光场成像设备及其制造方法与流程

本申请要求2015年12月21日提交的申请号为10-2015-0182668的韩国专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本发明的示例性实施例总体上涉及一种半导体器件制造技术，更具体地，涉及一种包括图像传感器的光场成像设备及其制造方法。

背景技术：

图像传感器可以将光学图像转换成电信号。随着计算机和通信行业的发展，在各种应用中，诸如数码相机、摄像机、智能手机、游戏机、安全摄像头、医疗微型摄像机、机器人等，对具有改进性能的图像传感器的需求增加。

技术实现要素：

本发明的各个实施例涉及一种具有改进的性能的光场成像设备及其制造方法。

在一个实施例中，一个光场成像设备可以包括：图像传感器，具有二维布置在其中的多个像素；微透镜阵列，形成在图像传感器之上，所述微透镜阵列具有二维布置在其中的多个微透镜；以及多个支撑结构，形成在图像传感器与微透镜阵列之间以用于在它们之间提供空气隙。

多个微透镜中的每个可以对应于多个像素。多个微透镜中的每个可以具有多个顶点，并且多个顶点中的至少两个顶点可以与支撑结构重叠。多个微透镜中的每个可以具有多个顶点，并且这些顶点中的沿对角线方向定位的两个顶点可以与支撑结构重叠。当从上面看时，多个微透镜中的每个可以具有多边形形状，所述多边形形状具有至少四个边并且在各个顶点处被倒圆。多个微透镜中的每个可以包括半球形透镜或数字透镜。多个支撑结构可以按之字形图案设置，以与多个微透镜的顶点重叠。多个微透镜可以共享多个支撑结构中的每个。多个支撑结构中的每个可以具有柱形形状。

在一个实施例中，一个光场成像设备可以包括：图像传感器，包括其中多个亚微透镜二维布置的亚微透镜(sub-microlens)阵列；微透镜阵列，形成在图像传感器之上，并具有二维布置在其中的多个微透镜；以及多个支撑结构，形成在图像传感器与微透镜阵列之间以用于在它们之间提供空气隙，所述支撑结构包括：多个第一支撑结构，形成 在图像传感器之上以支撑微透镜阵列，并具有柱形形状；以及第二支撑结构，耦接至第一支撑结构以接触微透镜阵列的底表面，并具有板形形状。

多个微透镜中的每个可以对应于多个亚微透镜。亚微透镜可以不形成在与多个微透镜的各个顶点相对应的区域中。形成在与多个微透镜的各个顶点相对应的区域中的亚微透镜具有与形成在其他区域中的亚微透镜不同的形状。多个亚微透镜中的每个可以包括半球形透镜或数字透镜。当从上面看时，多个亚微透镜中的每个可以具有多边形形状或圆形形状，所述多边形形状具有至少四个边并且在各个顶点处被倒圆。多个微透镜中的每个可以具有多个顶点，并且多个顶点中的至少两个顶点与第一支撑结构重叠。多个微透镜中的每个可以具有多个顶点，并且这些顶点中的沿对角线方向定位的两个顶点与第一支撑结构重叠。当从上面看时，多个微透镜中的每个可以具有多边形形状，所述多边形形状具有至少四个边并且在各个顶点处被倒圆。多个微透镜中的每个可以包括半球形透镜或数字透镜。多个第一支撑结构可以按之字形图案设置，以与多个微透镜的顶点重叠。多个微透镜可以共享多个第一支撑结构中的每个。多个第一支撑结构中的每个可以包括具有圆柱体形状或空心柱形状的第一支撑层。多个第一支撑结构中的每个还可以包括密封层，所述密封层形成在第一支撑层之上以填充由第一支撑层形成的内部空间。密封层可以包括与多个微透镜或第一支撑层相同的材料。第二支撑结构可以包括第二支撑层，从第一支撑层延伸并接触多个微透镜的底表面；以及多个开口，形成在多个微透镜之间的第二支撑层中。第二支撑层可以与第一支撑层集成。多个开口可以按之字形图案设置，以与多个第一支撑结构偏离。多个第一支撑结构和多个开口可以彼此交替地设置。

