薄膜准直器及其形成方法与流程

本发明有关于薄膜准直器，特别是有关于可运用光学指纹辨识装置的薄膜准直器。

背景技术：

物体成像可被使用于各种应用中。举例而言，指纹辨识系统可用于认证及/或验证包含这些辨识系统的装置的使用者。指纹辨识系统提供了提供了一种可靠且为非侵入性的方式来验证个人身份。

传统的指纹辨识系统是由大量的光学元件组成，上述光学元件例如为分束器、准直器、聚焦镜和线性感测器。虽然传统的指纹辨识系统对于一般可预期的目的来说是足够的，但它们在各方面并不完全令人满意。

例如，在传统准直器中经常发生交扰现象，导致指纹辨识系统的可靠度变差。因此，提供改进准直器的方法是值得被探讨的。

技术实现要素：

根据本发明一些实施例，提供一种薄膜准直器。上述薄膜准直器包含具有光电二极管的基底，且包含设置于基底上的第一遮光层。上述薄膜准直器亦包含对应于光电二极管的开口。上述薄膜准直器更包含设置于基底与第一遮光层之间的干涉型滤光膜以及设置于基底上的吸收型滤光膜。其中当第一光线以相对于基底的上表面的法线的第一角度入射时，干涉型滤光膜在第一波段的穿透率大于50％，且当第二光线以相对于基底的上表面的法线的第二角度入射时，干涉型滤光膜在第二波段的穿透率大于50％，吸收型滤光膜在第三波段的穿透率大于50％，且其中第一波段与第三波段部份重叠，第二波段不与第三波段重叠，且第二角度大于第一角度。

根据本发明一些实施例，提供一种薄膜准直器的形成方法。上述方法包含提供具有光电二极管的基底。上述方法包含设置第一遮光层于基底上，其中第一遮光层具有对应于光电二极管的开口。上述方法亦包含设置干涉型滤光膜于基底与第一遮光层之间以及设置吸收型滤光膜于基底上。其中当第一光线以相对于基底的上表面的法线的第一角度入射时，干涉型滤光膜在第一波段的穿透率大于50％，且当第二光线以相对于基底的上表面的法线的第二角度入射时，干涉型滤光膜在第二波段的穿透率大于50％，吸收型滤光膜在第三波段的穿透率大于50％，且其中第一波段与第三波段部份重叠，第二波段不与第三波段重叠，且第二角度大于第一角度。

附图说明

本发明的各种方式最好的理解方式为阅读以下说明书的详说明并配合所附附图。应该注意的是，本发明的各种不同部件并未依据工业标准作业的尺寸而绘制。事实上，为使说明书能清楚叙述，各种不同特征部件的尺寸可以任意放大或缩小。

