包含高填充率的微透镜阵列的互补型金属氧化物半导体成像器
阅读：5发布：2022-08-20
专利汇可以提供包含高填充率的微透镜阵列的互补型金属氧化物半导体成像器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种互补型金属 氧 化物 半导体 成像器，包含感光点阵列和微透镜阵列，其中微透镜阵列包含第一类微透镜(L1)和第二类微透镜(L2)，第一类微透镜(L1)用具有第一半径(R1)的第一圆形模板制成，第二类微透镜(L2)用具有第二半径(R2)的第二圆形模板(G2)制成，其中第二半径小于第一半径，第一模板(G1)和第二模板(G2)具有交迭区域。优点：制造高填充率的互补型金属氧化物半导体成像器。，下面是包含高填充率的微透镜阵列的互补型金属氧化物半导体成像器专利的具体信息内容。
1.互补型金属氧化物半导体成像器，包含感光点阵列和微透镜阵列，该微透镜阵列包含用具有第一半径(R1)的第一圆形模板(G1)制得的第一类微透镜(L1)和用具有小于第一半径的第二半径(R2)的第二圆形模板(G2)制得的第二类微透镜(L2)，第一类微透镜和第二类微透镜依恒定间距(Pch)交替分布，第二类微透镜(L2)具有对应于第二模板(G2)的圆形基底(G2)，其中：
每个第一类微透镜(L1)被四个相邻的第二类微透镜(L2)所包围，并且有带圆边的八角形的基底，所述圆边具有四个通过对应于第一圆形模板(G1)的同一个圆(G1)的正曲线(S11，S12，S13，S14)的圆边，以及四个每个都对应于邻近的第二类微透镜(L2)的圆形边沿的负曲线(S15，S16，S17，S18)的圆边，其中：
第一和第二类微透镜(L1，L2)具有实质上相同的表面。
2.根据权利要求1所述的成像器，其中第二类微透镜(L2)在第一类微透镜具有负曲线圆边的基底区域覆盖第一类微透镜(L1)。
3.根据权利要求1所述的成像器，其中第一类微透镜(L1)为多焦点，并且第二类微透镜(L2)为单焦点。
4.根据权利要求1所述的成像器，其中第一类(L1)和第二类(L2)微透镜为单焦点。
5.根据权利要求1所述的成像器，其中第二类微透镜(L2)不覆盖第一类微透镜(L1)，并且第一类微透镜(L1)和第二类微透镜(L2)最接近的边具有间隔距离，其等于两个第一类微透镜(L1)最接近的边之间的间隔距离(εmin)。
6.根据权利要求1所述的成像器，其中第二类微透镜(L2)不覆盖第一类微透镜(L1)，并且第一类微透镜(L1)和第二类微透镜(L2)最接近的边具有间隔距离，其等于零或者低于两个第一类微透镜(L1)最接近的边之间的间隔距离(εmin)。
7.便携式装置，便携式装置为移动电话、照相机或者摄像机，包含根据权利要求1至6中任一项所述的成像器。
8.制造包含感光点阵列的互补型金属氧化物半导体成像器的方法，包含在该成像器的一面制造微透镜阵列，包含：
设计该微透镜阵列的架构体系，包含提供对应于第一类微透镜(L1)的具有第一半径(R1)的第一圆形模板(G1)和具有小于该第一半径(R1)的第二半径(R2)并且对应于第二类微透镜(L2)的第二圆形模板(G2)，其中：
限定第一和第二模板，使得该第一类微透镜(L1)依恒定间距(Pch)与该第二类微透镜(L2)交替分布，
限定第一和第二模板，使得具有交迭区域，第一(G1)和第二(G2)模板的半径(R1，R2)之和大于阵列的间距(Pch)，并且
限定第一(G1)和第二(G2)模板的半径(R1，R2)，使得不被第二模板(G2)覆盖的第一模板(G1)的表面实质上等于第二模板的表面，
根据第一模板(G1)以制造第一类微透镜(L1)并且
根据第二模板(G2)以制造第二类微透镜(L2)并且其中：
所制造出的第二类微透镜(L2)具有实质上由第二圆形模板(G2)确定的圆形基底，并且所制造出的第一类微透镜(L1)具有形状实质上对应于被减去交迭区域的第一圆形模板的区域的带圆边的八角形的基底，八角形基底具有四个通过对应于第一圆形模板(G1)的同一个圆的正曲线(S11，S12，S13，S14)的圆边，以及四个每个都对应于邻近的第二类微透镜(L2)的圆形边沿的负曲线(S15，S16，S17，S18)的圆边。
9.根据权利要求8所述的方法，其中制造第一类微透镜(L1)以及制造第二类微透镜(L2)的步骤包含：
-将树脂层(21)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该层树脂层(21)，
-透过掩膜(M20)暴晒该层树脂层(21)，
-从树脂层(21)除去被暴晒的部分得到第一类树脂球粒(P1)，
-使该第一类树脂球粒(P1)热蠕变得到第一类微透镜(L1)，
-通过二次烘烤硬化第一类微透镜(L1)，
-将树脂层(22)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该树脂层(22)，
-透过掩膜(M21)暴晒该树脂层(22)，
-从该树脂层(22)除去被暴晒的部分得到第二类树脂球粒(P2)，
-使第二类树脂球粒(P2)热蠕变得到第二类微透镜(L2)，并且
-硬化第二类微透镜(L2)。
