光学指纹芯片及其加工方法、电子设备与流程

1.本发明涉及屏下光学指纹识别技术领域，尤其涉及一种光学指纹芯片及其加工方法、电子设备。


背景技术：

2.光学指纹识别可采用cis(cmos image sensor，cmos图像传感器)的成像原理，通过对生物指纹进行信号采取，并最终成像。将所成的图像与存储的图像进行对比，从而鉴别生物的指纹信息。
3.随着屏下指纹识别的需求不断增加，对光学指纹芯片的要求也越来越高。由于应用领域的特殊性，有效信号非常弱，需要光学指纹芯片的灵敏度非常高，同时避免不必要的信号串扰(cross talk)。
4.如图1所示，已知的光学指纹芯片包括硅衬底301’、形成在硅衬底301’上的感光区201’以及形成在感光区201’上方的若干金属层401’。感光区201’上形成有光电转换器件，用于将接收到的光信号转换为电信号。金属层之间电性连接，底层金属层与光电转换器件连接，用于将转换信号输出。
5.为避免金属层401’影响感光区201’的感光，金属层401’正常情况下不会分布于光电转换器件的正上方。若干金属层401’对应光电转换器件的位置形成供光信号传播的光通道，相邻金属层401’之间通过绝缘介质层进行隔离，光通道中填充有透光的填充物501’例如二氧化硅、氮化硅等。由用户手指反射回来的目标信号光
③’
通过光通道，并最终达到感光区201’。
6.不过，上述光学指纹芯片，那些入射角度较大的噪声光
①’
、
②’
可能因金属层401’的反射最终达到感光区201’。如图1所示，一部分噪声光
①’
入射到金属层401’的侧壁，被金属层401’反射后到达感光区201’。还有一部分噪声光
②’
入射金属层401’上表面，并在相邻金属层401’之间经多次反射后最终到达感光区201’。上述入射角较大的噪声光
①’
、
②’
将导致感光区201’接收到的光的信噪比降低，进而造成成像质量不佳。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明实施例提供一种光学指纹芯片及其加工方法、电子设备，可较佳的解决上述问题。
8.为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。
9.一种光学指纹芯片，包括：
10.衬底；
11.设在所述衬底上的感光区，所述感光区包括光电转换器件；
12.设在所述衬底上方的多个金属层单元，一个所述金属层单元包括多个金属层，多个所述金属层在垂直于所述衬底的方向上具有间隙的排列，相邻所述金属层单元之间形成与至少一个所述光电转换器件相对应的光通道，以使入射光线通过所述光通道到达所述光
电转换器件；
13.设在所述光通道中的遮挡层，所述遮挡层遮挡所述金属层单元的至少部分侧方，以使所述入射光线无法进入至相邻金属层之间的间隙。
14.优选地，所述遮挡层为吸光层或隔光层，所述吸光层覆盖所述金属层单元的整个侧方。
15.优选地，沿垂直于所述衬底的方向上，所述光通道的通光截面的面积不变。
16.优选地，所述遮挡层背对自身遮挡的所述金属层单元的一面垂直于所述衬底。
17.优选地，在垂直于所述衬底的方向上，所述光通道的通光截面的面积由远离所述衬底的一端向靠近所述衬底的一端逐渐缩小。
18.优选地，所述遮挡层背对自身遮挡的所述金属层单元的一面由远离所述衬底的一端向靠近所述衬底的一端逐渐远离自身遮挡的所述金属层单元。
19.优选地，所述遮挡层背对自身遮挡的所述金属层单元的一面呈平面状，或在竖直平面内呈弧状。
20.优选地，所述遮挡层呈环形，其套设在所述金属层单元的周向。
21.优选地，所述感光区为多个，相邻所述感光区之间具有间隔区域，所述金属层单元位于相邻的所述感光区之间。
22.优选地，相邻所述遮挡层之间的光通道中设置有第一透光材料；所述金属层单元的相邻所述金属层之间设置有第二透光材料。
23.一种电子设备，包括：
24.显示屏，设有指纹识别区，用于供目标生物体接触；
25.激励光源，用于向所述目标生物体发射探测光；
