CN108352396B - 用于指纹感测的图像传感器结构 - Google Patents

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Abstract

用于将图像传感器结构与准直器滤光器集成的方法和***，包括用于形成晶片级的准直器滤光器以用于与图像传感器半导体晶片集成的制造方法和相关联的结构。制作光学生物测量传感器的方法包括：在图像传感器晶片上形成准直器滤光器层，其中准直器滤光器层中的多个光准直孔口与图像传感器晶片中的多个光感测元件对准；以及在图像传感器晶片上形成准直器滤光器层之后，将图像传感器晶片分离成多个单独的光学传感器。

Description

用于指纹感测的图像传感器结构
相关申请的交叉引用
根据美国法典第35章第119(e)条，本申请要求2015年10月7日提交的、并且标题为“IMAGE SENSOR STRUCTURES FOR FINGERPRINT SENSORS”的美国临时申请序列号62/238603的权益，其通过引用作为一个整体被特此并入。
技术领域
本公开总体上涉及光学传感器，并且更具体地涉及使用准直器的光学传感器。
背景技术
对象成像在多种应用中是有用的。作为示例，生物测量识别***对生物测量对象成像以用于认证和/或检验结合识别***的设备的用户。生物测量成像提供可靠的、非入侵的方式来检验个体身份以用于识别的目的。各种类型的传感器可以被用于生物测量成像。
如同各种其它生物测量特性，指纹基于有区别的个人特性并因而提供可靠的机制来识别个体。因而，指纹传感器具有许多潜在的应用。例如，指纹传感器可以用来提供固定应用中的访问控制，所述固定应用诸如为安全检查点。指纹传感器也可以用来提供移动设备中的访问控制，所述移动设备诸如为蜂窝电话、可穿戴智能设备(例如，智能手表和活动***)、平板计算机、个人数据助理(PDA)、导航设备以及便携式游戏设备。因此，一些应用，特别是关于移动设备的应用，可能要求不但在尺寸上小而且高度可靠的识别***。
大多数市场上买得到的指纹传感器基于光学感测技术或电容性感测技术。遗憾的是，常规的光学指纹传感器体积太大以至于不能被封装在移动设备和其它通常的消费者电子设备中，从而将它们的用途限制在门禁控制终端和传感器尺寸不受限的其它应用。
因此，大多数移动设备中的指纹传感器是电容性传感器，其具有配置成感测指纹的脊和谷特征的感测阵列。典型地，这些指纹传感器检测绝对电容(有时称为“自电容”)或跨电容(有时称为“互电容”)。在任何一种情况中，在阵列中的每一个感测元件处的电容取决于是否存在脊或谷而变化，并且这些变化被电气地检测来形成指纹的图像。
尽管电容性指纹传感器提供某些优点，但大多数市场上买得到的电容性指纹传感器难以经远距离感测精细的脊和谷特征，从而要求指纹接触接近于感测阵列的感测表面。对于电容性传感器，通过厚层检测指纹仍然是巨大的挑战，所述厚层诸如是保护许多智能电话和其它移动设备的显示器的厚护罩玻璃(在本文中有时称为“护罩透镜”)。为了解决此问题，常常在显示器旁边的区域中在护罩玻璃中形成切口，并且将分立的电容性指纹传感器(常常与机械按钮集成)放置在切口区域中，使得其可以在不必通过护罩玻璃进行感测的情况下检测指纹。对于切口的需要使得难以在设备的正面形成齐平的表面，从而减损用户体验并且使制造复杂化。机械按钮的存在也占据宝贵的设备基板面。
发明内容
本公开的实施例提供用于将图像传感器结构与准直器滤光器集成的方法和***，包括用于形成晶片级的准直器滤光器以用于与图像传感器半导体晶片集成的制造方法和相关联的结构。
根据实施例，提供了制作光学生物测量传感器(例如，光学指纹传感器)的方法。该方法典型地包括：在图像传感器晶片上形成准直器滤光器层，其中准直器滤光器层中的多个光准直孔口与图像传感器晶片中的多个光感测元件对准；以及在图像传感器晶片上形成准直器滤光器层之后，将图像传感器晶片分离成多个单独的光学传感器。在某些方面中，形成准直器滤光器层包括在设置在图像传感器晶片的正面上的一个或多个再分布层中形成用于图像传感器晶片的光感测元件的路由电路和多个光准直孔口。在某些方面中，形成多个准直器滤光器层包括将光准直孔口形成到图像传感器晶片的背面中，其中图像传感器晶片的正面包括一个或多个再分布层。在某些方面中，在图像传感器晶片上形成准直器滤光器层包括形成具有多个光准直孔口的准直器滤光器晶片，以及将准直器滤光器晶片附连到图像传感器晶片。
附图说明
下面将基于示例性的图更加详细地描述本发明。本发明不限于示例性的实施例。本文中描述和/或图示的特征在本发明的实施例中可以被独自地使用或者按照不同的组合被组合。此外，通过参考附图来阅读以下具体实施方式，本发明的各种实施例的特征和优点将变得显而易见，所述附图图示以下内容：
图1是根据本公开的实施例的包括光学传感器和处理***的***的示例的框图。
图2图示了根据本公开的实施例的包括光学传感器的移动设备的示例。
图3图示了根据本公开的实施例的具有准直器滤光器层的光学传感器的示例。
图4图示了根据本公开的实施例的光与具有准直器滤光器层的光学传感器相互作用的示例。
图5图示了根据本公开的实施例的准直器滤光器层的可替换的实施例。
图6图示了根据本公开的实施例的对输入对象成像的方法。
图7描绘了根据本公开的图像传感器结构。
图8描绘了根据本公开的另一图像传感器结构。更具体地，图8描绘了正面被照射的CMOS检测器，其具有被蚀刻到RDL层中的准直器滤光器。
图9描绘了根据本公开的另一图像传感器结构。更具体地，图9描绘了正面被照射的CMOS检测器，其具有被蚀刻到RDL层中的准直器滤光器并且具有区分光的角度的光检测器。
图10描绘了根据本公开的另一图像传感器结构。更具体地，图10描绘了CMOS检测器(传感器ASIC)，其具有准直器滤光器并且具有安装到其的第二ASIC(数字ASIC)。
图11描绘了根据本公开的另一图像传感器结构。更具体地，图11描绘了具有TSV基板安装的背面光照的图像传感器
图12描绘了根据本公开的另一图像传感器结构。图1硅准直器滤光器接合到图像传感器
图13A～图13F描绘了根据本公开的实施例的用于形成具有准直器滤光器的图像传感器结构的工艺流程。
图14A～图14B在左边描绘了：具有附连到UV释放胶带的蚀刻掩模的晶片，并且在右边描绘了：未经表面处理的(unfinished)准直器导孔的截面。
图15描绘了将准直器滤光器对准到图像传感器。
图16描绘了接合垫片的顶部上的硅的晶片到晶片接合以及移除(虚线指示划线)。
图17A～图17E描绘了根据本公开的实施例的形成具有准直器滤光器的图像传感器结构的替换方式的另一工艺流程。
图18A～图18H描绘了根据本公开的实施例的形成具有准直器滤光器的图像传感器结构的替换方式的另一工艺流程。
具体实施方式
以下具体实施方式在本质上是示例性的并且不意在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不意图受前面的技术领域、背景技术、发明内容、附图说明或以下具体实施方式中所呈现的任何明示的或暗示的理论束缚。
