TWI475672B - 整合晶粒級攝像元件及其製造方法 - Google Patents

Description

整合晶粒級攝像元件及其製造方法

本發明係關於一種整合晶粒級攝像元件及其製造方法，特別關於一種多個攝像元件整合於同一晶粒之元件、系統與方法，該晶粒係從一晶圓上切割或移除而形成。

電子裝置，例如行動電話、智慧型手機、個人數位助理(PDA)等等，逐漸地在其中設置多個攝像元件。這些攝像元件具有不同的結構及性能特性。隨著技術逐漸發展，攝像元件專屬的功能性也漸漸提升。舉例而言，在典型的應用中，需要一個主要的攝像元件，其具有較高解析度、影像畫質，並且需要至少一額外的攝像元件，其具有較低解析度、成本、及影像品質等。一些特別的裝置可能包含二個以上的攝像元件，且每一個具有特定需求。其中一些攝像元件可以用來擷取影像，以及用來執行其他功能，例如判斷使用者的臉是否出現在其視角中、偵測光線強度、手勢識別等等。

在具有多個攝像元件的傳統的系統中，這些各別的攝像元件被設計、發展並製造出來，使得每一攝像元件能夠客製化以具有特定的功能。然而，對此傳統的方法，每一攝像元件都需要多種製程，而導致高成本的問題。此外，在一些系統中，防止一個影像系統的雜散光影響另一個影像系統的影像品質的問題也未得到解決。這問題會導致一或多個攝像元件與整體系統的性能產生實質的負面效應。

本發明係提供一種整合晶粒級攝像元件系統，其包含一第一晶粒級攝像元件以及一第二晶粒級攝像元件。第一晶粒級攝像元件係至少部分形成於一晶粒中，第二晶粒級攝像元件係至少部分形成於該晶粒中。整合晶粒級攝像元件系統亦包含一檔板，其係阻擋在該第一與該第二晶粒級攝像元件之間的雜散光。

本發明亦提供一種行動成像裝置，其包含複數晶粒級攝像元件，其係形成於單一晶粒。該等晶粒級攝像元件之至少其中之一係具有一第一組性能特徵，該等晶粒級攝像元件之至少其中之一具有一第二組性能特徵，該第二組性能特徵與該第一組性能特徵不相同。行動成像裝置更包含一檔板，其係阻擋該等晶粒級攝像元件之間的雜散光線。

本發明亦提供一種晶粒級攝像元件系統的製造方法，其包含：形成一第一晶粒級攝像元件，使其至少部分位於一晶粒；形成一第二晶粒級攝像元件，使其至少部分位於該晶粒；以及阻擋在該第一與該第二晶粒級攝像元件之間的雜散光線。

本發明亦提供一種行動成像裝置的製造方法，其包含：形成複數晶粒級攝像元件於單一晶粒，該等晶粒級攝像元件之至少一第一攝像元件係具有一第一組性能特徵，該等晶粒級攝像元件之至少一第二攝像元件具有一第二組性能特徵，該第二組性能特徵與該第一組性能特徵不相同；以及阻擋該等晶粒級攝像元件之間的雜散光線。

依據本發明，複數攝像元件係整合於單一裝置、模組或系統中，使得本發明實質上的成本較單獨的攝像元件之製造成本為少，這是由於本發明能夠縮減一些製造步驟。此外，本發明同時解決雜散光線的問題，以避免雜散光線從一攝像元件影響另一攝像元件的性能。

依據本發明之一些實施例，多個攝像元件係整合於單一整合攝像元件、系統或模組。在一些實施例中，攝像元件、系統或模組可以應用於一行動裝置，使得行動裝置具有多個，例如二個，攝像元件。需注意者，本發明係不限制整合於單一晶粒的晶粒級攝像元件之數量。而本實施例係以二個作為說明，這僅為簡化以易於說明。

