影像傳感器及其制造方法

專利名稱：影像傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種影像傳感器。
背景技術：
現今，數字影像元件已廣泛地應用在許多電子產品中，它們使用在例如 數字相機、數字錄放機、具有照相功能的手機、安全保護監視器等電子產品 中。通常， 一數字影像元件包括一影像傳感器芯片，例如一電荷耦合元件(CCD)影像傳感器芯片，或一互補金屬氧化物半導體(CMOS)影像傳感器芯 片。為能得到較好的光學特性，影像傳感器芯片通常包括一層復合式微透鏡， 這樣，入射光能更有效地集中于例如光二極管層的特定平面上，光二極管層 接收光子，且由此產生電子信號。圖1所示的是一傳統的影像傳感器的剖面圖。如圖1所示，此結構包括 一底層基底ll、 一光二極管層12、 一內連線結構13(為簡潔起見，在此僅顯 示一金屬層，但其可包括多層金屬層)、 一鈍化層14、 一彩色濾光器15、 一 間隙壁層16和一微透鏡層17。上述彩色濾光器包括多個紅色(15R)、綠色(15G) 和藍色(圖中未示出)部分，微透鏡層包括多個微透鏡171，以將入射光聚焦 于光二極管層12和基底11間的界面。為了簡化，在此省略微透鏡層17上 的層，例如鏡片、封裝和結合墊層等。傳統上，制造包括微透鏡的影像傳感器首先以一般的半導體制造步驟形 成一包括層11~16的半成基底，再在層16上涂布一光致抗蝕劑層。接下來， 依照掩模的圖案對光致抗蝕劑層進行曝光和顯影，以形成多個方型區塊172， 如圖2所示。之后，進行一回流(reflow)步驟，換言之，此半成基底上的光致 抗蝕劑層18進行超過攝氏150°C， IO分鐘的制造步驟，以使部分光致抗蝕 劑層溶化。由于光致抗蝕劑材料具有黏性，溶化之后的光致抗蝕劑層會形成 如圖1所示的微透鏡171結構，接著，使基底降溫以形成呈固體型態的微透
鏡171。上述傳統的影像傳感器具有下列缺點，微透鏡171全部形成相同的曲率 半徑，然而，光線會投射于不同位置的微透鏡，特別是中到大尺寸數字影像 裝置(具有百萬像素或更多)的影像傳感器可能有不同的入射角。更甚者，如 圖3所示，在外圍區域，垂直地投射于微透鏡中央區域的光線會以一傾斜角 入射微透鏡，從而產生垂直焦距偏移。另外，在外圍區域的光點尺寸181并 不符合要求，從而降低了影像傳感器的敏感度。美國專利第6,417,022號公開一種制造具有長焦距的微透鏡的方法，由 于金屬層的數量增加，該方法處理的是厚金屬層的總厚度，然而，在此專利 中，芯片上所有的微透鏡的曲率半徑都相同，且此專利沒有描述任何有關解 決如上述圖3所示傳統影像傳感器的缺點的方案。因此，需要提供一具有較佳感光度的影像傳感器，其中在不同位置的微 透鏡的曲率半徑依不同光學的必要條件設計。發明內容鑒于以上所述的傳統影像傳感器的缺點，本發明提供一種改進的微透 鏡，以應付傾斜入射光線或不同光線要素等光學條件。本發明提供一種影像傳感器，該影像傳感器包括至少兩個具有不同曲率 半徑的微透鏡。在一實施例中，上述至少兩個微透鏡包括一第一微透鏡，該 第一微透鏡具有較小的曲率半徑且位于影像傳感器的中央區域，及一第二微 透鏡，該第二微透鏡具有較大的曲率半徑且位于影像傳感器的外圍區域。在 另一實施例中，上述至少兩個微透鏡包括一第一微透鏡，該第一微透鏡具有 較小的曲率半徑且對應于一第一顏色，及一第二微透鏡，該第二微透鏡具有 較大的曲率半徑且對應于一第二顏色。本發明提供一種影像傳感器，該影像傳感器包括至少一微透鏡，該透鏡 沿著一平面具有非對稱結構。本發明提供一種影像傳感器的制造方法，該制造方法包括下列步驟首 先提供一半成基底，在半成基底上涂布光致抗蝕劑材料。接著，將光致抗蝕 劑材料圖形化成多個子單元，其中所述子單元包括至少一第一子單元和一第 二子單元，第一子單元和第二子單元具有不同的圖案。然后，回流光致抗蝕