转至附图，并且如本文中更加详细地描述的那样，本公开的实施例提供了方法和***来光学地对诸如指纹的输入对象成像。特别地，描述了方法和***，其中光学传感器包括用作光调整层的准直器滤光器层，其被***在感测区与图像传感器阵列之间。来自感测区的光由准直器滤光器层过滤，使得反射光束中仅一些光束到达图像传感器阵列中的光学感测元件(也称作“感测像素”或“光感测元件”)。
采用本公开的准直器滤光器层防止模糊，并同时为相较于单纯地基于透镜或基于针孔照相机的成像传感器所能达到的更低剖面(lower profile)的图像传感器(诸如指纹传感器)创造条件。因而，图像传感器可以被制作得薄以用在诸如蜂窝电话的移动设备中。与单纯地基于针孔的成像器相比，通过将更多光传输到光学感测元件，将单独的准直器孔口放置在每一个光学感测元件或元件的群组上方提供更好的敏感性。本公开描述了准直器滤光器层的用途，其使得能够通过护罩层的大范围的厚度进行光学感测。
本公开的实施例还提供用于将图像传感器结构与准直器滤光器集成的方法和***，包括用于形成晶片级的准直器滤光器以用于与图像传感器半导体晶片集成的制造方法和相关联的结构。
图1是根据本公开的实施例的包括光学传感器设备102和处理***104的电子***100的示例的框图。作为示例，图示了在捕捉、存储和验证生物测量匹配尝试的过程中所利用的电子设备100的基本功能部件。处理***104包括(一个或多个)处理器106、存储器108、模板存储部110、操作***(OS)112和功率源114。(一个或多个)处理器106、存储器108、模板存储部110和操作***112中的每一个被物理地、通信地和/或在操作上互连以用于部件间通信。功率源114被互连到各种***部件来在必要时提供电功率。
如所图示的那样，(一个或多个)处理器106配置成实现用于在电子设备100和处理***104内运行的功能性和/或处理指令。例如，(一个或多个)处理器106运行存储在存储器108中的指令或存储在模板存储部110上的指令来识别生物测量对象或确定生物测量认证尝试是成功还是不成功。存储器108配置成在操作过程中存储电子***100内的信息，所述存储器108可以是非瞬态的、计算机可读的存储介质。在一些实施例中，存储器108包括临时存储器，信息在电子设备100被关闭时不会被保存的区域。这样的临时存储器的示例包括易失性存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)以及静态随机存取存储器(SRAM)。存储器108还保存程序指令以用于由(一个或多个)处理器106运行。
模板存储部110包括一个或多个非瞬态计算机可读存储介质。在指纹传感器的上下文中，模板存储部110通常配置成针对用户的指纹存储用于指纹图像的注册视图或存储其它注册信息。更通常地，模板存储部110可以用来存储关于对象的信息。模板存储部110可以还被配置用于信息的长期存储。在一些示例中，模板存储部110包括非易失性存储元件。除了其它元件，非易失性存储元件的非限制性示例包括磁性硬盘、固态驱动器(SSD)、光盘、软盘、闪速存储器或者多种形式的电可编程存储器(EPROM)或电可擦除和可编程(EEPROM)存储器。
处理***104还主控操作***(OS)112。操作***112控制处理***114的部件的操作。例如，操作***112促进(一个或多个)处理器106、存储器108和模板存储部110的相互作用。
根据各种实施例，(一个或多个)处理器106实现硬件和/或软件来获得描述输入对象的图像的数据。(一个或多个)处理器106还可以对准两个图像并且将所对准的图像彼此进行比较来确定是否匹配。(一个或多个)处理器106还可以操作来从一系列较小的部分图像或子图像重构更大的图像，诸如当在生物测量过程期间收集多个部分指纹图像时的指纹图像，所述生物测量过程诸如是用于检验或识别的注册或匹配过程。
处理***104包括功率源114(或一个或多个功率源)来向电子设备100提供功率。功率源114的非限制性示例包括一次性功率源、可再充电功率源和/或从镍镉材料、锂离子材料或其它适合的材料开发的功率源以及依次连接到电源的电源线和/或适配器。
光学传感器102可以被实现为电子***100的物理部分，或者可以与电子***100在物理上分离。视情况而定，光学传感器102可以使用以下中的任何一个或多个来与电子***100的部分通信：总线、网络和其它有线或无线互连件。在一些实施例中，光学传感器102被实现为指纹传感器来捕捉用户的指纹图像。根据本公开，光学传感器102使用光学感测以用于包括对诸如指纹的生物测量成像的对象成像的目的。例如，光学传感器102可以被结合为显示器的一部分或者可以是分立的传感器。
电子***100的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、网页浏览器、电子书阅读器和个人数字助理(PDA)。附加的示例性电子***100包括复合输入设备，诸如物理键盘和分离的操纵杆或按键开关。另外的示例性电子***100包括***设备，诸如数据输入设备(包括遥控器和鼠标)和数据输出设备(包括显示屏和打印机)。其它示例包括远程终端、信息站、视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等等)、通信设备(包括蜂窝电话，诸如智能电话)和媒体设备(包括记录器、编辑器和播放器，诸如电视、机顶盒、音乐播放器、数字相框和数字相机)。
光学传感器102可以向感测区提供光照。来自感测区的在(一个或多个)光照波长中的反射被检测来确定与输入对象对应的输入信息。
光学传感器102可以利用输入对象的直接光照的原理，取决于配置输入对象可能会或可能不会与感测区的感测表面接触。可以使用一个或多个光源和/或光导结构来将光引导到感测区。当存在输入对象时，此光从输入对象的表面被反射，该反射可以由光学感测元件检测并用来确定关于输入对象的信息。
光学传感器102也可以利用内反射的原理来检测与感测表面接触的输入对象。可以使用一个或多个光源来以某一角度引导光导元件中的光，光在所述角度处在感测区的感测表面处被内反射，这是由于由感测表面限定的边缘的相对侧处的折射率不同。由输入对象对感测表面的接触使得折射率跨越此边缘而改变，这更改在感测表面处的内反射特性，从而使得从输入对象被反射的光在其与感测表面接触的部分处较弱。如果使用受抑全内反射(FTIR)的原理来检测输入对象，则常常可以实现较高对比信号。在这样的实施例中，光可以以某一入射角被引导到感测表面，光在所述入射角处被完全地内反射，除了在输入对象与感测表面接触并且使得光部分地传输穿过此界面的位置。此情况的示例是被引入到由玻璃到空气界面限定的输入表面的手指的存在。人类皮肤与空气相比更高的折射率使得在感测表面处的以该界面到空气的临界角入射的光被部分地传输通过手指，其中在其它情况下其会在玻璃到空气界面处被完全地内反射。此光学响应可以由***检测并且用来确定空间信息。在一些实施例中，这可以被用来对小尺度指纹特征成像，其中入射光的内反射率取决于是否有脊或谷与感测表面的该部分接触而不同。
图2图示了诸如移动电话的电子设备116的示例，电子设备116包括显示器120上方的护罩玻璃(或护罩透镜)118。所公开的方法和***可以通过使用显示器120作为光学传感器来对输入对象成像而被实现。可替换地，分离的分立部件122提供光学感测能力。可替换地或附加地，提供光学感测能力的分离的分立部件122可以被定位在显示器120之下。