图1是依据本发明一些实施例，薄膜准直器的剖面示意图；

图2是依据本发明一些实施例，薄膜准直器的剖面示意图；

图3是依据本发明一些实施例，薄膜准直器的剖面示意图；

图4a及4b是依据一些实施例，说明薄膜准直器的干涉型滤光膜和吸收型滤光膜的光学特性的穿透率对波长的曲线图；

图5是依据一些实施例，说明薄膜准直器的干涉型滤光膜和吸收型滤光膜的光学特性的穿透率对波长的曲线图；

图6是依据一些实施例，说明薄膜准直器的干涉型滤光膜和吸收型滤光膜的光学特性的穿透率对波长的曲线图；

图7是依据一些实施例，说明薄膜准直器的干涉型滤光膜和吸收型滤光膜的光学特性的穿透率对波长的曲线图；

图8是依据一些实施例，说明吸收型滤光膜的光学特性的穿透率对波长的曲线图；

图9是依据一些实施例，说明光线以不同角度穿透干涉型滤光膜和吸收型滤光膜时，穿透率对波长的曲线图。

【符号说明】

100～薄膜准直器

102～基底

102a～上表面

104～光电二极管

106～导线层

108～干涉型滤光膜

108a～光谱

108b～光谱

110～第一遮光层

112～开口

114～吸收型滤光膜

114a～光谱

114b～光谱

116～第二遮光层

118～开口

a～光线

b～光线

l(0)～光谱

l(30)～光谱

l(40)～光谱

l(50)～光谱

n～法线

w1～第一波段

w2～第二波段

w3～第三波段

w4～第四波段

θa～角度

θb～角度

具体实施方式

以下针对本发明一些实施例的滤光结构及影像感测器作详细说明。应了解的是，以下的叙述提供许多不同的实施例或例子，用以实施本发明一些实施例的不同方式。以下所述特定的元件及排列方式仅为简单清楚描述本发明一些实施例。当然，这些仅用以举例而非本发明的限定。此外，在不同实施例中可能使用重复的标号或标示。这些重复仅为了简单清楚地叙述本发明一些实施例，不代表所讨论的不同实施例及/或结构之间具有任何关连性。再者，当述及一第一材料层位于一第二材料层上或之上时，包括第一材料层与第二材料层直接接触的情形。或者，亦可能间隔有一或更多其它材料层的情形，在此情形中，第一材料层与第二材料层之间可能不直接接触。

此外，实施例中可能使用相对性的用语，例如「较低」或「底部」及「较高」或「顶部」，以描述附图的一个元件对于另一元件的相对关系。能理解的是，如果将附图的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在「较低」侧的元件将会成为在「较高」侧的元件。

在此，「约」、「大约」、「大抵」的用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0。5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明「约」、「大约」、「大抵」的情况下，仍可隐含「约」、「大约」、「大抵」的含义。

能理解的是，虽然在此可使用用语「第一」、「第二」、「第三」等来叙述各种元件、组成成分、区域、层、及/或部分，这些元件、组成成分、区域、层、及/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的元件、组成成分、区域、层、及/或部分。因此，以下讨论的一第一元件、组成成分、区域、层、及/或部分可在不偏离本发明一些实施例的教示的情况下被称为一第二元件、组成成分、区域、层、及/或部分。

除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇揭露所属的一般技艺者所通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。

本发明一些实施例可配合附图一并理解，本发明实施例的附图亦被视为本发明实施例说明的一部分。需了解的是，本发明实施例的附图并未以实际装置及元件的比例绘示。在附图中可能夸大实施例的形状与厚度以便清楚表现出本发明实施例的特征。此外，附图中的结构及装置是以示意的方式绘示，以便清楚表现出本发明实施例的特征。

在本发明一些实施例中，相对性的用语例如「下」、「上」、「水平」、「垂直」、「之下」、「之上」、「顶部」、「底部」等等应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明的用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作。而关于接合、连接的用语例如「连接」、「互连」等，除非特别定义，否则可指两个结构是直接接触，或者亦可指两个结构并非直接接触，其中有其它结构设于此两个结构之间。且此关于接合、连接的用语亦可包括两个结构都可移动，或者两个结构都固定的情况。

值得注意的是，在后文中「基板」一词可包括透明基板上已形成的元件与覆盖在基底上的各种膜层，其上方可以已形成任何所需的电晶体元件，不过此处为了简化附图，仅以平整的基板表示的。

参照图1，图1是依据本发明一些实施例，薄膜准直器100的剖面示意图。如图1所示，薄膜准直器100包含基底102。基底102可为半导体基板，例如硅基板。此外，上述半导体基板亦可为元素半导体，包括锗(germanium)；化合物半导体，包括碳化硅(siliconcarbide)、砷化镓(galliumarsenide)、磷化镓(galliumphosphide)、磷化铟(indiumphosphide)、砷化铟(indiumarsenide)及/或锑化铟(indiumantimonide)；合金半导体，包括硅锗合金(sige)、磷砷镓合金(gaasp)、砷铝铟合金(alinas)、砷铝镓合金(algaas)、砷铟镓合金(gainas)、磷铟镓合金(gainp)及/或磷砷铟镓合金(gainasp)或上述材料的组合。此外，基底102也可以是绝缘层上覆半导体(semiconductoroninsulator，soi)，且并不限于此。

