光过滤图像传感器的制作方法

专利名称：光过滤图像传感器的制作方法
技术领域：
无
背景技术：
数字照相机和其他摄像设备通常具有用于捕获和存储图像的感光装置。例如，在一个通用设计中，一个通常设置在电荷耦合设备(CCD)中或在互补型金属氧化物半导体(CMOS)微晶片上的光电二极管阵列用于捕获和存储图像。每个光电二极管和与其相关电路(其组合通常被称为主动式像素传感器(APS)，或更简单地称为像素)将光电二极管所检测到的光强度转换成可被数字化以用于存储、复制和处理的电压信号。CMOS和CCD晶片都是通过相似机制来感光，即，通过利用当光子与结晶硅相互作用促进电子从价带进入导带时发生的光电效应而感光。因而，所捕获图像的质量反映出光的程度和光到达光传感器(即，光电二极管)的方式。也就是说，诸如入射角、光束处理和光束过滤的参数对于控制而言是重要的，以确保捕获精确反映真实和正确的被捕获图像的高质量图像。
一个影响所捕获图像质量的所述参数为到达光传感器的红外线的量。众所周知，可见光(对于人眼而言)具有400到700nm范围内的波长。恰好超出此可见光范围的是由波长在700到2500nm范围内的光所界定的红外线范围。此红外线范围的一个子集是数字成像业界更关注的近可见光红外线(NIR)范围。所述NIR范围由波长在700到1200nm范围的光所界定。具体地说，在CMOS阵列中，过多的NIR光导致所捕获图像显得模糊。也就是说，色彩间的对比度没有现实生活中显得那么鲜明。因而，当用CMOS设备或任何其他利用光传感器将入射光强度转换成电压信号的设备来捕获图像时，从可见光中过滤出NIR光是很重要的。
在过去，干涉或吸收IR滤光器已被设计并用于图像捕获设备中以在大量的不同应用中从可见光中过滤出红外线。通常，干涉IR滤光器在IR光到达光捕获设备之前将其反射，而吸收IR滤光器在IR光到达光捕获设备之前将其吸收。IR滤光器设计成使波长在700纳米之下的可见光穿过，同时阻碍(blocking)扩大到近红外线区(700到1200+纳米)的更长波长的红外线。如此的IR滤光器经常被用以保护通常并入到数字成像设备中的红外线敏感CMOS阵列避免红外线波长。因而，当将红外线滤光器在光径中使用时(即，设置滤光器以使入射光必须穿过滤光器才能到达光传感器)，红外线在捕获图像时的负面影响被削弱。
举例而言，图1为通常用于常规图像捕获设备中的常规CMOS阵列100的剖视图。CMOS阵列100包括在入射光190与每个像素101、102及103之间的光径中的IR滤光器135。常规CMOS阵列100包括复数个设置为列和行的像素101、102和103。为清晰起见，并未展示出列和行，然而，在相同行中的部分相邻像素102和103在图1中展示为像素101的左边和右边。
每个像素101包括嵌入硅基板104的光电二极管105且每个光电二极管105与相邻金属层110中所含有的电子电路(清晰起见，未图示)相关联。光电二极管105和其在金属层110中的相关联电子电路共同形成一个收集井107，借此入射光190可被引导朝向光电二极管105。为了将入射光子(来自入射光190)聚集到收集井107中，用一个已知为显微透镜120或双凸透镜的微型、正片弯月透镜盖住收集井107。
一种特别类型的像素101为标准的三晶体管像素，其为此项技术中众所周知的而将不在在本文中作详细论述。当宽波长波段的可见光190入射到像素101上时，不定量的电子与入射到光电二极管表面上的光子通量密度成比例地从半导体104被释放出。实际上，所产生电子的数量是撞击半导体104的光的波长和强度的函数。电子被收集到一个势阱(未图示)中直到集中期完成(由相关联电路来确定)，并且接着将所收集的电子转换成电压信号。然后，所述电压信号可穿过模拟数字转换器(未在图1中展示)，所述模拟数字转换器逐像素地形成由CMOS阵列100所捕获图像的数字电子表示。
