專利名稱：3d成像裝置、用于制造該3d成像裝置的方法及3d成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種3D (三維)成像裝置、以及一種用于制造3D成像裝置的方法。本發(fā)明還涉及一種3D成像系統(tǒng)，其包括能夠形成三維目標(biāo)的體積圖像(volume image)的元件和根據(jù)本發(fā)明的3D成像裝置。
背景技術(shù)：
本發(fā)明可應(yīng)用于許多領(lǐng)域中，例如電影和電視設(shè)備、攝影裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遙 測(cè)、生物和醫(yī)學(xué)成像等。從現(xiàn)有技術(shù)中獲知了用于執(zhí)行3D成像的幾種方法。這些方法中最為人所知的是體視法(stereoscopy)。體視法基于使用在空間上略 微錯(cuò)開的兩個(gè)相同的成像系統(tǒng)，每個(gè)成像系統(tǒng)均傳遞觀察到的場(chǎng)景的圖像。然后從成像 系統(tǒng)所傳遞的兩個(gè)圖像構(gòu)建3D圖像。體視法的缺點(diǎn)是需要使用兩個(gè)傳感器。這兩個(gè)傳 感器實(shí)際上構(gòu)成龐大的組件，需精密地校準(zhǔn)這兩個(gè)傳感器的相應(yīng)位置。為了抵消使用兩個(gè)傳感器的缺點(diǎn)，一種已知的方法是自動(dòng)體視法，其包括使用 由裝配有微透鏡的探測(cè)器的矩陣形成的單個(gè)傳感器來(lái)產(chǎn)生3D圖像，裝配有微透鏡的探測(cè) 器的矩陣本身完全被設(shè)置在支架中的透鏡覆蓋。這樣的傳感器缺點(diǎn)在于該精密組件由不 同元件構(gòu)成。另一種方法基于使用透鏡景深。該方法的原理包括改變透鏡的圖像平面的位 置，以在深度上解析要研究的目標(biāo)。為此，一個(gè)人移動(dòng)透鏡并使目標(biāo)的不同圖像平面重 組(recompose)。該方法的一個(gè)缺點(diǎn)是其實(shí)施起來(lái)非常復(fù)雜。根據(jù)本發(fā)明的3D成像裝置沒有前述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
實(shí)際上，本發(fā)明涉及一種3D成像裝置，包括光電探測(cè)器矩陣，其特征在于，其 包括-第一材料層，固定在光電探測(cè)器矩陣的一個(gè)表面上，該第一材料層能夠反射或 吸收入射到其表面中的任意一個(gè)上的光，每個(gè)光電探測(cè)器處的第一材料層中均形成有開 口 ；以及-第二材料層，由電絕緣材料形成，具有固定在第一材料層上的第一表面，第二 材料層在其本體中包圍一組G個(gè)波導(dǎo)件(waveguide)，G是大于或等于2的整數(shù)，這組G 個(gè)波導(dǎo)件中的每個(gè)波導(dǎo)件均具有基本與第二材料層的第一表面齊平并基本面對(duì)開口設(shè)置 的第一端以及基本與第二材料層的與第一表面相對(duì)的第二表面齊平的第二端，每個(gè)第二 端均形成用于入射到第二材料層的第二表面上的光的傳感器元件，將N個(gè)不同波導(dǎo)件的 第一端與第二端分開的距離彼此不同，N是大于或等于2且小于或等于G的整數(shù)。“能夠反射或吸收入射到其任意一個(gè)表面上光的材料層”是指通過(guò)反射和/或吸收阻止入射到其任意一個(gè)表面上的光的透射的材料層?！靶纬捎糜谌肷涞降诙牧蠈拥牡诙砻嫔系墓獾膫鞲衅髟牡诙恕币庵?波導(dǎo)件的第二端構(gòu)成導(dǎo)向件的由此將入射光的一部分耦合到該導(dǎo)向件中的入口。