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TWI812038B - 影像感測器及其影像偵測方法 - Google Patents

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TWI812038B
TWI812038B TW111107663A TW111107663A TWI812038B TW I812038 B TWI812038 B TW I812038B TW 111107663 A TW111107663 A TW 111107663A TW 111107663 A TW111107663 A TW 111107663A TW I812038 B TWI812038 B TW I812038B
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image sensor
dielectric layer
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voltage
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TW202324718A (zh
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蔡維隆
陳皇任
吳慶強
張育淇
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采鈺科技股份有限公司
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Publication date
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Abstract

一種影像感測器包括複數個液體透鏡（liquid-lens）單元，其包括：下電極和上電極；介電層，設置於下電極和上電極之間；容納空間（containment space），設置於介電層和上電極之間；以及非極性（non-polar）液體和極性（polar）液體，填入容納空間中，其中非極性液體和極性液體彼此不混溶。非極性液體被配置以在第一電壓下於介電層上佔據第一接觸面積，且在第二電壓下於介電層上佔據第二接觸面積。第一接觸面積大於第二接觸面積，而第二電壓高於第一電壓。

Description

影像感測器及其影像偵測方法
本揭露實施例是關於影像感測器，特別是關於影像感測器的動態液體透鏡(liquid-lens)單元及偵測影像的方法。
影像感測器，如互補式金屬氧化物半導體影像感測器(complementary metal oxide semiconductor image sensor,CIS)，被廣泛地運用在影像拍攝設備中，如數位靜止影像相機、數位攝影相機、以及其他類似設備。影像感測器的光感測部可偵測環境中的色彩變化，並可根據光感測部接收到的光量產生訊號電荷。此外，可傳輸並放大在光感測部中所產生的訊號電荷，從而獲得影像訊號。
由於影像訊號大多取決於光量接收，在黑暗的環境中或在低亮度的環境中操作影像感測器可能會嚴重地影響所得影像的品質。嚴重的效應包括重像(ghosting)、雜訊(noise)、以及模糊(blur)。儘管在影像偵測期間可使用閃光來增加曝光，需要被照亮的裝置可能增加製造成本。因此，上述及相關問題需要透過影像感測器的設計和製造解決。
在一實施例中，一種影像感測器包括複數個液體透鏡(liquid-lens)單元，其包括：下電極和上電極；介電層，設置於下電極和上電極之間；容納空間(containment space)，設置於介電層和上電極之間；以及非極性(non-polar)液體和極性(polar)液體，填入容納空間中，其中非極性液體和極性液體彼此不混溶。非極性液體被配置以在第一電壓下於介電層上佔據第一接觸面積，且在第二電壓下於介電層上佔據第二接觸面積。第一接觸面積大於第二接觸面積，而第二電壓高於第一電壓。
在另一實施例中，一種影像感測器的影像偵測方法，包括：連接下電極和上電極至電源；由電源透過下電極和上電極供應第一電壓至影像感測器以產生第一影像；由電源透過下電極和上電極供應第二電壓至影像感測器以產生第二影像；以及使用演算法(algorithm)結合第一影像和第二影像成為最終影像。
10:影像感測器
20:影像感測器
100:基底
102:感測部
104:深溝槽隔離結構
106:抗反射層
108:間隔物結構
110:彩色濾光單元
112:下電極
112H:孔洞
112M:膜層部
114:介電層
116:非極性液體
118:非極性液體
118-1:彩色液體
118-2:彩色液體
118-3:彩色液體
120:極性液體
122:畫素壁
124:上電極
126:蓋板
130:電源
A-A’:線段
以下將配合所附圖式詳述本揭露實施例之各面向。應注意的是，依據在業界的標準做法，各種特徵並未按照比例繪製。事實上，可任意地放大或縮小各種元件的尺寸，以清楚地表現出本揭露實施例的特徵。
第1A圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器在第一操作狀態下的剖面示意圖。
第1B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器在第一操作狀態下的上示圖。
第1C圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器的一部分的立體圖。
第2A圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器在第二操作狀態下的剖面示意圖。
第2B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器在第二操作狀態下的上示圖。
第3圖是根據本揭露的一些實施例，結合影像感測器在第一操作狀態下所產生的影像與影像感測器在第二操作狀態下的所產生的影像的流程圖。
