形成成像像素微透镜的改进方法与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求由christopherparks发明的、提交于2016年2月25日的名称为“improvedmethodsofformingimagingpixelmicrolenses”(形成成像像素微透镜的改进方法)的美国临时申请no.62/299628的优先权，该申请以引用方式并入本文，并且据此要求该申请的共同主题的优先权。

背景技术：

本发明整体涉及成像系统，更具体地讲，涉及具有带微透镜的像素的成像系统。

现代电子设备(诸如移动电话、相机和计算机)通常使用数字图像传感器。成像传感器(有时称为成像器)可由二维图像感测像素阵列形成。每个像素包括光敏层，该光敏层接收入射光子(光)并将光子转变为电荷。有时，图像传感器被设计为使用联合图像专家组(jpeg)格式将图像提供给电子设备。

图像传感器中的每个像素可由微透镜覆盖，以把光聚焦到该像素上。常规的微透镜可使用光刻法形成，其中使用光将光刻胶图案化成为所需的微透镜形状。然而，光刻法可能仅能够精确地将薄光刻胶层图案化。因此，光刻法可能不是形成用于大像素的、具有较大厚度微透镜的恰当方法。

所以希望提供改进的形成像素微透镜的方法。

附图说明

图1为可包括根据本发明实施例的图像传感器的示例性电子设备的示意图。

图2为根据本发明实施例的示例性像素阵列和相关读出电路的示意图，所述读出电路用于从像素阵列读出图像信号。

图3为根据本发明实施例的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有在微透镜形成之前在衬底中形成的感光区域。

图4为根据本发明实施例的具有第一层光刻胶的示例性图像传感器的横截面侧视图。

图5为根据本发明实施例的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有已经被图案化以形成微透镜的第一部分的光刻胶层。

图6为根据本发明实施例的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有在第一微透镜部分上方形成的第二层光刻胶。

图7为根据本发明实施例的已将第二层光刻胶图案化之后的示例性图像传感器的横截面侧视图。

图8为根据本发明实施例的在第二层光刻胶已被熔化以形成微透镜的第二部分之后的示例性图像传感器的横截面侧视图。

图9为根据本发明实施例的示例性图像传感器的横截面侧视图，该图像传感器具有含两个弯曲的表面的光刻胶层。

图10为根据本发明实施例的用于形成微透镜的示例性步骤的流程图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及像素具有微透镜的图像传感器。图1中示出了可包括具有微透镜的像素的示例性电子设备。电子设备10可以是数字照相机、计算机、移动电话、医疗设备或其他电子设备。相机模块12(有时称为成像设备)可包括图像传感器16和一个或多个透镜14。在操作期间，透镜14将光聚焦到图像传感器16上。图像传感器16包括将光转换成数字数据的光敏元件(如，像素)。图像传感器可具有任何数量(如，数百、数千、数百万或更多)的像素。典型的图像传感器可(例如)具有数百万的像素(如，百万像素)。例如，图像传感器16可包括偏置电路(如，源极跟随器负载电路)、采样保持电路、相关双采样(cds)电路、放大器电路、模拟-数字(adc)转换器电路、数据输出电路、存储器(如，缓冲电路)、寻址电路等。

可将来自图像传感器16的静态图像数据和视频图像数据提供给处理电路18。处理电路18可用于执行图像处理功能，诸如自动聚焦功能、深度感测、数据格式化、调节白平衡和曝光、实现视频图像稳定、脸部检测等。

处理电路18也可用于根据需要压缩原始相机图像文件(例如，压缩成联合图像专家组格式或简称jpeg格式)。在典型布置(有时称为片上系统(soc)布置)中，图像传感器16和处理电路18在共用集成电路上实现。使用单个集成电路来实现图像传感器16和处理电路18可有助于降低成本。不过，这仅为示例性的。如果需要，图像传感器16和处理电路18可使用单独的集成电路来实现。处理电路18可包括微处理器、微控制器、数字信号处理器、专用集成电路或其他处理电路。

