相关申请的交叉引用
[0001] 该申请要求于2013年8月9日提交的美国非临时申请号13/963,847的优先权。其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
[0002] 图像
传感器可制造成在(笛卡尔)方格网中具有大量相同的传感器元件(
像素)，一般超过1百万个。像素可以是光电
二极管或其他光敏元件，其适于将电磁
辐射转换成电
信号。
半导体技术的新发展已实现
纳米级半导体部件(例如纳米线)的制造。
[0003] 纳米线被引入固态图像设备来界定在其上撞击的
电磁辐射并且将该电磁辐射传送到光敏元件。这些纳米线可以由
块状
硅制造，其在
颜色上表现为灰色，但研究人员使硅的表面
图案化，因此它“看上去像”黑色并且不反射任何可见光。
[0004] 然而，还未制造配置成在预定
波长选择性地吸收光(或降低光的反射率)的纳米线。
发明内容
[0005] 美国
专利申请序列号12/204686、12/648942、13/556041、12/270233、12/472264、12/472271、12/478598、12/573582、12/575221、12/633323、12/633318、12/633313、12/
633305、12/621497、12/633297、12/982269、12/966573、12/967880、12/966514、12/974499、
12/966535、12/910664、12/945492、13/047392、13/048635、13/106851、13/288131、13/
543307和13/693207的公开各自通过引用完全合并于此。
[0006] 在一些
实施例中，描述滤色器阵列。该滤色器阵列可包括在其上具有多个像素的衬底、与该多个像素中的每个关联的一个或多个纳米线和与该一个或多个纳米线中的每个关联的光
耦合器。一个或多个纳米线从衬底大致垂直延伸。
[0007] 在一些实施例中，一个或多个纳米线中的每个配置成吸收基频光，基频与纳米线的直径相关。在一些实施例中，纳米线还可吸收谐频光。
[0008] 在一些实施例中，描述制作滤色器阵列的方法。该方法可包括：提供具有多个像素的像素阵列，其中硬
聚合物大致
覆盖像素阵列的图像平面；制作纳米线阵列，其中纳米线中的每个从衬底大致垂直延伸；设置透明聚合物材料以大致封装纳米线；将纳米线从衬底去除；在像素阵列上设置纳米线阵列；以及去除封装纳米线的透明聚合物。
[0009] 在一些实施例中，纳米线阵列在像素阵列上对准使得多个像素中的每个与一个或多个纳米线对准。
[0010] 在一些实施例中，像素阵列可包括图像传感器，其具有电荷耦合设备(CCD)阵列或互补金属
氧化物半导体(CMOS)传感器阵列。
[0011] 该公开不限于描述的特定系统、设备和方法，因为这些可变化。在说明中使用的术语仅仅是为了描述特定版本或实施例，并且不意在限制范围。
[0012] 如在该文献中使用的，单数形式“一”和“该”包括复数个引用物，除非上下文另外清楚指示。除非另外限定，本文使用的所有技术和科学术语具有与本领域内普通技术人员通常所理解的相同的含义。该公开中的任何内容不应解释为承认在该公开中描述的实施例不得凭借之前的发明而早于这样的公开。如在该文献中使用的，术语“包括”意指“包括，但不限于”。
附图说明
[0013] 在本公开中，参考形成其一部分的附图。在图中，相似符号典型地标识相似部件，除非上下文另外指示。在详细说明、图和
权利要求中描述的各种实施例是说明性而不意在为限制性的。可使用其他实施例，并且可做出其他改变，而不偏离本文呈现的主旨的精神或范围。将理解本公开的方面(如一般在本文描述并且在图中图示的)可以采用很多种不同配置来设置、替代、组合、分离和设计，在本文预想其中的全部。