在一些实施例，如图1所示，基底102包含光电二极管104及导线层106。光电二极管104可包含p-n结结构或pin结构。当光子被光电二极管104吸收后，产生电流，借此将光的信号转换成电流信号。

导线层106设置于相邻的两个光电二极管之间。导线层106由导电材料形成。在一些实施例，导电材料包含铜、铝、钼、钨、金、铬、镍、铂、钛、铱、铑、上述合金、其他适合的金属导电材料或上述组合。导线层106设置来吸收未击中光电二极管104的光线或光子。

值得注意的是如图1所示的基底102只是其中一个示例，以较容易了解本发明实施例的方式而呈现，本发明并不以此为限。也就是说，除了光电二极管104和导线层106以外，在各种不同的实施例之中，基底102内可包含更多的半导体元件。

在一些实施例，如图1所示，薄膜准直器100也包含干涉型滤光膜108。干涉型滤光膜108设置于基底102上。干涉型滤光膜108可为多重薄膜组成的滤光层，其可包含介电材料或是无机材料。上述材料可包含tio2、hfo2、nbtio5、sio2、其他适合的材料或上述组合。干涉型滤光膜108可通过沉积制程、蚀刻制程、微影制程、其他适合的制程或上述组合来形成。

上述沉积制程包含物理气相沉积(physicalvapordeposition,pvd)、化学气相沉积(chemicalvapordepositioncvd)、溅镀、电阻热蒸发(resistivethermalevaporation)、电子束蒸发(electronbeamevaporation)及其他适合的制程，且不限于此。上述微影制程包含光阻涂布、软烤、光掩模对准、曝光图案、后曝烤(post-exposurebaking)、光阻显影、清洗(rinsing)及干燥(例如，硬烤)等制程步骤，且不限于此。黄光制程也可被其他适合的方法取代，例如无掩模黄光微影(masklessphotolithography)、电子束写入(electron-beamwriting)或离子束写入(ion-beamwriting)。上述蚀刻制程可包含干蚀刻、湿蚀刻或其他适合的方法，且不限于此。

干涉型滤光膜108的穿透率取决于入射光线的入射角度。由于当光线以不同角度入射时，干涉型滤光膜108会有薄膜干涉现象(thin-filminterferenceeffect)，使得不同的波长的光线被干涉型滤光膜108阻挡或吸收。例如，如图1所示，当光线a和光线b分别以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θa和θb入射时，干涉型滤光膜108会让不同的光线的波段穿透。

参照图4a和4b，图4a及4b是依据一些实施例，说明当光线以不同角度入射时，干涉型滤光膜108的光学特性。当光线a以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θa入射时，干涉型滤光膜108的穿透率相对于波长的光谱以108a来表示；当光线b以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θb入射时，干涉型滤光膜108的穿透率相对于波长的光谱以108b来表示。如图4a和4b所示，当光线以较大的角度(例如θb)入射时，干涉型滤光膜108会让较短的波长的光线穿透，此现象称为蓝移(blue-shifting)或/角移(angle-shifting)。

回到图1，在一些实施例，薄膜准直器100也包含第一遮光层110。第一遮光层110设置于干涉型滤光膜108上方，且具有对应于光电二极管104的开口112。第一遮光层110可包含黑色光阻、黑色印刷油墨、黑色树脂或其他适合的光线遮蔽材料，且不限于此。一般而言，光线遮蔽材料指的是避免光线穿透的材料，并不限于吸收光线。光线遮蔽材料也可具有高反射性。

在一些实施例，薄膜准直器100更包含吸收型滤光膜114。在一些实施例，如图1所示，吸收型滤光膜114设置于第一遮光层110的开口112内。吸收型滤光膜114可为颜料薄膜，其由有机薄膜制成。吸收型滤光膜114可设置成单一滤光层、二层或更多滤光层。例如，吸收型滤光膜114可由红色滤光层及蓝色滤光层堆叠所形成。吸收型滤光膜114与干涉型滤光膜108的其中一个不同处在于：吸收型滤光膜114的穿透率与角度是独立的，亦即，吸收型滤光膜114的穿透率不随光线的入射角度而改变。

