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QUERVERWEIS
AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der am 15. Juli 2004 eingereichten
koreanischen Anmeldung Nr. P2004-55107, deren Inhalt hiermit in
vollem Umfang einbezogen wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Bildsensor und insbesondere
auf einen CMOS-(Komplementär-Metalloxidhalbleiter)-Bildsensor
und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung, zur Steigerung der
Effizienz des Lichtsammelns durch Ausbildung einer mehrschichtigen
Mikrolinse aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Brechzahl.
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Erörterung des Stand der technik
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Im
allgemeinen ist ein Bildsensor eine Halbleitervorrichtung, die optische
Bilder in elektrische Signale umwandelt. Bildsensoren lassen sich
grob in ladungsgekoppelte Bauelemente (CCD) und Komplementär-Metalloxidhalbleiter-(CMOS)-Bildsensoren
unterteilen.
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Der
CMOS-Bildsensor ist mit einer Photodiode PD zur Lichtabtastung und
einer CMOS-Logikschaltung
zur Umwandlung des erfaßten
Lichtes in Daten elektrischer Signale versehen. Dabei verbessert
sich mit zunehmender Menge an erfaßtem Licht die Photoempfindlichkeit
des Bildsensors.
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Zur
Verbesserung der Photoempfindlichkeit ist es erforderlich, einen
Füllfaktor
der Belegung eines Photodiodenbereichs in einem Gesamtbereich des
Bildsensors zu erhöhen
oder das Licht zur Photodiode hin zu sammeln, indem der Lichtweg
des auf die übrigen
Bereiche, außerhalb
der Photodiode, einfallenden Lichtes verändert wird.
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Zum
Sammeln des Lichtes kann beispielsweise eine Mikrolinse vorgesehen
sein. D. h., über der
Photodiode ist eine konvexe Mikrolinse vorgesehen, die aus einem
stark transmittierenden Material gebildet ist. Dabei wird das einfallende
Licht durch die konvexe Mikrolinse gebrochen, wodurch der Photodiode
mehr Licht zugeführt
werden kann. In diesem Fall wird das Licht parallel zu einer optischen
Achse der Mikrolinse von der Mikrolinse so gebrochen, daß an einem
vorbestimmten Punkt der optischen Achse ein Fokus gebildet wird.
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Nachfolgend
werden ein bekannter CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zur Herstellung einer
Mikrolinse in diesem anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine schematische
Darstellung einer bekannten Mikrolinse eines CMOS-Bildsensors.
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Wie 1 zeigt, umfaßt ein bekannter CMOS-Bildsensor
Photodiodenbereiche 11, eine isolierende Zwischenschicht 12,
eine Schutzschicht 13, eine R/G/B-Farbfilterschicht 14,
eine Deckschicht 15 und eine konvexe Mikrolinse 16.
Dabei wird mindestens ein Photodiodenbereich 11 auf einem
(nicht gezeigten) Halbleitersubstrat gebildet, um je nach Menge
des einfallenden Lichtes elektrische Ladungen zu erzeugen. Zudem
werden die isolierende Zwischenschicht 12 auf einer gesamten
Oberfläche
des (nicht gezeigten) Halbleitersubstrates, einschließlich der Photodiodenbereiche 11,
und die Schutzschicht 13 auf der isolierenden Zwischenschicht 12 gebildet. Dann
wird auf der Schutzschicht 13 die R/G/B-Farbfilterschicht 14 gebildet,
die Licht entsprechender Wellenlängen
transmittiert, und auf der R/G/B-Farbfilterschicht 14 wird
die Deckschicht 15 erzeugt. Auf der Deckschicht 15 ist
die konvexe Mikrolinse 16 mit einer vorbestimmten Krümmung vorgesehen,
um das durch die R/G/B-Farbfilterschicht 14 zu den Photodiodenbereichen 11 hindurchtretende
Licht zu sammeln.
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In
der isolierenden Zwischenschicht 12, ist, wenngleich dies
nicht gezeigt ist, eine optische Abschirmschicht vorgesehen, die
einen Lichteinfall auf die übrigen
Bereiche, bis auf die Photodiodenbereiche 11, verhindert.
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Dabei
kann an Stelle der Photodiode ein Photo-Gate vorgesehen werden.