26.如上述中任一所述的光学指纹芯片，其设置在所述显示屏下与指纹识别区相应的位置，收集从所述指纹识别区反射回的目标指纹光信号。
27.一种光学指纹芯片的加工方法，所述光学指纹芯片的加工方法包括：
28.在衬底上加工形成包括光电转换器件的感光区；
29.在所述衬底的上方加工形成位于所述第二透光材料中的多个金属层单元，一个所述金属层单元包括多个金属层，多个所述金属层在垂直于所述衬底的方向上具有间隙的排列，相邻所述金属层单元之间形成与至少一个所述光电转换器件相对应的光通道，所述光通道、相邻所述金属层之间均为所述第二透光材料；
30.通过刻蚀工艺去除相邻所述金属层单元之间形成的光通道中的所述第二透光材料；
31.待去除所述光通道中的所述第二透光材料后，在所述光通道中填充吸光层，所述遮挡层遮挡所述金属层单元的至少部分侧方，以使所述入射光线无法进入至相邻金属层之间的间隙；
32.在相邻的所述遮挡层之间的所述光通道中填充第一透光材料。
33.借由以上的技术方案，本发明的有益效果在于：
34.当本技术中的光学指纹芯片射入入射角度较大的噪声光时，入射角度较大的噪声光由光通道射向相邻的金属层之间时，由于所述光通道设置有遮挡层，所述遮挡层遮挡所述金属层单元的至少部分侧方，因此，入射角度较大的噪声光被遮挡层遮挡或反射，其无法
进入至相邻的金属层之间在金属层的上下表面产生反射后到达相邻光通道的感光区。上述入射角较大的噪声光将无法导致感光区接收到的光的信噪比降低，进而无法造成成像质量的降低，所以说，本技术能够避免感光区接受到经过相邻的金属层之间反射的噪声光线，以提高感光区的成像质量。
35.参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。
附图说明
36.在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
37.图1为现有技术已知实施例的光学指纹芯片的结构示意图；
38.图2为本发明第一实施例的光学指纹芯片的结构示意图；
39.图3为本发明第二实施例的光学指纹芯片的结构示意图。
40.以上附图的附图标记：
41.101、遮挡层；201、感光区；301、衬底；40、金属层单元；401、金属层；501、第一透光材料；601、第二透光材料。
具体实施方式
42.结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
43.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
44.为了能够把金属层401产生的噪声光线吸收掉，以提高感光区201的成像质量，在本技术中提出了一种光学指纹芯片，图2为本发明第一实施例的光学指纹芯片的结构示意图，图3为本发明第二实施例的光学指纹芯片的结构示意图，如图2和图3所示，光学指纹芯
片可以包括：衬底301；设在所述衬底301上的感光区201，所述感光区201包括光电转换器件；设在所述衬底301上方的多个金属层单元40，一个所述金属层单元40包括多个金属层401，多个所述金属层401在垂直于所述衬底301的方向上具有间隙的排列，相邻所述金属层单元40之间形成与至少一个所述光电转换器件相对应的光通道，以使入射光线通过所述光通道到达所述光电转换器件；设在所述光通道中的遮挡层101，所述遮挡层101遮挡所述金属层单元40的至少部分侧方，以使所述入射光线无法进入至相邻金属层401之间的间隙。
45.当本技术中的光学指纹芯片射入入射角度较大的噪声光
①
、
②
时，入射角度较大的噪声光由光通道射向相邻的金属层401之间时，由于所述光通道设置有遮挡层101，所述遮挡层101遮挡所述金属层单元40的至少部分侧方，因此，入射角度较大的噪声光被遮挡层101遮挡或反射，其无法进入至相邻的金属层401之间在金属层401的上下表面产生反射后到达相邻光通道的感光区201。上述入射角较大的噪声光将无法导致感光区201接收到的光的信噪比降低，进而无法造成成像质量的降低，所以说，本技术能够避免感光区201接受到经过相邻的金属层401之间反射的噪声光线，以提高感光区201的成像质量。