劑材料，其中第一子單元和第二子單元具有不同的外形。本發明提供一種影像傳感器的制造方法，該制造方法包括下列步驟首 先提供一半成基底，在半成基底上涂布一光致抗蝕劑材料。接著，將光致抗 蝕劑材料圖形化成多個子單元，其中至少一子單元包括多個凹洞，所述凹洞 沿著一平面非對稱分布。然后，回流光致抗蝕劑材料，其中至少一子單元形 成非對稱的外形。本發明提供的影像傳感器及其制造方法不僅可以補償不同顏色的光，還 可以使傾斜入射的光線能較好地聚焦。


圖1所示為傳統的影像傳感器的剖面圖； 圖2所示為如何制作傳統的影像傳感器的微透鏡剖面圖； 圖3所示為傳統的影像傳感器的一缺點，即外圍區域因傾斜的光線而產 生失焦的問題；圖4a和圖4b所示為本發明第一較佳實施例的剖面圖； 圖4c所示為圖4b的俯視圖；圖5a 圖5d所示為本發明第二實施例，其中圖5a和圖5b分別為同一影 像傳感器依不同剖開線的剖面圖，圖5c是沿著圖5d的C-C線的剖面圖。 圖6a和圖6b所示為本發明第三較佳實施例的剖面圖； 圖6c所示為圖6b的俯視圖；圖7a 圖7c所示為傾斜的入射光經由非對稱微透鏡良好地聚焦于焦點平 面上。其中，附圖標記說明如下 11基底 12光二極管層 13內連線結構 14鈍化層 15彩色濾光器 16間隙壁層 17微透鏡層 18光致抗蝕劑層 21光致抗蝕劑層 31光致抗蝕劑層41光致抗蝕劑層 171微透鏡172方型區塊 181光點尺寸201方形或是長方形結構 211微透鏡 232凹洞302方形或是長方形結構 311微透鏡 313微透鏡 333凹洞 412微透鏡402方形或是長方形結構 432凹洞301方形或是長方形結構 303方形或是長方形結構 312微透鏡332凹洞202方形或是長方形結構 212微透鏡具體實施方式
以下將根據較佳實施例和附圖描述本發明，附圖僅用來輔助說明，其長 度和寬度并未嚴格根據比例進行繪制。圖4a和圖4b為本發明第一較佳實施例的剖面圖，圖4c為圖4b的俯視 圖，其中所述附圖的左側顯示影像傳感器結構的中央區域，而所述附圖的右 側顯示影像傳感器結構的外圍區域。請參照圖4a，影像傳感器中，位于中央 區域的微透鏡211的曲率半徑小于外圍區域的微透鏡212的曲率半徑。在本 發明的較佳實施例中，中央區域的微透鏡的曲率半徑介于2.00 2.20微米， 而外圍區域的微透鏡的曲率半徑介于2.35 2.55微米。為實現上述結構，可以在形成微透鏡時，減少形成外圍區域微透鏡212 的光致抗蝕劑材料的量，使其相對地比中央區域微透鏡211的光致抗蝕劑材 料有較少的光致抗蝕劑材料量。舉例來說，請參照圖4b和圖4c，首先提供 一半成基底，其包括層11一16;接著，在半成基底上涂布一光致抗蝕劑材料 以形成光致抗蝕劑層21;在涂布光致抗蝕劑材料之后，以不同的圖案對中央 區域和外圍區域進行曝光，之后進行顯影；在曝光和顯影之后，外圍區域的 光致抗蝕劑材料形成多個方形或是長方形結構202，所述方形或是長方形結 構202包括以陣列排列的凹洞232。如本領域技術人員所熟知的，上述步驟 可通過適當地設計曝光用的掩模來實現，而凹洞232用于減少每一方形或是 長方形結構202的光致抗蝕劑材料的量。