CN100544008C - 影像模块、影像感应装置及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种影像感应装置、其制造方法及其取像模块，以能够大幅提高影像感应装置的光学性能。这种影像感应装置包括一微棱镜、一中间层、一微透镜、一感光器与一IC堆叠层。其中该微棱镜用以修整一入射光角度，该微透镜用以增加集光效率，该中间层用以分隔该微透镜及该微棱镜以产生折光效果，该感光器用以接收光线进行光电转换，该IC堆叠层用以将光电转换信号进行信号处理，该种影像感应装置的结构，利用一集成电路制作工艺与一积体光学制作工艺制备。

Description

影像模块、影像感应装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种关于微电子的光电产品，特别涉及一种关于微电子的影像感应装置的结构及其堆叠方法。

背景技术

■影像感应器的结构

随着光电产品的日新月异，对影像感应器的需求不断增加。而目前一般的影像感应器分为两大类，即CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合元件)影像感应器与CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，互补性氧化金属半导体)影像感应器。

一影像感应器用于记录一影像的光线变化，再将光线转变为电子信号，其被处理芯片记录和解读后，再重新还原为影像予以输出、重现或储存。该影像感应器是由为数众多的多个感光元件组合而成，而该感光元件通常由CCD或CMOS所形成。

CCD是一种密排的MOS(Metal Oxide Semiconductor，金属氧化物半导体)电容阵列，利用空穴捕获电子的原理工作。其制备方式为先在一N型(P型也可)无杂质单晶硅片上建构一二氧化硅层，再于该二氧化硅层上方建构一层接受光子辐射的一PN型MOS电容结构，该MOS电容结构负责将光线转换为电子信号，如同光电二极管。该MOS电容阵列***则配置绝缘层和信号传输电路，最后形成紧密分布在单晶硅片上的CCD单元，再加入电源配置并利用集成电路制作工艺予以制备，便完成一CCD感光元件。

CMOS为一种可记录光束变化的半导体，其主要材料为硅(Si)和锗(Ge)两种元素，使其在CMOS上共存着N级(带负电)和P级(带正电)的半导体，这两个半导体因互补效应所产生的电流，被处理芯片记录和解读后，再重新以影像的方式呈现或输出。CCD和CMOS唯一的区别就是CCD是形成于半导体单晶硅材料上，而CMOS是形成于金属氧化物的半导体材料上，但两者的工作原理基本上是相同的。

为了使影像感应器能够感应并输出一彩色影像，基本上该影像感应器除了包含上述能够进行光电转换的半导体感光元件外，还需具有多个色彩滤片(color filter)，通常是以阵列(array)的形式存在。色彩滤片阵列通常选择两个三原色组(three-color primary configuration)中的一组，公知采用红(R)、绿(G)、蓝(B)所组成的RGB色彩滤光阵列，或黄(Y)、红(magenta，M)、绿(cyan，C)所组成的YMC色彩滤光阵列其中之一。

在公知技术中，半导体感光元件置于色彩滤光阵列下方，而色彩滤光阵列上方则设置多个微透镜，通常为凸透镜，利用凸透镜聚光的特性，将入射光线予以收敛、聚焦，并投射至半导体感光元件，所述多个微透镜能将光线聚光缩小投射至面积更小的光传感器上以增加影像感应器整体的光敏度。因此公知的影像感应器，无论采用CCD半导体感光元件或CMOS半导体感光元件，其整体结构若按照光线入射方向排列，可大致分为包含多个微透镜、一色彩滤光阵列及一半导体感光元件的三个部分。

以下介绍一种公知的CMOS影像感应器。请参阅图1，其为CMOS感光元件的公知结构示意图。图1中的CMOS感光元件10包括一基层11、一第一感光二极管12a、一第二感光二极管12b、一第三感光二极管12c、一金属不透光层13、一第一色彩过滤层14a、一第二色彩过滤层14b、一第三色彩过滤层14c、一微透镜层15。图1中还示出了一光束16。其中该第一色彩过滤层14a通常用以过滤绿光。该第二色彩过滤层14b通常用以过滤红光。该第三色彩过滤层14c通常用以过滤蓝光。

通常一个感光元件称为像素(pixel)，不论其为CCD或CMOS材料，而为数众多的多个像素即构成一影像感应器，一个影像感应器通常是由上百万个像素所构成。对一影像感应器而言，所含像素的多少对该影像感应器的成像质量有重大的影响。对一CCD型的影像感应器，每一栏(column)中的每一个像素所产生的电子信号，将依序传输至一缓冲器(buffer)中，再输出至位于CCD旁的ADC(Analog to Digital Converter，模拟/数字转换器)转换器中进行电子信号的放大并转换为数字信号，再传输至处理芯片。但对一CMOS型的影像感应器，每一个像素旁就直接连接ADC转换器，将每一像素产生的电子信号直接放大并转换为数字信号，并传送至处理芯片解读后成为影像。故CCD型的影像感应器和CMOS型的影像感应器在结构的最大不同，即为ADC转换器的位置和数量。

请参阅图2，其为一CMOS影像感应器部分的像素结构(pixel structure)示意图，一CMOS感光元件与一ADC转换器构成一像素。图2中的CMOS影像感应器20包括多个像素21、一CMOS感光元件22及一ADC转换器23。该CMOS型的影像感应器的每一个像素旁就直接连接ADC转换器，将每一像素产生的电子信号直接放大并转换为数字信号，并传送至处理芯片解读后成为影像。

