双层彩色滤光器及其形成方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种双层彩色滤光器及其形成方法。

背景技术：

随着技术的发展，图像传感器被广泛应用于各个领域。简单来说，图像传感器为在同一块晶圆衬底上，生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成光电器件。其中，每个光敏单元能够将自身接受到的光强信息转化为电信号，众多的光敏单元一起工作，即把入射到图像传感器的整个光敏面上按空间分布的光学图像转换为按时序输出的电信号“图像”，这些电信号经过是适当的处理，能够再现入射的光辐射图像。

在现有技术中，图像传感器可分为电荷耦合器件(ccd，charge-coupleddevice)和互补金属氧化物半导体图像传感器(cis，cmosimagesensor)。以cis亦即cmos图像传感器为例，该图像传感器包括：固态影像器件、滤光器以及微透镜。

具体地，现有的图像传感器由光感测器的像素阵列组成，每一个独立像素接收到入射光后会产生相应于的入射光的电信号，每一个像素所产生的电信号的大小与照射在光感测器上的入射光的量成比例关系。在固态感测器上方设置滤光器，在滤光器上形成有微透镜，从而使得入射光经过滤光器折射在光感测器上。但是通常有大量的入射光线不会直接达到光感测器上，由于光线的损失从而会导致固态影像感测器的灵敏度效果不好。

并且，由于只设置了一层滤光器，因此图像传感器在工作中容易发生光谱串扰。其中，光谱串扰是发生在过滤单独波长光线的装置中的问题，当本应终止于特定信道中光功率的小部分实际上终止于另一信道中时，耦合到彩色图像传感器中的像素阵列的彩色滤光器发生光谱串扰问题，从而影响最终的成像结果。

因此，如何提高图像传感器接收到的光线量，以及减少光谱串扰是图像传感器的制造中亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种双层彩色滤光器及其形成方法，能够增加彩色滤光器的进光量，并且减少光谱串扰。

根据本发明，通过对滤光器及其形成方法的改进，能够改善滤光器对光线的聚拢程度，提高滤光器对彩色光的过滤效果，从而改善图像传感器的性能。

本发明提供了一种双层彩色滤光器的形成方法，包括：提供固态影像器件，在固态影像器件上形成第一彩色滤光片层；刻蚀第一彩色滤光片层，形成具有第一凸面轮廓的第一滤光器；在第一滤光器的第一凸面轮廓上形成第二彩色滤光片层；刻蚀第二彩色滤光片层，形成具有第二凸面轮廓的第二滤光器。

相较于现有技术而言，本发明通过在固态影像器件上形成具有第一凸面轮廓的第一滤光器和具有第二凸面轮廓的第二滤光器。并且，两层滤光器能够更加有效地对光进行聚光和过滤。因此，本发明提供双层彩色滤光器的形成方法，不需要在滤光器上再形成微透镜，从而能够降低生产成本和制造难度。

作为优选，刻蚀形成的第一滤光器具有第一折射率，刻蚀形成的第二滤光器具有第二折射率，第一折射率不同于第二折射率。

通过形成具有不同折射率的第一滤光器和第二滤光器，能够对光线在滤光器内的传播路径进行设计，有效增大双层彩色滤光器的视场角，从而增加进光量。

进一步地，作为优选，第一滤光器的第一折射率以及第二滤光器的第二折射率设置均在1.6～1.7之间。

将第一折射率和第二折射率设置在1.6～1.7之间，能够将光线的折射角度控制在合理的范围内，防止光线的过分偏转而导致光谱串扰。

另外，作为优选，在固态影像器件上旋涂形成第一彩色滤光片层，以及在第一滤光器的所示第一凸面轮廓上旋涂形成第二彩色滤光片层。

通过旋涂的方式形成第一彩色滤光片层和第二彩色滤光片层，能够确保滤光片层表面平整且贴合紧密，并有利于提高形成的第一凸面轮廓和第二凸面轮廓形成的精度。

另外，作为优选，第一凸面轮廓以及第二凸面轮廓采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式形成，且第一凸面轮廓和第二凸面轮廓的边缘刻蚀速率与中心刻蚀速率不同。

