金属‑电介质滤光器、传感器设备及制造方法与流程

本发明涉及金属-电介质滤光器、包括这一滤光器的传感器设备以及制造这一滤光器的方法。

发明背景

光学传感器被用于光学传感器设备(诸如，图像传感器、环境光传感器、接近度传感器、颜色传感器以及UV传感器)，以将光学信号转换成电信号，允许光学信号的检测或者图像采集。光学传感器通常包括一个或多个传感器元件以及设置在一个或多个传感器元件上的一个或多个滤光器。

例如，彩色图像传感器包括设置成阵列的多个滤色器，即，滤色器阵列(CFA)。CFA包括具有不同的颜色通频带的不同类型的滤色器，例如，红、绿、蓝(RGB)滤光器。

传统上，将使用染料形成的吸收滤光器用作滤色器。不幸的是，这种基于染料的滤色器具有相对宽的颜色通频带，这造成颜色不够鲜艳。可替换地，可以将由堆叠电介质层形成的分色滤光器(即，干涉滤光器)用作滤色器。这种全电介质滤色器具有较高的透射水平和较窄的颜色通频带，这造成较明亮的并且较鲜艳的颜色。然而，随着入射角的改变，全电介质滤色器的颜色通频带经历相对大的中心波长偏移，这造成在颜色上不理想的偏移。

此外，全电介质滤色器通常包括大量的堆叠电介质层，并且全电介质滤色器相对厚。结果，全电介质滤色器昂贵并且难以制造。具体来说，全电介质滤色器难以化学蚀刻。因此，优选将剥离工艺用于图案化。用于对CFA中的全电介质滤色器进行图案化的剥离工艺的示例在1992年6月9日颁布的Hanrahan的美国专利No.5,120,622中、1998年1月27日颁布的Buchsbaum的美国专利No.5,711,889中、2001年5月29日颁布的Edlinger等人的美国专利No.6,238,583中、2003年10月28日颁布的Buchsbaum等人的美国专利No.6,638,668中以及2010年1月19日颁布的Buchsbaum等人的美国专利No.7,648,808中被公开。然而，剥离工艺通常受限于是滤层高度的大约两倍的滤波器间隔，这使得难以实现适合较小的彩色图像传感器的全电介质CFA。

除了透射颜色通频带中的可见光之外，基于染料的滤色器和全电介质滤色器两者同样透射带来噪声的红外(IR)光。因此，彩色图像传感器通常还包括设置在CFA之上的IR阻挡式滤光器。IR阻挡式滤光器还被用于在可见光谱范围中操作的其他光学传感器设备。传统上，将由彩色玻璃形成的吸收滤光器或者由堆叠电介质层形成的分色滤光器用作IR阻挡式滤光器。可替换地，可以将由堆叠金属和电介质层形成的诱导透射滤光器用作IR阻挡式滤光器。金属-电介质IR阻挡式滤光器的示例在1997年7月15日颁布的Sakamoto等人的美国专利No.5,648,653中以及2006年11月7日颁布的Ockenfuss等人的美国专利No.7,133,197中被公开。

为了避免使用IR阻挡式滤光器，可以将由堆叠金属和电介质层形成的诱导透射滤光器用作滤色器。金属-电介质滤光器(诸如，金属-电介质滤色器)是内在地阻挡IR的。通常，金属-电介质滤色器具有不会随着入射角的改变而在波长上显著偏移的、相对窄的颜色通频带。此外，金属-电介质滤色器通常比全电介质滤色器薄得多。金属-电介质滤色器的示例在1990年12月25日颁布的McGuckin等人的美国专利No.4,979,803中、2000年2月29日颁布的Wang的美国专利No.6,031,653中、2009年12月10日公布的Gidon等人的美国专利申请No.2009/0302407中、2011年8月25日公布的Grand的美国专利申请No.2011/0204463中以及2012年4月12日公布的Gidon等人的美国专利申请No.2012/0085944中被公开。

通常，金属-电介质滤光器(诸如，金属-电介质滤色器)中的金属层是银或铝层，其是环境不稳定的，并且在暴露于即使是少量的水或者硫磺的时候也会变质。化学蚀刻银层使银层的边缘暴露于环境，这引起变质。因此，在大多数实例中，通过调整仅电介质层的厚度以选择金属-电介质滤色器的不同的颜色通频带来对CFA中的金属-电介质滤色器进行图案化。换句话说，需要具有不同的颜色通频带的不同类型的金属-电介质滤色器具有彼此相同数量的银层以及彼此相同厚度的银层。不幸的是，这些要求严重地限制了金属-电介质滤色器的可能的光学设计。

本发明提供了不受限于这些要求的金属-电介质滤光器，其尤其适合用于图像传感器和其他传感器设备，诸如，环境光传感器、接近度传感器、颜色传感器和UV传感器。

发明概述

因此，本发明涉及滤光器，其设置在基底上，包括：一个或多个电介质层；以及一个或多个金属层，其在基底上与一个或多个电介质层交替堆叠，其中，一个或多个金属层中的每个均具有在滤光器的外围处沿着金属层的整个外围延伸的、被一个或多个电介质层中的至少一个电介质层沿着金属层的整个外围保护性覆盖的斜切边缘。

本发明还涉及传感器设备，其包括：一个或多个传感器元件；以及设置在一个或多个传感器元件上的一个或多个滤光器，其中，一个或多个滤光器中的每个均包括：一个或多个电介质层；以及与一个或多个电介质层交替堆叠的一个或多个金属层，其中，一个或多个金属层中的每个均具有在滤光器的外围处沿着金属层的整个外围延伸的、被一个或多个电介质层中的至少一个电介质层沿着金属层的整个外围保护性覆盖的斜切边缘。

本发明还涉及制造滤光器的方法，该方法包括：提供基底；将光刻胶层施加到基底上；对光刻胶层进行图案化，以暴露基底的滤光器区域，由此，在图案化的光刻胶层中形成围绕滤光器区域的外伸部；将包括与一个或多个电介质层交替堆叠的一个或多个金属层的多层叠层沉积到图案化的光刻胶层和基底的滤光器区域上；移除图案化的光刻胶层和图案化的光刻胶层上的一部分多层叠层，使得在基底的滤光器区域上残留的一部分多层叠层形成滤光器，其中，滤光器中的一个或多个金属层中的每个均具有在滤光器的外围处沿着金属层的整个外围延伸的、被一个或多个电介质层中的至少一个电介质层沿着金属层的整个外围保护性覆盖的斜切边缘。