根據(jù)本發(fā)明 的優(yōu)選實(shí)施方式，波導(dǎo)件是由金屬觸點(diǎn)通過(guò)生長(zhǎng)而形成的納米導(dǎo)線 (nanowire).然而，本發(fā)明不考慮使用在微電子領(lǐng)域中已知的其他技術(shù)形成的其他類型的 波導(dǎo)件，例如離子交換或蝕刻填充有這樣的材料的層，即，該材料的折射率大于該層的 折射率(例如使用CVD、或化學(xué)氣相沉積型的方法)。根據(jù)本發(fā)明的又一另外的特征，這G個(gè)波導(dǎo)件分布在光電探測(cè)器矩陣的表面上 方，從而使分別與形成在Nd個(gè)相鄰光電探測(cè)器處的Nd個(gè)開口相對(duì)地設(shè)置的至少一組Nd 個(gè)波導(dǎo)件的Nd個(gè)波導(dǎo)件相對(duì)于第二材料層的第一表面具有N個(gè)不同高度，這Nd個(gè)相鄰 光電探測(cè)器形成P行和Q列的初等子矩陣，P和Q是大于或等于2的整數(shù)(P X Q = Nd)， Nd為大于或等于N的整數(shù)。根據(jù)本發(fā)明的又一另外的特征，當(dāng)光電探測(cè)器矩陣包括Nd個(gè)波導(dǎo)件的幾個(gè)不同 組件，每組Nd個(gè)波導(dǎo)件的Nd個(gè)波導(dǎo)件根據(jù)對(duì)于各組Nd個(gè)波導(dǎo)件均相同的圖案分布。本發(fā)明還涉及一種用于制造3D成像裝置的方法，其特征在于，其包括_用于形成第一結(jié)構(gòu)的步驟，由光電探測(cè)器矩陣形成該第一結(jié)構(gòu)，在該光電探測(cè) 器矩陣的一個(gè)表面上沉積能夠反射或吸收其任意一個(gè)表面上的入射光的第一材料層，在 每個(gè)光電探測(cè)器處的第一材料層中形成開口，_用于形成第二結(jié)構(gòu)的步驟，由絕緣體型襯底上的硅形成該第二結(jié)構(gòu)，將涂覆有 第二電絕緣材料層的納米導(dǎo)線固定在該第二結(jié)構(gòu)上，將納米導(dǎo)線以與分布形成在第一結(jié) 構(gòu)的第一材料層中的開口的方式基本相同的方式分布在絕緣體型襯底上的硅上，并使納 米導(dǎo)線與材料層的平面表面齊平，-用于將第二結(jié)構(gòu)附設(shè)到第一結(jié)構(gòu)上從而將納米導(dǎo)線的與第二材料層的平面表面 齊平的端部與所述開口相對(duì)地設(shè)置的步驟，以及-用于蝕刻絕緣體型襯底上的硅和涂覆納米導(dǎo)線的材料層，以首先去除絕緣體型 襯底上的硅、然后形成涂覆納米導(dǎo)線的N個(gè)不同水平的第二材料層的步驟，這N個(gè)不同 水平使得可以分別定義彼此高度不同的N個(gè)不同納米導(dǎo)線，N為大于或等于2的整數(shù)。根據(jù)按照本發(fā)明的方法的一個(gè)另外的特征，形成第一結(jié)構(gòu)的步驟包括-用于在光電探測(cè)器矩陣的表面上沉積第一材料層的步驟，以及-用于蝕刻第一材料層以形成在光電探測(cè)器處得到的開口的步驟。根據(jù)本發(fā)明的又一另外的特征，形成第二結(jié)構(gòu)的步驟包括-用于在絕緣體型襯底上的硅上沉積金屬層的步驟，-用于蝕刻金屬層以形成在絕緣體型組件上的硅上以與在光電探測(cè)器矩陣上分布 開口的方式基本相同的方式分布的一組金屬觸點(diǎn)的步驟，-用于從金屬觸點(diǎn)生長(zhǎng)納米導(dǎo)線的步驟，_用于在絕緣體型襯底上的硅上沉積第二材料層以涂覆所有納米導(dǎo)線的步驟，以 及-用于使第二材料層平面化以去除金屬觸點(diǎn)并使第二層的表面成為平面從而使納 米導(dǎo)線與所述表面齊平的步驟。
本發(fā)明還涉及一種3D成像系統(tǒng)，其包括能夠形成三維目標(biāo)的體積圖像的元件， 其特征在于，其還包括為了體積圖像而設(shè)置的根據(jù)本發(fā)明的3D成像裝置。