如图2所示，图像传感器16可包括包含被布置成行和列的图像传感器像素22(有时在本文称为图像像素或像素)的像素阵列20以及控制和处理电路24(其可包括例如图像信号处理电路)。阵列20可包含例如几百或几千行以及几百或几千列图像传感器像素22。控制电路24可耦合至行控制电路26和图像读出电路28(有时称为列控制电路、读出电路、处理电路或列解码器电路)。

行控制电路26可从控制电路24接收行地址，并且通过行控制路径30将对应的行控制信号，例如，复位控制信号、行选择控制信号、电荷传输控制信号、双转换增益控制信号和读出控制信号提供给像素22。可将一根或多根导线(例如，列线32)耦合至阵列20中的各列像素22。列线32可用于读出来自像素22的图像信号以及用于将偏置信号(如，偏置电流或偏置电压)提供给像素22。如果需要，在像素读出操作期间，可使用行控制电路26选择阵列20中的像素行，并且可沿列线32读出由该像素行中的图像像素22生成的图像信号。

图像读出电路28可通过列线32接收图像信号(如，由像素22生成的模拟像素值)。图像读出电路28可包括用于对从阵列20读出的图像信号进行采样和暂时存储的采样保持电路、放大器电路、模拟/数字转换(adc)电路、偏置电路、列存储器、用于选择性启用或禁用列电路的闩锁电路或者耦合至阵列20中的一个或多个像素列以用于操作像素22以及用于读出来自像素22的图像信号的其他电路。读出电路28中的adc电路可将从阵列20接收的模拟像素值转换成对应的数字像素值(有时称为数字图像数据或数字像素数据)。图像读出电路28可针对一个或多个像素列中的像素通过路径25将数字像素数据提供给控制和处理电路24和/或处理器18(图1)。

图3为示例性图像传感器在微透镜形成之前的横截面侧视图。在步骤200中，可在衬底100中形成感光区域105。衬底100可以是掺杂半导体材料，诸如硅。例如，衬底100可由p型掺杂硅形成。然而，这个例子仅为示例性的，并且衬底100可由任何所需材料形成。感光区域105可以是光电二极管、钉扎光电二极管、光电容器或任何其他所需的光-电转换元件。在一个示例性例子中，感光区域105可以是由n型掺杂硅形成的钉扎光电二极管。感光区域105可用于互补金属氧化物半导体(cmos)像素或电荷耦合器件(ccd)像素。

衬底100可以由层110覆盖。层110可被形成为使得层110直接覆盖并接触衬底100和感光区域105。层110可包括滤色器材料、电介质钝化层、多晶硅栅极、金属栅极或金属线。层110可包括多个层(例如，在电介质钝化层上形成的滤色器层)。然而，为简单起见，层110在图3中被示出为一层。在图像传感器16是正照式图像传感器的实施例中，层110可包括具有金属信号线的电介质层。还可以在具有金属信号线的电介质层上形成滤色器层。在图像传感器16是背照式图像传感器的实施例中，金属信号线可在感光区域105下方形成。

在图4的步骤202处，光刻胶材料可在层110和具有感光区域105的衬底100上方形成。光刻胶115可在以后用于形成像素的微透镜的一部分。可使用任何所需的方法在层110上方形成光刻胶115(例如，光刻胶可被喷涂、涂覆、沉积等)。如图4所示，光刻胶材料115可具有厚度116。厚度116可以是大约2微米、大约1微米、小于2微米、小于1微米、大于0.1微米、小于0.1微米、介于0.1微米和2微米之间，或任何其他所需的厚度。光刻胶115的厚度116可足够小以经历精确光刻。

在步骤204处，光刻胶可经历光刻以形成第一微透镜部分118。首先，图像传感器可涂覆有光刻胶层。光刻胶层可为正性光刻胶或负性光刻胶。可使用掩模层来选择性地使光刻胶的各部分曝光。掩模层可以是半色调掩模。用于选择性地将光刻胶的各部分曝光的掩模层的例子仅为示例性的，并且如果需要，可使用其他方法来选择性地将光刻胶的个部分曝光。在使用正性光刻胶的实施例中，可将光选择性地施加到成像像素之间的光刻胶部分(例如，区域122)以形成微透镜的弯曲的表面。可使掩模完全覆盖成像像素的中心部分(例如，区域120)，以防止光刻胶的这些部分曝光。然后可使光刻胶暴露于光刻胶显影剂。当暴露于显影剂时，曝光的部分(区域122)可以是可溶的。当暴露于显影剂时，掩蔽部分可保持不溶解。