在一个实施例中，用于制造光场成像设备的方法可以包括：准备其中多个像素二维布置的图像传感器；在图像传感器之上形成牺牲层；通过选择性地蚀刻牺牲层而形成多个第一开口；在包括多个第一开口的结构之上形成支撑层；在支撑层之上形成其中多个微透镜二维布置的微透镜阵列；通过蚀刻多个微透镜之间的支撑层和牺牲层的部分而形成多个第二开口；以及通过经由第二开口去除牺牲层而形成空气隙。此外，所述方法还可以包括在形成牺牲层之前，在图像传感器之上形成第一保护层；以及在形成多个第二开口之前，在微透镜阵列之上形成第二保护层。

第一保护层、第二保护层和支撑层可以由相对于牺牲层具有蚀刻选择性的材料制成。可以在包括多个第一开口的结构的表面之上形成支撑层，以具有均匀的厚度。支撑层可以形成为不全部填充多个第一开口。多个微透镜中的每个可以具有多个顶点，并且形成为使得多个顶点中的至少两个顶点与形成在第一开口中的支撑层重叠。多个微透镜中的每个可以具有多个顶点，并且形成为使得这些顶点中的沿对角线方向定位的两个顶点与形成在第一开口中的支撑层重叠。

根据以上的实施例，由于光场成像设备包括形成在图像传感器与微透镜阵列之间并在它们之间提供空气隙的支撑结构，所以图像传感器和微透镜阵列可以被集成在一个芯片中，同时，可以基本上防止由集成导致的光损耗。

附图说明

图1是光场成像设备的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的光场成像设备的平面图。

图3和图4分别是沿图2的线A-A'和B-B'截取的剖视图。

图5和图6是图示根据本发明的实施例的光场成像设备的改进示例的平面图。

图7、图8A、图9A、图10A、图11A、图12A和图13A是与图2的线A-A'相对应的剖视图，图示了根据本发明的一个实施例的制造光场成像设备的方法。

图7、图8B、图9B、图10B、图11B、图12B和图13B是与图2的线B-B'相对应的剖视图，图示了根据本发明的一个实施例的制造光场成像设备的方法。

具体实施方式

以下将参考附图更详细地描述各个实施例。然而，本发明可以不同的形式实现，并不应该理解为局限于在此列出的实施例。相反，提供这些实施例，使得本公开将是充分和完整的。贯穿本公开，相同的参考符号在本发明的各个附图和实施例中指相同的部件。

附图不一定成比例的，在某些情况下，图中的至少某些结构的比例可能已经被放大，以清楚地说明所述示例或实施例的某些特征。在附图或描述中呈现具有两个或更多个层的多层结构的特定示例时，如所示的这些层的相对位置关系或这些层的布置顺序反映了所描述或所图示示例的特定实施例，而这些层的不同相对位置关系或布置顺序也可以是可能的。此外，如所描述的或所图示的，多层结构的示例可以不反映存在于该特定的多层结构中的所有层(例如，一个或多个额外的层可以存在于两个所示层之间)。作为一个特定的示例，当在所描述的或所图示的多层结构中的第一层被称为在第二层“上”或“之上”或在衬底“上”或“之上”时，所述第一层不仅可以直接形成在第二层或衬底上，还可以表示一个或多个其他中间层可以存在于第一层与第二层或衬底之间的结构。

以下所描述的实施例提供一种呈现改善性能的光场成像设备及其制造方法。更具体地，根据本发明的一个实施例，提供一种光场成像设备，其包括二者都被集成在一个芯片中的光场微透镜阵列和图像传感器。该光场成像设备可以大幅减少或防止集成设备中 的光损耗。本发明还针对一种用于制造光场成像设备的方法。在下文中，为了方便解释，光场微透镜及其阵列将分别被称为微透镜和微透镜阵列。

现在参见图1，提供了光场成像设备1。

在包括图像传感器的传统成像设备(例如，2D(二维)照相机)中，图像传感器可以获得通过物镜引入的光的光强度信息，以生成图像。例如，可以通过使用物镜，将从物体的一个点发出的多个入射光聚焦和累积在图像传感器的一个点上预定的时间来获得物体的所述一个点的光强度信息，并且可以使用从图像传感器的多个像素获得的光的光强度信息制成一个图像。然而，这种2D照相机的图像采集方案不可能获得关于从物体的一个点发出的单独入射光的强度和方向的信息。