第4A圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器在第一操作狀態下的剖面示意圖。
第4B圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器在第一操作狀態下的上示圖。
第5A圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器在第二操作狀態下的剖面示意圖。
第5B圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器在第二操作狀態下的上示圖。
以下揭露提供了許多不同的實施例或範例，用於實施本發明的不同部件。組件和配置的具體範例描述如下，以簡化本揭露實施例。當然，這些僅僅是範例，並非用以限定本揭露實施例。舉例來說，敘述中提及第一部件形成於第二部件之上，可包括形成第一和第二部件直接接觸的實施例，也可包括額外的部件形成於第 一和第二部件之間，使得第一和第二部件不直接接觸的實施例。
應理解的是，額外的操作步驟可實施於所述方法之前、之間或之後，且在所述方法的其他實施例中，部分的操作步驟可被取代或省略。
此外，與空間相關用詞，例如「在...下方」、「下方」、「較低的」、「在...上方」、「上方」、「較高的」和類似用語可用於此，以便描述如圖所示一元件或部件和其他元件或部件之間的關係。這些空間用語企圖包括使用或操作中的裝置的不同方位，以及圖式所述的方位。當裝置被轉至其他方位(旋轉90°或其他方位)，則在此所使用的空間相對描述可同樣依旋轉後的方位來解讀。
在本揭露實施例中，「約」、「大約」、「大抵」之用語通常表示在一給定值或範圍的±20%之內，或±10%之內，或±5%之內，或±3%之內，或±2%之內，或±1%之內，或甚至±0.5%之內。在此給定的數量為大約的數量。亦即，在沒有特定說明「約」、「大約」、「大抵」的情況下，仍可隱含「約」、「大約」、「大抵」之含義。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與所屬技術領域中具有通常知識者所通常理解的相同涵義。應能理解的是，這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在本揭露實施例中有特別定義。
以下所揭露之不同實施例可能重複使用相同的參考符號及/或標記。這些重複係為了簡化與清晰的目的，並非用以主 導所討論的各種實施例及/或結構之間的關係。
為了回應在低亮度的環境中操作影像感測器，所得影像的品質已經成為關鍵的顧慮。提高影像品質的傳統方法是使用閃光燈的光線對物體進行曝光。然而，包括提供閃光燈的裝置增加了製造成本。根據本揭露的一些實施例，整合複數個液體透鏡(liquid-lens)單元於影像感測器中。傳統上，微透鏡為定形的固體，用於將入射光線穿過下方的彩色濾光單元而匯聚到埋入於基底內的複數個感測部上。換言之，藉由替換固態的微透鏡，影像感測器成為一種多功能的結構。動態液體透鏡可在施加不同電壓水平而改變其形狀。舉例來說，當電源供應15V以上的電壓時，可將動態液體透鏡由分散狀態轉變為集中狀態，其機制將於下詳述。當動態液體透鏡處於分散狀態時，影像感測器的功能類似於任何傳統的影像感測器結構。然而，當動態液體透鏡處於集中狀態時，可允許更多的入射光進入影像感測器以供影像偵測。
當在高亮度的環境中操作時，影像感測器可在足夠的光量下偵測到具有相對高品質的影像。本揭露提供了一種在低亮度的環境下擷取影像的創新方法，其影像可與在高亮度的環境下獲得的影像擁有相同的品質。本揭露的複數個液體透鏡單元可透過調整電壓來提升擷取影像的品質，從而提高影像品質。因此，即使沒有閃光燈，影像感測器在低亮度的環境中操作可與在高亮度的環境中操作一樣有效率。由於影像感測器的操作本來就需要電源供應，對複數個液體透鏡單元供應額外的電壓不會增加任何製造成本。
第1A圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10在第一操作狀態下的剖面示意圖。在一些實施例中，影像感測器實 際上可能包含數百萬個感測器單元。為了簡化起見，第1A圖僅顯示了實際影像感測器的一部分。根據本揭露的一些實施例，影像感測器10包括基底100、複數個感測部102、複數個深溝槽隔離(deep trench isolation,DTI)結構104、抗反射層106、間隔物結構108、複數個彩色濾光單元110，以及複數個液體透鏡單元。在本實施例中，複數個液體透鏡單元分別對應設置在複數個彩色濾光單元110之上。此外，複數個彩色濾光單元110分別設置對應複數個感測部102。在一些實施例中，複數個液體透鏡單元包括下電極112、介電層114、非極性(non-polar)液體116、極性(polar)液體120、畫素壁122、上電極124、以及蓋板126。根據本揭露的一些實施例，連接電源130至下電極112和上電極124以供應需要的電壓。在第一操作狀態下，藉由電源130施加介於約0V和15V範圍之間的電壓。
在一些實施例中，介電層114係以非導電介電材料所形成，其為疏水性(hydrophobic)。當在疏水性質的介電層114上設置非極性液體116與極性液體120時，極性液體120可被介電層114排斥，而非極性液體116可被介電層114吸引。如第1A圖所示，非極性液體116完全覆蓋介電層114的表面，使得介電層114和極性液體120實質上被非極性液體116隔離。當電源130不提供任何電壓電壓(0V)或相對低的電壓(例如低於15V)時，複數個液體單元的排列可維持如第1A圖所示。
然而，當電源130供應相對高的電壓(例如高於15V)時，正電荷和負電荷可分別排列在介電層114的上表面和下表面上。當施加這樣的電壓時，產生電場並將介電層114由疏水性轉變為親水性(hydrophilic)。如第2A圖所示，介電層114開始吸引極性液 體120，而排斥非極性液體116。介電層114表面的潤濕性被電場改變，而這種現象被稱為電潤濕行為(electrowetting behavior)。電潤濕元件通常用於反射顯示器。發明人發現，將展現電潤濕行為的動態液體透鏡整合於影像感測器10中可在低亮度的環境中能有更優越的性能。