图3图示了用来对诸如指纹的对象216成像的光学图像传感器设备200的层叠的示例。传感器200包括图像传感器阵列202、设置在图像传感器阵列202之上的光准直器滤光器层或光调整层204、设置在准直器滤光器层204之上的光照层207、光源208和护罩层210。在某些实施例中，也可以提供阻挡层214。
护罩层210保护传感器200的诸如图像传感器阵列202的内部部件。护罩层210可以包括护罩玻璃或护罩透镜，护罩玻璃或护罩透镜除了传感器200之外还保护显示器的内部部件。在护罩层210之上限定用于输入对象的感测区。护罩层210的顶部表面218可以形成感测表面，其提供用于输入对象216(例如，指纹)的接触区域。护罩层210由诸如玻璃、透明聚合物材料等的任何材料制作。
尽管出于说明性的目的在指纹的上下文中总体上进行了描述，但输入对象216是任何要被成像的对象。通常地，对象216会具有各种特征。作为示例，对象216具有脊和谷。由于它们的凸出的本质，脊接触护罩层210的感测表面218。相比之下，谷不接触感测表面218而代替地在输入对象216与感测表面218之间形成气隙。对象216可以具有诸如污点、墨水等的其它特征，其在输入对象216的部分中不造成显著的结构上的不同，但影响其光学性质。本文中所公开的方法和***适合于对输入对象216的这样的结构上的和非结构上的特征成像。
光照层207包括光源208和/或光导元件206，光导元件206将光照引导到感测区以便对输入对象成像。如图3中所示出的那样，光源208将光束或光线212传输到光导元件206中，并且经传输的光通过光导元件206传播。光导元件可以利用全内反射，或者可以包括提取向上到感测区的光的反射表面。光照层中的光中的一些在与输入对象216接触的区域中的感测表面218处可以变为入射的。该入射光转而被反射回到准直器滤光器层204。在所示出的示例中，光源208被设置邻近于光导元件206。然而，将理解的是，光源208可以被定位在传感器200内的任何位置，只要所发射的光到达光导元件206。例如，光源208可以被设置在图像传感器阵列202下面。而且，将理解的是，分离的光导元件206不是必须的。例如，从光源208传输的光可以被直接地传输到护罩层210中，在该情况下护罩层210也充当光导元件。作为另一示例，从光源208传输的光可以被直接地传输到感测区，在该情况下光源208自身充当光照层。
分立的光源也不是必须的。例如，方法和***可预期使用由显示器提供的光或者来自LCD的背光作为适合的光源。由光照层207提供的对对象216成像的光可以处于近红外(NIR)或者可以是可见的。该光可以具有窄带波长、宽带波长或者在若干个带中操作。
图像传感器阵列202检测经过光准直器滤光器层204的光。适合的传感器阵列的示例是互补金属氧化物半导体(CMOS)和电荷耦合设备(CCD)传感器阵列。传感器阵列202包括能够检测入射光的强度的多个单独的光学感测元件。
为了通过较厚的护罩层210实现指纹和指纹尺寸的特征的光学感测，由光准直器滤光器层204调整从指纹反射的光，使得到达图像传感器阵列202中的感测元件的光仅来自传感器元件正上方的输入对象216上的小点。在缺少这样的调整的情况下，来自对象上远离光学感测元件的区的到达感测元件的任何光会促成图像模糊。
为了根据本公开对光进行调整，准直器滤光器层204具有孔口(本文中也称为准直器孔或准直器滤光器孔或准直器导孔或仅仅孔)220的阵列，其中每一个孔口在图像传感器阵列202上的一个或多个光学感测元件的正上方。孔口220使用任何适合的技术来形成，所述适合的技术诸如是激光打孔、蚀刻等等。应当理解的是，本公开的孔口(准直器孔或准直器滤光器孔或准直器导孔或孔)限定了可能不含传导性材料的晶片或基板中的区或孔结构。孔可以由光学透明材料制作，或者它们可以是没有材料的(例如，在其中形成孔的材料中的物理空隙)。
准直器滤光器层204仅使得从输入对象216(例如，手指)反射的以正入射角或接近正入射角到准直器滤光器层204的光线能够经过并且到达图像传感器阵列204的光学感测元件。在一个实施例中，准直器滤光器层204是具有孔220的阵列的不透明层。准直器滤光器层204被层压、堆叠或建立在图像传感器阵列202的正上方。作为示例，准直器滤光器层204可以由以下材料制作：诸如聚碳酸酯、PET或聚酰亚胺的塑料材料、碳黑、无机绝缘材料或金属性材料、硅或SU-8。在某些实施例中，准直器滤光器层204是单片式的。
在图3中还示出了阻挡层214，其可选地被提供为光学传感器200的一部分。阻挡层214是可以被设置在准直器滤光器层204之上的半透明层或不透明层。作为示例，阻挡层可以被设置在护罩层210与光照层207之间，如图3中所示出的那样。可替换地，阻挡层214可以被设置在光照层207与准直器滤光器层204之间。在任何一种情况中，阻挡层214遮蔽传感器200的部件(诸如准直器滤光器层中的孔口)使其避免环境光光照，而仍然使得传感器200能够进行操作。阻挡层214可以包括许多不同的材料或子层。例如，在层厚度小于可见光谱中的光穿透的趋肤深度的情况下，可以使用薄金属层或电子传导层。可替换地，阻挡层214可以包括吸收例如可见光谱中的光的一种染料和/或颜料或若干种染料和/或颜料。作为又一可选方案，阻挡层214可以包括若干个子层或纳米尺寸的特征，其设计成引起与诸如(例如)可见光的一些波长的干涉，以便选择性地吸收或反射不同波长的光。阻挡层214的光吸收剖面可以配制成给出特定外观的颜色、质地或反射性能，由此为与光学传感器200被集成到其中的设备的特定美学匹配或对比创造条件。如果使用可见光照波长，则可以使用半透明层来使得足够的光能够经过阻挡层到感测区，而仍然充分地遮蔽下面的部件。
图4图示了传感器200内的设置在光照层207与图像传感器阵列202之间的准直器滤光器层204以及光的相互作用的更接近的视图。护罩层210的部分226与输入对象216的脊接触，并且由于对象216的谷的存在，护罩层210的部分228与空气接触。图像传感器阵列202包括设置在准直器滤光器层204的孔口或孔220下面的光学感测元件230、232、234和236。
说明性地示出的是在护罩层210处被反射的一系列的光线。例如，光线238在由对象216的脊或谷占据的部分处从护罩层210反射。例如，因为光线238在准直器孔口220之上并且比较接近法线，所以光线238经过准直器滤光器层204中的孔口220并且变为入射到光学感测元件232和236上。然后光学感测元件可以用来测量光的强度并且将所测量的强度转换为输入对象216的图像数据。在另一方面，与法线有较大夹角的光束240和242射到准直器滤光器层204的顶部表面上或者在孔口内的表面(例如，孔口侧壁)处，并且被阻挡以及被防止到达图像传感器阵列202中的光学感测元件。
