专利名称：一种固态图像传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及包括光敏元件(即像素)阵列以及布置在像素阵列之前的微透镜阵列的类型的固态图像传感器的制造方法，并且更具体地涉及产生用于像素及其各自微透镜的每一个微透镜的改进布局的方法。
背景技术：
传统的固态图像传感器，诸如CCD (电荷耦合器件)或CMOS (互补金属氧化物半导体)包括光敏像素阵列。然而，不是所有的每个像素区都是光敏的并且没有收集入射在非光敏的像素区的光，因此导致敏感度的损失和下降的性能。这特别是在主要用在移动电话照相机或其他通常很小的移动装置的具有兆像素计数的小图像传感器的情形中。这种敏感度损失可以通过布置在像素前面的微透镜阵列收集和聚焦光至其各自的像素的光敏区得以补偿。此外从不垂直于传感器表面的光线引起的敏感度损失(例如，“渐晕(vignetting) ”)也可以根据各自像素距图像传感器中心光学轴的距离通过移动与其相应像素相关的微透镜的位置补偿。这种图像传感器的一个示例在US2002/0079491中进行了描述。特别是，以使用的微透镜的主光线角度(CRA)与传感器之间的数学关系移动每一个微透镜，因此产生像素阵列和微透镜之间的对称布置“失配”。另外一个用于制造具有像素阵列和成像透镜出射光瞳的图像传感器的方法的具体示例在US2005/0266603有所描述。这种方法包括基于来自成像透镜出射光瞳的光线的可接受入射角范围相对于每个像素关联的光敏感区域定位每个像素的透镜。图1 (a)和(b)中示出了一种可能布置的简化示例。图1 (a)示出了简化像素阵列I的平面图以及每个微透镜4的中心轴3相对于它对应像素7的中心轴5的的位置。每个微透镜3根据每个微透镜3相对于中心光轴9的位置确定的方向(例如dl、d2)且相对于图像传感器I的中心光轴9移动一距离。图1(b)示出了沿A-B的侧视截面图，并且光线具有偏向像素的感光区5的非垂直CRA。然而，对称产生的“失配”可以引起图像传感器采样扰动干涉条纹，也已知为莫尔条纹(Moire pattern)。莫尔条纹是例如当具有规则结构(例如，诸如像素阵列的栅格条纹和微透镜阵列定义的栅格条纹)的两个实体以角度重叠时(例如相对于彼此旋转)，或当这些规则条纹具有细微不同的网孔尺寸(即不同空间频率)时产生的干涉条纹。图2(a)和
(b)图示了来自迭加栅格线11和13的莫尔条纹的示例。迭加诸如像素阵列和微透镜阵列的规则结构并且相对于像素阵列移动微透镜，从而改变微透镜阵列的空间频率可以引起混迭效应(aliasing effect),如通过图像传感器采样的莫尔条纹。例如，Q)当像素阵列相对地大(例如高像素照相机)时，或Qi)当微透镜的CRA相对于像素间距的变化率相对地低时，采样莫尔条纹的效率增加，从而导致在端图像中可见的清晰的固定图案噪声。相应地，需要提供一种具有降低诸如Moire效应的混迭干涉采样效率的改进固态图像传感器，并且提 供一种这样改进的固态图像传感器的制造方法。
发明内容
根据第一方面，提供了一种制造包括像素阵列以及布置在所述像素阵列之前的相应的微透镜阵列的图像传感器的制造方法，所述方法包括以下步骤:(a)根据所述相应像素与所述图像传感器光轴的距离计算每个所述微透镜相对于其相应像素的第一位置；(b)产生每个所述微透镜的从所述各自计算的第一位置随机偏移的第二位置；以及(C)在各自的第二位置放置每个所述微透镜。所述偏移可以是在随机径向方向并且限制在从所述计算的第一位置的最大距离。这提供的效果在于，通过随机偏移每个微透镜从其计算的移动位置(即相对于中心光轴确定的位置)的实际位置，随机分布来自微透镜阵列的移动微透镜条纹的空间频率信息以便提供不同空间频率并且有效消除Moire干涉。特别地，在图像传感器的制造过程中，在CAD (计算机辅·助设计)系统上生成并使用像素阵列的布局以及其相应的“移动的”微透镜阵列以便生成施加于光抗蚀剂层的掩膜，使得在光刻工艺期间将几何布局和/或位置转移至晶片。当产生用于微透镜阵列的CAD布局时，生成距每个微透镜的计算的移动位置的随机偏移并将其应用于微透镜阵列布局。该新的微透镜阵列布局仍然包括每个微透镜相对于图像传感器中心光轴计算的移动，但还并入从每一个那些计算的微透镜位置的随机偏移而不破坏计算的移动布局的总的图案。