微納米結構濾波器、濾波器超元胞及cmos數字圖像傳感器的製造方法
2023-10-22 23:08:52 2
微納米結構濾波器、濾波器超元胞及cmos數字圖像傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種微納米結構濾波器、濾波器超元胞、CMOS數字圖像傳感器，微納米結構濾波器為金屬層和介質層組成的多層結構，濾波器超元胞為微納米結構濾波器形成的4X4矩陣，若干超元胞在橫向與縱向呈周期陣列分布形成CMOS數字圖像傳感器。本發明的CMOS數字圖像傳感器是完全集成的CMOS晶片，具有同時光譜成像與偏振成像的功能；其中，成像用光譜濾波功能和偏振濾波功能都由微納米結構濾波器實現，通過優化設計各像素的微納米結構濾波器與像素陣列的排列方式，可以在一塊CMOS晶片上通過分別組合特定的像素同時實現光譜成像與偏振成像；相比於現有成像設備，本發明的數字圖像傳感器具有多功能成像、高集成度和高可靠性的優點。
【專利說明】微納米結構濾波器、濾波器超元胞及CMOS數字圖像傳感器
【技術領域】
[0001]本發明屬於數字圖像傳感器【技術領域】，尤其涉及一種微納米結構濾波器、濾波器超元胞及CMOS數字傳感器及CMOS數字圖像傳感器的製造方法。
【背景技術】
[0002]隨著社會日益增長的數字影像需求，從七十年代發展至今數字成像技術一直保持著迅猛的發展勢頭。除了使用在數位相機等產品上，它已經被廣泛應用於實時監控、視頻會議、機器人視覺、生物醫藥分析、食品材料質量監控以及航空航天等領域。得益於矽基CMOS的快速發展和成熟工藝，大陣列可見光傳感器取得了巨大進展，例如尼康D800相機所用的晶片最大解析度已達到7360X4912。
[0003]偏振成像因為具有普通彩色成像所不具備的偏振信息處理能力引起了關注，尤其在生物、環境、天文等領域具有重要應用。目前的偏振成像通過兩類技術實現，一是直接在普通相機前端加裝可調的偏振元件，一是類似彩色圖像傳感器，將偏振選擇功能集成到像素中，形成集成型的偏振圖像傳感器。前者設備複雜，操作困難；後者只能偏振成像，功能單一。不僅如此，目前不管是光譜成像還是偏振成像的集成型圖像傳感器中都普遍依賴聚合物的彩色濾波片或者偏振片，不僅工藝成本高、穩定性差，而且功能方面的可塑性低，不利於集成。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種通過金屬介質微納米結構同時實現光譜成像與偏振成像，通過優化不同透過波段、不同偏振選擇的像素排列方式，在一塊CMOS晶片上分別組合特定的像素，同時實現光譜成像與偏振成像的微納米結構濾波器、濾波器超元胞及CMOS數字圖像傳感器。
[0005]本發明的技術解決方案是所述微納米結構濾波器為金屬層和介質層組成的多層結構，襯底層連接其中的一個金屬層，所述金屬層和介質層在各自平面內具有相同的一維結構周期，所述金屬層和介質層上、下對齊；成像用光譜濾波功能和偏振濾波功能均由微納米結構濾波器實現，通過優化設計各像素的微納米結構與像素陣列的排列方式，在一塊CMOS晶片上通過分別組合設定的像素，同時實現光譜成像與偏振成像。
[0006]優選地，所述多層結構至少包括兩層金屬層和夾在金屬層中間的介質層，根據具體應用介質層可優化為多層介質。
[0007]優選地，上金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，下金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，所述介質層為厚度100納米至200納米的氮化矽層；所述一維結構周期為200納米至360納米。
[0008]優選地，所述介質層包括上、下依次對齊相接的第一介質層、第二介質層、第三介質層；第一介質層一面與上金屬層相接，第三介質層一面與下金屬層相接；上金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，下金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，所述第一介質層為厚度I納米至30納米的氧化矽層，所述第二介質層為厚度150納米至250納米的矽層，所述第三介質層為厚度I納米至30納米的氧化矽層；所述一維結構周期為500納米至700納米。
[0009]優選地，填充率大於0.5。
