專利名稱：采用集成電路技術(shù)的光敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光敏傳感器，尤其是采用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)集成電路技術(shù)、包括小感光像素的電子圖像傳感器。
背景技術(shù)：
在電子照相機(jī)中，用電子圖像傳感器來替代傳統(tǒng)相機(jī)中的感光膠卷。包括一感光表面的這種類型的傳感器用于低成本成像(例如用于數(shù)碼照相機(jī)中)、大批量生產(chǎn)的數(shù)字照相設(shè)備或光學(xué)傳感器中。在用于照相機(jī)的實(shí)施例中，傳感器的感光表面例如可能是用一480行、每行640感光像素的結(jié)構(gòu)構(gòu)成的。每一像素提供一電子信號，該電子信號為其所接受到的光強(qiáng)度水平的函數(shù)。用來處理這些信號的電子裝置產(chǎn)生與在傳感器的感光表面上所投射的真實(shí)光圖像相應(yīng)的電子信號。
圖1示出了使用CMOS類型的一種圖像傳感器12的電子照相機(jī)10的簡化的實(shí)施例，該圖像傳感器12包括像素16的感光表面14。
該電子照相機(jī)包括一系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一透鏡18和將從照相機(jī)所瞄準(zhǔn)的圖像發(fā)出的光線聚焦到電子傳感器12的感光表面14上的一光圈20，且由于使其緊湊方面的原因，該系統(tǒng)不是焦闌的。靠近該光學(xué)系統(tǒng)的光軸ZZ′的光射線r1的入射角大致垂直于傳感器的感光表面14，而光射線r2、r3則偏離所述光軸ZZ′地到達(dá)傳感器的邊緣，并與該感光表面14的法線成某一入射角α。
制成圖像傳感器裝置所需要的基片有許多層，這意味著圖像傳感器12的諸像素16作用就像光的井孔。像素的感光區(qū)22位于每一個(gè)這些井孔的底部。將光線正確地聚焦到像素的感光區(qū)域上是必需的，一方面這是為了獲得較高的像素效率，另一方面是為了部分地重現(xiàn)到達(dá)像素周圍的未使用的光線。為此，現(xiàn)有的圖像傳感器包括一微透鏡陣列，陣列中的每一微透鏡與一相應(yīng)的像素相關(guān)，并將入射光線聚焦在一像素和像素的周圍、且在該像素的感光區(qū)22上。
圖2是圖1所示圖像傳感器12的詳細(xì)圖，該圖像傳感器12包括一微透鏡陣列30，每一像素有一微透鏡32。微透鏡32的目的是將到達(dá)像素16處的光線聚焦到位于像素底部中的感光區(qū)22上。目前，最小的像素的尺寸，寬度L約為5至10微米且像素的厚度H也相近，是所能生產(chǎn)的微透鏡的極限尺寸。
這樣的微透鏡陣列30在光軸ZZ′附近的一區(qū)域中可以獲得較高的圖像傳感器效率，但隨著朝傳感器的周界遠(yuǎn)離該光軸，這個(gè)效率就降低。實(shí)際上(如圖2所示)，靠近光軸ZZ′并實(shí)際上平行于該光軸的光射線r1正確地聚焦在像素的感光部分22上，而偏離傳感器12的中心的光射線r2、r3的入射角相對傳感器表面的法線成一入射角α。光射線的入射角α越大，相關(guān)的像素就都偏離光軸ZZ′越遠(yuǎn)，光射線r2、r3的聚焦區(qū)域逐漸向像素的邊緣移動(dòng)。在傳感器的周界處，光射線不再聚焦在像素的感光區(qū)22上，而是聚焦在像素井孔的邊緣上，這些邊緣對像素所接受到的同樣的光強(qiáng)度提供較小的電荷。
現(xiàn)有技術(shù)的傳感器的另一個(gè)明顯的缺點(diǎn)在于，偏離光軸入射并傾斜地到達(dá)感光表面上的光射線r2、r3可能會(huì)到達(dá)相鄰像素的感光區(qū)，這會(huì)導(dǎo)致在該相鄰像素上由于非其所要的光射線所產(chǎn)生的附加調(diào)制或串?dāng)_。事實(shí)上，光學(xué)傳感器的像素不具有不透明的光學(xué)側(cè)面分隔物，側(cè)壁相對是透明的，傾斜的光射線可以掃到相鄰的像素。
發(fā)明內(nèi)容