■光学串音效应、亮度差与感光元件布局均匀性

但无论采用上述任何一种的影像感应器，光学串音效应形成的光干扰长久以来一直是影像感应器研发者所致力解决的棘手问题。光学串音效应是指，当一光束入射某像素的一微透镜时，若该光束角度偏离该微透镜的法线，由于其入射角过大，以至于该光束被相邻像素的感光二极管所吸收而产生光学上的干扰，此种现象称为光学串音效应(optical crosstalk)。

请参阅图3，其为光学串音效应示意图。首先，图3中部分公知的影像感应器30包括一第一微透镜(micro lens)31a、一第二微透镜31b、一第三微透镜31c、一第一色彩过滤片32a、一第二色彩过滤片32b、一第三色彩过滤片32c、一光罩33(light shield)、一IC堆叠层34、一第一感光二极管(photodiode)35a、一第二感光二极管35b、一第三感光二极管35c。图3中还示出了一垂线36、一第一入射光37a、一第二入射光37b、一第一入射角38a及一第二入射角38b。其中该第一入射角38a为该第一入射光37a与该垂线36的夹角，该第二入射角38b为该第二入射光37b与该垂线36的夹角。

正常无干扰状况下，经过该第二微透镜31b的光束，应该被该第二感光二极管35b所吸收；而干扰状况在于，经过该第二微透镜31b的光束由于入射角过大会被该第二感光二极管35b相邻的感光二极管所吸收，造成干扰。对该第一入射光37a而言，该第一入射光37a穿透该第二微透镜31b、该第二色彩过滤片32b、该IC堆叠层34，而被该第二感光二极管35b所吸收，属正常无干扰状况。而该第二入射光37b，由于入射角过大，也就是该第二入射角38b大于该第一入射角38a，因此该第二入射光37b穿透该第二微透镜31b、该第二色彩过滤片32b、该IC堆叠层34后，偏离至该第一感光二极管35a，并被其吸收，这就属于发生干扰的状况，被称为光学串音效应。

关于亮度差是指对一感光二极管而言，需要接收来自不同角度的光源，也就是该感光二极管需要接收不同入射角的入射光，入射角越小的入射光，在该感光二极管上形成的光压越强，而入射角越大的入射光，在该感光二极管上所形成的光压越弱，当光信号转为电子信号时，此光压差会以明暗的方式呈现，光压越强处亮度较高，光压越弱处亮度较低，此现象称之为亮度差。

关于感光元件布局均匀性是指对像素阵列之间其CMOS感光元件与ADC转换器之间的面积比及其布局方式。请参阅图11，图11为一感光元件均匀偏心布局实例俯视图，该均匀偏心布局的部分包括一像素111阵列、一CMOS感光二极管元件112阵列、一ADC转换器113阵列、一微透镜114阵列，其中该感光元件布局实例采用现有的0.35μm制作工艺技术，该CMOS感光二极管元件112与ADC转换器113的面积比约为40％～60％，此例中该CMOS感光二极管元件112位于该像素111的下方，因此所搭配设计的微透镜需做如图11所示的均匀偏心布局，方能将微透镜所聚的光线导入二极管上，在0.35μm制作工艺技术中，CMOS感光二极管元件具有空间上周期排列的特性。然而，在0.13μm制作工艺技术中，为求维持面积比及提高信号转换性能，需将ADC转换器尽可能布局在一组中，请参阅图12，其为一感光元件不均匀偏心布局实例俯视图，该不均匀偏心布局的部分包括一像素121阵列、一CMOS感光二极管元件122阵列、一ADC转换器123阵列、一微透镜124阵列，其中该感光元件布局实例采用现有的0.13μm制作工艺技术，该CMOS感光二极管元件122与该ADC转换器123的面积比仍约为40％～60％，此例中四个该像素121形成一组共享对，因此所搭配设计的微透镜需做如图12所示的不均匀偏心布局，但是会发生微透镜的重叠问题。

对于此光学串音效应、亮度差与与感光元件布局均匀性，各家影像感应器制造大厂均致力于研发解决之道，以改善影像感应器所输出的影像质量与提高光学性能。因此在本发明之前，关于改善影像感应器输出影像质量的发明共有两个，将如后分述。

现有技术一：TW200525773号的中国台湾发明专利

该发明的目的在于提供一在芯片上的不同区域可获得更均一光能量的影像传感器，特别是中央区域与边缘区域之间。该发明的另一目的在于提供一避免产生串扰现象的影像传感器。

为了实现上述目的，该发明的第一实施例设计一影像传感器。一微透镜层包含多个分别对应多个感测区的微透镜，微透镜的尺寸为微透镜至一芯片中心距离的函数，并且微透镜的尺寸随微透镜至芯片中心距离的增加而增加，因此利用微透镜尺寸的不同以解决不同区域入射光不均一的问题。

该发明的第二实施例如下。设计一影像传感器，一微透镜层包含多个分别对应多个感测区的微透镜，一微透镜中心与一对应感测区中心的距离为一对应感测区如一感光二极管至芯片中心距离的函数，即随着微透镜至芯片中心距离的增加，微透镜朝向芯片中心移动。当微透镜移动，对应的彩色滤光单元也随之移动以确保入射光不会通过相邻的色彩滤光单元，由此，可改善不均一入射光的问题。

