CN101681916A

CN101681916A - 形成于较大透镜阵列上的用于对像素群组内经移位的光电二极管位置进行调整的微透镜

Info

Publication number: CN101681916A
Application number: CN200880019374A
Authority: CN
Inventors: 李进; 乌尔里希·C·伯蒂格
Original assignee: Micron Technology Inc
Current assignee: Micron Technology Inc
Priority date: 2007-05-08
Filing date: 2008-05-02
Publication date: 2010-03-24
Also published as: WO2008140970A1; US20110234883A1; US20080278820A1; KR20100005732A; US7978411B2; TW200915552A

Abstract

本发明揭示一种透镜(130)，所述透镜经形成以支撑形成于所述透镜上的至少一个微透镜(140)并使其倾斜。可基于所需的聚焦特性控制所述微透镜的斜坡的度数及方向以向或从像素阵列中的像素引导光。

Description

形成于较大透镜阵列上的用于对像素群组内经移位的光电二极管位置进行调整的微透镜

技术领域

本发明的实施例涉及用于图像捕捉或显示系统的微透镜结构的制作，且更具体地说涉及用于固态成像器系统的微透镜阵列的结构及制作方法。

背景技术

固态成像器，包含电荷耦合装置(CCD)及CMOS图像传感器，通常用于光成像应用中。固态成像器包含焦平面像素阵列。所述像素中的每一者均包含用于将光能转化为电信号的光敏装置。所述光敏装置可以是光电二极管、光伏装置、光电门、光电导体或其它光收集元件。

微透镜通常在成像器像素上方放置成对应阵列。微透镜用来将光聚焦到像素的光敏装置(即，电荷积累区域)上。常规技术由光致抗蚀剂材料形成微透镜，所述光致抗蚀剂材料被图案化为正方形或圆形且分别被提供到像素上方。接着，在制作期间加热所述经图案化的光致抗蚀剂材料以使微透镜成形且对其进行固化。

微透镜的使用通过从大光收集区收集光并将其聚焦在像素的小光敏区上来改进成像器的光敏度及效率。总光收集区与所述像素的光敏区的比率称为“填充因数”。

微透镜阵列的使用在成像器应用中正变得越来越重要。成像器应用目前需要较小大小及较大分辨率的成像器阵列。随着像素大小的减少及像素密度的增加，例如像素之间的光学串扰及电串扰的问题变得更为明显。此外，大小减小的像素具有更小的电荷积累区域。所述像素大小的减小导致不期望的较少积累电荷。

随着成像器阵列及像素的光敏区域的大小的减小，提供能够将入射光线聚焦到所述光敏区域上的微透镜变得越来越困难。此问题部分地是由于构造具有用于成像器的最优聚焦特性及/或已经最优调整以对在光行进穿过各种装置层时所引入的光学像差进行补偿的充分小的微透镜方面日益增长的困难。此外，难以校正由所述光敏区域上面的多个区域造成的可能畸变，此导致邻近像素之间的增加的光学串扰。当离轴光以钝角照射微透镜时，可产生光学串扰。所述离轴光行进穿过平坦化区域，未到达既定光敏区域，而是照射邻近光敏区域。

随着微透镜结构大小的减小，通过加热及熔化微透镜材料来实施微透镜成形及制作也变得越来越困难。用于控制微透镜成形及制作的先前途径未提供充分的控制来确保所需的光学性质(例如，微透镜的聚焦特性、半径及为较小微透镜设计提供所需聚焦效应所需要的其它参数)。因此，具有较小大小的微透镜的成像器在实现高色彩保真度及信噪比方面具有困难。

