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彩色滤光片、透明平坦层与微透镜:BSI 像素里三种不同的工作

彩色滤光片选择到达像素的光谱,透明基底层为滤光阵列上方准备表面,微透镜则把光引向感光区域。若把三者都理解成可以互相替代的“增感层”,就无法解释为什么流程需要依次完成这些不同工作。

滤光片选择光谱,不承担聚光形状的工作

光电二极管把吸收的光转化为收集的电荷。[P1]彩色图像传感器借助不同滤光材料,让相邻像素具有不同的光谱响应。材料随波长变化的透射和吸收特性参与颜色区分,最终彩色图像还依赖后续的像素信号处理。

本 Flow 的第 368 步在选定的像素位置形成绿色滤光材料。这是其中一轮颜色图形,并不是完整阵列的最终状态。流程随后还要完成其他颜色,再构建上方光学层。[S368]

Process checkpoint · 工艺坐标

40nmCFAStep 368
工艺截面示意图 · 40nm BSI CMOS Image Sensor · 步骤 368

理解 Color Filter - Green, Coat/Expose/Develop/Bake 的工艺作用

区分像素光学堆栈中的分色、表面准备与光线引导。

与「彩色滤光片、透明平坦层与微透镜:BSI 像素里三种不同的工作」相关的流程位置:40nm BSI CMOS Image Sensor · CFA · Step 368

像素光学:分色、平坦化与聚光
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透明基底层准备表面,同时仍处于光路中

不同颜色的图形会留下高度差与间隙。第 376 步通过透明涂层改善滤光阵列上方的平坦度,为后续透镜图形提供起始表面。若基底起伏直接传递到上层,透镜形状就可能同时受设计图形与下方地形影响。[S376]

透明不等于在光学上不存在。光仍要经过这层材料,因此它的光学性质和几何关系会与上下层共同影响传播。它在此处区别于滤光片的主要职责,是准备透镜形成的基底,而不是选择某一种颜色。

回流改变的是能够折射光线的表面形状

透镜图形化后,聚合物岛仍有较明显的边缘。第 378 步通过回流,使这些图形形成平滑曲面。表面张力与黏性流动驱动形状变化,形成的折射表面随后可把入射光引向预期感光区域。[S378] [P2]

沿着工作交接读流程

结构交付的作用图上观察位置
彩色滤光片让选定像素具有不同光谱响应图形化滤光材料的位置
透明基底层为透镜形成提供较平坦的起始表面滤光阵列上方的表面
微透镜改变入射光的传播方向上方曲面及其相对位置

这条三站对比省略了其他颜色和透镜图形化工序,用来解释从分色、表面准备到光线引导的交接,不代表完整制造顺序。

可以用一个问题检验理解:若顶部透镜很平滑,但下方滤光片错位,哪项工作完成了,哪项仍有问题?表面形状正确,本身不足以证明分色与对准都正确。

三种光学职责

第一张概念图特意表示已完成的滤色阵列,而所链接第 368 步只是绿色这一轮图形。透明层准备透镜基底,透镜曲面改变光路。这是独立职责示意,不是课程真实截面,也不表示工序紧邻。透镜轮廓不用于推断光线路径或定量聚光效果。回流论文研究显示应用的微透镜,只支持形状形成机理,不证明本传感器的集光效率。[P2]

已完成的红绿蓝滤色阵列表示光谱选择。
已完成的红绿蓝滤色阵列表示光谱选择。
透明层为已完成滤色阵列上方准备表面。
透明层为已完成滤色阵列上方准备表面。
微透镜在透明层上方增加曲面折射结构。
微透镜在透明层上方增加曲面折射结构。

独立原理示意;非课程截面、实测结果或工艺规格。

相关学习步骤

流程位置由下列当前审核通过的步骤标明,独立概念图的几何不来自这些课程截面: 绿色滤光图形、透明基底层形成和微透镜回流。步骤正文按落地页显示的阅读权限开放。

参考来源

[P1] 论文2014

A Review of the Pinned Photodiode for CCD and CMOS Image Sensors

E. Fossum, Donald B. Hondongwa · IEEE Journal of the Electron Devices Society

DOI: 10.1109/JEDS.2014.2306412

[P2] 论文2012

Microlens array production in a microtechnological dry etch and reflow process for display applications

T. Knieling, M. Shafi, W. Lang, W. Benecke

DOI: 10.2971/JEOS.2012.12007

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常见问题

微透镜能代替彩色滤光片吗?
不能。滤光片负责光谱选择,透镜负责改变光的传播方向;透镜平滑不能证明滤光或对准正确。
透镜前为什么要形成透明基底层?
它为滤光阵列上方的后续光学结构准备表面。“透明”表示能够透光,不表示堆栈中没有这层材料。
微透镜回流改变什么?
它通过黏性流动和表面张力把图形化聚合物重塑为曲面,得到的几何仍需与像素正确对准。
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