相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求由christopherparks發(fā)明的、提交于2016年2月25日的名稱為“improvedmethodsofformingimagingpixelmicrolenses”(形成成像像素微透鏡的改進(jìn)方法)的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)no.62/299628的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)以引用方式并入本文，并且據(jù)此要求該申請(qǐng)的共同主題的優(yōu)先權(quán)。

背景技術(shù)：

本發(fā)明整體涉及成像系統(tǒng)，更具體地講，涉及具有帶微透鏡的像素的成像系統(tǒng)。

現(xiàn)代電子設(shè)備(諸如移動(dòng)電話、相機(jī)和計(jì)算機(jī))通常使用數(shù)字圖像傳感器。成像傳感器(有時(shí)稱為成像器)可由二維圖像感測(cè)像素陣列形成。每個(gè)像素包括光敏層，該光敏層接收入射光子(光)并將光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾伞Ｓ袝r(shí)，圖像傳感器被設(shè)計(jì)為使用聯(lián)合圖像專家組(jpeg)格式將圖像提供給電子設(shè)備。

圖像傳感器中的每個(gè)像素可由微透鏡覆蓋，以把光聚焦到該像素上。常規(guī)的微透鏡可使用光刻法形成，其中使用光將光刻膠圖案化成為所需的微透鏡形狀。然而，光刻法可能僅能夠精確地將薄光刻膠層圖案化。因此，光刻法可能不是形成用于大像素的、具有較大厚度微透鏡的恰當(dāng)方法。

所以希望提供改進(jìn)的形成像素微透鏡的方法。

附圖說明

圖1為可包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的圖像傳感器的示例性電子設(shè)備的示意圖。

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性像素陣列和相關(guān)讀出電路的示意圖，所述讀出電路用于從像素陣列讀出圖像信號(hào)。

圖3為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D，該圖像傳感器具有在微透鏡形成之前在襯底中形成的感光區(qū)域。

圖4為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的具有第一層光刻膠的示例性圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D。

圖5為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D，該圖像傳感器具有已經(jīng)被圖案化以形成微透鏡的第一部分的光刻膠層。

圖6為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D，該圖像傳感器具有在第一微透鏡部分上方形成的第二層光刻膠。

圖7為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的已將第二層光刻膠圖案化之后的示例性圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D。

圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的在第二層光刻膠已被熔化以形成微透鏡的第二部分之后的示例性圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D。

圖9為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的示例性圖像傳感器的橫截面?zhèn)纫晥D，該圖像傳感器具有含兩個(gè)彎曲的表面的光刻膠層。

圖10為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于形成微透鏡的示例性步驟的流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的實(shí)施例涉及像素具有微透鏡的圖像傳感器。圖1中示出了可包括具有微透鏡的像素的示例性電子設(shè)備。電子設(shè)備10可以是數(shù)字照相機(jī)、計(jì)算機(jī)、移動(dòng)電話、醫(yī)療設(shè)備或其他電子設(shè)備。相機(jī)模塊12(有時(shí)稱為成像設(shè)備)可包括圖像傳感器16和一個(gè)或多個(gè)透鏡14。在操作期間，透鏡14將光聚焦到圖像傳感器16上。圖像傳感器16包括將光轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的光敏元件(如，像素)。圖像傳感器可具有任何數(shù)量(如，數(shù)百、數(shù)千、數(shù)百萬或更多)的像素。典型的圖像傳感器可(例如)具有數(shù)百萬的像素(如，百萬像素)。例如，圖像傳感器16可包括偏置電路(如，源極跟隨器負(fù)載電路)、采樣保持電路、相關(guān)雙采樣(cds)電路、放大器電路、模擬-數(shù)字(adc)轉(zhuǎn)換器電路、數(shù)據(jù)輸出電路、存儲(chǔ)器(如，緩沖電路)、尋址電路等。