附图说明

图1a图解说明根据本文中所描述的实施例的具有形成于透镜上面的微透镜的微透镜结构的俯视图。

图1b图解说明根据本文中所描述的另一实施例的具有形成于透镜上面的微透镜的另一微透镜结构的俯视图。

图2是形成于如图1a中所示的透镜上面的微透镜的部分侧视图。

图3a到3i是形成图1a的微透镜的方法中的阶段的横截面图。

图4是图1a微透镜的另一横截图。

图5是使用具有根据本文中所描述的实施例而构造的微透镜的像素的成像器的示意图。

图6图解说明包含图5的成像装置的处理系统。

具体实施方式

本文中所描述的各种例示性实施例提供用于调整微透镜的形状、半径及/或高度的各种结构及方法。所述实施例在微透镜形成期间使用影响体积及表面力参数的结构。实例性实施例针对形成于较大透镜上方的微透镜结构，所述较大透镜支撑所述微透镜并使其倾斜以实现所需的聚焦性质。

在以下详细描述中，参照附图，所述附图形成本文的一部分且以图解说明方式显示其中可实践所请求的本发明的具体实施例。充分详细地描述这些实施例以使所属技术领域中的技术人员能够实践所述实施例，且应理解可利用其它实施例，且可做出结构、逻辑及电改变。本文中所描述的处理步骤的进程是实例；因此，步骤的顺序并不局限于本文中所陈述的顺序且可如所属技术领域中所熟知的那样改变，除了必须以某一次序发生的步骤之外。

如本文中所使用，术语“像素”是指光元件单位单元，其含有用于将光子转换为电信号的光敏装置及相关联结构。术语“流动(flow)”、“流动(fowing)”或“回流(reflowing)”是指经加热并熔化由此产生通过加热或其它类似过程而引起的材料流动或形状更改的材料的形状改变。“流动”是初始熔化且“回流”是先前流动的材料的后续熔化。

另外，尽管参照基于半导体的成像器(例如，CMOS成像器)描述了所述实施例，但应了解，所述实施例可应用于要求优质微透镜以实现最优化效能的任一微电子或微光学装置中。可采用所述所揭示的微透镜的额外微光学装置包含其它固态成像装置(例如，CCD及其它)及其中像素发光的显示装置。

在实施例中，多个微透镜形成于较大透镜上方，所述较大透镜形成于多个像素上方。每一微透镜均具有相关联像素且将光聚焦在所述像素的光敏装置上。在形成具有第一透镜的第一透镜层之后，在所述第一透镜层上方形成第二透镜层。所述第二透镜层包含至少一个微透镜。可以相同方式图案化每一微透镜，或可基于每一微透镜在所述第一透镜上的定向将其图案化。或者，可在所述第一透镜上方图案化微透镜对及其他微透镜群组以形成无限布置。

现在参照图式，其中相同元件由相同参考编号标示。图1a描绘根据本文中所揭示实施例的微透镜结构的向下俯视图。所述结构包括四个微透镜140G、140R、140G′、140B，其在覆盖四个像素120G、120R、120G′、120B的第一透镜130上方布置成拜耳图案。每一微透镜140G、140R、140G′、140B将入射光聚焦到其相应的相关联像素120G、120R、120G′、120B内的相关联光敏装置(未显示)上。在此实施例中，微透镜140G、140R、140G′、140B及透镜130的向下俯视形状是圆形。

图1b描绘根据本文中所揭示的另一实施例的另一微透镜结构的向下俯视图。所述结构包括四个微透镜340G、340R、340G′、340B，其在覆盖四个像素120G、120R、120G′、120B的第一透镜330上方布置成拜耳图案。与图1a实施例一样，每一微透镜340G、340R、340G′、340B将入射光聚焦到其相应的相关联像素120G、120R、120G′、120B内的相关联光敏装置(未显示)上。在此实施例中，微透镜340G、340R、340G′、340B及透镜330的向下俯视形状是正方形，从而形成枕形外观结构。