准直器滤光器层204的有用的量度是孔口或孔220的纵横比。纵横比是准直器滤光器层204中的孔的高度(h)244除以孔直径(d)246。纵横比应当足够大以防止“漫射”光到达每一个准直器孔正下方的光学感测元件。漫射光的示例是从护罩层210的部分228(例如，谷)被反射的光线242，其在缺少准直器滤光器层的情况下将到达脊下面的感测元件。较大的纵横比将接收光锥区限制在较小的角度，从而提高***的光学分辨率。可以使用从准直器滤光器层204到正在被成像的对象(例如，手指)的距离除以手指的所期望的光学分辨率的比率来估计最小纵横比。在一些实施例中，准直器孔口220在形状上是圆柱型的或圆锥型的。准直器孔口220的侧壁可以包括槽或其它结构来防止漫射光从壁反射而到达光学感测元件。由沿着准直器孔的高度(或长度)的平均孔直径来确定有效纵横比。适合的纵横比的示例是在大约3:1到100:1的范围中的比率并且更典型地是在大约5:1到20:1的范围中的比率。
通常期望使准直器孔口220的高度244尽可能薄来为制造准直器滤光器层204并且将其与下面的图像传感器阵列202(诸如CMOS或CCD图像传感器)集成提供最大的灵活性。可以使用小孔口直径246来维持所期望的准直器纵横比。然而，如果使孔口太小(小于被使用的光的波长的数倍)，则由于离开准直器孔口220的光线散射，衍射效应可能促成附加的模糊。这样的衍射效应可以通过将准直器滤光器层204尽可能接近图像传感器阵列202放置而被减轻，理想地比弗琅荷费远场距离(r2/λ，其中r是孔口半径并且λ是光波长)近得多。
通常还期望将准直器滤光器层204与图像传感器阵列202之间的距离最小化来使得到达图像传感器阵列202的光学感测元件的光能够尽可能集中。另外，如果此传感器阵列202到准直器滤光器层204的距离太大，则来自相邻孔的漫射光可能到达特定的光学感测元件，从而促成图像模糊。
如果图像传感器阵列202是CCD或CMOS图像传感器，其中光学感测元件节距(元件之间的距离)可以小于准直器孔节距(孔之间的距离)，则经过单个准直器孔口220的光可以照射多于一个光学感测元件。这样的布置由图4中的光学感测元件234和236示出。在这样的情况下，处理***(图1)可以组合由与给定的准直器孔口对应的所有光学感测元件所记录的光强度。在处理来自图像传感器阵列202的原始数据之后的作为结果的指纹图像可以具有与准直器孔口的阵列对应的分辨率。将指明的是，准直器滤光器层204中的孔口220的布置可能使得传感器阵列202中的一些光学感测元件变为不使用的。不使用的光学感测元件的示例是感测元件240。因为光学感测元件240不在准直器孔下面，所以被反射的光线将在到达光学感测元件240之前被阻挡。例如，在数据被用在图像重构或图像匹配中之前，图像处理可以移除不使用的传感器元件并且适当地缩放图像。
光学传感器200的成像分辨率(以dpi为单位)由准直滤光器层204中的孔口220的分辨率来限定，而节距是每一个孔口之间的距离。在光学传感器200中，准直器滤光器层204中的每一个孔口220与正在被成像的对象216的特征的样本对应，所述样本诸如是来自指纹内的脊或谷的样本。为了使分辨率最大化，采样密度(其等于孔口密度)应当足够大，使得得到所关注的每一个特征的多个样本。因而，例如为了对指纹中的脊成像，由于脊自身的节距约为150到250微米，所以节距可以约为50到100微米。如果期望捕捉更加颗粒状的特征，诸如指纹中的细孔，则诸如25微米的更小的节距将是适当的。相反地，更大的节距可以用来捕捉输入对象的更大的特征。
光学传感器200在准直器滤光器层204与感测表面220之间的宽范围的距离内相似地执行，这是因为只要准直器滤光器层204中的孔的纵横比被选择为支持所期望的光学分辨率，对所反射的光的过滤就通常是不依赖于厚度的。
图5示出了准直器滤光器层204的可替换的实施例。如以上所描述的那样，准直器滤光器层204由光吸收材料制作并且包括孔口220的阵列。在所示出的可替换的实施例中，准直器滤光器层204的顶部表面还包括反射层250。反射层250使得通常将由准直器滤光器层204吸收的光束能够被向上反射回到感测区。让光重定向回到感测区使得被反射的光能够被回收，从而使得被回收的光中的一些可以由要被成像的输入对象反射并且传输通过准直器滤光器层孔口。
包括反射层250可在不要求整个传感器封装中的高水平光照的情况下，通过将漫射光反射回到输入对象216来将光损失最小化。可以使用各种组织化技术来使光吸收准直器滤光器层本体的顶部粗糙化，所述组织化技术包括但不限于喷砂、利用填料涂敷、UV压印或干法蚀刻。此经粗糙化的顶部可以然后用薄层的金属覆盖，这以随机化样式创建多层面的表面。反射层250可以由会反射光的任何适合的材料制作，诸如铝、铬和银等。
所公开的方法和***预期各种方式来将准直器滤光器层204包括到光学传感器200的整个结构中。例如，准直器滤光器层204可以是被层压或堆叠到图像传感器阵列202上的预图案化结构，如图3-图4中总体描绘的那样。下面将更加详细地描述本公开预期可替换的实施例。例如，一个可替换的实施例是要直接地将准直器滤光器层204形成图案或创建到例如CMOS小片或晶片的图像传感器小片或晶片上，如图5中总体描绘的那样。从图7开始描绘另外的示例。下面从图13A-图13F开始描述用于制造光学生物测量传感器的方法的示例，所述光学生物测量传感器包括含有多个光学传感器设备的光学传感器晶片。例如，可以通过微制造来形成晶片级的准直器层。代替将分离的准直器滤光器层204放置在图像传感器阵列202的顶部上，而向图像传感器阵列制造增加后端过程。利用此技术，不需要分离地制造准直器滤光器层。在图像传感器阵列的顶部上，可以首先涂敷具有诸如碳黑的光吸收染料的液体类型的聚合物树脂，然后被固化来形成准直器滤光器层本体。在固化聚合物树脂之后，可以可选地将金属溅射到经固化的树脂顶部上来充当反射性层。可以通过相继地对金属和下面的聚合物层进行光刻和蚀刻来制作孔口图案以创建孔口。作为最终的步骤，金属层可以被粗糙化来创建反射/漫射层。
图6示出了根据本公开的成像的方法600。在步骤602中，使用具有光源和/或光导元件的光照层来照射感测区。如之前所描述的那样，这可以通过以下来进行：使用将光引导到分离的光导元件中的光源，或者将光直接地传输到护罩层中。被传输的光指向护罩层之上的感测区并且从对象向光准直器层反射。
在步骤604中，被反射的光中的一些在准直器滤光器层处被阻挡，而其它光经过准直器滤光器层中的孔口。通常地，以比较接近正入射角到准直器滤光器层的光线将经过孔口，而更远离正入射角的光线将被阻挡。光可以由准直器层的顶部表面、准直器的中间层、准直器的底层或准直器孔口的侧壁阻挡。
在步骤606中，经过准直器滤光器层的光变为入射在光准直器层下面的传感器阵列上的一个或多个光学感测元件上。在其中多于一个感测元件在准直器滤光器层中的特定孔口下面的情况下，在感测元件处所检测的光可以被平均或以其它方式被组合。图像数据可以被调整来计及不在孔口下面的感测元件。
在步骤608中，在图像传感器阵列处所检测的光被处理来形成输入对象的图像或部分图像。这样的处理可以包括，例如，将部分图像缝合在一起、在模板中将各种部分图像彼此相关联和/或作为识别或检验过程的部分将所捕捉的图像数据与之前所存储的图像数据进行比较。
图7-图11描绘了硅图像光学传感器的各种实施例，所述硅图像光学传感器包括实现用作指纹传感器的高性能的特征。这些特征包括以下中的任何项：1)光传感器元件(本文中也称为光学传感器元件或感测像素)之上的准直器滤光器结构来限制传入的光的接收角(以促进通过材料的厚度的精确成像)；2)分散在与光学感测像素相同的层内的非感测设备/电路元件来节省硅的用量；3)光吸收材料/涂层来减少大角度光；4)使用硅穿孔(TSV)来连接图像传感器小片以及促进对背面光照(BSI)取向的使用；5)定位光学感测元件来区分小角度光和大角度光；6)使用两个ASIC来实现特征的模块化。