可將來自圖像傳感器16的靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)和視頻圖像數(shù)據(jù)提供給處理電路18。處理電路18可用于執(zhí)行圖像處理功能，諸如自動(dòng)聚焦功能、深度感測(cè)、數(shù)據(jù)格式化、調(diào)節(jié)白平衡和曝光、實(shí)現(xiàn)視頻圖像穩(wěn)定、臉部檢測(cè)等。

處理電路18也可用于根據(jù)需要壓縮原始相機(jī)圖像文件(例如，壓縮成聯(lián)合圖像專家組格式或簡(jiǎn)稱jpeg格式)。在典型布置(有時(shí)稱為片上系統(tǒng)(soc)布置)中，圖像傳感器16和處理電路18在共用集成電路上實(shí)現(xiàn)。使用單個(gè)集成電路來實(shí)現(xiàn)圖像傳感器16和處理電路18可有助于降低成本。不過，這僅為示例性的。如果需要，圖像傳感器16和處理電路18可使用單獨(dú)的集成電路來實(shí)現(xiàn)。處理電路18可包括微處理器、微控制器、數(shù)字信號(hào)處理器、專用集成電路或其他處理電路。

如圖2所示，圖像傳感器16可包括包含被布置成行和列的圖像傳感器像素22(有時(shí)在本文稱為圖像像素或像素)的像素陣列20以及控制和處理電路24(其可包括例如圖像信號(hào)處理電路)。陣列20可包含例如幾百或幾千行以及幾百或幾千列圖像傳感器像素22?？刂齐娐?4可耦合至行控制電路26和圖像讀出電路28(有時(shí)稱為列控制電路、讀出電路、處理電路或列解碼器電路)。

行控制電路26可從控制電路24接收行地址，并且通過行控制路徑30將對(duì)應(yīng)的行控制信號(hào)，例如，復(fù)位控制信號(hào)、行選擇控制信號(hào)、電荷傳輸控制信號(hào)、雙轉(zhuǎn)換增益控制信號(hào)和讀出控制信號(hào)提供給像素22?？蓪⒁桓蚨喔鶎?dǎo)線(例如，列線32)耦合至陣列20中的各列像素22。列線32可用于讀出來自像素22的圖像信號(hào)以及用于將偏置信號(hào)(如，偏置電流或偏置電壓)提供給像素22。如果需要，在像素讀出操作期間，可使用行控制電路26選擇陣列20中的像素行，并且可沿列線32讀出由該像素行中的圖像像素22生成的圖像信號(hào)。

圖像讀出電路28可通過列線32接收?qǐng)D像信號(hào)(如，由像素22生成的模擬像素值)。圖像讀出電路28可包括用于對(duì)從陣列20讀出的圖像信號(hào)進(jìn)行采樣和暫時(shí)存儲(chǔ)的采樣保持電路、放大器電路、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換(adc)電路、偏置電路、列存儲(chǔ)器、用于選擇性啟用或禁用列電路的閂鎖電路或者耦合至陣列20中的一個(gè)或多個(gè)像素列以用于操作像素22以及用于讀出來自像素22的圖像信號(hào)的其他電路。讀出電路28中的adc電路可將從陣列20接收的模擬像素值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字像素值(有時(shí)稱為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)或數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù))。圖像讀出電路28可針對(duì)一個(gè)或多個(gè)像素列中的像素通過路徑25將數(shù)字像素?cái)?shù)據(jù)提供給控制和處理電路24和/或處理器18(圖1)。

圖3為示例性圖像傳感器在微透鏡形成之前的橫截面?zhèn)纫晥D。在步驟200中，可在襯底100中形成感光區(qū)域105。襯底100可以是摻雜半導(dǎo)體材料，諸如硅。例如，襯底100可由p型摻雜硅形成。然而，這個(gè)例子僅為示例性的，并且襯底100可由任何所需材料形成。感光區(qū)域105可以是光電二極管、釘扎光電二極管、光電容器或任何其他所需的光-電轉(zhuǎn)換元件。在一個(gè)示例性例子中，感光區(qū)域105可以是由n型摻雜硅形成的釘扎光電二極管。感光區(qū)域105可用于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)像素或電荷耦合器件(ccd)像素。

