專利名稱：微透鏡陣列的制作方法
技術領域：
本發明涉及在電子圖像傳感器表面上的微透鏡陣列的制造。
背景技術：
在電子圖像傳感器中產生更高的分辨率。這意味著單個像素的表面積變小，因此撞擊在每個像素上的光的數量也在減少。電子圖像傳感器技術的進展已經增加了信噪比以補償光量的降低。但是，由于像素的光敏部分通常只有總像素面積的50％或更少，與像素陣列對準的微透鏡陣列的制造已經被證實是一種非常有效的增加撞擊像素的光敏區的入射光部分的方式。
一種生產微透鏡陣列的非常有效的并且可制造的方法是通過標準微光刻技術在光致抗蝕劑材料中形成圖案。接著將這些在制造過程中具有方形的角的圖案熔融并制成圓形的微透鏡部件。該技術最主要的需求在于各個微透鏡必須分隔足夠遠以使得相鄰圖案在熔融時不接觸。如果他們接觸，這些圖案就會流在一起并且不會產生所希望的微透鏡形狀。因此，該技術總是導致在相鄰微透鏡之間產生間隙。這些間隙圍繞像素的周邊，入射在它們上的任何光都不會聚焦在像素的光敏區域上。因此需要一種有效的方法來生產微透鏡陣列，同時減少或消除這些間隙。
在減小這些間隙的方法方面已經有了一些進展。在微透鏡陣列生產的技術領域中，一種常用的做法是首先利用上面所述的流動技術在上層中形成微透鏡形狀。接著通過反應離子刻蝕(RIE)將該微透鏡形狀轉移至下層。RIE是一種等離子體刻蝕技術，其中由電偏置將等離子體的反應離子朝向基板加速。這產生了一種非常各向同性的刻蝕，并使得微透鏡形狀精確地轉移至下層。當微透鏡材料不具有合適的特性以允許直接微光刻構圖并熔融時采用該技術。US專利6,163,407公開了這種技術以減小最終的微透鏡間隙。通過改變RIE條件以使得在兩層的刻蝕速率之間產生不匹配來實現這一點。這導致產生比最初熔融的光致抗蝕劑稍有不同的微透鏡形狀。刻蝕速率的合理性的調整能夠在最終的微透鏡陣列中產生更小的間隙。盡管該方法產生更少的間隙，但是不存在足夠的處理方式以完全地消除圍繞該像素整個周邊的間隙。該方法的其它缺點包括需要額外圖案轉移RIE步驟并且有損壞來自等離子環境的下部圖像傳感器的危險。
另一種產生無間隙微透鏡陣列的方法是灰度級光刻。該方法包括用具有多種密度而不是常用的0％或100％的掩模將光致抗蝕劑構圖。該多種密度產生多種溶解度的暴露的光致抗蝕劑膜。因此，在顯影之后的最終的光致抗蝕劑分布與穿過掩模的光強度分布相匹配。但是，該方法具有幾個缺陷。首先，顯而易見的是，掩模的設計和制造相當復雜和昂貴。其次，光致抗蝕劑必須能夠精確地再現光強度的變化。這最好用具有約為1的對比度的光致抗蝕劑實現。這些類型的光致抗蝕劑很難找到，因為大多數光致抗蝕劑顯影工作的目的在于需要產生在現代電子設備中使用的高密度電路的高對比度。而且，這些光致抗蝕劑很可能不包含用作最后的微透鏡材料所需的特性。這些特性包括對于可見光是透明的、對熱和光是穩定的以及相對較高的折射率。這意味著該光致抗蝕劑圖案需要類似于前面所述的方法被轉移到下層中。出于這些原因，不認為灰度級光刻是制造無間隙微透鏡陣列的制造方法。
一種用于形成無間隙微透鏡陣列的總體上簡單的方法是采用硬的模具(die)將外形壓印進軟材料中。根據其如何應用的具體細節通過幾種不同的方式，例如壓花、壓印和接觸印刷來應用該技術。這種類型的技術用于制造光纖光學和顯示應用的微光學元件。標準應用包括涂敷在基板上的材料膜，用模具順序壓印該膜。在大部分應用中，需要熱或者相當大的壓力來將模具圖案壓印在接收層中。該方法的應用是使得電子圖像傳感器的微透鏡陣列不相似，這是因為壓力或熱的使用導致變形。該變形沒有明顯的尺寸去影響光纖或顯示設備的質量，但是像素尺寸對于圖像傳感器而言要小得多，而且這種失真會嚴重影響性能。