10.根据权利要求8所述的方法，其中制造第一类微透镜(L1)以及制造第二类微透镜(L2)的步骤包含：
-将树脂层(21)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该树脂层(21)，
-透过暴晒掩膜(M40)暴晒该树脂层(21)，
-从树脂层(21)除去被暴晒的部分，得到圆形的第一类树脂球粒(P1)，
-使第一类树脂球粒(P1)热蠕变，得到单焦点圆形基底的第一类微透镜(L1)，-通过二次烘烤硬化第一类微透镜(L1)，
-将树脂层(210)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该树脂层(210)，
-透过暴晒掩膜(M210)暴晒该树脂层(210)，
-从树脂层(210)除去被暴晒的部分，在树脂(P210)里得到暴晒掩膜，其是暴晒掩膜(M210)的映像，该掩膜包含覆盖第一类微透镜(L1)的带圆边的八角形区域，-透过树脂(P210)里的蚀刻掩膜等离子体蚀刻第一类微透镜(L1)，以使第一类微透镜(L1)具有带圆边的八角形状，
-用有机溶剂除去树脂(P210)里蚀刻掩膜的剩余部分，
-将树脂层(22)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该树脂层(22)，
-透过暴晒掩膜(M41)暴晒该树脂层(22)，
-从层(22)除去被暴晒的部分，得到第二类树脂球粒(P2)，
-使第二类树脂球粒(P2)热蠕变，得到第二类微透镜(L2)，并且
-通过二次烘烤硬化第一类微透镜(L1)以及第二类微透镜(L2)。
11.根据权利要求8所述的方法，其中制造第一类微透镜(L1)以及制造第二类微透镜(L2)的步骤包含：
-将树脂层(21)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该树脂层(21)，
-透过掩膜(M30)暴晒该树脂层(21)，
-从该树脂层(21)除去被暴晒的部分，得到在这里是圆形的第一类树脂球粒(P1)，-使第一类球粒(P1)热蠕变，得到单焦点的第一类微透镜(L1)，
-通过二次烘烤硬化第一类微透镜(L1)，
-将树脂层(22)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该树脂层(22)，
-透过掩膜(M31)暴晒该树脂层(22)，
-从该树脂层(22)除去被暴晒的部分，得到此处覆盖第一类微透镜(L1)的边的第二类树脂球粒(P2)，
-使第二类树脂球粒(P2)热蠕变，得到第二类微透镜(L2)，并且
-通过二次烘烤硬化第二类微透镜(L2)。
12.根据权利要求8所述的方法，其中制造第一类微透镜(L1)以及制造第二类微透镜(L2)的步骤包含：
-将树脂层(21)沉积于成像器晶片(20)上并软烤该层树脂(21)，
-透过掩膜(M10)将该层树脂(21)暴露于紫外光线下，
-从树脂层(21)除去被暴晒的部分，得到第一类树脂球粒(P1)和第二类树脂球粒(P2)，
-使第一类树脂球粒(P1)和第二类树脂球粒(P2)热蠕变得到第一类微透镜(L1)和第二类微透镜(L2)，并且
-硬化第一类微透镜(L1)和第二类微透镜(L2)。
包含高填充率的微透镜阵列的互补型金属氧化物半导体成
像器
技术领域
[0001] 本发明涉及互补型金属氧化物半导体成像器(CMOS imagers)，具体说，涉及互补型金属氧化物半导体成像器的微透镜阵列结构和制造该微透镜阵列的方法。
背景技术
[0002] 相比于电荷耦合装置(Charge Coupled Device，CDD)成像器，由于依互补型金属氧化物半导体技术制造的成像器成本低，所以目前得以日益广泛的应用。最初，这些互补型金属氧化物半导体成像器用于制造质量低劣的低分辨率图像传感器(例如网络摄影机)。如今，经过在研发方面的大量投资，互补型金属氧化物半导体成像器能够与电荷耦合装置成像器展开竞争。本发明就是改进该成像器技术的一部分成果。
[0003] 图1表示利用互补型金属氧化物半导体成像器对图片和/或视频帧进行抓取的示例模块，用于例如置入像移动电话、照相机或者摄像机这样的便携式设备。模块1包含框架2、透镜保持块3、装在透镜保持块3上的透镜4、红外滤光片5和支架6。互补型金属氧化物半导体成像器10安装在支架6上并且接收透过微透镜和红外滤光片的光。
[0004] 互补型金属氧化物半导体成像器10归入半导体芯片的形式，该成像器包含几个感光点，每个感光点形成一个像素(图1未显示)。每一像素包含光敏二极管和用于控制和互连光敏二极管的电路。像素按矩阵方式排列，像素矩阵上面是通常依照拜尔(Bayer)架构(一排像素单元按红绿或绿蓝交替排列)铺展的红、绿、蓝滤光片的拼接。这样以来，每一像素都被指定原色-红、绿或蓝-滤光片所覆盖，并提供与被指定的原色相关的亮度信息，这些亮度信息形成像素信息。