襯底100可以由層110覆蓋。層110可被形成為使得層110直接覆蓋并接觸襯底100和感光區(qū)域105。層110可包括濾色器材料、電介質(zhì)鈍化層、多晶硅柵極、金屬柵極或金屬線。層110可包括多個(gè)層(例如，在電介質(zhì)鈍化層上形成的濾色器層)。然而，為簡(jiǎn)單起見，層110在圖3中被示出為一層。在圖像傳感器16是正照式圖像傳感器的實(shí)施例中，層110可包括具有金屬信號(hào)線的電介質(zhì)層。還可以在具有金屬信號(hào)線的電介質(zhì)層上形成濾色器層。在圖像傳感器16是背照式圖像傳感器的實(shí)施例中，金屬信號(hào)線可在感光區(qū)域105下方形成。

在圖4的步驟202處，光刻膠材料可在層110和具有感光區(qū)域105的襯底100上方形成。光刻膠115可在以后用于形成像素的微透鏡的一部分。可使用任何所需的方法在層110上方形成光刻膠115(例如，光刻膠可被噴涂、涂覆、沉積等)。如圖4所示，光刻膠材料115可具有厚度116。厚度116可以是大約2微米、大約1微米、小于2微米、小于1微米、大于0.1微米、小于0.1微米、介于0.1微米和2微米之間，或任何其他所需的厚度。光刻膠115的厚度116可足夠小以經(jīng)歷精確光刻。

在步驟204處，光刻膠可經(jīng)歷光刻以形成第一微透鏡部分118。首先，圖像傳感器可涂覆有光刻膠層。光刻膠層可為正性光刻膠或負(fù)性光刻膠?？墒褂醚谀觼磉x擇性地使光刻膠的各部分曝光。掩模層可以是半色調(diào)掩模。用于選擇性地將光刻膠的各部分曝光的掩模層的例子僅為示例性的，并且如果需要，可使用其他方法來選擇性地將光刻膠的個(gè)部分曝光。在使用正性光刻膠的實(shí)施例中，可將光選擇性地施加到成像像素之間的光刻膠部分(例如，區(qū)域122)以形成微透鏡的彎曲的表面。可使掩模完全覆蓋成像像素的中心部分(例如，區(qū)域120)，以防止光刻膠的這些部分曝光。然后可使光刻膠暴露于光刻膠顯影劑。當(dāng)暴露于顯影劑時(shí)，曝光的部分(區(qū)域122)可以是可溶的。當(dāng)暴露于顯影劑時(shí)，掩蔽部分可保持不溶解。

在其他實(shí)施例中，可使用負(fù)性光刻膠來涂覆圖像傳感器。在這些實(shí)施例中，成像像素的中心部分120可完全曝光，而區(qū)域122可通過掩模層選擇性地免于曝光。當(dāng)光被施加到光刻膠時(shí)，負(fù)性光刻膠可變得不溶于光刻膠顯影劑。因此，區(qū)域120中的光刻膠將保持不變，而區(qū)域122中的光刻膠將被圖案化成微透鏡的彎曲的表面。光刻膠可暴露于任何所需類型的光(例如，紫外光、可見光、紅外光等)，并且掩?？捎扇魏嗡璧牟牧闲纬伞?/p>

如圖5所示，光刻之后，第一微透鏡部分118可具有頂表面124和彎曲的側(cè)表面126。如果需要，頂表面124(其有時(shí)可被稱為基座或基座表面)可以是平面的或大體平坦的表面。彎曲的側(cè)表面126可精確地彎曲，使得穿過側(cè)表面126的入射光將聚焦在感光區(qū)域105上。