然而这些随机偏移足够“扰动”空间频率信息以便有效地最小化或甚至移除来自端图片的Moire干涉而不妥协图像质量(最小劣化)。同样，通过在计算的第一微透镜位置附近提供用于偏移的限制区域(即距计算的第一位置的最大距离)，确保微透镜的随机扰动不减损计算的微透镜移动的预定效果，或引入另一个可以引起另外的莫尔条纹的空间频率。例如，如果随机偏移太小，莫尔条纹可以仍然被采样或可以甚至更准确地被采样。另一方面，如果随机偏移相对于像素间距/尺寸太大，径向强度带(radial intensitybanding)也可能引入至端图像中。利用在最大捕捉栅格分辨率的CAD软件程序可以实现步骤(a)、(b)和(C)。这提供的效果在于，能够在最大精度产生像素阵列和微透镜位置的布局，从而最小化可能由不准确放置引入的误差。特别地，当前的像素阵列和径向微透镜布局CAD系统可以提供在大约2.5nm或5.0nm栅格捕捉间距的最大捕捉栅格分辨率。最大距离可以取决于所述像素尺寸和/或所述CAD软件程序的所述最大捕捉栅格分辨率。例如，在当前可用的高分辨率像素阵列，最大捕捉栅格分辨率可以足够充足地准确产生像素阵列和各自微透镜的布局。因此，最大偏移(最大距离)可以通过最大捕捉栅格分辨率(即不大于所使用的捕捉栅格间隔)限制以便最小化针对每个微透镜距初始计算的第一位置转移太多而可能引入的任何其他误差。另一方面，具有较大像素尺寸(间距)的较小的分辨率像素阵列可以允许比可用最小捕捉栅格间隔大的并且根据实际像素尺寸(间距)限制的最大偏移(即最大距离)。第二位置可以通过适用于处理所述计算的第一位置的软件子程序生成。软件子程序可以利用随机数生成器。软件子程序可以嵌入在所述CAD软件程序中。
这提供的效果在于，可用的CAD软件程序能够更新或升级至包括执行本实施例要求的(多个)附加功能。特别是，利用当前计算机系统和操作系统容易获得随机数生成器，并且可以通过处理包括计算的第一位置的数据的软件子程序利用随机数发生器以确定对于每一个计算的第一位置按随机方向并且按距各自计算的第一位置的随机距离偏移的第二位置。同样，子程序可以考虑诸如像素尺寸(间距)以及当前使用的捕捉栅格间隔(例如最小可用捕捉栅格间隔)之类的参数将偏移(即距初始计算的第一位置的距离)限制至距所述计算的第一位置的最大距离(例如不大于所使用的栅格间隔，或不大于像素间距的10%等)。同样，将软件子程序嵌入至已有的CAD软件或操作系统提供的效果在于，仅需要增加源代码或对已有系统进行修改。然而，也可以从连接至计算机的外部装置提供软件子程序以便与CAD软件通信从而处理计算的第一位置的数据并且提供第二、偏移位置的数据。外部装置可以是经由USB标准连接至计算机并且与计算机通信的数据存储介质。然而，本领域的技术人员可以理解可以使用任何其他适用于存储和/或执行软件子程序并且物理或无线连接至计算机的外部装置。根据第二方面，提供了一种包含像素阵列和布置在像素阵列之前的相应的微透镜阵列的固态图像传感器，其中根据在第一方面描述的方法确定每个所述微透镜相对于其相应的像素的放置。根据第三方面，提供了包括如在第二方面描述的固态图像传感器的图像系统。根据第四方面，提供了包括如第二方面描述的固态图像传感器的照相机。根据第五方面，提供了包括如第二方面描述的固态图像传感器的移动通信装置。根据第六方面，提供了存储一个或多个计算机指令的程序的计算机可读存储介质，其中指令适用于执行如第一方面描述的方法。这提供的效果在于，能够考`虑系统的当前可用最小捕捉栅格间隔以及像素阵列的当前像素间距，对CAD系统进行追加地编程或升级以自动引入随机偏移。因此，当生成用于图像传感器的光刻掩膜布局时可简单地将偏移整合至当前可用标准设计流程中。
现在将仅通过示例且不进行任何限定的方式参照附图描述优选的实施例，在附图中:图1(a)示出了具有像素阵列和对应的微透镜阵列的已知图像传感器的示意平面图，其中每个微透镜根据其距图像传感器的中心光轴的位置移动，图1(b)示出了图1(a)中的图像传感器的一部分的简化示意截面侧视图，其进一步示出了偏向图像传感器光感区中心的光线，图2(a)和(b)示出了从“移动的”栅格条纹生成的简单莫尔条纹的两个示例，图3示出了使用光掩膜的典型光刻过程的简化功能图，图4示出了包括像素阵列和对应的随机偏移微透镜的一个实施例的图像传感器布局的简化示意平面图，图5示出了如图3所示的图像传感器在CAD系统的最小可用捕捉栅格间隔下的一个像素以及对应微透镜的布局的近距离视图，其包括微透镜的计算的移动位置和偏移位置，图6示出了如图3所示的图像传感器利用CAD系统的较大捕捉栅格间隔的一个像素以及对应的微透镜的替代布局的近距离视图，并且进一步示出了由相对于计算的移动位置的较大捕捉栅格引入的放置误差，以及