[0005] 图2是对应于三个像素PIX1、PIX2、PIX3的区域内互补型金属氧化物半导体成像器10的示意性剖视图。从底部到顶部，能看到层11、12、13、14、15和微透镜L0(L0-1、L0-2、L0-3)。层11是上面放置成像器的半导体基板。因此，该层11代表成像器的有效部件并且包含光敏二极管和其附属的控制和互连电路(未详述)。层12由介电材料形成，它完全覆盖基板11。层13是互补型金属氧化物半导体制造工艺的最后阶段沉积在成像器上的钝化层(passivation layer)。层14由有色树脂形成且包含红、绿或者蓝色部分14-1、14-2、14-3，所述红、绿或者蓝色部分基于像素的单色滤光片形成上述原色滤光片。层15是树脂的中间层，其为微透镜L0形成支承并具有高平坦度。以像素形成的微透镜为基础，微透镜L0排列在称为“MLA”的微透镜阵列里。
[0006] 图3是表示像素PIXi结构的互补型金属氧化物半导体成像器10的分解剖视图。像素的有色滤光片14和微透镜L0-i表示成远离于有效部件12，该有效部件未示出其介电材料以显示其中所包含的组件。这样，在置于基板11中掺杂d的阱11′上面形成的掺杂n+的光敏二极管121连同用于形成控制和互连光敏二极管电路的元件一起表示出来。这些元件包含例如放大器晶体管122(amplifier transistor)、列选择总线晶体管123(column selection bustransistor)、复位晶体管124(reset transistor)、行选择总线晶体管
125(rowselection bus)。
125(rowselection bus)。
[0007] 图3所示互补型金属氧化物半导体成像器的一个显著特征是，光敏二极管仅占据像素总表面的一部分，剩余的部分被用于控制和互连光敏二极管的电路所占据。基于该原因，互补型金属氧化物半导体像素通常称为“有效像素”(active pixel)，相反地，对于电荷耦合装置成像器的像素来说，光敏二极管实质上占据像素的整个表面。实际上，光敏二极管通常仅占像素表面的50％。
[0008] 微透镜L0用于收集像素接收的光子并将其聚焦于光敏二极管121上。如果不用微透镜，成像器的产率(yield)(接收光能与收集并转化为电压的光能的比值)会较差，所供图像会具有低亮度和低对比度。所以，“填充系数”(″fill factor″)是指像素有效表面(光敏二极管的表面)所占像素整个表面的百分比。提供微透镜阵列会得到较高的填充系数。因而填充系数与微透镜所占表面与成像器有效部件的总表面的比值相对应，因为微透镜收集的所有光被认为都发送到光敏二极管上了。
[0009] 图4表示微透镜阵列L0常规结构的俯视图。微透镜有圆形基底和不变的直径，并且它们之间被称作“间距”的中心与中心间的距离Pch分隔开来，该间距对应于光敏二极管阵列的间距。微透镜最接近的边和边之间不接触，相距距离为ε。该距离至通常减小至制造方法所能提供的最小值εmin。作为实例，利用现有的光刻法，最好的最小间隔距离εmin为0.4微米。这样，对于一个4微米的间距来说，微透镜可选择的最大直径为3.6微米。数学上，如考虑到微透镜的圆形基底，则得到的填充系数约为64％。
[0010] 因此，尽管提供了微透镜阵列，但每一像素36％的表面，即成像器总表面的36％也要损失。该缺点不仅归因于微透镜的圆形基底，而且归因于邻近微透镜的边与边之间的距离εmin。
[0011] 图5A至图5E所示为该微透镜结构的常规制造方法，包含如下步骤：
[0012] 将一层光敏聚合物树脂21(感光性树脂)沉积于成像器晶片20上并软烤(soft bake)该层树脂(图5A)，
[0013] 将树脂层21透过暴晒掩膜M0暴露于紫外光线下(图5B)，
[0016] 二次焙烤微透镜L0以确保其硬化(图5E)。
[0017] 所用树脂是一种阳性树脂，即紫外照射后在合适溶剂(浸蚀剂)存在下具有良好溶解性。这样，暴晒掩膜M0的暗区形状与要制造的微透镜的形状相同，分布在暗区间的透明区域对应于要除去的树脂区域。微透镜L0的边之间的最小间隔距离εmin对应于掩膜M0暗区间的最小距离。当低于最小距离时，未完全分开的球粒P0的边上出现闪光，导致蠕变阶段后微透镜形状变形。
[0018] 总之，上述微透镜的常规结构的缺点是填充系数远不及100％的理想值，一方面是因为限制填充的微透镜的圆形形状，另一方面是因为微透镜边之间的最小间隔距离εmin。
[0019] 所以，本发明的一个目的就是提供一种微透镜阵列结构，其填充系数高于常规微透镜阵列所能提供的填充系数。
[0020] 本发明的另一个目的是提供一种制造微透镜阵列的方法，该阵列中微透镜紧密排布而不留边间空隙。
发明内容
[0021] 为达到这些目的，本发明提供互补型金属氧化物半导体的成像器，该成像器包含感光点阵列和微透镜阵列，其中微透镜阵列包含第一类微透镜和第二类微透镜，第一类微透镜用具有第一半径的第一圆形模板制成，第二类微透镜用具有第二半径的第二圆形模板制成，其中第二半径小于第一半径，第一模板和第二模板具有交迭区域。
[0023] 根据一个实施例，第二类微透镜在模板的交迭区域覆盖第一类微透镜。
[0024] 根据一个实施例，第一类微透镜为多焦点而第二类微透镜为单焦点。
[0025] 根据一个实施例，第一模板和第二模板的半径为使得第一模板的表面减去交迭区域的表面等于第二模板的表面。
[0026] 根据一个实施例，第一类微透镜和第二类微透镜依不变间距Pch交替分布，并且第一模板的半径等于符合下述方程的R1值： 其中ε指两个邻近的第一类微透镜的边间距离。