因此，考慮到上面所述，需要一種制造具有減少或消除的間隙的微透鏡陣列的方法，該方法的成本不高并產生具有最小失真的微透鏡陣列。
發明內容
本發明涉及一種在電子圖像傳感器上形成微透鏡陣列的改善的方法。其改進包括這樣一種方法，其中相鄰微透鏡可被非常靠近地組裝以至消除它們之間的明顯的間隙，同時允許采用優選的球形。該方法包括采用對于微透鏡陣列具有所希望的浮雕圖像的模板。將壓印印模(imprint stamp)與聚合流體成分相接觸以使得該浮雕圖像完全填充有所述聚合流體成分。該聚合成分的流體特性和毛細管作用使得能夠在非常小的壓力下進行該浮雕圖像填充。由對光化學硬化該聚合流體成分所需要的光的波長透明的材料制成該壓印印模。這使得輻射能夠在該壓印印模與該聚合流體成分相接觸的同時穿過該壓印印模。該輻射的結果是硬化該聚合流體成分。該硬化允許在硬化的聚合成分保留所希望的微透鏡形狀的同時將該壓印印模順序移去。硬化的聚合成分具有必須的光透射性和穩定特性，其使得它能夠直接用作在電子圖像傳感器上的微透鏡陣列而不必通過刻蝕技術將微透鏡形狀改移到下層中。
圖1是圖像傳感器和用于產生跨越該圖像傳感器的微透鏡的模板的側視圖，其示出了在產生微透鏡的過程中本發明的最初步驟；圖2-5示出在產生跨越該圖像傳感器的微透鏡過程中采用的本發明的額外的步驟；圖6是由圖1-5所示的方法形成的微透鏡的頂視圖；圖7是采用本發明的方法包括由可替換的模板產生的重疊部分的微透鏡的頂視圖；圖8是本發明的可替換模板的側視圖；圖9是可替換實施例的跨越圖像傳感器的微透鏡陣列的側視圖；圖10是本發明的可替換實施例的頂視圖。
具體實施例方式
如圖1-5所示，在本發明的優選實施方式中，提供了一種在電子圖像傳感器上形成微透鏡陣列的方法。該方法提供了相鄰的微透鏡能夠彼此足夠靠近地組裝(pack)以消除它們之間的任何明顯的間隙，同時允許采用優選的球形。
參照圖1，包含感光區域12、電極14和遮光罩16的半導體部分10被圖示表示為固態電子圖像傳感器的半導體部分的典型元件。對于大多數電子圖像傳感器的應用而言，希望能夠增強入射電磁輻射的特性。為了促進這種增強，通常將平面化層18應用至電子圖像傳感器的半導體部分的表面。該平面化層18可由多種材料構成，僅要求其不會對入射輻射的光譜特性起不利的作用并且能夠與在電子圖像傳感器的制造中采用的材料和方法相配合。由于其目的在于平面化，必須可獲得這樣一種技術，其中平面化層18的表面可制成與電子圖像傳感器的感光區域12的表面齊平。簡單的旋涂能夠提供足夠平坦的表面。但是，例如等離子體刻蝕和化學機械平面化等其它技術通常對改善表面的共平面性是有效的。一旦已經獲得平坦表面，還希望能夠過濾入射輻射的光譜特性。通過應用由兩個或更多個不同的光譜透射構圖的區域構成的濾色層20以便與下面的感光區域12相對準可以實現這一點。因為感光區域12僅包括總電子圖像傳感器的一部分，所以存在大量這樣的入射輻射該輻射落在不能夠捕獲它的區域上并產生電子信號。這導致電子圖像傳感器的感光度的降低，因此通常希望增加落在感光區域12上的入射輻射部分。在電子圖像傳感器的頂部上的微透鏡陣列的制造通常這么做，其中各個微透鏡元件與下面感光區域12對準。該微透鏡陣列需要平面化表面和與感光區域表面有一個適度距離以適應微透鏡的焦距。這些需求通常需要在濾色層20的頂部上應用分隔層22。由于分隔層22僅起到物理上定位微透鏡陣列的作用，其具有類似于對平面化層18的需求并且通常是同一材料。本發明包括一種用于形成微透鏡陣列的改善的方法。該方法包括采用模板30，其由多個表示微透鏡陣列的預期浮雕圖像的曲面構成。如圖所示，模板30在電子圖像傳感器10上方對準，其間具有間隙40。