[0014] 图1描绘根据实施例的滤色器阵列的说明性示例。
[0015] 图2描绘根据实施例制作滤色器阵列的过程。
[0016] 图3示意描绘根据实施例制作从衬底大致垂直延伸的纳米线阵列的过程。
[0017] 图3A示意描绘制作从衬底大致垂直延伸的纳米线阵列的过程的备选实施例。
[0018] 图4描绘根据实施例在像素阵列上设置纳米线阵列的过程。
具体实施方式
[0019] 本文公开滤色器阵列和制作滤色器阵列的方法。滤色器阵列可包括一个或多个纳米线，其与像素阵列的多个像素中的每个关联使得一个或多个纳米线中的每个从像素阵列的表面大致垂直延伸。纳米线中的每个可与光耦合器关联，该光耦合器配置成将光引导到纳米线内。纳米线可由IV族半导体(例如，硅)或III-V族半导体(例如，砷化镓)制成。
[0020] 不希望被理论所束缚，预想光可以耦合进入个体纳米线中的导模，这取决于这些纳米线的直径。较长波长可以耦合进入较大直径的纳米线。特定波长光这样的进入个体纳米线的耦合可以导致该波长光的近乎完美的吸收(高达98％)。如此，如果纳米线暴露于白光，显现的光将使耦合波长从白光扣除。从而，具有不同直径的纳米线阵列可以充当
滤波器来扣除光的各种波长，这取决于纳米线的不同直径。通过选择纳米线直径跨阵列的适当分布，预想可以设计滤色器用于滤除特定颜色或色差。
[0021] 将理解例如纳米线的材料、纳米线的长度、环绕纳米线的材料等因素可决定纳米线直径与吸收波长之间的特定关系。如此，例如，具有约90nm至约110nm直径的硅纳米线可以扣除红光，而具有相同直径的砷化镓纳米线可扣除不同波长。同样，如果硅纳米线被除空气以外的材料所环绕，纳米线所扣除的波长可改变。
[0022] 图1描绘根据实施例的滤色器阵列的说明性示例。滤色器阵列100包括衬底115(其具有
钝化层114、其上的多个像素130)、与该多个像素130关联的一个或多个纳米线110以及与该一个或多个纳米线中的每个关联的光耦合器118。纳米线110大致垂直于衬底115延伸。在一些实施例中，衬底115可进一步包括图像传感器135。在各种实施例中，衬底115和纳米线110可在
中间层112处融合。在各种实施例中，
钝化层114可以是衬底材料的氧化物或掺杂半导体层。
[0023] 要理解图1是说明性的并且不按比例。如此，在图1中示出的滤色器阵列100的各种方面的尺寸和纵横比不意在为限制性的。
[0024] 在各种实施例中，一个或多个纳米线110中的每个可根据纳米线110的直径吸收基频光。如在本文在别处的论述的，要理解尽管基频的吸收光可主要依赖于纳米线110的直径，例如纳米线的材料、环绕纳米线的材料、纳米线的长度等其他因素可决定直径与基频之间的关系。如此，将意识到所有其他都保持不变，纳米线吸收的基频光可线性依赖于纳米线的直径。
[0025] 同样，将意识到谐频光可被具有某一直径的纳米线吸收。例如，如果特定纳米线吸收具有375THz
频率(800nm波长)的光，相同的纳米线可吸收具有750THz二次谐频(400nm波长)的光。要理解在适当时可相似地吸收高次谐波。例如，如果入射光具有从电磁
频谱的远红外(FIR)区到电磁频谱的深紫外(DUV)区的频率，在入射光内找到三次或甚至四次谐波，这可是可能的。同样，如果入射光具有从电磁频谱的FIR区到电磁频谱的
X射线区的频率，更高次谐波可被具有大到足以在电磁频谱的FIR区中吸收光的直径的纳米线吸收。