46.为了能够更好的了解本技术中的光学指纹芯片，下面将对其做进一步解释和说明。如图2和图3所示，光学指纹芯片包括：衬底301、光电转换器件、金属层单元40和遮挡层101。其中，衬底301沿水平方向延伸，其具有相对的上表面和下表面。在衬底301的一个表面，例如上表面上可以用于固定设置光电转换器件，同时在其上表面设置连接光电转换器件的金属层单元40、遮挡层101等等部件。衬底301起到支撑作用以及绝缘作用。作为可行的，衬底301一般采用晶圆或硅基底。
47.如图2和图3所示，在所述衬底301上设置有感光区201，具体而言，在衬底301的上表面上设置有感光区201，感光区201可以为多个。一般而言。感光区201呈阵列设置，即在纸面的水平方向上具有多个感光区201，相邻所述感光区201之间具有间隔区域；在垂直与纸面的方向上也具有多个感光区201，相邻所述感光区201之间同样具有间隔区域。每一个感光区201包括光电转换器件，光电转换器件一般可以为多个。常见的为光电转换件包括二极管(pd，photo diode)。可以理解为，一个光电转换器件对应一个感光像素。
48.如图2和图3所示，衬底301的上方设置有多个金属层单元40，一个所述金属层单元40包括多个金属层401，多个所述金属层401在垂直于所述衬底301的方向上具有间隙的排列。金属层401为与感光像素连接的金属布线，其用于将光电转换器件输出的电信号进行处理或导出。对于半导体工艺制作的光检测阵列而言，金属层401都是通过多层金属实现的光学指纹芯片中光检测电路的布线。可以理解的是，金属层401正常分布情况下是不会分布于光电转换器件感光部分的正上方的，避免金属层401影响感光电转换器件的感光。因此，相邻所述金属层单元40之间形成与至少一个所述光电转换器件相对应的光通道，以使入射光线通过所述光通道到达所述光电转换器件。
49.如图2和图3所示，所述金属层单元40的相邻所述金属层401之间设置有填充介质，从而支撑金属层401。该填充介质为绝缘材料，以避免相邻金属层401之间的导通。作为可行的，填充介质可以采用第二透光材料601制成，例如，可以是二氧化硅、氮化硅、透光的有机物等等。当然的，金属层单元40与衬底301之间也可以设置有填充介质，从而支撑金属层单元40。该填充介质一般也为绝缘材料，作为可行的，可以采用第二透光材料601制成。在其它可行的实施方式中，该填充介质可以不为绝缘材料，其只需不与感光区201的光电转换器件
接触即可。
50.如图2和图3所示，金属层单元40中的金属层401之间可通过导电通孔进行电性连接金属层单元40中最底层的金属层401可以通过导电通孔与光电转换器件进行连接，导电通孔制作于填充介质内。导电通孔可以理解为通孔中为导电物质，以实现相邻金属层401之间的电性连通、金属层401与光电转换器件之间的电性连通。
51.如图2和图3所示，遮挡层101设在所述光通道中,遮挡层101遮挡所述金属层单元40的至少部分侧方，以使所述入射光线无法进入至相邻金属层401之间的间隙。具体而言，遮挡层101可以位于相邻所述金属层401之间的间隙的侧方，从而可以避免该侧方的光通道中的由用户手指反射回来的目标信号光中入射角度较大的噪声光射向相邻金属层401之间，从而在相邻的金属层401之间在金属层401的上下表面产生发射而射向相邻的另一个光通道中，进而射向另一个光通道相对应的感光区201。这样以后，上述入射角较大的噪声光将无法导致感光区201接收到的光的信噪比降低，进而无法造成成像质量的降低，所以说，本技术能够将原本射向相邻所述金属层401之间的间隙的入射光线进行阻挡或反射，避免感光区201接受到经过相邻的金属层401之间反射的噪声光线，以提高感光区201的成像质量。
52.作为可行的，遮挡层101靠近金属层401的一侧可以与上下两层的金属层401相紧贴，从而避免由用户手指反射回来的目标信号光通过遮挡层101与金属层401之间的间隙射入，最终可能射向周围的感光区201，以降低感光区201的成像质量。
