WO2008125243A2 - Integriertes bauteil mit zonenplatten-beugungsoptik - Google Patents

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WO2008125243A2
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integrated component
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Wladimir Tschekalinskij
Stephan Junger
Norbert Weber
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    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F39/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one element covered by group H10F30/00, e.g. radiation detectors comprising photodiode arrays
    • H10F39/80—Constructional details of image sensors
    • H10F39/805—Coatings
    • H10F39/8053—Colour filters

Definitions

  • the present invention relates to an integrated optical component with a zone plate-based optics, which can be used, for example, as a sensor element or luminous element for a color sensor or color display can.
  • a color of an object is a good indicator of quality control in various manufacturing processes.
  • optical color sensors can be used.
  • Optical color sensors based on silicon photodiodes with additional color filter for a corresponding spectral selectivity have long been known.
  • Such an optical color sensor comprises a plurality of separate photodiodes with coated surfaces.
  • the optically active color layers are spectrally selective, so that only a corresponding part of an overall incident electromagnetic spectrum is transmitted and the remaining spectral components are absorbed or reflected.
  • Image sensors having a matrix of several million pixels, each pixel including at least three photodiodes having an optical bandpass filter on its photosensitive surface, are also known. Such image sensors can be used for camera applications.
  • optical color sensors can also be set up without classic color filters.
  • US Pat. No. 6998660 B2 describes a color sensor whose operating principle is based on a strongly wavelength-dependent absorption of silicon.
  • PB Catrysse and BA Wandeil "Integrated color pixels in 0.18- ⁇ m complementary metal oxide semiconductor technology"
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • 7,129,982 B1 describes a color sensor which consists of a photodiode Array produced in CMOS technology, as well as from a so-called echelon grid of a SoI gel material, which is applied in an additional process step. The top of the grid is protected by a protective layer.
  • an optical color sensor is to be classically, i. With color filter, are built, it so far two technology steps are required. First, a photodiode is produced, for example, in a CMOS process. In a subsequent step, the photodiode or its surface is optically coated. If standard technologies are used for this purpose, a precisely defined spectral filtering of individual color channels is obtained, which can not be chosen arbitrarily, but are usually predetermined.
  • the color sensor described in document US 6998660 B2 has a vertical structure. Color sensors realized in this manner have a relatively poor spectral separation since no color filters with steep edges can be realized. Furthermore, there is a large crosstalk between different color channels due to a scattered light arising from numerous structures.
  • the color sensor described in the publication "Integrated color pixels in 0.18- ⁇ m complementary metal oxide semiconductor technology" has a photodiode chip which is covered with periodically structured metal layers, which always have the same structure and are arranged directly above one another without a lateral offset
  • the structure described works satisfactorily only under almost ideal conditions described color sensor must be irradiated with well-collimated light, which is incident perpendicular to the structured metal layers.
  • the light must be linearly polarized.
  • the lattice structure of the structured metal layer has no focusing effect. Therefore, crosstalk between different color channels occurs between adjacent photodiodes.
  • Fabry-Perot resonator By definition, two superimposed metal layers form a so-called Fabry-Perot resonator, which is very sensitive to the quality of the metal surface and in particular of the layer spacing. As a result, such a structure is very sensitive to tolerances of CMOS processes.
  • the document US 7129982 shows a photodiode with a molded echelon grid.
  • This grating is an optical microstructure and a structure of such structures is possible in the context of a CMOS process with additional process steps.
  • the optical structure must be mechanically protected and, like the lattice structures of the metal layers in the publication "Integrated color pixels in 0.18- ⁇ m complementary metal oxide semiconductor technology", has no protection against scattered light from other diffraction orders.
  • the object of the present invention is therefore to provide an integrated optical component with improved spectral selectivity and at the same time with a focusing effect, which can be produced completely in CMOS process steps.
  • This object is achieved by an integrated component having the features of patent claim 1, an integrated color bar according to claim 17 and a method according to patent claim 18 and an integrated component having the features of patent claim 20.
  • the present invention is based on the finding that an integrated optical component with the desired properties can be realized by an opto elektonisches device, in the form of a pixel sensor or an electromagnetic radiation source, together with a layer stack of dielectric layers and structured metal layers on a substrate is integrated, wherein the structured metal layers have a Zonenplatten- structure, such as an array of zone plates associated with a device.
  • a zone plate has a focusing effect. From the theory of the zone plate, it follows that, with a corresponding ratio of radii of transparent and non-transparent zones at a certain distance from the zone plate for a predetermined wavelength or a predetermined wavelength range, a concentration of the electromagnetic radiation or the light is similar to a focal point arises.
  • An optoelectronic component for example in the form of a photodiode, placed at this point can now be covered by a metal layer structured with zone plate structure such that only the electromagnetic radiation or the light of the desired wavelength ⁇ res or of the desired wavelength range is at least approximately lossless the optoelectronic component strikes while other wavelengths are filtered out.
  • An optional, further structured metal layer for example with an opening, between the metal layer structured with zone plate structure and the optoelectronic component can be used to separate a spectral separation. compared to embodiments without this further metal layer can be further improved.
  • the integrated opto-electronic component preferably comprises a plurality of CMOS metal layers (eg CMOS metal 2/3 layers) in which the zone plate structures are structured, and / or metal layers in which, in addition to the zone plate structures, metallic, electrical Compounds or interconnects between circuit elements (eg transistors) of the integrated opto-electronic component are structured.
  • CMOS metal layers eg CMOS metal 2/3 layers
  • metal layers in which, in addition to the zone plate structures, metallic, electrical Compounds or interconnects between circuit elements (eg transistors) of the integrated opto-electronic component are structured.
  • a thickness of a CMOS metal layer is in embodiments in a range greater than or equal to 90 nm.
  • steep filter edges and high spectral resolution can be achieved because an integrated component according to embodiments can be designed so that only a predetermined wavelength passes through the patterned metal layer (s). Furthermore, it is possible to adjust the spectral bandwidth of the pixel sensor within a CMOS process, i. the spectral properties of a color channel can be freely defined.
  • the integrated optical component may be formed as a sensor element for detecting electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range.
  • the optoelectronic component is designed as a pixel sensor, in particular as a photodiode.
  • the integrated optical component may be formed as an electromagnetic radiation source for emitting electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range.
  • the optoelectronic component is designed as a radiation source, in particular as a light emitting diode.
  • an electromagnetic radiation incident on a side of the zone plate-structured metal layer facing away from the pixel sensor or the photodiode is filtered by the zone plate structure tuned to the predetermined wavelength range, so that only in the vicinity of the pixel sensor nor electromagnetic radiation of the predetermined wavelength range can be received. That is, the pixel sensor is arranged in a field concentration region - hereinafter also sometimes referred to as focal region - the zone plate. The focusing effect of the zone plate concentrates the electromagnetic field of the predetermined wavelength range in the vicinity of the pixel sensor.
  • an electromagnetic radiation of the light source incident on one of the light source or light-emitting diode is filtered by the zone plate structure tuned to the predetermined wavelength range, so that it faces away from the light source or light-emitting diode
  • Side of the zoned metal structure structured metal layer exiting electromagnetic radiation in the focus area only has wavelengths of the predetermined wavelength range.
  • the light source is preferably arranged in the focal zone of the zone plate.
  • the sub-lambda zone plate structure may have a positive effect influencing the solid angle distribution.
  • the distance between the optoelectronic component and the nearest metal layer structured with zone plate structure is less than 20 ⁇ m or is between 6 and 10 ⁇ m.
  • an integrated color sensor can be constructed by integrating a plurality of sensor elements having zone plates and pixel sensors in a plane adjacent to each other.
  • An advantage of the present invention is that with integrated components according to embodiments, a high spectral resolution and steep filter edges can be achieved, regardless of Lichtpolarisationseigenschaften and independent of a divergence of light, since an integrated component according to embodiments to only one wavelength or a small wavelength range can be set. Furthermore, with embodiments of the present invention, the spectral filter width of the filter realized within a CMOS process can be adapted, that is to say the spectral properties of a color channel can be defined almost freely, and only within the scope of production without additional processing.
  • Embodiments of the present invention enable realization of a simple color sensor. Furthermore, color-sensitive pixels can be realized in a two-dimensional image sensor. In this case, a color-sensitive pixel or a superpixel comprises, for example, three sensor elements for different wavelengths.
  • Another advantage of the present invention is that for functioning of an integrated component according to embodiments and the focusing Effect of the same not necessarily collimated and / or polarized light is required.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an integrated component according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a side view of a layer stack of opto-electronic component, metal layers and dielectric layers produced using CMOS technology, according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3a shows a side view of a manufactured in CMOS technology integrated component according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3b shows a side view of an integrated component manufactured in CMOS technology according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a top view and a side view of a structured metal layer with a zone plate structure according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a schematic representation of the focusing operation of the zone plate structure according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a side view of a component integrated in CMOS technology with two metal layers provided with zone plate structures, according to FIG another embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows a side view of a color sensor integrated in CMOS technology with a plurality of integrated components, according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 8a shows a top view of a structured metal layer with a plurality of zone plate structures, according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 8b shows a side view of an integrated component with a structured metal layer according to FIG.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of an integrated component 10 for filtering electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range.
