TW201926666A - 感測設備 - Google Patents

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周正三
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Abstract

一種感測設備。所述感測設備包括：圖像感測器；準直儀，位於所述圖像感測器上方，所述準直儀具有孔徑陣列；濾光層，位於所述準直儀與所述圖像感測器之間，其中所述濾光層被配置成過濾透射過所述孔徑陣列的一部分光；以及照明層，位於所述準直儀上方。

Description

感測設備
本發明是有關於一種感測設備，且特別是有關於一種生物特徵量測的感測設備。
半導體積體電路（integrated circuit，IC）行業已經歷了指數增長。積體電路材料及設計方面的技術進步已產生了若干代積體電路，其中每一代都比前一代具有更小且更複雜的電路。在積體電路演進的進程中，功能密度（即，每晶片面積互連裝置的數目）通常增大而幾何大小（即，可利用製作程序生成的最小組件（或線））減小。此種按比例縮小製程通常通過提高生產效率並降低相關聯的成本來提供有利效果。此種按比例縮小還增加了處理及製造積體電路的複雜性。
舉例來說，在有限的裝置殼體內向消費及/或可擕式電子裝置（例如，智慧手機、電子輸入板、穿戴式裝置等）提供生物特徵量測感測器（例如，用於指紋識別的光學感測器）方面存在相當大的興趣。在電子裝置中表面空間常常是特別有限的資源。需要使生物特徵量測感測器與裝置殼體內的其他元件（例如，顯示板）進行堆疊以避免將寶貴的表面空間獨占性地分配給可能僅在使用者身份鑒定步驟期間短暫使用的生物特徵量測感測器。通過堆疊生物特徵量測感測器，電子裝置外部的生物特徵量測物體（例如，使用者的手指）進一步遠離感測器。來自雜散光及環境光的干擾可能變得更強烈，從而導致生物特徵量測感測器的靈敏度變差。舉例來說，由光學生物特徵量測感測器獲取的指紋圖像可因所接收光的訊噪比（signal-to-noise ratio，SNR）在干擾下劣化而變得模糊。因此，儘管在電子裝置內集成生物特徵量測感測器的傳統方式一般來說已足以用於其預期目的，但所述傳統方式並不能在各方面令人滿意。
本發明提供一種感測設備，其特徵在於，包括：圖像感測器；準直儀（collimator），位於所述圖像感測器上方，所述準直儀具有孔徑（aperture）陣列；濾光層，位於所述準直儀與所述圖像感測器之間，其中所述濾光層被配置成過濾透射過所述孔徑陣列的一部分光；以及照明層，位於所述準直儀上方。
以下公開內容提供用於實施本公開的不同特徵的許多不同的實施例或實例。以下闡述元件及排列的具體實例以簡化本公開內容。當然，這些僅為實例且不旨在進行限制。例如，以下說明中將第一特徵形成在第二特徵“上方”或第二特徵“上”可包括其中第一特徵及第二特徵被形成為直接接觸的實施例，且也可包括其中第一特徵與第二特徵之間可形成有附加特徵、進而使得所述第一特徵與所述第二特徵可能不直接接觸的實施例。另外，本公開內容可能在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。這種重複使用是出於簡潔及清晰的目的，而不是自身表示超出所述程度的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，在以下本公開中將特徵形成在另一特徵上、連接到另一特徵、及/或耦合到另一特徵可包括其中所述特徵被形成為直接接觸的實施例，且也可包括其中可在所述特徵之間夾置形成額外特徵、進而使得所述特徵可能不直接接觸的實施例。此外，例如“下部（lower）”、“上部（upper）”、“水準（horizontal）”、“垂直（vertical）”、“上方（above）”、“之上（over）”、“下方（below）”、“之下（beneath）”、“上（up）”、“下（down）”、“頂（top）”、“底（bottom）”等及其派生詞（例如，“水準地（horizontally）”、“向下（downwardly）”、“向上（upwardly）”等）等空間相對性用語是用於便於本公開說明一個特徵與另一特徵的關係。所述空間相對性用語旨在涵蓋包括所述特徵的裝置的不同取向。
本公開大體來說涉及電子裝置及製作。更具體來說，一些實施例涉及在電子裝置的顯示板下方集成一個或多個光學感測器用於生物特徵量測探測。本公開的一個目的是提供在生物特徵量測探測期間用於有效增強由光學感測器接收的入射光的訊噪比（SNR）的方法。
生物特徵量測感測系統（例如，指紋識別系統）已成為一種引起了相當大的興趣且用以向電子裝置、且更具體來說消費及/或可擕式電子裝置（例如，智慧手機、電子輸入板、穿戴式裝置等）提供安全特徵的方式。生物特徵量測感測系統是基於使用者獨特的特徵，且可能不依賴於記憶或使用者對其他輸入裝置的使用，例如密碼輸入。生物特徵量測感測系統也因同樣的原因而提供難以被非法入侵的優點。
在各種生物特徵量測感測技術中，指紋識別是可靠且被廣泛使用的技術，用於進行個人身份鑒定或驗證。指紋識別系統通常包括指紋感測及匹配功能，例如收集指紋圖像並將這些圖像與已知的指紋資訊進行比較。具體來說，一種指紋識別的方式涉及掃描參考指紋並儲存所獲取的參考圖像。可對新指紋的特性進行掃描並與已儲存在資料庫中的參考圖像進行比較，以確定一個人的正確身份，例如用於驗證目的。指紋識別系統對於消費及/或可擕式電子裝置中的認證來說可能是特別有利的。舉例來說，用於獲取指紋圖像的光學感測器可載於電子裝置的殼體內。