通过调节刻蚀速率的方法，能够调整在第一彩色滤光片层和第二彩色滤光片层上的刻蚀深度，从而形成具有弧度的第一凸面轮廓和第二凸面轮廓。

本发明还提供了一种用于图像传感器的双层彩色滤光器，多个双层彩色滤光器安装在图像传感器的固态影像器件上，每个双层彩色滤光器，包括：第一滤光器和包覆在第一滤光器上的第二滤光器，每个双层彩色滤光器与固态影像器件的像素区域一一对应。

与现有技术相比，本发明提供双层彩色滤光器，通过形成具有第一凸面轮廓的第一滤光器和具有第二凸面轮廓的第二滤光器，在对彩光进行过滤的同时，实现聚光的目的，从而能够有效地增加进光量、提高量子转换效率，并且能够提高对光的过滤效果，减少光谱串扰的发生。

进一步地，作为优选，第一滤光器具有第一折射率，第二滤光器具有第二折射率，且第二折射率不同于第一折射率。

通过形成具有不同折射率的第一滤光器和第二滤光器，能够对光线在滤光器内的传播路径进行设计，有效增大双层彩色滤光器的视场角，并且对光线进行两次折射，从而提高双层彩色滤光器的聚光度。

进一步地，作为优选，第一滤光器上表面具有第一曲率半径的第一凸面轮廓，第二滤光器的上表面具有第二曲率半径的第二凸面轮廓。

通过分别设置具有第一曲率半径的第一凸面轮廓和具有第二曲率半径的第二凸面轮廓，可以聚拢通过第一滤光器和第二滤光器的光线，从而进一步提高双层彩色滤光器的聚光效果，增加固态影像器件接收到的光线。

另外，作为优选，第一滤光器和第二滤光器的材料不同，且均为有机材料。

通过选择不同的材料，可以通过材料特性本身实现第一滤光器和第二滤光器具有不同的第一折射率和第二折射率，从而提高滤光器的聚光性能。

另外，作为优选，在同一个像素区域上设置的第一滤光器和第二滤光器具有相同的颜色。

第一滤光器和第二滤光器具有相同的颜色，能够使得特定颜色的光通过同一双层彩色滤光器的第一滤光器和第二滤光器，并且能够阻挡或吸收其他颜色的光线，减少光谱串扰，从而提高图像传感器的性能。

附图说明

图1是现有技术中图像传感器设置滤光器和微透镜的示意图；

图2是本发明的第一实施方式和第二实施方式中的双层彩色滤波器的示意图；

图3～图7是本发明的第一实施方式中双层彩色滤光器的形成方法的各步骤的示意图；

图8是本发明第一实施方式和第二实施方式的另一种双层彩色滤光器的示意图；

图9是本发明第一实施方式和第二实施方式的又一种双层才滤光器的示意图。

附图标记说明：

1-双层彩色滤光器；2-第一滤光器；2a-第一彩色滤光片层；2b-第一凸面轮廓；3-第二滤光器；3a-第二彩色滤光片层；3b-第二凸面轮廓；4-固态影像器件；4a-像素区域；4b-感光器件；5-微透镜；6-滤光器。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明进行进一步的详细说明。附图中示意性地简化示出了图像传感器的结构等。

本发明的态样与某些特征、优点、及细节，以下将参照在附图中示出的非限制性的实施例更充分地说明。其中，有省略公知现有的材料、制造工具、制程技术等详细描述，以免不必要地过多赘述。然而，应当理解的是，详细描述与具体实施例虽然指出了本发明的各种态样，但仅是以示例的方式示出，并且不作为限制的方式。从本公开的各种替换、修改、添加、与/或布置，基于本发明概念的精神与/或范围对本领域技术人员是显而易见的。

近似的语言，如本文整个说明书与权利要求书中使用的，可以用于修饰任何定量表达，这些可以容许改变而不致改变其所涉及的基本功能。因此，通过一或多个术语，诸如“约”修饰的值不限于指定的精确值。在一些情况下，近似的语言可对应于仪器的精确度测量值。

