光過濾圖像傳感器的制作方法

專利名稱：光過濾圖像傳感器的制作方法
技術領域：
無
背景技術：
數字照相機和其他攝像設備通常具有用于捕獲和存儲圖像的感光裝置。例如，在一個通用設計中，一個通常設置在電荷耦合設備(CCD)中或在互補型金屬氧化物半導體(CMOS)微晶片上的光電二極管陣列用于捕獲和存儲圖像。每個光電二極管和與其相關電路(其組合通常被稱為主動式像素傳感器(APS)，或更簡單地稱為像素)將光電二極管所檢測到的光強度轉換成可被數字化以用于存儲、復制和處理的電壓信號。CMOS和CCD晶片都是通過相似機制來感光，即，通過利用當光子與結晶硅相互作用促進電子從價帶進入導帶時發生的光電效應而感光。因而，所捕獲圖像的質量反映出光的程度和光到達光傳感器(即，光電二極管)的方式。也就是說，諸如入射角、光束處理和光束過濾的參數對于控制而言是重要的，以確保捕獲精確反映真實和正確的被捕獲圖像的高質量圖像。
一個影響所捕獲圖像質量的所述參數為到達光傳感器的紅外線的量。眾所周知，可見光(對于人眼而言)具有400到700nm范圍內的波長。恰好超出此可見光范圍的是由波長在700到2500nm范圍內的光所界定的紅外線范圍。此紅外線范圍的一個子集是數字成像業界更關注的近可見光紅外線(NIR)范圍。所述NIR范圍由波長在700到1200nm范圍的光所界定。具體地說，在CMOS陣列中，過多的NIR光導致所捕獲圖像顯得模糊。也就是說，色彩間的對比度沒有現實生活中顯得那么鮮明。因而，當用CMOS設備或任何其他利用光傳感器將入射光強度轉換成電壓信號的設備來捕獲圖像時，從可見光中過濾出NIR光是很重要的。
在過去，干涉或吸收IR濾光器已被設計并用于圖像捕獲設備中以在大量的不同應用中從可見光中過濾出紅外線。通常，干涉IR濾光器在IR光到達光捕獲設備之前將其反射，而吸收IR濾光器在IR光到達光捕獲設備之前將其吸收。IR濾光器設計成使波長在700納米之下的可見光穿過，同時阻礙(blocking)擴大到近紅外線區(700到1200+納米)的更長波長的紅外線。如此的IR濾光器經常被用以保護通常并入到數字成像設備中的紅外線敏感CMOS陣列避免紅外線波長。因而，當將紅外線濾光器在光徑中使用時(即，設置濾光器以使入射光必須穿過濾光器才能到達光傳感器)，紅外線在捕獲圖像時的負面影響被削弱。
舉例而言，圖1為通常用于常規圖像捕獲設備中的常規CMOS陣列100的剖視圖。CMOS陣列100包括在入射光190與每個像素101、102及103之間的光徑中的IR濾光器135。常規CMOS陣列100包括復數個設置為列和行的像素101、102和103。為清晰起見，并未展示出列和行，然而，在相同行中的部分相鄰像素102和103在圖1中展示為像素101的左邊和右邊。
每個像素101包括嵌入硅基板104的光電二極管105且每個光電二極管105與相鄰金屬層110中所含有的電子電路(清晰起見，未圖示)相關聯。光電二極管105和其在金屬層110中的相關聯電子電路共同形成一個收集井107，借此入射光190可被引導朝向光電二極管105。為了將入射光子(來自入射光190)聚集到收集井107中，用一個已知為顯微透鏡120或雙凸透鏡的微型、正片彎月透鏡蓋住收集井107。
一種特別類型的像素101為標準的三晶體管像素，其為此項技術中眾所周知的而將不在在本文中作詳細論述。當寬波長波段的可見光190入射到像素101上時，不定量的電子與入射到光電二極管表面上的光子通量密度成比例地從半導體104被釋放出。實際上，所產生電子的數量是撞擊半導體104的光的波長和強度的函數。電子被收集到一個勢阱(未圖示)中直到集中期完成(由相關聯電路來確定)，并且接著將所收集的電子轉換成電壓信號。然后，所述電壓信號可穿過模擬數字轉換器(未在圖1中展示)，所述模擬數字轉換器逐像素地形成由CMOS陣列100所捕獲圖像的數字電子表示。