[0027] 根据一个实施例，成像器包含第一类微透镜和第二类微透镜的最接近的边之间的间隔距离，其等于成像器制造方法的公差。
[0028] 根据一个实施例，成像器包含第一类微透镜和第二类微透镜最接近的边之间的间隔距离，其等于零或者小于成像器制造方法的公差。
[0029] 本发明还涉及到一种便携式装置，例如移动电话、照相机或者摄像机，该装置包含根据本发明的成像器。
[0030] 本发明还涉及包含感光点阵列的互补型金属氧化物半导体成像器的制造方法，该方法包含在成像器的一面制造微透镜阵列的步骤，该制造微透镜阵列的步骤包含制造第一类微透镜的步骤和制造第二类微透镜的步骤，第一类微透镜用具有第一半径的第一圆形模板制得，第二类微透镜用具有第二半径的第二圆形模板制得，其中第二半径小于第一半径，第一模板和第二模板具有交迭区域。
[0031] 根据一个实施例，第一类微透镜制成具有带圆边的八角形的基底，并且不铺展到第一模板和第二模板的交迭区域。
[0032] 根据一个实施例，该方法包含制造具有带圆边的八角形轮廓的树脂球粒的步骤，和使该球粒蠕变制得第一类微透镜的步骤。
[0033] 根据一个实施例，该方法包含制造具有圆形轮廓的第一类微透镜的步骤和蚀刻第一类微透镜以使第一类微透镜具有带圆边的八角形的基底的步骤。
[0034] 根据一个实施例，第二类微透镜在第一类微透镜之后制得且在模板交迭区域覆盖第一类微透镜。
[0035] 根据一个实施例，该方法包含预先计算第一和第二模板的半径，使得第一模板的表面减去交迭区域的表面等于第二模板的表面的步骤。
[0036] 根据一个实施例，第一类微透镜和第二类微透镜依不变间距Pch交替分布，并且该方法包含按照如下方程确定第一模板的半径R1的步骤： 其中ε是两个邻近的第一类微透镜的边之间的距离。
[0037] 根据一个实施例，制造第一类微透镜的步骤和制造第二类微透镜的步骤同时进行。
[0038] 根据一个实施例，该方法包含以下步骤：将一层树脂沉积于成像器晶片上，透过暴晒掩膜暴晒该层树脂，从该层树脂除去被暴晒部分，以得到第一类和第二类树脂球粒，以及使第一类球粒和第二类球粒热蠕变，以得到第一类和第二类微透镜。
[0039] 根据一个实施例，制造第二类微透镜的步骤在制造第一类微透镜的步骤之后进行。
[0040] 根据一个实施例，该方法包含以下步骤：将第一层树脂沉积于成像器晶片上，透过第一暴晒掩膜暴晒第一层树脂，从该层树脂除去被暴晒部分，以得到第一类树脂球粒，使球粒热蠕变以得到第一类微透镜，将第二层树脂沉积于成像器晶片上，透过第二暴晒掩膜暴晒第二层树脂，从该层树脂除去被暴晒部分，以得到第二类树脂球粒，使第二类球粒热蠕变以得到第二类微透镜。
[0041] 根据一个实施例，使第一暴晒掩膜的形状形成使第一类树脂球粒具有带圆边的八角形轮廓。
[0042] 根据一个实施例，该方法包含以下步骤：将第一层树脂沉积于成像器晶片上，透过第一暴晒掩膜暴晒第一层树脂，从该层树脂除去被暴晒部分，以得到具有圆形轮廓的第一类树脂球粒，使球粒热蠕变以得到具有圆形基底的第一类微透镜，蚀刻第一类微透镜使得该第一类微透镜具有带圆边的八角形基底，将第二层树脂沉积于成像器晶片上，透过第二暴晒掩膜暴晒第二层树脂，从树脂中除去被暴晒部分，以得到第二类树脂球粒，使第二类球粒热蠕变以得到第二类微透镜。
[0043] 根据一个实施例，蚀刻第一类球粒的步骤通过气态等离子体进行。
[0045] 结合以下但并不限于以下附图，对根据本发明的微透镜阵列和该微透镜的不同制造方法的如下具体说明会详细展示本发明的这些以及其它目的、优点及其新颖性：
[0046] 前述图1表示采用互补型金属氧化物半导体成像器的帧抓取模块，[0047] 前述图2是互补型金属氧化物半导体成像器的示意性剖视图，
[0048] 前述图3是互补型金属氧化物半导体成像器的像素的分解图，
[0049] 前述图4是互补型金属氧化物半导体成像器的一种常规微透镜阵列的俯视图，[0050] 前述图5A至5E表示制造图4中微透镜阵列的一种常规方法，
[0051] 图6是根据本发明的微透镜阵列的俯视图，包含第一类微透镜和第二类微透镜，[0052] 图7是表示确定第二类微透镜半径的步骤的图示，
[0053] 图8A至8E是表示制造图6微透镜阵列的第一种方法的剖视图，
[0054] 图9表示第一种方法所用的暴晒掩膜，
[0055] 图10是依照第一种方法制得的微透镜阵列的俯视图，
[0056] 图11是第一类微透镜的俯视图，图12A和图12B是该微透镜依照两个不同截面轴的剖视图，
[0057] 图13表示依照第一种制造方法制得的第一类微透镜的光学性质，
[0058] 图14表示依照第二种制造方法制得的第二类微透镜的光学性质，
[0059] 图15A至15J为制造图6中微透镜阵列的第二种方法的剖视图，
[0060] 图16和图17表示第二种方法所用的暴晒掩膜，
[0061] 图18是依照第二种方法制得微透镜阵列的俯视图，
[0062] 图19A至19J是制造图6中微透镜阵列的第三种方法的剖视图，
[0063] 图20和图21表示第三种方法所用的暴晒掩膜，