本文所用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，并非意在限制本发明。如本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”与“该”也意图包括复数形式，除非上下文另外明确指出。将进一步理解，术语“组成”(以及任何形式的组成，例如“构成”与“包含”)，“具有”(以及任何形式的具有，例如“具备”与“拥有”)，“包括”(以及任何形式的包括，例如“包含”与“含有”)，以及“包含”(以及任何形式的包含，例如“包括”与“含有”)是开放式的连系动词。其结果是，一个方法或装置“包括”、“具有”、“含有”或“包含”一或多个步骤或元件即拥有这些一或多个步骤或元件，但是不限于仅仅拥有这些一个或多个步骤或元件。

如本文所使用的，术语用于指两个物理元素“连接”时是指两个物理元件之间的直接连接，而术语“耦合”可以是直接连接或通过一或多个中间元件的连接。

如本文所用，术语“可”与“可以是”表明在一组情况内发生的可能性；一个具有某种属性、特性或功能；与/或通过表达一或多个能力、性能、可能性的相关修饰动词来修饰另一个动词。因此，“可”与“可以为”的使用表示修饰的术语明显地适当，能够或适合指定的能力、功能或使用，尽管考虑到，在某些情况下，修饰的术语可能有时并不是适当、能够或适合的。例如，在某些情况下，可以预期的事件或能力，而在不能发生所述事件或能力的其他情况-此差别由术语“可”与“可以是”撷取。

实施方式一

正如背景技术中所描述的，现有技术中的滤光器6通常与微透镜5对应设置，从而实现对光线的会聚和过滤，然而由于滤光器6对光的过滤效果有限，因此容易发生光谱串扰。

简单来说，在现有技术中，参见图1所示，形成滤光器6以及微透镜5的主要步骤包括：在固态影像器件4上形成彩色滤光片层；在彩色滤光片层上形成微透镜层；刻蚀微透镜层，形成多个阵列分布的微透镜5。

具体来说，在固态影像器件4上旋涂彩色滤光材料，并以此经过曝光和显影，从而形成能够通过一种彩色光的彩色滤光片层。之后，在彩色滤光片层上形成光刻胶掩膜，再对彩色滤光片层进行刻蚀，直至暴露出固态影像器件4的上表面。然后再在固态影像器件4上的其他位置旋涂另一种彩色滤光材料，并进行曝光和显影的工艺形成新的能够通过另一种彩色光的彩色滤光片层。形成能够允许其他颜色光通过的滤光片层的步骤与上述步骤相同，唯一有区别的是旋涂的材料会根据需要吸收的光的颜色发生改变。并且，固态影像器件4上划分有若干像素区域4a，每个像素区域4a内对应设置有感光器件4b，且滤光器6对应设置在固态影像器件4中的感光器件4b(例如光电二极管等)上。

当在固态影像器件4上表面形成彩色滤光片层后，通过化学机械研磨的方式加工上表面，使彩色滤光片层的上表面平整，形成滤光器6。再于滤光器6的上表面沉积微透镜材料层(例如透明树脂)，并在微透镜材料层上形成光刻胶层，对光刻胶层进行曝光及显影，形成间隔排列的微透镜图形；以光刻胶层为掩模，沿微透镜图形刻蚀微透镜材料层，从而形成间隔排列的微透镜5。之后采用回流工艺，使微透镜5表面凸起。每个微透镜5的位置与感光器件4b的位置对应，微透镜5的宽度大于或等于对应的感光器件4b的宽度。在其他实施例中，在应用光刻工艺形成微透镜5时，通过采用具有渐变透光率的掩膜版，使得曝光后的光刻胶具有不同的厚度，在后续蚀刻的过程中实现对微透镜5边缘和中心不同厚度的蚀刻量，由此形成表面凸起的微透镜5。

当光线照射到微透镜5表面后，光线被微透镜5折射，使得光路发生改变，光线逐渐聚拢，并且被聚拢后的光线在滤光器6内继续传播。由于滤光器6对于不同波长的光具有选择性，能够允许某一种颜色的光线通过滤光器6，并对其他颜色的光线进行吸收或阻挡。