在圖6的步驟206處，可在第一微透鏡部分118(其由光刻膠115形成)上方形成附加的光刻膠材料128。然后，此附加的光刻膠材料可經(jīng)歷光刻以形成圖案化的光刻膠部分130，如圖7的步驟208所示。光刻膠128可以是正性光刻膠或負(fù)性抗蝕劑，如上文結(jié)合圖5所述。圖案化的光刻膠部分130可具有與微透鏡部分118的頂表面相同的形狀。例如，如果微透鏡部分118是具有圓形上表面124的圓形，則每個(gè)光刻膠部分130可以是具有與上表面124的面積和形狀相匹配的底表面132的圓柱體。光刻膠部分130的厚度134可以是大約2微米、大于2微米、大約1微米、小于2微米、小于1微米、大于0.1微米、小于0.1微米、介于0.1微米和2微米之間，或任何其他所需的厚度。

在步驟210處，圖案化的光刻膠部分130可經(jīng)歷回流過程?；亓鬟^程可加熱光刻膠130使其溫度超過其熔點(diǎn)，使得光刻膠從固體轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w。在被熔化之后，光刻膠部分130可形成球形頂蓋，該球形頂蓋形成微透鏡的第二部分136。熔化的光刻膠的表面張力將確保光刻膠不會(huì)從基座表面124流下，而是形成彎曲的第二微透鏡部分136。第二微透鏡部分136和第一微透鏡部分118可結(jié)合以形成微透鏡138。微透鏡138可具有厚度140。厚度140可小于10微米、小于6微米、小于4微米、大約4微米、介于3微米和5微米之間、小于2微米、大約2微米或大于2微米。微透鏡138的厚度140可大于僅通過光刻法可實(shí)現(xiàn)的厚度。

微透鏡138的第一部分和第二部分(分別為118和136)可具有相同的折射率或不同的折射率。微透鏡138的第二部分136可具有比微透鏡的第一部分118更低的熔點(diǎn)。這確保了在光刻膠130回流以形成微透鏡部分136期間，第一微透鏡部分118也不會(huì)熔化而是保持其結(jié)構(gòu)完整性。另外，在被圖案化之后，第一微透鏡部分118可在固化過程中暴露于熱、光或其他能量。固化過程可有助于確保層118在回流過程中不會(huì)熔化。

利用光刻法和回流的組合形成的微透鏡可具有任何所需形狀。例如，微透鏡可以形成為圓形或橢圓形。如果需要，同一圖像傳感器中的不同微透鏡可具有不同的形狀。例如，一些微透鏡可形成為圓形，而一些微透鏡可形成為橢圓形。

如圖9所示，光刻膠層118的上表面124可以不是平面的。光刻膠層118可在光刻期間形成為具有彎曲的上表面。之后，當(dāng)通過回流形成層136時(shí)，熔化的光刻膠可符合該彎曲的表面。這種類型的彎曲的表面可形成雙凸透鏡形狀，而不是圖8的平凸透鏡形狀。

圖10是用于形成微透鏡的示例性步驟的流程圖。在步驟302處，可將第一光刻膠沉積在圖像傳感器上。第一光刻膠可以是正性光刻膠或負(fù)性光刻膠，而且第一光刻膠可具有任何所需的厚度。接下來，在步驟304處，可使用光刻法將第一光刻膠圖案化。在圖案化期間，第一光刻膠可通過半色調(diào)掩模曝光。圖案化的第一光刻膠可形成微透鏡的第一部分。圖案化的第一光刻膠可具有平面的上表面或非平面的上表面。

在步驟306處，可在第一光刻膠上沉積第二光刻膠。第二光刻膠可涂覆整個(gè)圖像傳感器。第二光刻膠可以是正性光刻膠或負(fù)性光刻膠。然后可在步驟308處使用光刻法將第二光刻膠圖案化。在圖案化期間，第二光刻膠可通過半色調(diào)掩模曝光。圖案化的第二光刻膠可在圖案化的第一光刻膠的上表面上形成盤。圖案化之后的第二光刻膠可具有平面的上表面。