[0064] 图22是依照第三种方法制得的微透镜阵列的剖视图的等效图，
[0065] 图23是对应于图19F剖视图的俯视图，表示制造过程中的微透镜，[0066] 图24是依照第三种方法制得的微透镜阵列的俯视图，
[0067] 图25表示依照第三种方法制得的第一类微透镜的光学性质，
[0068] 图26表示依照第三种方法制得的第二类微透镜的光学性质，
[0069] 图27A至27O是表示制造图6中微透镜阵列的第四种方法的剖视图，[0070] 图28、29、30表示第四种方法所用的暴晒掩膜，
[0071] 图31是依照第四种方法制得的微透镜阵列的俯视图，
[0072] 图32表示依照第四种方法制得的第一类微透镜的光学性质，并且
[0073] 图33表示依照第四种方法制得的第二类微透镜的光学性质。
具体实施方式
[0074] 根据本发明的微透镜阵列的结构
[0075] 图6是根据本发明的微透镜阵列俯视图的简要表示。俯视图中微透镜的形状对应于微透镜基底的形状。该阵列包含第一类微透镜L1，或者用第一模板G1制得的微透镜L1，和第二类微透镜L2，或者用第二模板G2制得的微透镜L2。模板用点画线表示，微透镜基底用实线表示。
[0076] 微透镜阵列有下列总体特征：
[0077] 模板G1和G2为半径为R1和R2的圆形，并且依照阵列的行和列交替排布，阵列的行和列用形成网格的水平点画线和垂直点画线表示，
[0078] 微透镜L1中心和相邻微透镜L2中心的距离等于对应互补型金属氧化物半导体成像器的感光点(像素)阵列的间距Pch，所以也是微透镜阵列的间距，
[0079] 半径R1和半径R2的总和大于间距Pch，这样，模板G1和G2有交迭区域，如图所示，
[0080] 微透镜L2的基底具有与模板G2对应的形状(这样，模板G2的点画线被代表微透镜L2的实线覆盖)，
[0081] 微透镜L1基底形状界定一个区域，该区域对应于模板G1所覆盖的区域，从该区域减去与相邻微透镜L2的模板G2交迭的区域(每个微透镜L1有四个交迭区域)。
[0082] 结果是，微透镜L1基底具有“带圆边的八角形状”，其具有对应于模板G1角形部分的四个正向弯曲的边S11、S12、S13、S14，和对应于相邻微透镜L2模板G2角形部分的四个负向弯曲的边S15、S16、S17、S18。
[0083] 确定模板G1和G2
[0084] 根据本发明的优选方面，所选微透镜L1和L2的有效表面(实际表面)选择成相同的，这样以来，微透镜L1所覆盖的感光点接收的光的量与微透镜L2所覆盖的感光点所接收的光的量相同(在相同光照条件下)。因此，优选确定模板的半径R1和R2使得微透镜L1和L2的有效表面相同。为此目的，先算出半径R1，然后根据半径R1确定半径R2。
[0085] R1的计算
[0086] [O1 O2]指两个相邻微透镜L1，即属于两个相邻行和两个相邻列的两个同类微透镜的中心O1和中心O2之间的距离。距离[O1 O2]等于阵列网格的对角线，也就是说：
[0087]
[0088] 另外，模板G1的半径R1服从关系式：
[0089] 2R1+ε＝[O1 O2] (2)
[0090] 其中，ε是相邻两个微透镜L1的边之间的距离。
[0091] 结合(1)和(2)推出下列关系：
[0092]
[0093] 通过将距离ε减小至制造方法所决定的最小值εmin(此方法的公差)，获得最大填充系数，结果半径R1等于：
[0094]
[0095] 这样，例如，如果间距Pch等于4微米并且εmin等于0.4微米，则半径R1等于2.63微米。
[0096] R2的计算
[0097] 由已知的Pch和εmin的值得知半径R1，就可以利用图7所示示图求出L1类微透镜和L2类微透镜表面相等的方程式。该图的横坐标轴以μm为刻度单位、纵坐标轴以μm2(平方微米)为刻度单位。画出代表当R2增大时微透镜L2表面值的曲线SC2，以及接下画出依据R2(R1为常数)代表微透镜L1表面的曲线SC1。因为该表面的面积等于模板G1的面积减去交迭区域的面积，所以当R2增大时该表面减小，当R2减小时该表面增大。所以，这两条曲线有一个交点，其对应于微透镜L1和L2的表面一致的点。交点的横坐标为所需的R2值。例如，当R1等于2.63微米时半径R2必须等于约2.22微米，因为微透镜L1和L2的表面要相同。实际上，利用包含计算微透镜表面算法的可选模拟软件也能确定半径R2，例如像ZEMAX模拟器(ZEMAXsimulator)。
[0098] 微透镜阵列的该结构有能提供高填充系数(与阵列整个表面相比微透镜阵列的有用表面)的优点。微透镜L1可以为单焦点(对应光敏二极管上很少光点)或者多焦点(光敏二极管上的光斑)，而微透镜L2优选为单焦点。
[0099] 优选地，微透镜L1的焦距必须实质上等于微透镜L2的焦距并且该共同焦距必须对应于微透镜阵列和光敏二极管阵列间的距离(图2中层12、13、14、15的厚度)。焦距作为微透镜半径和高度的函数，如果第一类微透镜L1和第二类微透镜L2的焦距相同则它们的高度原则上不同。例如，半径R1等于2.63微米的单焦点微透镜L1和半径R2等于2.22微米的单焦点微透镜L2，要得到约8微米的相同焦距，必须各自具有高度H1＝930纳米和高度H2＝672纳米。不过，也取得折衷，下文会述及微透镜L1和L2高度相同的一个实施例。