图7(a)示出了一个实施例的、且根据本发明制造的图像传感器，以及 图7(b)示出了包括具有如图7(a)中所示的图像传感器的照相机的移动装置的简化示例。
具体实施例方式参阅图3，当制造CXD或CMOS图像传感器时，诸如光刻的工艺被用于在晶片上产生微图案。在蚀刻出微图案之前，光抗蚀剂层暴露于用于从光掩膜12传递几何图案的光
10。然后一系列化学处理或将暴露的图案雕刻入光抗蚀剂下面的材料中或允许在光抗蚀剂下面的材料之上以期望的图案沉积新材料。用于光掩膜12的图像源自通常从CAD (计算机辅助设计)系统创建的计算机化的数据文档。因此，为产生用于实施例的图像传感器的像素阵列和微透镜的相应位置，光掩膜12的布局优选地在转移相应图案至光掩膜12之前在CAD系统上产生，其然后用来制造实施例的图像传感器。现在参阅图4至图6，公开了一个优选实施例。图4示出了包括像素阵列110和微透镜阵列130的图像传感器100的简化的“不按比例”的示例，像素阵列110具有布置于正方形栅格图案中的多个像素120，微透镜阵列130具有每个根据相对于图像传感器的中心光轴150的像素位置从其相应的像素中心移动的多个(对应每个像素一个的)微透镜140，其中每个微透镜的位置然后进一步从计算的“移动”位置随机地偏移。优选地，偏移处于从计算的移动位置的随机径向方向并且限制随机偏移的最大距离。在图像传感器包括使用最大可用捕捉栅格分辨率以产生光掩膜的布局的最大可用分辨率的像素阵列的情况下，将从初始计算的移动位置的偏移限定在比CAD软件程序的最小捕捉栅格间隔小的距初始计算的移动位置的最大距离。在图像传感器包括较低分辨率即像素尺寸比实际可能的最小像素尺寸大的情况中，则将从初始计算的移动位置的偏移限定在取决于较大像素尺寸的距初始计算移动位置的最大距离。限定(即最大距离)的随机偏移确保相对于像素阵列110的像素120移动微透镜140从而降低“渐晕”的效果没有丢失。因此，在微透镜的计算的移动位置周围的随机偏移改变了移动的微透镜阵列130的空间频率，从而降低图像传感器用于采样Moire干涉的效率。为了生成随机偏移，应当理解的是可以使用任何已知手段。例如，可以使用利用随机数生成器的计算机执行的软件子程序以计算对于每个微透镜140的随机分配的偏移位置。然而，应当理解的是本领域的技术人员可以使用适于在计算的移动位置周围的预定限制区域内产生随机位置的任何其他随机选择(计算机执行的和非计算机执行的)。然而，优选地可以通过用嵌入在通常使用的CAD软件程序的源代码中的并且适用于处理初始计算的 移动位置以生成并且执行图像传感器布局的随机偏移位置的软件子程序升级CAD软件程序以生成随机偏移。图5示出了代表性像素160、计算的移动位置170和计算机生成的微透镜140的随机偏移位置175的特写示例。围绕计算的移动位置的虚线圈代表根据像素尺寸确定的最大允许随机偏移限制178(例如，当使用较大像素以产生较小分辨率图像传感器时)。在使用最小可用栅格间隔dmin产生用于当前最大可能像素阵列分辨率的布局(即最小像素尺寸)的情形中，实际栅格间隔将定义最大允许随机偏移的限制。可替代地但是不是优选地，随机偏移可以利用用于产生掩膜布局的CAD系统的捕捉栅格160生成。特别地，当产生用于像素阵列110和对应的微透镜140的计算的移动位置的布局时，如图5中所示可以使用通过CAD系统提供的全放置精度(即捕捉栅格160的最大分辨率)。可用的最小捕捉栅格间隔dmin可以是提供最大分辨率放置精度的2.5nm或5nm。如果在将微透镜放置在它们计算的移动位置时，使用相同的捕捉栅格间隔Clmin,每个微透镜140将会被放置在它们对应的计算的移动位置。然而，通过增加捕捉栅格间隔dmin至Cl1并且随后降低捕捉栅格160的分辨率，如图6所示在微透镜140的计算的移动位置170和微透镜140的实际放置位置(“被捕捉”至较大捕捉栅格)180之间引入了放置误差。