附图简述

将参考附图更详细地描述本发明，其中：

图1A是滤光器的第一实施例的横截面的示意图；

图1B至图1G是制造图1A中的滤光器的方法的步骤的示意图；

图2是滤光器的第二实施例的横截面的示意图；

图3是多个滤光器的横截面的示意图；

图4A是示例性红色滤光器的层数量、材料和厚度的表格；

图4B是示例性绿色滤光器的层数量、材料和厚度的表格；

图4C是示例性蓝色滤光器的层数量、材料和厚度的表格；

图4D是示例性明视觉滤光器(photopic filter)的层数量、材料和厚度的表格；

图5A和5B是图4A至图4C中的示例性红色、绿色和蓝色滤光器的透射光谱的绘图；

图5C是图4D中的示例性明视觉滤光器在0°至60°的入射角的透射光谱的绘图；

图6A是图4A至图4C中的示例性红色、绿色和蓝色(RGB)滤光器组以及常规的基于染料的RGB滤光器组的色域的绘图；

图6B是图4A中的示例性红色滤光器以及传常规的全电介质红色滤光器在0°至60°的入射角的颜色轨迹的绘图；

图6C是图4D中的示例性明视觉滤光器在0°至60°的入射角的颜色轨迹的绘图；

图7是传感器设备的第一实施例的横截面的示意图；

图8是传感器设备的第二实施例的横截面的示意图；

图9A和图9B是在图案化的光刻胶层和基底上沉积的连续涂层的横截面的扫描电子显微照片；

图9C是从图9A和图9B中的连续涂层形成的滤光器的俯视图的光学显微照片，其显示了在暴露于高湿度和温度之后的腐蚀；

图10是在图案化的光刻胶层和基底上沉积的非连续涂层的横截面的扫描电子显微照片；

图11A和图11B是在具有较厚的底部释放层和较大外伸部的图案化的光刻胶层和基底上沉积的非连续涂层的横截面的扫描电子显微照片；

图12是示例性紫外线A(UVA)、紫外线B(UVB)和220nm中心波长的滤光器的层数量、材料和厚度的表格；

图13A是图12中的示例性UVA滤光器在0°至60°的入射角的透射光谱的绘图；

图13B是图12中的示例性UVB滤光器在0°至60°的入射角的透射光谱的绘图；

图13C是图12中的示例性220nm中心波长的滤光器在0°至60°的入射角的透射光谱的绘图；

图14是示例性明视觉滤光器在0°至60°的入射角的透射光谱的绘图；

图15A是传感器设备的第三实施例的横截面的示意图；

图15B是图15A中的传感器设备的俯视图的示意图；

图15C是图15A中的传感器设备的可替换布局的俯视图的示意图；以及

图16是传感器设备的第四实施例的俯视图的示意图。

发明详述

本发明提供了具有保护金属层的金属-电介质滤光器，其尤其适合用于传感器设备，诸如，图像传感器、环境光传感器、接近度传感器、颜色传感器或者紫外线(UV)传感器。滤光器包括交替堆叠的一个或多个电介质层以及一个或多个金属层。金属层受到电介质层内在地保护。具体来说，金属层具有被电介质层中的一个或多个电介质层保护性覆盖的斜切边缘。因此，金属层对于环境退化具有增加的抵抗，产生环境上较耐用的滤光器。

在一些实施例中，一个或多个电介质层和一个或多个金属层在没有任何中间层的情况下堆叠。参考图1A，设置在基底110上的滤光器100的第一实施例，其包括交替堆叠的三个电介质层120和两个金属层130。每个金属层130都设置在两个电介质层120之间并且与两个电介质层120邻近，并且由此免受环境的影响。电介质层120和金属层130是连续层，不具有在其中形成的任何微观结构。

金属层130在滤光器100的外围101处具有斜切边缘131。换句话说，金属层130在滤光器100的整个中央部分102上在厚度上基本均匀，但是在滤光器100的外围101处在厚度上逐渐减少。斜切边缘131在滤光器100的外围101处沿着金属层130的整个边缘延伸。同样，电介质层120在滤光器100的整个中央部分102上在厚度上基本均匀，但是在滤光器100的外围101处在厚度上逐渐减少。因此，滤光器100的中央部分102在高度上基本均匀，然而滤光器100的外围101是倾斜的。换句话说，滤光器100具有基本平坦的顶部和倾斜的侧部。通常，滤光器100的侧部以小于大约45°的角度从水平倾斜。优选地，滤光器100的侧部以小于大约20°的角度从水平倾斜，更优选地，以小于大约10°的角度从水平倾斜。

有利的是，金属层130的斜切边缘131不暴露于环境。相反，金属层130的斜切边缘131被电介质层120中的一个或多个电介质层沿着金属层130的整个外围保护性覆盖。一个或多个电介质层120(例如，通过抑制硫磺和水扩散进金属层130)抑制了金属层130的环境变质(例如，腐蚀)。优选地，金属层130基本上由电介质层120封装。更优选地，金属层130的斜切边缘131由邻近的电介质层120保护性覆盖，并且金属层130基本上由邻近的电介质层120封装。在一些实例中，顶部电介质层120(即，在滤光器100顶部的电介质层120)保护性覆盖在下面的所有金属层130的斜切边缘131。

参考图1B至图1G，可以通过剥离工艺制造滤光器100的第一实施例。具体参考图1B，在第一步，提供基底110。具体参考图1C，在第二步，将光刻胶层140施加到基底110上。通常，通过旋涂或者喷涂施加光刻胶层140。

具体参考图1D，在第三步，对光刻胶层140进行图案化，以暴露基底110中的将要设置滤光器100的区域，即，滤光器区域。基底110的其他区域保持由图案化的光刻胶层140覆盖。通常，通过首先将光刻胶层140的覆盖基底110的滤光器区域的区域暴露于通过掩膜的UV光，并且然后通过使用适合的显影剂或者溶剂来使光刻胶层140的暴露出的区域显影(即，蚀刻暴露出的区域)来对光刻胶层140进行图案化。