在一些實施例中，基底100可為例如晶圓或晶粒，但本揭露實施例並不以此為限。在一些實施例中，基底100可為半導體基底，例如矽基底。此外，在一些實施例中，半導體基底亦可為：元素半導體(elemental semiconductor)，包括鍺(germanium)；化合物半導體(compound semiconductor)，包含氮化鎵(gallium nitride,GaN)、碳化矽(silicon carbide,SiC)、砷化鎵(gallium arsenide,GaAs)、磷化鎵(gallium phosphide,GaP)、磷化銦(indium phosphide,InP)、砷化銦(indium arsenide,InAs)及/或銻化銦(indium antimonide,InSb)；合金半導體(alloy semiconductor)，包含矽鍺(silicon germanium,SiGe)合金、磷砷鎵(gallium arsenide phosphide,GaAsP)合金、砷鋁銦(aluminum indium arsenide,AlInAs)合金、砷鋁鎵(aluminum gallium arsenide,AlGaAs)合金、砷鎵銦(gallium indium arsenide,GaInAs)合金、磷鎵銦(gallium indium phosphide,GaInP)合金、及/或砷磷鎵銦(gallium indium arsenide phosphide,GaInAsP)合金、或其組合。在一些實施例中，基底100可為光電轉換(photoelectric conversion)基底，如矽基底或有機光電轉換層。
在其他實施例中，基底100也可以是絕緣層上半導體 (semiconductor on insulator,SOI)基底。絕緣層上半導體基底可包含底板、設置於底板上之埋入式氧化物(buried oxide,BOX)層、以及設置於埋入式氧化物層上之半導體層。此外，基底100可為N型或P型導電類型。
如上述，基底100可包括複數個深溝槽隔離結構104以定義主動區(或感測單元)，並電性隔離基底100之內或之上的主動區部件，但本揭露實施例並不以此為限。在一些實施例中，可套用其他隔離結構作為替代方案。淺溝槽隔離(shallow trench isolation,STI)結構和局部矽氧化(local oxidation of silicon,LOCOS)結構為其他隔離結構的範例。在一些實施例中，形成複數個深溝槽隔離結構104可包括例如在基底100上形成絕緣層，選擇性地蝕刻絕緣層和基底100以形成由基底100頂面延伸至基底100內的溝槽，其中溝槽位於相鄰感測部102之間。接著，形成複數個深溝槽隔離結構104可包括沿著溝槽成長富含氮(如氧氮化矽(silicon oxynitride,SiON))的襯層，再以沉積製程將絕緣材料(例如二氧化矽(silicon dioxide,SiO2)、氮化矽(silicon nitride,SiN)、或氮氧化矽)填入溝槽中。之後，對溝槽中的絕緣材料進行退火製程，並對基底100進行平坦化製程以移除多餘的絕緣材料，使溝槽中的絕緣材料與基底100的頂面齊平。
在一些實施例中，基底100可包括各種以如離子佈植及/或擴散製程所形成之P型摻雜區及/或N型摻雜區(未繪示)。在一些實施例中，可在主動區(以複數個深溝槽隔離結構104所定義)形成電晶體、光電二極體(photodiode)、或其他類似元件。
在基底100中埋入複數個感測部102。在一些實施例 中，複數個感測部102為光電二極體。配置每個感測部102用以感測光，並根據落在其上之光強度產生強度訊號。藉由強度訊號形成影像訊號。
在基底100上設置抗反射層106。在一些實施例中，配置抗反射層106以減少傳輸至複數個感測部102的光被反射。在一些實施例中，抗反射層106的設置是水平地對應於(或是平行相對於)感測部102的陣列。在一些實施例中，抗反射層106的材料可包括氧氮化矽(SiOxNy，其中x和y係在0至1的範圍)。可藉由任何合適的沉積製程形成抗反射層106。
在一些實施例中，在抗反射層106和基底100上設置複數個彩色濾光單元110，其對應至感測部102的陣列。在一些實施例中，複數個彩色濾光單元110的高度可介於大約0.3μm和2.0μm之間。在一些實施例中，複數個彩色濾光單元110可為紅色、綠色、藍色、白色、或紅外線(infrared)。複數個彩色濾光單元110的每一個可對應至影像感測器10的個別感測部102，複數個彩色濾光單元110的顏色取決於影像感測器10的需求。個別感測部102，如光電二極體，可將所接收到的光訊號轉換成電子訊號。根據本揭露的一些實施例，在基底100上並於間隔物結構108所定義的空間內沉積複數個彩色濾光單元110，其間隔物結構108將於下詳述。可藉由一系列不同步驟的塗佈、曝光、和顯影製程形成複數個彩色濾光單元110。替代地，可藉由噴墨印刷(ink-jet printing)形成複數個彩色濾光單元110。
在一些實施例中，複數個彩色濾光單元110的每一個允許預定範圍的光波長透過。舉例來說，紅色濾光單元允許在 620nm至750nm範圍的光波長(紅光)傳輸至對應的感測部102，綠色濾光單元允許在495nm至570nm範圍的光波長(綠光)傳輸至對應的感測部102，而藍色濾光單元允許在450nm至495nm範圍的光波長(藍光)傳輸至對應的感測部102。
參照第1A圖，在複數個彩色濾光單元110之間設置間隔物結構108。在一些實施例中，間隔物結構108連接至並圍繞複數個彩色濾光單元110的每一個。此外，在抗反射層106和基底100上設置間隔物結構108，並露出感測部102正上方的區域或劃分感測部102的陣列。根據本揭露的一些實施例，間隔物結構108的折射率(refractive index)可低於複數個彩色濾光單元110的折射率。折射率係物質改變光速的特性，其為真空中的光速除以物質中的光速所獲得的數值。當光在兩個不同的材料之間以一個角度傳播時，折射率決定了光傳播(折射)的角度。根據本揭露的一些實施例，間隔物結構108的折射率大約介於1.0和1.5之間，而複數個彩色濾光單元110的折射率大約介於1.3和2.0之間。由於光傾向朝著具有較高折射率的介質，複數個彩色濾光單元110和間隔物結構108可形成光導管結構以引導光至複數個感測部102。換言之，當入射光線進入複數個彩色濾光單元110時，間隔物結構108可在特定彩色濾光單元110內隔離入射光線以達到光阱(light-trapping)作用。