为方便起见，其余描述参照图1a中所示的微透镜结构。应了解，所述描述还可应用于图1b中所图解说明的枕形结构。图2图解说明形成于覆盖两个像素120G、120R的第一较大透镜130上面的两个微透镜140G、140R的侧视图。每一微透镜140G、140R将入射光聚焦到其相关联像素120G、120R的相关联光敏装置190G、190R上。每一像素120G、120R形成于具有光敏装置190G、190R的衬底121中，所述光敏装置由一个或一个以上透明光学层122覆盖。在像素120G、120R及层122上方提供滤色片125G、125R、第一透镜130及微透镜140G、140R。每一像素120G、120R包含如众所周知的各种不同部分，为简单起见，所述不同部分中的大多数不包含于本论述中。由于图2是横截面图，因此仅显示两个微透镜140G、140R及像素120G、120R，但如上文针对图1a所指示，还包含另外两个微透镜(即，140G′、140B)及像素(即，120G′、120B)。仅为简单起见且由于所述横截面图不图解说明所述微透镜，因此以下描述中不描述所述额外的两个微透镜120G′、120B(图1a)。

众所周知，在光敏元件190G、190R上形成透镜130以将光聚焦在光敏装置190G、190R上。透镜130形成且成形有众所周知的光学特性以使光在朝向相关联光敏装置190G、190R的优选方向上行进。在优选实施例中，透镜130的半径是大约6.0μm。透镜130的顶表面呈向上凸起状，因此在透镜130的中心具有顶点且透镜130的顶表面朝向边缘向下(即，向透镜130的外径)成斜坡。

如图2中所描绘，微透镜140R、140G形成于第一透镜130上方。尽管图2中未显示，但图1a中显示，透镜130覆盖四个像素(例如，像素120R、120G、120B、120G′)的块及其相关联光敏装置190R、190G、190B、190G′且具有四个相关联微透镜140R、140G、140B、140G′。每一微透镜140R、140G形成且成形有众所周知的光学特性以使光在朝向相关联光敏元件190R、190G的优选方向上行进。微透镜140R、140G及透镜130一起工作以使光行进到适当的光敏元件190R、190G。在优选实施例中，每一微透镜140R、140G的半径是大约2.4μm。每一微透镜140R、140G的顶表面呈向上凸起状。当每一微透镜140R、140G坐落于透镜130的表面上时，其相对于滤色片125R、125G的顶表面倾斜，其中倾斜角度取决于透镜130的形状。在另一方面中，当透镜130在其表面上可能不具有连续斜坡时，每一微透镜140R、140G的倾斜角度也取决于每一微透镜140R、140G在透镜130上的布局，其中在透镜130上将微透镜放置得较高或较低可改变所述倾斜角度。尽管描述透镜130呈向上凸起状，但本发明并不局限于具有呈向上凸起状透镜的成像器。

已在于布置成拜耳图案的红色、绿色及蓝色像素120R、120G、120G′、120B上方使用的情况下描述了微透镜结构。这意味着滤色片125R、125G等以拜耳图案布置在所述像素上方，使得特定色彩(即，红色、蓝色、绿色)的光到达正确的光敏装置190R、190G等。在具有拜耳图案布置的滤色片阵列中，四个像素的每一块将具有由绿色滤色片覆盖的两个像素、由红色滤色片覆盖的一个像素120及由蓝色滤色片覆盖的一个像素。如此项技术中已知，在经拜耳图案化布置的阵列中，像素块上方的滤色片在所述整个阵列中重复。尽管许多成像器在其像素上方包含滤色片，但存在不包含单独滤色片的成像器。如此，所揭示的实施例并不局限于具有单独滤色片或任何滤色片的成像器。

如上文所述，使用透镜130及微透镜140R、140G帮助将光分别聚焦到适当的光敏装置190R、190G上。透镜与微透镜的此组合准许光敏装置190R、190G更靠近地放置在一起，由此减少像素块中相邻光敏装置之间的距离“d”。减少所述距离d即减少了每一像素所需的面积，此可(例如)在将共享的元件像素架构用于像素阵列时有助于增加所述阵列的填充因数。

