專利名稱:形成傾斜微透鏡的工藝方法
技術領域:
本發明涉及用于圖像捕捉或顯示系統的微透鏡結構的制造,且更具體來說,涉及用 于制造固態成像器系統的微透鏡陣列的結構和方法。
技術背景包含電荷耦合裝置(CCD)和CMOS傳感器的固態成像器通常用于光成像應用中。 固態成像器包含焦平面像素陣列。每一像素均包含用于將光能轉換為電信號的光伏裝置。 所述光伏裝置可為光電門、光電導體或具有用于累積光生電荷的摻雜區的光電二極管。微透鏡通常放置在相應陣列中,位于成像器像素上。微透鏡用于將光聚焦到例如初 始的電荷累積區上。常規的技術通過光致抗蝕劑材料形成微透鏡,所述光致抗蝕劑材料 被圖案化為分別提供在像素上方的正方形或圓形。接著在制造期間加熱經圖案化的光致 抗蝕劑材料以使微透鏡成形并固化。通過從較大的光收集區域收集光并將其聚焦在像素的較小光敏區域上,微透鏡的使 用顯著改進了成像裝置的光敏性和效率。總的光收集區域與像素的光敏區域的比率稱為 "填充因數"。微透鏡陣列的使用在成像器應用中具有增加的重要性。成像器應用正需求具有較小 尺寸和較大分辨率的成像器陣列。隨著像素尺寸減小和像素密度增加,例如像素之間的 串擾的問題變得更加明顯。而且尺寸減小的像素具有較小的電荷累積區域。像素的減小 的尺寸導致由信號處理電路讀出并處理的累積電荷較少。隨著成像器陣列和像素光敏區域的尺寸減小,越來越難以提供能夠將入射光射線聚 焦到光敏區上的微透鏡。這個問題部分是由于越來越難以構造足夠小的對于成像器裝置 工藝具有最佳的焦點特征且針對在光通過各個裝置層時引入的光學偏差進行最佳調節的 微透鏡。而且,難以校正由光敏區域上方的多個區產生的可能的失真,這導致鄰近像素 之間的串擾增加。當離軸光以鈍角照射到微透鏡時可引起串擾。離軸光通過平面化區和 濾色器,錯過了預期到達的光敏區并照射到鄰近的光敏區。通過加熱和熔化微透鏡材料進行微透鏡成形和制造也隨著微透鏡結構在尺寸上減小 而變得越來越難。先前的控制微透鏡成形和制造的方法不能提供充分的控制以確保光學 特性,例如焦點特征、微透鏡的半徑或為了針對較小微透鏡設計而提供所要的焦點作用所需的其它參數。因此,具有較小尺寸微透鏡的成像器難以實現較高的色彩保真度和信 噪比。發明內容本發明的各種示范性實施例提供多種用于調節像素陣列的微透鏡的形狀、半徑和/或 高度的結構和方法。實施例使用了在微透鏡形成期間影響體積和表面力參數的結構。示 范性實施例是針對包含楔形物的微透鏡結構,所述楔形物經形成以支撐并傾斜微透鏡而 實現所需的聚焦特性。通過對可流動材料層的加熱而產生楔形物。所述可流動材料經圖 案化以使得在材料的回流期間形成楔形物。可由可流動材料中完成的圖案化的類型來控 制給予楔形物的傾斜的度數和方向。在一個示范性實施例中, 一系列平行條帶(每個條帶連續變小)用作楔形物。當經 圖案化的可流動材料回流時,在一端的較大條帶將變為楔形物的較厚部分。另一端的較 小條帶將變為楔形物的較窄部分。每個微透鏡可被相同地圖案化。或者,配對和其它分 組可經圖案化以形成最終的楔形物配置。