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Die
Krümmung
und Höhe
(,A' in 1) der konvexen Mikrolinse 16 werden
unter entsprechender Berücksichtigung
des Fokus des gesammelten Lichtes bestimmt. Zudem ist die Mikrolinse 16 meist aus
einem polymerartigen Harz gebildet, das in einem Verfahren mit einer
Abfolge von Abscheiden, Strukturieren und Aufschmelzen ausgebildet
ist. D. h., die optimale Größe, Krümmung und
Dicke der Mikrolinse 16 werden unter entsprechender Berücksichtigung
der Lage und Form eines Pixeleinheitbereichs, der Dicke einer photoempfindlichen
Vorrichtung und der Höhe,
Lage und Größe der optischen Abschirmschicht
bestimmt.
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Bei
der Herstellung des bekannten CMOS-Bildsensors ist die Mikrolinse 16 ein
sehr wichtiges Bauteil, das die Effizienz des Lichtsammelns verbessert.
Die Mikrolinse 16 ist dazu vorgesehen, mehr Licht durch
die Farbfilterschicht 14 auf den Photodiodenbereich 11 zu
konzentrieren, wenn Umgebungslicht eingestrahlt wird.
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Das
auf den Bildsensor fallende Licht wird durch die Mikrolinse 16 gesammelt
und dann durch die Farbfilterschicht gefiltert. Danach fällt das
gefilterte Licht auf den unter der Farbfilterschicht 14 vorgesehenen
Photodiodenbereich 11. Dabei verhindert die optische Abschirmschicht,
daß das
einfallende Licht den Pfad verläßt.
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Die
Mikrolinse des bekannten CMOS-Bildsensors hat jedoch die folgenden
Nachteile:
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Das
parallel zur optischen Achse der Mikrolinse laufende Licht wird
gebrochen und zur der Mikrolinse gegenüberliegenden photoempfindlichen Vorrichtung
transmittiert, womit die Vorrichtung arbeitet. Das Licht, das nicht-parallel
zur optischen Achse der Mikrolinse läuft, wird jedoch gebrochen
und zu einer photoempfindlichen Vorrichtung transmittiert, die kein
Licht empfangen soll, wodurch die Vorrichtung fehlerhaft arbeitet.
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Zudem
schwankt die Menge des zur photoempfindlichen Vorrichtung transmittierten
Lichtes je nach Art und Dicke der unter der Mikrolinse angeordneten
unteren Schicht, wodurch die Effizienz des Lichtsammelns sinkt und
sich damit die Bildqualität verschlechtert.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf einen CMOS-Bildsensor
und ein Verfahren zu dessen Herstellung, der/das eines oder mehrere durch
Beschränkungen
und Nachteile des nächsten Standes
der Technik bedingte Probleme im wesentlichen beseitigt.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen CMOS-Bildsensor und
ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, um die Effizienz
des Lichtsammelns durch Ausbildung einer mehrschichtigen Mikrolinse
aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher Brechzahl zu
steigern.
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Zusätzliche
Vorteile, Ziele und Merkmale der Erfindung sind teils in der nachfolgenden
Beschreibung erörtert
und ergeben sich für
den Durchschnittsfachmann teils beim Studium der nachfolgenden Beschreibung
oder bei der Ausführung
der Erfindung. Diese Ziele und weitere Vorteile der Erfindung können durch
die insbesondere in der vorliegenden schriftlichen Beschreibung
und den Ansprüchen
sowie in den beigefügten
Zeichnungen dargelegte Struktur verwirklicht und erreicht werden.
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Um
diese Ziele und andere Vorteile zu erreichen, und gemäß dem Zweck
der Erfindung, wie sie hier ausgeführt und allgemein beschrieben
ist, umfaßt
ein CMOS-Bildsensor mehrere photoempfindliche Vorrichtungen auf
einem Halbleitersubstrat, eine isolierende Zwischenschicht auf den
mehreren photoempfindlichen Vorrichtungen, mehrere Farbfilterschichten,
die den jeweiligen photoempfindlichen Vorrichtungen zugeordnet sind,
um das Licht je nach Wellenlänge
zu filtern, eine erste Mikrolinsenschicht auf einer gesamten Oberfläche der
Farbfilterschichten, um Licht zu sammeln, und mehrere zweite Mikrolinsenschichten
auf der ersten Mikrolinsenschicht, die den jeweiligen photoempfindlichen
Vorrichtungen zugeordnet sind, wobei die zweite Mikrolinsenschicht eine
andere Brechzahl als die erste Mikrolinsenschicht aufweist.