  • the integrated component 10 has a filter structure 12 made of a structured metal layer with a zone plate structure 14 and an optoelectronic component 16, the filter structure 12 and the optoelectronic component 16 being integrated in a semiconductor substrate such that the optoelectronic component 16 electronic component 16 is arranged in a field concentration region of the filter structure 12.
  • the filter structure 12 has a sub-lambda zone plate structure 14 in which concentric rings define a zone plate.
  • the zone plate structure 14 may also include an array of zone plates associated with one device 16 '. Although only a 3x3 array of zone plates is shown here, other ratios are possible. In particular, it is possible that the device 16 'is larger or smaller than the extent of the array.
  • the following description focuses primarily on the isolated viewing of a zone plate, but the considerations are then also applicable to the case of an array of zone plates, by transmitting the appropriate measures to all zone plates 14a-14i.
  • the dimension of the individual transmissive and non-transmissive zones of the zone plates may vary, but for example, at least one transmissive zone of any order has a zone width less than the desired transmission wavelength ⁇ (lambda) of the zone plate structure filter, such as less than 2 ⁇ m or even 1.2 ⁇ m , having. Further, an exemplary structure will be explained with reference to FIG. 4.
  • the different zones of a zone plate differ in their transparency.
  • the electromagnetic radiation is diffracted at the annular gaps and amplified by constructive interference in wavelength-specific field concentration ranges.
  • the optoelectronic component 16 is arranged at different distances from the structured metal layer with zone plate structure 14. The distance of the opto-electronic device 16 from the zone plate 14 is determined by the field concentration range of the zone plate for the predetermined wavelength ⁇ res .
  • the zone plate structure 14 for electromagnetic radiation 18 arriving on a side of the metal layer facing away from the optoelectronic component 16 effects a spectral selection or a spectral filtering as well as a focusing of electromagnetic radiation of a predefined wavelength range in the field concentration range, so that close to the optoelectronic component.
  • electronic component 16 side facing or near the opto-electronic device 16 for the predefined wavelength range prevails an electromagnetic field concentration in the field concentration range, which can be detected by the opto-electronic device 16.
  • the opto-electronic device 16 is a device capable of converting electromagnetic radiation into an electrical signal, such as e.g. a PN junction sensor.
  • a PN junction sensor means a sensor with a PN junction realized by different doping.
  • the PN junction sensor is designed as a photodiode.
  • Which wavelength focuses the zone plate in the field concentration region in which the optoelectronic component 16 is arranged and which wavelengths are filtered out by it depends on the structure of the zone plate 14 and the distance of the optoelectronic component 16 from the zone plate.
  • embodiments of the present invention can be used, for example, as a sensor element to electromagnetic radiation, in particular light, to be detected in the predefined wavelength range.
  • the optoelectronic component 14 is a component which can convert an electrical signal into electromagnetic radiation, in particular light, such as e.g. a light emitting diode.
  • electromagnetic radiation of the light-emitting diode 16 incident on one of the light-emitting diode side of the structured metal layer with the zone plate structure 14 is filtered by the structure of the zone plate 14 tuned to the predetermined wavelength range, so that the zone plate 14 faces away from the light-emitting diode 16
  • Electromagnetic radiation or light in a quasi infinitely distant focus area only has wavelengths of the predetermined wavelength range.
  • the light source or light emitting diode 16 is preferably arranged in the field concentration range of the zone plate 14 for the predetermined wavelength range.
  • the optoelectronic component 16 is preferably arranged in the focal point region of the zone plate 14 for the predetermined wavelength range.
  • the field concentration region has a predetermined distance d from the zone plate 14 which, according to exemplary embodiments, is smaller than the wavelength ⁇ res to be selected or a wavelength of the predetermined wavelength range. According to embodiments, the distance d is smaller than 20 ⁇ m or 6-10 ⁇ m.
  • a method for producing an integrated component 10 on a substrate comprises a step of producing an optoelectronic component 16 on a substrate surface of the substrate and applying a filter structure 12 having at least one structured metal layer with zone plate structure 14 to the optoelectronic Device 16, so that the filter structure and the opto-electronic device are so integrated in the semiconductor substrate, so that the optoelectronic device 16 is disposed in a field concentration region of the filter structure or the zone plates, wherein the generating and applying parts of a CMOS process ,
  • the application of the filter structure 12 comprises the application of at least one structured metal layer, the at least one structured metal layer having microstructures in the form of zone plates 14 whose dimensions and radii between two adjacent zones, focusing the electromagnetic radiation of a predetermined wavelength ⁇ res or allow a predetermined wavelength range in the focus area.
  • FIG. 1 An intermediate product of a CMOS manufacturing process of an integrated component according to embodiments is shown schematically in FIG.
  • the integrated sensor element which is not yet completely manufactured, shown in FIG. 2, comprises a substrate 22, in particular a semiconductor substrate, in which an optoelectronic component 16 is introduced.
  • the optoelectronic component 16 is arranged in a plane 24 which corresponds to a field concentration level for the predetermined wavelength range, or at least runs very close to this field concentration level.
  • the unfinished optical structure in FIG. 2 has a layer stack of metallic layers 26 and dielectric layers 28.
  • FIG. 2 merely shows by way of example four metallic layers 26-1 to 26-4 and three dielectric layers 28-1 to 28-3.
  • the number of layers may differ from the example shown in FIG. 2.
  • the metal layer 26-1 closest to the device 16 may have an aperture functioning as an aperture, as will be explained below, in which case this aperture, device or location therebetween is vertically centered in the field concentration range.
  • the metal layers 26-1 to 26-3 may be replaced by dielectrics such that only the overlying layer 26-4 forms the zone plate structure.
  • the respective lowest metal layer is arranged at a distance d from the optoelectronic component 16, wherein the distance d at least approximately indicates the "focal length" of a focusing zone plate in the overlying structured metal layer (s) for a particular wavelength.
  • the substrate 22 Between the optoelectronic component 16 and the structured metal layer 26-1 is the substrate 22 or a dielectric in the form of, for example, at least one dielectric layer.
  • FIG. 2 thus shows an example of a layer structure of a CMOS opto process. It is a sandwich-type structure that includes metal layers 26, dielectric layers 28, and an opto-electronic device 16 in the plane 24.
  • the metal layers 26 are now structured in accordance with exemplary embodiments in such a way that they have a good optical filter effect with simultaneously focussing effect, without the need for an additional color filter coating for the integrated component.
  • FIG. 3 a shows a schematic side view of a component 30 integrated in CMOS technology according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the integrated component 30 has a structured metal layer 32 with a zone plate structure.
  • the zone plate 14 of the structured metal layer 32 is divided into transparent zones 34 and non-transparent zones 36.
  • the transparent zones 34 are formed, for example, by a dielectric 38, which is arranged between the structured metal layer 34 and the optoelectronic component 16.
  • the zone plate 14 of the patterned metal layer 32 has concentric rings formed of the transparent and non-transparent regions of sub-lambda zone width and having a common center through which, perpendicular to the patterned metal layer 32, an axis of rotation 40 of FIG Integrated component 30 runs.
  • the optoelectronic component 16 is arranged at a distance d from the structured metal layer 32, so that the optoelectronic component 16 is located in or at least in the vicinity of the field concentration range point of the zone plate 14 of the structured metal layer 32 for a predefined wavelength ⁇ res or a predefined wavelength range is located.
  • the metal layer 32 may be made of metals used in the CMOS process, such as aluminum.
  • the dielectric layer 38 may include, for example, silicon dioxide (SiO 2 ).
  • FIG. 3b schematically shows a side view of an integrated component 50 according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the integrated sensor element 50 has, in the vicinity of the optoelectronic component 16, a further metal layer 52 with an opening 54.
  • the opening according to embodiments can be configured circular.
  • the spectral separation of the integrated component shown in FIG. 3 a can be further improved.
  • the additional metal layer 52 with the opening 54 is not absolutely necessary, wherein the layer 52 is, for example, the nearest to the optical component but spaced metal layer.
  • the distance d between the pixel sensor 16 and the uppermost metal layer of the integrated sensor element is on the order of the desired resonant wavelength ⁇ res .
  • the distance d is in the range of approximately 2 ⁇ m.
  • the zone plate 14 of the structured metal layer is therefore preferably realized with a very short focal length. With modern CMOS processes, however, one can achieve very fine zones and thus very short focal lengths, so that the optoelectronic component 16 can be placed in the field concentration region of the zone plate 14.
  • the radii for each zone in the upper metal layer and the diameter of the opening 54 of the lower metal layer 52 are preferably chosen so that until the beginning of the opto-electronic device 16 only a certain wavelength, ie the resonant wavelength ⁇ res or a certain wavelength range can spread.
  • Zone plates usually have 20 or more zones in practice. For the sake of clarity, only the first three zones are shown here.
  • the zone plate 14 of the metal layer 32 has a focusing effect. With a corresponding ratio of the radii of the transparent zones 34 and the non-transparent zones 36 at a certain distance from the zone plate 14, a concentration of the incident electromagnetic radiation similar to a focal point arises for a certain wavelength. A photodiode placed at or at least near this point can now be covered by the opened metal layer 52 so that only the electromagnetic radiation or the light of the desired wavelength strikes the photodiode 16 at least approximately loss-free, while other wavelengths are filtered out become.