第二实施例为一具有1284×1028像素的感测芯片。每一像素的宽度为4微米，离芯片中心最远的边缘区域，其透镜需要移动2.1微米，而按照微透镜至芯片中心距离的远近，将像素区分为31个族群，族群1代表位于芯片中心处的像素群，族群31代表离芯片中心最远处的像素群。

请参阅图4，其为第二实施例中前三族群1，2，3中微透镜、色彩滤光单元及光敏元件修饰前与修饰后的排列图。图4中部分的影像传感器41包括一微透镜42、彩色滤光单元43、一IC堆叠层44、一感测区45、一基底46、修饰后A、修饰前B、每一微透镜中心e及其对应感测区中心f。

在族群1A中，因位于芯片中心处，故该微透镜42、该彩色滤光单元43及该感测区45均维持相同位置。在族群2A中，该微透镜42及该彩色滤光单元43以一0.07微米的距离朝向芯片中心移动。该微透镜42中心e与对应该感测区45的距离为0.07微米。以此规则可类推其它族群的平移(shift)状况，可改善不均一入射光的问题，但无法改善光学串音效应所造成的光干扰。

现有技术二：US6803250号的美国发明专利

该发明的特征在于：在公知的一影像感应器中，在一微透镜与一光感应区中嵌入一凹面镜层(concave lensing layer)，以提高该影像感应器的光学性能。

请参阅图5，其为该现有技术二的发明代表图。图5中部分的影像感应器50包括一基层(substrate)51、一光感应区(photoactive region)52、一第一介电质层(first planarizing passivation layer)53、一第一导体层(first conductorlayer)54a、一第一导体层(first conductor layer)54b、一第二介电质层(secondplanarizing passivation layer)55、一第二导体层(second conductor layer)56a、一第二导体层(second conductor layer)56b、一第一间隙(first spacerlayer)57、一色彩滤光层(color filter layer)58、一第二间隙(second spacer layer)59及一微透镜(Microlens layer)510。

图5中该基层51为公知的半导体基层。该光感应区52为公知的感光二极管，其嵌入于该基层51。该第一介电质层53中嵌入一对该第一导体层54a，54b。该第二介电质层53中嵌入一对该第二导体层56a，56b。该第二介电质层55位于该第一介电质层53之上。该第一介电质层53与该第二介电质层55由可透光的非导体材料形成，用于改变入射光束的折射角度。该第一介电质层53与该第二介电质层55由氧化硅、氮化硅或氮氧化硅所形成。该第一介电质层53等同于具有一凹透镜的效果。该发明主要利用该第一介电质层53与该第二介电质层55来改变入射光束的折射角度，但仍无法完全消除光学串音效应与亮度差。

因此一般公知的影像感应器，无论采用何种方法，仍均无法同时消除光学串音效应与亮度差，因此目前市场上的影像感应器仍有很大的改进空间。

鉴于公知技术中所产生的缺陷，申请人经过悉心试验与研究构思出本发明“影像模块、影像感应装置及其制造方法”，其能够克服上述影像感应的公知缺点，以下为本发明的简要说明。

发明内容

本申请提出一种影像感应装置，其利用一微棱镜，将具有较大角度的一入射光角度，修整为较小角度的一入射光角度，能够消除入射主光角偏移造成的亮度差(shading)与入射主光角偏移过大造成的光学串音效应及解决感光元件布局不均匀的问题。这种影像感应装置能够大幅提高光学性能。这种影像感应装置的结构利用一集成电路制作工艺与一基体光学制作工艺制备。

根据本发明的构想，提出了一种影像感应装置，用以接收一入射光，该入射光具有一入射角，其包括：一影像感应器及一微棱镜。其中该影像感应器用以将该入射光还原为影像，该微棱镜用以修整该入射光的该入射角。

具体而言，本发明提供了一种这样的影像感应装置，用以接收入射光，所述装置的结构包括：一微棱镜，用以修整入射光角度；一微透镜，用以聚光；一IC堆叠层，用以将光电转换信号进行信号处理；以及一感光器，用以接收光信号进行光电转换。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中该影像感应器包含：一微透镜、一感光器及一IC堆叠层。其中该微透镜，用以聚集该入射光，增加集光效率，该感光器，用以接收该入射光并进行光电转换，该IC堆叠层，用以将光电转换信号进行信号处理。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该微棱镜将具有较大角度的该入射光的该入射角，修整为较小角度的该入射角。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该微棱镜为介电质材料或高分子材料。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该微棱镜的宽度，约在数微米(micro meter，μm，其中)量级的大小，与该感光器同一量级。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，包括一中间层，用以分隔微透镜及微棱镜产生较佳折光效果。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该中间层为氧化硅、氮化硅(、氮氧化硅与高分子材料其中之一。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该中间层包括多个间隙层(spacer)。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该中间层包括多个色彩滤片。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，其排列组合方式，按照光线入射方向排列包括：该IC堆叠层，位于该感光器上层；该微透镜，位于该IC堆叠层上层，该微棱镜，位于该微透镜上层。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，其排列组合方式，按照光线入射方向排列，并包括：该IC堆叠层，位于该感光器上层；该微棱镜，位于该IC堆叠层上层；该中间层，位于微棱镜上层；该微透镜，位于该中间层上层。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，其排列组合方式，按照光线入射方向排列包括：该IC堆叠层，位于该感光器上层，该微透镜，位于该IC堆叠层上层，该中间层，位于该微透镜上层，该微棱镜，位于该中间层上层。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，其特征在于有效降低亮度差与光学串音效应。