生物特徵量測安全系統的有效性可受能夠探測獨特生物特徵量測資料的精確度的影響。在指紋識別系統的情形中，此意味著提高到達光學感測器的入射光的訊噪比，並從而提高所獲取的圖像的解析度。
同時，在集成生物特徵量測安全系統的設計工作中，裝置殼體內的空間的可利用性很重要。許多電子元件競爭此空間。可用的表面空間常常是特別有限的資源。在各種實施例中，電子裝置包括顯示板及位置鄰近所述顯示板的單獨的指紋感測器。通過將指紋感測器放置在相鄰的區域中，指紋感測器避免被顯示板阻擋且將接收更強的入射光。然而，通過將表面空間的此寶貴的部分獨占性地分配給指紋感測器，顯示板必須收縮以容納指紋感測器而不是擴展到電子裝置的實質整個表面空間（例如，為了更好的用戶觀看體驗）。
首先參照圖1，現在闡述電子裝置100。電子裝置100說明性地為移動無線通訊裝置（例如，智慧手機）。電子裝置100可為任一其他適當的電子裝置，例如，膝上電腦、電子輸入板、可擕式遊戲裝置、導航裝置或穿戴式裝置。電子裝置100包括殼體102以及其他元件，例如位於殼體102內的處理器及記憶體。
殼體102還載有顯示板104。在所說明的實施例中，顯示板104是有機發光二極體（organic light-emitting diode，OLED）顯示板。在各種實施例中，顯示板104可為所屬領域中的技術人員將理解的任一其他適當類型的顯示板，例如液晶顯示（liquid-crystal display，LCD）面板、發光二極體（light-emitting diode，LED）顯示板、或主動陣列有機發光二極體（active-matrix organic light-emitting diode，AMOLED）顯示板。
在所說明的實施例中，顯示板104實質上擴展到電子裝置100的整個表面空間。在顯示板104與殼體102的邊緣之間的一些邊寬可被留給邊框板（bezel panel）106。顯示板104堆疊在用於指紋探測的圖像感測特徵之上、或堆疊在其他適當的生物特徵量測感測特徵之上。稍後將進一步詳細闡述所述圖像感測特徵。顯示板104同時充當顯示器及供圖像感測特徵獲取指紋圖像的輸入裝置。因此，顯示板104回應於使用者輸入執行多種裝置功能。舉例來說，當電子裝置100處於鎖定狀態中時，顯示板104可首先在螢幕上顯示提示（例如，手指圖示或指令文字）。顯示板104可進一步突出顯示感測區108。當用戶的手指110或另一適當的物體以與顯示板104近場接觸或直接接觸的方式被放置在感測區108中時，圖像感測特徵被啟動並從用戶的手指110獲取生物特徵量測資料（例如，指紋圖像）。此生物特徵量測資料被發送到一個或多個處理器用於匹配及/或電子欺騙（spoof）探測。如果所述生物特徵量測資料匹配儲存在記憶體中的參考指紋圖像，那麼電子裝置100可隨後轉入解鎖狀態，且顯示板104開始示出桌面圖示或對各種其他使用者輸入作出回應。顯示板104可進一步與觸摸感測器陣列進行集成。在此種情形中，顯示板104也是觸摸顯示板。
參照圖2，說明了電子裝置100的一部分的剖面圖。電子裝置100的此部分載有指紋識別功能且可被視為指紋識別系統200。指紋識別系統200具有層疊構造，所述層疊構造包括位於頂部的顯示板202、位於中間的光調節層204以及位於底部的圖像感測層206。顯示板202對上方的感測區108進行照明。當從顯示板202發出的光從用戶的手指110或其他適當的物體反射時，所反射的光向下傳播穿過顯示板202及光調節層204並最終到達圖像感測層206。圖像感測層206包括一個或多個光學感測元件207，例如互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）感測器及/或電荷耦合器元件（charged coupled device，CCD）感測器。光學感測元件207能夠探測入射光的強度。圖像感測層206由此將入射光轉變成像素圖像，所述像素圖像包括用戶的手指110的生物特徵量測特性。像素圖像的每一像素可與在光學感測元件207的對應位置處記錄的入射光的強度相對應。
在一些實施例中，顯示板202包括保護電子裝置100的內部元件的護罩玻璃214（或護罩透鏡）。感測區108被界定在護罩玻璃214上方。護罩玻璃214的頂表面216形成感測表面，所述感測表面為用戶的手指110或其他適當的物體提供接觸區域。在感測區108內，用戶的手指110可直接觸摸頂表面216或在近場感測期間與頂表面216保持小的距離。護罩玻璃214可由玻璃、透明聚合材料或其他適當的材料製成。
顯示板202包括位於護罩玻璃214下方的顯示層220。顯示層220包括發光像素222的陣列。不同發光像素222可被配置成發出不同顏色，例如發出紅色光的發光像素（被表示為222R）、發出綠色光的發光像素（被表示為222G）、或發出藍色光的發光像素（被表示為222B）。由於與感測區108的幾何關係，發光像素222可被分類成兩組，一組位於感測區108正下方，且另一組位於感測區108之外。位於感測區108之外的發光像素222執行常規的顯示功能，而位於感測區108正下方的發光像素222在生物特徵量測感測期間根據應用而執行常規的顯示功能及照明功能兩者。在各種實施例中，相鄰發光像素222之間的像素距離D1處於約5 um到約30 um的範圍內。在具體的實例中，像素距離D1可處於約10 um到約20 um的範圍內。