相反，如图1所示，光场成像设备1可以获取从物体100的一个点发出的多个入射光中的每个的强度和方向，以生成与某一视点或焦点相对应的图像。光场成像设备1所采用的光场技术允许实现能够获得关于物体100的多个视点的信息和物体100的深度信息的3D(三维)照相机，或允许实现具有能够在视角内随意聚焦在所有物体100上的再聚焦效果的成像设备。

光场成像设备1可以包括物镜110、设置在壳体50内的微透镜阵列200和图像传感器300。例如，微透镜阵列200可以具有沿列和行二维布置的多个微透镜210。微透镜阵列200可以设置在物镜110与图像传感器300之间。微透镜阵列200中的每个微透镜210都可以对应于图像传感器300的多个像素310。因此，可以从与每个微透镜210相对应的多个像素310获得不同视点的图像。例如，在每个微透镜210覆盖10x10像素310的情况下，可以同时获得具有不同视点的10x10图像。

传统的光场成像设备可能具有的缺点在于，因为图像传感器300和微透镜阵列200可以在结构上彼此独立，并且通过一个机构在机械上彼此分开，所以设备的总体积可能增加。此外，因为图像传感器300和微透镜阵列200彼此分开地制造，所以可能产生更高的成本。另外，因为单独形成的微透镜阵列200和图像传感器300彼此机械地耦合导致微透镜阵列200与图像传感器300之间的失配，所以图像的质量可能会劣化。

为了克服这些缺点，可以使用微透镜阵列200和图像传感器300被集成在芯片中的集成方法。如果微透镜阵列200和图像传感器300被集成在芯片中，则可以减少或消除由于微透镜阵列200与图像传感器300之间的距离以及微透镜210与像素310的相对位置导致的失配。此外，可以简化整体设备结构，并且可以降低制造成本。

虽然未示出，为了将微透镜阵列200和图像传感器300集成在芯片中，可以在图像 传感器300上形成间隔层，然后可以在间隔层上形成微透镜阵列200。例如，形成在微透镜阵列200与图像传感器300之间的间隔层可以具有几十微米的厚度。间隔层可以由有效的透光材料制成，以减少当入射光穿过间隔层时发生的光损耗。尽管使用了有效的透光材料，不过图像传感器的敏感性仍然可能由于当光透过间隔层时发生的光损耗而受到损害。

因此，以下描述的本发明的实施例提供了一种光场成像设备及其制造方法，其中，微透镜阵列和图像传感器被集成在芯片中，而无由于集成而发生的任何大量的光损耗。

如图2至图4所示，根据本发明实施例的光场成像设备可以包括其中多个像素310可以二维布置的图像传感器300；形成在图像传感器300之上的微透镜阵列200，多个微透镜210可以二维布置在所述微透镜阵列200中；以及支撑结构400，形成在图像传感器300与微透镜阵列200之间，以在它们之间提供空气隙500。支撑结构400可以包括形成在图像传感器300上的多个第一支撑结构410以及耦接至多个第一支撑结构410的第二支撑结构420。多个第一支撑结构410可以支撑微透镜阵列200，并具有柱形形状。第二支撑结构420可以接触微透镜阵列200的底表面，并具有板形形状。

在根据本发明一个实施例的光场成像设备中，图像传感器300可以是CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器300。图像传感器300可以包括二维布置的多个像素310。多个像素310中的每个都可以单独地感测入射光，以及输出与入射光强度相对应的电信号。

例如，图像传感器300可以包括在衬底320上的光电转换层330、在光电转换层330上的滤色器层340、在滤色器层340上的亚微透镜阵列350、以及形成在包括亚微透镜阵列350的结构的整个表面上的第一保护层360。

光电转换层330可以包括多个光电转换元件(例如，光电二极管)，光电转换元件中的每个都可以对应于多个像素310中的每个。光电二极管可以包括无机光电二极管或有机光电二极管。光电转换层330可以形成在衬底320内部。光电转换层330可以形成在衬底320上。衬底320可以由单晶半导体衬底制成。衬底320可以由任何适合的半导体材料制成，诸如，例如，含硅材料。