參考圖2，光聚合流體成分50與分隔層22和模板30的表面相接觸以填充間隙40(圖1所示)。模板30由對光敏波長透明的材料制成。制造模板30的優選材料是石英，其對于很寬范圍的波長是透明的并且在尺寸上是穩定的。光聚合流體成分50可以具有較低的粘性以使得其能夠以一種有效的方式填充間隙。優選地，在25℃測量時，該光聚合流體成分的粘性位于大約0.01cps至大約100cps的范圍內，更優選地，在該溫度測量時在從大約0.01cps至大約1cps的范圍內。
參照圖3，然后將模板30移動靠近分隔層22以排出多余的光聚合流體成分50，以致模板30的邊緣與分隔層22相接觸。接著，光聚合流體成分50暴露于適當波長的電磁輻射以聚合該流體。
現在參照圖4，優選地，光聚合流體成分50暴露于足夠的輻射下以聚合該流體成分并且形成由60表示的固化的聚合材料。優選地，光聚合流體成分暴露于紫外光，盡管其它使流體成分聚合的方法也是可用的，例如加熱或者其它形式的輻射。
接著，如圖5所示，模板30離開分隔層22上的固化的聚合材料60。該固化的聚合材料60以預期的微透鏡形狀留下。優選地，固化的聚合材料60具有與起到用于電子圖像傳感器的微透鏡元件(形成微透鏡陣列的微透鏡元件的組合)的作用相一致的特性。這些特性包括對可見波長是透明的，該透明度在暴露于可見光或加熱時不會惡化。同樣，這些特性包括Tg足夠高以使得在任一順序操作中，例如將電子圖像傳感器安裝在合適的封裝中，優選的，微透鏡形狀得到保留。
如5中所示的微透鏡陣列具有彼此非常接近的各個微透鏡陣列元件。在該側視圖中可以看到這是一種非常有效的布置。但是，如果觀測同一微透鏡陣列的頂視圖，如圖6所示，顯然在斜對角相鄰的微透鏡陣列元件之間仍存在較大的開口空間。這種類型的微透鏡陣列在采用背景技術中所述的技術的現有技術中是可以獲得的。本發明采用上面所述的方法制造類似的微透鏡陣列。因為它有利于保留微透鏡的球形以最大化光聚焦效率，增加直徑以使得對角線相鄰的微透鏡陣列元件變得相接觸或者幾乎接觸，從而導致水平和垂直相鄰的微透鏡陣列元件的明顯重疊。圖7中示出其頂視圖。這種微透鏡陣列元件相互接近組裝的布置是不能由包括熔融光致抗蝕劑圖案的現有技術得到。這是因為在熔融過程中相鄰光致抗蝕劑部件的任何接觸都將導致這些部件流在一起，從而失去所希望的微透鏡形狀。
參照圖7、8和9，通過將各個微透鏡元件60的中心留在感光區域12上的同一位置中，并擴大它們的直徑以使得對角線相鄰的微透鏡之間的間隙基本上減小到零，獲得圖7中所示的微透鏡陣列70。
為了獲得圖7中所示的微透鏡陣列圖案，只需要的修改是改變模板30(在相鄰微透鏡之間不產生任何間隙或者在相鄰微透鏡中產生一些重疊的模板)中的微透鏡陣列元件的布置。圖8示出對圖7中所示的靠近組裝的微透鏡陣列所需的模板的側視圖。以同樣的方式進行圖1-5中所示的制備步驟，并產生圖9的側截面圖中所示的電子圖像傳感器。
參照圖10，示出本發明的可替換的實施例。在這方面，微透鏡陣列80包括由微透鏡陣列元件110的多個行90和列100，其中每個行90和列100都包括多個基本相同尺寸的微透鏡110。每個行90都優選的以一個1/2像素寬度偏離于相鄰的行90。列100優選布置為包括來自每一其它行的微透鏡110。以這種方式，布置這些微透鏡110并且確定它們的尺寸以使得在微透鏡110之間不存在或者基本上不存在這樣的一個間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡110。