在一些實施例中，顯示板202還包括阻擋層224。阻擋層224是可設置在顯示層220下方的半透明或不透明層。在感測區108之外，阻擋層224是連續的，從而遮蔽顯示層220下方的元件免受由發光像素222發出的光及環境光的照射。在感測區108正下方，阻擋層224具有多個開口226。每一開口226位於兩個相鄰的發光像素222之間。開口226允許從感測區108反射的光通過其進行傳播。在所說明的實施例中，在兩個相鄰的發光像素222之間存在一個開口226。開口226可具有與像素距離D1 的比率介於約40%到約90%的寬度（或直徑）D2 。在一些其他實施例中，在兩個相鄰的發光像素222之間存在兩個或更多個開口226。開口226因此可具有與像素距離D1 的比率介於約20%到約40%的寬度（或直徑）D2 。
在各種實施例中，顯示層220可為LCD顯示器（利用具有濾色片的背光來形成RGB像素）、LED顯示器（例如，微發光二極體（microLED），其中的像素材料可為在LED中使用的無機材料）、OLED顯示器、或任意其他適當的顯示器。在所說明的實施例中，發光像素222是有機發光二極體（OLED），且顯示層220是OLED顯示器。OLED顯示器的實例可包括主動陣列OLED（AMOLED）、被動陣列OLED（passive-matrix OLED，PMOLED）、白色OLED（white OLED，WOLED）及RBG-OLED、及/或其他適當類型的OLED。OLED顯示器通常比其他類型的顯示器（例如，LCD或LED顯示器）更輕薄且更靈活。OLED顯示器不需要背光，因為可從OLED中的有機發光材料產生光，此使得像素能夠被完全關閉。所述有機發光材料可為有機聚合物，例如聚對苯乙烯及聚茀。由於有機發光材料產生其自身的光，因此OLED顯示器也可具有更寬的視角。此可與LCD顯示器形成對比，所述LCD顯示器通過阻擋可對某些視角造成阻礙的光而運作。
OLED二極體利用被稱為電致發光（electroluminescence）的程序來發光。電致發光是有機發光材料可回應於穿過其的電流而發光的現象。在一些實例中，OLED二極體可包括電洞注入層、電洞傳輸層、電子注入層、發光層及電子傳輸層。由OLED二極體發出的光的顏色取決於在發光層中使用的有機發光材料的類型。可通過有機發光材料的各種化學結構來獲得不同顏色。舉例來說，發光像素222R可由發出紅色光的有機發光材料形成；發光像素222G可由發出綠色光的有機發光材料形成；且發光像素222B可由發出藍色光的有機發光材料形成。光的強度可取決於所發出的光子的數目或施加到OLED二極體上的電壓。在一些實施例中，每一個發光像素222R、222G或222B是由產生白色光的相同有機發光材料形成，但進一步分別包括紅色、綠色或藍色濾色片以濾除除目標顏色以外的顏色。濾色片可利用膽固醇濾材（cholesteric filter material）（例如，多層介電堆疊）形成，所述膽固醇濾材包括被配置成形成濾光器且具有不同折射率的材料。
圖3A及圖3B從感測區108的俯視圖說明發光像素222及開口226的兩種示例性排列。在圖3A中，每一發光像素222R、222G或222B具有近似相同的形狀及尺寸，例如高寬比（高度L1 /寬度W1 ）介於約2:1到約8:1的圓角矩形形狀。發光像素222R、222G及222B形成N×M陣列。所述陣列的每一行包括具有相同顏色的發光像素。舉例來說，如在圖3A中所說明，最左側一行僅包括紅色發光像素（222R）；左邊第二行僅包括綠色發光像素（222G）；左邊第三行僅包括藍色發光像素（222B）；以此類推。此種發光像素排列也被稱為R-G-B條帶（stripe）排列。其他條帶排列（例如，R-B-G-G-B-R條帶排列或R-R-G-G-B-B條帶排列）也可適用於顯示層220。在一些實施例中，顯示層220可具有多於三種原色，例如紅色、綠色、藍色及黃色（RGBY）的組合或紅色、綠色、藍色、黃色及青色（RGBYC）的組合。發光像素排列可分別為R-G-B-Y條帶排列或R-G-B-Y-C條帶排列、或任意其他適當的條帶排列。在顯示層220中，在每一顏色之下可具有實質上相同量的發光像素。
如在圖3A中所說明，一行或多行開口226位於發光像素222的兩個相鄰的行之間。開口226的寬度D2 可小於或大於發光像素222的寬度W1 。在一些實施例中，寬度D2 實質上相同於寬度W1 。類似地，開口226的長度L2 可小於或大於發光像素222的長度L1 。在一些實施例中，長度L2 實質上相同於長度L1 。在一個實例中，開口226具有與發光像素222實質上相同的形狀及尺寸。在另一實例中，開口226比發光像素222長約20%，而比發光像素222窄約10%。此種尺寸排列僅是說明性的，且並不旨在為限制性的。針對發光像素222及開口226存在眾多替代示例性尺寸排列。
在圖3B中，顯示層220具有為藍色發光像素222B或紅色發光像素222R的兩倍多的綠色發光像素222G。綠色發光像素222G具有圓形或橢圓形形狀且較小，而紅色發光像素及藍色發光像素具有菱形形狀且較大。在一些實施例中，藍色發光像素222B甚至大於紅色發光像素222R。此種發光像素排列利用通常最高效且持續壽命最長的綠色發光像素222G並平衡通常壽命最短的藍色發光像素222B。開口226不是成行的群組而是在發光像素222之間交錯。開口226可為具有直徑D2 的圓形形狀。在一些實施例中，開口226小於綠色發光像素222G。在一些實施例中，開口226大於綠色發光像素222G但小於藍色發光像素222B或紅色發光像素222R。