[0010]本發明的另一技術解決方案是一種濾波器超元胞包括前述的微納米結構濾波器形成的4X4矩陣；第I行第I列為第一偏振角度第一顏色濾波器，第I行第2列為第二偏振角度第一顏色濾波器，第I行第3列為第二偏振角度第二顏色濾波器,第I行第4列為第一偏振角度第二顏色濾波器；第2行第I列為第四偏振角度第一顏色濾波器，第2行第2列為第三偏振角度第一顏色濾波器,第2行第3列為第三偏振角度第二顏色濾波器,第2行第4列為第四偏振角度第二顏色濾波器；第3行第I列為第四偏振角度第四顏色濾波器，第3行第2列為第三偏振角度第四顏色濾波器，第3行第3列為第三偏振角度第三顏色濾波器，第3行第4列為第四偏振角度第三顏色濾波器;第4行第I列為第一偏振角度第四顏色濾波器，第4行第2列為第二偏振角度第四顏色濾波器，第4行第3列為第二偏振角度第三顏色濾波器，第4行第4列為第一偏振角度第三顏色濾波器。
[0011]優選地，O度、45度、90度、135度、無角度五種角度中任意四種角度分別構成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度；或者O度、45度、90度、135度、無角度五種角度中任意三種角度構成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度。
[0012]本發明的再一技術解決方案是所述CMOS數字傳感器，其特殊之處在於:包括若干權利要求6或權利要求7所述的濾波器超元胞，所述若干超元胞在橫向與縱向呈周期陣列分布。
[0013]優選地，所述濾波器的排列方式滿足具有同一波段不同取向濾波器的像素組成一個光譜成像的超像素，同一取向不同波段的像素組成一個偏振成像的超像素，兩個超像素相互嵌套，並周期性排列。
[0014]優選地，還包括控制單元、處理單元，任一所述微納米結構濾波器都與控制單元相接，處理單元與控制單元相接。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點在於:通過金屬介質微納米結構來實現光譜濾波和偏振濾波功能，相比於目前基於聚合物材料的濾波器或偏振器，具有抗輻照、集成度高、工藝簡單和可設計性好等優點。
[0016]同時，通過將光譜濾波和偏振濾波功能集成到一個金屬介質微納米結構濾波器中，可以在每個像素同時實現對濾波的光譜與偏振的精確控制。
[0017]此外，通過優化不同透過波段不同偏振選擇的像素排列方式，可以在一塊CMOS晶片上分別組合特定的像素(濾波器)同時實現光譜成像與偏振成像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明微納米結構濾波器的第一實施例的縱向剖面圖。
[0019]圖2是本發明微納米結構濾波器的第一實施例的透過率光譜圖。
[0020]圖3是本發明微納米結構濾波器的第一實施例的偏振消光比光譜圖。
[0021]圖4是本發明微納米結構濾波器的第二實施例的縱向剖面圖。[0022]圖5是本發明微納米結構濾波器的第二實施例的偏振消光比光譜圖。
[0023]圖6是本發明微納米結構濾波器的第二實施例的偏振消光比光譜圖。
[0024]圖7是本發明濾波器超元胞的一實施例的結構示意圖。
[0025]圖8是本發明微納米結構濾波器的0度偏振方向示意圖。
[0026]圖9是本發明微納米結構濾波器的45度偏振方向示意圖。
[0027]圖10是本發明微納米結構濾波器的90度偏振方向示意圖。
[0028]圖11是本發明微納米結構濾波器的135度偏振方向示意圖。
[0029]圖12是本發明CMOS數字圖像傳感器一實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0030]本發明下面將結合附圖作進一步詳述:
[0031]圖1至圖3示出了本發明微納米結構濾波器的第一個實施例。
[0032]請參閱圖1所示，該微納米結構濾波器，包括上下依次對齊相接的上金屬層4、介質層3、下金屬層2，下金屬層2外面連接的襯底層I ;上金屬層4、介質層3、下金屬層2具有相同的一維結構周期。襯底層可以是二氧化矽、氮化矽、氟化鎂等等，優選為二氧化矽。
[0033]本實施例中，上金屬層4可以是單一金屬層，單一金屬層由金、鉬、銀、銅、鋁、鈦元素中的一種構成；上金屬層4也可以是合金層，合金層為金、鉬、銀、銅、鋁、鈦中一種元素的合金層；上金屬層4還可以是多個單一金屬層疊加後形成的疊加結構。
[0034]本實施例中，下金屬層2可以是單一金屬層，單一金屬層由金、鉬、銀、銅、鋁、鈦元素中的一種構成；下金屬層2也可以是合金層，合金層為金、鉬、銀、銅、鋁、鈦中一種元素的合金層；下金屬層2還可以是多個單一金屬層疊加後形成的疊加結構。
