖，顯示圖11中所示的固態成像裝置31的像素部份，其中，未顯示晶片上集光元件21、平滑層22、及金屬佈線23。
從圖12中的上部入射於固態成像裝置31上的光中，超過第一臨界值的長波長之成份由金屬光學濾光器41S反射或吸收，以及，僅有第一臨界值或更小的波長之成份透射。在透射過金屬光學濾光器41S的光成份中，小於第二臨界值的短波長之成份由薄膜濾光器61反射及吸收，以及，僅有第二臨界值或更大的波長之成份透射。結果，在入射於固態成像裝置31上的光中，僅有第一臨界值或更小以及第二臨界值或更大的波長之成份抵達光感測器24，以及，僅有抵達成份由光感測器24光電轉換。
因此，藉由層疊金屬光學濾光器41S及薄膜濾光器61，可以容易地實現使第一臨界值或更小及第二臨界值或更大的波長之成份透射之帶通濾光器。
5.　根據本發明的第三實施例之固態成像裝置
圖13及14是剖面視圖，顯示根據本發明的第三實施例之固態成像裝置31的像素部份的配置之二各別實施例。
在圖13及14中所示的每一實施例中，固態成像裝置31的像素部份的元件與圖3及7中所示的實施例相同。
但是，在圖13及14中所示的每一實施例中，金屬光學濾光器41S及41L的配置與圖3及7中所示的實施例中的配置不同之處如下所述。
在圖13及14中所示的每一實施例之固態成像裝置31的像素部份中，光感測器24配置於底部，四平滑層22及三金屬佈線層交錯地層疊於光感測器24上。
在圖13中所示的實施例中，金屬光學濾光器41L配置於與從下方算起的第二層中的金屬佈線層23相同的層中，以及，金屬光學濾光器41S配置於與從下方算起的第三層中的金屬佈線層23相同的層中。
圖14中所示的實施例中，金屬光學濾光器41L配置於與從下方算起的第一層中的金屬佈線層23相同的層中，以及，金屬光學濾光器41S配置於與從下方算起的第二層中的金屬佈線層23相同的層中。
在圖13及14所示的每一實施例的固態成像裝置31的像素部份中，金屬光學濾光器41S及41L安裝於與金屬佈線23相同的層中。此外，晶片上集光元件21層疊於最上方平滑層22上。
每一金屬光學濾光器41S及41L是光學元件，於其中，電磁波能量由含有自由電子的導體選擇性地反射或吸收以取出所須波長成份的電磁波作為透射光成份。因此，在一般場放大固態成像裝置之CMOS影像感測器的情形中，假使金屬層配置於光接收部份的上表面上，則未新安裝導電金屬薄膜。這是因為當導電金屬層配置於光接收部份的上表面上時，金屬層也可以作為導電金屬薄膜。未特別限定有金屬光學濾光器41插入於其中的金屬層。在包含如圖13所示的三金屬佈線層之固態成像裝置的情形中，藉由將金屬光學濾光器41插入於這些層中所須的二層中，可以形成淺型結構之整體固態成像裝置31。
圖15是剖面視圖，顯示根據本發明的第三實施例之固態成像裝置31的像素部份的配置實施例，本實施例與圖13及14所示不同。
比較圖15中所示的實施例與圖13及14中所示的實施例，在圖13及14中所示的實施例中，金屬光學濾光器41L及41S設於二層中，而在圖15中所示的實施例中，金屬光學濾光器41設於三層中。
使用「金屬光學濾光器41」一詞的理由在於配置金屬光學濾光器41L和41S中至少之一，即已足夠。亦即，金屬光學濾光器41L或41S中的任一者可以配置於其它層中，而在三層中之金屬光學濾光器41L和41S的配置未特別限定。