图3a到3i描绘形成图1a及图2中所示的微透镜结构的方法。图3a描绘按照常规上已知的方式形成的衬底121。可以多种方式形成衬底121。图3a还描绘形成于衬底121中的光敏装置190R、190G。存在已知的用于形成光敏装置190R、190G的许多常规技术。图3b描绘在衬底121上方材料层(或多个层)122的形成。层122覆盖操作像素120R、120G所需要的电路及其它元件。

图3c描绘在层122上面具有滤色片125R、125G的滤色片层的形成。滤色片125R、125G包括准许选定波长或色彩的光行进穿过其的光致抗蚀剂材料。尽管仅显示了两个不同的滤色片，但应了解，四个滤色片-两个绿色、一个红色及一个蓝色-将用于形成具有拜耳图案的阵列中的像素块。如上文所述，一些实施例可不包含滤色片，此意味着滤色片125R、125G并非必需。

图3d描绘最终将导致透镜130(图2)的形成的第一透镜层的初始形成。在具有滤色片125R、125G的层上面沉积抗蚀剂层129，使得存在充足的透镜材料在四个像素的每一块上方形成透镜130。

图3e描绘由层129形成透镜130。加热抗蚀剂层129以致使所述透镜材料流动。因此，透镜130是由层129形成。

图3f描绘最终将导致透镜130上单个微透镜或多个微透镜的形成的第二透镜层的初始形成。首先，在透镜130上沉积光致抗蚀剂材料层138。光致抗蚀剂材料层138可以是用于形成透镜130的相同或不同材料。

图3g描绘如何按照常规上已知的方式来涂覆光致抗蚀剂材料层138并将其图案化成早期微透镜139。

图3h显示按常规上已知的方式使早期微透镜139(图3g)流动，，从而形成微透镜140R、140G(其中微透镜140R对应于用于红色像素的微透镜且微透镜140G对应于用于绿色像素的微透镜)。

图3i以光线追踪图解说明来自图像的光线穿过所制作的透镜系统的路径。光线追踪可以是用于确定对每一微透镜140R、140G或对像素120R、120G的其它方面的所需调整以确保将行进穿过每一微透镜140R、140G及透镜130的光聚焦在每一光敏元件190R、190G上的适合工具。例如烘焙及封装的后续处理根据标准行业惯例进行。

参照图4，透镜130为倾斜的微透镜140R、140G提供支撑表面，所述微透镜形成于透镜130上且由透镜130支撑。透镜130具有成斜坡的上表面，所述成斜坡的上表面具有通过透镜130的高度h到顶点的切线及从透镜130的边缘到透镜130的顶点的水平距离D粗略地描述的角度“θ”。可将角度θ修整为任一所需角度，但在实例性实施例中其小于约10度。

由于透镜130的斜坡，微透镜140R、140G得以倾斜，使得其相应的定向允许其相应的焦斑移位到目标位置，以到达相关联光敏装置190R、190G。此允许每一微透镜140R、140G偏离其相关联光敏装置190R、190G的中心的布局。每一微透镜140R、140G可直接位于其相关联光敏装置190R、190G上方，而不是在其相关联光敏装置190R、190G上方居中，或其可邻近于其相关联光敏装置190R、190G；然而，透镜130的倾斜角度允许每一微透镜140R、140G引导入射光穿过透镜130到达相关联光敏装置190R、190G。

有利地，通过控制微透镜相对于相关联光敏装置的倾斜角度，准许光敏装置设计中更多的自由度且可将所述倾斜的微透镜的焦点移位到相关联光敏装置的位置。

此外，透镜130的物理性质及形成可与微透镜140R、140G的物理性质不同或相同。不同光学特性及物理性质的组合可以不同组合进行组合。举例来说，透镜130及微透镜140R、140G中的每一者的表面性质、折射性质及底层可相同或不同。可使用不同的材料及方法形成透镜130及微透镜140R、140G，其各自具有不同的有利性质。