根據(jù)下面參照附圖完成的描述，本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見，附圖 中圖1-圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的用于制造3D成像裝 置的方法的連 續(xù)步驟；以及圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的3D成像裝置的運(yùn)作；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的3D成像系統(tǒng)的例子。在所有圖中，相同的標(biāo)號(hào)指代相同的元件。
具體實(shí)施例方式圖1-圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的用于制造3D成像裝置的方法的連 續(xù)步驟，其中波導(dǎo)件為納米導(dǎo)線。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的用于制造3D成像裝置的方法的第一
止
少ο本制造方法的第一步包括在光電探測(cè)器2的矩陣M上沉積能夠反射或吸收入 射光的材料層1，例如鋁層。光電探測(cè)器2是例如形成在硅中的PN結(jié)、電荷耦合裝置 (CCD)、輻射熱測(cè)量?jī)x等。層1的厚度例如等于lOOnm。然后以本身已知的方式蝕刻層1，以在每個(gè)光電探測(cè)器2上方形成開口 3，該開 口的尺寸例如等于150nmX150nm(參見圖2)。形成在兩個(gè)相鄰光電探測(cè)器上方的兩個(gè) 開口分開距離d，例如等于5 μ m。然后形成第一裝置Dl。第三步包括在絕緣體型襯底(更一般地被稱為SOI襯底)上的硅上形成一組金屬 觸點(diǎn)。圖3示出了該第三步。在SOI襯底S上沉積金屬層，例如金層，該SOI襯底通過(guò) 疊置硅Si襯底、SiO2絕緣層和硅Si薄層而形成。然后以本身已知的方式蝕刻金屬層， 以形成觸點(diǎn)4。在SOI襯底的表面上以與在前面步驟2中分布形成在鋁層中的開口 3的 方式基本相同的方式分布觸點(diǎn)4。因此，兩個(gè)相鄰觸點(diǎn)4從軸線到軸線分開(參見圖3) 基本等于兩個(gè)相鄰開口 3從軸線到軸線分開的距離d(參見圖2)的距離。觸點(diǎn)4的橫截 面選擇成裝配到開口的表面中。因此，對(duì)于尺寸為150nmX150nm的開口 3，觸點(diǎn)4的 橫截面例如等于lOOnm。用于納米導(dǎo)線生長(zhǎng)的步驟緊隨在SOI襯底上形成觸點(diǎn)4之后。使用VLS (氣相 液相固相)方法以本身已知的方式進(jìn)行納米導(dǎo)線生長(zhǎng)步驟。圖4示出了納米導(dǎo)線生長(zhǎng)步 驟的結(jié)果。納米導(dǎo)線5的高度h優(yōu)選地在IOOnm與100 μ m之間(例如50 μ m)，并且其 直徑W優(yōu)選地在50nm與3 μ m之間。形成納米導(dǎo)線的材料例如是氧化鋅(ZnO)、或硅 (Si)、或氮化鎵(GaN)等。一旦產(chǎn)生納米導(dǎo)線，便在SOI襯底的硅層上沉積電絕緣材料層6，例如SiO2層 (參見圖5)。層6的特征在于，在系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)所處波長(zhǎng)內(nèi)它的低吸收(典型地為電介質(zhì) 型材料)。低吸收是指其折射率的虛部的絕對(duì)值小于0.01的材料。