返回參照圖2，在感測區108之下，光調節層204堆疊在顯示板202之下。光調節層204包括準直儀240及濾光膜242。準直儀240包括孔徑246陣列。每一孔徑246位於圖像感測層206中的一個或多個光學感測元件207正上方。孔徑246陣列是由任意適當的技術（例如，電漿蝕刻、雷射鑽孔等）形成。孔徑246陣列對從感測區108反射的入射光進行調節。圖像感測層206堆疊在底部，顯示板202、尤其是相對厚的護罩玻璃214在用戶的手指110與圖像感測層206之間增加額外的垂直距離，此使得來自用戶的手指110的附近區的雜散光也與來自正上方的小點的光一起到達光學感測元件207。雜散光導致圖像模糊。孔徑246陣列有助於濾除雜散光且實質上僅允許來自正上方的小點的光能夠被探測到，從而產生更清晰的圖像。
準直儀240的度量是孔徑246的高寬比，其被定義為孔徑246的高度H除以孔徑246的直徑d。孔徑246的高寬比足夠大以允許法線或接近法線入射到準直儀240的光線通過並到達光學感測元件207。孔徑246的適當高寬比的實例介於約5:1到50:1，且有時介於約10:1到約15:1。在實施例中，孔徑246的高度H處於約30 um到300 um的範圍內，例如約150 um。在各種實施例中，準直儀240可為具有孔陣列的不透明層。在一些實施例中，準直儀240是單片半導體層，例如矽層。準直儀240的其他實例可包括塑膠，例如聚碳酸酯、PET、聚醯亞胺、碳黑、無機絕緣或金屬材料、或SU-8。
仍參照圖2，光調節層204還包括濾光膜242。濾光膜242選擇性地吸收或反射某些光譜的入射光，尤其是來自環境光250的組分，例如紅外光及/或其他可見光（例如，紅色光）的一部分。濾光膜242有助於減小光學感測元件207對環境光250的靈敏度並增大光學感測元件207對從發光像素222發出的光的靈敏度。在實例中，濾光膜242可包括吸收或反射某些光譜中的光的薄的金屬層或金屬氧化物層。在另一實例中，濾光膜242可包括吸收或反射某些光組分的染料及/或顏料。作為另外一種選擇，濾光膜242可包括若干子層或奈米大小的特徵，所述子層或奈米大小的特徵被設計成對某些波長的入射光造成干擾。濾光膜242可沉積在介電層252上。視需要可存在保護濾光膜242的覆蓋層254。在所說明的實施例中，濾光膜242是位於準直儀240下方的連續的膜。在一些實施例中，濾光膜242設置在顯示板202與準直儀240之間，例如在阻擋層224與準直儀240之間。在一些實施例中，濾光膜242可設置在顯示層220與阻擋層224之間。
環境光250（例如，日光）可包括豐富的紅外光組分，所述紅外光組分可在感測區108中穿透用戶的手指110或其他物體並到達光學感測元件207。與人眼相比，CMOS圖像感測器及CCD圖像感測器通常也對紅外光（包括近紅外光）敏感。穿過用戶的手指110的紅外光不載有生物特徵量測資訊，此減小從發光像素222發出的有用反射光的對比度。此種紅外光可被視為在由圖像感測層206產生的像素圖像中的雜訊的來源。因此，入射光的訊噪比因所述不期望的紅外光而減小。當環境光250變得更強時，紅外光甚至可使光學感測元件207飽和，且訊噪比可低於任何有意義的生物特徵量測探測的閾值。舉例來說，當電子裝置處於強日光下時，生物特徵量測探測功能可能失靈。在一些實施例中，濾光膜242是紅外濾光片，也被稱為紅外截止濾光片（infrared light cut-off filter，IRCF），使得紅外光可實質上被阻擋，而從發光像素222發出的可見光可透射過紅外截止濾光片。
介電層252可包括單個或多個材料層。在一些實施例中，介電層252包括設置在底部的防反射（anti-reflection，AR）膜256。在一些實施例中，介電層252還包括堆疊在防反射膜256上方的紅色光減少膜258。紅色光減少膜258減弱入射光中紅色光組分的強度。與其他顏色的光相比，紅色光更易於從光學感測元件207衍射並導致被稱為鬼像（ghost image）的二次紅色圖像。紅色光減少膜258可有助於抑制鬼像。
介電層252、濾光膜242以及覆蓋層254的堆疊結構還可具有若干開口260。開口260允許接合線262將位於圖像感測層206的頂表面上的接合墊264互連到外部電路，例如電子裝置100的處理器。接合墊264路由到嵌置在圖像感測層206中的控制信號線及電力/接地線。圖像感測層206還可包括位於頂表面上的對準標記266用於在製作及裝配期間進行對準控制。覆蓋層254的與開口260相鄰的側壁可具有缺口隅角269。稍後將詳細闡釋存在缺口隅角269的原因。
圖4說明根據本公開的實例，一種從由光調節層集成的顯示板進行照明的輸入物體捕捉生物特徵量測圖像的方法400的流程圖。以下將參照在圖2中所說明的示例性電子裝置100來闡述方法400。
在方塊402處，方法400以在螢幕上顯示提示而開始。電子裝置100的螢幕可處於鎖定狀態中。所述提示可為圖示，例如指紋圖示或指令文字。所述提示在螢幕上突出顯示感測區108。所述提示由位於感測區108之下的發光像素222示出。發光像素222可為OLED二極體。位於感測區108之外的發光像素222在可鎖定狀態中被關閉或可顯示預設螢幕保護圖像（screen saver image）。