然而，在现有技术提供的图像传感器仅能通过一层滤光器6对入射的光线进行选择性通过，因此会因彩色滤光不完善而导致光谱串扰。举例来说，蓝色滤光器能够使蓝色光通过的同时，也能够使部分红色及绿色光通过，从而使得与蓝色滤光器耦合的像素将不仅仅接收其应该接收的蓝色光，也能接受到部分红色或绿色光。在cmos图像传感器中，串扰造成空间分辨率降级、颜色混合及图像噪声。因此影响传感器的信噪比(snr)且影响系统的错误率。在rgb图像传感器中，虽然能够通过使用滤光器6获得灵敏度，但其增加了串扰。

另外，通过像素之间的处理断面控制能够减少一些其它类型的串扰，但光谱串扰为自然材料性质，其不能够通过处理而完全减少。用于减少光谱串扰的一种方式为增加滤光器6的颜料浓度，但材料的折射率将增加及引发较高的光学串扰。

为了解决上述问题，本发明的第一实施方式提供了一种双层彩色滤光器1的形成方法，参见图2至图7所示，本发明的双层彩色滤光器1的形成方法包括：提供固态影像器件4，在固态影像器件4上形成第一彩色滤光片层2a；刻蚀第一彩色滤光片层2a，形成具有第一凸面轮廓2b的第一滤光器2；在第一滤光器2的第一凸面轮廓2b上形成第二彩色滤光片层3a；刻蚀第二彩色滤光片层3a，形成具有第二凸面轮廓3b的第二滤光器3，从而形成具有第一滤光器2和第二滤光器3的双层彩色滤光器1，彩色滤光器可以为红色滤光器或蓝色滤光器等各种滤光器，为了加以区分，图中带有阴影线的滤光器与不带有阴影线的滤光器表示不同颜色的滤光器。

简单来说，本发明在固态影像器件4上形成第一滤光器2，并在第一滤光器2上形成第二滤光器3，通过两层滤光器对光线的通过进行选择，能够改善彩色滤光，减少光谱串扰的发生。并且，通过刻蚀的方式形成第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b，能够有效地改善聚光效果，从而增加进光量。

优选地，在本实施方式中，可以通过选择不同的材料形成第一彩色滤光片层2a和第二彩色滤光片层3a，刻蚀第一彩色滤光片层2a和第二彩色滤光片层3a形成的第一滤光器2具有第一折射率，刻蚀形成的第二滤光器3具有第二折射率，第一折射率不同于第二折射率。

通过形成具有不同折射率的第一滤光器2和第二滤光器3，能够对光线在滤光器内的传播路径进行设计，有效增大双层彩色滤光器1的视场角，从而增加进光量。

虽然第一滤光器2和第二滤光器3的材料不同，但第一滤光器2和第二滤光器3可以透过相同颜色光的特性，能够提高滤光器对光线的选择性能。举例来说，当第一滤光器2为红色滤光器时，第二滤光器3也为红色滤光器，以此确保红色的光线能够通过第一滤光器2和第二滤光器3后被固态影像器件4上对应的光感应器接收到。

更加优选地，在本实施方式中，选择折射率处于1.6～1.7范围内的材料，使第一滤光器2的第一折射率以及第二滤光器3的第二折射率设置均在1.6～1.7之间。

将第一折射率和第二折射率设置在1.6～1.7之间，将光线的折射控制在合理的范围内，防止光线的过分偏转而导致光谱串扰。

优选地，在本实施方式中，在固态影像器件4上旋涂形成第一彩色滤光片层2a，以及在第一滤光器2的第一凸面轮廓2b上旋涂形成第二彩色滤光片层3a。

具体地，参见图3和图4所示，形成第一彩色滤光片层2a和第二彩色滤光片层3a的材料均为带有颜色的有机化合物。进行旋涂时将上述有机化合物以液态的形式涂在固态影像器件4的表面，通常包括：分滴、旋转铺开、旋转甩脱以及溶剂挥发四个步骤，从而在固态影像器件4表面形成有机化合物层。通过旋涂的方式形成第一彩色滤光片层2a和第二彩色滤光片层3a，能够确保两个滤光片层表面平整且贴合紧密，并有利于提高形成的第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b的形成精度。