以这样的方式对光刻胶层140进行图案化使得在图案化的光刻胶层140中形成围绕滤光器区域的外伸部141(即，倒凹)。通常，通过化学(例如，通过使用适合的溶剂)对光刻胶层140的顶部部分改性使得光刻胶层140的顶部部分比底部部分显影得更慢，来形成外伸部141。可替换地，可以通过将由显影得较慢的顶层和显影得较快的底层组成的双层光刻胶层140施加于基底110，来形成外伸部141。

如图1E中显示的，外伸部141应当足够大，以确保涂层(即，多层叠层103)基本沉积在图案化的光刻胶层140上并且基底110不从基底110连续到图案化的光刻胶层140。外伸部141通常大于2μm，优选大于4μm。通常，涂层应当不覆盖图案化的光刻胶层140的侧部。

参考图9A和图9B，当涂层903在基底910和图形化的光刻胶层940之上连续的时候，在后续剥离光刻胶层940和涂层903在光刻胶层940之上的部分的期间，在图案化的光刻胶层940的底部边缘处涂层903被破坏，使由涂层903形成的滤光器的边缘(具体来说是滤光器的金属层的边缘)暴露于环境。不幸的是，如针对包含银的滤光器900的图9C中显示的，暴露出的边缘易受环境侵蚀的影响，例如，当暴露于高湿度和温度的时候，这导致腐蚀。

参考图10，在提供非连续涂层1003的实施例中，光刻胶层具有双层结构，并且包括顶层1042和底层1043。顶层1042是光敏的并且可通过选择性地暴露于UV光而被图案化。底层1043通常不是光敏的并且充当释放层。抗蚀剂的适合的示例包括用于顶部光刻胶层1042的AZ电子材料nLOF 2020，以及用于底部释放层1043的Microchem公司的LOR 10B。

当光刻胶层被显影的时候，外伸部1041的长度受显影时间约束。在图10中，显影时间被选择以提供大约3μm的外伸部1041。优选地，底部释放层1043的厚度大于大约500nm，并且外伸部1041大于大约2μm。为了确保干净的剥离(即，剥离而不破坏沉积的涂层1003)，涂层1003的厚度通常应当小于底部释放层1043的厚度的大约70％。在图10中，底部释放层1043的厚度是大约800nm，顶部光敏层1042的厚度是大约2μm，并且涂层的厚度是大约500nm。滤光器1000在外伸部1041下面的侧部以大约10°的角度倾斜。

参考图11，在一些实例中，使用较厚的底部释放层1143，通过使用较长的显影时间(例如，针对一些工艺的大约80s至大约100s的时间)产生较大的外伸部1141。这些特征通过减小滤光器1100的侧部的倾斜并且增加在滤光器1100的外围的顶部电介质层1121的厚度，改善了边缘的耐久性。在图11中，显影时间被选择以提供大约6μm的外伸部1141。优选地，底部释放层1143的厚度大于大约2μm，并且外伸部1141大于大约4μm。涂层1103的厚度通常应当小于底层释放层1143的厚度的大约30％。在图11中，底部释放层1143的厚度是大约2.6μm，顶部光敏层1142的厚度是大约2μm，并且涂层1103的厚度是大约500nm。滤光器1100在外伸部1141下面的侧部以大约5°的角度倾斜。

具体参考图1E，在第四步，多层叠层103作为非连续涂层被沉积到图案化的光刻胶层140和基底110的滤光器区域上。设置在基底110的滤光器区域上的一部分多层叠层103形成了滤光器100。可以通过使用各种沉积技术来沉积多层叠层103中与滤光器100中的层对应的层，沉积技术诸如：蒸发，例如，热蒸发、电子束蒸发、等离子体辅助蒸发或者反应离子蒸发；溅射，例如，磁控溅射、反应溅射、交流(AC)溅射、直流(DC)溅射、脉冲DC溅射、或离子束溅射；化学气相沉积，例如，等离子体增强化学气相沉积；以及原子层沉积。此外，可以通过使用不同的沉积技术来沉积不同的层。例如，可以通过金属靶的溅射来沉积金属层130，并且可以在有氧气存在的情况下通过金属靶的反应溅射来沉积电介质层120。

因为外伸部141遮蔽了基底110的滤光器区域的外围，所以沉积层在厚度上朝着滤光器100的外围101逐渐减小。外伸部141朝着滤光器100的外围101产生涂层的软滚降(soft roll-off)。当将电介质层120沉积到金属层130上的时候，电介质层120不但覆盖金属层130的顶面，而且覆盖金属层130的斜切边缘131，由此使金属层130免受环境的影响。此外，顶部电介质层120通常充当下面的金属层130的保护层。例如，如图11A中显示，在图11的实施例中，具有大约100nm的厚度的顶部电介质层1121在下面的较不耐用的金属层(具体来说是金属层的斜切边缘)上延伸并且保护性覆盖较不耐用的金属层。

具体参考图1F，在第五步，将图案化的光刻胶层140上的一部分多层叠层103连同光刻胶层140移除，即，剥离。通常，通过使用适合的去膜剂或者溶剂来剥离光刻胶层140。在基底110的滤光器区域上残留的一部分多层叠层103形成滤光器100。基底110可以例如是常规的传感器元件。

应注意到，同样可以将图1B至图1F中的剥离工艺用于在基底110上同时形成多个相同类型的滤光器100，即，其具有相同的光学设计。此外，可以重复剥离工艺以在相同的基底110上接着形成一个或多个不同类型的滤光器，即，其具有不同的光学设计。在一些实例中，可以在基底110上接着形成在环境上较耐用的一个或多个滤光器，使得如下文中将进一步详细解释地通过使用剥离工艺或者在一些实例中通过使用干法蚀刻工艺或者湿法蚀刻工艺，与在环境上不太耐用的一个或多个滤光器100部分地重叠。由此，可以在基底110上形成滤光器阵列。基底110可以例如是常规的传感器阵列。

具体参考图1G，在可选的第六步，将额外的保护涂层150沉积在滤光器100上。可以通过使用迄今为止提到的沉积技术中的一种沉积技术来沉积保护涂层150。保护涂层150覆盖滤光器100的中央部分102和外围101两者(即，滤光器100的所有暴露的部分)，由此，使滤光器100免受环境的影响。

在其他实施例中，滤光器包括多个腐蚀抑制层，其设置在电介质层和金属层之间，进一步保护金属层。参考图2，设置在基底210上的滤光器200的第二实施例类似于滤光器100的第一实施例，但是还包括在三个电介质层220和两个金属层230之间插入的四个腐蚀抑制层260。