調整這種尺寸和布置的組合以使得任何微透鏡110之間不存在間隙，如本領域技術人員所能確定的那樣。以這種方式，各個微透鏡110的尺寸不必是相同的，并且相應地調整該布置以使得在各個微透鏡之間不存在或者基本上不存在間隙。此外，獲得圖10中所示的微透鏡陣列圖案80的僅需要的修改是改變模板30中的微透鏡陣列元件的布置。
部件列表10 半導體部分/電子圖像傳感器12 感光區域14 電極16 遮光罩18 平面化層20 濾色器陣列22 分隔層30 模板40 間隙50 光聚合流體成分60 固化的聚合材料70 微透鏡陣列80 可替換的微透鏡陣列90 行100列110各個微透鏡
權利要求
1.一種用于產生微透鏡的方法，該方法包括步驟(a)提供具有多個感光區域的基板；(b)在該基板上提供光聚合流體成分；(c)提供一模板，該模板對于感光波長是透明的并且包括用于將入射光聚焦在該感光區域上的多個彎曲表面；(d)將該模板放置在該光聚合流體成分上，這使得流體材料擴展并且基本上填充該模板的彎曲表面；以及(e)光照射穿過該模板并且照射該光聚合流體成分上，以將光聚合流體成分硬化為跨越該基板的微透鏡。
2.根據權利要求1的方法，還包括移去所述模板的步驟，這使得在基板上保留有硬化的材料。
3.根據權利要求1的方法，還包括提供這樣的模板的步驟，該模板在相鄰微透鏡之間不產生任何間隙或者在相鄰微透鏡之間產生一些重疊。
4.根據權利要求1的方法，還包括提供石英作為用于模板的材料的步驟。
5.根據權利要求1的方法，還包括提供硬化的光聚合流體成分的步驟，其具有對可見波長的透明度，該透明度不會由于暴露于可見光或加熱而惡化。
6.根據權利要求1的方法，還包括提供具有足夠高的Tg以在任意順序封裝操作過程中保留預定微透鏡形狀的硬化的光聚合流體成分的步驟。
7.一種微透鏡陣列，其包括多個微透鏡，其中布置各個微透鏡并且設定該各個微透鏡的尺寸以使得在微透鏡之間不存在或者基本上不存在這樣的間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡。
8.根據權利要求7的微透鏡陣列，其中各個微透鏡基本上或者部分地是包括平凸的和截頂的球形形狀的球形。
9.根據權利要求7的微透鏡陣列，其中各個微透鏡以行和列的形式布置，并且在行中的各個微透鏡的尺寸被設置為使得在該行中的各個微透鏡部分重疊該行中相鄰的各個微透鏡，在列中的各個微透鏡的尺寸被設置為使得在微透鏡的該列中的各個微透鏡部分重疊該列中相鄰的各個微透鏡；以及其中微透鏡之間的對角線距離為零或基本上為零。
10.根據權利要求7的微透鏡陣列，其中該各個微透鏡布置為二維的預定圖案，并且在一行中的各個微透鏡的尺寸設置為使得在該行中的各個微透鏡之間的距離為零或者基本上為零，在該行中的各個微透鏡以一個1/2像素寬度偏離于相鄰的行中的各個像素，其中布置所述各個微透鏡并設定所述各個微透鏡的尺寸以使得在微透鏡之間不存在或者基本上不存在這樣的間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡。
11.根據權利要求9的微透鏡陣列，其中該各個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
12.根據權利要求10的微透鏡陣列，其中該各個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
13.一種圖像傳感器，其包括微透鏡陣列，其包括多個微透鏡，其中布置各個微透鏡并且設定該各個微透鏡的尺寸以使得在微透鏡之間不存在或者基本上不存在這樣的間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡。