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Gemäß einem
anderen Aspekt umfaßt
ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors Schritte, bei
denen man eine isolierende Zwischenschicht auf einem mehrere photoempfindliche
Vorrichtungen aufweisenden Halbleitersubstrat ausbildet, auf der
isolierenden Zwischenschicht den jeweiligen photoempfindlichen Vorrichtungen
zugeordnete Farbfilterschichten erzeugt, auf den Farbfilterschichten
eine erste Mikrolinsenschicht ausbildet, und auf der ersten Mikrolinsenschicht
eine zweite Mikrolinsenschicht erzeugt.
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Es
versteht sich, daß sowohl
die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende
detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung beispielhaft
und erläuternd
sind und zur näheren
Erläuterung
der beanspruchten Erfindung dienen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beigefügten
Zeichnungen, die dazu dienen, die Erfindung noch verständlicher
zu machen, und in diese Anmeldung aufgenommen sowie Teil derselben
sind, zeigen Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Prinzips.
In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
Mikrolinse eines bekannten CMOS-Bildsensors,
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2 den
Lichtpfad, der von Änderungen der
unterschiedlichen Brechzahlen auf dem Medium abhängt,
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3 einen
CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung und
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4A bis 4C Querschnittdarstellungen
des Verfahrens zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors gemäß der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nun
wird näher
auf die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eingegangen, die anhand von Beispielen
in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind. In den Zeichnungen sind, soweit möglich, durchgehend
die gleichen Bezugszeichen zur Kennzeichnung gleicher oder ähnlicher
Teile verwendet.
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Nachfolgend
werden ein CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
gemäß der vorliegenden
Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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2 zeigt
den Lichtpfad, der von Änderungen
der unterschiedlichen Brechzahlen auf dem Medium abhängt. Wie 2 zeigt,
führt das
Aufbringen von Materialschichten mit unterschiedlicher Brechzahl
zur Lichtbrechung. Es sei davon ausgegangen, daß eine Materialschicht mit
einer ersten Brechzahl auf eine andere Materialschicht mit einer
zweiten Brechzahl aufgebracht wird, wobei die erste Brechzahl niedriger
als die zweite Brechzahl ist. Dann verringert sich der Transmissionswinkel,
wenn das Licht von der Materialschicht niedriger Brechzahl auf die Materialschicht
mit hoher Brechzahl fällt.
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Unter
der Annahme, daß eine
zweite Mikrolinsenschicht eine erste Brechzahl (n1), eine erste Mikrolinsenschicht
eine zweite Brechzahl (n2; n2 > n1)
und eine Farbfilterschicht eine dritte Brechzahl (n3; n3 > n2) aufweist, ändert sich
der Transmissionswinkel des Lichtes gemäß 2 in der
Reihenfolge θ1 > θ2 > θ3.
Dies bedeutet, daß das
Licht zur Mittelachse hin gesammelt wird.
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Nachfolgend
werden ein CMOS-Bildsensor und ein Verfahren zu dessen Herstellung
gemäß der vorliegenden
Erfindung wie folgt beschrieben: 3 zeigt
einen CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung. 4A bis 4C zeigen
Querschnittdarstellungen des Verfahrens zur Herstellung eines CMOS-Bildsensors
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Zunächst umfaßt der CMOS-Bildsensor
beispielsweise mehrere photoempfindliche Vorrichtungen, z. B. Photodioden 31,
die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, eine isolierende
Zwischenschicht 32, eine Schutzschicht 33, Farbfilterschichten 34,
eine Deckschicht 35, eine erste Mikrolinsenschicht 36 und
zweite Mikrolinsenschichten 37. Dabei werden die isolierende
Zwischenschicht 32 auf den Photodioden 32 und
die Schutzschicht 33 auf der isolierenden Zwischenschicht 32 gebildet.
Zudem werden auf der Schutzschicht 33 den Photodioden 31 zugeordnete
Farbfilterschichten 34 erzeugt, um die Photodioden 31 mit
dem gefilterten Licht bestimmter Wellenlängen zu beaufschlagen. Danach
wird die Deckschicht 35 gebildet, um eine ebene Oberfläche der
Farbfilterschichten 34 zu erzeugen. Die erste Mikrolinsenschicht 36 wird
auf einer gesamten Oberfläche
der Deckschicht 35 auf den Farbfilterschichten 34 erzeugt.