[0035]本實施例中，介質層3包括氧化矽、氮化矽、氟化鎂、硒化鋅、聚醯亞胺中的一種或幾種材料。
[0036]本實施例中，上金屬層4、下金屬層2的厚度優選在40納米以上，尤其是40納米至150納米；所述介質層為厚度100納米至200納米的氮化矽層；所述一維結構周期為200納米至360納米。
[0037]請參閱圖1所示，該微納米結構濾波器包括襯底層1、下金屬層2、介質層3和上金屬層4，圖1中所示向下的箭頭表示入射光。下金屬層2、介質層3和上金屬層4具有相同一維周期微納米結構，且下金屬層2、介質層3和上金屬層4三層結構上下對齊。
[0038]本實施例中，上金屬層4、下金屬層2均為50納米厚鋁材料，介質層3為150納米厚氮化矽。對於紅、綠、藍三色濾波器，一維結構的周期分別為340納米、280納米和230納米，且填充率分別為0.8、0.8和0.75，通過一次光刻同時製備。三個彩色濾波器的透過率光譜請參閱圖2所示，三個波段的TM偏振透過率峰值分別在626納米、543納米和474納米，且透過率峰值均高於45%，TE偏振在400納米到700納米整個範圍內均小於1%。圖3顯示了三個彩色濾波器TM偏振透過率與TE偏振透過率的比值，可以看到在整個可見光光譜範圍內偏振消光比都大於20dB。
[0039]圖4至圖6示出了本發明微納米結構濾波器的第二個實施例。
[0040]本實施例中，上金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，下金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，所述第一介質層為厚度I納米至30納米的氧化矽層，所述第二介質層為厚度150納米至250納米的矽層，所述第三介質層為厚度I納米至30納米的氧化矽層；所述一維結構周期為500納米至700納米。
[0041]請參閱圖4所示，該微納米結構濾波器包括襯底層111、下金屬層222、第三介質層666、第二介質層333、第一介質層777和上金屬層444,圖中向下的箭頭表不入射光。該實施例中，下金屬層222、第三介質層666、第二介質層333、第一介質層777和上金屬層444具有相同一維周期微納米結構，且五層結構上、下對齊。上金屬層444、下金屬層222均為100納米厚鋁材料，第三介質層666為10納米厚氧化矽，第二介質層333為220納米厚矽，第一介質層777為20納米厚氧化娃,並且下金屬層222、第三介質層666、第二介質層333、第一介質層777和上金屬層444形成的一維周期結構處於材質為二氧化矽的襯底層111包覆中。這個結構工作在紅外波段,當一維結構的周期分別為560納米、600納米和640納米，且填充率均為0.8時，濾波器的透過率光譜請參閱圖5所示，三個波段的TM偏振透過率峰值分別在1.55微米、1.62微米和1.69微米，且透過率峰值均高於75%，TE偏振在1.2微米到
2.2微米整個範圍內均小於1%。圖6顯示了三個紅外濾波器TM偏振透過率與TE偏振透過率的比值，可以看到在此光譜範圍內偏振消光比都大於20dB。
[0042]圖7至圖11示出了本發明濾波器超元胞的實施例。
[0043]請參閱圖7所示，該濾波器超元胞由16個前述的微納米結構濾波器形成的4X4矩陣;第I行第I列為第一偏振角度第一顏色濾波器(圖中符號31),第I行第2列為第二偏振角度第一顏色濾波器(圖中符號32)，第I行第3列為第二偏振角度第二顏色濾波器(圖中符號22)，第I行第4列為第一偏振角度第二顏色濾波器(圖中符號21);第2行第I列為第四偏振角度第一顏色濾波器(圖中符號34)，第2行第2列為第三偏振角度第一顏色濾波器(圖中符號33)，第2行第3列為第三偏振角度第二顏色濾波器(圖中符號23)，第2行第4列為第四偏振角度第二顏色濾波器(圖中符號24);第3行第I列為第四偏振角度第四顏色濾波器(圖中符號44)，第3行第2列為第三偏振角度第四顏色濾波器(圖中符號43)，第3行第3列為第三偏振角度第三顏色濾波器(圖中符號13)，第3行第4列為第四偏振角度第三顏色濾波器(圖中符號14);第4行第I列為第一偏振角度第四顏色濾波器(圖中符號41)，第4行第2列為第二偏振角度第四顏色濾波器(圖中符號42)，第4行第3列為第二偏振角度第三顏色濾波器(圖中符號12)，第4行第4列為第一偏振角度第三顏色濾波器(圖中符號11)。
[0044]四個顏色可以為R (紅色)G (綠色)B (藍色)G (綠色)，R (紅色)G (綠色)B (藍色)W (白光)，C (青色)M (品紅色)Y (黃色)K (黑色)等等。