[0026] 在一些实施例中，纳米线110可具有约10nm至约200μm的直径。某些实施例可具有这样的纳米线110，其具有约10m至约50nm、约50nm至约75nm、约75nm至约100nm、约75nm至约120nm、约120nm至约1000nm、约1μm至约10μm、约10μm至约100μm、约100μm至约200μm或在这些值的任意两个之间的任何值或范围的直径。
[0027] 对于由本征(无掺杂)硅制成的纳米线，具有小于约50nm直径的纳米线110可以吸收电磁频谱的紫外(UV)区中的光；具有约50nm至约75nm直径的纳米线可以吸收电磁频谱的蓝区中的光；具有约75nm至约100nm直径的纳米线吸收电磁频谱的绿区中的光；具有约90nm至约120nm直径的纳米线可以吸收电磁频谱的红区中的光；以及具有大于约115nm直径的纳米线可以吸收电磁频谱的红外(IR)区中的光。
[0028] 纳米线可由各种材料制成。一些材料可基于它们的光学性质而优于其他材料。例如，某一IV族半导体或III-V半导体在一些实施例中可是优选的，这取决于它们的带隙和折射率。可用于制作纳米线的材料的示例包括但不限于硅(Si)、锗(Ge)、磷化
硼(BP)、砷化硼(BAs)、磷化
铝(AIP)、砷化铝(AIAs)、锑化铝(AISb)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、锑化镓(GaSb)、氮化铟(InN)、磷化铟(InP)、砷化铟(InAs)、氧化锌(ZnO)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、碲化锌(ZnTe)、硫化镉(CdS)、硒化镉(CdSe)和碲化镉(CdTe)。可用于制作纳米线的材料的其他示例可包括例如
二氧化硅等透明半导体氧化物和例如氮化硅等透明氮化物。
[0029] 返回图1，滤色器阵列100中的纳米线110可具有任何凸横截面形状。例如，在一些实施例中，纳米线的横截面可以是圆形的。在其他实施例中，纳米线可具有例如椭圆形、方形、矩形、五边形、六边形、八边形或任何其他规则或不规则多边形形状。要理解尽管图1中的图示示出沿纳米线110长度的均匀横截面，预想具有沿纳米线长度带有非均匀横截面的纳米线，这在本公开的范围和精神内。例如，在一些实施例中，纳米线的横截面面积可沿从纳米线的独立端到衬底这一长度增加使得与衬底
接触的纳米线部分具有最大横截面面积。在其他实施例中，预想纳米线的独立端可具有最大横截面面积。不希望被理论所束缚，预想具有非均匀横截面(例如，在锥形纳米线情况下)可存在一些优势。
[0030] 将理解因为纳米线从衬底大致垂直延伸，纳米线的长度也可称为纳米线高度。长度(或高度)与直径(或，在具有多边形横截面的纳米线情况下，是最大边)的比率称为纳米线的纵横比。在各种实施例中，纳米线可具有约2至约20的纵横比。典型地，更难以制造具有大纵横比的垂直竖立的纳米线。尽管纳米线在理论上可具有高达1000的纵横比，实际上可实现的纳米线110纵横比可受到制造技术的限制。本领域内技术人员还将理解在一些实施例中，实际上可实现的纵横比可受到纳米线材料的物理性质的限制。从而，根据用于制造纳米线的特定技术，预想具有较小直径的纳米线可具有相对较短长度。滤色器阵列100的纳米线110可具有约0.1μm至约20μm的长度。
[0031] 在各种实施例中，图像传感器135可以是电荷耦合设备(CCD)或互补金属养护物半导体(CMOS)传感器阵列。形成传感器阵列的图像传感器135中的每个可与多个像素130中的一个或多个关联。同样，像素130中的每个可与一个或多个纳米线关联。从而，在一些实施例中，每个纳米线接收的光可被传送到单个图像传感器135。在一些实施例中，超过一个纳米线可将光传送到一个图像传感器135。预想具有不同直径的纳米线组可与像素130中的每个关联使得从在像素130处接收的光扣除特定颜色混合，由此将具有特定颜色的光传送到图像传感器135，其然后可以感测接收光的强度。