图7描绘了根据本公开的图像传感器结构。图7中的传感器结构是CMOS光学指纹传感器，其包括：晶片规模的集成准直器滤光器(1)；设置在准直器孔口之间的区域中的(准直器滤光器的阻挡部分后面的)与光感测像素或光学感测元件(5)共面的非感测设备和电路元件(2)；光吸收材料或涂层(3)来减少大角度光；硅穿孔连接(TSV)(4)来促进用于图像传感器的背面光照(BSI)取向；再分布层(6)；以及对大角度(φ)光和小角度(θ)光的图示。
用于创建准直器滤光器的一个可选项是激光打孔出通过黑聚酯薄膜的孔，然后将此薄膜直接放置在CCD图像传感器的像素传感器阵列的顶部上。当利用就位的准直器滤光器来得到图像时，原始图像可能要求大量的重构来将它们转换成用于所期望的应用的已解析的图像。此方法存在一些缺点，这些缺点使其对于实际的消费者指纹传感器来说比较不被期望。例如，将准直器滤光器作为分离的薄膜建立并且将其附连可能会带来许多缺陷(例如，未对准、条带化和/或缺失像素)。如果可以使用晶片级工艺来创建这些滤光器以降低制造成本以及减少缺陷的可能性，则将是有利的。此外，要指明的是，准直器滤光器可以仅将光传输到图像传感器中的像素中的一小部分。例如，针对感测像素1000dpi的设定，可能需要对于每25μm中直径大约10μm的感测区域，或者说可能需要图像传感器的总面积中的大约仅13％。这可能导致对经处理的硅的低效率的使用或者比所期望的更高的硅制造成本。
本公开解决这些问题和其它问题，例如利用图7-图17E的实施例中所含有的特征。要指明的是，为了说明的目的，将针对CMOS图像传感器来描述图像传感器结构。然而，应当理解的是，本公开可应用于其它类型的图像传感器，诸如CCD传感器或传感器阵列。当制造这些传感器时，典型地存在建立在光学光传感器像素层之上的金属再分布层(RDL)。这些层可以被用于，例如，从硅中的光学元件/感测像素的路由。这些金属层在图7和图11中被图示为黑点虚线，以及在图8和图9中被图示为准直器滤光器的阻挡部分中的矩形。图7和图11图示了使用背面照射(BSI)结构的实施例。图8和图9图示了使用正面照射(FSI)结构的实施例。
对于当今的CMOS传感器，存在用于普通图像感测应用的若干构造。一个这样的构造是要形成通过RDL的光导管。在这些“正面照射”(FSI)结构中，由图像传感器检测的光被引入RDL侧上并且通过这些光导管到达传感器。这些光导管具有许多特征，其增强收集尽可能大范围的角度的所有光的能力并且高效率地将光子传送到传感器，包括改进配置为会聚光学元件的微透镜以及光导管的侧壁上的反射。另一构造是背面光照(BSI)构造，其中光从与RDL相对的侧被引入。在这些构造中，RDL如之前那样被建立在正面上，而在此RDL侧上没有光导管。代替地，通过从与RDL相对的背面打薄晶片来从背面曝光图像传感器的感测像素/光学感测元件。
本公开的实施例包括在许多方面中与普通图像传感器不同以促进生物测量特征(例如，指纹)感测的图像传感器结构。如图8和图9中所图示的那样，在本公开的“正面照射”(FSI)构造中，准直器滤光器孔口可以直接通过建立在图像传感器的正面上的再分布层(RDL)形成。要指明的是，这些准直器滤光器与普通图像传感器应用的光导管不同。例如，普通应用的光导管必要试图将所有角度的光向下引导通过RDL来到达传感器，而在此准直器滤光器方式中，增强设计以抑制广角光。这可以通过以下来进行：例如，将吸收材料涂敷到孔的表面上，因此吸收大角度光；创建大的高度与孔直径的比率(参见以上描述的纵横比)；使用去聚焦并且抑制广角光的散射光学元件；以及阻挡任何光通过反射从顶部表面传输到硅中。与此同时提交的标题为“Biometric Sensor with Diverging Optical Element”的美国专利申请序列号[Leydig ref.:722899(150135)]公开了包括散射微透镜元件的详细散射光学元件并且出于所有目的通过引用被并入本文。
如图7和图11中所图示的那样，在BSI构造中，准直器滤光器孔口可以被直接地制造到块状硅中。在图7和图11中，这被示出为对图像传感器晶片的背面的选择性蚀刻来形成准直器孔口，因而仅将像素中的一些曝光到背面而留下图像传感器晶片中的一部分来充当准直器滤光器的光阻挡部分。
要指明的是，图像传感器结构的感测侧(例如，感测区侧)与具有准直器孔口或孔的侧对应。因而，针对图7和图11中的图像传感器结构的(例如，用于指纹输入的)感测区与这些图纸的底部对应，而针对图8和图9中的图像传感器结构的感测区与这些图纸的顶部对应。
如图7中所图示的那样，使用硅穿孔(TSV)的BSI构造可以用来将图像传感器ASIC连接到封装基板(PCB等)。
BSI构造也可以使用TSV来将图像传感器ASIC装配到第二ASIC。此第二ASIC可以含有数字能力，诸如图像处理、加密、指纹匹配能力、存储等。
如图7中所示出的那样，设备和电路(2)可以被加入图像传感器小片/晶片的不被需要用来捕捉传入的光的传感器层。这可以被加入图像传感器的由准直器滤光器阻挡的区域。
还要指明的是，离开准直器滤光器的光可以具有取决于光的进入角的不同的距中心的辐射距离。有用的是，可将每一个孔之下的(一个或多个)像素分开以区分大角度的光与小角度的光，(例如，分别为二极管检测器(2)和二极管检测器(1)，如图9中所示出的那样)。
本公开还描述了利用硅(Si)晶片来制造准直器层的各种附加的方式。作为示例，可以通过将准直器滤光器晶片附连到图像传感器晶片来在晶片级形成这些，如下面所描述的那样。
在图12中示出了示例性的光学图像传感器结构1200，其具有准直器滤光器层1205，所述准直器滤光器层1205具有准直器滤光器孔口或孔的阵列、接合到图像传感器层1210；以及在图13A-图18H中示出了根据某些实施例的用于制造该示例性的光学图像传感器结构1200的通常的过程步骤。图13A-图13F示出了根据实施例的用于制造准直器滤光器层1205的过程1300。在步骤1310(图13A)中，掩模层1302被加到晶片基板1304的经抛光的侧，例如单侧经抛光的硅晶片。掩模层1302包括掩模材料，其应当具有与晶片基板(例如，硅)蚀刻率相比显著更慢的蚀刻率。典型地，使用二氧化硅、SOC(旋涂碳)、金属以及光刻胶材料。在形成掩模层之后，在步骤1320(图13B)中，将掩模层1302图案化来形成限定准直器孔图案的蚀刻掩模1306。如果使用光刻胶(例如，软掩模)，则可以利用传统的光刻工艺来进行图案化，所述传统的光刻工艺诸如旋涂、烘烤、曝光和显影。如果使用其它掩模材料(例如，硬掩模)，则应当将附加的一层光刻胶施加在硬掩模的顶部上来在掩模层中创建图案/孔，所述创建利用传统的光刻工艺，继之以对蚀刻掩模中的经曝光区域的湿法蚀刻或干法蚀刻。