然后用電絕緣材料6涂覆納米導(dǎo)線5。對(duì)層6進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光或平面化，以去 除觸點(diǎn)4并使層的表面成為平面。然后使納米導(dǎo)線的端部與層6的表面齊平。然后形成
第二裝置D2。然后組裝在上述步驟結(jié)束時(shí)獲得的兩個(gè)裝置Dl和D2 (參見圖2中所示的裝置和 圖5中所示的裝置)，從而與開口 3相對(duì)地設(shè)置納米導(dǎo)線5的與層6的表面齊平的端部， 納米導(dǎo)線5關(guān)于開口 3基本居中(參見圖6)。以本身已知的方式完成裝置Dl和D2的組 裝，例如使用對(duì)所用波長(zhǎng)透明的膠水。然后蝕刻由裝置Dl和D2的組裝獲得的裝置D3。 在該蝕刻過(guò)程中，去除SOI襯底，并且在N個(gè)不同的水平上蝕刻由納米導(dǎo)線5和涂覆納米 導(dǎo)線的絕緣層6形成的塊，N為優(yōu)選地在10與20之間的整數(shù)(然而，根據(jù)需要，整數(shù)N 能夠采用在2與10之間或大于20的任何其他值)。在圖7中，例如，有4個(gè)水平。這 N個(gè)水平可以是或不是均勻地分布在第一水平(行1水平)與第N水平(行N水平)之 間。對(duì)于入射到絕緣層6上的光，絕緣層6的N個(gè)水平因此形成N個(gè)不同感測(cè)水平。這 N個(gè)水平能夠分布在例如等于500 μ m的深度上。作為非限制性的例子，參照?qǐng)D7，四個(gè) 平行平面PI、P2、P3、P4表示四個(gè)不同感測(cè)水平。在本發(fā)明的第一實(shí)施方式中，不同水平的高度(即，納米導(dǎo)線的高度)隨機(jī)分 布 。用于蝕刻3D裝置的掩膜于是為此而設(shè)計(jì)。在本發(fā)明的第二實(shí)施方式中，光電探測(cè)器按照光電探測(cè)器的塊或初等子矩陣而 分組到一起。初等子矩陣于是包括分布在P行和Q列上的Nd個(gè)光電探測(cè)器，P和Q是 大于或等于2的整數(shù)(PXQ = Nd), Nd是大于或等于N的數(shù)。與初等子矩陣的Nd個(gè) 光電探測(cè)器相關(guān)的Nd個(gè)納米導(dǎo)線的高度于是定義N個(gè)不同的平行探測(cè)平面。圖8示出了圖7中所示的成像裝置的運(yùn)作。成像裝置的初等探測(cè)器由光電探測(cè) 器2和位于光電探測(cè)器2正上方的納米導(dǎo)線5形成。能夠反射或吸收光的材料層1防止 所述光直接達(dá)到光電探測(cè)器。與絕緣材料層6的表面齊平的納米導(dǎo)線5的每端均是用于 入射到層6上的光的一部分的感測(cè)元件。每個(gè)納米導(dǎo)線5因此均構(gòu)成在其中傳導(dǎo)聚集的 光的波導(dǎo)件。達(dá)到光電探測(cè)器2的光子ph于是只有那些在位于光電探測(cè)器2正上方的納 米導(dǎo)線5中傳導(dǎo)的光子。波導(dǎo)件的長(zhǎng)度(即，納米導(dǎo)線的高度)決定了在此切掉圖像的 一部分的平面。在使用成像裝置之前，校準(zhǔn)步驟(在該校準(zhǔn)步驟中，形成設(shè)置在距離成像裝置 的已知距離處的已知尺寸的目標(biāo)的圖像)有利地使得可以確定能夠通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的成 像裝置逐個(gè)探測(cè)器地探測(cè)的深度。校準(zhǔn)的結(jié)果有利地能夠存儲(chǔ)并隨后用于確定成像的任 何目標(biāo)的位置。已經(jīng)觀察到，由于納米導(dǎo)線，本發(fā)明的成像裝置對(duì)于分開圖像平面具有 非常高的選擇性。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的3D成像系統(tǒng)。成像系統(tǒng)I包括能夠形成目標(biāo)Ob的圖像 I(Ob)的元件L以及根據(jù)本發(fā)明的裝置的成像裝置Im。元件L是例如透鏡。圖像I(Ob) 根據(jù)不同的目標(biāo)平面形成在成像裝置Im處。