  • the metal layer 52 with the opening 54 significantly improves the spectral separation. For a light-emitting diode, the corresponding applies in the reverse direction.
  • the zone width of the transparent zones 34 decreases with increasing ordinal number or with increasing distance from the center. The same applies within the non-transparent zones in between.
  • the zone width of at least one of the transparent zones 34 is smaller than the desired pass wavelength, e.g. 2 ⁇ m or 1.2 ⁇ m, e.g. the 2nd to the last order.
  • the field concentration range resulting from the zone plate 14 for the transmission wavelength can, for example, be up to 20 ⁇ m away from the zone plate.
  • this region for example, 90% of the transmitted power, which corresponds to, for example, 50% of the incoming power or less, and
  • this region has a lateral extent which, for example, has less than one half of a lateral extent of the zone plate, measured at the outermost edge of the highest-order transparent zone.
  • FIG. 5 shows an illustrative example of three field distributions 60, 62, 64 for three different wavelengths in the vicinity of the optoelectronic component 16.
  • the electromagnetic field concentration 60 is highest for a resonance wavelength ⁇ res in the vicinity of the corresponding field concentration range of the zone plate 14.
  • the apertured metal plate 52 further increases the spectral selectivity, the foregoing applies equally to embodiments without the metal layer 52. Due to the increased spectral selectivity in the combination of zone plate 14 and one directly in front of the photodiode 16 Opening 54 of metal layer 52 will be seen therein a preferred embodiment of the present invention.
  • a further embodiment results from Fig. 5, when the photodiode 16 is replaced by a light emitting diode. In this way, it is possible to specifically filter light of the wavelength ⁇ res from the emitted radiation of the light-emitting diode. This creates a radiation source for electromagnetic radiation of the predetermined wavelength ⁇ res .
  • FIG. 6 shows an integrated component 70, which has a second zone plate 1 laterally offset in a second structured metal layer 72 at a distance a from the zone plate 14 of the structured metal sheet 32.
  • the function of the structure shown in FIG. 6 is similar to the structures described with reference to FIGS. 3b and 5.
  • the structured metal layers 32 and 72 with a zone plate structure have a lateral offset by the distance 1 in order to be able to achieve a better spectral separation.
  • the lateral offset 1 between the zone plate structures of the different metal layers is on the order of 2 times the desired wavelength ⁇ res or the desired wavelength range.
  • spectral separation is to choose the ratio of the radii of the zones of the layers 32 and 72 slightly different.
  • the metal layer 32 has a diffractive and focusing effect
  • the metal layer 72 has an additional filtering effect that transmits only the desired resonance wavelength ⁇ res .
  • a combination of the above possibilities is possible, namely the lateral offset of the vertically spaced zone plate structures while changing their zone radii.
  • FIG. 7 shows a side view of an integrated color sensor or CMOS-based color array 80, which has a
  • three planarly adjacent integrated components 50 are shown, wherein each of the three components is tuned to a different wavelength range or a different resonant wavelength ⁇ res .
  • the left-hand component 50-1 could be set to a wavelength from the red spectral range
  • the middle component 50-2 to a wavelength from the green spectral range
  • the right-hand component 50-3 to a wavelength from the blue spectral range.
  • the zone plate array 14-1, 14-2, 14-3 of the structured metal layer 32 is here tuned to the respective spectral ranges or wavelengths. The same also applies to the openings 54-1, 54-2, 54-3.
  • a component or sensor element can be adjusted to a predetermined resonance frequency ⁇ res , for example, by adapting the respective zone plate or the radii of the different zones.
  • the structures of the zone plates 14-1, 14-2 and 14-3 of the adjacent sensor elements therefore have different radii of the transparent and non-transparent rings.
  • the spacings and dimensions of the hole openings 54-1, 54-2 and 54-3 could vary.
  • the metal layer 52 with the hole openings 54-1, 54-2, 54-3 can thus be arranged in different planes in a color sensor according to the distances of the hole openings 54-1, 54-2 and 54-3 to the zone plates 14-1 , 14-2 and 14-3.
  • the metal layer 52 could also be omitted, as has already been described above.
  • the opto-electronic component 16 is larger in size than a single zone plate 14.
  • the metal layers are structured in an array-shaped manner. riert, as shown in the schematic plan view in Fig. 8a.
  • FIG. 8 a shows the plan view of an array-shaped structured metal layer 82, which has 2x 3 identical zone plate structures 14.
  • An optoelectronic component 16 below the structured metal layer 82 is larger than a single microelement (with a zone plate) of the structure and is completely covered by the metal layer or the entire structure. That is, to fully cover an opto-electronic device 16, an integrated device according to embodiments may also include a plurality of identical zone plate structures 14.
  • FIG. 8b shows the cross-section or the side view A-A of the chip shown in plan view in FIG. 8a.
  • the filter function is fulfilled by a combination of the zone plates 14 and the openings 54 already described above.
  • the individual zone plates 14 of the zone plate array of the upper metal layer 82 are exactly centered with respect to the openings 54 of the lower metal layer 52, which is indicated by the symmetry axes 40 in Fig. 8b.
  • the second structured metal layer 84 could also have a second zone plate array offset by 1 laterally.
  • the present invention thus comprises an integrated component which can be used as a sensor element or color sensor and / or as a radiation source for electromagnetic radiation of a predetermined wavelength range.
  • the integrated component is based on diffraction effects and can be produced in the context of conventional CMOS processes.
  • the color of an object is a good indicator of quality ⁇ tuschskontrolle in various manufacturing processes.
  • a large field of application for the present invention are, for example, color filters which are integrated directly in a pixel of an image sensor.
  • Micro-image sensors with a specific filter effect are also interesting applications.
  • CMOS process it is possible within the scope of a CMOS process to realize a photodiode array, so that a corresponding narrow-band filter is built up for a specific spectral range for each individual photodiode, and an effect as by a dispersive element (prism or lattice) in spectroscopy.
  • a dispersive element pris or lattice

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Abstract

Ein Integriertes Bauteil (10) mit einer Filterstruktur mit wenigstens zwei strukturierten Metallschichten (32; 82), wobei jede der wenigstens zwei strukturierten Metallschichten eine Zonenplattenstruktur (14) aufweist, um eine spektrale Filterwirkung zu erhalten, und einem optoelektronischen Bauelement (16), wobei die Filterstruktur (12) und das opto-elektronische Bauelement (16) derart in einem Halbleitersubstrat (16) integriert sind, so dass das opto-elektronische Bauelement (16) in einem Feldkonzentrationsbereich der Filterstruktur (12) angeordnet ist.

Description

Integriertes Bauteil mit Zonenplatten-Beugungsoptik
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein integriertes optisches Bauteil mit einer auf Zonenplatten basierenden Optik, das beispielsweise als Sensorelement oder Leuchtelement für eine Farbsensorik bzw. Farbanzeige eingesetzt wer- den kann.
Eine Farbe eines Objekts ist beispielsweise ein guter Indikator zur Qualitätskontrolle bei verschiedenen Fertigungsprozessen. Um die Farbe eines Objekts festzustellen, können optische Farbsensoren verwendet werden. Optische Farbsensoren auf Basis von Silizium-Photodioden mit zusätzlichem Farbfilter für eine entsprechende spektrale Selektivität sind seit langem bekannt. Ein derartiger optischer Farbsensor umfasst mehrere getrennte Photodioden mit beschichteten Oberflächen. Die optisch wirksamen Farbschichten sind spektral selektiv, so dass nur ein entsprechender Teil eines insgesamt einfallenden elektromagnetischen Spektrums durchgelassen wird und die restlichen Spektralanteile absorbiert oder reflektiert werden.
Bildsensoren, die eine Matrix bestehend aus mehreren Millionen Pixeln aufweisen, wobei jedes Pixel wenigstens drei Photodioden umfasst, die auf ihrer lichtempfindlichen Oberfläche einen optischen Bandpass-Filter aufweisen, sind e- benfalls bekannt. Solche Bildsensoren können für Kameraanwendungen eingesetzt werden.
Optische Farbsensoren können allerdings auch ohne klassische Farbfilter aufgebaut werden. In der Schrift US 6998660 B2 wird beispielsweise ein Farbsensor beschrieben, dessen Funktionsprinzip auf einer stark wellenlängenabhängigen Absorption von Silizium beruht. In der Veröffentlichung P. B. Catrysse und B. A. Wandeil, „Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technolo- gy", wird ein Farbsensor auf Basis von periodisch strukturierten Metallschichten beschrieben, wobei der Farbsensor in einer CMOS-Technologie implementiert ist. Die Schrift US 7129982 Bl beschreibt einen Farbsensor, der aus einem Pho- todioden-Array hergestellt in CMOS-Technologie besteht, sowie aus einem sogenannten Echelon-Gitter aus einem SoI- Gelmaterial, das in einem zusätzlichen Prozessschritt aufgebracht wird. Die Oberseite des Gitters ist dabei durch eine Schutzschicht geschützt.