[0045]O度、45度、90度、135度、無角度五種角度中任意四種角度分別構成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度；或者O度、45度、90度、135度、無角度五種角度中任意三種角度構成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度。
[0046]本發明「無角度」的意思是指沒有偏振片，任何偏振角度的光都可以透過，類似彩色成像中的白光區，所有顏色都可以透過。
[0047]濾波器超元胞一種較佳的具體實現方式:第一顏色為紅色，第二顏色為綠色，第三顏色藍色，第四顏色為綠色；第一偏振角度為O度，第二偏振角度為45度,第三偏振角度為90度，第四偏振角度為135度。
[0048]當採用微納米結構濾波器的第一實施例的方案時，對於紅色、綠色、藍色濾波器，一維結構的周期分別為340納米、280納米和230納米，且填充率分別為0.8,0.8和0.75 ；當採用微納米結構濾波器的第二實施例的方案時，對於紅色、綠色、藍色濾波器，一維結構的周期分別為560納米、600納米和640納米，且填充率均為0.8。
[0049]控制這些微納米結構濾波器的不同取向，請參閱圖8至圖11所示，圖8為0度偏振方向、圖9為45度偏振方向、圖10為90度偏振方向、圖11為135度偏振方向，可以獲得平面內不同偏振方向光的透射行為。比如，一個濾波器相當於一個像素，將像素按照圖7所示排列，其中11、12、13和14分別是0度、45度、90度和135度偏振的藍色濾波器；21、22、23和24分別是0度、45度、90度和135度偏振的綠色濾波器；31、32、33和34分別是0度、45度、90度和135度偏振的紅色濾波器；41、42、43和44分別是0度、45度、90度和135度偏振的綠色濾波器。
[0050]濾波器超元胞又一種較佳的具體實現方式:第一顏色為紅色，第二顏色為綠色，第三顏色藍色，第四顏色為無色；第一偏振角度為0度，第二偏振角度為45度，第三偏振角度為90度,第四偏振角度為無角度。
[0051]圖12示出了本發明CMOS數字圖像傳感器的實施例。
[0052]請參閱圖12所示，該CMOS數字傳感器包括若干前述的濾波器超元胞，若干超元胞在橫向與縱向呈周期陣列分布一濾波器超元胞的第一行與另一濾波器超元胞第四行鄰接，一濾波器超元胞第一列與另一濾波器超元胞第四列鄰接。該CMOS數字傳感器還包括控制單元、處理單元，任一所述微納米結構濾波器都與控制單元相接，處理單元與控制單元相接。
[0053]本實施例中，非邊界的任一濾波器超元胞四面都鄰接有另一濾波器超元胞，濾波器超元胞呈周期性排列。
[0054]本實施例中，通過這些濾波器超元胞形成CMOS數字傳感器整體，相鄰濾波器超元胞相互配合成像。
[0055]請參閱圖12所示，當光譜成像時，特別如彩色成像時，11、12、13和14組成一個藍色超像素；21、22、23和24組成一個綠色超像素；31、32、33和34組成一個紅色超像素；41、42、43和44組成一個綠色超像素。虛線框內包括一個紅色超像素、一個藍色超像素和兩個綠色超像素，類似於Bayer陣列紅、綠、藍像素排列方式。
[0056]請參閱圖12所示，當偏振成像時，11、21、31和41組成一個0度偏振超像素；12、、22、32和42組成一個45度偏振超像素；13、23、33和43組成一個90度偏振超像素；14、24、34和44組成一個135度偏振超像素。圖12中的點劃線框內包括0度、45度、90度和135度偏振超像素各一個，類似普通的集成型偏振圖像傳感器實現偏振成像。從圖12中可見，虛線框與點劃線框相互嵌套。光譜成像與偏振成像互不幹擾，因此一次拍照可以同時實現光譜與偏振成像。
[0057]本實施例中，CMOS數字傳感器還包括控制單元、處理單元，任一所述微納米結構濾波器都與控制單元相接，處理單元與控制單元相接。
[0058]本實施例中，CMOS數字傳感器集成了光譜與偏振成像的功能，在入射波照射下，微納米結構濾波器的結構與取向決定其所探測的入射波的波段和偏振方向的。通過把同一波段不同偏振取向的濾波器的像素組成一個超元胞，就可以實現光譜成像，並且通過選取不同的微納米結構可以實現不同波段的濾波功能，光譜成像可以覆蓋可見光、紅外和太赫茲波段；同樣的，把同一取向不同波段的像素組成一個超元胞，就可以實現偏振成像，將獲得的上述像素信息的組合通過處理單元計算，既可以實現一次拍攝同時獲得光譜與偏振圖像。