從下文參看附圖提供的對示范性實施例的詳細描述中將更明白本發明的上述和其它 優點和特征,其中圖1以平面圖說明根據本發明示范性實施例的用于圖案化光致抗蝕劑材料的標線板;圖2說明在圖1的標線板已在上面圖案化的襯底上形成的光致抗蝕劑材料的橫截面圖;圖3是根據本發明示范性實施例的圖2的光致抗蝕劑條帶在顯影之后的橫截面圖; 圖4是根據本發明示范性實施例的在回流之后形成的固態抗蝕劑楔形物的橫截面圖;圖5是根據本發明示范性實施例的由楔形物支撐的微透鏡的橫截面圖;圖6是根據本發明示范性實施例的具有經顯影以形成互補圖案的抗蝕劑條帶的一對 鄰近的微透鏡支撐區域的平面圖;圖7a是由根據圖6實施例的一對鄰近的微透鏡支撐區域支撐的一對鄰近的微透鏡的 橫截面圖;圖7b是由根據圖6另一實施例的共用一個像素的一對鄰近的微透鏡支撐區域支撐的 一對鄰近的微透鏡的橫截面圖;圖8是根據本發明示范性實施例的具有經顯影以形成互補圖案的抗蝕劑條帶的四個 鄰近的微透鏡支撐區域的平面圖;圖9是使用具有根據本發明實施例構造的微透鏡的像素的成像裝置的示意圖;以及圖IO說明包含圖9的成像裝置的處理系統的示意圖。
具體實施方式
在以下具體實施方式
中,參考附圖,所述附圖形成本發明的一部分并以說明的方式 展示其中可實施本發明的特定實施例。以充分的細節描述這些實施例,以使所屬領域的技術人員能夠實施本發明,且應了解,在不脫離本發明精神與范圍的情況下,可利用其 它實施例并做出結構、邏輯和電氣改變。所描述的處理步驟的進程是本發明實施例的示 范,然而步驟的順序不限于本文陳述的順序且可如此項技術中已知進行改變,除非必須 以某種次序進行的步驟。本文使用的術語"像素"是指光電元件單位單元,其含有光電傳感器裝置和相關聯 的結構以用于將光子轉換為電信號。術語"流"、"流動"或"回流"是指經加熱并熔化 的材料的形狀上的改變,進而產生材料流或由加熱或其它類似過程引起的材料的形狀改 變。"流"是初始熔化且"回流"是先前流動的材料的后續熔化。另外,盡管參考例如CMOS成像器的基于半導體的成像器描述本發明,但應了解, 本發明可應用于需要高質量微透鏡以獲得優化性能的任何微電子或微光學裝置。可采用 本發明的額外的示范性微光學裝置包含其它固態成像裝置,例如CCD和其它,以及其中 像素發光的顯示裝置。現參看圖式,其中相同元件由相同參考標號指示,圖1說明根據本發明示范性實施 例的用于圖案化可流動材料(例如,光致抗蝕劑材料)的標線板IO。所述標線板可由例 如鉻材料形成。標線板上的條紋11的大小發生變化。在所示的示例中,標線板條紋11 展示為從左到右在大小上減小,使得條紋寬度在垂直于條紋縱軸的方向上減小。標線板 在條紋11之間具有寬度在約0.3微米到約0.5微米的開口 12。標線板10放置在襯底5 上,,襯底5的光致抗蝕劑材料層20位于像素的光敏區6上,如圖2所示。光致抗蝕劑 材料是光敏透明材料20。舉例來說,其可為與用于形成微透鏡的材料相同的材料。在另 一實施例中,所述材料可經選擇以控制極化的相位。參看圖3,在光致抗蝕劑材料20的顯影之后,光致抗蝕劑條帶31、 32、 33、 34、 35、 36、 37的形成保留在襯底5上。光致抗蝕劑條帶31、 32、 ...37具有數十分之一微米級的 寬度W,、 W2、 ...W7。寬度W卜W2、…W7在垂直于條帶縱軸的方向上減小。參看圖4,光致抗蝕劑條帶31、 32、 ...37經受回流條件以產生楔形物15。比較圖3 與圖4可見,光致抗蝕劑條帶31-37 —起流動以產生楔形物15。楔形物15的左側較厚, 該處光致抗蝕劑條帶31、 32、 33較寬。楔形物15的右側較薄,該處光致抗蝕劑條帶35、 36、 37較窄。換句話說,楔形物15在具有最厚光致抗蝕劑條帶31的側上具有第一厚度 Di,且在具有最薄光致抗蝕劑條帶37的側上具有第二厚度D2,其中D,大于D2。因此, 楔形物15具有成角度"《"的傾斜上表面,該角度由楔形物15的上表面14的凸塊的切 線與襯底5的水平表面4描述。