Soll ein optischer Farbsensor klassisch, d.h. mit Farbfilter, aufgebaut werden, so sind dazu bisher zwei Technologieschritte erforderlich. Zunächst wird eine Photodiode beispielsweise in einem CMOS-Prozess hergestellt. In einem darauffolgenden Schritt wird die Photodiode bzw. deren 0- berflache optisch beschichtet. Werden dazu Standard- Technologien verwendet, so wird eine genau definierte spektrale Filterung von einzelnen Farbkanälen erhalten, welche nicht beliebig gewählt werden können, sondern meistens vorgegeben sind.
Der in der Schrift US 6998660 B2 beschriebene Farbsensor weist einen vertikalen Aufbau auf. In dieser Art realisier- te Farbsensoren weisen eine relativ schlechte spektrale Trennung auf, da keine Farbfilter mit steilen Flanken realisiert werden können. Des Weiteren besteht aufgrund eines an zahlreichen Strukturen entstehenden Streulichts ein großes Übersprechen zwischen verschiedenen Farbkanälen.
Der in der Veröffentlichung „Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technology" beschriebene Farbsensor weist einen Photodiodenchip auf, der mit periodisch strukturierten Metallschichten abgedeckt ist, welche stets eine gleiche Struktur aufweisen und ohne einen lateralen Versatz direkt übereinander angeordnet sind. Der beschriebene Aufbau funktioniert allerdings nur bei nahezu idealen Bedingungen zufriedenstellend. D.h., der beschriebene Farbsensor muss mit gut kollimiertem Licht bestrahlt werden, welches senkrecht zu den strukturierten Metallschichten einfällt. Außerdem muss das Licht linear polarisiert sein. Des Weiteren hat die Gitterstruktur der strukturierten Metallschicht keine fokussierende Wirkung. Daher entsteht zwischen benachbarten Photodioden Übersprechen zwischen unterschiedlichen Farbkanälen. Zwei überein- anderliegende Metallschichten bilden definitionsgemäß einen sogenannten Fabry-Perot-Resonator, welcher sehr empfindlich bezüglich der Qualität der Metalloberfläche und insbesondere des Schichtabstands ist. Dies hat zur Folge, dass eine solche Struktur sehr empfindlich hinsichtlich von Toleranzen von CMOS-Prozessen ist.
Die Schrift US 7129982 zeigt eine Photodiode mit abgeformtem Echelon-Gitter. Dieses Gitter ist eine optische Mikrostruktur und ein Aufbau solcher Strukturen ist im Rahmen eines CMOS-Prozesses mit zusätzlichen Prozessschritten möglich. Die optische Struktur muss mechanisch geschützt sein und hat, ebenso wie die Gitterstrukturen der Metallschichten in der Veröffentlichung „Integrated color pixels in 0.18-μm complementary metal oxide semiconductor technolo- gy", keinen Schutz gegen Streulicht aus anderen Beugungsordnungen.
Wünschenswert wäre daher ein vollständig, d.h. ohne zusätzliche Prozessschritte, in einem herkömmlichen CMOS-Prozess herstellbares integriertes optisches Bauteil mit hoher spektraler Selektivität, das als Farbsensor bzw. als Sen- sorelement zur Selektion einer gewünschten elektromagnetischen Wellenlänge eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, ein integriertes optisches Bauteil mit verbesserter spekt- raler Selektivität und zugleich mit fokussierender Wirkung bereitzustellen, das vollständig in CMOS-Prozessschritten hergestellt werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein integriertes Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen integrierten Farbar- ray gemäß Anspruch 17 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18 und ein integriertes Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein integriertes optisches Bauteil mit den gewünschten Eigenschaften realisiert werden kann, indem ein opto- elektonisches Bauelement, in Form eines Pixelsensors oder einer elektromagnetischen Strahlungsquelle, gemeinsam mit einem Schichtstapel aus dielektrischen Schichten und strukturierten Metallschichten auf ein Substrat integriert wird, wobei die strukturierten Metallschichten eine Zonenplatten- struktur aufweisen, wie z.B. ein Array von Zonenplatten, die einem Bauelement zugeordnet sind.
Eine Zonenplatte weist eine fokussierende Wirkung auf. Aus der Theorie der Zonenplatte folgt, dass bei einem entspre- chenden Verhältnis von Radien von transparenten und nicht transparenten Zonen in einem bestimmten Abstand von der Zonenplatte für eine vorbestimmte Wellenlänge bzw. einen vorbestimmen Wellenlängenbereich eine Konzentration der elektromagnetischen Strahlung bzw. des Lichts ähnlich einem Brennpunkt entsteht. Ein an dieser Stelle platziertes opto- elektonisches Bauelement, beispielsweise in Form einer Photodiode, kann nun von einer mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht so abgedeckt werden, dass nur die elektromagnetische Strahlung bzw. das Licht der gewünschten Wellenlänge λres oder des gewünschten Wellenlängenbereichs zumindest näherungsweise verlustfrei auf das opto- elektonische Bauelement trifft, während andere Wellenlängen ausgefiltert werden.
Durch eine optionale, weitere strukturierte Metallschicht, beispielsweise mit einer Öffnung, zwischen der mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht und dem opto- elektonischen Bauelement kann eine spektrale Trennung ge- genüber Ausführungsbeispielen ohne diese weitere Metallschicht nochmals verbessert werden.
Vorzugsweise umfasst das integrierte opto-elektronische Bauteil also eine Mehrzahl von CMOS-Metallschichten (z.B. CMOS Metalll/2/3 Schichten) , in der die Zonenplattenstruk- turen strukturiert sind, und/oder Metallschichten, in der, neben den Zonenplattenstrukturen, metallische, elektrische Verbindungen bzw. Leiterbahnen zwischen Schaltungselementen (z.B. Transistoren) des integrierten opto-elektronische Bauteil strukturiert sind. Eine Dicke einer CMOS- Metallschicht liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich größer als oder gleich 90 nm.
Mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können steile Filterflanken und eine hohe spektrale Auflösung erzielt werden, da ein integriertes Bauteil gemäß Ausführungsbeispielen so ausgelegt werden kann, dass nur eine vorbestimmte Wellenlänge durch die strukturierte (n) Metall- schicht (en) hindurch gelangt. Ferner ist es möglich, die spektrale Bandbreite des Pixelsensors innerhalb eines CMOS- Prozesses anzupassen, d.h. die spektralen Eigenschaften eines Farbkanals können frei definiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann das integrierte optische Bauteil als Sensorelement zum Detektieren von elektromagnetischer Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs ausgebildet sein. Dabei ist das opto-elektonische Bauelement als Pixelsensor, insbesondere als Fotodiode, ausgebil- det.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann das integrierte optische Bauteil als eine elektromagnetische Strahlungsquelle zum Ausstrahlen von elektromagnetischer Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs ausgebildet sein. Dabei ist das opto-elektonische Bauelement als Strahlungsquelle, insbesondere als Leuchtdiode, ausgebildet. Bei einem als optischer Sensor wirkenden integrierten Bauteil gemäß Ausführungsbeispielen wird eine auf einer dem Pixelsensor bzw. der Photodiode abgewandten Seite der mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht einfal- lende elektromagnetische Strahlung durch die auf den vorbestimmten Wellenlängenbereich abgestimmte Zonenplattenstruktur gefiltert, so dass in einer Nähe des Pixelsensors nur noch elektromagnetische Strahlung des vorbestimmten Wellenlängebereichs empfangbar ist. D.h. der Pixelsensor ist in einem Feldkonzentrationsbereich - im folgenden auch manchmal als Brennpunktbereich bezeichnet - der Zonenplatte angeordnet. Durch die fokussierende Wirkung der Zonenplatte wird in der Nähe des Pixelsensors das elektromagnetische Feld des vorbestimmten Wellenlängenbereichs konzentriert.
Bei einem als Strahlungsquelle wirkenden integrierten Bauteil gemäß Ausführungsbeispielen wird eine auf einer der Lichtquelle bzw. Leuchtdiode zugewanden Seite der mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht einfallende elektromagnetische Strahlung der Lichtquelle durch die auf den vorbestimmten Wellenlängenbereich abgestimmte Zonenplattenstruktur gefiltert, so dass auf einer der Lichtquelle bzw. Leuchtdiode abgewandten Seite der mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht austretende elektro- magnetische Strahlung im Brennpunktbereich nur noch Wellenlängen des vorbestimmten Wellenlängenbereichs aufweist. Auch hier wird die Lichtquelle vorzugsweise in dem Brennpunktbereich der Zonenplatte angeordnet. In dem Fall eines Leuchtelements als elektrooptischem Bauelement kann zudem die Sub-Lambda-Zonenplattenstruktur eine positive, die Raumwinkelverteilung beeinflussende Wirkung aufweisen.
Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Abstand zwischen dem opto-elektronischen Bauelement und der nächstgelegenen mit Zonenplattenstruktur strukturierten Metallschicht kleiner als 20 μm oder liegt zwischen 6 und 10 μm. Aus einer Mehrzahl von als optische Sensoren wirkenden Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise ein integrierter Farbsensor aufgebaut werden, indem eine Mehrzahl von Sensorelementen mit Zonenplatten und Pixelsensoren in einer Ebene benachbart zueinander integriert wird. Dabei können einzelne Zonenplatten aus dem Array der einzelnen Sensorelemente auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche eingestellt werden. Für einen RGB-Farbsensor (RGB = Rot Grün Blau) werden benach- barte Sensorelemente beispielsweise auf rotes, grünes und blaues Licht eingestellt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass mit integrierten Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen eine hohe spektrale Auflösung und steile Filterflanken erzielt werden können, und zwar unabhängig von Lichtpolarisationseigenschaften und unabhängig von einer Divergenz des Lichtes, da ein integriertes Bauteil gemäß Ausführungsbeispielen auf nur eine Wellenlänge bzw. einen kleinen Wellenlän- genbereich eingestellt werden kann. Des Weiteren kann mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die spektrale Filterbreite des innerhalb eines CMOS-Prozesses realisierten Filters angepasst werden, das heißt, die spektralen Eigenschaften eines Farbkanals können nahezu frei definiert werden, und zwar nur im Rahmen der Herstellung ohne zusätzliche Prozessierung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen eine Realisierung eines einfachen Farbsensors. Des Weiteren können farbempfindliche Pixel in einem zweidimensionalen Bildsensor realisiert werden. Dabei umfasst ein farbempfindlicher Pixel bzw. ein Superpixel beispielsweise drei Sensorelementen für unterschiedliche Wellenlängen.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass für ein Funktionieren eines integrierten Bauteils gemäß Ausführungsbeispielen und die fokussierende Wirkung desselben nicht zwingend kollimiertes und/oder polarisiertes Licht erforderlich ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines integrierten Bauteils gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines mit CMOS-Technik gefertigten Schichtstapels aus opto-elektronischem Bauelement, Metallschichten und dielektrischen Schichten, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a eine Seitenansicht eines in CMOS-Technik gefertigten integrierten Bauteils gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3b eine Seitenansicht eines in CMOS-Technik gefertigten integrierten Bauteils gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 eine Draufsicht und eine Seitenansicht einer strukturierten Metallschicht mit Zonenplatten- struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung der fokussierenden Wirkungsweise der Zonenplattenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Seitenansicht eines in CMOS-Technik integrierten Bauteils mit zwei mit Zonenplattenstruk- turen versehenen Metallschichten, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine Seitenansicht eines in CMOS-Technik integ- rierten Farbsensors mit einer Mehrzahl von integrierten Bauteilen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8a eine Draufsicht einer strukturierten Metall- schicht mit mehreren Zonenplattenstrukturen, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 8b eine Seitenansicht eines integrierten Bauteils mit einer strukturierten Metallschicht gemäß Fig.
8a.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispie- len gleiche oder gleichwirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibung dieser Funktionselemente in den verschiedenen, im Nachfolgenden dargestellten, Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines integrierten Bauteils 10 zur Filterung von elektromagnetischer Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs.
Das integrierte Bauteil 10 weist eine Filterstruktur 12 aus einer strukturierten Metallschicht mit einer Zonenplatten- struktur 14 und ein opto-elektronisches Bauelement 16 auf, wobei die Filterstruktur 12 und das opto-elektronische Bauelement 16 derart in einem Halbleitersubstrat integriert sind, so dass das opto-elektronische Bauelement 16 in einem Feldkonzentrationsbereich der Filterstruktur 12 angeordnet ist. Die Filterstruktur 12 weist eine Sub-Lambda- Zonenplattenstruktur 14 auf, in der konzentrische Ringe eine Zonenplatte definieren. Wie es mit gestrichelten Linien gezeigt ist, kann die Zonenplattenstruktur 14 aber auch ein Array von Zonenplatten aufweisen, die dem einen Bauelement 16' zugeordnet ist. Obwohl hier nur ein 3x3-Array von Zonenplatten gezeigt sind, sind andere Verhältnisse auch möglich. Insbesondere ist es möglich, dass das Bauelement 16' größer oder kleiner als die Ausdehnung des Arrays ist. Die folgende Beschreibung konzentriert sich vornehmlich auf die isolierte Betrachtung einer Zonenplatte, aber die Betrachtungen sind dann auch übertragbar auf den Fall eines Arrays von Zonenplatten, indem die entsprechenden Maßnahmen auf alle Zonenplatten 14a-14i übertragen werden. Die Abmessung der einzelnen transmittierenden und nicht transmittierenden Zonen der Zonenplatten kann variieren, wobei aber beispielsweise zumindest eine transmittierende Zone irgendeiner Ordnung eine Zonenbreite kleiner als die gewünschte Durchlasswellenlänge λ (Lambda) des Zonenplattenstruktur- filters, wie z.B. kleiner als 2μm oder sogar 1,2 μm, aufweist. Näher wird ein exemplarischer Aufbau Bezug nehmend auf Fig. 4 erläutert.
Die verschiedenen Zonen einer Zonenplatte unterscheiden sich dabei in ihrer Transparenz. Im einen Fall wird die e- lektromagnetische Strahlung an den ringförmigen Spalten gebeugt und durch konstruktive Interferenz in wellenlängenspezifischen Feldkonzentrationsbereichen verstärkt. Je nachdem für welche Wellenlänge λres bzw. für welchen vorde- finierten Wellenlängenbereich das integrierte Bauteil 10 empfindlich sein soll, wird das opto-elektronische Bauelement 16 in unterschiedlichen Abständen zu der strukturierten Metallschicht mit Zonenplattenstruktur 14 angeordnet. Der Abstand des opto-elektronischen Bauelements 16 von der Zonenplatte 14 wird durch den Feldkonzentrationsbereich der Zonenplatte für die vorbestimmte Wellenlänge λres festgelegt. Eine Zonenplatte mit binärer Abstufung, also völlig transparent abwechselnd mit total nicht transparent, so wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, hat viele Brennpunkte für jeweils verschiedene Wellenlängen.
Bei Ausführungsbeispielen bewirkt die Zonenplattenstruktur 14 für auf einer dem opto-elektronischen Bauelement 16 abgewandten Seite der Metallschicht eintreffenden elektromagnetischen Strahlung 18 eine spektrale Selektion bzw. eine spektrale Filterung sowie eine Fokussierung elektromagnetischer Strahlung eines vordefinierten Wellenlängenbereichs in dem Feldkonzentrationsbereich, so dass nahe einer dem opto-elektronischen Bautelement 16 zugewandten Seite bzw. nahe dem opto-elektronischen Bauelement 16 für den vordefinierten Wellenlängenbereich eine elektomagnetische Feldkonzentration in dem Feldkonzentrationsbereich vorherrscht, welche von dem opto-elektronischen Bauelement 16 detektiert werden kann. Dabei handelt es sich bei Ausführungsbeispielen bei dem opto-elektronischen Bauelement 16 um ein Bauelement, das elektromagnetische Strahlung in ein elektrisches Signal umwandeln kann, wie z.B. ein PN- Übergangssensor. Dabei meint ein PN-Übergangssensor einen Sensor mit einem durch unterschiedliche Dotierung realisierten PN-Übergang. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der PN-Übergangssensor als Photodiode ausgebildet.
Im optischen Wellenlängenbereich bedeutet dies eine spektrale Selektion einer bestimmten Wellenlänge bzw. eines vordefinierten Wellenlängenbereichs um die Wellenlänge durch die Zonenplatte 14, und eine Fokussierung des Lichts mit der vorbestimmten Wellenlänge λres im Feldkonzentrationsbe- reich. Welche Wellenlänge die Zonenplatte im Feldkonzentrationsbereich, in dem das opto-elektronische Bauelement 16 angeordnet ist, fokussiert und welche Wellenlängen von ihr herausgefiltert werden, hängt von der Struktur der Zonenplatte 14 und dem Abstand des opto-elektronischen Bauele- ments 16 von der Zonenplatte ab.
Somit können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beispielsweise als Sensorelement verwendet werden, um elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, in dem vordefinierten Wellenlängenbereich zu detektieren.
Bei einem als Strahlungsquelle wirkenden integrierten Bau- teil 10 gemäß Ausführungsbeispielen ist das optoelektronischen Bauelement 14 ein Bauelement, das ein elektrisches Signal in elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, umwandeln kann, wie z.B. eine Leuchtdiode. Hier wird eine auf einer der Leuchtdiode zugewanden Seite der strukturierten Metallschicht mit der Zonenplattenstruktur 14 einfallende elektromagnetische Strahlung der Leuchtdiode 16 durch die auf den vorbestimmten Wellenlängenbereich abgestimmte Struktur der Zonenplatte 14 gefiltert, so dass auf einer der Leuchtdiode 16 abgewandten Seite der Zonen- platte 14 austretende elektromagnetische Strahlung bzw. Licht in einem quasi unendlich weit entfernten Brennpunktbereich nur noch Wellenlängen des vorbestimmten Wellenlängenbereichs aufweist. Auch hier wird die Lichtquelle bzw. die Leuchtdiode 16 vorzugsweise in dem Feldkonzentrations- bereich der Zonenplatte 14 für den vorbestimmten Wellenlängenbereich angeordnet.