為了消除現(xiàn)有技術(shù)的光敏傳感器的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種光敏傳感器，尤其是用CMOS技術(shù)制成的光敏傳感器，它包括一基片，所述基片具有形成接受光射線的一感光表面的一像素陣列，所述光敏傳感器的特點(diǎn)在于，它在光射線的路徑中包括具有一記錄好的全息圖的一全息層，所述全息層具有對應(yīng)于空間擴(kuò)散功能的相反的光學(xué)功能，以使以擴(kuò)散的傾斜入射角到達(dá)該層的光射線靠近感光表面的法線。
在一更為復(fù)雜的型式中，使到達(dá)像素周圍的表面上的入射光射線靠近感光表面法線的功能使入射光射線向像素集中。
本發(fā)明還涉及一種制作光敏傳感器、尤其是采用CMOS技術(shù)制成的光敏傳感器的方法，所述光敏傳感器包括一基片，所述基片具有形成接受光射線的一感光表面的一像素陣列，所述方法的特點(diǎn)在于，具有一記錄好的全息圖的一全息層沉積在光射線通路中的傳感器表面上，所述全息層具有對應(yīng)于空間擴(kuò)散功能的相反的光學(xué)功能，以使以擴(kuò)散的傾斜入射角到達(dá)該層的光射線靠近感光表面的法線。
在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的第一實(shí)施例中，在傳感器的表面上產(chǎn)生支承全息圖的全息層，然后在傳感器的整體的全息層上記錄全息圖。
在本發(fā)明的圖像傳感器的另一實(shí)施例中，全息層包括分開制作的全息圖，然后將該全息層貼附在光敏傳感器的基片上。
例如由對光線透明的基片支承的全息層包括一記錄在其體積內(nèi)的全息圖案。所記錄的全息圖案產(chǎn)生所要求的光學(xué)功能。全息層可以形成在聚碳酸酯或聚脂薄膜上、在玻璃板上或者在任何其它以透射模式工作的全息支承件上。
附圖簡述借助于根據(jù)本發(fā)明的光敏傳感器的示范性實(shí)施例并參照附圖，將能更好地理解本發(fā)明。這些附圖中圖1和2示出了已經(jīng)描述的現(xiàn)有技術(shù)的圖像傳感器；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器，它包括了在傳感器上的全息層；圖4a示出了在全息層厚度中的全息記錄；圖4b示出了在全息層上的一凹凸的全息記錄；圖5示出了圖3所示圖像傳感器的第一變化的實(shí)施例；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的另一實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的電子圖像傳感器40的第一實(shí)施例，該實(shí)施例例如可用于一電子照相機(jī)中。圖像傳感器主要包括一基片42和一全息層48，基片42具有使用CMOS技術(shù)制成、并形成有一感光表面42的一像素陣列44，全息層48沉積在基片42上并產(chǎn)生所要的光學(xué)功能。
生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的方法至少包括下述步驟
—在基片42上形成像素陣列44，像素陣列44使用CMOS技術(shù)制成并形成有感光表面；—在基片上沉積全息層48；—在全息層48中記錄一全息圖，該全息圖具有使以擴(kuò)散的傾斜入射角到達(dá)該層表面的光射線靠近全息層表面法線的光學(xué)功能。
全息層48包括一產(chǎn)生所要光學(xué)功能的全息干涉圖案。這樣的、具有設(shè)計(jì)成使以擴(kuò)散的傾斜入射角到達(dá)該層的光射線r1、r2、r3靠近全息層48表面法線的光學(xué)功能的全息圖，例如可以這樣來獲得通過在全息層的厚度中形成兩相干光波之間的一系列干涉的全息圖案來產(chǎn)生，每一干涉由例如從全息層一側(cè)且相對該層成一預(yù)定角度地到達(dá)的一第一光波與從全息層的另一側(cè)、相對于全息層表面成一干涉角度地到達(dá)且該干涉角度會(huì)對每一干涉變化的一第二光波的干涉，這個(gè)干涉角的變化掃過了所要使其靠近該層表面法線的擴(kuò)散的傾斜入射光波的立體角。