金属层230中的每个金属层都被设置在两个腐蚀抑制层260之间且邻近于两个腐蚀抑制层260，并且由此进一步免受环境的影响。腐蚀抑制层260主要是在沉积工艺期间抑制金属层230的腐蚀。具体来说，腐蚀抑制层260保护金属层230在光路中的各部分，抑制金属层230的光学性质的衰减。优选地，金属层230的斜切边缘231由邻近的腐蚀抑制层260以及由最接近的电介质层220保护性覆盖。这样，金属层230优选基本上由邻近的腐蚀抑制层260以及由最接近的电介质层220封装。

可以通过与用于制造滤光器100的第一实施例的剥离工艺类似的剥离工艺来制造滤光器200的第二实施例。然而，在第四步中沉积的多层叠层中的层对应于滤光器200中的层。具体来说，腐蚀抑制层260在每个金属层230之前和之后被沉积。有利的是，腐蚀抑制层260抑制在电介质层220沉积期间金属层230的腐蚀(即，氧化)。腐蚀抑制层260在金属层230包含银或铝的时候尤其有用。在这种实施例中，腐蚀抑制层260对在金属层230中的银或铝和电介质层220中的氧之间的形成氧化银或者氧化铝的反应进行抑制。

可以通过使用迄今为止提到的沉积技术中的一种沉积技术(例如，反应溅射)使腐蚀抑制层260被沉积为金属化合物(例如，金属氮化物或者金属氧化物)层。可替换地，可以通过首先通过使用迄今为止提到的沉积技术中的一种沉积技术沉积适合的金属层，并且随后使金属层氧化来形成腐蚀抑制层260。优选地，通过首先沉积适合的金属层，使金属层氧化，然后沉积金属氧化层，来形成金属层230顶部上的每个腐蚀抑制层260。例如，可以在有氧气存在的情况下通过适合的金属靶的溅射、然后是适合的金属靶的氧化、然后是适合的金属靶的反应溅射来形成这些腐蚀抑制层260。形成腐蚀抑制层的方法的另外的细节在下文中被提供，并且在美国专利No.7,133,197中被公开。

本发明的滤光器可以具有各种光学设计。在下文中将进一步详细描述示例性滤光器的光学设计。通常，针对具体的通频带，通过选择适合的层数量、材料和/或厚度来优化滤光器的光学设计。

滤光器包括至少一个金属层以及至少一个电介质层。滤光器经常包括多个金属层以及多个电介质层。通常，滤光器包括2至6个金属层、3至7个电介质层以及可选地包括4至12个腐蚀抑制层。通常，增加金属层的数量使通频带具有较陡峭的边缘，但是具有较低的带内透射率。

在光学设计中的第一层或底层(即，在基底上沉积的第一层)可以是金属层或者电介质层。在光学设计中的最后一层或顶层(即，在基底上沉积的最后一层)经常是电介质层。当底层是金属层的时候，滤光器可以由按照(M/D)_n(其中，n≥1)的顺序堆叠的n个金属层(M)和n个电介质层(D)组成。可替换地，滤光器可以由按照(C/M/C/D)_n(其中，n≥1)的顺序堆叠的n个金属层(M)、n个电介质层(D)以及2n个腐蚀抑制层(C)组成。当底层是电介质层的时候，滤光器可以由按照D(M/D)_n(其中，n≥1)的顺序堆叠的n个金属层(M)和n+1个电介质层(D)组成。可替换地，滤光器可以由按照D(C/M/C/D)_n(其中，n≥1)的顺序堆叠的n个金属层(M)、n+1个电介质层(D)以及2n个腐蚀抑制层(C)组成。

金属层中的每个都由金属或合金组成。在一些实施例中，金属层中的每个都由银组成。可替换地，金属层中的每个都可以由银合金组成。例如，主要由大约0.5wt％的金、大约0.5wt％的锡以及余量的银组成银合金可以提供改善的抗腐蚀性。在其他实施例中，金属层中的每个都由铝构成。金属或者合金的选择取决于应用。针对具有在可见光谱区域中的通频带的滤光器，经常优选银，并且针对具有在UV光谱区域中的通频带的滤光器，经常优选铝，但是当通频带的中心在大于大约350nm的波长处的时候，有时可以使用银。

通常而非必须，金属层由相同的金属或者合金组成，但金属层具有不同的厚度。通常，金属层中的每个均具有在大约5nm和大约50nm之间(优选地，在大约10nm和大约35nm之间)的物理厚度。

电介质层中的每个均由在滤光器的通频带中透明的电介质材料组成。

针对具有在可见光谱区域中的通频带的滤光器，通常电介质层中的每个都由在550nm处具有大于大约1.65的折射率的、在可见光谱区域中透明的高折射率电介质材料组成。用于这种滤光器的高折射率电介质材料的适合的示例包括二氧化钛(TiO₂)、二氧化锆(ZrO₂)、二氧化铪(HfO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、五氧化二钽(Ta₂O₅)及其混合物。优选地，用于这种滤光器的高折射率电介质材料同样是吸收UV的，即，在近UV光谱区域中吸收。例如，包括TiO₂和/或Nb₂O₅的或者由TiO₂和/或Nb₂O₅组成的高折射率电介质材料可以提供增强的UV阻挡，即，在近UV光谱区域中较低的带外透射率。优选地，高折射率电介质材料在550nm处具有大于大约2.0的折射率，更优选地，在550nm处具有大于大约2.35的折射率。较高的折射率通常是理想的。然而，当前可用的透明高折射率电介质材料通常在550nm处具有小于大约2.7的折射率。

针对具有在UV光谱区域中的通频带的滤光器，电介质层中的每个通常由在300nm处具有在大约1.4和1.65之间的折射率的中间折射率电介质材料组成，或者优选地由在300nm处具有大于1.65的折射率(或者更优选地，在UV光谱区域中透明的、在300nm处具有大于大约2.2的折射率)的高折射率电介质材料组成。用于具有在UV光谱区域中的通频带的滤光器的中间折射率的和高折射率的电介质材料的适合的示例包括：Ta₂O₅、二氧化铪(HfO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)、二氧化硅(SiO₂)、三氧化钪Sc₂O₃、三氧化二钇(Y₂O₃)、ZrO₂、二氧化镁(MgO2)、氟化镁(MgF₂)、其他氟化物及其混合物。例如，可以将Ta₂O₅用作中心波长在高于大约340nm的波长处的通频带的高折射率电介质材料，并且可以将HfO₂用作中心波长在低于大约400nm的波长处的通频带的高折射率电介质材料。