在步骤1330(图13C)中，一旦创建了包括孔图案的蚀刻掩模1306，晶片基板1304的正面(F)就被附连到支承结构13081(例如，UV胶带)并且使用常规的晶片打薄技术从背面(B)打薄。应当基于所期望的准直器滤光器孔尺寸和节距来确定目标厚度。目标厚度(并因此是所期望的准直器孔的长度或深度)通常在大约30μm与大约300μm之间，其中晶片基板的初始厚度大于大约500μm，例如，从大约500μm直到大约1mm或2mm。在晶片打薄之后，晶片基板被从支承结构(例如，UV胶带)移除或分离，并且在步骤1340(图13D)中，晶片基板在背面(B)上被附连到另一支承结构13082(例如，UV胶带)，从而显露蚀刻掩模1306所在的正面(F)。
图14A中示出了变薄的附连到UV胶带13082的晶片基板(被附连的晶片基板)的示例。在步骤1350(图13E)中，被附连的晶片基板被蚀刻以在晶片基板1304中形成准直器滤光器孔或导孔。例如，被附连的晶片基板可以被放置在硅DRIE(深反应离子蚀刻，也称为“波希(Bosch)”过程)设备腔中以经历硅蚀刻来制作孔或导孔。蚀刻器应当被装备来处理UV胶带。一个这样的蚀刻器是来自Plasma-Therm有限责任公司的MicroDie SingulatorTM。来自此DRIE步骤的导孔可以直下地创建(参见图14B，其示出了部分地延伸通过硅基板的经蚀刻的准直器导孔或孔的示例)并且以高纵横比被创建。在蚀刻步骤1350完成之后，在步骤1360(图13F)中，准直器滤光器晶片可以被从支承结构13082分离。然后将被分离的准直器滤光器晶片与图像传感器晶片对准并且附连(例如，黏性接合)到图像传感器晶片来形成具有准直器滤光器层中的多个光准直孔口或孔的光学传感器晶片，所述多个光准直孔口或孔与图像传感器晶片中的多个光感测元件或像素对准。在形成光学传感器晶片之后，图像传感器晶片被分离以形成多个单独的光学图像传感器结构1200(例如，单独的光学生物测量传感器)，其均具有准直器滤光器层中的与多个光感测元件或像素对准的多个光准直孔口或孔。
为了在组装过程中实现准直器滤光器层1305的一致的放置并且避免任何偏斜，期望在有效的感测区域中的图像传感器元件/像素与准直器滤光器孔之间进行对准。也期望良好的对准以使从模块到模块的图像构造过程更加鲁棒和一致。对准标记(或基准标记)应当存在于准直器滤光器晶片和图像传感器晶片二者上。基于图像传感器晶片上的对准标记，当处理准直器晶片时可以创建新的对准标记的集合。在一个实施例中，作为蚀刻掩模图案化步骤1320的一部分和/或在蚀刻步骤1350期间在晶片基板的正面上创建这样的基准标记。晶片接合***具有若干种对准技术，并且根据实施例可以被应用的对准技术之一被称为“基板间”对准，如图15中所示出的那样。(一个或多个)照相机定位在晶片之间并且观测上部晶片的底部上和下部晶片的顶部上的对准标记。当确认两个晶片被对准时，晶片被锁定就位并且准备好用于接合。使用此技术，诸如小片到晶片接合或晶片到晶片接合的3D堆叠成为可能。
在对准完成之后，可以例如使用来自Suss MicroTec、EVG、Ayumi等的晶片接合器来将准直器滤光器晶片附连到图像传感器晶片。热量和压力二者都帮助将晶片接合在一起。存在若干种接合类型(金属、氧化物、共晶、直接的等等)并且黏性接合是有利的，这是由于不使用高温(<200摄氏度)并且对于接合表面的光滑度没有严格的要求。图像传感器晶片被涂敷上黏合剂并且被图案化以仅覆盖图像传感器像素区域的边缘与接合垫片之间的区域。接合垫片在顶部上不应当有任何东西以使引线接合成为可能，除非使用TSV(硅穿孔)来制作图像传感器与下面的PCB之间的连接。
图16示出了用于准直器滤光器晶片和图像传感器的不同的划线1610，其有助于移除图像传感器的接合垫片1618的顶部上的基板材料(例如，硅)。例如，在一个实施例中，形成准直器滤光器晶片包括形成多个划线对1616，其中每一个划线对1616限定其间的准直器滤光器晶片中的移除区1612。图像传感器晶片还包括准直器滤光器晶片的每一个移除区1612之下的一对接合垫片1618。在一个实施例中，分离图像传感器晶片包括例如通过半切切割或通过蚀刻来移除准直器滤光器晶片中每一个划线对1616之间的每一个移除区1616，以由此曝光图像传感器晶片中的每一对接合垫片1618(和划线1620)。分离还包括在每一个接合垫片对的每一个接合垫片1618之间的划线1620处切割图像传感器晶片。如果应用TSV，则可以不需要移除图像传感器划线1620之上的晶片基板材料，并且相同的划线1620可以由准直器滤光器晶片和图像传感器晶片二者共享。
应当指明的是，除了UV载体胶带之外，载体晶片也可以用于机械稳定性以及用来维护跨晶片的精确对齐。同样，对于全晶片-晶片过程，在一个实施例中，使用与用于形成准直器孔的蚀刻剂相同的蚀刻剂来蚀刻单独的按小片的准直器孔基准标记或对准标记。这导致单独的准直器滤光器层(即，每个图像传感器小片一个准直器滤光器层，其中每一个准直器滤光器层具有孔口的阵列)，但是单独的准直器滤光器可以被附连到载体晶片，其在晶片-晶片接合过程中全部可以被接合到图像传感器晶片。
作为可选方法，准直器滤光器晶片可以在蚀刻(例如，硅DRIE步骤)期间被部分地蚀刻，并且打薄可以在接合到图像传感器晶片完成之后发生，如图17A-图17E的过程1700中所图示的那样。此可选的方法将从之前描述的过程中消除一个支承结构(例如，UV胶带)接合步骤。在步骤1710(图17A)中，掩模层1702被加到晶片基板1704的经抛光的侧，例如单侧经抛光的硅晶片。掩模层1702包括掩模材料，其应当具有与晶片基板(例如，硅)蚀刻率相比显著更慢的蚀刻率。典型地，使用二氧化硅、SOC(旋涂碳)、金属以及光刻胶材料。在形成掩模层之后，在步骤1720(图17B)中，将掩模层1702图案化来形成限定准直器孔图案的蚀刻掩模1706。如果使用光刻胶(例如，软掩模)，则可以利用传统的光刻工艺来进行图案化，所述传统的光刻工艺诸如为旋涂、烘烤、曝光和显影。如果使用其它掩模材料(例如，硬掩模)，则应当将附加的一层光刻胶施加在硬掩模的顶部上来创建图案/孔，所述创建利用传统的光刻工艺，继之以对蚀刻掩模中的经曝光区域的湿法蚀刻或干法蚀刻。
一旦创建了包括孔图案的蚀刻掩模1706，晶片基板1704的背面(B)就被附连到支承结构1708，例如，UV胶带，(被附连的晶片基板)。在某些实施例中，(例如，取决于所使用的蚀刻器工具)不需要并且不使用支承结构1708。在步骤1730(图17C)中，部分地蚀刻晶片基板(例如，被附连的晶片基板)来形成准直器滤光器孔或导孔，其部分地延伸通过晶片基板1704到小于基板晶片的厚度的目标深度。例如，晶片基板可以被放置在硅DRIE(深反应离子蚀刻，也称为“波希(Bosch)”过程)设备腔中以经历硅蚀刻来制作部分孔或导孔。例如，如果晶片基板被附连到UV胶带，则蚀刻器应当被装备来处理UV胶带。一个这样的蚀刻器是来自Plasma-Therm有限责任公司的MicroDie SingulatorTM。应当基于所期望的准直器滤光器孔尺寸和节距来确定目标厚度。在一个实施例中，要形成的所期望的准直器孔的长度或深度在大约30μm与大约300μm之间，因此部分地经蚀刻的准直器孔的目标深度应当至少与要形成的所期望的准直器孔的长度或深度相同或者比其更大。晶片基板的初始厚度大于大约500μm，例如，从大约500μm直到大约1mm或2mm。