間隔物結構108的材料可包括透明介電材料。首先，在基底100上塗佈隔離材料層。接著，在隔離材料層上塗佈硬遮罩層(未繪示)。在一些實施例中，硬遮罩層的材料為光阻。對硬遮罩層進行光微影製程以圖案化。接著，藉由使用圖案化後的硬遮罩層對隔離材料層進行蝕刻製程。蝕刻製程可為乾蝕刻。在蝕刻製程 之後，在基底100上移除一部分的隔離材料層，並在其中形成複數個開口。如先前所提及，後續將以複數個彩色濾光單元110填入開口。
在完成複數個彩色濾光單元110時，可於其上製造複數個液體透鏡單元。首先，在間隔物結構108和複數個彩色濾光單元110的頂面上形成下電極112。可將下電極112和上電極124(將於下詳述)連接至電源130。如先前所提及，電源130透過下電極112和上電極124供應電壓，從而在介電層114的表面上產生電場。可藉由化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)、物理氣相沉積(physical vapor deposition,PVD)、高密度電漿化學氣相沉積(high-density plasma chemical vapor deposition,HDP-CVD)、電漿輔助化學氣相沉積(plasma-enhanced chemical vapor deposition,PECVD)、流動性化學氣相沉積(flowable chemical vapor deposition,FCVD)、次大氣壓化學氣相沉積(sub-atmospheric chemical vapor deposition,SACVD)、濺鍍(sputtering)、其他類似方法、或其組合形成下電極112。
下電極112的材料可包括透明導電材料，例如非晶矽(amorphous silicon)、多晶矽(polysilicon)、多晶矽鍺、金屬氮化物(如氮化鈦(titanium nitride,TiN)、氮化鉭(tantalum nitride,TaN)、氮化鎢(tungsten nitride,WN)、氮化鈦鋁(titanium aluminum nitride,TiAlN)、或其他類似材料)、金屬矽化物(如矽化鎳(nickel silicide,NiSi)、矽化鈷(cobalt silicide,CoSi)、矽氮化鉭(tantalum silicon nitride,TaSiN)、 或其他類似材料)、金屬碳化物(如碳化鉭(tantalum carbide,TaC)、碳氮化鉭(tantalum carbonitride,TaCN)、或其他類似材料)、金屬氧化物(如氧化鎂(magnesium oxide,MgO)、氧化鋅(zinc oxide,ZnO)、鋁摻雜氧化鋅(aluminum-doped zinc oxide,AZO)、鎵摻雜氧化鋅(gallium-doped zinc oxide,GZO)、銦摻雜氧化鋅(indium-doped zinc oxide,IZO)、或其他類似材料)、透明有機導電材料、以及金屬。透明有機導電材料可選自導電聚合物，如噻吩基導電聚合物(thiophene-base conductive polymer)、聚苯腔(polyaniline)、以及聚吡咯(polypyrrole)。金屬可包括鈷(cobalt,Co)、釕(ruthenium,Ru)、鋁(aluminum,Al)、鎢(tungsten,W)、銅(copper,Cu)、鈦(titanium,Ti)、鉭(tantalum,Ta)、銀(silver,Ag)、金(gold,Au)、鉑(platinum,Pt)、鎳(nickel,Ni)、鋅(zinc,Zn)、鉻(chromium,Cr)、鉬(molybdenum,Mo)、鈮(niobium,Nb)、其他類似材料、其組合，或其多膜層，但不以此為限。下電極112的厚度可介於約50nm和500nm之間，例如介於約100nm和200nm之間。
在沉積之後，可使用光微影和蝕刻製程圖案化下電極112以在膜層內創造出不連續性特徵。不連續性特徵可為複數個孔洞112H(如第1C圖所示)。由於複數個孔洞112H為空的空間(其當然為非導電的)，而所產生的電場不能延伸至複數個孔洞112H。當非極性液體116被電場排斥時，可被驅離至介電層114上的隔離區，其隔離區對應下方的下電極112的複數個孔洞112H(將參照第2A圖說明)。
參照第1A圖，在下電極112上形成介電層114。如上所述，介電層114的性質可在疏水性狀態和親水性狀態之間互換，取決於產於其上的電場強度。在疏水性狀態下，介電層114排斥極性液體120，僅允許介電層114和極性液體120之間最小的接觸面積(或完全不接觸)。在親水性狀態下，介電層114吸引極性液體120，使得可觀察到介電層114和極性液體120之間的最大接觸面積。舉例來說，最小接觸面積可小於可用接觸面積的50%，而最大接觸面積可大於可用接觸面積的50%。可藉由化學氣相沉積、高密度電漿化學氣相沉積、電漿輔助化學氣相沉積、流動性化學氣相沉積、次大氣壓化學氣相沉積、其他類似方法、或其組合形成介電層114。介電層114的材料可包括透明含氟聚合物、或其他類似材料。介電層114的厚度可介於約1nm和50nm之間，例如介於約5nm和10nm之間。