14.根據權利要求13的圖像傳感器，其中該各個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
15.根據權利要求13的圖像傳感器，其中該各個微透鏡以行和列的形式布置，并且在行中的各個微透鏡的尺寸設置為使得在該行中的各個微透鏡部分重疊該行中相鄰的各個微透鏡，在列中的各個微透鏡的尺寸設置為使得在該微透鏡的列中的各個微透鏡部分重疊該列中相鄰的各個微透鏡；以及其中微透鏡之間的對角線距離為零或基本上為零。
16.根據權利要求13的圖像傳感器，其中該各個微透鏡布置為二維的預定圖案，并且在一行中的各個微透鏡的尺寸設置為使得在該行中的各個微透鏡之間的距離為零或者基本上為零，在該行中的各個微透鏡以一個1/2像素寬度偏離于相鄰的行中的各個像素，其中布置所述各個微透鏡并設定該各個微透鏡的尺寸以使得在微透鏡之間不存在或者基本上不存在這樣的間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡。
17.根據權利要求15的圖像傳感器，其中該各個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
18.根據權利要求16的圖像傳感器，其中該各個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
19.一種照相機，其包括圖像傳感器，該圖像傳感器包括微透鏡陣列，該微透鏡陣列包括多個微透鏡，其中布置各個微透鏡并且設定該各個微透鏡的尺寸以使得在微透鏡之間不存在或者基本上不存在這樣的間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡。
20.根據權利要求19的照相機，其中各個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
21.根據權利要求19的照相機，其中該各個微透鏡以行和列的形式布置，并且在行中的各個微透鏡的尺寸設置為使得在該行中的各個微透鏡部分重疊該行中相鄰的各個微透鏡，在列中的各個微透鏡的尺寸設置為使得在該微透鏡的列中的各個微透鏡部分重疊該列中相鄰的各個微透鏡；以及其中微透鏡之間的對角線距離為零或基本上為零。
22.根據權利要求19的照相機，其中該各個微透鏡布置為二維的預定圖案，并且在一行中的各個微透鏡的尺寸設置為使得在該行中的各個微透鏡之間的距離為零或者基本上為零，在該行中的各個微透鏡以一個1/2像素寬度偏離于相鄰的行中的各個像素，其中布置所述各個微透鏡并設定該各個微透鏡的尺寸以使得在微透鏡之間不存在或者基本上不存在這樣的間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡。
23.根據權利要求21的照相機，其中該單個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
24.根據權利要求22的照相機，其中該單個微透鏡基本上并且部分是包括平凸和截頂的球形形狀的球形。
全文摘要
一種微透鏡陣列，包括兩個或更多個微透鏡，其中布置各個微透鏡并設定它們的尺寸以使得在微透鏡之間不存在或者基本上不存在這樣的間隙入射光能夠穿過該間隙而不穿過一個微透鏡。
文檔編號G02B3/00GK101080819SQ200580043359
公開日2007年11月28日 申請日期2005年12月15日 優先權日2004年12月17日
發明者R·W·沃克 申請人:伊斯曼柯達公司