在其他实施例中，可使用负性光刻胶来涂覆图像传感器。在这些实施例中，成像像素的中心部分120可完全曝光，而区域122可通过掩模层选择性地免于曝光。当光被施加到光刻胶时，负性光刻胶可变得不溶于光刻胶显影剂。因此，区域120中的光刻胶将保持不变，而区域122中的光刻胶将被图案化成微透镜的弯曲的表面。光刻胶可暴露于任何所需类型的光(例如，紫外光、可见光、红外光等)，并且掩模可由任何所需的材料形成。

如图5所示，光刻之后，第一微透镜部分118可具有顶表面124和弯曲的侧表面126。如果需要，顶表面124(其有时可被称为基座或基座表面)可以是平面的或大体平坦的表面。弯曲的侧表面126可精确地弯曲，使得穿过侧表面126的入射光将聚焦在感光区域105上。

在图6的步骤206处，可在第一微透镜部分118(其由光刻胶115形成)上方形成附加的光刻胶材料128。然后，此附加的光刻胶材料可经历光刻以形成图案化的光刻胶部分130，如图7的步骤208所示。光刻胶128可以是正性光刻胶或负性抗蚀剂，如上文结合图5所述。图案化的光刻胶部分130可具有与微透镜部分118的顶表面相同的形状。例如，如果微透镜部分118是具有圆形上表面124的圆形，则每个光刻胶部分130可以是具有与上表面124的面积和形状相匹配的底表面132的圆柱体。光刻胶部分130的厚度134可以是大约2微米、大于2微米、大约1微米、小于2微米、小于1微米、大于0.1微米、小于0.1微米、介于0.1微米和2微米之间，或任何其他所需的厚度。

在步骤210处，图案化的光刻胶部分130可经历回流过程。回流过程可加热光刻胶130使其温度超过其熔点，使得光刻胶从固体转变为液体。在被熔化之后，光刻胶部分130可形成球形顶盖，该球形顶盖形成微透镜的第二部分136。熔化的光刻胶的表面张力将确保光刻胶不会从基座表面124流下，而是形成弯曲的第二微透镜部分136。第二微透镜部分136和第一微透镜部分118可结合以形成微透镜138。微透镜138可具有厚度140。厚度140可小于10微米、小于6微米、小于4微米、大约4微米、介于3微米和5微米之间、小于2微米、大约2微米或大于2微米。微透镜138的厚度140可大于仅通过光刻法可实现的厚度。

微透镜138的第一部分和第二部分(分别为118和136)可具有相同的折射率或不同的折射率。微透镜138的第二部分136可具有比微透镜的第一部分118更低的熔点。这确保了在光刻胶130回流以形成微透镜部分136期间，第一微透镜部分118也不会熔化而是保持其结构完整性。另外，在被图案化之后，第一微透镜部分118可在固化过程中暴露于热、光或其他能量。固化过程可有助于确保层118在回流过程中不会熔化。

利用光刻法和回流的组合形成的微透镜可具有任何所需形状。例如，微透镜可以形成为圆形或椭圆形。如果需要，同一图像传感器中的不同微透镜可具有不同的形状。例如，一些微透镜可形成为圆形，而一些微透镜可形成为椭圆形。

如图9所示，光刻胶层118的上表面124可以不是平面的。光刻胶层118可在光刻期间形成为具有弯曲的上表面。之后，当通过回流形成层136时，熔化的光刻胶可符合该弯曲的表面。这种类型的弯曲的表面可形成双凸透镜形状，而不是图8的平凸透镜形状。