在蚀刻完成之后，部分地经蚀刻的晶片基板被从支承结构1708分离。在步骤1740(图17D)中，将晶片基板的正面(包括部分地经蚀刻的准直器孔)与图像传感器晶片对准并且附连(例如，黏性接合)到图像传感器晶片。以上讨论了对准技术和接合技术的示例。掩模层1706可以在接合到图像传感器晶片之前被保持或被移除。在步骤1750(图17E)中，使用常规的晶片打薄技术来使背面(B)变薄以曝光多个部分地经蚀刻的孔或导孔来在图像传感器晶片上形成准直器滤光器层，其中经曝光的孔或导孔对应于多个光准直孔口或孔。作为结果的晶片结构可以被分离以产生多个光学生物测量传感器设备，所述晶片结构包括图像传感器晶片上的准直器滤光器层。
图18A-图18H描绘了根据实施例的形成具有准直器滤光器层的图像传感器晶片结构的另一过程1800。在步骤1810(图18A)中，晶片基板被接合到载体晶片或载体基板，然后在步骤1820(图18B)中被打薄到所期望的厚度。载体晶片提供附加的结构上的支承来增强基板晶片(例如，较薄的晶片)使用各种晶片处理工具的处理能力。在步骤1830(图18C)中，掩模层被加到晶片基板的经曝光侧。掩模层包括掩模材料，其应当具有与晶片基板(例如，硅)蚀刻率相比显著更慢的蚀刻率。典型地，使用二氧化硅、SOC(旋涂碳)、金属以及光刻胶材料。在形成掩模层之后，在步骤1840(图18D)中，将掩模层图案化来形成限定准直器孔图案的蚀刻掩模。如果使用光刻胶(例如，软掩模)，则可以利用传统的光刻工艺来进行图案化，所述传统的光刻工艺诸如是旋涂、烘烤、曝光和显影。如果使用其它掩模材料(例如，硬掩模)，则应当将附加的一层光刻胶施加在硬掩模的顶部上来创建图案/孔，所述创建利用传统的光刻工艺，继之以对蚀刻掩模中的经曝光区域的湿法蚀刻或干法蚀刻。
在步骤1850(图18E)中，通过完全通过的晶片基板蚀刻来形成准直器孔。另外，在一个实施例中，在此蚀刻步骤期间可以实现单独的准直器小片结构的切割。在可选步骤1860(图18F)中，例如硬掩模的掩模可以使用常规的技术被移除。在这之后，在步骤1870(图18G)中，使用如以上所讨论的晶片到晶片接合过程将包括经蚀刻的准直器孔的晶片基板接合到图像传感器晶片，例如，CMOS晶片。在步骤1880(图18H)中，将载体晶片从(准直器)晶片基板释放以显露精确地接合到图像传感器(例如CMOS图像传感器)的单独的准直器。
虽然本发明在指纹图像感测的上下文中描述了光学对象成像，但是方法和***也可以用来对其它对象成像。例如，可以通过将手直接地放置在护罩层上来获取手掌或手的高分辨率图像。对非生物测量对象的成像也在本公开的范围内。
应当理解的是，如本文中所使用的那样，在准直器滤光器孔或孔结构的文本中的术语“准直器”不暗示进入准直器滤光器孔的光线被主动地准直(例如，使平行)。例如，准直器滤光器孔通常使得进入的光线能够在没有偏离或变更的情况下经过(除非光线与准直器滤光器孔的侧壁相互作用，在此情况下，取决于侧壁的特性，光线可以部分地或整体地被反射或吸收)。还应当理解的是，其它半导体材料或半导体晶片(例如，GaAs或其它半导体材料晶片)或玻璃或塑料材料或晶片可以替代本文中所描述的材料和晶片，而不背离本公开的范围。
本文中所引用的包括出版物、专利申请和专利在内的所有参考文献通过引用被特此并入，达到如同每一篇参考文献被单独地并且具体地指示来通过引用被并入并且在本文中作为一个整体被阐述相同的程度。
在描述本发明的上下文中(特别是在以下的权利要求书的上下文中)的术语“一”、“一个”、“所述”和“至少一个”以及类似的指示物的用途是要被解释为包含单数和复数二者，除非本文中另有说明或者根据上下文明显矛盾。使用后面有一系列的一个或多个项目的术语“至少一个”(例如，“A和B中的至少一个”)应被解释为意味着从所列出的项目中所选择的一个项目(A或B)或者所列出的项目中的两个或更多的任何组合(A和B)，除非本文中另有说明或者根据上下文明显矛盾。除非另有说明，术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”是要被解释为开放性术语(即，意味着“包括但不限于”)。除非本文中另有说明，本文中值的范围的记载仅仅意在充当单独地表示落入范围内的每一个分离的值的速记方法，并且每一个分离的值被并入到说明书中，如同其在本文中被单独地记载。
本文中描述的所有方法可以按照任何适合的顺序执行，除非本文中另有说明或者另外根据上下文明显矛盾。除非另有声明，本文中所提供的任何的以及所有的示例或示例性的语言(例如，“诸如”)的用途仅仅意在更好地说明本发明而不对本发明的范围造成限制。说明书中的语言不应被解释为指示了作为实施本发明所必需的任何未声明的元件。
本文中描述了本发明的优选的实施例，包括为发明人所知的用于执行本发明的最佳方式。当阅读前面的描述时，对于本领域普通技术人员来说，那些优选的实施例的变型可能变得显而易见。发明人期望技术人员视情况而定采用这样的变型，并且发明人意在本发明除了如本文中所具体描述的那样被实践。因此，本发明包括对其所附的权利要求书中所记载的主题的所有修改和等同，如适用的法律所准许的那样。而且，本发明涵盖上述元件在其所有可能的变型中的任何组合，除非本文中另有说明或者另外根据上下文明显矛盾。

Claims (34)

1.一种制作光学生物测量传感器的方法，包括：
在图像传感器晶片上形成准直器滤光器层，其中所述准直器滤光器层中的多个光准直孔口与所述图像传感器晶片中的多个光感测元件对准；以及
在所述图像传感器晶片上形成所述准直器滤光器层之后，将所述图像传感器晶片分离成多个单独的光学传感器，
其中所述形成所述准直器滤光器层包括在所述图像传感器晶片的正面上设置的一或多个再分布层中形成用于所述图像传感器晶片的光感测元件的所述多个光准直孔口和路由电路，且其中每一个光准直孔口的深度与所述每一个光准直孔口的直径的纵横比在 3:1到100:1 的范围中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述多个光准直孔口包括在所述一或多个再分布层中的所述光准直孔口的侧壁上涂敷光吸收材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述多个光准直孔口包括蚀刻所述图像传感器晶片的所述正面中的被选择的部分。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述在所述图像传感器晶片上形成所述准直器滤光器层包括：
形成具有所述多个光准直孔口的准直器滤光器晶片；以及
将所述准直器滤光器晶片附连到所述图像传感器晶片。
5.根据权利要求4所述的方法，其中形成所述准直器滤光器晶片包括：
提供具有背面和与所述背面相对的经抛光的正面的晶片基板，所述晶片基板具有初始厚度；
在所述经抛光的正面上形成图案化的掩模层，所述图案化的掩模层具有曝光所述晶片基板的所述正面的多个曝光孔；
从所述背面打薄所述晶片基板到小于所述初始厚度的目标厚度；以及
蚀刻所述晶片基板的所述正面来形成与所述图案化的掩模层中的所述多个曝光孔对应的所述多个光准直孔口，所述光准直孔口中的每一个整体地延伸通过所述晶片基板的所述目标厚度。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
在打薄所述晶片之前将第一支承结构附连到所述经抛光的正面；