[0100] 最后，微透镜L1制成多焦点，确定微透镜L1高度使得透镜的平均焦距(最小焦距和最大焦距之间的平均值)优选地等于微透镜阵列和光敏二极管阵列间的距离，以避免光斑扩延超出光敏二极管的范围。
[0101] 微透镜阵列的制造
[0102] 下面说明根据本发明的制造微透镜阵列的四种方法。这四种方法将被称为“方法1”“方法2”“方法3”和“方法4”，并分别由组图8A-8E、组图15A-15J、组图19A-19J和组图27A-27O进行说明。
[0103] 这些不同方法中，微透镜阵列在由层20所表示的成像器晶片上制成。该层20包含图2所示的层11至层15，层11(基板和组件)形成该成像器的有效部件。
[0105] 每种方法包含以下步骤：沉积和软烤一层或者两层树脂，透过暴晒掩膜(阳性树脂)暴晒树脂层，从树脂中除去被暴晒的部分，使停留在成像器晶片上的树脂蠕变和硬化树脂。这些步骤视工艺参数按常规执行。因而，通过在成像器晶片20的中心沉积定量的阳性树脂并通过离心法铺展晶片上的树脂来进行沉积树脂层的步骤。在数十秒内温度约100℃进行软烤的步骤。在对应于约300毫焦光子能量转化的一段时间内用紫外光实施暴晒的步骤。除去被暴晒树脂的步骤包含在确定温度下(例如23°)将树脂层浸入有机溶剂槽中并持续约数十秒(例如80秒)的步骤。通过将树脂暴晒于大约200℃至240℃温度下约数十秒(例如30秒到60秒)执行蠕变步骤。最后，硬化步骤是微透镜二次烘烤步骤，在约200℃的温度下几分钟的时间内进行。
[0106] 方法1，图8A至8E
[0107] 该方法仅使用一个暴晒掩膜M10，如图9所示(局部视图)，其包含带圆边的八角形的暗区M(L1)，和蚀刻树脂层21的同时制造L1类微透镜和L2类微透镜的圆形暗区M(L2)。掩膜M10暗区间的最小距离，例如0.4微米，由该方法所决定，其限定了两个微透镜间的最小距离εmin(边与边之间的距离)。
[0108] 方法1更具体地包含下列步骤：
[0109] 将树脂层21沉积于成像器晶片20上并软烤该层树脂(图8A)，
[0110] 透过掩膜M10将该层树脂暴露于紫外光线下(图8B)，
[0111] 从树脂层21除去被暴晒的部分，得到第一类树脂球粒P1和第二类树脂球粒P2(图8C)，
[0112] 使球粒P1和球粒P2热蠕变得到第一类微透镜L1和第二类微透镜L2(图8D)，[0113] 硬化微透镜L1和微透镜L2(图8E)。
[0114] 图10是所得微透镜阵列的俯视图(局部视图)。L1类微透镜的基底如上所述为带圆边的八角形状，而微透镜L2也如上所述为圆形(参见R1和R2的计算)。这里，球粒P1和P2在蚀刻该层树脂时给出这些八角形和圆形的形状(图8C)，球粒上表面在蠕变效应下“膨胀”而形成微透镜向外凸起的上表面之后界定微透镜基底的形状。由于使用阳性树脂所以掩膜M10的暗区具有和球粒P1以及P2一样的形状。
[0115] 球粒P1具有带圆边的八角形状而球粒P2为圆形，球粒P1蠕变后所得微透镜L1为多焦点而微透镜L2为单焦点。参照图11至图14将更易理解。
[0116] 图11表示微透镜L1的俯视图，图12A表示微透镜L1依图11所示轴AA′的剖视图，图12B表示依也示于图11中的轴BB′的微透镜L1。轴AA′是微透镜L1最大直径的轴且沿该轴微透镜具有直径D1max。轴BB′是微透镜L1最小直径的轴且沿该轴微透镜具有直径D1min。因此，如图13所示，微透镜L1等同于数个不同直径的微透镜，每一该微透镜具有确定的焦距，该焦距包含在对应于最小直径D1min的最小焦距DF1min和对应于最大直径D1max的最大焦距DF1max之间。微透镜L1具有的平均焦距DF1av(焦距的平均值)必须优选地对应于微透镜阵列和成像器光敏二极管阵列之间的距离，以使微透镜所提供的光斑不超过光敏二极管的范围。相反地，如图14所示，微透镜L2仅具有一个焦距DF2，其也必须优选地对应于微透镜阵列平面和成像器光敏二极管阵列平面之间的距离。
[0117] 为使微透镜L1的平均焦距DF1av等于微透镜L2的焦距DF2，微透镜L1必须有确定的高度且微透镜L2具有不同于H1的高度H2。这些高度随着蚀刻前树脂层的厚度，即树脂球粒蠕变前的高度而变化。通过由树脂生产商提供或者通过实验建立的计算可给出球粒高度和微透镜厚度之间的关系。不过，由同一树脂层所制得的微透镜L1和L2有必要达到折衷。例如，选择树脂层的厚度使得微透镜L1的实际高度和理论值H1的差值约等于微透镜L2的实际高度和理论值H2的差值。
[0118] 因为距离εmin必须考虑在同类或者不同类相邻微透镜的边之间，因此实施方法1所得的填充系数约为80％。
[0119] 方法2至4
[0120] 现对方法2至4进行说明，其有利地具有下列特征：
[0121] 利用两层树脂差异化控制L1类微透镜和L2类微透镜的高度，
[0122] 抑制相邻的L1类微透镜和L2类微透镜的边之间的距离εmin，并获得约为96％的填充系数，
[0123] 得到L1类单焦点微透镜(仅方法3和4)。