在方塊404處，方法400探測在感測區108中顯示出的輸入物體，例如用戶的手指110。所述探測可通過在光學感測元件207處感測入射光變化而實施。作為另外一種選擇，顯示板202可為觸控式螢幕且包括觸摸感測器，且可由所述觸摸感測器來實施探測。在一些應用中，用戶的手指110沒有必要實體觸摸顯示板202的頂表面216。相反，可使用近場成像來感測透過用戶的手套或其他障礙（例如，油類、膠類及水分）探測到的觸摸。當用戶的手指110保持不動超過預定時間時，例如用戶使一隻手指保持不動達約一百毫秒時，方法400進入生物特徵量測探測模式。否則，方法400返回方塊402，等待新的用戶輸入。
在方塊406處，關閉示出在螢幕上的提示且位於感測區108下方的發光像素222開始對用戶的手指110進行照明。從發光像素222發出的光270透過護罩玻璃214傳播並到達用戶的手指110。用戶的手指110可包括脊部272及谷部274。手指的脊部272可因比谷部274更靠近頂表面216而反射更多的光，且谷部274可反射較少的光。光270繼而朝光調節層204往回反射。
在方塊408處，方法400在準直儀240處過濾光270中的雜散光組分。利用孔徑246的高的高寬比，準直儀240僅允許從感測區108反射的法線或接近法線入射到準直儀240的光線通過並最終到達圖像感測層206。光學感測元件207可用以測量光的強度並將所測量的強度轉變成輸入物體（例如，用戶的手指110）的像素圖像。另一方面，距離法線具有較大角度的雜散光在準直儀240的頂表面或孔徑246內的表面（例如，孔徑側壁）處撞擊準直儀240，並被阻擋且防止到達下方的圖像感測層206。孔徑246的高寬比足夠大以防止雜散光透過準直儀240傳播，例如為約5:1到約50:1。作為實例，在不存在準直儀240的情況下，從谷部274反射的光線可與法線方向呈大的角度傳播並到達位於脊部272正下方的一個感測器元件。由於混合了來自脊部272區及谷部274區的光，因此由所述一個感測器元件產生的圖像是模糊的。此種光線被稱為雜散光。孔徑246的較大的高寬比將接收光錐區（light acceptance cone）限制為較小的角度，從而提高系統的光學解析度。在一些實施例中，孔徑246的形狀為圓柱形或圓錐形。孔徑246的側壁還可包括凹槽或其他結構以防止雜散光反射出壁並到達下方的圖像感測層206。
在方塊410處，方法400在濾光膜242處過濾某些光譜的光。在一些實施例中，濾光膜242是紅外截止濾光片，所述紅外截止濾光片例如通過吸收或反射而過濾（或減少）來自入射光的紅外光組分。環境光250（例如，日光）是紅外光的主要來源。紅外光可輕易地穿透用戶的手指110。因此，紅外光不載有手指的生物特徵量測特性的有用資訊且可被視為雜訊的一部分。將來自環境光的紅外光組分與來自發光像素的反射光進行摻合會降低光學感測元件207的靈敏度。通過在感測之前過濾紅外光，可增大入射光的訊噪比。在一些其他實施例中，濾光膜242可將除紅外光以外的某些光譜中的光（例如，可見光譜中的紅色光或紫外光）作為目標。可制定濾光膜242的濾光輪廓以特別呈現顏色、質地或反射品質，從而使得能夠具有最佳化的過濾性能。在一些實施例中，濾光膜242是紅外截止濾光片，且存在堆疊在下方或上方的單獨的膜用於過濾紅色光，以減少鬼像。
在方塊412處，方法400在圖像感測層206處獲取指紋圖像。位於圖像感測層206內部的光學感測元件207將入射光轉變成電輸出。每一光學感測元件207的輸出可對應於指紋圖像中的一個像素。光學感測元件207可包括彩色圖像感測器及/或單色圖像感測器。在一些實施例中，光學感測元件207中的每一者可被配置成對應於具體光波長，例如位於紅色發光像素222R下方的感測器元件用於感測紅色光波長、位於綠色發光像素222G下方的感測器元件用於感測綠色光波長，且位於藍色發光像素222B下方的感測器元件用於感測藍色光波長。
在方塊414處，方法400將所獲取的指紋圖像與先前存儲在記憶體中的真實參考圖像進行比較。如果指紋圖像匹配，那麼方法400進入方塊416以解鎖螢幕。位於感測區108下方的發光像素222將停止照明並加入位於感測區108之外的其他發光像素222以開始顯示如在解鎖狀態中的常規桌面圖示。如果指紋圖像不匹配，那麼方法400返回方塊402以等待新的生物特徵量測探測。
圖5是一種製作具有生物特徵量測感測系統的工件600的方法500的流程圖。工件600可在許多方面實質上類似於圖2所示的電子裝置100。可在方法500之前、期間及之後提供額外的步驟，且針對方法500的其他實施例可替換或消除所述步驟中的一些步驟。以下結合圖6到圖14闡述方法500。圖6到圖14示出根據本公開的各種方面，在方法500的各種階段處的工件600的剖面圖。
首先參照圖5所示的方塊502及圖6，接收包括半導體基板602的工件600。在各種實例中，半導體基板602包括元素（單一元素）半導體，例如晶體結構的矽或鍺；化合物半導體，例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦及/或銻化銦；非半導體材料，例如鈉鈣玻璃、熔融矽石、熔融石英及/或氟化鈣（CaF2 ）；及/或其組合。