權(quán)利要求
1.一種3D成像裝置，包括光電探測(cè)器(2)矩陣(M)，其特征在于，所述3D成像裝 置包括-第一材料層(1)，固定在所述光電探測(cè)器矩陣的一個(gè)表面上，所述第一材料層(1) 能夠反射或吸收入射到其表面(3)中的任意一個(gè)上的光，每個(gè)光電探測(cè)器(2)處的所述第 一材料層中均形成有開口；以及-第二材料層(6)，由電絕緣材料形成，具有固定在所述第一材料層(1)上的第一表 面，所述第二材料層(6)在其本體中包圍一組G個(gè)波導(dǎo)件(5)，G是大于或等于2的整 數(shù)，這組G個(gè)波導(dǎo)件中的每個(gè)波導(dǎo)件(5)均具有與所述第二材料層的所述第一表面基本齊 平并基本面對(duì)開口(3)設(shè)置的第一端以及與所述第二材料層(6)的與所述第一表面相對(duì)的 第二表面基本齊平的第二端，每個(gè)第二端均形成用于入射到所述第二材料層的所述第二 表面上的光的傳感器元件，將N個(gè)不同波導(dǎo)件的所述第一端與所述第二端分開的距離彼 此不同，N為大于或等于2且小于或等于G的整數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的3D成像裝置，其中，所述波導(dǎo)件是納米導(dǎo)線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的3D成像裝置，其中，所述G個(gè)波導(dǎo)件分布在所述光電 探測(cè)器矩陣的表面上方，從而使分別與形成在Nd個(gè)相鄰光電探測(cè)器處的Nd個(gè)開口相對(duì) 地設(shè)置的至少一組Nd個(gè)波導(dǎo)件的Nd個(gè)波導(dǎo)件相對(duì)于所述第二材料層的所述第一表面具 有N個(gè)不同高度，所述Nd個(gè)相鄰光電探測(cè)器形成P行且Q列的初等子矩陣，P和Q是 大于或等于2的整數(shù)(PXQ = Nd), Nd為大于或等于N的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的3D成像裝置，并且包括具有Nd個(gè)波導(dǎo)件的至少兩個(gè)不同 組件，其中，每組Nd個(gè)波導(dǎo)件的所述Nd個(gè)波導(dǎo)件根據(jù)對(duì)于各組Nd個(gè)波導(dǎo)件均相同的圖 案分布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中任一項(xiàng)所述的3D成像裝置，其中，所述第一材料層(1)是 反射光的金屬層。
6.—種用于制造3D成像裝置的方法，其特征在于，所述方法包括-用于形成第一結(jié)構(gòu)(D 1)的步驟，由光電探測(cè)器(2)矩陣(M)形成所述第一結(jié)構(gòu)， 在所述光電探測(cè)器矩陣的一個(gè)表面上沉積能夠反射或吸收其任意一個(gè)表面上的入射光的 第一材料層(1)，在每個(gè)光電探測(cè)器(2)處的所述第一材料層中形成開口(3)，-用于形成第二結(jié)構(gòu)(D2)的步驟，由絕緣體型襯底(S)上的硅形成所述第二結(jié)構(gòu)， 將涂覆有第二電絕緣材料層(6)的納米導(dǎo)線固定在所述第二結(jié)構(gòu)上，將所述納米導(dǎo)線以 與分布形成在所述第一材料層(1)中的所述開口(3)的方式基本相同的方式分布在所述絕 