形成CMOS阵列100的像素101的列和行全体被一个盖玻片130或盖板覆盖，以形成一个壳状(shellcase)封装。所述盖玻片130牢固地固定在像素101阵列上的部分金属层110上，致使每个像素101的显微透镜120上形成一个空腔121。在常规CMOS阵列100中，所述空腔121仅被空气填充或可为真空。所述壳状封装通常被制成一个部件，而接着在独立制作阶段中完成任何修改，诸如添加吸收滤光器135。从图1的常规CMOS阵列100中可看出IR滤光器135被放置在盖玻片130顶上。IR滤光器135设计为过滤出或吸收波长在红外线范围内(即，大于约700nm)的光。因而，入射光190中的任何NIR光在到达下面像素101之前都将被滤出。
常规IR滤光器135通常由染色玻璃制成，且包含在数字图象捕获设备中用于衰减红外线的最广泛使用类型的滤光器。特定波长的吸收，即，滤光器的光谱性能是常规IR滤光器135的物理厚度和滤光器玻璃中存在染料量的函数。常规IR滤光器135主要由有色滤光玻璃制成，并且代表在不要求精确界定所传送波长的应用中种类最多和使用最广泛类型的滤光器。这些常规滤光器通常可以玻璃、涂塑玻璃、醋酸盐的形式而获得。玻璃滤光器中使用的材料为产生适度的急剧吸收过渡的稀土过渡元素、胶态染料(诸如硒化物)和其他具有高消光系数的分子。
诸如吸收滤光器135的常规吸收滤光器是昂贵而笨重的，且其增加整体光径深度并且使壳状封装显得笨重。一个典型的吸收滤光器135是10微米厚，其增加了包括有CMOS阵列100的壳状封装顶上的额外深度。另外，在数字图像捕获设备中包含一个典型吸收滤光器135需要将所述吸收滤光器固定到玻璃板130顶上的一个额外的步骤。因为在制作CMOS阵列100期间所述制造步骤通常并不是在清洁室中执行的，所以微粒和/或粉尘通常可能会嵌入盖玻片130与吸收滤光器135之间。这些粉尘和微粒可能极大的影响在图像捕获设备中的CMOS阵列100的性能。因此，所述制造复杂性和组装过程增加了生产一个适合用于数字图像捕获设备中的CMOS阵列100所需的成本和时间。

发明内容
本发明的一个实施例是针对一种用于将光引导到光传感器和从引导光中滤出红外线组份的装置。所述装置包括一个安置在一个基板上的光传感器阵列，其中光传感器可操作地将光强度转换成电压信号。所述装置进一步包括一个安置在这些光传感器上的盖板，以使所述盖板在光传感器阵列上方创建一个空腔。所述盖板可操作地使光线穿过。也就是说，所述盖板并不含有可过滤出任何入射光的一部分的薄膜覆盖玻璃滤光器。所述装置进一步包括安置在盖板与光传感器之间且处于所述光传感器与所述盖板之间形成的空腔中的过滤材料。所述过滤材料可操作地过滤一部分穿过盖板的光。具体而言，在一个实施例中，波长在红外线范围(700-2500nm)内的光可被过滤出，致使仅有波长小于约700nm的光能穿过盖板和过滤材料而激活下面光传感器的电子。
具有在盖板的下方在所述空腔中形成的一个集成IR滤光器是有利的，原因在于与具有一个耦接到盖板顶部的滤光板的装置相比，此装置的整体深度减小。另外，因为集成过滤材料被注入或者与所述装置的其余部分相呼应而制成，所以微粒或粉尘嵌入到装置中致使光学性能退化的可能性更小。因此，由于这个制造过程通常是在清洁室中执行的且所述装置是整装的，即，单一的壳状封装，所以显著降低微粒或粉尘嵌入处于光径中的装置中的机会。
此外，过滤材料比过滤器盖板或过滤器薄膜便宜，并且所述过滤材料并不易遭受因划痕和/或磨损造成的退化，而这却往往出现在典型常规图像捕获装置上的常规过滤器盖。


通过参考下列详细描述并结合随图，将更容易了解且能更好的理解本发明的上述方面和附带优点，其中图1为处于入射光和各像素之间的光径中具有一个吸收滤光器的常规CMOS阵列的剖视图；图2为具有安置在壳状封装中空腔内部的吸收过滤材料的CMOS阵列的剖视图，其中所述壳状封装是处于入射光和各像素之间的光径中；和图3为包括安置在其中的图2CMOS阵列的系统方框图。
具体实施例方式
作出以下论述以使所属领域技术人员能制作和使用本发明。本文所描述的普遍原理可应用于除了上文所详细描述的实施例和应用之外的不脱离本发明精神和范畴的实施例和应用中。本发明不欲被限定在所展示的实施例中，而是符合与本文所揭示或提出的原则和特征相一致的最广泛的范畴。