在一實施例中，第一攝像元件Cam1係用以擷取高解析度(high definition,HD)影像及影片，而第二攝像元件Cam2係相對而言具有較低的解析度，例如140*160的畫素，並用以執行一些任務型應用(task-based application)。例如，任務型應用包含但不限於偵測光線強度、偵測臉的出現與否、偵測手勢等等。第二攝像元件Cam2需要一較簡單的設計、一較小的感測元件以及較低的調變轉換函數(modulation transfer function,MTF)之需求，而第一攝像元件Cam1需要一較大的感測器、以及例如16：9的圖像縱橫比(aspect ratio)、以及較高的調變轉換函數之需求。

一高解析度之攝像元件，例如第一攝像元件Cam1，其需要一較大感測器(具備16：9圖像縱橫比)、高解析度 以及高調變轉換函數。尤其，這樣具有高度不對稱的縱橫比之感測器也會對晶圓級光學元件(wafer-level optics,WLO)造成一些問題。在晶圓級光學元件中，本發明之整合晶粒級攝像器、模組或系統，其包含複數整合晶粒級攝像元件，並形成於一晶圓或基板之中、或堆疊的晶圓或基板之中，其伴隨多個其他整合晶粒級攝像器、模組或系統。晶粒級攝像元件係藉由類似半導體製程而形成，且其製程通常開始於已製造影像感測器於其中的半導體晶圓之上來製作。其他的製程可以使用模板(template)或製造樣板(fabrication master)及/或額外的晶圓或透鏡板對準半導體晶圓，藉以增設透鏡及其他元件位於影像感測器頂上。在製造的過程中，晶圓或堆疊晶圓的各別晶粒係藉由一些製程，例如分割、雷射切割等等，而彼此分離。藉由分離，就形成本發明之晶粒級攝像器、模組或系統，其中包含多個晶粒級攝像元件。如同積體電路一樣，一個製造完成的單位之成本係與晶粒尺寸有很大的關係；小尺寸之晶粒可為每一晶圓提供更多製造完成的單位。

圖1為16：9之高解析度攝像透鏡設置於一晶圓或一晶粒之中的示意圖，如圖1所示，通常，用以製造一透鏡之晶圓級光學元件方法係包含將多個圓形透鏡設置於一晶圓，該等圓形透鏡具有一直徑，該直徑至少與圖1所示之影像的對角線一樣長。在一實施例中，透鏡可為複數透鏡之組合，其中個別透鏡係形成於各別晶圓上(如第四圖所示)。當以此種方式形成時，一透鏡之晶圓可鑄模以致於各 透鏡之光學區域鄰近於鑄模材料(molded material)，該鑄模材料係使透鏡保持在適當位置，但光線不穿過完成的攝像元件；鑄模材料係結構性地附著但不用於光學作用，並在此被視為一透鏡設置場(lens yard)。如圖1所示，圓形透鏡14係由透鏡設置場16包圍，並具有一直徑，該直徑至少與16：9之感測器12的對角線一樣長。在此幾何圖案中，16：9圖像縱橫比導致晶圓的佈植區域變少，且導致每一晶圓的晶粒總數量下降，亦即每一晶圓的填充率(fill factor)下降，並且導致每一攝像元件具有相對高的成本。依據本發明，晶圓的填充率可藉由形成第二攝像元件Cam2之一第二感測器12A，如第一圖A所示，而被提升。

在同一元件上形成複數攝像元件的另一挑戰係涉及攝像元件的相對尺寸。舉例而言，在如上所定義的模組中其中一高解析度攝像元件(第一攝像元件Cam1)與一相對較小的第二攝像元件Cam2係被形成，二攝像元件之尺寸的差異帶來一些因難。圖2為具有複數攝像元件之框架之示意圖，其中，第一攝像元件Cam1與第二攝像元件Cam2係同時被設置。如第二圖所示，第一與第二攝像元件並排設置且相互鄰近，並位於一元件框架20內。如同第二圖之示意的尺寸，第二攝像元件Cam2相對較小，因此較難製造、切割及處理。此外，當第二攝像元件鄰設於第一攝像元件(如第二圖所示)，二攝像元件具有不同的總軌道長度(total track length,TTL)，這導致第二攝像元件之影像較暗。亦即，由於二攝像元件之總軌道長度的不同，當鄰設 於第一攝像元件時，第二攝像元件Cam2的視域(field of view,FOV)會被擋住。