在固態成像裝置31的像素部份中，光感測器24配置於底部，以及，四平滑層22和三個金屬佈線層23交錯地疊層於光感測器24上。亦即，當上層被層疊時，每一平滑層22被層疊以用於使下層表面平滑。金屬光學濾光器41配置於與各別的三金屬佈線層23相同的層中。晶片集光元件21層疊於最上方平滑層22。
如上所述，包含設於二層中的相同金屬光學濾光器41之導體層，亦即，具有設於二層中的相同導體結構之導體層，被預期作為法布立-培若各(Fabry-Perot)干涉儀以及具有使特定共振頻率的電磁波透射的特性。此外，藉由進一步設置另一金屬光學濾光器41作為下游層，可以實現頻寬比二導體層實現的帶通濾光器的頻寬還窄的帶通濾光器。
圖16是剖面視圖，顯示根據本發明的第三實施例之固態成像裝置31的像素部份的配置實施例，本實施例不同於圖13至15中所示的實施例。
比較圖16中所示的實施例與圖13至15中所示的實施例，在圖13至15中所示的實施例中，使用金屬光學濾光器41作為所有的彩色濾光器，而在圖16中所示的實施例中，使用金屬光學濾光器41及薄膜濾光器61作為彩色濾光器。
雖然，由於金屬光學濾光器41配置於金屬層中，所以，圖16中所示的實施例包含於第三實施例中，但是，由於使用薄膜濾光器61，所以，實施例可以包含於第二實施例中。換言之，圖16中所示的實施例可以被視為包含第二實施例及第三實施例等二者之另一實施例。
雖然圖式中未顯示，但是，彩色濾光層的數目當然不限於圖16中所示的實施例之二層，如圖15中所示的實施例中一般，數目可為一或三或更多。
在第一至第三實施例中，使用圖5及6中所示的配置作金屬光學濾光器41S和41L的配置。但是，金屬濾光器41S和41L的配置未特別侷限於圖5及6中所示的配置。因此，將具有不同於圖5及6中所示的配置之金屬光學濾光器41S和41L作為第四實施例說明，其中，本發明的方法應用至固態成像裝置。
關於下述固態成像裝置中的金屬光學濾光器41S及41L的配置，可以使用上述第一至第三實施例的配置實施例中的任何一配置實施例。亦即，取代圖5及6中所示的配置，下述配置可以作為安裝於根據第一至第三實施例中的任一實施例之固態成像裝置中的金屬光學濾光器41S和41L的配置。
圖17是上視圖，顯示作為短通濾光器的金屬光學濾光器41S之配置實施例，與圖5中所示的實施例不同。
如圖17所示，金屬光學濾光器41S包含金屬部份52及介質部份51。金屬部份52具有所謂的蜂巢結構，金屬部份52由導電金屬薄膜構成。關於金屬部份52及介質部份51中的每一者之材料，可以直接使用參考圖5所述的材料。
圖18是上視圖，顯示作為長帶通濾光器之金屬光學濾光器41L的配置實施例，不同於圖6中所示的實施例。
如圖18所示，金屬光學濾光器41L具有的基本結構中，圖17中所示的金屬光學濾光器41S之金屬部份52及介質部份51相反。關於金屬部份52及介質部份51中的每一者之材料，可以直接使用參考圖5所述的材料。
關於金屬光學濾光器41的配置，可以使用方形矩陣或是擁塞格圖案設置圓形孔的配置及其相反配置、設置十字形孔的配置及其相反配置、等等。
於上述中，說明固態成像裝置31的像素部份的配置實施例。像素部份的配置未特別限定，舉例而言，較佳地使用圖19中所示的配置。
圖19是上視圖，顯示預定尺寸的固態成像裝置31中的配置實施例。
在圖19中所示的實施例中，僅顯示作為像素的光感測器24-1至24-9，以便於說明。亦即，事實上，以固態成像裝置31具有的像素數目，矩陣地配置光感測器。