形成CMOS陣列100的像素101的列和行全體被一個蓋玻片130或蓋板覆蓋，以形成一個殼狀(shellcase)封裝。所述蓋玻片130牢固地固定在像素101陣列上的部分金屬層110上，致使每個像素101的顯微透鏡120上形成一個空腔121。在常規CMOS陣列100中，所述空腔121僅被空氣填充或可為真空。所述殼狀封裝通常被制成一個部件，而接著在獨立制作階段中完成任何修改，諸如添加吸收濾光器135。從圖1的常規CMOS陣列100中可看出IR濾光器135被放置在蓋玻片130頂上。IR濾光器135設計為過濾出或吸收波長在紅外線范圍內(即，大于約700nm)的光。因而，入射光190中的任何NIR光在到達下面像素101之前都將被濾出。
常規IR濾光器135通常由染色玻璃制成，且包含在數字圖象捕獲設備中用于衰減紅外線的最廣泛使用類型的濾光器。特定波長的吸收，即，濾光器的光譜性能是常規IR濾光器135的物理厚度和濾光器玻璃中存在染料量的函數。常規IR濾光器135主要由有色濾光玻璃制成，并且代表在不要求精確界定所傳送波長的應用中種類最多和使用最廣泛類型的濾光器。這些常規濾光器通常可以玻璃、涂塑玻璃、醋酸鹽的形式而獲得。玻璃濾光器中使用的材料為產生適度的急劇吸收過渡的稀土過渡元素、膠態染料(諸如硒化物)和其他具有高消光系數的分子。
諸如吸收濾光器135的常規吸收濾光器是昂貴而笨重的，且其增加整體光徑深度并且使殼狀封裝顯得笨重。一個典型的吸收濾光器135是10微米厚，其增加了包括有CMOS陣列100的殼狀封裝頂上的額外深度。另外，在數字圖像捕獲設備中包含一個典型吸收濾光器135需要將所述吸收濾光器固定到玻璃板130頂上的一個額外的步驟。因為在制作CMOS陣列100期間所述制造步驟通常并不是在清潔室中執行的，所以微粒和/或粉塵通常可能會嵌入蓋玻片130與吸收濾光器135之間。這些粉塵和微粒可能極大的影響在圖像捕獲設備中的CMOS陣列100的性能。因此，所述制造復雜性和組裝過程增加了生產一個適合用于數字圖像捕獲設備中的CMOS陣列100所需的成本和時間。

發明內容
本發明的一個實施例是針對一種用于將光引導到光傳感器和從引導光中濾出紅外線組份的裝置。所述裝置包括一個安置在一個基板上的光傳感器陣列，其中光傳感器可操作地將光強度轉換成電壓信號。所述裝置進一步包括一個安置在這些光傳感器上的蓋板，以使所述蓋板在光傳感器陣列上方創建一個空腔。所述蓋板可操作地使光線穿過。也就是說，所述蓋板并不含有可過濾出任何入射光的一部分的薄膜覆蓋玻璃濾光器。所述裝置進一步包括安置在蓋板與光傳感器之間且處于所述光傳感器與所述蓋板之間形成的空腔中的過濾材料。所述過濾材料可操作地過濾一部分穿過蓋板的光。具體而言，在一個實施例中，波長在紅外線范圍(700-2500nm)內的光可被過濾出，致使僅有波長小于約700nm的光能穿過蓋板和過濾材料而激活下面光傳感器的電子。
具有在蓋板的下方在所述空腔中形成的一個集成IR濾光器是有利的，原因在于與具有一個耦接到蓋板頂部的濾光板的裝置相比，此裝置的整體深度減小。另外，因為集成過濾材料被注入或者與所述裝置的其余部分相呼應而制成，所以微粒或粉塵嵌入到裝置中致使光學性能退化的可能性更小。因此，由于這個制造過程通常是在清潔室中執行的且所述裝置是整裝的，即，單一的殼狀封裝，所以顯著降低微粒或粉塵嵌入處于光徑中的裝置中的機會。
此外，過濾材料比過濾器蓋板或過濾器薄膜便宜，并且所述過濾材料并不易遭受因劃痕和/或磨損造成的退化，而這卻往往出現在典型常規圖像捕獲裝置上的常規過濾器蓋。


通過參考下列詳細描述并結合隨圖，將更容易了解且能更好的理解本發明的上述方面和附帶優點，其中圖1為處于入射光和各像素之間的光徑中具有一個吸收濾光器的常規CMOS陣列的剖視圖；圖2為具有安置在殼狀封裝中空腔內部的吸收過濾材料的CMOS陣列的剖視圖，其中所述殼狀封裝是處于入射光和各像素之間的光徑中；和圖3為包括安置在其中的圖2CMOS陣列的系統方框圖。