参照图4a及4b，图4a及4b是依据一些实施例，说明当光线以不同角度入射时，吸收型滤光膜114的光学特性。当光线a以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θa入射时，吸收型滤光膜114的穿透率相对于波长的光谱以114a来表示；当光线b以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θb入射时，吸收型滤光膜114的穿透率相对于波长的光谱以114b来表示。如图4a和4b所示，无论光线入射的角度为何，吸收型滤光膜114让几乎相同的波长的光线穿透。

参照图4a，当光线a以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θa入射时，干涉型滤光膜108在第一波段w1的穿透率大于50％，而吸收型滤光膜114在第三波段w3的穿透率大于50％。如图4a所示，干涉型滤光膜108允许较短波长的光线穿透，且第一波段w1具有最大波长λ1；吸收型滤光膜114允许较长波长的光线穿透，且第三波段w3具有最小波长λ2。在一些实施例，第一波段w1和第三波段w3部份重叠于第四波段w4，其中第四波段w4介于波长λ1与波长λ2之间。亦即，当光线a以角度θa入射时，光线a有部份的波长会穿透干涉型滤光膜108及吸收型滤光膜114。此外，在一些实施例，当光线a以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θa入射时，干涉型滤光膜108的光谱108a与吸收型滤光膜114的光谱114a之间具有重叠区域，且此重叠区域的一部份的穿透率大于50％。

参照图4b，当光线b以相对于基底102的上表面102a的法线n的角度θb入射时，干涉型滤光膜108在第二波段w2的穿透率大于50％，且吸收型滤光膜114在第三波段w3的穿透率大于50％。如图4b所示，第二波段w2不与第三波段w3重叠。虽然干涉型滤光膜108的光谱108b与吸收型滤光膜114的光谱114b之间仍然具有重叠区域，但此重叠区域的穿透率非常的低，使得此重叠区域贡献的信号非常微小。亦即，当光线a和光线b入射至相同的光电二极管104时，光线b(以θb入射)贡献的信号远小于光线a(以θa入射)贡献的信号。

回到图1，由于光线b(以θb入射)贡献的信号远小于光线a(以θa入射)贡献的信号，其意味着：从光电二极管104正上方开口112穿透的光线的量远大于从同一个光电二极管104斜上方开口112穿透的光线的量。因此，通过吸收型滤光膜114与干涉型滤光膜108的组合，可避免因光线穿透光电二极管104斜上方的开口112所引起的交扰(crosstalk)现象。据此，只有当光线以特定范围的角度(或者是小于某角度)入射至光电二极管104时，此光线才会产生明显的信号。据此，可形成大致上不具交扰现象的薄膜准直器100。

参照图2，图2是依据本发明一些实施例，薄膜准直器100的剖面示意图。为了简洁，在此叙述的与图1所示的元件及实施例相同或相似的元件及实施例不再重复叙述。在一些实施例，如图2所示，吸收型滤光膜114设置于基底102与干涉型滤光膜108之间。可将透明材料(未绘示)填充至第一遮光层110的开口112，上述透明材料例如为硅氧树脂、环氧树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate)，pmma)、聚碳酸酯(polycarbonate，pc)或其他适合的材料。在此实施例，吸收型滤光膜114与光电二极管104直接接触。此外，吸收型滤光膜114是一层覆盖了光电二极管104的连续层。

参照图3，图3是依据本发明一些实施例，薄膜准直器100的剖面示意图。为了简洁，在此叙述的与图1所示的元件及实施例相同或相似的元件及实施例不再重复叙述。在一些实施例，如图3所示，薄膜准直器100更包含第二遮光层116。第二遮光层116设置于干涉型滤光膜108与基底102之间。此外，第二遮光层116具有对应于光电二极管104和开口112的开口118。在一些实施例，第二遮光层116与第一遮光层110是由相同的材料组成。