角度a可設計為任何所需的角度,但在示范性實施例中 通常小于約10度。如圖4所示,楔形物15可能不具有完全平滑的上表面14。楔形物可通過例如光刻 的平滑工藝經平滑化而具有平坦表面。楔形物經平滑化的程度可取決于所選擇的光刻工 具分辨率程度以及可流動楔形物材料的流動特性。以下論述僅出于示范性目的而描述不 具有平滑表面的楔形物,然而應注意,所述楔形物也可具有平滑表面。參看圖5,楔形物15為形成在楔形物15上并由楔形物15支撐的傾斜微透鏡25提 供支撐表面。由于楔形物15的傾斜,微透鏡25傾斜,使得其定向允許其焦點移動到目 標位置,例如光敏元件6。這允許微透鏡與光敏元件6偏心地放置。微透鏡可位于光敏 元件正上方但不位于其中心,或者微透鏡可鄰近于光敏元件,然而,楔形物的傾斜角度允許微透鏡將入射光引導到光敏元件。在根據此實施例形成的微透鏡陣列中,全部微透 鏡可具有擁有相同傾斜角度以使得楔形物在相同方向上傾斜的楔形物。如下文更詳細地描述,通過使用光致抗蝕劑25形成具有不同寬度的圖案結構并使所 述圖案化結構流動以形成楔形物來支撐并傾斜微透鏡,而控制微透鏡陣列的焦點特征。 用于圖案化所述結構的標線板具有一系列平行條帶,每一條帶連續小于前一條帶,使得 由較小條帶形成的結構形成楔形物的較薄側。例如烘焙和封裝的后續處理根據標準的業 界慣例來進行。在另一實施例中,可提供兩個傾斜微透鏡作為雙向共用像素布局的一部分。通過提 供兩個傾斜的微透鏡,可以所需方式移動所述兩個微透鏡中每一者的焦點。換句話說, 并不是使一個微透鏡位于一個像素上方的中心,可能有一個以上微透鏡位于單一像素上 方或鄰近于單一像素,每一微透鏡可將入射光聚焦到所述像素。因此,兩個微透鏡可形 成于僅一個光敏元件上。或者,可將兩個目標裝置放置地更靠近在一起,從而允許在微 透鏡下方別處有更多的用于邏輯電路的像素區域。參看圖6,兩個標線板50、 60經定向 以使得較寬的標線板條紋38、 39彼此鄰近。所得的楔形物的較厚部分彼此鄰近,使得兩個楔形物55、 65均將支撐傾斜遠離其鄰 近側的微透鏡,如圖7a和7b中所示。參看圖7a,兩個傾斜微透鏡75、 85用于移動其焦 點,使得兩個目標光敏裝置56、 66可在襯底上放置地更靠近在一起。參看圖7b,兩個 傾斜的微透鏡用于將焦點移動到共用光敏元件156。在圖7b說明的實例中,楔形物165 具有大于楔形物155的角度oc的角度(3。由于微透鏡185不位于光敏元件156正上方,因 此其必須傾斜更多(角度卩必須大于角度《),以便將入射光引導到光敏元件156。有利的是,通過控制相對于成像器光敏元件的傾斜程度,允許在光敏元件設計中有 更多自由,且可將傾斜的微透鏡的焦點移動到像素內放置光敏元件的地方。參看圖8,其展示另一實施例,其中四個標線板90、 100、 110、 120經對角定向以使 得較寬的標線板條紋91、 92、 93、 94比其它標線板條紋更靠近四個標線板90、 100、 110、 120的中心。在此實施例中,由標線板90、 100、 110、 120形成的楔形物將產生作為四向 共用像素布局的一部分而提供的四個傾斜的微透鏡。通過提供四個傾斜的微透鏡,可以 所需方式移動四個微透鏡中每一者的焦點。因此,四個微透鏡可形成在單一共用光敏元 件上。所得的支撐每一微透鏡的楔形物將具有不同角度,所述角度分別經選擇以將入射 光從其各自位置引導到共用光敏元件。或者,四個微透鏡每一者可形成于一個光敏元件 上,但四個目標裝置(例如,光敏裝置)可放置地更靠近在一起,從而在需要時允許更 多的用于邏輯電路的像素區域。