53.作为可行的，遮挡层101可以遮挡所述金属层单元40的全部侧方，如此，可以将原本射向金属层401侧壁的入射光线进行全部阻挡或反射。
54.作为可行的，遮挡层101可以采用能够对光具有遮挡的材料制成，例如非透明有机材料、金属材料等。
55.在上述多个实施方式中，作为可行的，所述遮挡层101可以为吸光层或隔光层，其能够将射向自己的入射光线全部吸收或遮挡。当所述遮挡层101为吸光层时，可以不产生任何反射，这样可以避免反射的光线射向感光区201，而导致感光区201接收到的光的信噪比降低，进而无法造成成像质量的降低。吸光层可以由对光具有吸收作用的非透明有机材料制成。作为优选地，所述吸光层可以覆盖所述金属层单元40的整个侧方，这样也可以避免光通道中的由用户手指反射回来的目标信号光中入射角度较大的噪声光射向金属层401的侧壁而进行反射，反射的光线射向感光区201，而导致感光区201接收到的光的信噪比降低，进而无法造成成像质量的降低。吸光层有效的解决了大角度光和散射光的干扰，有效的提高了光学指纹芯片的应用场景以及性能。
56.当所述遮挡层101为隔光层时，隔光层可以优选采用金属材料，这样在工艺上容易实现加工形成隔光层。
57.如图2所示，作为可行的，沿垂直于所述衬底301的方向上，所述光通道的通光截面的面积不变。通过上述方式可以确保由用户手指反射回来的目标信号光中入射角度较小的有效光能够较大程度的通过光通道，最终射向该光通道相对应的感光区201，感光区201的光电转换器件便能够接收到该有效光，以进一步提高感光区201的成像质量。在本实施方式中，所述遮挡层101背对自身遮挡的所述金属层单元40的一面垂直于所述衬底301，从而确保通道的通光截面的面积沿垂直于所述衬底301的方向上不变。
58.如图3所示，作为可行的，在垂直于所述衬底301的方向上，所述光通道的通光截面的面积由远离所述衬底301的一端向靠近所述衬底301的一端逐渐缩小。通过上述方式可以确保由用户手指反射回来的目标信号光中入射角度较大的噪声光射向遮挡层101时，遮挡层101可以尽可能的将这部分光反射至远离感光区201的方向。所述光通道的通光截面的面积由远离所述衬底301的一端向靠近所述衬底301的一端逐渐缩小的程度越大，遮挡层101能够将入射角度越大的噪声光反射至远离感光区201的方向。在本实施方式中，所述遮挡层101背对自身遮挡的所述金属层单元40的一面可以由远离所述衬底301的一端向靠近所述衬底301的一端逐渐远离自身遮挡的所述金属层单元40。例如，所述遮挡层101背对自身遮挡的所述金属层单元40的一面可以呈平面状，或在竖直平面内呈弧状，该弧状可以内凹的弧状，也可以是外凸的弧状。
59.由于金属层401是通过多层金属实现的光学指纹芯片中光检测电路的布线，为了避免金属层401影响感光电转换器件的感光，相邻所述感光区201之间具有间隔区域，所述金属层单元40位于相邻的所述感光区201之间。该处的之间可以理解为相邻的所述感光区201之间的中垂线上的所有区域。
60.一般而言，金属层401具有一定的长度，在如图2和图3所示，金属层401至少沿垂直于纸面方向延伸，其可以跨越多个感光区201，也可以再沿水平方向再延伸等等，再跨越多个感光区201。因此，整个金属层单元40在周向方向上具有一圈侧方，为了避免入射光从任一一个方向射入相邻所述金属层401之间的间隙，或从任一一个方向射向金属层401的侧壁而反射至感光区201，所述遮挡层101可以呈环形，其套设在所述金属层单元40的周向上，从而使得整个金属层单元40的周向均被遮挡层101遮挡，从而最大程度的提高感光区201的成像质量。
61.如图2和图3所示，相邻所述遮挡层101之间的光通道中设置有第一透光材料501，从而使得入射光(由用户手指反射回来的目标信号光)能够经过第一透光材料501到达感光区201。第一透光材料501可以采用二氧化硅、氮化硅、透光的有机物等等。