滤色器层340可以将入射光的颜色分离。滤色器层340可以包括分别与多个像素310相对应的多个滤色器341。多个滤色器341可以包括红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器、青色滤色器、黄色滤色器、洋红色滤色器、白色滤色器、黑色滤色器、红外线消除滤色器等等。

在滤色器层340中，可以去除与每个微透镜210的各个顶点相对应的区域中的滤色器341。例如，可以去除与每个微透镜210的各个顶点相对应的2x2滤色器341。因此，滤色器341可以不形成在第一支撑结构410之下。

同时，如图5和图6所示，当亚微透镜351可以存在于与每个微透镜210的各个顶点相对应的区域中时，滤色器341也可以存在于这些区域中。

亚微透镜阵列350可以包括二维布置的多个亚微透镜351。多个亚微透镜351可以分别对应于多个像素310。在一个实施例中，多个亚微透镜351中的每个都可以由半球形透镜制成。在另一个实施例中，多个亚微透镜351中的每个都可以由数字透镜制成。数字透镜可以具有这样的形状，即具有不同折射率的多个材料层可以根据亚波长光学或亚波长效应而沿竖直方向或水平方向交替地设置。当从上面看时，多个亚微透镜351中的每个都可以具有带有至少四个边的多边形形状或者圆形形状。优选地，多边形的顶点可以被倒圆。

在亚微透镜阵列350中，可以去除与每个微透镜210的各个顶点相对应的区域中的亚微透镜351。例如，可以去除与每个微透镜210的各个顶点相对应的2x2亚微透镜351。因此，亚微透镜351可以不形成在第一支撑结构410之下。在此情况下，因为图像传感器300与第一支撑结构410之间的接触面积可以增加，所以可以提高第一支撑结构410的稳定性。

可选地，如图5和图6所示，在亚微透镜阵列350中，亚微透镜351可以存在于与每个微透镜210的各个顶点相对应的区域中。在此情况下，因为在制造过程中可以省略用于去除与每个微透镜210的各个顶点相对应的区域中的亚微透镜351的掩膜，所以可以降低制造成本。此外，为了获得增大量的深度信息，在图像处理中可以使用处于第一支撑结构410定位在其中的区域中的像素310的输出信号。

如图6所示，在亚微透镜阵列350中，亚微透镜351可以具有不同的形状。例如，在与微透镜210的各个顶点相对应的区域(下文中被称为第一区域)中的亚微透镜351的形状和其他区域(下文中被称为第二区域)中的亚微透镜351的形状可以彼此不同。当从上面看时，例如，第一区域中的亚微透镜351可以是圆形形状，而第二区域中的亚微透镜351可以是在各个顶点处被倒圆的四边形形状。因为第一区域和第二区域中的亚微透镜351的形状可以以此方式变化，所以可以提高第一支撑结构410的稳定性。同时，在图像处理中可以使用处于第一支撑结构410定位在其中的区域中的像素310的输出信号。

在制造过程期间，形成在包括亚微透镜阵列350的结构的整个表面上的第一保护层 360可以保护亚微透镜阵列350和位于其下方的结构。第一保护层360可以由透光材料制成。

在根据本发明实施例的光场成像设备中，微透镜阵列200可以通过与图像传感器300垂直地间隔而定位在图像传感器300之上。微透镜阵列200可以包括二维布置的多个微透镜210和覆盖微透镜阵列200的第二保护层211。在制造过程期间，第二保护层211可以保护微透镜阵列200。第二保护层211可以由透光材料制成。

多个微透镜210中的每个都可以与多个像素310重叠。例如，在微透镜阵列200中，每个微透镜210都可以与多个像素310或多个亚微透镜351重叠。例如，参见图2，每个微透镜210可以与10x10像素310重叠。当然，可以调节与每个微透镜210重叠的像素310的数量，以获得希望的性能。在图像处理中实际使用的像素可以是10x10像素310之中的6x6像素至8x8像素310。由于周围可能会变暗的现象，因此在图像处理中可以不使用剩余的像素310。当然，根据具体情况，在图像处理中可以使用所有的10x10像素310。当图像处理中所使用的像素310的数量增加时，在再聚焦中要使用的图像的数量也可以增加，因此-总的来说可以获得增大量的深度信息。