Sowohl bei einem Sensor als auch bei einer Strahlungsquelle ist das opto-elektronische Bauelement 16 also vorzugsweise in dem Brennpunktbereich der Zonenplatte 14 für den vorbestimmten Wellenlängenbereich angeordnet. Der Feldkonzentrationsbereich weist von der Zonenplatte 14 einen vorbestimmten Abstand d auf, der gemäß Ausführungsbeispielen kleiner ist als die zu selektierende Wellenlänge λres bzw. eine WeI- lenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs. Gemäß Ausführungsbeispielen ist der Abstand d kleiner als 20 μm oder 6-10μm.
Integrierte Bauteile basierend auf strukturierten Metall- schichten mit Zonenplattenstruktur lassen sich mit CMOS- Prozessen, wie beispielsweise einem CMOS-Opto-Prozess realisieren, ohne dass zusätzliche Prozessschritte oder weitere Bearbeitungen erforderlich sind. Ein Verfahren zum Herstellen eines integrierten Bauteils 10 auf einem Substrat umfasst gemäß Ausführungsbeispielen einen Schritt des Erzeugens eines opto-elektonischen Bauele- ments 16 an einer Substratoberfläche des Substrats und ein Aufbringen einer Filterstruktur 12 mit wenigstens einer strukturierten Metallschicht mit Zonenplattenstruktur 14 auf das opto-elektonische Bauelement 16, so dass die Filterstruktur und das opto-elektonische Bauelement derart in dem Halbleitersubstrat integriert sind, so dass das optoelektronische Bauelement 16 in einem Feldkonzentrationsbereich der Filterstruktur bzw. der Zonenplatten angeordnet ist, wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind.
Gemäß Ausführungsbeispielen umfasst das Aufbringen der Filterstruktur 12 das Aufbringen wenigstens einer strukturierten Metallschicht, wobei die wenigstens eine strukturierte Metallschicht Mikrostrukturen in Form von Zonenplatten 14 aufweist, deren Abmessungen und Radien zwischen zwei benachbarten Zonen, eine Fokussierung der elektromagnetischen Strahlung einer vorbestimmten Wellenlänge λres bzw. eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs in dem Brennpunktbereich erlauben.
Ein Zwischenprodukt eines CMOS-Herstellungsprozesses eines integrierten Bauteils gemäß Ausführungsbeispielen ist schematisch in Fig. 2 gezeigt.
Das in Fig. 2 gezeigte, noch nicht fertig hergestellte, integrierte Sensorelement umfasst ein Substrat 22, insbesondere ein Halbleitersubstrat, in dem ein opto-elektronisches Bauelement 16 eingebracht ist. Dabei ist das optoelektronische Bauelement 16 in einer Ebene 24 angeordnet, die einer Feldkonzentrationsebene für den vorbestimmten Wellenlängenbereich entspricht, oder die zumindest sehr nahe zu dieser Feldkonzentrationsebene verläuft. Die nicht fertiggestellte optische Struktur in Fig. 2 weist einen Schichtstapel aus metallischen Schichten 26 und dielektrischen Schichten 28 auf. Fig. 2 zeigt lediglich exemplarisch vier metallische Schichten 26-1 bis 26-4 und drei dielektrische Schichten 28-1 bis 28-3. Je nach Ausführungsform kann die Schichtanzahl von dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel abweichen. In allen vier metallischen Schichten 26-1 bis 26-4 sind beispielsweise laterale deckungsgeliche Zonenplattenstrukturen gebildet. Alternative kann die dem Bauelement 16 nächstgelegene Metallschicht 26-1 eine als Blende fungierende Öffnung aufweisen, wie sie im folgenden erläutert wird, in welchem Fall diese Öffnung, das Bauelement oder ein Ort dazwischen vertikal zentriert im Feldkonzentrationsbereich liegt.
Bei einem integrierten Sensorelement gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können die Metallschichten 26-1 bis 26-3 durch Dielektrika ersetzt sein, so dass lediglich die darüber liegende Schicht 26-4 die Zonenplattenstruktur bildet.
Die jeweils unterste Metallschicht wird in einem Abstand d von dem opto-elektronischen Bauelement 16 angeordnet, wobei der Abstand d zumindest näherungsweise die „Brennweite" ei- ner fokussierenden Zonenplatte in der/den darüber liegenden strukturierten Metallschicht (en) für eine bestimmte Wellenlänge angibt.
Zwischen dem opto-elektronischen Bauelement 16 und der strukturierten Metallschicht 26-1 befindet sich das Substrat 22 bzw. ein Dielektrikum in Form von beispielsweise wenigstens einer dielektrischen Schicht.
Fig. 2 zeigt also ein Beispiel für einen Schichtaufbau ei- nes CMOS-Optoprozesses. Es handelt sich um eine sandwichartige Struktur, die Metallschichten 26, dielektrische Schichten 28 und ein opto-elektronischen Bauelement 16 in der Ebene 24 umfasst. Die Metallschichten 26 werden nun gemäß Ausführungsbeispielen derart strukturiert, dass sie eine gute optische Filterwirkung mit gleichzeitig fokussierender Wirkung aufwei- sen, ohne dass eine zusätzliche Farbfilterbeschichtung für das integrierte Bauteil nötig ist.
Fig. 3a zeigt eine schematische Seitenansicht eines in CMOS-Technik integrierten Bauteils 30 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das integrierte Bauteil 30 weist eine strukturierte Metall- schicht 32 mit Zonenplattenstruktur auf. Die Zonenplatte 14 der strukturierten Metallschicht 32 ist in transparente Zo- nen 34 und nicht transparente Zonen 36 aufgeteilt. Die transparenten Zonen 34 werden beispielsweise durch ein Dielektrikum 38 gebildet, welches zwischen der strukturierten Metallschicht 34 und dem opto-elektronischen Bauelement 16 angeordnet ist. Die Zonenplatte 14 der strukturierten Me- tallschicht 32 weist konzentrische Ringe auf, die aus den transparenten und nicht transparenten Zonen mit Sub-Lambda- Zonenbreite gebildet werden, und die einen gemeinsamen Mittelpunkt aufweisen, durch den senkrecht zu der strukturierten Metallschicht 32 eine Rotationsachse 40 des integrier- ten Bauteils 30 verläuft. Das opto-elektronische Bauelement 16 ist in einem Abstand d von der strukturierten Metallschicht 32 angeordnet, so dass sich das opto-elektronische Bauelement 16 in oder zumindest in der Nähe des Feldkon- zentrationsbereichpunkts der Zonenplatte 14 der struktu- rierten Metallschicht 32 für eine vordefinierte Wellenlänge λres bzw. einen vordefinierten Wellenlängenbereich befindet. Die Metallschicht 32 kann aus bei CMOS-Prozesses verwendeten Metallen, wie z.B. Aluminium, bestehen. Die dielektrische Schicht 38 kann beispielsweise Siliziumdioxid (SiO2) aufweisen. Fig. 3b zeigt schematisch eine Seitenansicht eines integrierten Bauteils 50 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Das integrierte Sensorelement 50 weist in Nähe des optoelektronischen Bauelements 16 eine weitere Metallschicht 52 mit einer Öffnung 54 auf. Dabei kann die Öffnung gemäß Ausführungsformen kreisförmig ausgestaltet sein. Durch diese zusätzliche Metallschicht 52 kann die spektrale Trennung des in Fig. 3a gezeigten integrierten Bauteils nochmals verbessert werden. Dabei ist zu bemerken, dass die zusätzliche Metallschicht 52 mit der Öffnung 54 nicht zwingend erforderlich ist, wobei die Schicht 52 beispielsweise die zum optischen Bauelement nächstgelegene aber beabstandete Metallschicht ist.
Der Abstand d zwischen dem Pixelsensor 16 und der obersten Metallschicht des integrierten Sensorelements liegt in einer Größenordnung der gewünschten Resonanzwellenlänge λres. Für den optischen Spektralbereich und einen 0,18 μm CMOS- Prozess, liegt der Abstand d im Bereich von ca. 2 μm. Die Zonenplatte 14 der strukturierten Metallschicht wird also vorzugsweise mit sehr kurzer Brennweite realisiert. Mit modernen CMOS-Prozessen kann man aber sehr feine Zonen und damit sehr kurze Brennweiten erreichen, so dass das optoelektronische Bauelement 16 im Feldkonzentrationsbereich der Zonenplatte 14 platziert werden kann.
Die Radien für jede Zone in der oberen Metallschicht und der Durchmesser der Öffnung 54 der unteren Metallschicht 52 werden vorzugsweise so gewählt, dass sich bis zum Beginn des opto-elektronischen Bauelements 16 nur eine bestimmte Wellenlänge, d.h. die Resonanzwellenlänge λres bzw. ein bestimmter Wellenlängenbereich ausbreiten kann.
Fig. 4 zeigt ein Beispiel für eine Sub-Lambda-Zonenplatte 14, welche lediglich exemplarisch drei transparente Kreisringe, nämlich erster, zweiter und dritter Ordnung von in- nen aus gezählt, und vier nicht transparente Kreisringe aus Metall umfasst. Zonenplatten weisen in der Praxis meist 20 oder mehr Zonen auf. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur die ersten drei Zonen dargestellt.