Auf der ersten Mikrolinsenschicht 36 werden den jeweiligen
Photodioden 31 zugeordnete, zweite Mikrolinsenschichten 37 ausgebildet,
die eine andere Brechzahl als die erste Mikrolinsenschicht aufweisen,
um das Licht zu sammeln.
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Bezeichnet
man die Brechzahl der Farbfilterschichten 34 hier mit ,n3', die Brechzahl der
ersten Mikrolinsenschicht 36 mit ,n2' und die Brechzahl der zweiten Mikrolinsenschichten 37 mit
,n1', gilt für die Brechzahlen
n3 > n2 > n1.
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Die
zweiten Mikrolinsenschichten 37 sind in Form einer konvexen
Halbkugel ausgebildet, während
die erste Mikrolinsenschicht 36 auf der gesamten Oberfläche der
Deckschicht 35 flach ausgeformt ist. Zudem sind die zweiten
Mikrolinsenschichten 37 durch einen Photolack und die erste
Mikrolinsenschicht 36 durch eine Oxidschicht, z. B. TEOS
(Tetraethylorthosilikat), gebildet.
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Beim
CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung sind die Farbfilterschichten 34, die erste Mikrolinsenschicht 36 und
die zweiten Mikrolinsenschichten 37 aus unterschiedlichen
Materialien mit unterschiedlicher Brechzahl gebildet, wodurch das
auf die Photodioden 31 fallende Licht dreimal gebrochen
und somit die Effizienz des Lichtsammelns verbessert wird.
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Die
Gesamtdicke der ersten Mikrolinsenschicht 36 und der zweiten
Mikrolinsenschichten 37 kann gleich der Dicke ,A' in 1 (A
= B) oder kleiner als die Dicke ,A' in 1 (A > B) sein, da die Brennweite
durch Verbesserung der Lichtsammeleffizienz gesteuert werden kann,
obwohl die Dicke der Mikrolinsenschicht abnimmt.
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung des CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben:
Beim Verfahren zur Herstellung der Mikrolinse
auf der Oberfläche
der Halbleitervorrichtung des CMOS-Bildsensors wird zuerst, d.h.
vor Ausbildung der halbkugelförmigen
Mikrolinse und nach dem Vorgang zur Erzeugung der Farbfilterschicht
und nach dem Planarisierungsvorgang, die Materialschicht mit der
höheren
Brechzahl als der Photolack zur Ausbildung der halbkugelförmigen Mikrolinse,
z. B. die Oxidschicht, gebildet, und dann wird die halbkugelförmige Mikrolinse
erzeugt.
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Dabei
können
die ersten und zweiten Mikrolinsenschichten 36 und 37 jeweils
durch die Oxidschicht bzw. den Photolack gebildet sein. Alternativ können die
ersten und zweiten Mikrolinsenschichten 36 und 37 durch
die Oxidschichten mit unterschiedlicher Brechzahl oder durch Photolack
mit unterschiedlicher Brechzahl gebildet sein.
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Beim
in 4A gezeigten Herstellverfahren werden zunächst die
mehreren photoempfindlichen Vorrichtungen, z. B. die Photodioden 31,
auf dem Halbleitersubstrat und auf diesen dann die isolierende Zwischenschicht
gebildet. Dabei kann die isolierende Zwischenschicht 32 einen
mehrlagigen Aufbau haben. Wenngleich dies nicht gezeigt ist, kann
nach Erzeugen einer einlagigen Zwischenschicht eine optische Abschirmschicht
gebildet werden, um die Beaufschlagung der übrigen Teile, außer den
Photodioden 31, mit Licht zu verhindern, und dann kann
darauf die zusätzliche
isolierende Zwischenschicht erzeugt werden.
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Anschließend wird
die Schutzschicht 33 auf der isolierenden Zwischenschicht 32 eben
ausgebildet, um die Vorrichtung vor Feuchtigkeit und Kratzern zu
schützen.
Danach werden auf der Schutzschicht 33 die Farbfilterschichten 34 gebildet,
die das Licht je nach Wellenlänge
filtern. Zu diesem Zeitpunkt werden die Farbfilterschichten 34 durch
den Beschichtungs- und Strukturierungsprozeß aus dem färbbaren Photolack gebildet.