通过以下一个或一个以上参数确定倾斜的微透镜的定向及尺寸、形状、焦距及其它聚焦特性，所述参数包含：(1)透镜下方(微透镜聚光之处)的光传感器的距离、宽度或大小；(2)用于形成所述微透镜的微透镜材料在加热期间的粘性及其随着烘焙时间的改变；(2)所述透镜的尺寸及材料；(4)在加热期间由微透镜结构影响微透镜材料流动行为而产生的微透镜材料流动行为的更改；(5)透镜或微透镜材料的预加热或预流动处理的影响；(6)所述微透镜结构的在回流之前的所设计定向；及(7)可更改所述微透镜材料的流动性质的透镜材料的影响。

图5图解说明CMOS成像器集成电路芯片201，所述电路芯片包含像素阵列230及控制器232，所述控制器提供定时及控制信号以便以所属领域的技术人员普遍已知的方式实现图像捕捉并读出存储在所述像素中的信号。像素阵列230由如上所述构造的透镜及微透镜覆盖。典型阵列具有MxN个像素的尺寸，其中阵列230的大小取决于特定应用。定时及控制电路232控制阵列230以实现图像捕捉及读出。使用列平行读出架构一次一行地读出阵列230。控制器232通过控制行寻址电路234及行驱动器240的操作来选择阵列230中的特定像素行。在列线170上将存储在选定像素行中的电荷信号提供到读出电路242。可使用列寻址电路244依序读出从所述列中的每一者读取的像素信号。对应于读出重置信号及集成电荷信号的像素信号(Vrst、Vsig)作为读出电路242的相应输出Vout1、Vout2提供。在微分放大器237中减去每一像素的这些信号，所述微分放大器提供表示通过像素检测的光量的信号。将来自微分放大器237的信号提供到模拟数字转换器238且在图像处理器239中处理由所有数字像素值表示的图像，所述图像处理器提供输出图像。

图6是并入有根据本文中所描述的方法及设备实施例的成像装置201的图像处理系统(例如，相机系统)2190的框图。图5中所示的成像装置201如上文所述提供图像输出信号。相机系统2190通常包括快门释放按钮2192、取景器2196、闪光灯2198及透镜系统2194。相机系统2190通常还包括相机控制中央处理单元(CPU)2110(例如，微处理器)，其经由总线2170与一个或一个以上输入/输出(I/O)装置2150通信。CPU 2110还经由总线2170(通常通过存储器控制器)与随机存取存储器(RAM)2160交换数据。所述相机系统还可包含外围装置，例如可装卸快闪存储器2130，所述快闪存储器还经由总线2170与CPU 2110通信。

由于本揭示内容，所属领域的技术人员将明了所揭示的结构及其形成方法的各种修改。可对所描述的实施例做出替代、添加、删除、修改及/或其它改变，此并不背离本发明的精神及范围。举例来说，尽管参照位于透镜上面的四个微透镜来描述所述实施例，但本发明并不受此限制。因此，所请求的本发明并非由前文描述来限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。