參照第1A圖。畫素壁122可垂直設置於介電層114上。在一些實施例中，畫素壁122可為分隔構件(partition member)，用來分隔容納空間(containment space)，其後續將被定義於介電層114和上電極124之間。根據本揭露的一些實施例，畫素壁122在介電層114和上電極124之間提供垂直支撐，從而維持其間的空間。再者，畫素壁122的分隔構件將容納空間分隔成複數個單元，進而實現複數個液體透鏡單元的基礎結構。在一些實施例中，複數個液體透鏡單元的所有部件可為透明的，使光能夠傳輸。在其他實施例中，只有畫素壁122可為不透明的，以消除相鄰單元之間的串擾(cross talk)。應理解的是，畫素壁122的材料必須不溶於非極性液體116和極性液體120，且不會與非極性液體116或極性液體120發生任何化學反應。畫素壁122的形成可與間隔物結構 108類似，其細節將不於此重複贅述。畫素壁122的示例性材料可包括聚合物材料，如丙烯酸(acrylic)樹脂和環氧樹脂。畫素壁122的寬度可介於約10nm和1000nm之間，例如介於約50nm和100nm之間。畫素壁122的高度可介於約500nm和3000nm之間，例如介於約1000nm和2000nm之間。
根據本發明的替代實施例，可對畫素壁122的表面進行親水處理(hydrophilic treatment)，以確保與極性液體120的相容性。可藉由紫外線照射(ultraviolet irradiation)、氧電漿照射(oxygen plasma irradiation)、雷射照射(laser irradiation)、或其他類似方法進行親水處理。
參照第1A圖，複數個液體透鏡單元的每一個保有非極性液體116，其複數個液體透鏡單元被畫素壁122分隔開。具體來說，畫素壁122避免每個單元內的非極性液體116遷移(流出)至鄰近單位。當在介電層114的表面上沒有產生電場時，在複數個液體透鏡單元的每一個中，非極性液體116針對電潤濕應具有足夠的量以覆蓋介電層114上的最大接觸面積。在一些實施例中，非極性液體116包含疏水性有機溶劑作為介質。示例性疏水性有機溶劑可包括具有6至35個碳原子的烴(hydrocarbon)，如己烷(hexane)、辛烷(octane)、癸烷(decane)、十二烷(dodecane)、十六烷(hexadecane)、十一烷(undecane)、苯(benzene)、甲苯(toluene)、二甲苯(xylene)、均三甲苯(mesitylene)、丁苯(butylbenzene)、1,1-二苯基乙烯(1,1-diphenylethylene)、矽油(silicone oil)、其他類似材料、或其組合。一般來說，非極性液體116可為非導電性的，具有低粘度(viscosity)，且可與極 性液體120不混溶。
參照第1A圖，除了非極性液體116之外，複數個液體透鏡單元的每一個也保有極性液體120，其複數個液體透鏡單元被畫素壁122分隔開。非極性液體116和極性液體120皆設置在介電層114和上電極124之間。如先前所提及，非極性液體116和極性液體120是分隔開的部件，其皆被侷限於複數個液體透鏡單元的每一個內。在一些實施例中，非極性液體116和極性液體120皆為可移動的流體。極性液體120可包括具有極性的透明材料。示例性的材料包括水、酒精、酸、和含有電解質(例如氯化鉀(potassium chloride,KCl)、氯化鈉(sodium chloride,NaCl)、其他類似材料、或其組合)的水溶液。根據本揭露的一些實施例，非極性液體116的折射率大於極性液體120的折射率，使得入射光線導向非極性液體116。當複數個液體透鏡單元的每一個的尺寸夠小時(例如介於約0.5μm和0.6μm之間)，地心引力對每個單元內的非極性液體116和極性液體120的影響是很小的。
參照第1A圖，在畫素壁122上形成上電極124，其覆蓋非極性液體116和極性液體120。在一些實施例中，上電極124將非極性液體116和極性液體120侷限在複數個液體透鏡單元的每一個內，其複數個液體透鏡單元藉由畫素壁122分隔開。如先前所提及，連接下電極112和上電極124至電源130。上電極124的材料和形成方法可與下電極112類似，其細節將不於此重複贅述。上電極124的厚度可介於約50nm和500nm之間，例如介於約100nm和200nm之間。可圖案化上電極124相對於下電極112，但這樣的圖案化為可選的。根據本揭露的一些實施例，上電極124可保持為連續 性的結構。
參照第1A圖，在上電極124上形成蓋板126。在一些實施例中，蓋板126可對下方的結構提供機械保護。在其他實施例中，蓋板126也可施加足夠的壓力或力以確保下方的上電極124完全地密封複數個液體透鏡單元的每一個。可以例如可透光絕緣材料(如玻璃或透明樹脂)形成蓋板126。示例性的透明樹脂包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate,PET)樹脂、聚碳酸酯(polycarbonate,PC)樹脂、聚酰亞腔(polyimide,PI)樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylates,PMMA)、聚苯乙烯樹脂(polystyrene resin)、聚醚砜(polyethersulfone,PES)樹脂、聚噻吩(polythiophene,PT)樹脂、酚醛清漆(phenol novolac,PN)、其他類似材料，或其組合。在一些實施例中，可藉由上述任何一種沉積方法形成蓋板126，其細節將不於此重複贅述。蓋板126的厚度可介於約1μm和50μm之間，例如介於約5μm和15μm之間。
參照第1A圖，本揭露實施例的電源130可改變所供應的電壓量，且也可提供定電壓。在一些實施例中，電源130可施加預定電壓橫越下電極112和上電極124，使得複數個液體透鏡單元的每一個可被施加到預定電壓。在第1A圖所示的實施例中，電源130可供應介於約0V和15V範圍之間的電壓。在這樣範圍的電壓下，不會產生(或產生相對弱的)電場，而介電層114可保持為疏水性狀態。如先前所提及，非極性液體116可覆蓋介電層114上的最大接觸面積，而極性液體120可被介電層114排斥。應注意的是，非極性液體116的排列方式可能呈現類似於傳統影像感測器的固體微透鏡。 在高亮度的環境中，影像感測器10在這樣範圍的電壓下所擷取的影像可能顯示出足夠的解析度(resolution)。然而，在低亮度的環境中，影像感測器10在這樣範圍的電壓下所擷取的影像可能會太暗而無法觀看。因此，可能需要額外的步驟來解決這個問題。