多个微透镜210中的每个都可以包括半球形透镜。多个微透镜210中的每个都可以包括数字透镜。在一个实施例中，当从上面看时，多个微透镜210中的每个都可以具有多边形形状，其具有在各个顶点处倒圆的至少四个边。可以使用占用最小空间的支撑结构400而在图像传感器300与微透镜阵列200之间提供空气隙500。例如，多个微透镜210中的每个都可以具有这样的形状，即其具有多个顶点，所述多个顶点中的至少两个顶点可以与第一支撑结构410重叠。例如，多个微透镜210中的每个都可以具有这样的形状，即沿对角线方向定位的两个顶点可以与第一支撑结构410重叠。多个微透镜210可以共享单一的第一支撑结构410。

在根据本发明一个实施例的光场成像设备中，支撑结构400可以将图像传感器300和微透镜阵列200集成在一个芯片中，并在它们之间提供空气隙500，由此基本上防止光损耗。即，能够形成为占用非常小面积的支撑结构400可以代替适用于将图像传感器300和微透镜阵列200集成在光场成像设备中的一个芯片中的间隔层，并且剩余空间可以形成为空气隙500。因此，可以基本上防止光损耗。支撑结构400可以由透光材料制成。

多个第一支撑结构410可以在图像传感器300上按之字形图案设置。例如，多个第一支撑结构410可以按之字形图案设置，以与多个微透镜210的顶点重叠。多个第一支撑结构410中的每个都可以包括：第一支撑层411，其具有圆柱体形状或空心柱形状； 以及密封层412，其形成在第一支撑层411上以填充由第一支撑层411形成的内部空间。圆柱体形状可以意味着杯子形状。密封层412可以由与第一支撑层411相同的材料制成。在此情况下，第一支撑结构410可以具有由单一材料形成的柱形形状。相反，密封层412可以由与第一支撑层411不同的材料制成。具体地，密封层412可以由与微透镜210相同的材料制成。

第二支撑结构420可以包括：第二支撑层421，其从第一支撑层411延伸以接触多个微透镜210的底表面；以及多个开口422，其形成在多个微透镜210之间的第二支撑层421中。第二支撑层421可以与第一支撑层411集成。集成可以意味着第一支撑层411和第二支撑层421通过单一过程形成在一起。同样，集成可以意味着第一支撑层411和第二支撑层421彼此耦接以具有连续结构。第二支撑层421可以由与第一支撑层411相同的材料制成。用于形成空腔的多个开口422可以与第一支撑结构410交替地设置。例如，多个开口422可以按之字形图案设置，以与多个第一支撑结构410偏离。

根据本发明一个实施例的光场成像设备包括形成在图像传感器300与微透镜阵列200之间的支撑结构400，以在它们之间提供空气隙500。因此，图像传感器300和微透镜阵列200可以被集成在一个芯片中，并且可以基本上防止由于集成在一个芯片中而导致的光损耗。

在下文中，将参考附图描述根据本发明一个实施例的制造光场成像设备的方法的示例。

如图7所示，提供了根据本发明的一个实施例制造的图像传感器。图像传感器可以包括在衬底10上的光电转换层12、在光电转换层12上的滤色器层14、以及在滤色器层14上的亚微透镜阵列16。

接下来，可以选择性地蚀刻亚微透镜阵列16。可以通过蚀刻过程来去除位于与要通过后续过程形成的微透镜的各个顶点相对应的区域中的次微透镜阵列16的部分。

可以在包括蚀刻的亚微透镜阵列16的结构的整个表面上形成第一保护层18。第一保护层18可以由透光材料制成。在后续过程期间，第一保护层18可以保护亚微透镜阵列16和位于其下方的结构。

如图8A和图8B所示，可以在第一保护层18上形成牺牲层20。牺牲层20可以由相对于第一保护层18具有蚀刻选择性的材料制成。根据图像传感器与微透镜阵列之间的焦距，牺牲层20的厚度可以控制在几十微米。