傾斜微透鏡的定向,例如尺寸、形狀、焦距和其它焦點特征由一個或一個以上微透 鏡和成像器設計參數決定,所述參數包含(1)楔形物下方微透鏡聚光處的光電傳感器 的距離、寬度或大小;(2)加熱期間用于形成微透鏡的微透鏡材料的粘度;(3)楔形物 的尺寸和材料;(4)加熱期間由影響微透鏡材料流動行為的微透鏡結構導致的微透鏡材 料的流動行為的改變;(5)對楔形物或微透鏡材料的預加熱或預流動處理的效應;(6) 在微透鏡材料的加熱完成之后微透鏡結構的近似定向;以及(7)楔形物材料的可能改變 微透鏡材料的流動特性的效應。圖9說明可利用具有根據本發明構造的傾斜微透鏡的像素的示范性成像裝置200。 成像裝置200具有成像器像素陣列201,其包括具有如上所述構造的微透鏡的像素。由 行驅動器202響應于行地址解碼器203而選擇性啟動行線。列驅動器204和列地址解碼 器205也包含在成像裝置200中。成像裝置200由控制地址解碼器203、 205的定時和控 制電路206操作。控制電路206還控制行驅動器電路202和列驅動電路204 。與列驅動器204相關聯的取樣與保持電路207讀取針對選定像素的像素重設信號Vrst和像素圖像信號Vsig。差分放大器208針對每個像素產生差分信號(Vrst-Vsig),并 且模擬到數字轉換器209 (ADC)將所述信號數字化。模擬到數字轉換器209將數字化 的像素信號供應到形成并輸出數字圖像的圖像處理器210。圖10展示系統900,其為經修改以包含本發明成像裝置200 (圖9)的典型處理器 系統。基于處理器的系統900是具有可包含圖像傳感器裝置的數字電路的系統的示范。 不欲加以限制,此系統可包含計算機系統、靜態或視頻相機系統、掃描儀、機器視覺、 車輛導航、視頻電話、監視系統、自動對焦系統、星體跟蹤系統、運動檢測系統、圖像 穩定化系統以及數據壓縮系統。例如相機系統的基于處理器的系統900通常包括經由總線993與輸入/輸出(I/O)裝 置991通信的中央處理單元(CPU) 995,例如微處理器。成像裝置傳感器200也經由總 線993與CPU 995通信。基于處理器的系統900還包含隨機存取存儲器(RAM) 992, 且可包含例如快閃存儲器的可移除存儲器994,其也經由總線993與CPU 995通信。圖 像傳感器800可與具有或不具有存儲器存儲裝置的處理器(例如,CPU、數字信號處理 器或微處理器)組合在單一集成電路上或集成在與處理器不同的芯片上。盡管以上論述描述了由使用標線板直接圖案化的條帶形成的楔形物,但應注意,所 述條帶及其形成并不限于此實施例。其它材料和方法可用于形成經流動以形成楔形物的所述系列的條帶。舉例來說,條帶可由微透鏡形成材料形成,且可使用蝕刻工藝或光刻 形成。由于本發明,所屬領域的技術人員將明白本發明的方法的各種應用。盡管上文已描 述特定優點和實施例,但所屬領域的技術人員將認識到,在不脫離本發明精神或范圍的 情況下可做出替代、添加、刪除、修改和/或其它改變。因此,本發明并非由上述描述限 制,而是僅由所附權利要求書的范圍限制。
權利要求
1.一種微透鏡結構,其包括由襯底支撐的固態材料層,所述層的上表面相對于所述襯底的上表面傾斜;以及由所述層支撐的微透鏡。
2. 根據權利要求1所述的微透鏡結構
3. 根據權利要求1所述的微透鏡結構
4. 根據權利要求1所述的微透鏡結構
5. 根據權利要求1所述的微透鏡結構 方。
6. 根據權利要求2所述的微透鏡結構 斜角度小于約10度。
7. 根據權利要求1所述的微透鏡結構