在圖3的實(shí)施例中，來自照相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的光射線r1、r2、r3相對于圖像傳感器表面法線成一傾斜入射角地到達(dá)，該傾斜入射角作為光射線在傳感器的感光表面上的所到達(dá)的位置的函數(shù)而變化。在穿越全息層時(shí)，使光射線r1、r2、r3靠近傳感器的感光表面的法線。特別是，通過全息層48的光學(xué)作用，使到達(dá)位于靠近傳感器邊緣處、且相對傳感器法線具有最大的傾斜度的光射線靠近法線。
這致使光射線r1、r2、r3靠近傳感器法線的效果使位于靠近傳感器邊緣的像素的照度明顯地增加，且這些像素中的效率也得到改善。在由使光射線靠近傳感器法線的諸優(yōu)點(diǎn)中，值得注意的是—無論是在傳感器感光表面的哪一給定位置，傳感器的靈敏度都是均勻的；—像素間的串?dāng)_減輕，尤其是在傳感器的邊緣處，且實(shí)質(zhì)性地上減少了用于相鄰像素的光射線所產(chǎn)生的附加照度。
全息圖可以記錄在感光全息層的體積之內(nèi)。圖4a示出了這樣一個(gè)在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的全息層48的厚度中的全息圖案記錄。為此，感光層54暴露于兩相干光波V1和V2之下，這兩相干光波V1和V2在感光層54中產(chǎn)生一干涉圖案。全息圖案58產(chǎn)生所要的光學(xué)功能。
全息圖可以其它已知的方式來記錄在全息層中，即—通過在一熱塑層上凹凸地印制全息圖案。圖4b示出了這種方式的記錄，其中，通過借助于硬質(zhì)材料制成且包括與所要印制的圖案互補(bǔ)的凹凸圖案的模具，對緊固在一支承件56上熱塑層62的表面進(jìn)行加壓，來壓印出一凹凸的全息圖案60。支承件56也可以是電子圖像傳感器的基片42，—或者，將光刻膠層暴露于輻射之下來產(chǎn)生全息干涉圖案。然后將該光刻膠層顯影，以獲得在全息層表面上的凹凸圖案。
相對于利用向像素的感光區(qū)導(dǎo)向光射線的效應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)傳感器，根據(jù)本發(fā)明的圖3所示圖像傳感器的實(shí)施例在性能方面有明顯的改善，尤其是在傳感器所產(chǎn)生的電子信號的信噪比方面的改善。
圖5示出了圖3所示圖像傳感器的一變化的實(shí)施例，它提供在像素效率方面更多的改善。在該變化形式中，全息層除了具有使光射線朝向像素的感光區(qū)域地更靠近傳感器的法線的作用之外，還包括其它的作用，即將光射線向像素的感光區(qū)域22集中。之所以這樣能進(jìn)一步改善像素的效率，是因?yàn)樵趫D3所示的實(shí)施例中，照亮像素感光區(qū)周圍部分的光射線r4、r5、r6不會(huì)產(chǎn)生對生成代表圖像的電子信號有用的電荷。
在這個(gè)變化形式中，一圖像傳感器70包括用CMOS技術(shù)制成并且形成有感光表面的基片42和在基片42上的一全息層74，全息層的光學(xué)集中功能起作用，以使到達(dá)像素周圍的表面上的入射光射線向像素集中。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的光敏傳感器80的另一個(gè)實(shí)施例，它包括具有前述實(shí)施例的各層的全息圖的記錄的一全息層82。在圖6所示的實(shí)施例中，全息層包括單獨(dú)制作、然后附著到光敏傳感器的基片42上的全息圖。
根據(jù)圖6所示的實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明的光敏傳感器80至少包括下述的制造步驟—使用CMOS技術(shù)并形成感光表面來在基片42上制成像素陣列44；—在一對光線透明的支承件86上形成全息層82；—根據(jù)已知技術(shù)，通過熱成形或照相顯示，在支承全息圖的層中記錄全息圖；
—將包括全息層的支承件86沉積在光射線的通路中的基片的表面上。
至于圖3和5所示實(shí)施例的傳感器，在圖6所示的變化形式中，利用全息層，到達(dá)像素周圍的表面上的光射線r4、r5、r6可以向像素的感光區(qū)集中。