第1B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10在第一操作狀態下的上示圖。應注意的是，第1A圖為第1B圖的線段A-A’所獲得的剖面示意圖。在第1B圖中，繪示了複數個液體透鏡單元的一部分。為了例示性目的，省略畫素壁122、上電極124、以及蓋板126。在一些實施例中，複數個液體透鏡單元被畫素壁122的網格結構分隔開(為簡單起見，未繪示)。如先前所提及，介電層114可針對非極性液體116和極性液體120(其為彼此不混溶的)提供接觸表面。根據本揭露的一些實施例，在下電極112上設置介電層114，使得下電極112被完全地覆蓋。由於從上視圖繪示整個下電極112可能很困難，僅以虛線繪示複數個孔洞112H的圖案及其相對位置。此外，複數個彩色濾光單元110設置於複數個液體透鏡單元之下，而其圖案的相對位置亦以虛線繪示。應注意的是，在第一操作狀態下，非極性液體116可完全地覆蓋複數個彩色濾光單元110。如先前所提及，第1A和1B圖所示的結構可呈現為傳統的影像感測器，在高亮度的環境中有足夠的效率操作，但在低亮度的環境中則需要進一步的步驟來操作。
第1C圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10的下電極112的立體圖。如第1C圖所示，下電極112包括膜層部112M和複數個孔洞112H(如前述)。在一些實施例中，複數個孔洞112H完全地穿透下電極112。換言之，僅下電極112的膜層部 112M可傳導電流，讓電場產生於上方介電層114的表面上，下電極112的複數個孔洞112H不會傳導電流來產生這樣的電場。複數個孔洞112H分別對應複數個液體透鏡單元。儘管複數個孔洞112H的每一個在每個所對應的液體透鏡單元的左下角被繪示為正方形，但本揭露並不以此為限。此外，取決於影像感測器10的設計需求，複數個孔洞112H可具有彼此不同的各種形狀和尺寸。
第2A圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10在第二操作狀態下的剖面示意圖。相較於第1A圖，第2A圖繪示影像感測器10在第二操作狀態下的行為，也就是當電源130供應較高的電壓時。在第二操作狀態下，電源130施加高於例如15V的電壓。基底100、複數個感測部102、複數個深溝槽隔離結構104、抗反射層106、間隔物結構108、複數個彩色濾光單元110、以及複數個液體透鏡單元(如下電極112、介電層114、非極性液體116、極性液體120、畫素壁122、上電極124、以及蓋板126)的特徵與第1A圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。當電源130所供應的電壓增加高於15V時，在介電層114的表面上產生相對強的電場。根據本揭露的一些實施例，這樣相對強的電場可逐漸將介電層114由疏水性狀態轉變為親水性狀態。
參照第2A圖，在增加的電壓下，介電層114開始吸引極性液體120並排斥非極性液體116。被排斥的非極性液體116可被驅離至介電層114上的隔離區，其具有相對弱的(或基本上沒有)電場，亦即對應下電極112的複數個孔洞112H的區域。根據本揭露的一些實施例，施加電壓小於15V時的非極性液體116佔據在介電層114上的面積大於施加電壓大於15V時的非極性液體116佔據在介 電層114上的面積。如第2A圖所示，複數個彩色濾光單元110實質上藉由非極性液體116露出。第2A圖的配置允許非常大量的入射光線進入影像感測器10而不會穿過複數個液體透鏡單元來匯聚。
第2B圖是根據本揭露的一些實施例，影像感測器10在第二操作狀態下的上示圖。應注意的是，第2A圖為第2B圖的線段A-A’所獲得的剖面示意圖。相較於第1B圖，第2B圖繪示影像感測器10在第二操作狀態下的行為，也就是當電源130供應高於15V的電壓時。複數個彩色濾光單元110、下電極112、介電層114、非極性液體116、以及極性液體120的特徵與第1B圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。由於在介電層114的表面上所產生的電場，非極性液體116被驅離至介電層114上的隔離區域中，其對應下方的下電極112的複數個孔洞112H。如先前所提及，施加電壓大於15V時的非極性液體116佔據在介電層114上的面積小於施加電壓小於15V時的非極性液體116佔據在介電層114上的面積。在一些實施例中，較小的面積對應複數個孔洞112H。
第3圖是根據本揭露的一些實施例，結合影像感測器在第一操作狀態下所產生的影像與影像感測器在第二操作狀態下的所產生的影像的流程圖。可使用演算法(algorithm)將介於約0V和15V之間的電壓下的第一影像與大於15V的電壓下的第二影像結合成最終影像。第一影像為彩色的，具有相對低的亮度，而第二影像為黑白的，具有相對高的對比度(contrast)。在演算法中，將第一影像的單一畫素的量化光強度與第二影像的相同畫素的量化光強度相加。然後，可將兩個影像畫素的量化光強度的總和乘以畫素的正規化光譜(normalized spectrum)以恢復畫素的原始光譜。 當兩個影像的每個畫素都經過上述步驟時，可生成最終影像。這樣的演算法所產生的最終影像將展現與任何傳統影像感測器在高亮度的環境中所擷取的影像相同的品質。換言之，在低亮度的環境中結合在不同電壓下所產生的兩個影像，可實現在高亮度的環境下所擷取的影像的品質。