根据本发明的构想，提出一种影像感应装置的制造方法，包含下列堆叠步骤：提供一基层；以集成电路制作工艺制备一感光器；以集成电路制作工艺制备一IC堆叠层；以积体光学制作工艺制备一微透镜；及以积体光学制作工艺制备一微棱镜。

具体而言，这种影像感应装置的制造方法包含下列堆叠步骤：提供一基层；在该基层上以集成电路制作工艺制备一感光器；在该感光器上以集成电路制作工艺制备一IC堆叠层；在该IC堆叠层上以积体光学制作工艺制备一微透镜；及在该微透镜上以积体光学制作工艺制备一微棱镜。

根据本发明的构想，提出一种影像感应装置的制造方法，包含下列堆叠步骤：提供一基层；以集成电路制作工艺制备一感光器；以集成电路制作工艺制备一IC堆叠层；以积体光学制作工艺制备一微棱镜；以积体光学制作工艺制备一中间层；及以积体光学制作工艺制备一微透镜。

具体而言，这种影像感应装置的制造方法包含下列堆叠步骤：提供一基层；在该基层上以集成电路制作工艺制备一感光器；在该感光器上以集成电路制作工艺制备一IC堆叠层；在该IC堆叠层上以积体光学制作工艺制备一微棱镜；在该微棱镜上以积体光学制作工艺制备一中间层；及在该中间层上以积体光学制作工艺制备一微透镜。

根据本发明的构想，提出一种影像感应装置的制造方法，包含下列堆叠步骤：提供一基层；以集成电路制作工艺制备一感光器；以集成电路制作工艺制备一IC堆叠层；以积体光学制作工艺制备一微透镜；以积体光学制作工艺制备一中间层；及以积体光学制作工艺制备一微棱镜。

具体而言，这种影像感应装置的制造方法包含下列堆叠步骤：提供一基层；在该基层上以集成电路制作工艺制备一感光器；在该感光器上以集成电路制作工艺制备一IC堆叠层；在该IC堆叠层上以积体光学制作工艺制备一微透镜；在该微透镜上以积体光学制作工艺制备一中间层；及在该中间层上以积体光学制作工艺制备一微棱镜。较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该基层为半导体基层。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该微棱镜由不透光的介电质材料所形成。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该微棱镜利用灰阶光罩(gray mask)制作工艺、光阻层(photoresist)制作工艺与蚀刻制作工艺其中之一制备。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该中间层利用等离子体辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制作工艺，沉积氧化硅、氮化硅、与氮氧化硅其中之一而形成。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该中间层由高分子材料(high polymer material)形成。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该中间层由间隙形成。

较佳地，在本发明所提供的这种影像感应装置中，该中间层由间隙形成。

根据本发明的技术构思，本发明还提供了一种影像模块，包含有：一成像透镜组，用以将物空间影像转换为像空间影像；及一影像感应器，用以将像空间影像光信号转换为电信号；其中该影像感应器具有微棱镜以修整不同的入射光角度。

本发明的影像感应装置、其制造方法及其取像模块，能够将光束方向做一修整以消除入射主光角偏移所造成的亮度差以及入射主光角偏移过大造成的光学串音效应，进而有效改善影像感应器所输出的影像质量与提高光学性能及解决未来光感应器不均匀偏心的问题。

附图说明

图1为多个CMOS感光元件的公知结构示意图。

图2为一CMOS影像感应器部分的像素结构示意图。

图3为光学串音效应示意图。

图4为现有技术一的发明代表图。

图5为现有技术二的发明代表图。

图6为本发明利用微棱镜修整主光角的原理示意图。

图7(a)为实施例一中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。

图7(b)为实施例一中配置微棱镜修整主光角的示意图。

图8(a)为实施例二中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。

图8(b)为实施例二中配置微棱镜修整主光角的示意图。

图9(a)为实施例三中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。

图9(b)为实施例三中配置微棱镜修整主光角的示意图。

图10(a)为实施例四中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。

图10(b)为实施例四中配置微棱镜修整主光角的示意图。

图11为感光元件均匀偏心布局实例的俯视图。

图12为感光元件不均匀偏心布局实例的俯视图。

图13为实施例五中配置微棱镜的影像传感器与成像透镜组的影像模块搭配的侧视图。

图14为实施例六中配置微棱镜的影像传感器与成像透镜组的影像模块搭配的俯视图。

图15(a)及(b)为本发明作为等效微棱镜的微光栅结构的俯视图与剖面图。

图15(c)及(d)为实施例七中配置微光栅结构作为等效微棱镜的影像传感器模块搭配的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10：CMOS感光元件             11：基层