图2为处于在盖玻片230与每个光电二极管205之间的光径中具有过滤材料235的CMOS阵列200的剖视图。如同常规CMOS阵列(诸如图1中描绘的CMOS阵列100)，CMOS阵列200包括安置在硅基板204上，设置成列和行的复数个像素201、202和203(为清楚起见并未展示出所有的像素)。每个像素，诸如像素201，包括一个相关联的光电二极管205、相邻金属层210中含有的电子电路(为清楚起见，也未展示出)和一个如先前所描述的显微透镜220。像素201的列和行再次形成所述CMOS阵列200，且全体被盖玻片230覆盖。经覆盖的CMOS阵列200被称作壳状封装。
盖玻片230牢固地固定在像素201阵列的顶部，以便在像素阵列上方形成一个空腔221。在该实施例中，所述空腔221横跨像素201的整个阵列以使盖玻片230耦接到在诸如像素CMOS阵列200的最外侧边缘处(未图示)的有限数量地方中的具有在基板上金属层的触点。在另一个实施例中，形成个别的空腔按一对一的原理(未图示)对应于相关联像素201。不管哪个实施例或盖玻片230如何耦接到金属层210，空腔221总会以某种方式形成在每个像素201与盖玻片230之间。
在此实施例中，所形成的空腔221中填充有过滤材料。所述过滤材料可以是填充有吸收性染料的聚合物(诸如，类凝胶物质)。制造吸收性染料以使精细微粒与入射光290相互作用，并且其吸收(即，过滤)来自穿过盖玻片230和空腔221到达光电二极管205的光290中的红外线。在一个实施例中，聚合物中的吸收性染料被定制以使波长大于650nm的光大体上被过滤出，而剩余的波长小于650nm的光大体上未被过滤且能够穿过到光电二极管205。
用于制造所述聚合物的过滤材料的质量是光学级且提供整个空腔221容积的密度和颜色的一致性。所述过滤材料通过吸收来对光进行过滤，因而所述过滤材料的光谱性能根据过滤材料的厚度和光学密度而定。厚度增加将相应地增加对于不合意波长的阻碍水平，但是也会减小带内传输的峰值而导致吸收带端处的下降。
使用聚合物过滤材料是成本有效的(与诸如图1中吸收性滤光器135的独立制作的玻璃或塑料滤光器相比)，并且就过滤红外线而言是光学上令人满意的。尽管通常需要轻度处理，但聚合物过滤材料是市售可购得的，这使所述过滤材料适合广泛应用。
在盖玻片230与光电二极管205之间的空腔中使用聚合物过滤材料具有许多优点。这些优点包括相对低的成本和在各种气候和操作条件下的稳定性。此外，可通过将光吸收性化学物质与过滤材料充分混合来构造聚合物过滤材料，并非如上文所描述的关于图1中薄膜或玻璃滤光器那样被沉积到滤光板的表面上。因而，聚合物过滤材料并非倾向于被较小的划痕或磨损所破坏。此外，聚合物过滤材料对于入射光290的角度不敏感，且实际上在任何入射角都提供一致的光谱特征。
此外，典型的制造步骤包括将聚合物过滤材料注入空腔中，而整个壳状封装在清洁室中制作而成。因而，微粒和/或粉尘嵌入所述壳状封装内部或嵌入于盖板和常规滤光板之间(先前技术中即是这样)的机率显著下降。
另外，由于滤光器不再被嵌入壳状封装外部的平板或薄膜中，所以整体壳状封装深度减小。壳状封装深度的减小是有利的，原因在于壳状封装具有较低的外形，从而能够装配到较浅薄的数字图像捕获设备中。
图3展示一个包括安置在其中的图2CMOS的系统300的方框图。所述系统300可以是一个数字照相机、数字照相手机或其他利用数字图像捕获装置的电子设备。这样的一个装置可为任何尺寸和任何数量的像素，每个含有各自的光电二极管。
CMOS阵列200能够将除了收集光子的基本任务之外的大量处理和控制功能直接集成到单个壳状封装上。这些特征通常包括定时逻辑、曝光控制、模拟数字转换、快门、白平衡、增益调节和最初图像处理算法。为执行所有的这些功能，CMOS集成电路结构更密切地类似于随机存储器单元的结构，而不是一个简单的光电二极管阵列。一个常见的CMOS阵列200围绕主动式像素传感器(APS)技术构造而成，其中光电二极管205和读出放大器(未图示，尽管其处于金属层210内部)两者都并入到每个像素201中。这就使得由光电二极管205所积累的电荷在像素201内部即可被转换成经放大的电压信号，并且然后以连续的行和列被传输到晶片的模拟信号处理部分。