工件600也包括一個或多個光學感測元件207。在一個實施例中，光學感測元件207可設置在前表面之上並延伸到半導體基板602中。光學感測元件207各自可包括光感測區（light-sensing region）（或光電感測區（photo-sensing region）），所述光感測區可為具有n型及/或p型摻雜劑且通過例如擴散或離子植入等方法而形成在半導體基板602中的摻雜區。光學感測元件207可包含在半導體基板602中擴散或以其他方式形成的光電二極體、釘紮（pinned）層光電二極體、非釘紮（non-pinned）層光電二極體、重置電晶體、源極跟隨器電晶體、轉移電晶體、選擇電晶體、互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像感測器、電荷耦合裝置（CCD）感測器、主動像素感測器、被動像素感測器及/或其他感測器。光學感測元件207可包括設置成感測器陣列或其他適當的組態的多個感測器像素。所述多個感測器像素可被設計成具有各種感測器類型。舉例來說，一組感測器像素可為互補金屬氧化物半導體像素感測器且另一組感測器像素可為被動感測器。此外，光學感測元件207可包括彩色圖像感測器及/或單色圖像感測器。
通常鄰近光學感測元件207設置額外的電路系統及輸入/輸出，用於為光學感測元件207提供操作環境並用於提供與處理器的外部通信。舉例來說，光學感測元件207還可包括例如電路等元件或耦合到例如電路等元件，使得光學感測元件207可***作以對入射光提供恰當的回應。也可在基板的前表面上方形成多個介電層及多個導電特徵，所述多個導電特徵包括耦合到多個接觸件及/或通孔結構的多個金屬結構。所述多個金屬結構及所述多個接觸件/通孔結構可在集成程序（例如，鑲嵌程序或雙鑲嵌程序）中形成，且此外，可在各種程序（例如，光刻程序及刻蝕程序）中形成垂直特徵及水準特徵。所述多個金屬結構可被路由到一個或多個接合墊264。接合墊264可設置在半導體基板602的前表面上。接合墊264為接合線提供著陸區域（landing area），所述接合線提供與所述多個金屬結構的外部連接，例如電源、地面、控制項及資料線的連接。工件600還可包括其他特徵，例如對準標記266。對準標記266可設置在半導體基板602的頂表面上。對準標記及隨後光刻圖案相對於這些標記的對準是半導體製造程序的重要部分。一個圖案層與前一層的對準通常是在設計在前一掩模層上的特殊對準圖案的輔助下完成。當這些特殊圖案對準時，便假設電路圖案的剩餘部分也正確地對準。
參照圖5所示的方塊504及圖7，方法500沉積覆蓋工件600的介電層252。介電層252可包含材料組合物，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽及/或碳化矽。在示例性實施例中，介電層252包含氧化矽。介電層252可通過任意適當的程序（包括熱生長、化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、高密度電漿化學氣相沉積（high-density plasma CVD，HDP-CVD）、物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）、原子層沉積（atomic-layer deposition，ALD）及/或其他適當的沉積程序）被形成到任意適當的厚度。介電層252在組成上可為均勻的或可包括各種層，例如位於底部的紅色光減少膜及/或防反射（AR）膜。介電層252的厚度可介於約1 μm到約10 μm範圍內，例如約2 μm。
參照圖5所示的方塊506及圖8，方法500沉積覆蓋工件600的濾光膜242。濾光膜242選擇性地吸收或反射某些光譜的入射光。在所說明的實施例中，濾光膜242過濾紅外光。濾光膜242在組成上可為均勻的或可包括各種層。濾光膜242可包含金屬、金屬氧化物、染料及/或顏料。在一個實施例中，濾光膜242包含二氧化鉭。在另一實施例中，濾光膜242包含氮化矽。濾光膜242可通過任意適當的程序（包括化學氣相沉積（CVD）、高密度電漿化學氣相沉積（HDP-CVD）、物理氣相沉積（PVD）、原子層沉積（ALD）及/或其他適當的沉積程序）被形成到任意適當的厚度。濾光膜242的厚度可介於約2 μm到約8 μm範圍內，例如約4 μm。
參照圖5所示的方塊508及圖9，方法500可視需要沉積覆蓋工件600的覆蓋層254。覆蓋層254保護下方的濾光膜242免受後續製作程序的損害。覆蓋層254可包含介電質，例如氧化矽、氮化矽、氮氧化矽及/或碳化矽。在各種實施例中，覆蓋層254及介電層252可包含相同或不同的材料組合物。在示例性實施例中，覆蓋層254包含氮化矽且介電層252包含氧化矽。覆蓋層254可通過任意適當的程序（包括熱生長、化學氣相沉積（CVD）、高密度電漿化學氣相沉積（HDP-CVD）、物理氣相沉積（PVD）、原子層沉積（ALD）及/或其他適當的沉積程序）被形成到任意適當的厚度。覆蓋層254的厚度可介於約0.1 μm到約2 μm範圍內，例如約0.5 μm。