12a：第一感光二极管          12b：第二感光二极管

12c：第三感光二极管          13：金属不透光层

14a：第一色彩过滤层          14b：第二色彩过滤层

14c：第三色彩过滤层          15：微透镜层

16：光束                     20：CMOS影像感应器

21：多个像素                 22：CMOS感光元件

23：ADC转换器                30：公知影像感应器部分

31a：第一微透镜              31b：第二微透镜

31c：第三微透镜              32a：第一色彩过滤片

32b：第二色彩过滤片          32c：第三色彩过滤片

33：光罩                    34：IC堆叠层

35a：第一感光二极管         35b：第二感光二极管

35c：第三感光二极管         36：垂线

37a：第一入射光             37b：第二入射光

38a：第一入射角             38b：第二入射角

41：影像传感器部分          42：微透镜

43：彩色滤光单元            44：IC堆叠层

45：感测区                  46：基底

50：影像感应器部分          51：基层

52：光感应区                53：第一介电质层

54a：第一导体层             54b：第一导体层

55：第二介电质层            56a：第二导体层

56b：第二导体层             57：第一间隙

58：色彩滤光层              59：第二间隙

510：微透镜                 61：介质

62：微棱镜                  63：棱镜倾斜角

64：入射面                  64a：入射面法线

65：出射面                  65a：出射面法线

66x：第一边长               66y：第二边长

66z：第三边长               67a：入射光束

67b：出射光束               68a：第一夹角

69a：第一主光角             610：感光器

70：基层                    71：感光器

72：IC堆叠层                73：中间层

74：微透镜                  75：微棱镜

76：小角度主光角            77：大角度主光角

78a：第一边长               78b：第二边长

80：基层                    81：感光器

82：IC堆叠层                83：中间层

84：微透镜                  85：微棱镜

86：小角度主光角           87：大角度主光角

88a：第一边长              88b：第二边长

90：基层                   91：感光器

92：IC堆叠层               93：微棱镜

94：中间层                 95：微棱镜

96：小角度主光角           97：大角度主光角

98a：第一边长              98b：第二边长

100：基层                  101：感光器

102：IC堆叠层              103：中间层

104：微透镜                105：微棱镜

106：小角度主光角          107：大角度主光角

108a：第一边长             108b：第二边长

111：像素                  112：CMOS感光二极管元件

113：ADC转换器             114：微透镜

121：像素                  122：CMOS感光二极管元件

123：ADC转换器             124：微透镜

131：多个微棱镜            132：多个微透镜

133：多个感光器            134：透镜成像镜组

141：多个像素              142：多个微棱镜

143：多个微透镜            144：多个感光器

160：影像感应模块          161：感光元件

162：入射光线              163：等效微棱镜结构

具体实施方式

本发明可由以下的实施例说明而得到充分了解，使得本领域技术人员可以据以完成之，然而本发明的实施并非可由下列实施例来限制其专利保护范围。

■实施原理

在一影像感应装置中，对每一个像素布置一微棱镜(micro prism)，应用光束穿过不同介质时产生折射的自然规律，调整光束行进方向，将原本较大的主光角(chief ray angle)修整为较小的主光角，有效降低像素之间的光学串音效应。

请参阅图6，其为本发明利用微棱镜修整主光角的原理示意图。图6中示出了一介质61、一微棱镜62、一棱镜倾斜角63、一入射面(entrance plane)64、一入射面法线64a、一出射面(exit plane)65、一出射面法线65a、一第一边长66x、一第二边长66y、一第三边长66z、一入射光束67a、一出射光束67b、一第一夹角68a、一第一主光角69a及一感光器610。

再定义如下的多个参数：

α：该微棱镜62的该入射面64与水平线之间的夹角，为该棱镜倾斜角63。

φ₁：该入射光束67a与水平线之间的夹角，为该第一主光角69a。

φ₂：该出射光束67b与水平线之间的夹角，为第二主光角。

θ₁：该入射光束67a与该入射面法线64a之间的该第一夹角68a。

θ₂：该出射光束67b与该入射面法线64a之间的第二夹角。

n₁：该介质61的一第一折射率。

n₂：该微棱镜62的一第二折射率。

α：该第一边长66x。

b：该第二边长66y。

p：该第三边长66z。

所述多个参数彼此之间有如下关系存在：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left[\frac{b-a}{p}\right]$                      公式一

θ₁＝α+φ₁                       公式二(a)

θ₂＝α+φ₂                       公式二(b)

所述多个参数必定满足斯涅尔定律(Snell’s law)，该定律描述光束穿过不同介质时，光束行进方向的改变，会随着不同介质所具有的不同折射率而有所改变，该定律为一自然规律的必然结果，也就是

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left[\frac{b-a}{p}\right]$                              公式三

将公式二(a)，(b)带入公式三：

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left[\frac{b-a}{p}\right]$                    公式四

将公式四展开为

$\mathrm{\α}={\tan }^{-1}\left[\frac{b-a}{p}\right]$                     公式五

通常，该微棱镜62由可透光的介电质材料制成，且该介质61为一空气或一低折射率材料，因此n₂<n₁，当光束的行进遵循斯涅尔定律如此的自然规律时，则θ₂<θ₁，连带φ₂<φ₁，故经过该微棱镜62调整之后，该第二主光角将小于该第一主光角69a，可将较大的主光角修整为较小的主光角。因此能够有效降低亮度差与光学串音效应。