在打薄所述晶片之后将所述第一支承结构从所述正面分离；
在蚀刻所述正面之前将第二支承结构附连到所述背面；以及
在所述蚀刻所述正面之后将所述第二支承结构从所述背面分离。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一支承结构和所述第二支承结构均包括UV胶带。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述初始厚度大于500μm，并且所述目标厚度在30μm与300μm之间。
9.根据权利要求5所述的方法，还包括在所述蚀刻所述晶片基板的所述正面期间或者在形成所述图案化的掩模层期间，在所述晶片基板的所述正面上创建基准对准标记。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述将所述准直器滤光器晶片附连到所述图像传感器晶片包括：
将所述晶片基板的所述正面上的所述基准对准标记与所述图像传感器晶片上的基准标记对准；以及
将所述准直器滤光器晶片接合到所述图像传感器晶片。
11.根据权利要求5所述的方法，其中形成所述图案化的掩模层包括在所述经抛光的正面上形成掩模材料层以及图案化所述掩模材料层来形成具有所述多个曝光孔的所述图案化的掩模层。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述掩模材料层包括光刻胶材料。
13.根据权利要求4所述的方法，其中形成所述准直器滤光器晶片包括形成多个划线对，每一个划线对限定所述准直器滤光器晶片中的其间的移除区，其中所述图像传感器晶片包括在所述准直器滤光器晶片的所述移除区之下的接合垫片对。
14.根据权利要求13所述的方法，其中分离所述图像传感器晶片还包括通过半切切割或通过蚀刻来移除所述准直器滤光器晶片中每一个划线对之间的每一个移除区以由此曝光所述图像传感器晶片中的每一个接合垫片对。
15.根据权利要求14所述的方法，其中分离还包括切割每一个接合垫片对中的每一个接合垫片之间的所述图像传感器晶片。
16.根据权利要求4所述的方法，
其中形成所述准直器滤光器晶片包括：
将晶片基板的背面附连到支承结构，所述晶片基板具有所述背面和与所述背面相对的正面，所述晶片基板具有初始厚度；
从所述正面打薄所述晶片基板到小于所述初始厚度的目标厚度；
在所述正面上形成图案化的掩模层，所述掩模层具有多个曝光孔，通过所述多个曝光孔曝光所述正面；以及
通过所述多个曝光孔蚀刻所述正面来形成所述多个光准直孔口，每一个所述光准直孔口整体地延伸通过所述晶片基板的所述目标厚度；并且
其中所述将所述准直器滤光器晶片附连到所述图像传感器晶片包括：
将经蚀刻的晶片基板的所述正面附连到所述图像传感器晶片；以及
从所述晶片基板移除所述支承结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述支承结构包括UV胶带或载体晶片。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述移除所述支承结构在所述附连之后发生。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述初始厚度大于500μm，并且所述目标厚度在30μm与300μm之间。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括在将所述经蚀刻的晶片基板的所述正面附连到所述图像传感器晶片之前以及在移除所述支承结构之前切割经蚀刻的晶片。
21.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述蚀刻所述正面期间切割所述晶片基板。
22.根据权利要求4所述的方法，其中所述准直器滤光器晶片的厚度与所述光准直孔口中的每一个的平均直径的纵横比在3:1到30:1的范围中。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述在所述图像传感器晶片上形成所述准直器滤光器层包括：
提供具有背面和与所述背面相对的经抛光的正面的晶片基板，所述晶片基板具有初始厚度；
在所述经抛光的正面上形成图案化的掩模层，所述图案化的掩模层具有多个曝光孔，通过所述多个曝光孔曝光所述正面；
蚀刻所述正面来形成通过所述曝光孔的多个导孔，所述多个导孔中的每一个不含传导性材料并且部分地延伸到所述晶片基板中到小于所述初始厚度的目标深度；
将所述经蚀刻的晶片基板的所述正面附连到所述图像传感器晶片；以及
从所述背面打薄所述经蚀刻的晶片基板到目标厚度来曝光所述多个导孔，其中经曝光的所述多个导孔与多个光准直孔口对应。
24.根据权利要求23所述的方法，还包括：
在蚀刻之前将支承结构附连到所述晶片基板的所述背面；以及
在所述打薄之前从所述背面移除所述支承结构。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述支承结构包括UV胶带。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述初始厚度大于500μm，并且所述目标厚度在30μm与300μm之间。
27.根据权利要求23所述的方法，其中所述目标厚度与所述光准直孔口中的每一个的平均直径的纵横比在3:1到30:1的范围中。
28.根据权利要求1所述的方法，其中每一个光准直孔口的深度与所述光准直孔口中的每一个的直径的纵横比在12:1到30:1的范围中。
29.根据权利要求1所述的方法，还包括使用多个硅穿孔(TSV)连接来将第二电路晶片附连到所述图像传感器晶片的所述正面。
30.一种光学传感器晶片，其具有用于生物测量感测的多个光传感器设备，包括：
包括光传感器设备的阵列的图像传感器晶片；以及
设置在所述图像传感器晶片上的准直器滤光器层，所述准直器滤光器层包括光准直滤光器元件的阵列，其中所述光准直滤光器元件的阵列与所述光传感器设备的阵列对准,
其中用于所述图像传感器晶片的光感测元件的所述光准直滤光器元件的所述阵列和非感测电路形成在所述图像传感器晶片的正面上设置的一或多个再分布层中，其中每一个光准直滤光器元件包括多个光准直孔口，且每一个光准直孔口的深度与所述每一个光准直孔口的直径的纵横比在 3:1 到 100:1 的范围中。
31.根据权利要求30所述的光学传感器晶片，其中每一个光传感器设备包括对应的多个光感测元件。
32.根据权利要求31所述的光学传感器晶片，
其中每一个准直滤光器元件包括设置在所述光准直孔口之间的光阻挡部分；
其中每一个光传感器设备包括设置在所述对应的多个光准直孔口之下的多个光学感测元件以及设置在对应的所述光阻挡部分之下的非感测电路。
33.根据权利要求30所述的光学传感器晶片，其中所述准直器滤光器层包括多个划线对，每一个划线对限定准直器滤光器晶片中的其间的移除区，其中所述图像传感器晶片包括用于所述多个光学传感器中的每一个的所述准直器滤光器晶片的所述移除区之下的接合垫片对。
34.根据权利要求30所述的光学传感器晶片，其中所述图像传感器晶片包括形成在其上的多个硅穿孔(TSV)。
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