Claims

1、一种微透镜结构，其包括：

第一透镜，其由像素阵列的一部分支撑，所述透镜的上表面具有相对于所述部分的上表面的斜坡；及

至少一个微透镜，其由所述第一透镜支撑。

2、根据权利要求1所述的微透镜结构，其中多个微透镜由所述第一透镜支撑。

3、根据权利要求2所述的微透镜结构，其中所述多个微透镜中的每一者均是倾斜的。

4、根据权利要求1所述的微透镜结构，其中所述第一透镜包括光致抗蚀剂材料。

5、根据权利要求1所述的微透镜结构，所述第一透镜及所述至少一个微透镜包括相同材料。

6、根据权利要求1所述的微透镜结构，其中所述至少一个微透镜被直接支撑在所述透镜上。

7、根据权利要求1所述的微透镜结构，其中多个微透镜由所述第一透镜支撑，每一微透镜与形成有像素阵列的相应光敏装置相关联。

8、根据权利要求7所述的微透镜结构，其中每一微透镜与来自拜耳图案的色彩相关联。

9、根据权利要求7所述的微透镜结构，其中每一微透镜与至少一个滤色片相关联。

10、根据权利要求7所述的微透镜结构，其中四个微透镜由所述第一透镜支撑。

11、一种微透镜阵列，其包括：

多个透镜，其形成于像素阵列上方；及

多个微透镜，其位于每一透镜上。

12、根据权利要求11所述的微透镜阵列，其中每一透镜的微透镜支撑表面相对于衬底的表面倾斜小于约10度。

13、根据权利要求11所述的微透镜阵列，其中每一透镜包括光致抗蚀剂材料。

14、根据权利要求11所述的微透镜阵列，其中每一微透镜包括光致抗蚀剂材料。

15、根据权利要求11所述的微透镜阵列，其中所述多个微透镜中的至少两者定位于共用光敏装置上方，用于将入射光引导到所述共用光敏装置。

16、根据权利要求11所述的微透镜阵列，其中所述多个微透镜中的每一者定位于相应光敏装置上方，用于将入射光引导到所述相应光敏装置。

17、一种成像器结构，其包括：

多个像素，其形成于衬底中；

多个透镜，其形成于所述多个像素上方；及

多个微透镜群组，每一微透镜群组与相关联透镜相关联且分别由所述相关联透镜支撑，所述群组中的每一微透镜经定位以使入射光穿过所述相关联透镜行进到所述多个像素中的至少一者。

18、根据权利要求17所述的成像器结构，其中每一透镜具有类似形状及在大致相同方向上的斜坡。

19、根据权利要求17所述的成像器结构，其中所述透镜中的至少一者在形状上为向上凸起且向下并远离所述透镜的中心成斜坡，其中所述斜坡在每一方向上大致对称。

20、根据权利要求17所述的成像器结构，其中每一透镜及微透镜具有圆形形状。

21、根据权利要求17所述的成像器结构，其中每一透镜及微透镜具有正方形形状。

22、一种图像处理系统，其包括：

处理器；及

成像器结构，其耦合到所述处理器，所述成像器结构包括：

像素阵列；

多个透镜，其形成于所述多个像素上方，每一透镜与多个像素相关联；及

多个微透镜群组，每一微透镜群组与相关联透镜相关联且分别由所述相关联透镜支撑，所述群组中的每一微透镜经定位以使入射光行进到与所述透镜相关联的所述多个像素中的至少一者。

23、根据权利要求22所述的图像处理系统，其中每一透镜具有类似的形状及在大致相同方向上的斜坡。

24、根据权利要求22所述的成像器处理系统，其中所述透镜中的至少一者在形状上为向上凸起且向下并远离所述透镜的中心成斜坡，其中所述斜坡在每一方向上大致对称。

25、一种形成微透镜结构的方法，其包括：

在至少一个像素上方形成第一透镜；及

在所述第一透镜上方形成至少一个倾斜的微透镜，所述至少一个倾斜的微透镜用于将与所述第一透镜相关联的光引导到所述至少一个像素。

26、根据权利要求25所述的方法，其中所述形成所述第一透镜的步骤包括：

提供第一透镜材料；及

图案化所述第一透镜材料。

27、根据权利要求25所述的方法，其中所述形成所述第一透镜的步骤进一步包括：

提供第一透镜材料；

图案化所述第一透镜材料；

加热所述经图案化的第一透镜材料；及

使所述第一透镜材料流动。

28、根据权利要求25所述的方法，其中所述形成所述微透镜的步骤进一步包括：

将微透镜材料施加到所述第一透镜；及

图案化所述微透镜材料以形成所述微透镜。

29、根据权利要求25所述的方法，其中所述形成所述微透镜的步骤进一步包括：

将微透镜材料施加到所述第一透镜；及

图案化所述微透镜材料以形成所述微透镜；

加热所述微透镜；及

使所述微透镜流动。