全息干涉圖案是將兩相干光波結(jié)合在感光層中的結(jié)果，第一入射光波直接來自干涉光源，第二入射光波來自同一光源，但照亮的是要記錄其對應(yīng)的所要光學(xué)功能的全息圖的目標(biāo)物。這是通過自然的手段來進(jìn)行記錄的。
全息圖可以是人工合成型的。在這樣的情況中，可以通過計(jì)算機(jī)計(jì)算來制成干涉圖案，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生使用自然手段的記錄無法獲得的全息圖案。使用人工合成的全息圖，是為了產(chǎn)生頻率過濾或顯示過濾的光學(xué)功能，或者用來產(chǎn)生光學(xué)元件。全息圖案還可以通過組合自然全息圖和人工合成全息圖來進(jìn)行記錄。
記錄在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的全息層中的全息圖使得靈活和方便地獲得光學(xué)傳感器所需的各種光學(xué)功能成為可能。然而，全息圖還提供了其它的可能性，如彩色照相機(jī)的色彩過濾。為此，全息層除了具有所述實(shí)施例的光學(xué)功能之外，還包括過濾光學(xué)三基色紅色、綠色及藍(lán)色的光學(xué)過濾功能。
在用于照相機(jī)或視頻攝像機(jī)的圖像傳感器中，人們在尋求產(chǎn)生相應(yīng)于來自所要顯示的目標(biāo)物的可視光線的電信號的方法。因此，不希望不可視光線照亮傳感器的像素。為此，在根據(jù)本發(fā)明的圖像傳感器的一第三實(shí)施例中，全息層包括一具有過濾對照相機(jī)無用的紅外射線的光學(xué)功能的全息圖。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器的應(yīng)用不局限于照相機(jī)的圖像傳感器。在某些類型的光學(xué)傳感器中，光線經(jīng)由光纖傳輸?shù)礁泄庀袼?，并且該光纖的輸出端位于與該像素的相對處。光纖通過在光纖的壁上反射來在光纖中運(yùn)動(dòng)。在光纖的端部處所發(fā)出的光線與像素的感光區(qū)法線成一非零的角度。如在本發(fā)明中所述的全息層可使從光纖發(fā)出的光線靠近該像素感光區(qū)的法線，并具有上面所述的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種光敏傳感器，尤其是用CMOS技術(shù)制成的光敏傳感器，它包括一基片，所述基片具有形成接受光射線(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的一感光表面的一像素陣列(16、44)，其特征在于，它在光射線的通路中包括具有一記錄好的全息圖的一全息層，所述全息層具有對應(yīng)于空間擴(kuò)散功能的相反的光學(xué)功能，以使以擴(kuò)散的傾斜入射角到達(dá)該層的光射線靠近感光表面的法線。
2.如權(quán)利要求1所述的光敏傳感器，其特征在于，使到達(dá)像素周圍的表面上的入射光射線靠近感光表面法線的功能使入射光射線向像素(44)集中。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光敏傳感器，其特征在于，全息層具有彩色照相機(jī)的光學(xué)過濾三基色紅色、綠色及藍(lán)色的光學(xué)過濾功能。
4.如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光敏傳感器，其特征在于，全息層包括產(chǎn)生過濾紅外射線的光學(xué)功能的一全息圖。
5.一種制作光敏傳感器、尤其是用CMOS技術(shù)制成的光敏傳感器的方法，所述光敏傳感器包括一基片(42)，所述基片具有形成接受光射線(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的感光表面的一像素陣列(44)，其特征在于，具有一記錄好的全息圖的一全息層(48、74、82)沉積在光射線路徑中的傳感器表面上，所述全息層具有相應(yīng)于空間擴(kuò)散功能的相反的光學(xué)功能，以使以擴(kuò)散的傾斜入射角到達(dá)該層的光射線靠近感光表面的法線。
