TWI868997B - 光感測元件及其製造方法 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種光感測元件及其製造方法，其中光感測元件包含一基板、一光作用區域、一濾波層及一碳化側壁。其中，光作用區域設置於基板上，濾波層覆蓋於光作用區域上，選擇性地僅允許一特定波長的光線通過被光作用區域接收，而阻擋其他波長的光線通過。碳化側壁覆蓋濾波層側壁及部分基板側壁，可阻擋該特定波長以外之其他波長的光線穿過基板側壁而被光作用區域接收。
Description
本發明係有關於一種光感測元件及其製造方法，特別係有關於一種選擇性地允許特定波長光線穿透之光感測元件及其製造方法。
帶通濾波器(Band Pass Filter，BPF)是一種光學元件，用來選擇性地允許一個特定波長範圍的光線穿透，同時將其他波長的光濾除。這種濾波器在光學感測裝置中非常有用，因為它可以用來分離和檢測一定區域內特定光線的波長或頻率，因而應用於生物醫學影像、環境監測等技術領域。
光帶通濾波器的工作原理基於光的干涉和反射，其通常由一個透明基板和多層薄膜結構組成。這些薄膜層在不同的材料中交替堆疊，並具有特定的光學厚度，以實現對特定波長的高透射率和對其他波長的高反射率。當光線照射到濾波器的表面時，它會進入濾波器的多層薄膜結構，在多層薄膜結構間的材料界面上，光會發生干涉和反射。由於不同波長的光在不同材料中傳播的速度不同，因此在多層薄膜結構之間的干涉會導致某些波長的光相位相加而增強，同時其他波長的光相位相消而減弱。通過適當的設計，濾波器的多層薄膜結構可以形成一個共振腔，使得特定波長的光能夠得到增強，同時其他波長的光會被反射或吸收，允許特定波長的光束能夠穿過濾波器，形成所謂的“帶通”效應。
然而，傳統的感測裝置雖得以帶通濾波器作為達成過濾特定光波長之目的，但於實際應用時仍有部分光線會進入感測裝置內部對光敏二極體介面產生光電流，影響檢測精準度。為克服上述問題，業界亟需一種創新的光感測結構及製造方法，以改善上述濾波不良的問題。
本發明的主要目的在於提供一種創新的光感測元件及其製造方法，以改善習知光感測元件因濾波不良造成錯誤訊號、降低感測精準度等問題。
為達上述目的，本發明提供一種光感測元件，其中光感測元件包含一基板、一光作用區域、一濾波層及一碳化側壁。其中，光作用區域設置於基板上，濾波層覆蓋於光作用區域上，選擇性地僅允許一特定波長的光線通過被光作用區域接收，而阻擋其他波長的光線通過。碳化側壁覆蓋濾波層側壁及部分基板側壁，可阻擋該特定波長以外之其他波長的光線穿過基板側壁而被光作用區域接收。
於一實施態樣中，濾波層係一帶通濾波層。
於一實施態樣中，碳化側壁之深度約小於基板厚度之1/4。
於一實施態樣中，碳化側壁之深度介於 40 μm至 50 μm。
於一實施態樣中，碳化側壁係以雷射高能光束照射濾波層側壁及部分基板側壁而成。
於一實施態樣中，特定波長的光線係具一波長範圍約 100 nm至 400 nm之紫外光。
於一實施態樣中，基板係一矽基板。
為達上述目的，本發明提供一種光感測元件之製造方法，包含：提供一基板；形成一光作用區域，設置於基板上；形成一濾波層，覆蓋於光作用區域上，選擇性地僅允許一特定波長的光線通過被光作用區域接收，而阻擋其他波長的光線通過；以及形成一碳化側壁，覆蓋濾波層側壁及部分基板側壁，其中，碳化側壁可阻擋特定波長以外之其他波長的光線穿過基板側壁而被光作用區域接收。
於一實施態樣中，形成碳化側壁之步驟係提供雷射高能光束，以照射濾波層側壁及部分基板側壁。
於一實施態樣中，形成碳化側壁之步驟係形成一深度約小於基板厚度之1/4之碳化側壁。
在參閱圖式及隨後描述之實施方式後，此技術領域具有通常知識者便可瞭解本發明之其他目的，以及本發明之技術手段及實施態樣。
以下將透過實施例來解釋本發明內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。需說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示，且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，並非用以限制實際比例。
請參閱圖1所示，其為本發明一實施例中光感測元件之結構示意圖。如圖所示，此實施例中光感測元件1包含一基板10、一光作用區域20、一濾波層30、一上部電極40、一下部電極50。其中，基板10作為光感測元件1的底部支撐材料，通常由光學透明的材料製成，以允許光線通過。基板10的材料通常選擇具有良好的光線穿透性材料，例如矽、石英等。於本發明之實施例中係以具有N型摻雜之矽基板10作為基板材料。至於基板10的厚度可以根據特定的應用需求和設計而調整，通常在數百微米(μm)至數毫米(mm)的範圍內。於本發明實施例中，矽基板10之厚度約 400 微米，其線電阻值約為0.008至0.0125 歐姆-厘米(Ω-cm)。
請繼續參閱圖1，光作用區域20包含一矽二極體光敏結構，設置於基板10上之中心區域，作為檢測光信號的部分，通常是一個P/N二極體光敏結構，用以接收特定波長的光線。其次，濾波層30係一帶通濾波(Band Pass Filter)層覆蓋於光作用區域20上，選擇性地僅允許一特定波長的光線通過而被光作用區域20所接收，並且阻擋其他波長的光線通過。於本發明之一實施態樣中，本發明濾波層30僅允許特定波長約 100 奈米(nm)至 400 奈米範圍之紫外光通過，並阻擋其他波長的光線，例如：400 奈米至 1100 奈米波長範圍的可見光與紅外光，避免被光作用區域20吸收。濾波層30乃多層薄膜結構，於本發明中，濾波層30可以是五氧化二鉭(Ta