依據本發明，上述問題之一解決方式係將二攝像元件整合於單一模組內。這可藉由使二攝像元件分享相同的透鏡板(lens plate)與樣板(master)而達成。此外，這兩感測器可形成於相同晶圓上，這導致顯著的成本優勢。這也使第一攝像元件之間空白區域得到更有效率的使用並解決關於第二攝像元件Cam2的處理問題。這方式也使得二攝像元件能夠一同分享關於發展與掌握一晶圓級光學元件之攝像元件的成本與時程。

第三圖包含二攝像元件，例如第一攝像元件Cam1與第二攝像元件Cam2，整合於單一模組的示意圖。模組30可包含複數層(其中每一層係以晶圓形式製成之透鏡而形成)31、32、34、36，該等層係相互堆疊，如圖所示。攝像元件Cam1、Cam2係整合於該等層或晶圓31、32、34、36之中。各攝像元件Cam1、Cam2具有其自己的視域，如第三圖所示。特別地，第一攝像元件之視域係由線段37所說明，第二攝像元件之視域係由線段39所說明。如第三圖所示，將多個攝像元件整合之一可能缺點在於，攝像元件之其中之一的孔徑(aperture)可能為另一攝像元件的雜散光來源。亦即，當二個或更多的攝像元件如第三圖所示而整合，每一攝像元件對從其他攝像元件之淨孔徑入射的雜散光線變得無法抵擋，特別是對在其他攝像元件之視域之外入射的光線。請參照第三圖，視域之外的漏光或雜散 光線係由線段33、35所說明。線段33係指視域之外的漏光，亦即從第二攝像元件Cam2之視域之外而照射至第一攝像元件Cam1的雜散光，因而影響第一攝像元件所產生之影像。同樣地，線段35係指視域之外的漏光，亦即從第一攝像元件之視域之外的漏光並照射至第二攝像元件Cam2的雜散光。

第四圖為本發明之一實施例之一整合攝像元件系統100之一剖面示意圖，整合攝像元件系統100包含複數攝像元件，如第一與第二攝像元件Cam1、Cam2，其可對雜散光線的問題提出解決方法。第四圖係第五圖沿線段A-A之一剖面示意圖。請參照第四圖，攝像元件系統100包含二攝像元件，於此指第一攝像元件102及第二攝像元件104，二者係形成於三層或晶圓之中。晶粒包括三層或晶圓，其中包含一底層106、一中間層108以及一上層110。第一攝像元件102之感測器112(其例如為如上所述之16：9圖像縱橫比之高解析度感測器)以及第二攝像元件104之感測器114係形成於底層106之上。此外，二攝像元件102、104分享複數擋板120，該等擋板120係位於各層106、108、110之上。此外，二攝像元件102、104具有孔徑光欄122，其係位於中間層108之底部。如此，攝像元件102、104之間的雜散光線即可被減少。

第五圖為第四圖所示剖面圖之攝像元件系統100之一前視示意圖。請參照第五圖，在第一攝像元件102內之至少一透鏡103係被分割以製造出空間或提供適當的空間給 第二攝像元件104之透鏡101。這並不會對第一攝像元件102之成像性能造成顯著的損失。亦即，第一攝像元件102之透鏡103被分割的部分在第一攝像元件102之感測器的成像上具有可被忽略的影響。依據一些實施例，該等透鏡係形成而彼此重疊，如同雙焦點鏡片(bifocal glasses)的幾何關係。依據另一些實施例，第二攝像元件104之透鏡101之一透鏡件係製造為與在同一晶圓上之第一攝像元件102之透鏡103之一透鏡件分享相同的凹面。亦即，凸、凹透鏡係形成於同一平面(如第四圖)。這可使所要整合的透鏡能同時被模成。此外，依據一些實施例，第二攝像元件104之總軌道長度(TTL)係延伸以符合第一攝像元件102之總軌道長度。這是可能的，因為第一攝像元件102所需的透鏡件的數量相對第二攝像元件104來得多。在一實施例中，這可藉由在第二攝像元件104中使用一個或多個透鏡而使第四圖所示的成像系統中從一影像平面轉換至另一平面而達成。