通常而非必须，电介质层由相同的电介质材料组成，但电介质层具有不同的厚度。通常，电介质层中的每个均具有在大约20nm和大约300nm之间的物理厚度。优选地，顶部电介质层具有大于大约40nm(更优选地，大于大约100nm)的物理厚度，以实现顶部电介质层充当下面的金属层的保护层。每个电介质层的物理厚度被选择为与光学设计需要的四分之一波长光学厚度(QWOT)对应。QWOT被限定为4nt，其中n是电介质材料的折射率，并且t是物理厚度。通常，电介质层中的每个均具有在大约200nm和大约2400nm之间的QWOT。

可选的腐蚀抑制层中的每个均由腐蚀抑制材料组成。通常，腐蚀抑制层由腐蚀抑制电介质材料组成。合适的腐蚀抑制电介质材料的示例包括：氮化硅(Si₃N₄)、TiO₂、Nb₂O₅、氧化锌(ZnO)及其混合物。优选地，腐蚀抑制电介质材料是化合物，例如，相较于金属层的金属或者合金具有更高电偶电位的金属的氮化物或氧化物。

在一些实例中，在金属层下面的腐蚀抑制层由ZnO组成，而在金属层上面的腐蚀抑制层包括由锌组成的非常薄的层(例如，其具有小于1nm的厚度)以及由ZnO组成的薄层。锌层被沉积在金属层上，然后被后氧化(post-oxidized)以防止光学吸收。通常通过反应溅射来沉积金属层下面的和上面的ZnO层。有利的是，在沉积ZnO层之前在金属层上沉积锌层防止金属层暴露于在反应溅射期间产生的活性的电离氧物质。锌层优先吸收氧，这抑制了金属层的氧化。

腐蚀抑制层通常适当地薄以基本上避免影响滤光器的光学设计(特别是腐蚀抑制层正在可见光谱区域中吸收的时候)。通常，腐蚀抑制层中的每个均具有在大约0.1nm和大约10nm之间(优选地，在大约1nm和大约5nm之间)的物理厚度。适合的腐蚀抑制层的另外的细节在美国专利No.7,133,197中被公开。

可选的保护涂层通常由电介质材料组成。保护涂层可以由相同的电介质材料组成，并且保护涂层可以具有与电介质层相同的厚度范围。保护涂层经常由与顶部电介质层相同的电介质材料组成，并且保护涂层具有为顶部电介质层的设计厚度(即，光学设计需要的厚度)的一部分的厚度。换句话说，光学设计的顶部电介质层在电介质层和电介质保护涂层之间被划分。可替换地，保护涂层可以由有机材料(例如，环氧树脂)组成。

参考图3，滤光器300通常具有小于1μm的(优选地，小于0.6μm的)滤层高度h，即，滤光器300的从基底310开始的中央部分的高度。应注意到，滤层高度通常对应于迄今为止所提及的沉积涂层的厚度。当被用于图像传感器的时候，滤光器300通常具有小于2μm的(优选地，小于1μm的)滤光器宽度w，即，滤光器300的中央部分的宽度。有利的是，当通过剥离工艺形成多个滤光器300的时候，相对小的滤层高度允许较小的滤光器间隔。通常，图像传感器中的滤光器300具有小于2μm的(优选地，小于1μm的)滤光器间隔d，即，在最接近的滤光器300的中央部分之间的间隔。当用于具有较大像素尺寸的其他传感器设备的时候，滤光器宽度可以从大约50μm到大约100μm。

滤光器是金属电介质带通滤光器(即，诱导透射滤光器)，其具有高的带内透射率和低的带外透射率。在一些实施例中，滤光器是具有在可见光谱区域中的相对窄的颜色通频带的滤色器。例如，滤光器可以是红色、绿色、蓝色、蓝绿色、黄色或者品红色滤光器。在其他实施例中，滤光器是具有明视觉通频带(即，与模拟在可见光谱区域中人眼对相对明亮的光的光谱响应的明视觉亮度效率函数匹配的通频带)的明视觉滤光器。在又一些实施例中，滤光器是具有在可见光谱区域中的相对宽的通频带的IR阻挡式滤光器。

在这种实施例中，滤光器通常具有大于大约50％的最大带内透射率、在大约300nm和大约400nm之间(即，在近UV光谱区域中)具有小于大约2％的平均带外透射率、以及在大约750nm和大约1100nm之间(即，在红外(IR)光谱区域中)具有小于大约0.3％的平均带外透射率。相反，常规的全电介质滤色器和明视觉滤光器通常不是内在地阻挡IR的。通常，在这种实施例中，滤光器还具有低的角度偏移，即，随着入射角从0°改变的中心波长的偏移。通常，滤光器在60°的入射角处具有小于大约5％的角度偏移，或者对于中心波长在600nm处的滤光器在大小上有大约30nm的偏移。相反，常规的全电介质滤色器和明视觉滤光器通常是对于角度非常敏感的。

分别将针对示例性红色、绿色和蓝色滤光器(即，示例性RGB滤光器组)的光学设计(即，层数量、材料和厚度)列表于图4A、4B和4C中。将示例性明视觉滤光器的光学设计列表于图4D中。每个光学设计的层是从在基底上沉积的第一层或底层开始被计数的。

金属层中的每个均由银组成，并且金属层具有在大约13nm和大约34nm之间的物理厚度。电介质层中的每个均由高折射率电介质材料(H)组成，并且电介质层具有在大约240nm和大约2090nm之间的QWOT。例如，高折射率电介质材料可以是在550nm处具有大约2.43的折射率的、Nb₂O₅和TiO₂的混合物。腐蚀抑制层中的每个均由ZnO组成，并且每个均具有大约2nm的物理厚度。

当高折射率电介质材料在550nm处具有大约2.43的折射率时，红色滤光器的滤层高度是606nm，绿色滤光器的滤层高度是531nm，蓝色滤光器的滤层高度是252nm，并且明视觉滤光器的滤层高度是522nm。这些滤层高度与常规的全电介质滤色器和明视觉滤光器的滤层高度相比小得多。