通过增加的捕捉栅格间隔Cl1实现的放置准确度可以在当产生像素阵列布局时使用的最小可用捕捉栅格间隔dmin(例如2.5nm、5.0nm)的10%的最小值和针对像素阵列布局使用的像素间距的20%的最大值之间。例如，在1.4um的像素间距和5nm的最小捕捉栅格间隔dmin的情况下，微透镜放置分辨率的界限应在280nm和0.5nm之间，即在距计算的移动位置170的任何径向方向的0.5nm和280nm的距离之内。因此，在可替代的示例中，为了生成每一个微透镜140的随机偏移，所有的要求为当将微透镜140放置在它们各自的计算的移动位置170时改变捕捉栅格间隔。捕捉栅格间隔还可以调谐至匹配微透镜的CRA对像素间距的变化率。包含实施例特征的图像传感器200在图7(a)中示出。特别地，已经使用掩膜布局制造了图像传感器200，其中在比生成像素阵列110和计算的移动位置170时使用的最小可用捕捉栅格间隔dmin更大的捕捉栅格间隔dl相对于对应的像素110放置微透镜140，从而产生针对每一个微透镜140的随 机偏移。应当理解的是替代方案是从计算的移动位置产生随机偏移的许多可能方式中的一种，并且可能不是实际上生成针对微透镜140的随机偏移布局位置的优选方法。图7(b)中示出了包含图像传感器200的移动装置300。移动装置300可以是包含照相机的移动电话。虽然该详细的说明书已经提出一些实施例，附加权利要求覆盖了根据多种修正和改进的不同于描述的实施例的其他实施例。例如每个微透镜140从其计算的移动位置170的随机偏移可以通过其他能够在CAD系统中执行的任何合适装置生成。此外，可以在光刻工艺期间或在生成以及将微透镜130阵列放置在像素阵列110上的制造步骤期间生成针对每个微透镜140从其计算的移动位置的随机偏移。
权利要求
1.一种用于制造包括像素阵列和布置在所述像素阵列之前的相应的微透镜阵列的图像传感器的制造方法，所述方法包括步骤: (a)根据所述微透镜的相应像素距所述图像传感器光轴的距离，计算每一个所述微透镜相对于所述相应像素的第一位置； (b)生成每个所述微透镜的从所述各自计算的第一位置随机偏移的第二位置； (C)将每个所述微透镜放置在各自的第二位置。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述偏移处于随机径向方向并且限制于距所述计算的第一位置的最大距离。
3.如前述权利要求任一项所述的方法，其中利用CAD软件程序在最大捕捉栅格分辨率实现步骤(a)、(b)和(C)。
4.如权利要求3所述的方法，当从属于权利要求2时，其中所述最大距离取决于所述像素的尺寸和/或所述CAD软件程序的所述最大捕捉栅格分辨率。
5.如前述权利要求任一项所述的方法，其中所述第二位置通过适用于处理所述计算的第一位置的软件子程序生成。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述软件子程序利用随机数生成器。
7.如权利要求5或6所述的方法，当从属于权利要求3时，其中所述软件子程序嵌入在所述CAD软件程序中。
8.一种固态图像传感器，包括像素阵列和布置在所述像素阵列之前的相应的微透镜阵列，其中根据权利要求1-7中任一项所述的方法确定每个所述微透镜相对于其相应的像素的放置。
9.一种成像系统，包括如权利要求8中所述的固态图像传感器。
10.一种照相机，包括如权利要求8中所述的固态图像传感器。
11.一种移动通讯装置，包括如权利要求8中所述的固态图像传感器。
12.—种计算机可读存储介质，存储一个或多个计算机指令的程序，其中所述指令适用于执行权利要求1至7任一项所述的方法。
全文摘要
本发明提供了一种固态图像传感器及其制造方法。该制造方法包括以下步骤根据所述相应像素与所述图像传感器光轴的距离计算每个所述微透镜相对于其相应像素的第一位置；产生每个所述微透镜的从所述各自计算的第一位置随机偏移的第二位置；以及在各自的第二位置放置每个所述微透镜。本发明通过随机偏移每个微透镜从其计算的移动位置的实际位置，随机分布来自微透镜阵列的移动微透镜条纹的空间频率信息以便提供不同空间频率，从而有效消除了莫尔干涉。
文档编号H01L27/146GK103247643SQ20131003102
公开日2013年8月14日 申请日期2013年1月21日 优先权日2012年2月1日
发明者R·尼科尔, C·威尔金森, B·赫恩 申请人:意法半导体(R&D)有限公司