本发明适用于各类型的影像感应装置，通常，此类影像感应装置的尺寸并不大，因此本发明的微棱镜62的第三边长66z，也就是该微棱镜62的宽度，约为微米(micro meter，μm，其中μ＝10^-6)量级的尺寸。

因此，适当的运用该微棱镜修整主光角的能力，能够有效消除光学串音效应与亮度差及其所带来的光干扰。

■实施例一

请参阅图7(a)，其为实施例一中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。请参阅图7(b)，其为实施例一中配置微棱镜修整主光角的示意图。图7(a)与图7(b)中示出了一基层70、一感光器71、一IC堆叠层72、一中间层73、一微透镜74、一微棱镜75、一小角度(如0°)的主光角76、一大角度(如20°)的主光角77、一第一边长78a及一第二边长78b。

请参阅图7(b)，下面将以下列堆叠步骤来说明本发明的影像感应装置的制作。首先以集成电路制作工艺制备该基层70，再以集成电路制作工艺制备该感光器71，其位于该基层70上方，再以集成电路制作工艺制备该IC堆叠层72，其位于该感光器71上方，再以集成电路制作工艺制备该中间层73，其位于该IC堆叠层72上方，再以积体光学制作工艺制备该微透镜74，其位于该中间层73上方，再以积体光学制作工艺制备该微棱镜75，其位于该微透镜74上方。

本发明在运作时，经由调整该微棱镜55的该第一边长与该第二边长，使得该大角度(如20°)的主光角77被修整为该小角度(如0°)的主光角76，由此实现降低光学串音效应的目的。本实施例一可轻易的实施于目前任何一种影像感应器结构中。

■实施例二

请参阅图8(a)，其为实施例二中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。请参阅图8(b)，其为实施例二中配置微棱镜修整主光角的示意图。图8(a)与图8(b)中示出了一基层80、一感光器81、一IC堆叠层82、一中间层83、一微棱镜84、一微透镜85、一小角度(如0°)的主光角86、一大角度(如20°)的主光角87、一第一边长88a及一第二边长88b。

请参阅图8(b)，下面将以下列堆叠步骤来说明本发明的影像感应装置的制作。首先以集成电路制作工艺制备该感光器81，再以集成电路制作工艺制备该IC堆叠层82，其位于该感光器81上方，再以集成电路制作工艺制备该中间层83，其位于该IC堆叠层82上方，再以积体光学制作工艺制备该微棱镜84，其位于该中间层83上方，再以积体光学制作工艺制备该微透镜85，其位于该微棱镜84上方。其中微棱镜、微透镜与光感应器间可设计为偏心或非偏心布局以达到最佳化。

本发明在运作时，经由调整该微棱镜84的该第一边长高度与该第二边长高度，使得该大角度(如20°)的主光角87被修整为该小角度(如0°)的主光角86，由此实现降低光学串音效应的目的。本实施例二可轻易的实施于目前任何一种影像感应器结构中。

■实施例三

请参阅图9(a)，其为实施例三中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。请参阅图9(b)，其为实施例三中配置微棱镜修整主光角的示意图。图9(a)与图9(b)中示出了一基层90、一感光器91、一IC堆叠层92、一微棱镜93、一中间层94、一微透镜95、一小角度(如0°)的主光角96、一大角度(如20°)的主光角97、一第一边长98a及一第二边长98b。请参阅图9(b)，下面将以下列堆叠步骤来说明本发明的影像感应装置的制作。首先以集成电路制作工艺制备该感光器91，再以集成电路制作工艺制备该IC堆叠层92，其位于该感光器91上方，再以积体光学制作工艺制备该微棱镜93，其位于该IC堆叠层92上方，再以集成电路制作工艺制备该中间层94，其位于该微棱镜93上方，再以积体光学制作工艺制备该微透镜95，其位于该中间层94上方。

本发明在运作时，经由调整该微棱镜93的该第一边长高度与该第二边长高度，使得该大角度(如20°)的主光角97被修整为该小角度(如0°)的主光角96，由此实现降低光学串音效应的目的。本实施例三可轻易的实施于目前任何一种影像感应器结构中。

■实施例四

请参阅图10(a)，其为实施例四中未加入微棱镜时光学串音效应的示意图。请参阅图10(b)，其为实施例四中配置微棱镜修整主光角的示意图。图10(a)与图10(b)中示出了一基层100、一感光器101、一IC堆叠层102、一微透镜103、一中间层104、一微棱镜105、一小角度(如0°)的主光角106、一大角度(如20°)的主光角107、一第一边长108a及一第二边长108b。

请参阅图10(b)，下面将以下列堆叠步骤来说明本发明的影像感应装置的制作，首先以集成电路制作工艺制备该感光器101，再以集成电路制作工艺制备该IC堆叠层102，其位于该感光器101上方，再以积体光学制作工艺制备该中间层104，其位于该IC堆叠层102上方，再以积体电路制作工艺制备该微透镜103，其被该中间层104包覆，再以积体光学制作工艺制备该微棱镜105，其位于该中间层104上方。

本发明在运作时，经由调整该微棱镜105的该第一边长高度与该第二边长高度，使得该大角度(如20°)的主光角107被修整为该小角度(如0°)的主光角106，由此实现降低光学串音效应的目的。本实施例四可轻易的实施于目前任何一种影像感应器结构中。