Die Zonenplatte 14 der Metallschicht 32 besitzt eine fokus- sierende Wirkung. Bei entsprechendem Verhältnis der Radien der transparenten Zonen 34 und der nicht transparenten Zonen 36 in einem bestimmten Abstand von der Zonenplatte 14 entsteht für eine bestimmte Wellenlänge eine Konzentration der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung ähnlich einem Brennpunkt. Eine an oder zumindest in der Nähe dieser Stelle platzierte Photodiode kann nun von der geöffneten Metallschicht 52, so abgedeckt werden, dass nur die elekt- romagnetische Strahlung bzw. das Licht der gewünschten Wellenlänge zumindest näherungsweise verlustfrei auf die Photodiode 16 trifft, während andere Wellenlängen ausgefiltert werden. Durch die Metallschicht 52 mit der Öffnung 54 wird die spektrale Trennung deutlich verbessert. Für eine Leuchtdiode gilt das Entsprechende in umgekehrter Richtung.
In dem Fall der exemplarisch dargestellten Sub-Lambda- Zonenplatte nimmt die Zonenbreite der transparenten Zonen 34 mit zunehmender Ordnungszahl bzw. mit zunehmendem Ab- stand vom Zentrum ab. Gleiches gilt innerhalb der nichttransparenten Zonen dazwischen. Zusätzlich ist nach dem Beispiel von Fig. 4 die Zonenbreite zumindest einer der transparenten Zonen 34 kleiner als die gewünschte Durchlasswellenlänge, wie z.B. 2 μm oder 1,2 μm, wie z.B. die 2. bis zur letzten Ordnung.
Der für die Durchlasswellenlänge aus der Zonenplatte 14 resultierende Feldkonzentrationsbereich kann, wie bereits erwähnt, beispielsweise bis 20μm von der Zonenplatte entfernt sein. Dabei befindet sich in diesem Bereich bei kollimier- ter Beleuchtung mit der Durchlasswellenlänge beispielsweise 90% der transmittierten Leistung, die beispielsweise 50% der ankommenden Leistung oder weniger entspricht, und die- ser Bereich hat beispielsweise eine laterale Ausdehnung, die beispielsweise weniger als ein Halb einer lateralen Ausdehnung der Zonenplatte - gemessen am äußersten Rand der transparenten Zone höchster Ordnung - aufweist.
Fig. 5 zeigt ein erläuterndes Beispiel für drei Feldverteilungen 60, 62, 64 für drei unterschiedliche Wellenlängen in der Nähe des opto-elektronischen Bauelements 16.
Aus Fig. 5 lässt sich erkennen, dass die elektromagnetische Feldkonzentration 60 für eine Resonanzwellenlänge λres in der Nähe des entsprechenden Feldkonzentrationsbereichs der Zonenplatte 14 am höchsten ist. Das bedeutet, dass für die Resonanzwellenlänge λres die ganze elektromagnetische Ener- gie bzw. ein Großteil davon von dem opto-elektronischen Bauelement 16, insbesondere einer Photodiode, detektiert werden kann, während für andere Wellenlängen die entsprechenden elektromagnetischen Feldkonzentrationen 62, 64 geringer sind, d.h. nur ein kleiner Anteil der jeweiligen e- lektromagnetischen Strahlung eine PN-Übergang der Photodiode 16 erreicht. Obwohl die mit der Öffnung versehene Me- tallplatte 52 die spektrale Selektivität zusätzlich erhöht, gilt das im Vorhergehenden beschriebene gleichermaßen für Ausführungsformen ohne die Metallschicht 52. Durch die er- höhte spektrale Selektivität bei der Kombination aus Zonenplatte 14 und einer direkt vor der Photodiode 16 liegenden Öffnung 54 der Metallschicht 52 wird darin eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu sehen sein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ergibt sich aus Fig. 5, wenn die Fotodiode 16 durch eine Leuchtdiode ersetzt wird. Damit kann gezielt Licht der Wellenlänge λres aus der emittierten Strahlung der Leuchtdiode gefiltert werden. Somit entsteht eine Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung der vorbestimmten Wellenlänge λres.
Eine weitere Ausführungsform eines integrierten Bauteils ist in Fig. 6 gezeigt. Fig. 6 zeigt ein integriertes Bauteil 70, welches in einem Abstand a von der Zonenplatte 14 der strukturierten Metallschi hat 32 eine zweite um 1 lateral versetzte Zonenplatte in einer zweiten strukturierten Metallschicht 72 aufweist.
Die Funktion der in Fig. 6 gezeigten Struktur ist ähnlich zu der anhand der Figuren 3b und 5 beschriebenen Strukturen. Die strukturierten Metallschichten 32 und 72 mit Zo- nenplattenstruktur weisen einen lateralen Versatz um den Abstand 1 auf, um eine bessere spektrale Trennung erzielen zu können. Dabei liegt der laterale Versatz 1 zwischen den Zonenplattenstrukturen der verschiedenen Metallschichten in einer Größenordnung von 2 mal der gewünschten Wellenlänge λres bzw. des gewünschten Wellenlängenbereichs.
Eine weitere Möglichkeit zur spektralen Trennung besteht darin, das Verhältnis der Radien der Zonen der Schichten 32 und 72 leicht unterschiedlich zu wählen. In diesem Fall hat die Metallschicht 32 eine beugende und fokussierende Wirkung und die Metallschicht 72 eine zusätzlich filternde Wirkung, die nur die gewünschte Resonanzwellenlänge λres hindurchlässt . Ferner ist eine Kombination obiger Möglichkeiten möglich, nämlich der laterale Versatz der vertikal beabstandeten Zonenplattenstrukturen bei gleichzeitiger Veränderung ihrer Zonenradien.
Nachdem im Vorhergehenden Aufbau und Funktionsweise von integrierten Bauteilen gemäß Ausführungsbeispielen eingehend beschrieben wurden, sollen im Nachfolgenden noch auf integrierte Farbsensoren auf Basis der integrierten Bauteile eingegangen werden.
Fig. 7 zeigt dazu eine Seitenansicht eines integrierten Farbsensors bzw. Farbarrays 80 auf CMOS-Basis, welcher eine
Mehrzahl von gemeinsamen auf einem Substrat integrierten Bauteilen 50 aufweist. In Fig. 7 sind lediglich exemplarisch drei planar benachbart integrierte Bauteile 50 dargestellt, wobei jedes der drei Bauteile auf einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich bzw. eine unterschiedliche Resonanzwellenlänge λres abgestimmt ist. Beispielsweise könnte das linke Bauteil 50- 1 auf eine Wellenlänge aus dem roten Spektralbereich, das mittlere Bauteil 50-2 auf eine Wellenlänge aus dem grünen Spektralbereich und das rechte Bauteil 50-3 auf eine Wellenlänge aus dem blauen Spektralbereich eingestellt sein. Das Zonenplattenarray 14-1, 14-2, 14-3 der strukturierten Metallschicht 32 ist hier auf die jeweiligen Spektralbereiche bzw. Wellenlängen abgestimmt. Dasselbe gilt ebenfalls für die Öffnungen 54-1, 54-2, 54-3.
Wie es im Vorhergehenden bereits erläutert wurde, kann ein Bauteil bzw. Sensorelement beispielsweise durch Adaption der jeweiligen Zonenplatte bzw. der Radien der unterschiedlichen Zonen auf eine vorbestimmte Resonanzfrequenz λres eingestellt werden. In dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungs- beispiel weisen somit die Strukturen der Zonenplatten 14-1, 14-2 und 14-3 der benachbarten Sensorelemente unterschiedliche Radien der transparenten und nicht transparenten Ringe auf. Des Weiteren könnten die Abstände und Abmessungen der Lochöffnungen 54-1, 54-2 und 54-3 variieren. - Die Me- tallschicht 52 mit den Lochöffnungen 54-1, 54-2, 54-3 kann bei einem Farbsensor also in unterschiedlichen Ebenen entsprechend den Abständen der Lochöffnungen 54-1, 54-2 und 54-3 zu den Zonenplatten 14-1, 14-2 und 14-3 verlaufen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel könnten die Metallschicht 52 auch weggelassen werden, wie es im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde.
Abschließend soll noch auf den Fall eingegangen werden, dass das opto-elektronische Bauelement 16 von seinen Abmessungen her größer ist als eine einzelne Zonenplatte 14. In diesem Fall sind die Metallschichten array-förmig struktu- riert, wie es in der schematischen Draufsicht in Fig. 8a gezeigt ist.
Fig. 8a zeigt die Draufsicht auf eine array-förmig struktu- rierte Metallschicht 82, welche 2x3 identische Zonenplat- tenstrukturen 14 aufweist. Ein unter der strukturierten Metallschicht 82 liegendes opto-elektronisches Bauelement 16 ist dabei größer als ein einzelnes Mikroelement (mit einer Zonenplatte) der Struktur und wird von der Metallschicht bzw. der Gesamtstruktur vollständig abgedeckt. D.h., um ein opto-elektronisches Bauelement 16 vollständig abzudecken, kann ein integriertes Bauteil gemäß Ausführungsbeispielen auch eine Mehrzahl von identischen Zonenplattenstrukturen 14 aufweisen.