Danach wird die Deckschicht 35 auf den Farbfilterschichten 33 ausgebildet,
um die ebene Oberfläche
der Farbfilterschichten 34 zur Steuerung der Brennweite
und zur Ausbildung der Mikrolinsenschichten zu erhalten.
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Wie 4B zeigt,
wird dann der Photolack zur Ausbildung der Mikrolinsenschicht, der
eine niedrigere Brechzahl als die ersten Farbfilterschichten 34 aufweist,
oder die Oxidschicht, wie z. B. die TEOS-Schicht, auf der Deckschicht 35 ausgebildet, wodurch
die erste Mikrolinsenschicht 36 entsteht.
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Gemäß 4C wird
die Materialschicht zur Ausbildung der Mikrolinsenschicht mit einer
anderen Brechzahl als die erste Mikrolinsenschicht 36,
z. B. die Photolack- oder die Oxidschicht, auf die erste Mikrolinsenschicht 36 aufgebracht,
und dann werden darauf der Strukturierungs- und der Aufschmelzprozeß durchgeführt, wobei
die den jeweiligen Photodioden 31 zugeordneten zweiten
Mikrolinsenschichten 37 erzeugt werden.
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Bezeichnet
man die Brechzahl der Farbfilterschichten 34 mit ,n3', die Brechzahl der
ersten Mikrolinsenschicht 36 mit ,n2' und die Brechzahl der zweiten Mikrolinsenschichten 37 mit
,n1', gilt für die Brechzahlen
n3 > n2 > n1.
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Der
CMOS-Bildsensor gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet das Prinzip, daß Licht vom Material mit niedriger
Brechzahl zum Material mit hoher Brechzahl hin einen zunehmend kleineren
Transmissionswinkel aufweist.
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Die
Effizienz des Lichtsammelns verbessert sich daher beim Durchtritt
des Lichtes durch die zweite Mikrolinsenschicht 37 und
die erste Mikrolinsenschicht 36. Ferner kann die Auflösung in
den Farbfilterschichten 34 je nachdem, wie das Licht durch
die zweiten Mikrolinsenschichten 37 und die erste Mikrolinsenschicht 36 tritt,
verbessert werden.
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Zudem
ist es erforderlich, einen Überarbeitungsvorgang
durchzuführen,
wenn es nach dem thermischen Aufschmelzprozeß zur Ausbildung der Mikrolinsenschicht
irgendein Problem gibt. In diesem Fall wird der Überarbeitungsvorgang, da die
Mikrolinsenschicht als mehrlagiger Aufbau ausgebildet ist, ab dem
Vorgang zur Bildung der Mikrolinse durchgeführt, wodurch ein vereinfachtes
Herstellungsverfahren und verringerte Herstellungskosten verwirklicht werden.
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Daher
haben der CMOS-Bildsensor und das Verfahren zu dessen Herstellung
gemäß der vorliegenden
Erfindung die folgenden Vorteile:
Erstens wird die Mikrolinsenschicht
mit mehrlagigem Aufbau unter Verwendung eines anderen Mediums mit
anderer Brechzahl gebildet, wodurch gegenüber der bekannten einlagigen
Mikrolinsenschicht eine höhere
Effizienz des Lichtsammelns erreicht werden kann.
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Zudem
kann die durch die Farbfilterschichten tretende und auf die Photodioden
auftreffende Lichtmenge erhöht
werden, was die Auflösung
verbessert.
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Zusätzlich ist
die Mikrolinsenschicht als mehrlagiger Aufbau gebildet. Auch wenn
aufgrund der Wärmebehandlung
ein Überarbeitungsvorgang erforderlich
wäre, wird
dieser daher nicht ab der Erzeugung des Farbfilters, sondern ab
der Ausbildung der Mikrolinse durchgeführt, wodurch ein vereinfachtes
Herstellungsverfahren und verringerte Herstellungskosten verwirlicht
werden.
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Für den Fachmann
ist es ersichtlich, daß verschiedene
Modifikationen und Änderungen
der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken oder
vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Dabei soll die vorliegende
Erfindung auch ihre Modifikationen und Änderungen umfassen, sofern
diese im unmittelbaren oder äquivalenten
Schutzbereich der beigefügten
Ansprüche
liegen.