在步驟310處，可加熱第二光刻膠以使得第二光刻膠熔化。在熔化之后，圖案化的第二光刻膠可具有彎曲的上表面。第二光刻膠可形成微透鏡的第二部分。

在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，一種形成微透鏡的方法可包括：將第一光刻膠圖案化以形成微透鏡的第一部分；在微透鏡的第一部分上形成第二光刻膠；以及加熱第二光刻膠，使得第二光刻膠熔化并形成微透鏡的第二部分。該方法可還包括在將第一光刻膠圖案化之前在襯底上形成第一光刻膠。將第一光刻膠圖案化可包括通過掩模層將第一光刻膠選擇性地曝光。形成第二光刻膠可包括在第一光刻膠上形成第二光刻膠。該方法可還包括在第一光刻膠上形成第二光刻膠之后將第二光刻膠圖案化。將第二光刻膠圖案化可包括選擇性地曝光第二光刻膠。

第一光刻膠可具有第一折射率，第二光刻膠可具有第二折射率。第一折射率可與第二折射率不同。第一折射率可與第二折射率相同。第一光刻膠可具有第一熔點(diǎn)。第二光刻膠可具有第二熔點(diǎn)。第一熔點(diǎn)可高于第二熔點(diǎn)。微透鏡的第一部分可具有平面的上表面和彎曲的側(cè)表面。微透鏡的第二部分可具有平面的下表面和彎曲的上表面。微透鏡的厚度可大于兩微米。

在各種實(shí)施例中，一種方法可包括：在圖像傳感器上方形成第一光刻膠層；將第一光刻膠層圖案化，使得存在多個(gè)圖案化的第一光刻膠部分；在第一光刻膠層上方形成第二光刻膠層，使得存在多個(gè)圖案化的第二光刻膠部分；以及加熱多個(gè)圖案化的第二光刻膠部分，使得圖案化的第二光刻膠部分熔化。圖像傳感器可具有多個(gè)感光區(qū)域。每個(gè)圖案化的第一光刻膠部分可覆蓋相應(yīng)的感光區(qū)域。每個(gè)圖案化的第二光刻膠部分可覆蓋相應(yīng)的圖案化的第一光刻膠部分。每個(gè)熔化的圖案化的第二光刻膠部分可具有彎曲的上表面。第一光刻膠層可具有第一熔點(diǎn)，第二光刻膠層可具有第二熔點(diǎn)，并且第二熔點(diǎn)可低于第一熔點(diǎn)。將第一光刻膠層圖案化以使得存在多個(gè)圖案化的第一光刻膠部分可包括使用光刻法將第一光刻膠層圖案化。

在各種實(shí)施例中，一種在成像像素上方形成微透鏡的方法可包括：使用光刻法將第一光刻膠圖案化以形成微透鏡的第一部分；使用光刻法將第二光刻膠圖案化，以在微透鏡的第一部分的上表面上形成圖案化的光刻膠部分；以及將圖案化的光刻膠部分暴露于熱，使得此圖案化的光刻膠部分熔化并形成彎曲的上表面。微透鏡的第一部分可具有上表面，并且圖案化的光刻膠部分可具有平面的上表面。將圖案化的光刻膠部分暴露于熱以使得此圖案化的光刻膠部分熔化并形成彎曲的上表面可包括：將圖案化的光刻膠部分暴露于熱，以使得此圖案化的光刻膠部分熔化并形成微透鏡的第二部分。微透鏡的第一部分的上表面可以是平面的或非平面的。微透鏡的第一部分的非平面的上表面可形成雙凸透鏡的一部分。

前述內(nèi)容僅是對(duì)本發(fā)明原理的示例性說明，因此本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的前提下進(jìn)行多種修改。