因而，每个像素201含有除了一个光电二极管205之外的一个晶体管三元组，其将所积累的电子电荷转换成可测量的电压，重新设置光电二极管且将所述电压传输到垂直列总线。所得的阵列是一个含有光电二极管205的金属性读出总线和在各交叉点处(即各像素201)相关联的信号制备电路的有条理的棋盘。所述总线将定时信号施加到光电二极管205且将读出信息返回到在CMOS阵列200之外封装(housed)的模拟解码和处理电路。这个设计使来自阵列中每个像素201的信号以简单的x、y定址技术被读取。
光电二极管205是数字图像传感器的一个关键性元件。通过将组合耦合入射光子到电子的转换效率和由光电二极管205所积累的最大量电荷以及所述设备将电荷积累在一个所限定的区域中而没有泄漏或溢出的能力可判定敏感性。这些因素通常由光电二极管205的物理尺寸和孔径及其在CMOS阵列200中与相邻元件的空间和电子的关系来确定。另一个因素是电荷电压转换率，其决定集成的电子电荷转变成可被测量和处理的电压信号的效率。
光电二极管通常被组织在一个正交网格中，所述正交网格可为从128×128像素(16K像素)到更常见的1280×1024(大于1百万像素)范围内的尺寸。几种最新CMOS阵列200，诸如那些为高清晰度电视(HDTV)设计的CMOS阵列，含有组织成大于2000平方像素大阵列的几百万像素。来自组成阵列的各行和各列的所有像素201的信号必须精确地被检测和测量(读出)，从而从光电二极管电荷积累数据中组合成一个图像。
图3的系统包括一个耦接到总线320的中央处理单元(CPU)315。同样耦接到总线320的是一个存储器325，其用于存储CMOS阵列200所捕获的数字图像。CPU315通过总线325促进图像被控制CMOS阵列200捕获，且一旦图像被捕获，就将图像以数字模式存储在存储器325中。
CMOS阵列200包括几个用于促进图像捕获和数字化的组件，如上文关于图2所描述，且这是在此图像捕获电子学技术领域中众所周知的。CMOS阵列200中的每个像素201通过接线351耦接到行控制电路350且通过接线361耦接到列控制电路360，以促进控制信号捕获图像。此外，CMOS阵列200中的每个像素201耦接到Vdd311和GROUND312(个别的接线未展示)。
在典型的图像捕获程序期间，每个像素201的电压信号由列控制电路360读取且发送到多路复用器370。所述多路复用器370将每个电压信号组合成一个代表每个像素201的每个光电二极管205上所捕获的电压信号的单个多路传输信号。在放大阶段380之后，此信号在与总线320通信之前，通过模拟数字转换器390被转换成数字信号。然后，CPU315促使将多路传输数字信号存储在存储器325中。
通过并入可实现下述任务的过滤材料，图3中的系统300可被包含在较浅薄的环境和/或外壳中，即实现从可到达CMOS阵列200的任何入射光中过滤出红外线的任务。
权利要求
1.一种装置，其包含一个安置在一个基板上的光传感器，所述光传感器可操作地将光强度转换成一电压信号；一个安置在所述光传感器上的盖板，所述盖板可操作地使光穿过；和安置在所述盖板与所述光传感器之间的过滤材料，所述过滤材料可操作地过滤穿过所述盖板的光的一部分。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述过滤材料包含聚合物。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述过滤材料包含吸收性染料。
4.如权利要求1所述的装置，其中被所述过滤材料过滤的所述部分光包含红外线。
5.如权利要求1所述的装置，其中被所述过滤材料过滤的所述部分光包含近红外线。