此外，金屬光學濾光器41-1至41-9分別層疊於光感測器24-1至24-9之上。由於圖19是上視圖，所以，每一金屬光學濾光器41-1至41-9代表每一像素部份的頂層中的金屬光學濾光器41。亦即，雖然未顯示於圖19，但是，當然至少一其它彩色濾光器可以層疊於金屬光學濾光器41-1至41-9中的每一者之下方。
如圖19所示，光感測器24-5與配置於固態成像裝置31的中央之金屬光學濾光器41-5的位置彼此一致。亦即，光感測器24-5與金屬光學濾光器41-5的光軸彼此一致。另一方面，光感測器24-1與配置於圖式的左上角落之金屬光學濾光器41-1的位置具有金屬光學濾光器41-1偏離中央像素(至右下方)之位置關係。此外，光感測器24-9及配置於圖式中的固態成像裝置31的右下角之金屬光學濾光器41-9的位置具有金屬光學濾光器41-9偏離至中央像素(至左上方)之位置關係。
如上所述，在周圍像素部份中，為了將歪斜入射光有效率地引導至光感測器24，根據與中央的距離，較佳地改變光感測器24與金屬光學濾光器41的層疊方法。亦即，較佳地，使用層疊於光感測器24上的金屬光學濾光器41的位置根據與中央部份的距離而偏離至中央部份之位置關係。這是因為即使在接受光瞳校正的固態成像裝置31中，無論例如固態成像裝置31的中央部份及周圍區等位置為何，入射光仍然被高效率地均勻地引導至光感測器24。
將第一至第四實施例說明成應用本發明的方法至固態成像裝置的實施例。
但是，在本發明中，使用二或更多彩色濾光器作為晶片上彩色濾光器及使用金屬光學濾光器41作為彩色濾光器中至少之一，即已足夠。亦即，本發明不限於上述第一至第四實施例，而是可以造成不同的實施例。
舉例而言，使用本發明呈現下述第一至第四優點。
第一優點是由於藉由格結構以實現帶通濾光器功能，所以，相較於使用顏料、染料等的一般有機彩色濾光器，彩色濾光器在化學上是穩定的。結果，可以增強對例如紫外光等高能光的抵抗力。
由於可以使用導體作為格的材料，所以，呈現材料選擇的高自由度之第二優點。此外，藉由例如格間距、薄膜間距、等物理特性參數，可以選擇透射的波長，增加設計自由度。此外，從固體與視處理準確度而定的製造變異之間的差異觀點而言，具有容易控制特徵之優點。
在目前主流的固態成像裝置之CCD/CMOS影像感測器中，眾多金屬佈線層安裝於光感測器的上表面上。也有第三個優點，本發明的光學元件可以藉由一般的半導體製程安裝，因此，從成本觀點而言，優於特定製程製造的一般有機彩色濾光器。
又有第四個優點，由於導體薄膜的典型厚度約100 nm，相較於一般的有機彩色濾光器，輪廓的淺型化是良好的。此外，當光學元件安裝於與金屬佈線層相同的層中時，可以以比一般CMOS影像感測器還淺一厚度的輪廓，形成結構，所述一厚度相當於彩色濾光器。結果，從聚光特徵的觀點而言，優於一般有機彩色濾光器。
上述第一至第四優點是概述，達成藉由化學上穩定的、低成本、淺型結構來實現選擇性地取出特定電磁波長的技術之優點。
根據本發明的實施例之固態成像裝置可以應用至具有拍攝功能的不同電子設備之相機部份。電子設備的實施例包含數位靜態相機、數位攝影機、筆記型個人電腦、行動電話、等等。根據本發明的實施例之固態成像裝置可以應用至任何領域的電子設備之相機部份，其中，根據輸入至電子設備或於其中產生之視頻訊號而拍攝影像或圖像。於下說明應用此相機的電子設備之實施例。