雖然所述附圖中所示的凹洞232為 一致的方形，且相互對準，但本發明不限于此。只要凹洞232的形狀和排列 可以達到減少光致抗蝕劑材料的體積的目的，所述凹洞232可以是任意的形 狀和排列。然而，若方形或是長方形結構202要形成具有對稱結構的微透鏡 212，方形或是長方形結構202中的凹洞232較佳地以對稱方式排列。接下來，將包括顯影后的方形結構或是長方形結構201、 202的基底加 熱到超過150。C，以使方形結構或是長方形結構201、 202融化，然后，將基 底冷卻，形成如圖4a所示的微透鏡211、 212。影像傳感器由于有圖4a所示的微透鏡結構，照射至影像傳感器外圍區 域的入射光能更佳地聚焦于焦點平面上，因此影像傳感器可得到較佳的光學 特性。圖5a 圖5d所示的是本發明的第二實施例，除了在中央區域和外圍區域 分別提供不同曲率半徑的微透鏡外，也可以根據不同顏色的像素提供不同曲 率半徑的微透鏡，以補償不同波長的光。圖5a和圖5b分別為同一影像傳感 器沿不同剖開線的剖面圖，該剖面圖揭示紅色、綠色和藍色的像素，如圖5a 和圖5b所示。紅色像素上的微透鏡有最小的曲率半徑，綠色像素上的微透 鏡有次小的曲率半徑，藍色像素上的微透鏡有最大的曲率半徑。此微透鏡可 單獨設置或是與第一實施例一并設置，換句話說，可使整個影像傳感器中紅 色像素上的微透鏡具有最小的曲率半徑，或是中央區域的紅色像素微透鏡的 曲率半徑比外圍區域的紅色像素微透鏡的曲率半徑小。另外，綠色像素微透 鏡和藍色像素微透鏡也可以比照上述紅色像素微透鏡設置。在本發明的較佳 實施例中，中央區域的紅色像素微透鏡的曲率半徑約介于2.02 2.12微米， 而外圍區域的紅色像素微透鏡的曲率半徑約介于2.37~2.47微米；中央區域 的綠色像素微透鏡的曲率半徑約介于2.05 2.15微米，而外圍區域的綠色像 素微透鏡的曲率半徑約介于2.40 2.50微米；中央區域的藍色像素微透鏡的 曲率半徑約介于2.08 2.18微米，而外圍區域的藍色像素微透鏡的曲率半徑 約介于2.45 2.55微米。紅色像素微透鏡的曲率半徑較佳地比綠色像素微透 鏡的曲率半徑小0.01至0.06微米，藍色像素微透鏡的曲率半徑較佳地比綠 色像素微透鏡的曲率半徑大0.01至0.06微米。圖5a和圖5b的結構可采用以下方法形成。請參照圖5c和圖5d，其中 圖5c是沿著圖5d中的C-C線的剖面圖。首先，提供一包括層U 16的半成 基底；然后，在半成基底上涂布一光致抗蝕劑材料層以形成一光致抗蝕劑層 31;接著，對光致抗蝕劑層31進行曝光和顯影以形成分別對應于紅色、綠
色和藍色像素的多個方形或是長方形結構301、 302和303。可通過適當地設 計曝光掩模，使對應于藍色像素的方形或是長方形結構303的凹洞總面積最 大，使對應于綠色像素的方形或是長方形結構302的凹洞總面積次大，使對 應于紅色像素的方形或是長方形結構301沒有凹洞(如圖5d所示)或是凹洞總 面積最小(圖中未示出)。在所述附圖的實施例中，方形或是長方形結構302、 303分別有相同數目的凹洞332、 333，而凹洞333大于凹洞332。然而，本 發明不限于此，也可采用其它的設置，例如凹洞332、 333的尺寸相同，但 是方形或是長方形結構303的凹洞數目比方形或是長方形結構302的凹洞數 目多。在比例上，必須是方形或是長方形結構303有最大的凹洞總面積，方 形或是長方形結構302有次大的凹洞總面積，方形或是長方形結構301沒有 凹洞或是有最小的凹洞總面積。