在牺牲层20上形成掩模图案(未示出)之后，可以使用掩模图案作为蚀刻阻障物 来蚀刻牺牲层20，直到暴露第一保护层18为止，由此形成多个第一开口22。多个第一开口22可以提供其中要形成第一支撑结构(参见图2和图3的参考符号410)的空间。多个第一开口22可以具有倾斜的侧壁。

如图9A和图9B所示，可以在包括多个第一开口22的结构的表面上形成支撑层24。支撑层24可以由相对于牺牲层20具有蚀刻选择性的透光材料制成。支撑层24可以形成在上述结构的表面上以具有可不完全填充第一开口22的均匀厚度。形成支撑层24以使其不填充第一开口22可以防止形成在牺牲层20的顶表面上的支撑层24达到不必要的厚度，并且还可以防止发生第一开口22中的不良填充。

参见图2至图4，在通过上述过程形成的支撑层24中，形成在第一开口22中的支撑层24可以用作具有圆柱体形状的第一支撑结构410的第一支撑层411，而形成在牺牲层20的顶表面上的支撑层24可以用作具有板形形状的第二支撑结构420的第二支撑层421。

同时，在第一开口22的线宽小的情况下，支撑层24可以形成为填充第一开口22。

如图10A和图10B所示，可以在支撑层24上形成密封层26，以填充第一开口22。密封层26可以由透光材料制成。

可以在包括密封层26的支撑层24上形成透镜层28A。透镜层28A可以形成多个微透镜28。例如，透镜层28A可以形成微透镜阵列。透镜层28A和密封层26可以由相同材料制成。在一个实施例中，密封层26和透镜层28A可以同时形成。

参见图2至图4，通过上述过程，可以形成包括形成在第一开口22中的支撑层24和密封层26的第一支撑结构410。第一支撑结构410可以形成为以之字形图案设置在图像传感器300上。

如图11A和图11B所示，使用透镜层28A来形成其中多个微透镜28二维布置的微透镜阵列。多个微透镜28中的每个可以由半球形透镜制成，并且当从上面看时，可以形成为具有在各个顶点处倒圆的四边形形状。例如，在使透镜层28A图案化之后，可以通过执行回流(reflow)过程来形成多个微透镜28。

通过参考图2至图4，多个微透镜28中的每个都可以形成为具有这样的形状，即其具有多个顶点，所述多个顶点中的至少两个顶点可以与第一支撑结构410重叠。例如，多个微透镜28中的每个都可以形成为具有这样的形状，即其中沿对角线方向定位的两个顶点与第一支撑结构410重叠。另外，多个微透镜28可以形成为共享单一的第一支撑结构410。

如图12A和图12B所示，可以在包括微透镜阵列的结构的整个表面上形成第二保护层30。在后续过程期间，第二保护层30可以保护微透镜阵列。第二保护层30可以由相对于牺牲层20具有蚀刻选择性的材料制成。

可以通过蚀刻多个微透镜28之间的第二保护层30、支撑层24和牺牲层20来形成多个第二开口32。多个第二开口32可以为引入用来去除牺牲层20的蚀刻剂提供入口。多个第二开口32可以按之字形图案形成，以与多个第一开口22交替地设置。

参照图2至图4，通过上述过程，可以形成第二支撑结构420和多个开口422，所述第二支撑结构420包括从第一支撑层411延伸以接触多个微透镜210的底表面的第二支撑层421，所述多个开口形成在多个微透镜210之间的第二支撑层421中。

如图13A和图13B所示，通过经由第二开口32去除牺牲层20，可以在图像传感器与微透镜阵列之间形成空气隙34。可以使用湿蚀刻过程来去除牺牲层20。

根据上述制造方法形成的光场成像设备包括形成在图像传感器与微透镜阵列之间的支撑结构，以在它们之间提供空气隙34。因此，图像传感器和微透镜阵列可以被集成在一个芯片中，而没有现有集成技术的光损耗问题。

虽然已经为了说明的目的描述了各个实施例，但本领域技术人员将理解的是，可以做出各种改变和修改，而不脱离如以下权利要求所限定的本发明的精神和范围。