[0032] 图像传感器135阵列典型地设置为矩形(或笛卡尔)网格。在各种实施例中，纳米线110可设置成形成对应于图像传感器135阵列的阵列。例如，在纳米线与图像传感器之间存在一一对应关系的实施例中，纳米线阵列在间距和形状上可与图像传感器阵列相同。同样，在纳米线与图像传感器之间存在多对一对应关系的实施例中，纳米线阵列的每个网格点可具有多个纳米线，从而形成子阵列，其重复具有与图像传感器阵列的相同的间距和形状。
[0033] 滤色器100可另外包括设置在纳米线110的光接收端处的光耦合器118，例如微透镜。这样的光耦合器典型地起到通过将更多光引导到纳米线内来提高光耦合的作用，由此提高滤色器100的效率。在某些实施例中，光耦合器118中的每个可对应于单个纳米线110，而在其他实施例中，光耦合器中的每个可与超过一个纳米线关联。
[0034] 图2描绘根据实施例制作滤色器阵列的过程。要理解本领域内技术人员将能够利用合理的实验优化过程的各种步骤的过程参数。这样的过程参数将取决于例如使用的特定材料、期望特征的几何形状、处理环境中的条件等因素。还要理解改变步骤顺序可产生相同或相似结果，这取决于使用的特定过程和材料。如此，本文描述各种步骤所采用的过程和顺序不视为限制性的。本领域内技术人员将能够在该公开的范围和精神内适当
修改过程。在各种实施例中，可省略图示步骤中的一个或多个。本领域内技术人员将能够基于例如使用的特定材料、材料
质量、可用
试剂、可用设备等因素决定省略哪些步骤，而仍获得期望结果。
[0035] 制作滤色器阵列的过程200可包括制作210从衬底大致垂直延伸的纳米线阵列、设置220透明聚合物以大致封装纳米线、将纳米线从衬底去除230、提供240具有多个像素的像素阵列、将纳米线阵列设置250在像素阵列上以及去除260封装纳米线的透明聚合物。
[0036] 图3示意描绘根据实施例制作210从衬底大致垂直延伸的纳米线阵列的过程。在过程211处
净化半导体衬底。在过程212处，在薄金属层中获得阵列图案。在过程213处，半导体衬底被蚀刻到预定深度。在过程214处，使用合适工艺去除金属层以留下从半导体衬底大致垂直延伸的纳米线。
[0037] 在一些实施例中，过程212的阵列图案可使用各种曝光技术获得。例如，在一个实施例中，光致抗蚀剂
薄膜可通过例如
旋涂或
喷涂沉积在衬底上。阵列图案使用曝光步骤被绘入光致抗蚀剂使得光致抗蚀剂的特定部分可通过
溶剂去除而其他部分被留下。在一些实施例中，阵列图案可通过例如
光刻或
电子束曝光来绘制。在曝光步骤后，使
用例如
化学气相沉积、溅射、
脉冲激光沉积、热
蒸发、
电子束蒸发和/或类似物来沉积金属薄膜。光致抗蚀剂然后例如通过溶解在适合的溶剂中而被提离，以在金属薄膜中留下阵列图案。
[0038] 在另一个实施例中，金属薄膜在衬底上沉积，光致抗蚀剂在金属薄膜顶部沉积，阵列图案使用曝光步骤被绘入光致抗蚀剂使得光致抗蚀剂的特定部分可通过溶剂去除而留下其他部分，金属通过合适的工艺去除并且去除光致抗蚀剂以在金属薄膜中留下阵列图案。
[0039] 在一些实施例中，衬底可使用干或湿化学蚀刻技术来蚀刻213。湿化学蚀刻可包括用可以溶解衬底材料的合适的化学蚀刻剂来处理衬底。可以沿衬底材料的特定晶面蚀刻的化学物品在这样的实施例中可是优选的。例如，氢氧化
钾(KOH)或四甲基
氢氧化铵(TMAH)可用于蚀刻硅。在各种实施例中，在该步骤使用干蚀刻来避免与可以充当蚀刻掩模的金属薄膜反应，这可是优选的。干蚀刻可包括例如物理溅射(例如离子