第4A圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器20在第一操作狀態下的剖面示意圖。相較於第1A圖中的影像感測器10，影像感測器20省略間隔物結構108和複數個彩色濾光單元110。根據本揭露的一些實施例，可以色素注入影像感測器10的非極性液體116以形成在影像感測器20中的非極性液體118。非極性液體118還包括有彩色液體118-1、彩色液體118-2、以及彩色液體118-3。在一些實施例中，非極性液體118的彩色液體118-1、彩色液體118-2、以及彩色液體118-3除了作為微透鏡之外，也可具有被省略的複數個彩色濾光單元110的功能。藉由展現彩色濾光單元的特質，複數個液體透鏡單元的非極性液體118可被設置成分別對應複數個感測部102。基底100、複數個感測部102、複數個深溝槽隔離結構104、抗反射層106、以及複數個液體透鏡單元的特徵與第1A圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。在本實施例中，影像感測器20的複數個液體透鏡單元包括下電極112、介電層114、非極性液體118、極性液體120、畫素壁122、上電極124、以及蓋板126。
參照第4A圖，在抗反射層106的表面上直接形成複數個液體透鏡單元。如第4A圖所示，非極性液體118可完全地覆蓋複數個感測部102，或大於複數個感測部102面積的50%。在一些實施例中，非極性液體118的彩色液體118-1、彩色液體118-2、以及 彩色液體118-3可分別包含藍色色素、綠色色素、以及紅色色素。在一些實施例中，複數個液體透鏡單元的每一個的非極性液體118允許預定波長范圍的光穿過。舉例來說，彩色液體118-1允許450nm至495nm範圍內的光波長(藍光)傳輸至對應的感測部102，彩色液體118-2允許495nm至570nm範圍內的光波長(綠光)傳輸至對應的感測部102，而彩色液體118-3允許620nm至750nm範圍內的光波長(紅光)傳輸至對應的感測部102。非極性液體118的折射率大於極性液體120的折射率。
參照第4A圖，類似於第1A圖的影像感測器10，影像感測器20處於第一操作狀態，也就是當電源130供應介於0V和15V範圍之間的電壓時。在這樣的電壓範圍下，不會產生電場或產生相對弱的電場，而介電層114可保持於疏水性狀態。如先前所提及，非極性液體118可覆蓋大於複數個感測部102面積的50%，而極性液體120可被介電層114排斥。應注意的是，非極性液體118的排列方式可能呈現類似於傳統影像感測器的固體微透鏡。在高亮度的環境中，影像感測器20在這樣範圍的電壓下所擷取的影像可能顯示出足夠的解析度。然而，在低亮度的環境中，影像感測器20在這樣範圍的電壓下所擷取的影像可能會太暗而無法觀看。因此，可能需要額外的步驟來解決這個問題。
第4B圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器20在第一操作狀態下的上示圖。應注意的是，第4A圖為第4B圖的線段A-A’所獲得的剖面示意圖。在第4B圖中，繪示了複數個液體透鏡單元的一部分。為了例示性目的，省略畫素壁122、上電極124、以及蓋板126。在一些實施例中，複數個液體透鏡單元被畫素壁122的網 格結構分隔開(為簡單起見，未繪示)。如先前所提及，介電層114可針對非極性液體118(包含彩色液體118-1、彩色液體118-2、以及彩色液體118-3)和極性液體120(其為彼此不混溶的)提供接觸表面。根據本揭露的一些實施例，在下電極112上設置介電層114，使得下電極112被完全地覆蓋。以虛線繪示下電極112的圖案及其相對位置。應注意的是，在第一操作狀態下，非極性液體118可覆蓋大於複數個感測部102(未繪示)面積的50%。如先前所提及，第4A和4B圖所示的結構在高亮度的環境中有足夠的效率操作，但在低亮度的環境中則需要進一步的步驟來操作。
第5A圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器20在第二操作狀態下的剖面示意圖。相較於第4A圖，第5A圖繪示影像感測器20在第二操作狀態下的行為，也就是當電源130供應高於15V的電壓時。基底100、複數個感測部102、複數個深溝槽隔離結構104、抗反射層106、以及複數個液體透鏡單元(如下電極112、介電層114、非極性液體118、極性液體120、畫素壁122、上電極124、以及蓋板126)的特徵與第4A圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。當電源130所供應的電壓增加高於15V時，在介電層114的表面上產生相對強的電場。根據本揭露的一些實施例，這樣相對強的電場可逐漸將介電層114由疏水性狀態轉變為親水性狀態。
參照第5A圖，在增加的電壓下，介電層114開始吸引極性液體120並排斥非極性液體118(包含彩色液體118-1、彩色液體118-2、以及彩色液體118-3)。被排斥的非極性液體118可被驅離至介電層114上的隔離區，其具有相對弱的(或基本上沒有)電場，亦即對應下方的下電極112的複數個孔洞112H的區域。根據本 揭露的一些實施例，施加電壓小於15V時的非極性液體118佔據在介電層114上的面積大於施加電壓大於15V時的非極性液體118佔據在介電層114上的面積。如第5A圖所示，非極性液體118可覆蓋小於複數個感測部102面積的50%。第5A圖的配置允許非常大量的入射光線進入影像感測器20而不會穿過複數個液體透鏡單元來匯聚。
第5B圖是根據本揭露的其他實施例，影像感測器20在第二操作狀態下的上示圖。應注意的是，第5A圖為第5B圖的線段A-A’所獲得的剖面示意圖。相較於第4B圖，第5B圖繪示影像感測器20在第二操作狀態下的行為，也就是當電源130供應高於15V的電壓時。下電極112、介電層114、非極性液體118(包含彩色液體118-1、彩色液體118-2、以及彩色液體118-3)、以及極性液體120的特徵與第4B圖所示類似，其細節將不於此重複贅述。由於在介電層114的表面上所產生的電場，非極性液體118被驅離至介電層114上的隔離區域中，其對應下方的下電極112的複數個孔洞112H。如先前所提及，施加電壓大於15V時的非極性液體118佔據在介電層114上的面積小於施加電壓小於15V時的非極性液體118佔據在介電層114上的面積。在一些實施例中，較小的面積對應複數個孔洞112H。