接下來，將包括顯影后的方形或是長方形結構301、 302和303的基底 加熱到超過150。C，以使方形或是長方形結構301、 302和303融化，然后， 將基底冷卻，形成如圖5a和圖5b中所示的微透鏡311、 312和313。在本發明的較佳實施例中，即使得圖5a和圖5b所示的結構合并或是不 合并第一實施例的技術，因為此結構可以補償不同波長的光線，使不同的入 射至影像傳感器的入射光部分有較佳的聚焦，所以該結構本身即可為影像傳 感器提供較佳的光學表現。圖6a 圖6c所示的是本發明的第三實施例。根據此實施例的技術，可通 過非對稱微透鏡使傾斜的光線進行對準，而此種非對稱微透鏡可以設置在可 能會接收到傾斜入射光的區域，例如外圍區域。或者，若有需要，可使全部 影像傳感器都設置有非對稱微透鏡。請參照圖6a，微透鏡412具有非對稱的輪廓，例如沿著剖開線非對稱， 每一微透鏡412左側部分的曲率半徑比右側部分的曲率半徑小，而此微透鏡 412從另一不同角度觀察可以是對稱的。此非對稱微透鏡結構使傾斜的入射 光能更佳地聚焦。請參照圖7a和圖7b, —對稱微透鏡可使垂直的入射光有 良好的對焦(光線1， 2， 3， 4, 5可聚焦于同一點)，但無法使傾斜的入射光有良 好的對焦(光線1,2， 3,4,5無法聚焦于同一點)。然而，如圖7c所示，從左側 傾斜的入射光可經由非對稱微透鏡412良好地聚焦于焦點平面上(光線1， 2， 3， 4，5可聚焦于同一點)。
以下描述形成此非對稱微透鏡的制造方法。請參照圖6b和圖6c，其中 圖6c是圖6b的俯視圖。首先，提供一包括層11 16的半成基底；然后，在半成基底上涂布一光致抗蝕劑材料層以形成一光致抗蝕劑層41;接著，對光致抗蝕劑層41進行曝光和顯影以形成多個方形或是長方形結構402。如圖 6c所示，在此實施例中，每一方形或是長方形結構包括一些陣列凹洞432， 其中每一方形或是長方形結構402右側部分的凹洞432較密集。然而，本發 明也可采用其它方法，例如，在方形或是長方形結構402的右側部分提供較 大的凹洞。在此實施例中，方形或是長方形結構402的光致抗蝕劑材料必須 有不規則的分布，方形或是長方形結構402的具有較少光致抗蝕劑材料的部 分會形成具有較大曲率半徑的透鏡。接下來，將包括顯影后的方形或是長方形結構402的基底加熱到超過 150°C，以使方形或是長方形結構402融化，然后將基底冷卻，形成如圖6a 所示的微透鏡412。本發明第三實施例的技術可單獨運用，或是與第一實施例和/或第二實施 例合并使用。如上所述，非對稱微透鏡可幫助傾斜光線有較佳的聚焦。雖然本發明已以較佳實施例公開如上，然而其并非用以限定本發明。本 領域的技術人員，在不脫離本發明的構思和范圍內，可以作一些改動與修改。 因此，本發明的保護范圍應以所附的權利要求書所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種影像傳感器，包括至少兩個有不同曲率半徑的微透鏡。
2. 如權利要求1所述的影像傳感器，其中所述至少兩個微透鏡包括 一第一微透鏡，具有較小的曲率半徑，且位于該影像傳感器的中央區域;以及一第二微透鏡，具有較大的曲率半徑，且位于該影像傳感器的外圍區域。
3. 如權利要求1所述的影像傳感器，其中所述至少兩個微透鏡包括 一第一微透鏡，具有較小的曲率半徑，且對應于一第一顏色；以及一第二微透鏡，具有較大的曲率半徑，且對應于一第二顏色。