8. 根據權利要求1所述的微透鏡結構
9. 根據權利要求1所述的微透鏡結構
10. —種微透鏡陣列,其包括提供在襯底上的多個微透鏡;以及多個固態材料楔形物,每個楔形物定位在所述襯底與各自微透鏡之間并支撐所述 各自微透鏡。
11. 根據權利要求10所述的微透鏡陣列,其中所述楔形物的微透鏡支撐表面相對于所 述襯底的表面傾斜小于約10度。
12. 根據權利要求IO所述的微透鏡陣列,其中所述楔形物包括光致抗蝕劑材料。
13. 根據權利要求IO所述的微透鏡陣列,其中所述楔形物包括微透鏡材料。
14. 根據權利要求IO所述的微透鏡陣列,其中所述楔形物包括流動材料。
15. 根據權利要求10所述的微透鏡陣列,其中在所述楔形物的所述支撐表面上存在凸 塊。
16. 根據權利要求IO所述的微透鏡陣列,其中所述楔形物的所述支撐表面是平滑的。
17. 根據權利要求10所述的微透鏡陣列,其中所述多個微透鏡中的至少兩者定位在共 用光敏裝置上方,以用于將入射光引導到所述共用光敏裝置。
18. 根據權利要求10所述的微透鏡陣列,其中所述多個微透鏡中的每一者定位在各自 多個光敏裝置上方,以用于將入射光引導到每個各自光敏裝置。,其中所述微透鏡是傾斜的。 ,其中所述固態材料層包括光致抗蝕劑材料。 ,其中所述固態材料層包括形成微透鏡的材料。 ,其中所述微透鏡被支撐在所述固態材料層正上,其中所述層的所述上表面與所述襯底之間的傾,其中所述固態材料層是流動材料。,其中所述固態材料層的所述上表面具有凸塊。,其中所述固態材料層的所述上表面是平滑的。
19. 一種成像器結構,其包括形成在襯底中的多個像素; 形成在所述多個像素上方的平面層;形成在所述平面層上的多個楔形物結構,每個楔形物結構經定位以將入射光傳遞 到所述多個像素中的至少一者;以及多個微透鏡,每個微透鏡分別由所述多個楔形物結構中的至少一者支撐。
20. 根據權利要求19所述的成像器結構,其中每個楔形物結構分別定位在所述多個像 素中的一者上方,以將入射光引導到所述各自像素。
21. 根據權利要求19所述的成像器結構 引導到所述多個像素中的一者。
22. 根據權利要求19所述的成像器結構 物結構在相同的方向上傾斜。
23. 根據權利要求19所述的成像器結構,
24. 根據權利要求19所述的成像器結構 平滑的上表面。
25. 根據權利要求19所述的成像器結構 不平的上表面。
26. 根據權利要求19所述的成像器結構,
27. 根據權利要求19所述的成像器結構 至少 一 組四個楔形物結構的中心。
28. —種圖像處理系統,其包括.-處理器;成像器結構,其包括形成在襯底中的多個像素; 形成在所述多個像素上方的平面層;形成在所述平面層上的多個楔形物結構,每個楔形物結構經定位以將入射光傳 遞到所述多個像素中的至少一者;以及多個微透鏡,每個微透鏡分別由所述多個楔形物結構中的至少 一 者支撐。
29. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中每個楔形物結構分別定位在所述多個 像素中的一者上方,以將入射光引導到所述各自像素。,其中至少兩個楔形物結構經定位以將入射光,其中所述多個楔形物結構中的每個各自楔形其中所述多個楔形物結構包括可流動材料。 ,其中所述多個楔形物結構中的至少一者具有,其中所述多個楔形物結構中的至少一者具有其中至少一對楔形物結構彼此傾斜遠離。 ,其中至少一組四個楔形物結構傾斜遠離所述
30. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中至少兩個楔形物結構經定位以將入射 光引導到所述多個像素中的一者。
31. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中所述多個楔形物結構中的每個各自楔 形物結構在相同的方向上傾斜。
32. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中所述多個楔形物結構包括可流動材料。
33. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中所述多個楔形物結構中的至少一者具 有平滑的上表面。
34. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中所述多個楔形物結構中的至少一者具 有不平的上表面。
35. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中所述多個楔形物結構中的每個各自楔 形物結構在相同的方向上傾斜。
36. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中至少一對楔形物結構彼此傾斜遠離。
37. 根據權利要求28所述的圖像處理系統,其中至少一組四個楔形物結構傾斜遠離所 述至少一組四個楔形物結構的中心。
38. —種制造微透鏡的方法,其包括在襯底上形成可流動材料層;圖案化所述可流動材料以形成各自具有一寬度的多個可流動材料條帶,其中所述 條帶寬度在垂直于所述條帶的縱軸的方向上減小;以及 使所述經圖案化的可流動材料流動以形成楔形物。
39. 根據權利要求38所述的方法,其中所述使所述經圖案化的可流動材料流動以形成 楔形物的步驟進一步包括形成具有凸起上表面的楔形物。
40. 根據權利要求39所述的方法,其進一步包括以下步驟將所述凸起上表面平滑化 以形成具有平滑上表面的楔形物。
41. 根據權利要求39所述的方法,其中所述圖案化所述可流動材料的步驟進一步包括 將所述多個可流動材料條帶定位成鄰近于共同像素上方的至少其它多個可流動材 料條帶。
42. 根據權利要求39所述的方法,其中所述圖案化所述可流動材料的步驟進一步包括 將所述多個可流動材料條帶定位在各自像素上方。
43. 根據權利要求39所述的方法,其中所述圖案化所述可流動材料的步驟進一步包括 將所述多個可流動材料條帶定位成鄰近于各自像素。
44. 一種制造微透鏡陣列的方法,其包括在襯底上形成光致抗蝕劑材料層;使所述光致抗蝕劑材料流動以形成多個楔形物;以及 在每個楔形物上形成微透鏡。
45. 根據權利要求44所述的方法,其進一步包括圖案化所述光致抗蝕劑材料以產生多 個一系列逐漸變小的光致抗蝕劑材料條帶。
46. —種制造陣列制造結構的方法,其包括在襯底上形成多個逐漸變小的光致抗蝕劑材料條帶;以及 使所述多個光致抗蝕劑材料條帶流動。
全文摘要
本發明揭示一種微透鏡結構,其包含經形成以支撐并使微透鏡(75、85)傾斜的楔形物(55、65)。所述楔形物(55、65)通過對經圖案化的可流動材料層進行加熱而產生。可部分地通過所執行的圖案化的類型來控制給予楔形物的傾斜度數和方向。
文檔編號H01L27/14GK101253421SQ200680031415
公開日2008年8月27日 申請日期2006年6月19日 優先權日2005年6月28日
發明者烏爾里希·C·伯蒂格, 勁 李 申請人:美光科技公司