示例性红色、绿色和蓝色滤光器的透射光谱570、571和572分别在图5A和图5B中被绘出。示例性红色滤光器的透射光谱570包括中心波长在大约620nm处的红色通频带，示例性绿色滤光器的透射光谱571包括中心波长在大约530nm处的绿色通频带，并且示例性蓝色滤光器的透射光谱572包括中心波长在大约445nm处的蓝色通频带。

示例性明视觉滤光器在0°到60°的入射角的透射光谱573(0°)和574(60°)在图5C中被绘出。示例性明视觉滤光器在0°的入射角处的透射光谱573包括中心波长在大约555nm处的明视觉通频带。在示例性明视觉滤光器在60°的入射角处的透射光谱574中，明视觉通频带的中心波长在大约520nm处。换句话说，示例性明视觉滤光器在60°的入射角处的角度偏移是大约25nm。有益的是，示例性明视觉滤光器的角度偏移比常规的全电介质明视觉滤光器的角度偏移小得多。

示例性滤色器和明视觉滤光器中的每个均具有大于大约60％的最大带内透射率。有益的是，与常规的基于染料的滤光器和全电介质滤色器和明视觉滤光器相比，示例性滤色器和明视觉滤光器提供了改善的IR阻挡，降低了由IR泄露带来的噪声。具体来说，示例性滤色器和明视觉滤光器中的每个均在大约750nm和大约1100nm之间(即，在IR光谱区域中)具有小于大约0.3％的平均带外透射率。示例性滤色器和明视觉滤光器(具体来说是示例性红色滤光器)还提供了相对于一些常规的金属电介质滤色器的改善的UV阻挡，这降低了由UV泄露带来的噪声。具体来说，示例性滤色器和明视觉滤光器中的每个均在大约300nm和大约400nm之间(即，在近UV光谱区域中)具有小于大约2％的平均带外透射率。

示例性RGB滤光器组的色域680连同用于比较的常规的基于染料的RGB滤光器组的色域681一起被绘图于图6A中的CIE xy色度图中。有益的是，示例性RGB滤光器组的色域680比常规的基于染料的RGB滤光器组的色域681大得多。

示例性红色滤光器在0°到60°的入射角处的颜色轨迹682连同常规的全电介质红色滤光器在0°到60°的入射角处的颜色轨迹683一起被绘图于图6B中的CIE xy色度图中。示例性明视觉滤光器在0°到60°的入射角处的颜色轨迹684被绘图于图6C中的CIE xy色度图中。有益的是，示例性红色滤光器和明视觉滤光器的角度偏移与常规的全电介质红色滤光器和明视觉滤光器的角度偏移相比小得多。

在一些实施例中，滤光器是具有在UV光谱区域中(例如，在大约180nm和大约420nm之间)的相对窄的通频带的UV滤光器。例如，滤光器可以是紫外线A(UVA)或紫外线B(UVB)滤光器。在这种实施例中，滤光器通常具有大于大约5％的(优选地，大于大约15％的)最大带内透射率、以及在大约420nm和大约1100nm之间(即，在可见光谱区域和IR光谱区域中)小于大约0.3％的平均带外透射率。相反，全常规的电介质UV滤光器通常不是内在地阻挡IR的。通常，在这种实施例中，滤光器还具有低的角度偏移，即，随着入射角从0°改变的中心波长的偏移。通常，滤光器在60°的入射角处具有小于大约5％的角度偏移，或者对于中心波长在300nm处的滤光器在大小上有大约15nm的偏移。相反，常规的全电介质UV滤光器通常是对于角度非常敏感的。

示例性UVA、UVB和中心波长为220nm的滤光器的光学设计(即，层数量、材料和厚度)在图12中被总结。金属层中的每个均由铝组成，并且金属层具有在大约10nm和大约20nm之间的物理厚度。电介质层中的每个均由高折射率电介质材料组成，即，用于UVA滤光器的Ta₂O₅，以及用于UVB滤光器和中心波长为220nm的滤光器的HfO₂，并且电介质层具有在大约40nm和大约60nm之间的物理厚度。示例性UV滤光器不包括腐蚀抑制层，因为当金属层由铝组成的时候，一般并不需要腐蚀抑制层提供的额外的保护。

UVA滤光器的滤层高度是350nm，UVB滤光器的滤层高度是398nm，并且中心波长为220nm的滤光器的滤层高度是277nm。这些滤层高度与常规的全电介质UV滤光器的滤层高度相比小得多。

示例性UVA滤光器在0°到60°的入射角处的透射光谱1370(0°)和1371(60°)在图13A中被绘出，示例性UVB滤光器在0°到60°的入射角处的透射光谱1372(0°)和1373(60°)在图13B中被绘出，并且示例性中心波长为220nm的滤光器在0°到60°的入射角处的透射光谱1374(0°)和1375(60°)在图13C中被绘出。示例性UVA滤光器在0°的入射角处的透射光谱1370包括中心波长在大约355nm处的UVA通频带，示例性UVB滤光器在0°的入射角处的透射光谱1372包括中心波长在大约295nm处的UVB通频带，并且中心波长为220nm的滤光器在0°的入射角处的透射光谱1374包括中心波长在大约220nm处的通频带。示例性UV滤光器在60°的入射角处的角度偏移在大小上小于大约15nm。有益的是，示例性UV滤光器的角度偏移与常规的全电介质UV滤光器的角度偏移相比小得多。

示例性UV滤光器中的每个均具有大于大约10％的最大带内透射率。具体来说，UVA滤光器和UVB滤光器每个均具有大于大约20％的最大带内透射率。有益的是，示例性UV滤光器提供了相对于常规的全电介质UV滤光器的改善的IR阻挡，这降低了由IR泄露带来的噪声。具体来说，示例性UV滤光器中的每个均在大约420nm和大约1100nm之间(即，在可见光谱区域和IR光谱区域中)具有小于大约0.3％的平均带外透射率。

本发明的滤光器在被包括作为传感器设备或者其他有源设备的一部分的时候尤其有用。传感器设备可以是除了根据本发明的一个或多个滤光器之外还包括一个或多个传感器元件的任何类型的传感器设备。在一些实例中，传感器设备还可以包括一个或多个常规的滤光器。例如，传感器设备可以是图像传感器、环境光传感器、接近度传感器、颜色传感器、UV传感器或者其组合。一个或多个传感器元件可以是任何类型的常规的传感器元件。通常，一个或多个传感器元件是光电检测器，诸如，光电二极管、电荷耦合器件(CCD)传感器元件、互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器元件、硅检测器、或者专用UV敏感检测器。一个或多个传感器元件可以是前照式的或者背照式的。传感器元件可以由任何典型的传感器材料(诸如，硅、铟镓砷化物(In_1-xGa_xAs)、砷化镓(GaAs)、锗、硫化铅(PbS)或者氮化镓(GaN))形成。