依據本發明之一實施例，第一攝像元件102的孔徑光欄係作為第二攝像元件104之一檔板。類似地，第二攝像元件104之孔徑光欄係作為第一攝像元件102之一檔板。這可以使第一攝像元件102與第二攝像元件104之間的雜散光線得到很好的消減效果。此外，第二攝像元件104的孔徑光欄與檔板並不需要額外的成本，因為它們可以和第一攝像元件102之檔板及孔徑光欄同時被形成。事實上，在一實施例中，第一攝像元件102及第二攝像元件104可 同時在相同的步驟中完成。

依據本發明，第一透鏡103與第二透鏡101係共同分享一透鏡設置場105。當透鏡103、101藉由透鏡複製技術製成時，透鏡設置場可讓光學聚合物同時分佈於二透鏡之中，並且讓二透鏡同時被複製，藉此可在不需額外製程的情況下提供二透鏡。如第四圖所示，第一攝像元件Cam1之透鏡以及第二攝像元件Cam2之透鏡係整合於單一透鏡樣板(lens master)。

第六圖為一電腦模擬圖，其描繪在攝像元件之間之雜散光線的消減。特別地，第六圖的圖形顯示光強度，光強度係由一偏軸角度(off-axis angle)的函數來表示。如第六圖所示，於偏軸角度，第一攝像元件102與第二攝像元件104的雜散光線被消減。在第六圖中，縱座標表示相對光強度，橫座標表示偏軸角度(度)。

第七圖為一整合攝像元件系統300的示意圖。請參照第七圖，系統300包含第一與第二攝像元件，例如如上所述之第一攝像元件102與第二攝像元件104，其二者係整合於相同的攝像元件系統300。如第七圖所示，系統300包含二光學孔徑，其位於模組的前表面。較大的孔徑係屬於第一攝像元件102，較小的孔徑係屬於第二攝像元件104。第二攝像元件104之較小孔徑係與第一攝像元件102之淨孔徑部分重疊。重疊的部分是可被接受的，因為它只遮掩影像的一部分，且該影像不會入射於第一攝像元件之影像感測器。

第八圖A及第八圖B為剖面示意圖，其顯示解決消減雜散光問題的二種方式。請參照第八圖A，此結構係關於一種“口袋透鏡”結構("lens in a pocket" structure)500。在此結構500中，複製的透鏡502係形成於一基板504上。在一實施例中，基板504例如為一玻璃基板。在此結構中，光阻擋間隔材料(light blocking spacer material)506係形成於基板504上，並鄰設且至少部分環繞透鏡502。光阻擋間隔材料506係阻擋雜散光，避免其到達透鏡502及其相關的整合攝像元件。此結構可以應用到此處詳細敘述的實施例中。

請參照第八圖B，此結構係關於一種“懸吊透鏡”結構("suspended lens" structure)600，其中透鏡602非設置於一基板上，而是懸吊於光阻擋間隔材料606內，並鄰設於光阻擋間隔材料606，且至少部分被光阻擋間隔材料606所環繞。光阻擋間隔材料606係阻擋雜散光，避免其到達透鏡602及其相關的整合攝像元件。此結構可以應用到此處詳細敘述的實施例中。

在上述任一實施例中，第一晶粒級攝像元件可具有第一性能特徵，第二晶粒級攝像元件可具有第二性能特徵。

在上述任一實施例中，第一晶粒級攝像元件可包含一第一孔徑光欄，第二晶粒級攝像元件可包含一第二孔徑光欄。第一與第二孔徑光欄係形成檔板。

在上述任一實施例中，該檔板可包含光阻擋間隔材料，光阻擋間隔材料環繞至少一個第一與第二晶粒級攝像 元件之一個或多個透鏡。

在上述任一實施例中，第一與第二晶粒級攝像元件可藉由一共同的樣板被同時形成。

在上述任一實施例中，第一與第二晶粒級攝像元件之其中之一之一較大的透鏡可被分割以為第一與第二晶粒級攝像元件之其中之另一提供一空間。

在上述任一實施例中，第一與第二晶粒級攝像元件之分享一共同平面之透鏡可具有相同的凹面。

在上述任一實施例中，第一與第二晶粒級攝像元件可具有實質相等的總軌道長度。

在上述任一實施例中，第一性能特徵可包含一第一解析度，第二性能特徵可包含一第二解析度，其小於第一解析度。

在上述任一實施例中，第一性能特徵可包含一第一調變轉換函數以達到高解析度成像，第二性能特徵可包含一第二調變轉換函數以進行任務成像，任務成像可包含偵測光強度、偵測臉存在與否以及偵測手勢之至少其中之一。