优选地，在本实施方式中，第一凸面轮廓2b以及第二凸面轮廓3b采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方式形成，且第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b的边缘刻蚀速率与中心刻蚀速率不同。

通过调节刻蚀速率的方法，从而调整在第一彩色滤光片层2a和第二彩色滤光片层3a上的刻蚀深度，从而形成具有弧度的第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b。

具体来说，参见图2至图5所示，在本实施方式中，形成第一滤光器2和第二滤光器3的步骤为：

在固态影像器件4上旋涂第一有机化合物，从而形成第一彩色滤光片层2a；

将固态影像器件4放入光刻机内，通过掩膜版遮挡进行曝光；

通过显影的工艺去除掉第一彩色滤光片层2a上多余的第一有机化合物，从而形成若干个和固态影像器件4中的感光器件4b位置对应的模块；

通过刻蚀机对第一彩色滤光片层2a上的每一个模块进行刻蚀，通过调节刻蚀的深度从而形成多个具有第一凸面轮廓2b的第一滤光器2；

在多个第一滤光器2组成的面上旋涂第二有机化合物，从而形成第二彩色滤光片层3a；将固态影像器件4放入光刻机内，通过掩膜版遮挡进行曝光；

通过显影的工艺去除掉第二彩色滤光片层3a上多余的第二有机化合物，从而形成若干个和第一滤光器2位置对应的模块；

通过刻蚀机对第二彩色滤光片层3a上的每一个模块进行刻蚀，通过调节刻蚀的深度从而形成多个具有第二凸面轮廓3b的第二滤光器3。

并且，在本实施方式中，根据所需要的第一滤光器2的第一折射率和第二滤光器3的第二折射率，分别调节刻蚀的速率。具体来说，当第一折射率和第二折射率不同时，为了保证进光量，第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b凸起的方向会发生改变。因此在进行刻蚀步骤时，需要调节刻蚀的速率以形成不同的刻蚀深度。第一滤光器2的第一折射率大于第二滤光器3的第二折射率时，第一凸面轮廓2b形成为向感光器件4b凸起；边缘刻蚀速率小于中心刻蚀速率。第一折射率小于第二折射率时，第一凸面轮廓2b形成为向外凸起，边缘刻蚀速率大于中心刻蚀速率。

具体来说，参见图6至图9所示，当第一折射率小于第二折射率时，可以调节第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b的边缘刻蚀速率大于中心刻蚀速率，从而形成向外凸起的第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b。

当第一折射率大于第二折射率时，可以调节第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b的边缘刻蚀速率小于中心刻蚀速率，从而形成具有朝向感光器件4b凸起的第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b。还可以在刻蚀第一凸面轮廓2b时，调节边缘刻蚀速率小于中心刻蚀速率，在刻蚀第二凸面轮廓3b时，调节边缘刻蚀速率大于中心刻蚀速率，从而形成第一凸面轮廓2b朝向感光器件4b凸起的第一凸面轮廓2b和向外凸起的第二凸面轮廓3b，即第一滤光器2和第二滤光器3的表面形状向外凸出。

需要注意的是，在进行刻蚀之前可以对第一彩色滤光片层2a和第二彩色滤光片层3a采用化学或机械研磨的操作步骤，使得表面平整，从而确保形成的第一滤光器2和第二滤光器3均为对称的结构，保证滤光器的光学性能。

值得一提的是，在本实施方式中，所述第一滤光器2和第二滤光器3可以形成为红色或绿色或蓝色，但同一光感应器上对应的第一滤光器2和第二滤光器3形成为同一种颜色。

综合上述考量，本发明通过在固态影像器件4上形成具有第一凸面轮廓2b的第一滤光器2和具有第二凸面轮廓3b的第二滤光器3。并且，两层滤光器能够更加有效地对彩色光进行聚光和过滤。因此，本发明提供双层彩色滤光器1的形成方法，不需要在滤光器上再形成微透镜5，从而能够降低生产成本和制造难度。