在一些实施例，如图3所示，吸收型滤光膜114设置于第二遮光层116的开口118内，且可将其他透明材料(未绘示)填充至第一遮光层110的开口112。虽然图3绘示开口112完全地对齐至开口118，且开口112与开口118具有相同的宽度，但本发明的实施例并不限于此。在一些实施例，开口112与开口118具有不同的宽度。此外，在一些实施例，开口112与开口118并未对齐。然而，开口112与开口118之间至少具有重叠区域，且此重叠区域至少有一部分对应于光电二极管104。

参照图5，图5是依据一些实施例，说明当光线a以角度θa入射向光电二极管104时，干涉型滤光108膜和吸收型滤光膜114的光学特性的穿透率对波长的曲线图。为了简洁，在此叙述的与图4a所示的元件及实施例相同或相似的元件及实施例不再重复叙述。在一些实施例，如图5所示，干涉型滤光膜108的光谱108a具有一个狭小的波段允许特定波长的光线穿透。在此实施例，干涉型滤光膜108在第一波段w1的穿透率大于50％，且第一波段w1具有最大波长λ1和最小波长λ3。在此实施例，第三波段w3的最小波长λ2比第一波段w1的最小波长λ3长(亦即，第三波段w3的最小波长λ2大于第一波段w1的最小波长λ3)。如图5所示，第一波段w1与第三波段w3部份重叠于第四波段w4，此第四波段w4介于波长λ1与波长λ2之间。

参照图6，图6是依据一些实施例，说明当光线a以角度θa入射向光电二极管104时，干涉型滤光108膜和吸收型滤光膜114的光学特性的穿透率对波长的曲线图。为了简洁，在此叙述的与图4a所示的元件及实施例相同或相似的元件及实施例不再重复叙述。在一些实施例，如图6所示，吸收型滤光膜114的光谱114a具有狭小的波段，允许特定波长的光线穿透。在此实施例，吸收型滤光膜114在第三波段w3的穿透率大于50％，且第三波段w3具有最小波长λ2和最大波长λ4。在此实施例，第一波段w1的最大波长λ1比第三波段w3的最大波长λ4短(亦即，第一波段w1的最大波长λ1小于第三波段w3的最大波长λ4)。如图6所示，第一波段w1与第三波段w3部份重叠于第四波段w4，其介于波长λ1与波长λ2之间。

参照图7，图7是依据一些实施例，说明当光线a以角度θa入射向光电二极管104时，干涉型滤光108膜和吸收型滤光膜114的光学特性的穿透率对波长的曲线图。为了简洁，在此叙述的与图4a所示的元件及实施例相同或相似的元件及实施例不再重复叙述。在一些实施例，如图7所示，干涉型滤光膜108的光谱108a及吸收型滤光膜114的光谱114a两者都具有狭小的波段，个别允许特定波长的光线穿透。在此实施例，干涉型滤光膜108和吸收型滤光膜114个别在第一波段w1和第三波段w3的穿透率大于50％。第一波段w1具有最大波长λ1和最小波长λ3，且第三波段w3具有最小波长λ2和最大波长λ4。在此实施例，第三波段w3的最小波长λ2比第一波段w1的最小波长λ3长，且第一波段w1的最大波长λ1比第三波段w3的最大波长λ4短。如图7所示，第一波段w1与第三波段w3部份重叠于第四波段w4，其介于波长λ1与波长λ2之间。

虽然图4a及5-7绘示第四波段w4的波峰介于约790nm与820nm之间，但本发明的实施例并不限于此。在一些实施例，第四波段w4的波峰介于约450nm与960nm之间。在一些实施例，第四波段w4的半高峰宽(fullwidthathalfmaximum，fwhm)介于约10nm与50nm的范围间。