铣削或
等离子体铣削)、等离子蚀刻或反应离子蚀刻。反应离子蚀刻使用特定其他或等离子体用于去除半导体。例如，例如六氟化硫、四氟甲烷或八氟环
丁烷等气体可用于蚀刻硅。同样，氯或氯与三氯化硼的混合物可用于蚀刻砷化镓。技术人员将能够为特定衬底材料选择合适的气体和合适的金属掩模。
[0040] 备选地，如在图3A中描绘的，在过程212A处，阵列图案在金属层中具有开口使得衬底通过这些开口暴露。这样的图案可使用与关于上文的过程212描述的那些相似的技术而获得，所不同的是是在曝光步骤中。在过程212A中，例如，去除光致抗蚀剂来留下阵列图案，接着沉积金属并且随后提离光致抗蚀剂，从而在金属膜中产生开口图案。备选地，可首先沉积金属薄膜，接着用光致抗蚀剂内开口的图案阵列来使光致抗蚀剂图案化。金属然后可用合适的蚀刻剂蚀刻使得开口的图案阵列通过金属转移来暴露衬底。光致抗蚀剂层的去除然后产生具有衬底暴露所处的开口图案的金属膜。
[0041] 在这样的实施例中，
金属辅助化学蚀刻可在过程213A处使用来蚀刻金属膜下方的衬底。在金属辅助化学蚀刻中，蚀刻剂包括合适的酸(例如在衬底是Si或Ge时是
氢氟酸)和例如过氧化氢(H2O2)等
氧化剂，其中金属充当催化剂用于还原氧化剂。氧化剂在被还原时氧化衬底来形成被酸溶解的氧化物。在蚀刻衬底时，金属层下沉而没有使衬底剥落，并且由此向衬底持续供应蚀刻剂。
[0042] 金属可在过程214处通过在合适的蚀刻剂中溶解而去除。在一些实施例中，金属可使用通过将金属暴露于例如氧等离子体、高能电子束、高能离子束、电离气体和/或类似物的干蚀刻工艺而去除。
[0043] 返回图2，在框220处，透明聚合物设置在衬底上以便大致封装纳米线。透明聚合物可以是例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基
丙烯酸甲酯(PMMA)、聚对苯二
甲酸乙二醇酯(PET)或类似物。透明聚合物可通过例如将聚合物浇注或喷洒在衬底上而设置。在一些实施例中，衬底可在特定
温度持续规定时间量地
固化或
退火，接着喷洒或浇注聚合物。在各种实施例中，聚合物可具有比纳米线的高度还大的厚度。例如，如果纳米线是约15μm高，聚合物可具有约15.5μm、16μm、20μm、25μm、50μm、100μm的厚度或在这些值的任意两个之间的任何厚度。
[0044] 在框230处，衬底被时刻掉以从衬底去除纳米线。蚀刻衬底可包括物理溅射(例如离子铣削)、干蚀刻、
湿蚀刻、化学机械
抛光或其任何组合。备选地，纳米线阵列可通过刮削或凹割纳米线阵列(例如使用刀片)而与衬底机械分离。
[0045] 在框240处，提供具有多个像素的像素阵列。像素阵列可包括硬聚合物层，其大致覆盖像素阵列的图像平面。硬聚合物的示例包括但不限于聚酰亚胺、环氧
树脂及类似物，或其任何组合。硬聚合物可使用例如喷涂、旋涂、
静电纺丝、浇注及类似物或其任何组合而设置。在一些实施例中，像素阵列可包括笛卡尔网格的像素。在一些实施例中，多个像素中的每个可与光感测设备(例如CCD传感器或CMOS传感器)关联。在其他实施例中，超过一个像素可与一个光感测设备关联。
[0046] 图4描绘根据实施例在像素阵列上设置250纳米线阵列的过程。在过程252处，封装纳米线的透明聚合物的至少一部分被去除(使用例如氧
等离子体蚀刻、干蚀刻或合适溶剂中的受控溶解)使得纳米线的至少一部分未被透明聚合物封装。
[0047] 在过程254处，设置例如聚酰亚胺等硬聚合物使得纳米线的未封装部分大致被硬聚合物封装。在一些实施例中，封装纳米线一部分的硬聚合物可与覆盖像素阵列的硬聚合物相同。纳米线阵列设置在像素阵列上使得两个阵列中的硬聚合物接触。硬聚合物可使用例如在纳米线阵列上喷涂、旋涂或浇注硬聚合物而设置。