[0059]以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明權利要求範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明權利要求的涵蓋範圍。
【權利要求】
1.一種微納米結構濾波器，其特徵在於:所述微納米結構濾波器為金屬層和介質層組成的多層結構，襯底層連接其中的一個金屬層，所述金屬層和介質層在各自平面內具有相同的一維結構周期，所述金屬層和介質層上、下對齊；成像用光譜濾波功能和偏振濾波功能均由微納米結構濾波器實現，通過優化設計各像素的微納米結構與像素陣列的排列方式，在一塊CMOS晶片上通過分別組合設定的像素，同時實現光譜成像與偏振成像。
2.根據權利要求1所述的微納米結構濾波器，其特徵在於:所述多層結構至少包括兩層金屬層和夾在金屬層中間的介質層，根據具體應用介質層可優化為多層介質。
3.根據權利要求2所述的微納米結構濾波器，其特徵在於:上金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，下金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，所述介質層為厚度100納米至200納米的氮化矽層；所述一維結構周期為200納米至360納米。
4.根據權利要求2所述的微納米結構濾波器，其特徵在於:所述介質層包括上、下依次對齊相接的第一介質層、第二介質層、第三介質層；第一介質層一面與上金屬層相接，第三介質層一面與下金屬層相接；上金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，下金屬層為厚度40納米至150納米的鋁層，所述第一介質層為厚度I納米至30納米的氧化矽層，所述第二介質層為厚度150納米至250納米的矽層，所述第三介質層為厚度I納米至30納米的氧化矽層；所述一維結構周期為500納米至700納米。
5.根據權利要求3或4所述的微納米結構濾波器，其特徵在於:填充率大於0.5。
6.一種濾波器超元胞，其特徵在於:包括由權利要求1至權利要求5任一項所述的微納米結構濾波器形成的4X4矩陣；第I行第I列為第一偏振角度第一顏色濾波器，第I行第2列為第二偏振角度第一顏色濾波器,第I行第3列為第二偏振角度第二顏色濾波器,第I行第4列為第一偏振角度第二顏色濾波器;第2行第I列為第四偏振角度第一顏色濾波器，第2行第2列為第三偏振角度第一顏色濾波器,第2行第3列為第三偏振角度第二顏色濾波器，第2行第4列為第四偏振角度第二顏色濾波器；第3行第I列為第四偏振角度第四顏色濾波器，第3行第2列為第三偏振角度第四顏色濾波器，第3行第3列為第三偏振角度第三顏色濾波器，第3行第4列為第四偏振角度第三顏色濾波器;第4行第I列為第一偏振角度第四顏色濾波器，第4行第2列為第二偏振角度第四顏色濾波器，第4行第3列為第二偏振角度第三顏色濾波器，第4行第4列為第一偏振角度第三顏色濾波器。
7.根據權利要求6所述的濾波器超元胞，其特徵在於:0度、45度、90度、135度、無角度五種角度中任意四種角度分別構成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度；或者O度、45度、90度、135度、無角度五種角度中任意三種角度構成第一偏振角度、第二偏振角度、第三偏振角度、第四偏振角度。
8.—種CMOS數字圖像傳感器，其特徵在於:包括若干權利要求6或權利要求7所述的濾波器超元胞，所述若干超元胞在橫向與縱向呈周期陣列分布。
9.根據權利要求8所述的CMOS數字圖像傳感器，其特徵在於:所述濾波器的排列方式滿足具有同一波段不同取向濾波器的像素組成一個光譜成像的超像素，同一取向不同波段的像素組成一個偏振成像的超像素，兩個超像素相互嵌套，並周期性排列。
10.根據權利要求8或9所述的CMOS數字圖像傳感器，其特徵在於:還包括控制單元、處理單元，任一所述微納米結構濾波器都與控制單元相接，處理單元與控制單元相接。
【文檔編號】H01L27/146GK103579276SQ201310557315
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月9日 優先權日:2013年11月9日
【發明者】陳沁 , 何進, 杜彩霞, 何清興, 張湘煜, 梅金河, 朱小安, 王成 申請人:深港產學研基地