2O
5)與二氧化矽(SiO
2)複合層，但並不僅限於此。上部電極40係設置於濾波層30中，下部電極50設置於基板10之背側，用於施加電場以控制濾波層30的光學特性。藉由電壓改變濾波層結構中介電層的折射率，可調整濾波的中心波長或帶寬。
本發明光感測元件1之一特徵在於更包含一碳化側壁60，設置於濾波層30周緣之側壁上及基板10部分周緣之側壁上，以減少外部側光對光作用區域20的干擾。如圖1所示，碳化側壁60用以阻擋前述波長約400 奈米至 1100 奈米範圍之可見光或紅外光等外部光線，經由光感測元件1中基板10及濾波層30周緣側壁進入光感測元件1內部被光作用區域20接收，進而產生錯誤訊號。於較佳實施態樣中，碳化側壁60之深度約小於基板10厚度之1/4，例如，其深度介於40微米至50微米，且碳化側壁60之寬度介於13微米至17微米，但並不僅限於此，實際碳化側壁60的深度與寬度可依據光感測元件1內光作用區域20之範圍對應調整，以發揮實質阻擋外部光線穿透至光作用區域之效果。
請合併參閱圖2至圖3，其顯示本發明一實施態樣中製造光感測元件之製程步驟。其中，圖2顯示一尚未進行分割之一晶圓100之部分結構示意圖。此晶圓100上已具有數個分割前光感測元件1之部分結構，包含基板10、光作用區域20、濾波層30、上部電極40及下部電極50，各構件功能請參照前述內容，茲不贅述。分割晶圓100之前，各光感測元件之間係屬功能無效區，如圖2虛線範圍所示，後續製程將於此功能無效區中進行分割之加工處理。
請參閱圖3，於此步驟中，將以雷射高能光束照射各光感測元件間之功能無效區域，使雷射高能光束聚焦能量於濾波層30之側壁及基板10之部分側壁，並使其碳化，進而於濾波層30之側壁及基板10之部分側壁上形成碳化側壁60，藉由熔融碳化之結構達到阻擋可見光與紅外光之效果。於實際應用中，使用高能雷射於無效區域上進行二次雷射切割，以於濾波層30之側壁及基板10之部分側壁上形成深度小於基板1/4厚度，例如介於40微米至50微米，且寬度介於13微米至17微米之碳化側壁60。如圖4所示，其顯示於本發明光感測元件中濾波層及基板周緣上碳化側壁之掃描電子顯微鏡放大圖，圖中虛線間之厚度T約為42微米。完成雷射加工後，最終再以輪刀切割方式切割晶圓100，以形成數個如圖1所示光感測元件1之最終結構。
綜上所述，本發明之光感測元件係藉由高能雷射於光感測元件側壁形成碳化側壁結構，藉以阻擋外部光線，特別是可見光及紅外光，經由元件側壁進入內部造成錯誤訊號，僅允許紫外光波長範圍的光線穿透進入元件內部，以提升光感測元件檢測之精準度。
上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣，以及闡釋本發明之技術特徵，並非用來限制本發明之保護範疇。任何熟悉此技術者可輕易完成之改變或均等性之安排均屬於本發明所主張之範圍，本發明之權利保護範圍應以申請專利範圍為準。
1:光感測元件
10:基板
20:光作用區域
30:濾波層
40:上部電極
50:下部電極
60:碳化側壁
100:晶圓
T:厚度
圖1為本發明一實施態樣中光感測元件之結構示意圖；
圖2為本發明一實施態樣中製造光感測元件之示意圖；
圖3為本發明一實施態樣中製造光感測元件之示意圖；及
圖4為本發明一實施態樣中碳化側壁之掃描電子顯微鏡放大圖。
1:光感測元件
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30:濾波層
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Claims (8)
- 一種光感測元件，包含：一基板；一光作用區域，設置於該基板上；一濾波層，覆蓋於該光作用區域上，選擇性地僅允許一特定波長的光線通過被該光作用區域接收，而阻擋其他波長的光線通過；以及一碳化側壁，覆蓋該濾波層側壁及部分該基板側壁，其中，該碳化側壁之深度約小於該基板厚度之1/4，可阻擋該特定波長以外之該其他波長的光線穿過該基板側壁而被該光作用區域接收。
- 如請求項1所述之光感測元件，其中該濾波層係一帶通濾波(Band Pass Filter)層。
- 如請求項1所述之光感測元件，其中該碳化側壁之深度介於40μm至50μm。
- 如請求項1所述之光感測元件，該碳化側壁係以雷射高能光束照射該濾波層側壁及部分該基板側壁而成。
- 如請求項1所述之光感測元件，其中該特定波長的光線係具一波長範圍約100nm至400nm之紫外光。
- 如請求項1所述之光感測元件，其中該基板係一矽基板。
- 一種光感測元件之製造方法，包含：提供一基板；形成一光作用區域，設置於該基板上；形成一濾波層，覆蓋於該光作用區域上，選擇性地僅允許一特定波長的光線通過被該光作用區域接收，而阻擋其他波長的光線通過；以及形成一碳化側壁，覆蓋該濾波層側壁及部分該基板側壁，其中，該碳化側壁之深度約小於該基板厚度之1/4，可阻擋該特定波長以外之該其他波長的光線穿過該基板側壁而被該光作用區域接收。
- 如請求項7所述光感測元件之製造方法，其中形成該碳化側壁之步驟係提供雷射高能光束，以照射該濾波層側壁及部分該基板側壁。
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