參照圖5所示的方塊512及圖10，方法500在接合墊264正上方形成溝槽260。接合墊264未暴露在溝槽260中，因為在溝槽260的底部處的一層介電層252保持覆蓋接合墊264，此保護接合墊264免受後續製作程序的損害。方塊512可包括各種程序（例如，光刻及刻蝕）以形成溝槽260。光刻程序可包括在工件600上方形成光阻劑（圖中未示出）。示例性光阻劑包括對輻射（例如，紫外光、深紫外（DUV）輻射、及/或極紫外（EUV）輻射）敏感的光敏材料。對工件600執行光刻曝光，此將光阻劑的被選擇的區域暴露於輻射。所述曝光使得在光阻劑的被暴露出的區域中發生化學反應。在曝光之後，對光阻劑施加顯影劑。顯影劑在正型光阻劑顯影程序的情形中溶解或以其他方式移除被暴露出的區域或在負型光阻劑顯影程序的情形中溶解或以其他方式移除未被暴露出的區域。在光阻劑被顯影之後，可通過刻蝕程序（例如，濕刻蝕、乾刻蝕、反應離子刻蝕（Reactive Ion Etching，RIE）、灰化及/或其他刻蝕方法）而移除工件600的被暴露出的部分。在刻蝕之後，可移除光阻劑。在一些實施例中，在溝槽260內部，刻蝕程序移除覆蓋層254、濾光膜242以及介電層252的上部部分。溝槽260的深度Ht 與覆蓋層254、濾光膜242以及介電層252的總厚度Hd 的比率可介於約40%到約90%，例如在一個實例中為約50%。在一些實施例中，介電層252的材料組合物不同於覆蓋層254及濾光膜242。通過選擇以覆蓋層254的材料組合物及濾光膜242的材料組合物作為目標同時抵抗對介電層252的刻蝕的一種或多種刻蝕劑，介電層252用作刻蝕終止層並實質上保持覆蓋接合墊264。
參照圖5所示的方塊514及圖11，方法500在覆蓋層254上方堆疊半導體基板1202。在一些實施例中，兩個半導體基板602及1202是矽基板。然而，所公開的結構及方法不是限制性的且可延伸到其他適當的半導體基板及其他適當的晶體取向。舉例來說，半導體基板602及1202中的任一者可在相同或不同的晶體結構中包括元素半導體，例如鍺；化合物半導體，例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、磷化鎵、磷化銦、砷化銦及/或銻化銦；或其組合。舉例來說，半導體基板602是矽鍺基板且半導體基板1202是矽基板。
在所說明的實施例中，半導體基板1202的堆疊是通過恰當的結合技術（例如，直接結合、共晶結合、熔融結合、擴散結合、陽極結合或其他適當的結合方法）將半導體晶片（或管芯）結合到覆蓋層254而實施。在一個實施例中，材料層通過直接矽結合（direct silicon bonding，DSB）而結合在一起。舉例來說，直接矽結合程序可包括在較低溫度下預處理、預結合並在較高溫度下退火。當兩個基板被結合在一起時，可實施埋置氧化矽層（buried silicon oxide layer，BOX）。在一些實例中，半導體基板1202可例如通過研磨或拋光等而變薄到在結合後具有恰當厚度，例如從約700 μm變薄到約150 μm。
參照圖5所示的方塊516及圖12，方法500將結合的半導體基板1202圖案化有多個孔徑246，從而形成準直儀240。覆蓋層254的頂表面部分暴露在孔徑246中。孔徑246的適當高寬比的實例處於約5:1到約50:1的範圍內，且有時處於約10:1到約15:1的範圍內。圖案化程序也可移除結合的半導體基板1202的覆蓋溝槽260的部分。圖案化程序可為包括任意適當的刻蝕技術（例如，濕刻蝕、乾刻蝕、反應離子刻蝕、灰化及/或其他刻蝕方法）的刻蝕程序。舉例來說，乾刻蝕程序可實施含氧氣體、含氟氣體（例如，CF4 、SF6 、CH2 F2 、CHF3 及/或C2 F6 ）、含氯氣體（例如，Cl2 、CHCl3 、CCl4 及/或BCl3 ）、含溴氣體（例如，HBr及/或CHBR3 ）、含碘氣體、其他適當的氣體及/或電漿、及/或其組合。舉例來說，濕刻蝕程序可包括在稀釋的氫氟酸（DHF）；氫氧化鉀（KOH）溶液；氨；含有氫氟酸（HF）的溶液、硝酸（HNO3 ）及/或乙酸（CH3 COOH）；或其他適當的濕刻蝕劑中進行刻蝕。在所說明的實施例中，孔徑246是通過電漿刻蝕程序而形成。溝槽260中剩餘的介電層252保護位於下方的接合墊264及其他電子元件在電漿轟擊期間免受損害。
參照圖5所示的方塊518及圖13，方法500從溝槽260的底部移除介電層252並暴露出接合墊264。介電層252的一些部分可通過刻蝕程序（例如，濕刻蝕、乾刻蝕、反應離子刻蝕（RIE）、灰化及/或其他刻蝕方法）而被移除。由於所選擇刻蝕劑的刻蝕選擇性，覆蓋層254也可在刻蝕程序期間具有頂表面刻蝕損失，從而導致與準直儀240相鄰的缺口隅角269。覆蓋層254暴露在孔徑246中的部分也可具有一些但相對較少的頂表面刻蝕損失且可被視為在刻蝕程序期間實質上保持，這是由於孔徑246的高的高寬比以及刻蝕劑的對應負荷效應（loading effect）。
參照圖5所示的方塊520及圖14，方法500可繼續進行進一步的處理以便完成工件600的製作。舉例來說，方法500可將接合墊264與導電特徵（例如，接合線262）進行結合。接合線262延伸通過開口260，並將半導體基板602中的內部佈線（internal routing）路由到外部控制信號、資料線及電力線。方法500也可將顯示板202組裝在準直儀240上方。顯示板202可包括護罩玻璃214、顯示層220及/或阻擋層224。
儘管並非旨在為限制性的，但本公開的一個或多個實施例為生物特徵量測感測系統（例如，在消費（或可擕式）電子裝置中的指紋識別系統）提供許多有利效果。舉例來說，通過較高的解析度及來自雜散及環境光的較低的雜訊干擾，光學信號得以增強。可在圖像感測器處獲取具有增強的訊噪比（SNR）的指紋圖像。此外，所公開的方法可易於集成到現有的半導體製造程序中。