舉例而言，本發明可以應用至作為電子設備的實施例之數位靜態相機。數位靜態相機可以製造成包含根據本發明的實施例之固態成像裝置、以及攝影鏡頭、顯示部份、控制開關、選單開關、快門、等等。
舉例而言，本發明可以應用至為作電子設備的實施例之筆記型個人電腦。在筆記型個人電腦中，本體包含輸入文字等時操作的鍵盤、包含相機部份的本體蓋。在相機部份中使用根據本發明的實施例之固態成像裝置，以製造筆記型個人電腦。
舉例而言，本發明可以應用至作為電子設備的實施例之可攜式終端裝置。可攜式終端裝置包含上蓋及下蓋。可攜式終端裝置採用二個殼打開的狀態及二個殼閉合的狀態。除了上蓋及下蓋之外，可攜式終端裝置包含連接部份(此處，鉸鏈)、顯示器、副顯示器、畫面燈、相機部份、等等。在相機部份中使用根據本發明的實施例之固態成像裝置，以製造可攜式終端裝置。
舉例而言，本發明可以應用至作為電子設備的實施例之數位攝影機。數位攝影機製造成包含根據本發明的實施例之固態成像裝置、以及本體部份、設於朝前側上之物體拍攝鏡頭、拍攝啟動/停止開關、及監視器。
本發明含有與2009年1月13日向日本專利局申請的日本優先權專利申請JP 2009-004457中揭示的標的相關之標的，其內容於此一併列入參考。
本發明的實施例不限於上述第一至第四實施例，在本發明的要旨精神之範圍內，可以達成不同的修改。
11．．．固態成像裝置
21．．．晶片上集光元件
22．．．平滑層
23．．．金屬佈線
24．．．光感測器
25．．．晶片上彩色濾光層
31‧‧‧固態成像裝置
41‧‧‧金屬光學濾光器
41L‧‧‧金屬光學濾光器
41S‧‧‧金屬光學濾光器
51‧‧‧間隙部份
52‧‧‧金屬部份
61‧‧‧薄膜濾光器
圖1是剖面視圖，顯示作為一般場放大固態成像裝置的實施例之CMOS影像感測器的像素部；
圖2是視圖，顯示導體構成的且具有一維格結構之金屬光學濾光器；
圖3是剖面視圖，顯示根據本發明的第一實施例之固態成像裝置的像素部份的配置；
圖4是立體視圖，顯示圖3中所示的固態成像裝置的像素部份，其中，未顯示晶片上集光元件、平滑層、及金屬佈線；
圖5是上視圖，顯示作為短通濾光器的金屬光學濾光器的配置實施例；
圖6是上視圖，顯示作為長通濾光器的金屬光學濾光器的配置實施例；
圖7是剖面視圖，顯示根據本發明的第一實施例之不同於圖3中所示的實施例之固態成像裝置的像素部份的配置實施例；
圖8是立體視圖，顯示圖7中所示的固態成像裝置的像素部份，其中，未顯示晶片上集光元件、平滑層、及金屬佈線；
圖9是剖面視圖，顯示根據本發明的第二實施例之固態成像裝置的像素部份的配置實施例；
圖10是立體視圖，顯示圖9中所示的固態成像裝置的像素部份，其中，未顯示晶片上集光元件、平滑層、及金屬佈線；
圖11是剖面視圖，顯示根據本發明的第二實施例之不同於圖9中所示的實施例之固態成像裝置的像素部份的配置實施例；
圖12是立體視圖，顯示圖11所示的固態成像裝置的像素部份，其中，未顯示晶片上集光元件、平滑層、及金屬佈線；
圖13是剖面視圖，顯示根據本發明的第三實施例之固態成像裝置的像素部份的配置實施例；
圖14是剖面視圖，顯示根據本發明的第三實施例之固態成像裝置的像素部份的另一配置實施例；
圖15是剖面視圖，顯示根據本發明的第三實施例之不同於圖13及14中所示的實施例之固態成像裝置的像素部份的配置實施例；
圖16是剖面視圖，顯示根據本發明的第三實施例之不同於圖13至15中所示的實施例之固態成像裝置的像素部份的配置實施例；