4. 如權利要求1所述的影像傳感器，其中所述至少兩個微透鏡包括 一第一微透鏡，具有較小的曲率半徑，且對應于一紅色像素； 一第二微透鏡，具有次小的曲率半徑，且對應于一綠色像素；以及 一第三微透鏡，具有較大的曲率半徑，且對應于一藍色像素。
5. 如權利要求1所述的影像傳感器，其中所述至少兩微透鏡包括 一第一微透鏡，具有對稱結構，且位于該影像傳感器的中央區域；以及 一第二微透鏡，至少沿著一平面有非對稱結構，且位于該影像傳感器的外圍區域。
6. —種影像傳感器，包括 至少一微透鏡，其沿著一平面有非對稱結構。
7. —種影像傳感器的制造方法，包括下列步驟 提供一半成基底；在該半成基底上涂布一光致抗蝕劑材料；使該光致抗蝕劑材料圖形化成多個子單元，其中所述子單元包括至少一 第一子單元和一第二子單元，該第一子單元和該第二子單元有不同的圖案； 以及回流該光致抗蝕劑材料，使該光致抗蝕劑材料中的該第一子單元和該第 二子單元具有不同的外形。
8. 如權利要求7所述的影像傳感器的制造方法，其中該第一子單元和該 第二子單元包括多個凹洞。
9. 如權利要求7所述的影像傳感器的制造方法，其中該第一子單元的圖 案和該第二子單元的圖案有顯然不同的比例。
10. 如權利要求7所述的影像傳感器的制造方法，其中該第一子單元形 成一第一形狀，該第一形狀具有較小的曲率半徑且位于該影像傳感器的中央 區域；以及該第二子單元形成一第二形狀，該第二形狀具有較大的曲率半徑且位于 該影像傳感器的外圍區域。
11. 如權利要求7所述的影像傳感器的制造方法，其中該第一子單元形 成一第一形狀，該第一形狀具有較小的曲率半徑且對應于一第一顏色；以及該第二子單元形成一第二形狀，該第二形狀具有較大的曲率半徑且對應 于一第二顏色。
12. 如權利要求7所述的影像傳感器的制造方法，其中所述子單元包括 該第一子單元、該第二子單元和一第三子單元，其中該第一子單元形成一第 一形狀，該第一形狀具有較小的曲率半徑，且對應于一紅色像素；該第二子單元形成一第二形狀，該第二形狀具有次小的曲率半徑，且對 應于一綠色像素；以及該第三子單元形成一第三形狀，該第三形狀具有較大的曲率半徑，且對 應于一藍色像素。
13. 如權利要求7所述的影像傳感器的制造方法，其中該第一子單元形 成一對稱形狀，且該對稱形狀位于該影像傳感器的中央區域；以及該第二子單元至少沿著一平面形成一非對稱形狀，且該非對稱形狀位于 該影像傳感器的外圍區域。
全文摘要
一種影像傳感器及其制造方法，該影像傳感器包括改進的微透鏡，用來應付傾斜入射光線或是不同光線要素等光學條件。影像傳感器可以包括不同曲率半徑的至少兩個微透鏡，也可以根據不同顏色的像素提供不同曲率半徑的微透鏡，還可包括至少一非對稱的微透鏡。該影像傳感器的制造方法包括步驟提供半成基底；在該半成基底上涂布光致抗蝕劑材料；使該光致抗蝕劑材料圖形化成多個子單元，其中所述子單元包括至少第一子單元和第二子單元，該第一子單元和該第二子單元有不同的圖案；回流該光致抗蝕劑材料，使該影像傳感器中的該第一子單元和該第二子單元有不同的外形。本發明的影像傳感器不僅可以補償不同顏色的光，還可使傾斜入射的光線能較好地聚焦。
文檔編號H01L21/00GK101106145SQ200710100970
公開日2008年1月16日 申請日期2007年4月28日 優先權日2006年7月14日
發明者劉宇杰, 張筆政, 李孝文, 郭晉辰 申請人:采鈺科技股份有限公司