具體實施例方式
作出以下論述以使所屬領域技術人員能制作和使用本發明。本文所描述的普遍原理可應用于除了上文所詳細描述的實施例和應用之外的不脫離本發明精神和范疇的實施例和應用中。本發明不欲被限定在所展示的實施例中，而是符合與本文所揭示或提出的原則和特征相一致的最廣泛的范疇。
圖2為處于在蓋玻片230與每個光電二極管205之間的光徑中具有過濾材料235的CMOS陣列200的剖視圖。如同常規CMOS陣列(諸如圖1中描繪的CMOS陣列100)，CMOS陣列200包括安置在硅基板204上，設置成列和行的復數個像素201、202和203(為清楚起見并未展示出所有的像素)。每個像素，諸如像素201，包括一個相關聯的光電二極管205、相鄰金屬層210中含有的電子電路(為清楚起見，也未展示出)和一個如先前所描述的顯微透鏡220。像素201的列和行再次形成所述CMOS陣列200，且全體被蓋玻片230覆蓋。經覆蓋的CMOS陣列200被稱作殼狀封裝。
蓋玻片230牢固地固定在像素201陣列的頂部，以便在像素陣列上方形成一個空腔221。在該實施例中，所述空腔221橫跨像素201的整個陣列以使蓋玻片230耦接到在諸如像素CMOS陣列200的最外側邊緣處(未圖示)的有限數量地方中的具有在基板上金屬層的觸點。在另一個實施例中，形成個別的空腔按一對一的原理(未圖示)對應于相關聯像素201。不管哪個實施例或蓋玻片230如何耦接到金屬層210，空腔221總會以某種方式形成在每個像素201與蓋玻片230之間。
在此實施例中，所形成的空腔221中填充有過濾材料。所述過濾材料可以是填充有吸收性染料的聚合物(諸如，類凝膠物質)。制造吸收性染料以使精細微粒與入射光290相互作用，并且其吸收(即，過濾)來自穿過蓋玻片230和空腔221到達光電二極管205的光290中的紅外線。在一個實施例中，聚合物中的吸收性染料被定制以使波長大于650nm的光大體上被過濾出，而剩余的波長小于650nm的光大體上未被過濾且能夠穿過到光電二極管205。
用于制造所述聚合物的過濾材料的質量是光學級且提供整個空腔221容積的密度和顏色的一致性。所述過濾材料通過吸收來對光進行過濾，因而所述過濾材料的光譜性能根據過濾材料的厚度和光學密度而定。厚度增加將相應地增加對于不合意波長的阻礙水平，但是也會減小帶內傳輸的峰值而導致吸收帶端處的下降。
使用聚合物過濾材料是成本有效的(與諸如圖1中吸收性濾光器135的獨立制作的玻璃或塑料濾光器相比)，并且就過濾紅外線而言是光學上令人滿意的。盡管通常需要輕度處理，但聚合物過濾材料是市售可購得的，這使所述過濾材料適合廣泛應用。
在蓋玻片230與光電二極管205之間的空腔中使用聚合物過濾材料具有許多優點。這些優點包括相對低的成本和在各種氣候和操作條件下的穩定性。此外，可通過將光吸收性化學物質與過濾材料充分混合來構造聚合物過濾材料，并非如上文所描述的關于圖1中薄膜或玻璃濾光器那樣被沉積到濾光板的表面上。因而，聚合物過濾材料并非傾向于被較小的劃痕或磨損所破壞。此外，聚合物過濾材料對于入射光290的角度不敏感，且實際上在任何入射角都提供一致的光譜特征。
此外，典型的制造步驟包括將聚合物過濾材料注入空腔中，而整個殼狀封裝在清潔室中制作而成。因而，微粒和/或粉塵嵌入所述殼狀封裝內部或嵌入于蓋板和常規濾光板之間(先前技術中即是這樣)的機率顯著下降。
另外，由于濾光器不再被嵌入殼狀封裝外部的平板或薄膜中，所以整體殼狀封裝深度減小。殼狀封裝深度的減小是有利的，原因在于殼狀封裝具有較低的外形，從而能夠裝配到較淺薄的數字圖像捕獲設備中。
圖3展示一個包括安置在其中的圖2CMOS的系統300的方框圖。所述系統300可以是一個數字照相機、數字照相手機或其他利用數字圖像捕獲裝置的電子設備。這樣的一個裝置可為任何尺寸和任何數量的像素，每個含有各自的光電二極管。