[0124] 尽管得到单焦点微透镜L1在此处是优点，制造多焦点微透镜L1(方法1和方法2)对实施本发明来说并不必然是缺点，重要的是多焦点微透镜所得的光斑不超出光敏二极管的范围。因此，实际上，最好方法的选择取决于所用光刻设备的特征和性能，以及微透镜的成本价格。可以在方法的准确性(微透镜特征分布)、所得微透镜的类型(多焦点或者单焦点)之间取得折衷，也可以把目标应用考虑在内(精密成像器(quality imagers)或者“下限”成像器(″bottom-of-the-range″imagers))。
[0125] 方法2，图15A至15J
[0126] 该方法不同于方法1之处在于，微透镜L1和微透镜L2通过两层树脂21、22和图16及17所示(局部视图)的两种暴晒掩膜M20和M21制造。掩膜M20包含使L1类微透镜首先制造出来的带圆边的八角形暗区M(L1)。掩膜M21包含接下来使L2类微透镜制造出来的圆形暗区M(L2)。
[0127] 更具体地讲，方法2包含下列步骤：
[0128] 将树脂层21沉积于成像器晶片20上并软烤该层树脂层21，
[0129] 透过掩膜M20暴晒该层树脂层21，
[0130] 从该树脂层21除去被暴晒的部分得到第一类树脂球粒P1(图15C)，[0131] 使球粒热蠕变得到第一类微透镜L1(图15D)，
[0132] 通过二次烘烤硬化微透镜L1(图15E)，
[0133] 将树脂层22沉积于成像器晶片20上并软烤该树脂层22(图15F)，
[0134] 透过掩膜M21暴晒该树脂层22(图15G)，
[0135] 从该树脂层22除去被暴晒的部分，得到第二类树脂球粒P2(图15H)，[0136] 使球粒P2热蠕变得到第二类微透镜L2(图15I)，
[0137] 硬化微透镜L2(图15J)。
[0138] 像沉积树脂层21一样来沉积树脂层22，通过离心，树脂通过毛细管现象以及离心力的作用下在没有树脂的区域铺展，并在微透镜L1之间铺展。在蚀刻该树脂层22的过程中，微透镜L1不受有机溶剂的侵蚀，因为二次烘烤工艺补偿树脂对蚀刻剂(etching agent)的耐受。
[0139] 所以，由于对树脂层21和22厚度的相应控制，微透镜L1和L2的各自高度在这里以差异化的方式进行调整。这样，微透镜L1和L2的焦距可更精准地得以控制，使它们相等或者接近。
[0140] 如前所述，由于球粒P1在蠕变前具有掩膜M20所给予的带圆边的八角形轮廓，所以L1类微透镜是多焦点的。如前所述，由于球粒P2在蠕变前具有掩膜M21所给予的圆形轮廓，所以L2类微透镜是单焦点的。
[0141] 同样值得注意的是上述优点：相邻的L1类微透镜的边之间的最小距离εmin不会受到抑制(参见图16中的掩膜M20)，但由于进行两层树脂的蚀刻并用到两种暴晒掩膜，所以相邻的L1类微透镜和L2类微透镜的边之间的距离会受到抑制。为此，掩膜M21的暗区M(L2)应具有适合的直径。这样就得到图18所示微透镜阵列，其中微透镜L1的边紧邻微透镜L2的边，填充系数约为96％。
[0142] 最后，树脂层21、22优选用相同树脂制得，并因此具有相同的光学性质。不过，在所属技术领域技术人员可研究得知的变型中，可以使用具有不同光学指标的树脂，从而更自由地选择微透镜的高度。
[0143] 方法3，图19A至19J
[0144] 和方法2一样，该方法包含沉积两层树脂21、22。此处的这些层势必用相同树脂制得，具有相同光学性质(指标)，原因见下文。
[0145] 方法3不同于方法2之处在于，在经蠕变得到带圆边的八角形前不蚀刻制得微透镜L1的球粒P1。这些球粒用暴晒掩膜M30制得，如图20所示(局部视图)，暴晒掩膜包含具有圆形轮廓的暗区M(L1)。因此，球粒L1蠕变之后，得到单焦点微透镜L1。此外，用如图21(局部视图)所示的暴晒掩膜M31制得L2类微透镜，该暴晒掩膜与方法2中的掩膜M21(图17)相同，也具有圆形轮廓。为得到表征微透镜L1俯视图下的带圆边的八角形，将微透镜L2形成于微透镜L1上的交迭区域上。
[0146] 更具体地讲，方法3包含下列步骤：
[0147] 将树脂层21沉积于成像器晶片20上并软烤该树脂层21(图19A)，
[0148] 透过掩膜M30暴晒该树脂层21(图19B)，
[0149] 从该树脂层21除去被暴晒的部分，得到在这里是圆形的P1类树脂球粒(图19C)，[0150] 使球粒P1热蠕变，得到单焦点的第一类L1微透镜(图19D)，
[0151] 通过二次烘烤硬化微透镜L1(图19E)，
[0152] 将树脂层22沉积于成像器晶片上并软烤该树脂层22(图19F)，
[0153] 透过掩膜M31暴晒该树脂层22(图19G)，
[0154] 从该树脂层22除去被暴晒的部分，得到此处覆盖微透镜L1的边的P2类树脂球粒(图19H)，
[0155] 使球粒P2热蠕变，得到第二类L2微透镜(图19I)，
[0156] 通过二次烘烤硬化微透镜L2(图19J)，
[0157] 图23是微透镜阵列形成过程中，在沉积树脂22层之后、蚀刻该层之前(步骤见图19F)，的俯视图。微透镜L1被树脂层22部分覆盖且仅仅微透镜顶部从层22中出现。蚀刻树脂层22并使球粒P2蠕变之后，得到图24所示的微透镜阵列，该俯视图中的阵列与用方法2所得阵列相同(图18)。