将一个或多个滤光器设置在一个或多个传感器元件的上面，使得一个或多个滤光器对提供给一个或多个传感器元件的光进行滤光。通常，在一个传感器元件上均设置一个滤光器。换句话说，传感器设备的每个像素通常包括一个滤光器和一个传感器元件。优选地，将一个或多个滤光器直接设置在一个或多个传感器元件上，例如，设置在一个或多个传感器元件的钝化层上。例如，可以通过剥离工艺在一个或多个传感器元件上形成一个或多个滤光器。然而，在一些实例中，可以在一个或多个滤光器与一个或多个传感器元件之间设置一个或多个涂层。在一些实例中，一个或多个滤光器可以与一个或多个传感器元件集成。

在一些实施例中，传感器设备包括单一传感器元件和被设置在传感器元件上的根据本发明的单一滤光器。参考图7，传感器设备790的第一实施例包括传感器元件711和在传感器元件711上设置的滤光器700。例如，传感器设备790可以是环境光传感器，传感器元件711可以是光电二极管，并且滤光器700可以是明视觉滤光器(诸如，图4D中的示例性明视觉滤光器)或者IR阻挡式滤波器。对于另一个示例，传感器设备790可以是UV传感器，传感器元件711可以是光电二极管，并且滤光器700可以是UV滤光器诸如，图12中的示例性UVA、UVB或者中心波长为220nm的滤光器。

在环境光传感器的示例性实施例中，根据本发明的明视觉滤光器与光电二极管集成。明视觉滤光器被设置在光电二极管上，通常被设置在光电二极管的例如由Si₃N₄组成的平面型钝化层上。(例如，由环氧树脂组成的)可选的保护涂层或者封装层可被设置在明视觉滤光器和光电二极管上。通过考虑到钝化层以及在存在时的封装层来优化明视觉滤光器的光学设计。

为了与光电二极管集成而被优化的示例性明视觉滤光器在0°到60°的入射角处的透射光谱1470(0°)和1471(60°)连同标准化明视觉响应曲线1472一起在图14中被绘出。透射光谱1470和1471与Si₃N₄钝化层和环氧树脂封装层匹配。示例性明视觉滤光器在0°的入射角处的透射光谱1470包括中心波长在大约555nm处的明视觉通频带。示例性明视觉滤光器的透射光谱1470在0°到40°的入射角处相当好地遵循标准化明视觉响应曲线1472。此外，示例性明视觉滤光器在0°到60°的入射角处阻挡UV和IR光，并且具有低的角度偏移。有益的是，示例性明视觉滤光器同样在环境上耐用，例如，在125℃的温度和100％的相对湿度用96小时。

在其他实施例中，传感器设备包括多个传感器元件和设置在多个传感器元件上的根据本发明的多个滤光器。通常，将传感器元件设置成阵列。换句话说，传感器元件形成传感器阵列，诸如光电二极管阵列、CCD阵列、CMOS阵列或者任何其他类型的常规传感器的阵列。同样通常将滤光器设置成阵列。换句话说，滤光器形成滤光器阵列，诸如滤色器阵列(CFA)。优选地，传感器阵列和滤光器阵列是对应的二维阵列，即，镶嵌图案(mosaics)。例如，阵列可以是具有行和列的矩形阵列。

通常在这种实施例中，滤光器基本上相互分离。换句话说，滤光器的外围一般并不相互接触。然而，在一些实例中，滤光器的电介质层可能无意地接触，而金属层(具体来说是斜切边缘)保持相互分离。

通常，多个滤光器包括具有相互不同的通频带的不同类型的滤光器。例如，多个滤光器可以包括滤色器(诸如，红色、绿色、蓝色、蓝绿色、黄色和/或品红色滤光器)、明视觉滤光器、IR阻挡式滤波器、UV滤光器或者其组合。在一些实施例中，多个滤光器包括形成CFA的不同类型的滤色器。例如，多个滤光器可以包括形成RGB滤光器阵列(诸如，拜耳滤光器阵列)的红色、绿色和蓝色滤光器，诸如图4A至图4C中的示例性红色、绿色、蓝色滤光器。对于另一示例，多个滤光器可以包括形成CMY滤光器阵列的蓝绿色、品红色或者黄色滤光器。

有益的是，不同类型的滤光器可以具有彼此数量不同的金属层和/或厚度不同的金属层。在一些实施例中，不同类型的滤光器中的至少两个滤光器包括彼此数量不同的金属层。在相同的或者其他的实施例中，不同类型的滤光器中的至少两个滤光器具有相互不同的金属层厚度。例如，图4C中的示例性蓝色滤光器具有与图4A和图4B中的示例性红色滤光器和绿色滤光器数量不同的金属层。此外，图4A到图4C中的所有示例性红色、绿色和蓝色滤色器均具有相互不同的金属层厚度。

参考图8，传感器设备890的第二实施例包括多个传感器元件811和在多个传感器元件811上设置的多个滤光器800和804。多个滤光器800和804包括具有第一通频带的第一类型的滤光器800以及具有与第一通频带不同的第二通频带的第二类型的滤光器804。例如，传感器设备890可以是图像传感器，多个传感器元件811可以形成CCD阵列，并且多个滤光器800和804可以形成拜耳滤光器阵列，其中的一行中的仅一部分被示出。第一类型的滤光器800可以是绿色滤光器(诸如，图4B中的示例性绿色滤光器)，并且第二类型的滤光器804可以是红色滤光器(诸如，图4A中的示例性红色滤光器)或者蓝色滤光器(诸如，图4C中的示例性蓝色滤光器)。