图10是用于形成微透镜的示例性步骤的流程图。在步骤302处，可将第一光刻胶沉积在图像传感器上。第一光刻胶可以是正性光刻胶或负性光刻胶，而且第一光刻胶可具有任何所需的厚度。接下来，在步骤304处，可使用光刻法将第一光刻胶图案化。在图案化期间，第一光刻胶可通过半色调掩模曝光。图案化的第一光刻胶可形成微透镜的第一部分。图案化的第一光刻胶可具有平面的上表面或非平面的上表面。

在步骤306处，可在第一光刻胶上沉积第二光刻胶。第二光刻胶可涂覆整个图像传感器。第二光刻胶可以是正性光刻胶或负性光刻胶。然后可在步骤308处使用光刻法将第二光刻胶图案化。在图案化期间，第二光刻胶可通过半色调掩模曝光。图案化的第二光刻胶可在图案化的第一光刻胶的上表面上形成盘。图案化之后的第二光刻胶可具有平面的上表面。

在步骤310处，可加热第二光刻胶以使得第二光刻胶熔化。在熔化之后，图案化的第二光刻胶可具有弯曲的上表面。第二光刻胶可形成微透镜的第二部分。

在本发明的各种实施例中，一种形成微透镜的方法可包括：将第一光刻胶图案化以形成微透镜的第一部分；在微透镜的第一部分上形成第二光刻胶；以及加热第二光刻胶，使得第二光刻胶熔化并形成微透镜的第二部分。该方法可还包括在将第一光刻胶图案化之前在衬底上形成第一光刻胶。将第一光刻胶图案化可包括通过掩模层将第一光刻胶选择性地曝光。形成第二光刻胶可包括在第一光刻胶上形成第二光刻胶。该方法可还包括在第一光刻胶上形成第二光刻胶之后将第二光刻胶图案化。将第二光刻胶图案化可包括选择性地曝光第二光刻胶。

第一光刻胶可具有第一折射率，第二光刻胶可具有第二折射率。第一折射率可与第二折射率不同。第一折射率可与第二折射率相同。第一光刻胶可具有第一熔点。第二光刻胶可具有第二熔点。第一熔点可高于第二熔点。微透镜的第一部分可具有平面的上表面和弯曲的侧表面。微透镜的第二部分可具有平面的下表面和弯曲的上表面。微透镜的厚度可大于两微米。

在各种实施例中，一种方法可包括：在图像传感器上方形成第一光刻胶层；将第一光刻胶层图案化，使得存在多个图案化的第一光刻胶部分；在第一光刻胶层上方形成第二光刻胶层，使得存在多个图案化的第二光刻胶部分；以及加热多个图案化的第二光刻胶部分，使得图案化的第二光刻胶部分熔化。图像传感器可具有多个感光区域。每个图案化的第一光刻胶部分可覆盖相应的感光区域。每个图案化的第二光刻胶部分可覆盖相应的图案化的第一光刻胶部分。每个熔化的图案化的第二光刻胶部分可具有弯曲的上表面。第一光刻胶层可具有第一熔点，第二光刻胶层可具有第二熔点，并且第二熔点可低于第一熔点。将第一光刻胶层图案化以使得存在多个图案化的第一光刻胶部分可包括使用光刻法将第一光刻胶层图案化。

在各种实施例中，一种在成像像素上方形成微透镜的方法可包括：使用光刻法将第一光刻胶图案化以形成微透镜的第一部分；使用光刻法将第二光刻胶图案化，以在微透镜的第一部分的上表面上形成图案化的光刻胶部分；以及将图案化的光刻胶部分暴露于热，使得此图案化的光刻胶部分熔化并形成弯曲的上表面。微透镜的第一部分可具有上表面，并且图案化的光刻胶部分可具有平面的上表面。将图案化的光刻胶部分暴露于热以使得此图案化的光刻胶部分熔化并形成弯曲的上表面可包括：将图案化的光刻胶部分暴露于热，以使得此图案化的光刻胶部分熔化并形成微透镜的第二部分。微透镜的第一部分的上表面可以是平面的或非平面的。微透镜的第一部分的非平面的上表面可形成双凸透镜的一部分。

前述内容仅是对本发明原理的示例性说明，因此本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的前提下进行多种修改。