[0048] 在过程256处，纳米线在像素阵列上对准使得封装纳米线的硬聚合物与像素阵列上设置的硬聚合物接触。如在本文在别处论述的，在单个纳米线与每个像素关联的实施例中，纳米线阵列的形状和间距将与像素阵列的形状和间距相同。同样，在超过一个纳米线与单个像素关联的实施例中，适当数量的纳米线形成以像素
整理的形状和间距设置在阵列中的组群。在各种实施例中，在像素阵列上和纳米线阵列上提供合适的对准标记以允许像素阵列上纳米线阵列的正确
定位，这可是优选的。
[0049] 一旦像素阵列和纳米线阵列正确对准，在过程258处，这两个阵列可通过使硬聚合物熔融而融合在一起。在一些实施例中，硬聚合物可通过持续相对短的时段将像素阵列和纳米线阵列的组件加热到适当温度(取决于硬聚合物或多个聚合物的熔点或玻璃转变温度)而熔融。在其他实施例中，阵列可通过例如超声
焊接而融合在一起。将理解为此使用的用于使纳米线阵列和像素阵列融合在一起的特定过程和参数(例如频率、强度、时间、温度等)将取决于在制作滤色器阵列中使用的特定材料。
[0050] 返回图2，在框260处，封装纳米线的透明聚合物被去除。如在本文在别处论述的，透明聚合物可通过反应离子蚀刻、氧等离子体蚀刻或溶解在合适溶剂中而去除。在该公开的范围内预想用于去除透明聚合物的其他合适的技术。
[0051] 在一些实施例中，制作滤色器阵列的过程200可可选地包括设置(未示出)具有比纳米线材料还低的折射率的材料。可设置较低折射率使得纳米线之间的空间可大致用较低折射率材料填充。在各种实施例中，较低折射率材料可使用例如化学气相沉积、
原子层沉积或与使用的各种材料兼容的其他合适的技术设置。
[0052] 在一些其他实施例中，过程200可进一步可选地包括设置(未示出)多个光耦合器使得该多个光耦合器中的每个与纳米线阵列的至少一个纳米线关联。光耦合器可包括例如微透镜等结构。如在本文在别处论述的，光耦合器可通过将辐射引导到纳米线中的每个内来提高滤色器的光捕获效率。
[0053] 前面的详细说明通过使用图、
流程图和/或示例来阐述设备和/或过程的各种实施例。在这样的图、流程图和/或示例包含一个或多个功能和/或操作的范围内，本领域内技术人员将理解这样的图、流程图或示例内的每个功能和/或操作可以通过广泛的
硬件、
软件、
固件或实质上其任何组合单独和/或共同实现。
[0054] 本领域内技术人员将认识到采用本文阐述的方式描述设备和/或过程并且之后使用工程实践来将这样的描述设备和/或过程集成到
数据处理系统内，这在本领域内是常见的。即，本文描述的设备和/或过程的至少一部分可以经由合理实验量集成到
数据处理系统内。
[0055] 本文描述的主旨有时说明不同部件，其包含在不同的其他部件内所或与不同的其他部件连接。要理解这样的描述架构仅仅是示范性的，并且实际上可实现许多其他架构，其实现相同功能性。在概念意义上，实现相同功能性的部件的任何设置有效地“关联”使得实现期望功能性。因此，本文组合来实现特定功能性的任意两个部件可以视为彼此“关联”使得实现期望功能性，而不管架构或中间部件如何。
[0056] 关于本文使用大致任意复数和/或单数术语，本领域内技术人员可以在根据上下文和/或应用的情况将复数翻译成单数和/或将单数翻译成复数。为了清楚起见，可在本文明确阐述各种单数/复数排列。
[0057] 所有引用(包括但不限于专利、专利申请和非专利文献)通过引用完全合并于此。
[0058] 尽管本文公开各种方面和实施例，其他方面和实施例将对本领域内技术人员变得明显。本文公开的各种方面和实施例是为了说明目的并且不意在为限制性的，其真正范围和精神由下列权利要求指示。