在低亮度的環境下，在介於0V和15V範圍之間的電壓下所產生的影像為彩色的，具有相對低的亮度，而在高於15V的電壓下所產生影像為黑白的，具有相對高的對比度。發明人採用第3圖中所述的相同演算法將彩色影像和黑白影像結合成最終影像。類似於影像感測器10，影像感測器20的最終影像將展現與任何傳統 影像感測器在高亮度的環境中所擷取的影像相同的品質。換言之，在低亮度的環境中結合在不同電壓下所產生的兩個影像，可實現在高亮度的環境下所擷取的影像的品質。
在低亮度的環境下，影像感測器10和影像感測器20皆可產生和結合以不同電壓水平所擷取的兩個影像。影像感測器10或影像感測器20所生成的最終影像與傳統影像感測器在高亮度的環境中擷取的影像具有相同的品質。影像感測器20將複數個彩色濾光單元整合於複數個液體透鏡單元中，使得整體結構可被簡化，導致較低的製造成本。然而，儘管非極性液體本身為透明的，由於液體化學品的不同折射和波長，以色素注入的非極性液體仍可顯示與複數個彩色濾光單元110的些許色差。取決於設計或應用需求，可選擇兩種影像感測器結構中的任何一個以在低亮度的環境中產生高品質的影像。
以上概述數個實施例之特徵，以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以更加理解本揭露實施例的觀點。本發明所屬技術領域中具有通常知識者應該理解，可輕易地以本揭露實施例為基礎，設計或修改其他製程和結構，以達到與在此介紹的實施例相同之目的及/或優勢。本發明所屬技術領域中具有通常知識者也應該理解到，此類等效的結構並無悖離本揭露實施例的精神與範圍，且可在不違背本揭露實施例之精神和範圍之下，做各式各樣的改變、取代和替換。因此，本揭露實施例之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。另外，雖然本揭露已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露實施例的範圍。
整份說明書對特徵、優點或類似語言的引用，並非意 味可以利用本揭露實施例實現的所有特徵和優點應該或者可以在本揭露的任何單一實施例中實現。相對地，涉及特徵和優點的語言被理解為其意味著結合實施例描述的特定特徵、優點或特性包括在本揭露的至少一個實施例中。因而，在整份說明書中對特徵和優點以及類似語言的討論可以但不一定代表相同的實施例。
再者，在一或複數個實施例中，可以任何合適的方式組合本揭露實施例的所描述的特徵、優點和特性。根據本文的描述，所屬技術領域中具有通常知識者將意識到，可在沒有特定實施例的一個或複數個特定特徵或優點的情況下實現本揭露實施例。在其他情況下，在某些實施例中可辨識附加的特徵和優點，這些特徵和優點可能不存在於本揭露的所有實施例中。
10:影像感測器
100:基底
102:感測部
104:深溝槽隔離結構
106:抗反射層
108:間隔物結構
110:彩色濾光單元
112:下電極
114:介電層
116:非極性液體
120:極性液體
122:畫素壁
124:上電極
126:蓋板
130:電源
A-A’:線段

Claims (10)

  1. 一種影像感測器，包括：複數個液體透鏡(liquid-lens)單元，包括：一下電極和一上電極；一介電層，設置於該下電極和該上電極之間；一容納空間(containment space)，設置於該介電層和該上電極之間；以及一非極性(non-polar)液體和一極性(polar)液體，填入該容納空間中，其中該非極性液體和該極性液體彼此不混溶；該非極性液體被配置以在一第一電壓下於該介電層上佔據一第一接觸面積，且在一第二電壓下於該介電層上佔據一第二接觸面積，其中該第一接觸面積大於該第二接觸面積，而該第二電壓高於該第一電壓，其中該下電極為具有複數個孔洞的圖案化電極，於該介電層上的該第二接觸面積對應該些孔洞。
  2. 如請求項1之影像感測器，更包括一畫素壁，垂直地支撐該介電層和該上電極，其中該畫素壁將該容納空間劃分成該些液體透鏡單元。
  3. 如請求項1之影像感測器，更包括：複數個感測部；以及複數個彩色濾光單元，分別設置對應於該些感測部之上和該些液體透鏡單元之下，其中一間隔物結構圍繞該些彩色濾光單元的每一個。
  4. 如請求項3之影像感測器，其中當該非極性液體被配置以在該第一電壓下於該介電層上佔據該第一接觸面積時，該 些彩色濾光單元完全地被該非極性液體覆蓋，其中當該非極性液體被配置以在該第二電壓下於該介電層上佔據該第二接觸面積時，該些彩色濾光單元藉由該非極性液體露出。
  5. 如請求項3之影像感測器，其中該非極性液體含有色素，並充當為該些彩色濾光單元，其中具有色素的該非極性液體佔據大於該些感測部的面積的50%。
  6. 如請求項3之影像感測器，其中該非極性液體含有色素，並充當為該些彩色濾光單元，其中具有色素的該非極性液體佔據小於該些感測部的面積的50%。
  7. 如請求項1之影像感測器，其中該介電層係以疏水性(hydrophobic)材料形成，其中該非極性液體的折射率大於該極性液體的折射率，其中一蓋板(cover plate)係設置於該上電極上。
  8. 如請求項3之影像感測器，更包括複數個深溝槽隔離(deep trench isolation,DTI)結構，將該些感測部分隔開，其中該些深溝槽隔離結構定義一感測單元的尺寸。
  9. 一種請求項1之影像感測器的影像偵測方法，包括：連接該下電極和該上電極至一電源；由該電源透過該下電極和該上電極供應該第一電壓至該影像感測器以產生一第一影像；由該電源透過該下電極和該上電極供應該第二電壓至該影像感測器以產生一第二影像；以及使用一演算法(algorithm)結合該第一影像和該第二影像成為 一最終影像。
  10. 如請求項9之影像感測器的影像偵測方法，更包括：圖案化該下電極以具有複數個孔洞，而形成該上電極為一連續結構；以及形成一介電層，其中該介電層在該第一電壓下為疏水性，而在該第二電壓下為親水性(hydrophilic)；其中該第一影像為彩色的，而該第二影像為黑白的，該演算法將該第一影像的光強度和該第二影像的光強度的總和乘以正規化光譜(normalized spectrum)以產生該最終影像。
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