6.如權(quán)利要求5所述的制作光敏傳感器的方法，其特征在于，通過在全息層(48、74、82)的厚度中產(chǎn)生兩相干光波之間的一系列干涉的全息圖案來獲得被記錄的全息圖，每一干涉通過從全息層一側(cè)且相對于全息層成一預(yù)定角度地到達(dá)的第一光波與從全息層的另一側(cè)、相對于全息層表面成一干涉角度地到達(dá)且該干涉角度會(huì)對每一干涉變化的第二光波的干涉來形成，這個(gè)干涉角的變化掃過了所要使其靠近該層表面法線的擴(kuò)散的傾斜入射光波的立體角。
7.如權(quán)利要求5或6所述的制作光敏傳感器的方法，其特征在于，全息層(82)包括分開制作的全息圖，然后將該全息層附著在光敏傳感器的基片(42)上。
8.如權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的制作光敏傳感器的方法，其特征在于，全息層(48、74)可以形成在一聚碳酸酯或聚脂薄膜上、在一玻璃板上或者在任何其它以透射模式工作的全息支承件上。
9.如權(quán)利要求5或6所述的制作光敏傳感器的方法，其特征在于，在圖像傳感器的表面上沉積一支承全息圖的全息層(48)，然后在傳感器的整體的全息層上制成全息圖。
10.如權(quán)利要求9所述的制作光敏傳感器的方法，其特征在于，在制造包括多個(gè)光敏傳感器的硅片時(shí)將支承全息圖的一全息層(48)沉積在傳感器的基片(42)上。
11.如權(quán)利要求10所述的制作光敏傳感器的方法，其特征在于，全息層(62、82)是一熱塑層，全息圖通過熱成形來進(jìn)行記錄。
12.如權(quán)利要求10所述的制作光敏傳感器的方法，其特征在于，全息層是一感光明膠制成的層，全息圖通過照相顯示來進(jìn)行記錄。
13.如權(quán)利要求5至9中任一項(xiàng)所述的制造光敏傳感器的方法，其特征在于，通過借助于硬質(zhì)材料制成且包括與所要印制的圖案互補(bǔ)的凹凸圖案的模具，在緊固在一支承件(50、56)上一熱塑層上印制出凹凸的全息圖案，來將全息圖記錄在全息層(48、74、82)中。
14.如權(quán)利要求5至9中任一項(xiàng)所述的制造光敏傳感器的方法，其特征在于，通過將一光刻膠層暴露于產(chǎn)生全息干涉圖案的輻射之下、然后將該光刻膠層顯影以獲得在全息層表面上的一凹凸圖案(60)來將全息圖記錄在全息層(62、82)中。
15.如權(quán)利要求5至13中任一項(xiàng)所述的制造光敏傳感器的方法，其特征在于，全息干涉圖案是在一全息層(48、58、74、82)中組合兩相干光波(V1、V2)的結(jié)果，第一入射光波直接來自干涉光源，第二入射光波來自同一光源，但照亮的是要記錄其對應(yīng)于所要光學(xué)功能的全息圖的目標(biāo)物。
16.如權(quán)利要求5至13中任一項(xiàng)所述的制造光敏傳感器的方法，其特征在于，全息圖可以是人工合成的類型，通過計(jì)算機(jī)計(jì)算來產(chǎn)生全息干涉圖案。
全文摘要
本發(fā)明涉及光敏傳感器，尤其是用CMOS集成電路技術(shù)制成的光敏傳感器。傳感器(40)包括一基片(42)，所述基片具有形成接受光射線(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的感光表面的一像素陣列(16、44)，并且所述基片在光射線的通路中包括具有一記錄好的全息圖的一全息層，所述全息層具有相應(yīng)于空間擴(kuò)散功能的相反的光學(xué)功能，以使以擴(kuò)散的傾斜入射角到達(dá)該層的光射線靠近感光表面的法線。本發(fā)明可應(yīng)用于低成本的數(shù)碼照相機(jī)、光學(xué)傳感器。
文檔編號H01L31/0232GK1484863SQ0182167
公開日2004年3月24日 申請日期2001年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月28日
發(fā)明者P·坎布, P 坎布, G·西蒙, 忱 , G·布沙拉特 申請人:埃特美兒格蘭諾勃股份有限公司