62.在本技术中还提出了一种电子设备，包括：显示屏，设有指纹识别区，用于供目标生物体接触；激励光源，用于向所述目标生物体发射探测光；如上述任一所述的光学指纹芯片，其设置在所述显示屏下与指纹识别区相应的位置，收集从所述指纹识别区反射回的目标指纹光信号。上述光学指纹芯片可运用于包括但不限于屏下指纹解锁、用户身份验证、门禁权限获取等场景中。更具体的，本发明实施例光学指纹芯片可以被应用在电子设备中，包括但不限于移动智能手机、平板电子设备、计算机、gps导航仪、个人数字助理、智能可穿戴设备等电子设备中。
63.为了实现电子设备的基本功能，本发明实施例中所提及的电子设备还可以包括其他必需的模块或部件。以移动智能手机为例，其还可以包括通信模块、电池等。需要说明的是，电子设备所包括的其他必需的模块或部件，可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本发明所提供的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但应该理解，本发明在范围上并不因此而受到限制。
64.电子设备可以配置有显示屏，设有用于供目标生物体(例如用户的手指)接触的指纹识别区，所述指纹识别区可以为显示屏的上表面的部分区域。显示屏的下方可设有用于向目标生物体发射探测光的激励光源。
65.在一些实施例中，该显示屏可以为采用自发光单元作为显示像素的自发光显示屏，例如oled显示屏或者led显示屏。从而，显示屏可以作为激励光源，向目标生物体发射激励光，激励光经目标生物体反射形成目标光信号。这种激励光源通常为可见光，那么光学指纹识别装置检测的探测光一般对应为可见光。
66.当然，显示屏也可以是lcd显示屏或者其他被动发光显示屏等背光模组。这类电子设备可以配置有位于背光模组下方或者其他方位的额外光源作为所述激励光源。通常在背光模组的应用下，电子设备为光学指纹识别装置所配备的光源为红外光源，设于该显示屏下的光学指纹芯片中感光像素单元对应感测的为红外光。
67.在本技术中还提出了一种光学指纹芯片的加工方法，所述光学指纹芯片的加工方法可以包括：
68.在衬底301上加工形成包括光电转换器件的感光区201。感光区201一般为多个，其在水平方向和垂直于纸面方向依次排列，相邻所述感光区201之间具有间隔区域。
69.在所述衬底301的上方加工形成位于所述第二透光材料601中的多个金属层单元40，一个所述金属层单元40包括多个金属层401，多个所述金属层401在垂直于所述衬底301的方向上具有间隙的排列，相邻所述金属层单元40之间形成与至少一个所述光电转换器件相对应的光通道，所述光通道、相邻所述金属层401之间均为所述第二透光材料601。第二透光材料601和金属层401为半导体工艺制程中的后端，通过金属布线形成金属层401，第二透光材料601是隔绝金属层401的材料，其为透光的，一般可以采用二氧化硅。
70.通过刻蚀工艺去除相邻所述金属层单元40之间形成的光通道中的所述第二透光材料601。利用半导体光掩膜的工艺将相邻所述金属层单元40之间形成的光通道中的所述第二透光材料601(非金属区域)进行刻蚀以去除，如离子刻蚀或湿法刻蚀等。
71.待去除所述光通道中的所述第二透光材料601后，在所述光通道中填充遮挡层101，所述遮挡层101遮挡所述金属层单元40的至少部分侧方，以使所述入射光线无法进入至相邻金属层401之间的间隙。作为优选地，可以将遮挡层101遮挡所述金属层单元40的整个侧方，以使所述入射光线无法进入至相邻金属层401之间的间隙，也无法经过金属层401的侧壁进行反射。作为可行的，遮挡层101可以是吸光层。遮挡层101的填充可以采用喷涂、旋涂、cvd/pvd等方法。
72.在相邻的所述遮挡层101之间的所述光通道中填充第一透光材料501。第一透光材料501的填充同样可以采用喷涂、旋涂、cvd/pvd等方法，第一透光材料501与遮挡层101的上表面可以齐平，如此，加工得到本技术中的光学指纹芯片。
73.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。