[0158] 依对应于微透镜L1最小直径的截面轴(也就是通过交迭区域的轴)，图22的剖视图是图19I或者19J所示微透镜阵列的等效图(在光学层面上)。该等效图说明，如果由相同树脂制成微透镜，微透镜L2与微透镜L1的交迭不改变微透镜的光学性质。更准确地说，该等效图显示示微透镜L1和L2不留空隙地肩并肩地排列，并且垂直边沿S1和S2相互平行。换句话说，从光学角度来看，被微透镜L2的树脂所覆盖微透镜L1的树脂是微透镜L2的一部分而不属于微透镜L1。很明显，图22所示的垂直边沿仅涉及到交迭区域：微透镜L1、L2向外凸出的上表面在未交迭区域具有去往微透镜基底的圆的弧形轮廓。
[0159] 所属领域技术人员会注意到，因为交迭区域，与对应于模板G2的理论有效表面相比，微透镜L2的有效表面实质上减小。相反地，与模板G1表面减去与模板G2交迭区域的表面所对应的理论有效表面相比，微透镜L1的有效表面实质上增大。因此，模板G1、G2与设计时的理论模板相比得以修正，以考虑到由于交迭区域而引起的有效表面的变化。
[0160] 图25和26分别表示依微透镜L1和L2最小直径的截面轴、以及依这些微透镜随其高度H1和H2而变化的各自焦距DF1和DF2的微透镜L1和L2的剖视图。此处，微透镜L1为单焦点，其焦距DF1如果不接近，就优选地等于微透镜L2的焦距DF2。
[0161] 方法4，图27A至27O
[0162] 方法4不同于方法3之处在于，使用三层树脂21、210、22和图28、29、30所示的三个暴晒掩膜M40、M210、M41。树脂层210是临时层，其利用掩膜M210蚀刻形成蚀刻掩膜P210，该蚀刻掩膜使用后被抑制。该蚀刻掩膜能使微透镜L1通过气态等离子体蚀刻，从而给出带圆边的八角形的微透镜L1的基底。这样，如图29所示，掩膜M210包含带圆边的八角形的暗区M(H)。
[0163] 掩膜M40用来蚀刻树脂层21且与方法3中的掩膜M30相同。因此而得到圆形球粒P1且所得微透镜L1为单焦点，尽管接下来用等离子体进行处理蚀刻为带圆边的八角形。掩膜M41同样用以蚀刻树脂层22且制成微透镜L2，该掩膜与方法3中的掩膜M31相同。
[0164] 方法4更具体地包含下列步骤：
[0165] 将树脂层21沉积于成像器晶片20上并软烤该树脂层21(图27A)，
[0166] 透过暴晒掩膜M40暴晒该树脂层21(图27B)，
[0167] 从树脂层21除去被暴晒的部分，得到圆形的树脂球粒P1(图27C)，[0168] 使球粒P1热蠕变，得到单焦点圆形基底的微透镜L1(图27D)，
[0169] 通过二次烘烤硬化微透镜L1(图27E)，
[0170] 将树脂层210沉积于成像器晶片上并软烤该树脂层(图27F)，
[0171] 透过暴晒掩膜M210暴晒该树脂层210(图27G)，
[0172] 从层210除去被暴晒的部分，在树脂P210里得到暴晒掩膜，其是暴晒掩膜M210的映像，该掩膜包含覆盖微透镜L1的带圆边的八角形区域(图27H和图29：暴晒掩膜M210的形状)，
[0173] 透过树脂P210里的蚀刻掩膜等离子体蚀刻微透镜L1，以使微透镜L1具有带圆边的八角形状(图27I)，
[0174] 用有机溶剂除去树脂里蚀刻掩膜的剩余部分(图27J)(等离子体蚀刻过程中一部分蚀刻掩膜的厚度被破坏)，
[0175] 将树脂层22沉积于成像器晶片上并软烤该树脂层22(图27K)，
[0176] 透过暴晒掩膜M41暴晒该树脂层22(图27L)，
[0177] 从层22除去被暴晒的部分，得到树脂球粒P2(图27M)，
[0178] 使球粒P2热蠕变，得到微透镜L2(图27N)，并且
[0179] 通过二次烘烤硬化微透镜(图27O)，
[0180] 图27J至27O中等离子体蚀刻给出模板G1、G2交迭区域的微透镜L1的右垂直边沿。如图31所示，俯视图中的微透镜阵列与方法2和3所得的阵列相同。
[0181] 图32和33分别表示依微透镜L1最小直径的截面轴的微透镜L1和L2的剖视图，也表示随其高度H1和H2变化的微透镜L1和L2的焦距DF1和DF2。如同方法2，微透镜L1为单焦点，其焦距DF1如果不接近，就优选地等于微透镜L2的焦距DF2。
[0182] 所属技术领域的技术人员会清晰发现，能够提供这些方法的其他不同实施例，并且也能够用其他沉积和形成微透镜的方法制造微透镜。
[0183] 依照本发明的微透镜阵列结构本身易被修改，尤其是依照成像器表面的感光点分布。例如，一些成像器在其中心或者边缘具有较大密度的感光点，以用“鱼眼”镜头拍摄具有不变像素密度的照片(广角镜头可到180°)。这种情况下，成像器感光点密度较低的区域可以用微透镜阵列的常规结构覆盖，成像器感光点密度较高的区域可以用依照本发明的微透镜阵列结构覆盖。依照阵列的区域得到一种混合微透镜阵列，其包含不同于L1类和L2类微透镜的分布。也能够提供任何其他微透镜L1、L2的组合，例如组合L2-L2/L1/L2-L2，组合L1-L1/L2-L2-L2/L1-L1等。(符号“/”表示存在交迭区域，而“-”表示不存在交迭区域)。
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