6.如权利要求1所述的装置，其进一步包含一个耦接到所述基板且可操作地将经过滤的光汇聚到所述光传感器上的显微透镜。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述盖板包含透明玻璃。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述光传感器是一个光电二极管。
9.如权利要求8所述的装置，其进一步包含一个三晶体管主动式像素传感器，该三晶体管主动式像素传感器电耦合到所述光电二极管且可操作地促进将光转换成一电压信号。
10.一种方法，其包含下列步骤将具有红外线组份的光引导朝向一个光传感器，所述的光被引导穿过一个邻近所述光传感器的空腔，所述空腔中填充有过滤材料；和当所述光穿过所述空腔时，过滤至少一部分所述光。
11.如权利要求10所述的方法，其进一步包含测量在所述光传感器处的经过滤的光的强度。
12.如权利要求11所述的方法，其进一步包含将所测量的光强度变换成一个指示所测量强度的电信号。
13.如权利要求12所述的方法，其进一步包含将一个数字值存储到一个存储器中，所述数字值与所述电信号成比例，所述数字值指示所测量的强度。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述过滤材料包含具有吸收性染料且所述过滤材料可操作地从所述光中过滤红外线组份的聚合物。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述过滤进一步包含使不在红外线范围内的一部分光穿过。
16.一种系统，其包含一个CMOS阵列，其具有复数个安置在一个基板上的光传感器，每个光传感器可操作地将光强度转换成一电压信号；一个安置在所述复数个光传感器上的盖板，所述盖板可操作地使光穿过；和安置在所述盖板与所述复数个光传感器中的每个光传感器之间的过滤材料，所述过滤材料可操作地过滤穿过所述盖板的光的一部分；一个控制电路，其耦接到所述CMOS阵列且可操作地单独感应每个电压信号并将每个感应电压信号存储到一个存储器中；和一个耦接到所述控制电路且可操作地控制所述控制电路的处理器。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述过滤材料包含具有吸收性染料且可操作地从所述光中过滤红外线组份的聚合物。
18.一种制造方法，其包含下列步骤在一个基板上制作复数个主动式像素传感器，每个主动式像素传感器具有一个可操作地将光强度转换成一电压信号的光传感器；将一个盖板安置在所述基板上以在各主动式像素传感器的所述光传感器与所述盖板之间形成一空腔；以过滤材料填充每个所形成的空腔，所述过滤材料可操作地过滤穿过所述过滤材料的光的一组份。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述过滤材料包含具有吸收性染料且可操作地从所述光中过滤红外线组份的聚合物。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述填充进一步包含将所述聚合物注入到每个空腔中。
全文摘要
一种用于将光引导到一个光传感器并从所述经引导的光中滤出红外线组份的方法和装置。在一个实施例中，所述装置包括安置在一个基板上的一个光传感器阵列，其中所述光传感器可操作地将光强度转换成一个电压信号。所述装置进一步包括一个安置在所述光传感器上的盖板，以便所述盖板在所述传感器阵列上创建一个空腔。所述装置进一步包括安置在所述盖板与所述光传感器之间且处于所述光传感器与所述盖板之间形成的空腔中的过滤材料。所述过滤材料可操作地过滤穿过所述盖板的光。具体而言，在一个实施例中，可滤出波长在红外线范围内的光。
文档编号H04N1/40GK1700476SQ20051000721
公开日2005年11月23日 申请日期2005年2月4日 优先权日2004年5月21日
发明者马国林 申请人:安捷伦科技公司