圖17是上視圖，顯示作為短通濾光器的金屬光學濾光器之配置實施例，不同於圖5中所示的實施例；
圖18是上視圖，顯示作為長通濾光器的金屬光學濾光器之配置實施例，不同於圖6中所示的實施例；及
圖19是上視圖，顯示具有預定尺寸的固態成像裝置中的像素配置實施例。
21．．．晶片上集光元件
22．．．平滑層
23．．．金屬佈線
24．．．光感測器
31．．．固態成像裝置
41L．．．金屬光學濾光器
41S．．．金屬光學濾光器

Claims (9)

  1. 一種光學元件，包含：第一濾光器，具有使入射光中頻率低於第一截止頻率之成份透射的功能；第二濾光器，具有使該入射光中頻率高於第二截止頻率之成份透射的功能；以及光接收元件，用於光電轉換該入射光中透射過該第一濾光器及該第二濾光器的成份；其中，使用導體薄膜構成的金屬光學濾光器作為該第一濾光器及該第二濾光器中至少之一；其中，該第一濾光器及該第二濾光器於該入射光的入射方向上堆疊；其中，該光學元件又包含晶片上集光元件，該第一濾光器及該第二濾光器配置於該晶片上集光元件與該光接收元件之間。
  2. 一種固態成像裝置，包含：配置成矩陣像素之眾多光學元件，每一該光學元件均包含第一濾光器、第二濾光器、及光接收元件，該第一濾光器使入射光中頻率低於第一截止頻率之成份透射，該第二濾光器使該入射光中頻率高於第二截止頻率之成份透射，該光接收元件用於光電轉換該入射光中透射過該第一濾光器及該第二濾光器的成份，使用導體薄膜構成的金屬光學濾光器作為該第一濾光器及該第二濾光器中至少之一；其中，該第一濾光器及該第二濾光器於該入射光的入 射方向上堆疊；其中，該眾多光學元件中的每一光學元件又包含晶片上集光元件，該第一濾光器及該第二濾光器配置於該晶片上集光元件與該光接收元件之間。
  3. 如申請專利範圍第2項之固態成像裝置，其中，該金屬光學濾光器具有一結構，該結構包含導體薄膜構成的金屬格部份，該金屬格部份的間隙部份由使該固態成像裝置敏感的電磁波長透射之介質填充。
  4. 如申請專利範圍第3項之固態成像裝置，其中，在該金屬光學濾光器中，該金屬部及該介質部之一具有格狀或蜂巢狀分佈結構，該金屬部及該介質部中的另一者配置於該之一中。
  5. 如申請專利範圍第4項之固態成像裝置，其中，根據對應於該第一截止頻率或該第二截止頻率的該介質中的波長，決定該金屬光學濾光器中該格狀或蜂巢狀分佈結構。
  6. 如申請專利範圍第2項之固態成像裝置，其中，該眾多光學元件中的每一光學元件除了包含該第一濾光器及該第二濾光器之外，又包含具有該第一濾光器或該第二濾光器的功能之至少一濾光器。
  7. 如申請專利範圍第2項之固態成像裝置，其中，該眾多光學元件中的每一光學元件又包含金屬佈線層，設置於該晶片上集光元件與該光接收元件之間，該第一濾光器及該第二濾光器配置於該金屬佈線層中。
  8. 如申請專利範圍第7項之固態成像裝置，其中，當該眾多光學元件中的每一光學元件配置於與該金屬佈線層相同的層中時，以與製造該金屬佈線層的製程相同的製程，安裝該光學元件。
  9. 如申請專利範圍第2項之固態成像裝置，其中，在該固態成像裝置的中央部份中，該光接收元件的光軸與該第一濾光器及該第二濾光器的光軸相符，而在離該中央部份一段距離的部份中，該光接收元件及該第一和該第二濾光器之間的位置關係根據該部份的距離而朝向該中央部份偏離。
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