迄今为止描述的传感器设备的实施例中的任何实施例均可以与在环境上更耐用的一个或多个额外的滤光器以及一个或多个额外的传感器元件组合。

因此，在一些实施例中，传感器设备除了根据本发明在一个或多个第一传感器元件上设置的一个或多个第一滤光器之外，还包括在一个或多个第二传感器元件上设置的一个或多个第二滤光器。一个或多个第二滤光器与一个或多个第一滤光器相比在环境上更耐用。例如，一个或多个第一滤光器可以是根据本发明的银-电介质滤光器，其中，金属层由银或者银合金组成。第二的一个或多个第二滤光器可以是根据本发明的铝-电介质滤光器，其中，金属层由铝组成。可替换地，一个或多个第二滤光器可以是常规的滤光器，诸如，全电介质、硅-电介质、或者氢化硅-电介质滤光器。

在这种实施例中，一个或多个第二滤光器与一个或多个第一滤光器部分重叠，使得在环境上更耐用的一个或多个第二滤光器保护性覆盖环境上不太耐用的一个或多个第一滤光器的外围。有益的是，这个重叠布局为一个或多个第一滤光器(具体来说是金属层的斜切边缘)提供了免受环境变质(诸如，腐蚀)影响的额外保护。归因于滤光器侧部的小倾斜以及一个或多个第一滤光器的小滤层高度，当一个或多个第二滤光器被沉积在基底上和在一个或多个第一滤光器的外围处的倾斜侧部的时候，一个或多个第二滤光器贴合，这提供了在一个或多个第二滤光器中的连续层。

一个或多个第二滤光器在一个或多个第一滤光器的外围处的倾斜侧部(包括金属层的斜切边缘)上延伸，优选地沿着一个或多个第一滤光器的整个外围延伸。优选地，一个或多个第二滤光器完全覆盖一个或多个第一滤光器的外围处的倾斜侧部。然而，一个或多个第二滤光器没有覆盖或者遮挡一个或多个第一传感器元件。

通常，一个或多个第一滤光器和一个或多个第二滤光器具有相互不同的通频带。例如，一个多个第一滤光器可以是滤色器(诸如，红色、绿色、蓝色、蓝绿色、黄色或品红色滤光器)、明视觉滤光器、IR阻挡式滤波器或者其组合。具体来说，一个或多个第一滤光器可以是银-电介质滤色器(诸如，图4A到图4C中的示例性红色、绿色和/或蓝色滤光器)、银-电介质明视觉滤光器(诸如，图4D中的示例性明视觉滤光器)或者IR阻挡式滤波器。

一个或多个第二滤光器可以例如是UV滤光器或者近IR滤光器或者其组合。具体来说，一个或多个第二滤光器可以是铝-电介质UV滤光器(诸如，图12中的示例性UVA、UVB和/或中心波长为220nm的滤光器)或者全电介质UV滤光器。可替换地，一个或多个第二滤光器可以是硅-电介质或者氢化硅-电介质近IR滤光器，诸如，在2014年1月16日公布的Hendrix等人的美国专利申请公开No.2014/0014838中描述的滤光器。

通常，在这种实施例中，传感器设备是多功能的，并且结合主要由一个或多个第一滤光器和一个或多个第二滤光器的通频带确定的、具有不同功能的不同类型的光学传感器。一个或多个第一滤光器以及一个或多个第一传感器元件形成了第一类型的光学传感器，并且一个或多个第二滤光器以及一个或多个第二传感器元件形成第二类型的光学传感器。例如，第一类型的光学传感器可以是包括明视觉滤光器或者IR阻挡式滤光器的环境光传感器、包括一个或多个不同类型的滤色器的颜色传感器或者包括多个不同类型的滤色器的图像传感器。第二类型的光学传感器可以例如是包括UV滤光器的UV传感器或者是包括近IR滤光器的接近度传感器。

参考图15，传感器设备1590的第三实施例包括第一传感器元件1511和根据本发明的在第一传感器元件1511上设置的第一滤光器1500，形成了第一类型的光学传感器。传感器设备1590还包括第二传感器元件1512和在第二传感器元件1512上设置的在环境上更耐用的第二滤光器1505，形成了第二类型的光学传感器。

例如，第一类型的光学传感器可以是环境光传感器，并且第一滤光器1500可以是银-电介质明视觉滤光器(诸如，图4D中的示例性明视觉滤光器)或者银-电介质IR阻拦式滤波器。第二类型的光学传感器可以例如是UV传感器，并且第二滤光器1505可以是铝-电介质UV滤光器(诸如，图12中的示例性UVA、UVB或中心波长为220nm的滤光器)或者全电介质UV滤光器。可替换地，第二类型的光学传感器可以是接近度传感器，并且第二滤光器1505可以是近IR滤光器，诸如，全电介质、硅-电介质、或者氢化硅-电介质近IR滤光器。第一传感器元件1511和第二传感器元件1512可以是光电二极管。

具体参考图15A，第二滤光器1505沿着第一滤光器1500的整个外围在第一滤光器1500的倾斜侧部上延伸。由此，第二滤光器1505保护性覆盖包括金属层的斜切边缘的第一滤光器1500的外围。

具体参考图15B和图15C，第一滤光器1500对提供给第一传感器元件1511的光进行覆盖并且滤光。第二滤光器1505对提供给第二传感器元件1512的光进行覆盖并且滤光，并且围绕但不覆盖第一传感器元件1511。在图15B中示出的布局中，第一传感器元件1511和第二传感器元件1512在成行的接合焊盘1513之间成行地被设置。在图15C中示出的可替换的布局中，第二传感器元件1512是环形的并且围绕第一传感器元件1511。

参考图16，传感器设备1690的第四实施例包括多个第一传感器元件1611和根据本发明在多个第一传感器元件1611上设置的多个第一滤光器1600、1604和1606，这形成第一类型的光学传感器。传感器设备1690还包括第二传感器元件1612和在第二传感器元件1612上设置的第二滤光器1605，形成了第二类型的光学传感器。

例如，第一类型的光学传感器可以是图像传感器或者颜色传感器，并且多个第一滤光器1600、1604和1606可以是不同类型的滤色器，诸如，图4A到图4C中的示例性银-电介质红色、绿色和蓝色滤光器。第二类型的光学传感器可以例如是UV传感器，并且第二滤光器1605可以是UV滤光器，诸如，图12中的示例性铝-电介质UVA、UVB或中心波长为220nm的滤光器。可替换地，第二类型的光学传感器可以是接近度传感器，并且第二滤光器1605可以是近IR滤光器，诸如，全电介质、硅-电介质、或者氢化硅-电介质近IR滤光器。多个第一传感器元件1611和第二传感器元件1612可以形成光电二极管阵列。