CMOS陣列200能夠將除了收集光子的基本任務之外的大量處理和控制功能直接集成到單個殼狀封裝上。這些特征通常包括定時邏輯、曝光控制、模擬數字轉換、快門、白平衡、增益調節和最初圖像處理算法。為執行所有的這些功能，CMOS集成電路結構更密切地類似于隨機存儲器單元的結構，而不是一個簡單的光電二極管陣列。一個常見的CMOS陣列200圍繞主動式像素傳感器(APS)技術構造而成，其中光電二極管205和讀出放大器(未圖示，盡管其處于金屬層210內部)兩者都并入到每個像素201中。這就使得由光電二極管205所積累的電荷在像素201內部即可被轉換成經放大的電壓信號，并且然后以連續的行和列被傳輸到晶片的模擬信號處理部分。
因而，每個像素201含有除了一個光電二極管205之外的一個晶體管三元組，其將所積累的電子電荷轉換成可測量的電壓，重新設置光電二極管且將所述電壓傳輸到垂直列總線。所得的陣列是一個含有光電二極管205的金屬性讀出總線和在各交叉點處(即各像素201)相關聯的信號制備電路的有條理的棋盤。所述總線將定時信號施加到光電二極管205且將讀出信息返回到在CMOS陣列200之外封裝(housed)的模擬解碼和處理電路。這個設計使來自陣列中每個像素201的信號以簡單的x、y定址技術被讀取。
光電二極管205是數字圖像傳感器的一個關鍵性元件。通過將組合耦合入射光子到電子的轉換效率和由光電二極管205所積累的最大量電荷以及所述設備將電荷積累在一個所限定的區域中而沒有泄漏或溢出的能力可判定敏感性。這些因素通常由光電二極管205的物理尺寸和孔徑及其在CMOS陣列200中與相鄰元件的空間和電子的關系來確定。另一個因素是電荷電壓轉換率，其決定集成的電子電荷轉變成可被測量和處理的電壓信號的效率。
光電二極管通常被組織在一個正交網格中，所述正交網格可為從128×128像素(16K像素)到更常見的1280×1024(大于1百萬像素)范圍內的尺寸。幾種最新CMOS陣列200，諸如那些為高清晰度電視(HDTV)設計的CMOS陣列，含有組織成大于2000平方像素大陣列的幾百萬像素。來自組成陣列的各行和各列的所有像素201的信號必須精確地被檢測和測量(讀出)，從而從光電二極管電荷積累數據中組合成一個圖像。
圖3的系統包括一個耦接到總線320的中央處理單元(CPU)315。同樣耦接到總線320的是一個存儲器325，其用于存儲CMOS陣列200所捕獲的數字圖像。CPU315通過總線325促進圖像被控制CMOS陣列200捕獲，且一旦圖像被捕獲，就將圖像以數字模式存儲在存儲器325中。
CMOS陣列200包括幾個用于促進圖像捕獲和數字化的組件，如上文關于圖2所描述，且這是在此圖像捕獲電子學技術領域中眾所周知的。CMOS陣列200中的每個像素201通過接線351耦接到行控制電路350且通過接線361耦接到列控制電路360，以促進控制信號捕獲圖像。此外，CMOS陣列200中的每個像素201耦接到Vdd311和GROUND312(個別的接線未展示)。
在典型的圖像捕獲程序期間，每個像素201的電壓信號由列控制電路360讀取且發送到多路復用器370。所述多路復用器370將每個電壓信號組合成一個代表每個像素201的每個光電二極管205上所捕獲的電壓信號的單個多路傳輸信號。在放大階段380之后，此信號在與總線320通信之前，通過模擬數字轉換器390被轉換成數字信號。然后，CPU315促使將多路傳輸數字信號存儲在存儲器325中。
通過并入可實現下述任務的過濾材料，圖3中的系統300可被包含在較淺薄的環境和/或外殼中，即實現從可到達CMOS陣列200的任何入射光中過濾出紅外線的任務。
權利要求
1.一種裝置，其包含一個安置在一個基板上的光傳感器，所述光傳感器可操作地將光強度轉換成一電壓信號；一個安置在所述光傳感器上的蓋板，所述蓋板可操作地使光穿過；和安置在所述蓋板與所述光傳感器之間的過濾材料，所述過濾材料可操作地過濾穿過所述蓋板的光的一部分。