緣體型襯底上的硅上，并使所述納米導(dǎo)線與所述材料層(6)的平面表面齊平，_用于將所述第二結(jié)構(gòu)(D2)附設(shè)到所述第一結(jié)構(gòu)(Dl)上從而將所述納米導(dǎo)線的與所 述第二材料層的平面表面齊平的端部與所述開口(3)相對(duì)地設(shè)置的步驟，以及-用于蝕刻所述絕緣體型襯底上的硅和涂覆所述納米導(dǎo)線的所述材料層，以首先去除 所述絕緣體型襯底上的硅、且然后形成涂覆所述納米導(dǎo)線的N個(gè)不同水平的所述第二材 料層的步驟，這N個(gè)不同水平使得能夠分別定義彼此高度不同的N個(gè)不同納米導(dǎo)線，N 為大于或等于2的整數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于制造3D成像裝置的方法，其中，所述用于形成所述第 一結(jié)構(gòu)(Dl)的步驟包括-用于在所述光電探測(cè)器(2)矩陣(M)的所述表面上沉積所述第一材料層(1)的步 驟，以及-用于蝕刻所述第一材料層⑴以形成在所述光電探測(cè)器⑵處得到的所述開口(3) 的步驟。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的用于制造3D成像裝置的方法，其中，所述用于形成所 述第二結(jié)構(gòu)(D2)的步驟包括-用于在所述絕緣體型襯底(S)上的硅上沉積金屬層的步驟，_用于蝕刻所述金屬層以形成在所述絕緣體 型組件(S)上的硅上以與在所述光電探測(cè) 器矩陣上分布所述開口(3)的方式基本相同的方式分布的一組金屬觸點(diǎn)(4)的步驟，_用于從所述金屬觸點(diǎn)(4)生長(zhǎng)納米導(dǎo)線(5)的步驟，-用于在所述絕緣體型襯底(S)上的硅上沉積所述第二材料層(6)以涂覆所有所述納 米導(dǎo)線(5)的步驟，以及-用于使所述第二材料層(6)平面化以去除所述金屬觸點(diǎn)(4)并使所述第二層(6)的 表面成為平面從而使所述納米導(dǎo)線與所述表面齊平的步驟。
9.一種3D成像系統(tǒng)，包括能夠形成三維目標(biāo)(Ob)的體積圖像(I(Ob))的元件，其 特征在于，所述3D成像系統(tǒng)還包括為了所述體積圖像而設(shè)置的根據(jù)權(quán)利要求1到5中任 一項(xiàng)所述的的3D成像裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的3D成像系統(tǒng)，其中，所述能夠形成三維目標(biāo)的體積圖像的 元件是透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及3D成像裝置、用于制造該3D成像裝置的方法以及3D成像系統(tǒng)，該3D成像裝置包括光電探測(cè)器(2)矩陣(M)；固定在光電探測(cè)器矩陣的一個(gè)表面上的材料層(1)，材料層(1)能夠吸收或反射光，每個(gè)光電探測(cè)器(2)處的所述材料層中均形成有開口(3)；固定在所述材料(1)層上的能夠反射或吸收光的絕緣材料層(6)，絕緣材料層(6)具有在其本體中包圍一組G個(gè)波導(dǎo)件(5)的一個(gè)表面，這組波導(dǎo)件中的每個(gè)波導(dǎo)件(5)均與開口(3)相對(duì)地、且關(guān)于所述表面豎直地設(shè)置，關(guān)于絕緣材料層的表面考慮的不同波導(dǎo)件的高度定義N個(gè)不同水平，N為大于或等于2的整數(shù)。
文檔編號(hào)H01L27/146GK102024833SQ20101028735
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者塞爾吉奧·尼科萊蒂, 斯特凡娜·蓋廷, 皮埃爾·費(fèi)雷 申請(qǐng)人:法國(guó)原子能及替代能源委員會(huì)