在上述四个实施例中，其中所述基层70，80，90，100采用公知的半导体基层。所述感光器71，81，91，101嵌入于所述基层70，80，90，100，其为公知的感光二极管，用以接收光线进行光电转换，所述感光器71，81，91，101有多种选择，其型态并非被限制于某种特定的公知感光二极管，只要与用途符合的光电转换元件即可采用。该IC堆叠层72，82，92，102由金属材料堆叠而成，用以将光电转换信号进行信号处理。所述微透镜74，85，95，103由可透光的介电质材料所制成，为一凸透镜形式，利用凸透镜的聚光效果，将入射光束予以集中，以增加集光效率。

其中所述微棱镜75，84，93，105用以修整一入射光角度。所述微棱镜75，84，93，105的所述第一边长78a，88a，98a，108a与所述第二边长78b，88b，98b，108b可以调整，随着其所在的像素相对于该影像感应装置的位置，所述第一边长78a，88a，98a，108a与所述第二边长78a，88a，98a，108a有着不同的大小，以修整一入射光角度，其原理已如前述。所述微棱镜75，84，93，105为利用灰阶光罩(gray mask)制作工艺、光阻层(photoresist)制作工艺与蚀刻其中之一的制作工艺，处理氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等可透光的介电质材料而制成，且为一棱镜形式。所述微棱镜75，84，93，105的材料并非被限制于前述的材料，只要与用途符合即可作为该微棱镜75，84，93，105的材料。所述微棱镜75，84，93，105的特征在于能够有效降低亮度差与光学串音效应。

其中所述中间层73，83，94，104利用等离子体辅助化学气相沉积(PlasmaEnhanced Chemical Vapor Deposition，PECVD)制作工艺，沉积氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等可透光材料而形成。所述中间层73，83，94，104的材料并非被限制于前述的材料，只要与用途符合即可作为所述中间层73，83，94，104的材料。所述中间层73，83，94，104也可由高分子材料或间隙形成。所述中间层73，83，94，104可用于配置多个色彩滤片，或促进光学效率。所述中间层73，83，94，104可按照使用上的需要选择设置所述中间层73，83，94，104，或不设置所述中间层73，83，94，104，本发明的实施并非可由中间层的有无而被限制其实施状态。

■实施例五

请参阅图13，其为实施例五中配置微棱镜的影像传感器与成像透镜组的影像模块搭配的侧视图。图13的影像感应模块130部分包括多个微棱镜131、多个微透镜132、多个感光器133、一透镜成像镜组134，CRA(chiefray angle)表示对每一个微棱镜而言的入射光角度。在图13中，在一CMOS影像感应装置中采用实施例四的实施方式，对该CMOS影像感应装置加入多个微棱镜以修整不同的入射光角度，所述不同的入射光角度由于物体与每一个感光器的相对位置不同而造成，由图13中可看出，该不同的入射光角度经由所述多个微棱镜131修整后，能够以接近0度，也就是最佳的角度，投射至该多个感光器133，故该影像感应模块130可大幅降低感应器边缘的串音及大幅提升感应器边缘的亮度差特性。因此，通过在影像感应模块130的每一个感光器133上加入微棱镜131的设计，可以有效地消除透镜成像镜组134所造成的主光角的大角度变化。而由于透镜成像镜组134所造成的主光角变化的效应可以被微棱镜131有效的消除，因此，搭配此一微棱镜设计的影像感应模块130可以进一部设计为微小照相模块(Compact Camera Module，CCM)。在此一微小照相模块中，微棱镜可以采用如图13所示的离散式布局，即相邻微棱镜间留有空隙，或采用连续式布局，也即是相邻微棱镜间不留空隙。

■实施例六

请参阅图14，其为实施例六中配置微棱镜的影像传感器与成像透镜组的影像模块搭配的俯视图。图14的影像感应模块140部分包括多个像素141阵列、多个微棱镜142阵列、多个微透镜143阵列、多个感光器144阵列。其中图14中的影像感应模块140，加入多个微棱镜142阵列，用以将不同的入射光修整投射至不均匀偏心的多个感光器144阵列上。所实现的影像感应器可解决未来像素缩小时不均匀偏心的问题。

■实施例七

请参阅图15(a)及图15(b)，其分别表示一种替代本发明前述的微棱镜结构的微光栅结构的俯视图与剖面图。如图中所示，该微光栅结构163是通过在一特定区域上制作一规则且重复的微结构排列，以作为一等效微棱镜(Effective Micro Prism)结构，达到调整入射光线主光角的目的。请进一步参阅图15(c)，其表示本发明中配置该等效微棱镜结构163的影像感应模块160的第七具体实施例。如图中所示，入射该影像感应模块160的入射光线162的主光角可以经过该等效微棱镜结构163的作用而产生角度调整的效果。该等效微棱镜结构163在该影像感应模块160中的配置，与前述各实施例中的微棱镜结构的配置方式完全相同。另外，如图15(d)所示在本设计另一较佳具体实施例中，该微光栅结构163可以同时配置在多个感光器161(a)及161(b)上，同样可以达到调整主光角的目的。