2.如權利要求1所述的裝置，其中所述過濾材料包含聚合物。
3.如權利要求1所述的裝置，其中所述過濾材料包含吸收性染料。
4.如權利要求1所述的裝置，其中被所述過濾材料過濾的所述部分光包含紅外線。
5.如權利要求1所述的裝置，其中被所述過濾材料過濾的所述部分光包含近紅外線。
6.如權利要求1所述的裝置，其進一步包含一個耦接到所述基板且可操作地將經過濾的光匯聚到所述光傳感器上的顯微透鏡。
7.如權利要求1所述的裝置，其中所述蓋板包含透明玻璃。
8.如權利要求1所述的裝置，其中所述光傳感器是一個光電二極管。
9.如權利要求8所述的裝置，其進一步包含一個三晶體管主動式像素傳感器，該三晶體管主動式像素傳感器電耦合到所述光電二極管且可操作地促進將光轉換成一電壓信號。
10.一種方法，其包含下列步驟將具有紅外線組份的光引導朝向一個光傳感器，所述的光被引導穿過一個鄰近所述光傳感器的空腔，所述空腔中填充有過濾材料；和當所述光穿過所述空腔時，過濾至少一部分所述光。
11.如權利要求10所述的方法，其進一步包含測量在所述光傳感器處的經過濾的光的強度。
12.如權利要求11所述的方法，其進一步包含將所測量的光強度變換成一個指示所測量強度的電信號。
13.如權利要求12所述的方法，其進一步包含將一個數字值存儲到一個存儲器中，所述數字值與所述電信號成比例，所述數字值指示所測量的強度。
14.如權利要求10所述的方法，其中所述過濾材料包含具有吸收性染料且所述過濾材料可操作地從所述光中過濾紅外線組份的聚合物。
15.如權利要求10所述的方法，其中所述過濾進一步包含使不在紅外線范圍內的一部分光穿過。
16.一種系統，其包含一個CMOS陣列，其具有復數個安置在一個基板上的光傳感器，每個光傳感器可操作地將光強度轉換成一電壓信號；一個安置在所述復數個光傳感器上的蓋板，所述蓋板可操作地使光穿過；和安置在所述蓋板與所述復數個光傳感器中的每個光傳感器之間的過濾材料，所述過濾材料可操作地過濾穿過所述蓋板的光的一部分；一個控制電路，其耦接到所述CMOS陣列且可操作地單獨感應每個電壓信號并將每個感應電壓信號存儲到一個存儲器中；和一個耦接到所述控制電路且可操作地控制所述控制電路的處理器。
17.如權利要求16所述的系統，其中所述過濾材料包含具有吸收性染料且可操作地從所述光中過濾紅外線組份的聚合物。
18.一種制造方法，其包含下列步驟在一個基板上制作復數個主動式像素傳感器，每個主動式像素傳感器具有一個可操作地將光強度轉換成一電壓信號的光傳感器；將一個蓋板安置在所述基板上以在各主動式像素傳感器的所述光傳感器與所述蓋板之間形成一空腔；以過濾材料填充每個所形成的空腔，所述過濾材料可操作地過濾穿過所述過濾材料的光的一組份。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述過濾材料包含具有吸收性染料且可操作地從所述光中過濾紅外線組份的聚合物。
20.如權利要求18所述的方法，其中所述填充進一步包含將所述聚合物注入到每個空腔中。
全文摘要
一種用于將光引導到一個光傳感器并從所述經引導的光中濾出紅外線組份的方法和裝置。在一個實施例中，所述裝置包括安置在一個基板上的一個光傳感器陣列，其中所述光傳感器可操作地將光強度轉換成一個電壓信號。所述裝置進一步包括一個安置在所述光傳感器上的蓋板，以便所述蓋板在所述傳感器陣列上創建一個空腔。所述裝置進一步包括安置在所述蓋板與所述光傳感器之間且處于所述光傳感器與所述蓋板之間形成的空腔中的過濾材料。所述過濾材料可操作地過濾穿過所述蓋板的光。具體而言，在一個實施例中，可濾出波長在紅外線范圍內的光。
文檔編號H04N1/40GK1700476SQ20051000721
公開日2005年11月23日 申請日期2005年2月4日 優先權日2004年5月21日
發明者馬國林 申請人:安捷倫科技公司