在上述任一實施例中，第一晶粒級攝像元件之透鏡與第二晶粒級攝像元件之透鏡可製造為相互平行。

在上述任一實施例中，在晶粒級攝像元件形成之後，晶粒可從一晶圓或堆疊晶圓上分離出來。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

12‧‧‧感測器

12A‧‧‧第二感測器

14‧‧‧圓形透鏡

16‧‧‧透鏡設置場

20‧‧‧元件框架

30‧‧‧模組

37、39、33、35‧‧‧線段

100‧‧‧攝像元件系統

101‧‧‧透鏡

102‧‧‧第一攝像元件

103‧‧‧透鏡

104‧‧‧第二攝像元件

105‧‧‧透鏡設置場

106‧‧‧底層

108‧‧‧中間層

110‧‧‧上層

112‧‧‧感測器

114‧‧‧感測器

120‧‧‧檔板

122‧‧‧孔徑光欄

300‧‧‧整合攝像元件系統

500‧‧‧口袋透鏡結構

504‧‧‧基板

502‧‧‧透鏡

506‧‧‧光阻擋間隔材料

600‧‧‧懸吊透鏡結構

606‧‧‧光阻擋間隔材料

602‧‧‧透鏡

第一圖為設置於一晶圓或晶粒之16：9高解析度感測器的佈線示意圖；第一圖A為鄰設於圖1所示之16：9高解析感測器之一第二感測器的示意圖；第二圖為具有複數攝像元件之裝置的示意圖，其中二攝像元件係同時被設置；第三圖為二攝像元件整合於單一模組的示意圖；第四圖為本發明之一實施例之一具有複數攝像元件之整合攝像元件結構之一剖面示意圖；第五圖為本發明之一實施例之一具有複數攝像元件之整合攝像元件結構之一前視示意圖；第六圖為一電腦模擬圖，其描繪依據本發明一實施例之多個攝像元件之間之雜散光線被消減；第七圖為本發明之一實施例之一整合攝像元件系統的示意圖；以及第八圖A及第八圖B為剖面示意圖，其顯示二種消減雜散光的方式。

100‧‧‧攝像元件系統

102‧‧‧第一攝像元件

104‧‧‧第二攝像元件

106‧‧‧底層

108‧‧‧中間層

110‧‧‧上層

112‧‧‧感測器

114‧‧‧感測器

120‧‧‧檔板

122‧‧‧孔徑光欄

Claims (16)