实施方式二

本发明的第二实施方式还提供了一种双层彩色滤光器1，参见图2、图8和图9所示，用于图像传感器的双层彩色滤光器1，安装在图像传感器的固态影像器件4上，且设置有多个，每个双层彩色滤光器1，包括第一滤光器2和第二滤光器3，固态影像器件4上划分有若干像素区域4a，每个双层彩色滤光器1与每个像素区域4a对应设置，第二滤光器3包覆在第一滤光器2上，用于增加图像传感器的聚光度。

出于增加进光量的考虑，在本实施方式中，第一滤光器2具有第一折射率，第二滤光器3具有第二折射率，且第二折射率不同于第一折射率，并且第一折射率和第二折射率均优选设置在1.6～1.7之间。

第一滤光器2和第二滤光器3都有彩色滤光效果，因此设置两层滤光器能够提高对彩色光的过滤效果，减少光谱串扰，并且通过形成具有不同折射率的第一滤光器2和第二滤光器3，能够使光线在滤光器内的发生多次偏转，让进入滤光器的光线更加充足，从而增加双层彩色滤光器1的聚光程度。

进一步地，在本实施方式中，第一滤光器2上表面形成为具有第一曲率半径的第一凸面轮廓2b，第二滤光器3的上表面形成为具有第二曲率半径的第二凸面轮廓3b。

其中，第一凸面轮廓2b的曲率半径和第二凸面轮廓3b的曲率半径需要配合所需要的第一折射率和第二折射率进行设置，从而提高双层彩色滤光器1的聚光效果，增加固态影像器件4接收到的光线。

具体来说，在本实施方式中，参照图2所示，当第一滤光器2的第一折射率小于第二滤光器3的第二折射率时，形成向外凸起的第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b，并且第一滤光器2的曲率半径为0.5，第二滤光器3的曲率半径设置在0.4～0.6之间。

当第一滤光器2的第一折射率大于第二折射率，参照图9所示，可以形成具有朝向感光器件4b凸起的第一凸面轮廓2b和第二凸面轮廓3b。参照图8所示，也可以形成第一凸面轮廓2b朝向感光器件4b凸起的第一凸面轮廓2b和向外凸起的第二凸面轮廓3b。

此时光线到达第一滤光器2的第一凸面轮廓2b时，发生第一次偏转，从而实现第一次光线聚拢。之后光线传播到达第二滤光器3的第二凸面轮廓3b时，发生第二次偏转，进行第二次光线聚拢，从而提高聚光能力、增加进光量并提高转化效率。

另外，在本实施方式中，第一滤光器2和第二滤光器3的材料不同，且均为有机材料。

通过选择不同的材料，确保第一滤光器2和第二滤光器3具有不同的第一折射率和第二折射率，从而提高滤光器的聚光性能。此外，有机材料的粘附性更好，从而防止第一滤光器2或第二滤光器3更好地贴附。

并且，在本实施方式中，在同一个像素区域4a上设置的第一滤光器2和第二滤光器3具有相同的颜色。

第一滤光器2和第二滤光器3具有相同的颜色，能够使得该特定颜色的光通过第一滤光器2和第二滤光器3，并且能够阻挡或吸收其他颜色的光线，减少光谱串扰，从而提高图像传感器的性能。

值得一体的是，在本实施方式中，滤光器的颜色可以为红色、蓝色或绿色。

与现有技术相比，本发明提供双层彩色滤光器1，通过形成具有第一凸面轮廓2b的第一滤光器2和具有第二凸面轮廓3b的第二滤光器3，在对光进行过滤的同时，实现聚光的目的，从而能够有效地增加进光量、提高转换效率，并且能够提高对彩色光的过滤效果，减少光谱串扰的发生。

本领域的普通技术人员可以理解，在上述的各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施方式的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施方式作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。