Fig. 8b zeigt den Querschnitt bzw. die Seitenansicht A-A des in Fig. 8a in Draufsicht gezeigten Chips. In diesem Beispiel wird die Filterfunktion erfüllt durch eine Kombination aus den Zonenplatten 14 und den Öffnungen 54, die im Vorhergehenden bereits beschrieben wurden. Die einzelnen Zonenplatten 14 des Zonenplattenarrays der oberen Metallschicht 82 sind dabei genau zentriert bezüglich der Öffnungen 54 der unteren Metallschicht 52, was durch die Symmetrieachsen 40 in Fig. 8b angedeutet ist. Wie im Vorhergehen- den bereits beschrieben wurde, könnte statt der in Fig. 8b gezeigten Öffnungen 54 die zweite strukturierte Metallschicht 84 auch einen um 1 lateral versetzten zweiten Zo- nenplattenarray aufweisen.
Zusammenfassend umfasst die vorliegende Erfindung also ein integriertes Bauteil, welches als Sensorelement bzw. Farbsensor und/oder als Strahlungsquelle für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereichs eingesetzt werden kann. Das integrierte Bauteil beruht auf Beu- gungseffekten und kann im Rahmen von herkömmlichen CMOS- Prozessen hergestellt werden. Die Farbe eines Objekts ist ein guter Indikator zur Quali¬ tätskontrolle bei verschiedenen Fertigungsprozessen. Ein großes Anwendungsfeld für die vorliegende Erfindung sind beispielsweise Farbfilter, die direkt in einem Pixel eines Bildsensors integriert sind. Mikrobildsensoren mit einem bestimmten Filtereffekt (z. B. Nachbildung der Farbempfindlichkeit des Auges) sind ebenfalls interessante Anwendungsmöglichkeiten.
Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, im Rahmen eines CMOS- Prozesses eine Photodiodenzeile zu realisieren, so dass für jede einzelne Photodiode ein entsprechender schmalbandiger Filter für einen bestimmten Spektralbereich aufgebaut wird, und sich ein Effekt wie durch ein dispersives Element (Prisma oder Gitter) in der Spektroskopie ergibt.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die jeweiligen beschriebenen Bauteile oder die erläuternden Vorgehensweisen beschränkt ist, da diese Bauteile und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsformen zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Anzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der GesamtZusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Dasselbe gilt in umgekehrter Richtung.

Claims

Patentansprüche
1. Integriertes Bauteil (10; 30; 50; 70) mit
einer Filterstruktur mit wenigstens zwei strukturierten Metallschichten (32; 82), wobei jede der wenigstens zwei strukturierten Metallschichten eine Zonen- plattenstruktur (14) aufweist, um eine spektrale Filterwirkung zu erhalten; und
einem opto-elektronischen Bauelement (16) ,
wobei die Filterstruktur (12) und das optoelektronische Bauelement (16) derart in einem Halblei- tersubstrat (16) integriert sind, so dass das optoelektronische Bauelement (16) in einem Feldkonzentrationsbereich der Filterstruktur (12) angeordnet ist.
2. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 1, bei dem das op- to-elektronische Bauelement (16) elektromagnetische
Strahlung in ein elektrisches Signal umwandeln kann.
3. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 2, bei dem das op- to-elektronische Bauelement (16) ein PN- Übergangssensor ist.
4. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem das opto-elektronische Bauelement (16) eine Photodiode ist.
5. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 1, bei dem das opto-elektronische Bauelement (16) ein elektrisches Signal in elektromagnetische Strahlung umwandeln kann.
6. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 5, bei dem das opto-elektronische Bauelement (16) eine Leuchtdiode ist.
7. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem die Zonenplattenstruktur (14) eine eine Raumwinkelverteilung beeinflussende Wirkung aufweist.
8. Integriertes Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine zweite strukturierte Metallschicht (72) mit zumindest näherungsweise identischer Zonenplattenstruktur (14) wie eine erste strukturierte Metallschicht (32) aufweist, wobei die zumindest nähe- rungsweise identische Zonenplattenstrukturen der ersten strukturierten Metallschicht (32) und der zweiten strukturierten Metallschicht (72) zueinander lateral versetzt sind, um spektrale Filterwirkung des integrierten Bauteils zu erhalten.
9. Integriertes Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zonenplattenstruktur (14) einer zweiten strukturierten Metallschicht (72) gegenüber der Zonenplattenstruktur der ersten strukturierten Me- tallschicht (32) unterschiedliche Verhältnisse von Zonenradien aufweist, um eine spektrale Filterwirkung zu erhalten.
10. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die zweite strukturierte Metallschicht (72) eine dem opto-elektronischen Bauelement (16) am nächsten liegende aber zu derselben beabstandeten Metallschicht in dem Halbleitersubstrat ist.
11. Integriertes Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Radien von abwechselnd transparenten und nicht transparenten Zonen der Zonenplattenstruktur (14) auf den vorbestimmten Wellenlängenbereich angepasst sind.
12. Integriertes Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die strukturierten Metallschichten (32) das opto-elektronische Bauelement (16) vollständig abdecken.
13. Integriertes Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Zonenplattenstruktur (14) ein
Array von Zonenplatten aufweist, die jeweils einen Teil des Feldkonzentrationsbereiches definieren, und die Zonenplatten des Arrays gemeinsam dem optoelektronischen Bauelement (16) zugeordnet sind.
14. Integriertes Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das opto-elektronische Bauelement
(16) von einer dem Pixelsensor zugewandten Seite der strukturierten Metallschichten (32) einen vordefinier- ten Abstand (d) aufweist, so dass sich in dem vordefinierten Abstand nur eine elektromagnetische Feldkonzentration des vorbestimmte Wellenlängenbereich ausbilden kann.
15. Integriertes Bauteil gemäß Anspruch 14, bei dem der vordefinierte Abstand kleiner als 20 μm ist.
16. Integriertes Bauteil gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das in einer CMOS-Technologie hergestellt ist.
17. Integrierter Farbarray (80), mit
einer Mehrzahl von integrierten Bauteilen (10; 30; 50; 70) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Filterstrukturen (12) der integrierten Bauelemente ausgebildet sind, um ansprechend auf elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlängenbereiche jeweils an einer dem entsprechenden opto- elektronischen Bauelement (16) zugewandten Seite der Filterstruktur eine elektromagnetische Feldkonzentration in der Nähe des jeweiligen opto-elektronischen Bauelements zu erzeugen, für die das jeweilige opto¬ elektronische Bauelement empfindlich ist.
18. Verfahren zum Herstellen eines integrierten Bau- teilss, mit folgenden Schritten:
Erzeugen eines opto-elektronischen Bauelements (16) an einer Substratoberfläche eines Substrats (22) ; und
Aufbringen einer Filterstruktur (12) mit wenigstens zwei strukturierten Metallschichten (32), wobei jede der wenigstens zwei strukturierten Metallschichten eine Zonenplattenstruktur (14) aufweist, , um eine spektrale Filterwirkung zu erhalten , so dass die Filterstruktur (12) und das opto-elektronische Bauelement (16) derart in dem Substrat (22) integriert sind, so dass das opto-elektronische Bauelement (16) in einem Feldkonzentrationsbereich der Filterstruktur (12) angeordnet ist,
wobei das Erzeugen und das Aufbringen Teile eines CMOS-Prozesses sind.
19. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Aufbringen der Filterstruktur (12) ein Aufbringen eines Schichtstapels aus wenigstens einer dielektrischen und zwei strukturierten Metallschichten mit Zonenplattenstruktur (14) umfasst, wobei transparente und nicht transparente Zonen der Zonenplattenstruktur (14) Abstände zwischen zwei benachbarten Zonen aufweisen, die eine spektrale Selektion und Konzentration eines vordefinierten Wellenlängenbereichs in dem Feldkonzentrationsbereich bewirken können.
20. Integriertes Bauteil mit
einer Filterstruktur mit einer ersten Metallschicht (32; 82), in die eine Mehrzahl von Mikroelementen mit jeweils identischen Zonenplattenstrukturen (14) strukturiert ist;
einem opto-elektronischen Bauelement (16) , welches ei- ne größere laterale Ausdehnung aufweist als ein einzelnes der Mehrzahl von Mikroelementen der Filterstruktur; und
einer zweiten Metallschicht (52) mit Öffnungen, die den Zonenplattenstrukturen (14) der ersten Metallschicht zugeordnet sind, wobei die zweite Metallschicht (52) zwischen dem opto-elektronischen Bauelement (16) und der ersten strukturierten Metallschicht (32; 82) angeordnet ist, derart, dass die Öffnungen und die zugeordneten Zonenplattenstrukturen jeweils auf einer gemeinsamen optischen Achse liegen,
wobei die Filterstruktur (12) und das optoelektronische Bauelement (16) derart in einem Halblei- tersubstrat (16) integriert sind, dass das optoelektronische Bauelement (16) vollständig von der ersten und zweiten Metallschicht abgedeckt wird, und dass das opto-elektronische Bauelement (16) in einem Feldkonzentrationsbereich der Mehrzahl von Mikroelementen der Filterstruktur (12) angeordnet ist.
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