1. 一種整合晶粒級攝像元件之系統，包含：一第一晶粒級攝像元件，至少部分地形成於一晶粒中；一第二晶粒級攝像元件，至少部分地形成於該晶粒中；以及一檔板，係阻擋在該第一與該第二晶粒級攝像元件之間的雜散光；其中該第一晶粒級攝像元件包含一第一組複數透鏡件，該第二晶粒級攝像元件包含一第二組複數透鏡件，其中該第一晶粒級攝像元件之一透鏡件與該第二晶粒級攝像元件之一透鏡件係形成於一晶圓中；以及其中該第一與該第二晶粒級攝像元件之一之一較大的透鏡係被分割以提供空間給該第一與該第二晶粒級攝像元件之另一透鏡。
2. 如請求項第1項所述之整合晶粒級攝像元件之系統，其中該第一晶粒級攝像元件之一第一感測器與該第二晶粒級攝像元件之一第二感測器係形成於一晶圓中。
3. 如請求項第1項所述之整合晶粒級攝像元件之系統，其中該第一晶粒級攝像元件包含一第一孔徑光欄，該第二晶粒級攝像元件包含一第二孔徑光欄，該第一與該第二孔徑光欄係形成為該檔板。
4. 如請求項第1項所述之整合晶粒級攝像元件之系統，其中該第一與該第二晶粒級攝像元件之分享一共同晶圓之該等透鏡件係具有相同凹面。
5. 如請求項第1項所述之整合晶粒級攝像元件之系統，其中該第一與該第二晶粒級攝像元件係具有實質相等的總軌道長度。
6. 一種行動成像裝置，包含：複數晶粒級攝像元件，係形成於一共同晶粒之中，該等晶粒級攝像元件之至少之一係具有一第一組性能特徵，該等晶粒級攝像元件之至少之一具有一第二組性能特徵，該第二組性能特徵與該第一組性能特徵不相同；以及一檔板，係阻擋該等晶粒級攝像元件之間的雜散光線；其中該第一與該第二晶粒級攝像元件之一之一較大的透鏡係被分割以提供空間給該第一與該第二晶粒級攝像元件之另一透鏡。
7. 如請求項第6項所述之行動成像裝置，其中該等晶粒級攝像元件之一第一攝像元件包含一第一孔徑光欄，該等晶粒級攝像元件之一第二攝像元件係包含一第二孔徑光欄，該第一與該第二孔徑光欄係形成該檔板。
8. 如請求項第6項所述之行動成像裝置，其中該第一性能特徵包含一第一調變轉換函數以利於高解析度成像，該第二性能特徵包含一第二調變轉換函數以利於任務型成像。
9. 如請求項第8項所述之行動成像裝置，其中該任務型成像包含偵測光強度、偵測臉存在與否以及偵測手勢之至少其中之一。
10. 一種晶粒級攝像元件系統之製造方法，包含：形成一第一晶粒級攝像元件於一晶粒之至少部分之中；形成一第二晶粒級攝像元件於該晶粒之至少部分之中；阻擋在該第一與該第二晶粒級攝像元件之間的雜散光線；以及其中該第一晶粒級攝像元件包含一第一組複數透鏡件，該第二晶粒級攝像元件包含一第二組複數透鏡件，而該第一與該第二晶粒級攝像元件之一之一較大的透鏡係被分割以提供空間給該第一與該第二晶粒級攝像元件之另一透鏡；形成該第一晶粒級攝像元件之一透鏡件與該第二晶粒級攝像元件之一透鏡件於一晶圓中。
11. 如請求項第10項所述之晶粒級攝像元件系統之製造方法，更包含： 形成該第一晶粒級攝像元件之一第一感測器以及該第二晶粒級攝像元件之一第二感測器於一晶圓中。
12. 如請求項第10項所述之晶粒級攝像元件系統之製造方法，其中該阻擋雜散光線包含形成一檔板。
13. 如請求項第10項所述之晶粒級攝像元件系統之製造方法，更包含：形成該第一晶粒級攝像元件之一第一孔徑光欄與該第二晶粒級攝像元件之一第二孔徑光欄之至少之一。
14. 如請求項第10項所述之晶粒級攝像元件系統之製造方法，其中該第一與該第二晶粒級攝像元件之該等透鏡件係藉由一共同樣板同時形成。
15. 如請求項第10項所述之晶粒級攝像元件系統之製造方法，更包含：在形成該第一與該第二晶粒級攝像元件之後，將該晶粒從一堆疊晶圓分離。
16. 一種行動成像裝置之製造方法，包含：形成複數晶粒級攝像元件於單一晶粒，該等晶粒級攝像元件之至少一第一攝像元件係具有一第一組性能特徵，該等晶粒級攝像元件之至少一第二攝像元件具有一 第二組性能特徵，該第二組性能特徵與該第一組性能特徵不相同；阻擋該等晶粒級攝像元件之間的雜散光線；以及其中該第一晶粒級攝像元件包含一第一組複數透鏡件，該第二晶粒級攝像元件包含一第二組複數透鏡件，而該第一與該第二晶粒級攝像元件之一之一較大的透鏡係被分割以提供空間給該第一與該第二晶粒級攝像元件之另一透鏡；形成該第一晶粒級攝像元件之一透鏡件與該第二晶粒級攝像元件之一透鏡件於一晶圓中。