参照图8，图8是依据一些实施例，说明薄膜准直器100的吸收型滤光膜114的光学特性的穿透率对波长的曲线图。在一些实施例，如图8所示，吸收型滤光膜114为黄色材料，其允许比450nm长的波长的光线穿透，比450nm短的波长的光线则被吸收型滤光膜114吸收。在一些实施例，吸收型滤光膜114为红色材料，其允许比560nm长的波长的光线穿透，比560nm短的波长的光线则被吸收型滤光膜114吸收。此外，在一些实施例，吸收型滤光膜114为允许让红外光穿透的材料，可见光(波长小于约780nm)则被吸收型滤光膜114吸收。在一些实施例，吸收型滤光膜114的最小波长λ3(亦即，穿透率大于50％的最短波长)约为450nm、560nm、780nm或870nm。

参照图9，图9是依据一些实施例，说明光线以不同角度穿透干涉型滤光膜108和吸收型滤光膜114时，穿透率对波长的曲线图。光谱l(0)、l(30)、l(40)和l(50)代表干涉型滤光膜108的光谱和吸收型滤光膜114的光谱之间的重叠区域，括号内的数字代表入射光线的角度。例如，l(0)代表入射光的路径是平行于基底102的上表面102a的法线n，而l(30)代表入射光以相对于基底102的上表面102a的法线n为30°的角度入射。如图9所示，当光线的入射角度变大，会因为干涉型滤光膜108的蓝偏移现象，导致光谱的波峰会偏移到较短的波长。此外，当光线的入射角度变大，波峰的穿透率也变得较小。结果，使得干涉型滤光膜108的光谱和吸收型滤光膜114的光谱之间的重叠区域的面积变小，当重叠区域的面积变小，代表的是以此角度入射的光线较难穿透干涉型滤光膜108和吸收型滤光膜114，因此，以此角度入射的光线对于光电二极管所贡献的信号也较小。

在一些实施例，如图9所示，光谱l(50)的穿透率在整个波长区域几乎小于10％。在一些实施例，光谱l(40)的穿透率在整个波长区域几乎小于35％。在一些实施例，光谱l(30)及l(0)在某些波长的范围，具有穿透率大于50％。

虽然图9绘示光谱l(40)几乎小于约35％，且光谱l(30)在某些波长的范围的穿透率大于50％，但本发明的实施例并不限于此。在一些实施例，光谱l(40)在某些波长的范围的穿透率大于50％。例如，可通过设计干涉型滤光膜108的厚度，来调整干涉型滤光膜108和吸收型滤光膜114的光谱之间重叠的区域。例如，可通过改变干涉型滤光膜108的厚度，来调整第四波段w4的波峰的波长和fwhm。

在一些实施例，如图1所示的角度θa小于或等于30°。亦即，当光线以角度小于或等于30°(例如光线a)入射至光电二极管104时，光线产生明显的信号，当光线以角度大于30°(例如光线b)入射至光电二极管104时，光线产生不明显的信号。在其他实施例，如图1所示的角度θa小于或等于40°，亦即，当光线以角度小于或等于40°入射至光电二极管104时，光线产生明显的信号，当光线以角度大于40°入射至光电二极管104时，光线产生不明显的信号。

在一些实施例，薄膜准直器100更包含发光单元(未绘示)，此发光单元是设置来将具有特定波段的光线照射至一物体上，此物体例如为手指。在一些实施例，此发光单元发射的光线包含第四波段w4的波长。在此实施例，薄膜准直器100可用来作为光学指纹辨识系统的部件。

以上叙述许多实施例的特征，使所属技术领域中具有通常知识者能够清楚理解本揭示的概念。所属技术领域中具有通常知识者能够理解，其可利用本发明揭示内容作为基础，以设计或更动其他制程及结构而完成相同于上述实施例的目的及/或达到相同于上述实施例的优点。所属技术领域中具有通常知识者亦能够理解，不脱离本揭示的精神和范围的等效构造可在不脱离本揭示的精神和范围内作各种的更动、替代与润饰。