在一個示例性方面中，本公開涉及一種感測設備。在實施例中，所述感測設備包括：圖像感測器；準直儀，位於所述圖像感測器上方，所述準直儀具有孔徑陣列；濾光層，位於所述準直儀與所述圖像感測器之間，其中所述濾光層被配置成過濾透射過所述孔徑陣列的一部分光；以及照明層，位於所述準直儀上方。在實施例中，所述一部分光是紅外光。在實施例中，所述濾光層包含金屬氧化物。在實施例中，所述濾光層在所述準直儀正下方連續延伸且具有位於所述準直儀之外的開口。在實施例中，所述感測設備還包括：導電特徵，耦合到所述圖像感測器，所述導電特徵延伸穿過所述開口。在實施例中，所述準直儀是通過在所述濾光層上方結合晶片基板來形成。在實施例中，所述孔徑陣列中的孔徑的高度對所述孔徑的直徑的比率處於10:1到15:1範圍內。在實施例中，所述照明層包括多個發光像素，所述多個發光像素的一部分被配置成對放置在所述照明層上方的物體進行照明。在實施例中，所述孔徑陣列具有第一節距；所述多個發光像素具有第二節距；且所述第一節距等於或小於所述第二節距。在實施例中，所述照明層是有機發光二極體（OLED）顯示器。在實施例中，所述感測設備還包括：阻擋層，位於所述照明層與所述準直儀之間，其中所述阻擋層具有位於所述多個發光像素的所述一部分下方的多個開口，所述開口允許從所述物體反射的光通過。
在另一示例性方面中，本公開涉及一種裝置。在實施例中，所述裝置包括：觸摸顯示板；光調節層，位於所述觸摸顯示板下方，所述光調節層包括準直儀及紅外濾光片；以及圖像感測層，位於所述光調節層下方，所述圖像感測層被配置成感測從所述觸摸顯示板發出的光。在實施例中，所述觸摸顯示板的一部分被配置成指紋感測區。在實施例中，所述觸摸顯示板包括多個有機發光二極體（OLED）。在實施例中，所述紅外濾光片位於所述觸摸顯示板與所述準直儀之間。在實施例中，所述紅外濾光片位於所述準直儀與所述圖像感測層之間。
在又一示例性方面中，本公開涉及一種製作感測設備的方法。在實施例中，所述方法包括：提供基板，所述基板包括一個或多個圖像感測器；在所述基板上方沉積紅外濾光膜；在所述紅外濾光膜上方結合半導體層；以及刻蝕所述半導體層以形成多個孔徑。在實施例中，所述刻蝕所述半導體層包括電漿刻蝕。在實施例中，所述方法還包括：在所述刻蝕所述半導體層之前薄化所述半導體層。在實施例中，所述方法還包括：在所述紅外濾光膜中形成開口，其中所述開口位於所述基板的頂表面上的接合墊正上方；以及將導電特徵結合到所述接合墊，所述導電特徵延伸穿過所述開口。
以上概述了若干實施例的特徵，以使所屬領域中的技術人員可更好地理解本發明的各個方面。所屬領域中的技術人員應知，其可容易地使用本發明作為設計或修改其他程序及結構的基礎來施行與本文中所介紹的實施例相同的目的及/或實現與本文中所介紹的實施例相同的優點。所屬領域中的技術人員還應認識到，這些等效構造並不背離本發明的精神及範圍，而且他們可在不背離本發明的精神及範圍的條件下對其作出各種改變、代替、及變更。
100‧‧‧電子裝置
102‧‧‧殼體
104、202‧‧‧顯示板
106‧‧‧邊框板
108‧‧‧感測區
110‧‧‧用戶的手指
200‧‧‧指紋識別系統
204‧‧‧光調節層
206‧‧‧圖像感測層
207‧‧‧光學感測元件
214‧‧‧護罩玻璃
216‧‧‧頂表面
220‧‧‧顯示層
222‧‧‧發光像素
222B‧‧‧發光像素/藍色發光像素
222G‧‧‧發光像素/綠色發光像素
222R‧‧‧發光像素/紅色發光像素
224‧‧‧阻擋層
226‧‧‧開口
240‧‧‧準直儀
242‧‧‧濾光膜
246‧‧‧孔徑
250‧‧‧環境光
252‧‧‧介電層
254‧‧‧覆蓋層
256‧‧‧防反射膜
258‧‧‧紅色光減少膜
260‧‧‧開口/溝槽
262‧‧‧接合線
264‧‧‧接合墊
266‧‧‧對準標記
269‧‧‧缺口隅角
270‧‧‧光
272‧‧‧脊部
274‧‧‧谷部
400‧‧‧方法
402-416、502-520‧‧‧方塊
500‧‧‧方法
600‧‧‧工件
602、1202‧‧‧半導體基板
d‧‧‧孔徑的直徑
D1‧‧‧像素距離
D2‧‧‧寬度/直徑
H‧‧‧孔徑的高度
Hd‧‧‧覆蓋層、濾光膜以及介電層的總厚度
Ht‧‧‧溝槽的深度
L1‧‧‧高度/長度
L2‧‧‧長度
W1‧‧‧寬度
結合附圖閱讀以下詳細說明，會最佳地理解本發明的各方面。應注意，根據業內標準慣例，各種特徵並非按比例繪製。事實上，為使論述清晰起見，可任意增大或減小各種特徵的尺寸。 圖1繪示根據本公開的各種方面，在表面空間上具有生物特徵量測感測區的電子裝置。 圖2繪示根據本公開的各種方面，在顯示板下方集成有光學感測器的電子裝置的剖面圖。 圖3A及圖3B繪示根據本公開的各種方面，在顯示板下方集成有光學感測器的電子裝置的生物特徵量測感測區的俯視圖。 圖4繪示根據本公開的各種方面，一種捕捉生物特徵量測圖像的方法的流程圖。 圖5繪示根據本公開的各種方面，一種製作在顯示板下方集成有光學感測器的電子裝置的方法的流程圖。 圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13及圖14繪示根據本公開的各種方面，在圖5所示方法的各種階段處的電子裝置的剖面圖。

Claims (1)

  1. 一種感測設備，包括： 圖像感測器； 準直儀，位於所述圖像感測器上方，所述準直儀具有孔徑陣列； 濾光層，位於所述準直儀與所述圖像感測器之間，其中所述濾光層被配置成過濾透射過所述孔徑陣列的一部分光；以及 照明層，位於所述準直儀上方。
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