总而言之，使用该种影像感应装置，能够将光束方向做一修整以消除入射主光角偏移所造成的亮度差与入射主光角偏移过大造成的光学串音效应，进而有效改善影像感应器所输出的影像质量、提高光学性能及解决未来光感应器不均匀偏心的问题。本领域技术人员根据本发明的技术构思所作的各种修饰，均不脱离权利要求书所欲保护的范围。

Claims (15)

1.一种影像感应装置，用以接收入射光，所述影像感应装置的结构包括：

一微棱镜，用以修整入射光角度；

一微透镜，用以聚光；

一中间层，用以分隔该微透镜及该微棱镜，以产生折光效果；

一IC堆叠层，用以将光电转换信号进行信号处理；以及

一感光器，用以接收光信号进行光电转换。

2.如权利要求1所述的影像感应装置，其中：

该微棱镜将具有较大角度的入射光的入射角修整为具有较小角度的入射角；

该微棱镜由介电质材料或高分子材料制成；及/或

该微棱镜的宽度约在数微米数量级，且与该感光器同一量级。

3.如权利要求2所述的影像感应装置，其中：

该中间层由氧化硅、氮化硅、氮氧化硅与高分子材料其中之一制成；

该中间层包括多个间隙层；

该中间层包括多个色彩滤片；

该影像感应装置按照光线入射方向排列组合为：该微透镜位于该中间层上层；该中间层位于该微棱镜上层；该微棱镜位于该IC堆叠层上层；及该IC堆叠层位于该感光器上层；或

该影像感应装置按照光线入射方向排列组合为：该微棱镜位于该微透镜上层；该微透镜位于该IC堆叠层上层；及该IC堆叠层位于该感光器上层。

4.如权利要求1所述的影像感应装置，其中：

该微棱镜、该微透镜与该感光器三者之间在光线入射方向采用一非偏心布局；或

该微棱镜、该微透镜与该感光器三者之间在光线入射方向采用一偏心布局。

5.如权利要求4所述的影像感应装置，其中：该偏心布局包括一规则偏心布局与一非规则偏心布局。

6.如权利要求1所述的影像感应装置，其中：该影像感应装置按照光线入射方向排列组合为：该微棱镜位于该微透镜上层；该微透镜位于该IC堆叠层上层；及该IC堆叠层位于该感光器上层。

7.如权利要求1所述的影像感应装置，其中：该微棱镜为一微光栅结构所构成的一等效微棱镜。

8.一种影像感应装置的制造方法，包含下列堆叠步骤：

提供一基层；

在该基层上以集成电路制作工艺制备一感光器；

在该感光器上以集成电路制作工艺制备一IC堆叠层；

在该IC堆叠层上以积体光学制作工艺制备一微棱镜；

在该微棱镜上以积体光学制作工艺制备一中间层；及

在该中间层上以积体光学制作工艺制备一微透镜。

9.如权利要求8所述的制造方法，其中：该基层为半导体基层。

10.如权利要求8所述的制造方法，其中：该微棱镜由透光的一微光栅结构及/或一介电质材料所形成。

11.如权利要求8所述的制造方法，其中：该微棱镜利用灰阶光罩制作工艺、光阻层制作工艺与蚀刻制作工艺其中之一制备。

12.如权利要求8所述的制造方法，其中：

该中间层利用等离子体辅助化学气相沉积制作工艺沉积氧化硅、氮化硅与氮氧化硅其中之一而形成；或

该中间层由高分子材料形成。

13.一种影像模块，包含有：

一成像透镜组，用以将物空间影像转换为像空间影像；及

一影像感应器，用以将像空间影像光信号转换为电信号，其中该影像感应器具有微棱镜以修整不同的入射光角度，该影像感应器包含：

多个微透镜，用以聚集该入射光，增加聚光效率；

多个微棱镜，用以修整多个角度的入射光；

多个中间层，用以分隔所述多个微透镜及所述多个微棱镜，以产生折光效果；

多个IC堆叠层，用以将光电转换信号进行信号处理；及

多个感光器，用以接收该入射光并进行光电转换；

其中，该影像感应器按照光线入射方向排列组合为：所述多个微透镜位于所述多个中间层上层；所述多个中间层位于所述多个微棱镜上层；所述多个微棱镜位于所述多个IC堆叠层上层；及所述多个IC堆叠层位于所述多个感光器上层；或

该影像感应器按照光线入射方向排列组合为：所述多个微棱镜位于所述多个中间层上层；所述多个中间层位于所述多个微透镜上层；所述多个微透镜位于所述多个IC堆叠层上层；及所述多个IC堆叠层位于所述多个感光器上层。

14.如权利要求13所述的影像模块，其中：

所述多个微棱镜将具有较大角度的入射光的入射角修整为具有较小角度的入射角；

所述多个微棱镜为介电质材料或高分子材料；

所述多个微棱镜的宽度约在数微米数量级，与该感光器同一量级；

该微棱镜、该微透镜与该感光器三者之间在光线入射方向采用一非偏心布局；或者

该微棱镜、该微透镜与该感光器三者之间在光线入射方向采用一偏心布局，其中该偏心布局包括一规则偏心布局与一非规则偏心布局。

15.如权利要求13所述的影像模块，其中：

所述多个中间层为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅与高分子材料其中之一；

所述多个中间层包括多个间隙层；

所述多个中间层包括多个色彩滤片。

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