Brevet FR2671198A1 — publié le 19920703

La présente invention concerne un filtre coloré qui peut augmenter le rendement optique et permettre d'obtenir des pro- priétés spectrales uniformes, ainsi que son procédé de fabrication. Récemment, les dispositifs de détection d'image du type état solide, qui sont susceptibles de remplacer les tubes électro- niques, et sont ainsi désignés comme les dispositifs de détection d'image de la prochaine génération, se sont révélés capables d'effectuer la détection des couleurs grâce à la formation de filtres colorés à la surface supérieure d'une région de conversion optique-électrique. De plus, les dispositifs d'affichage à cristal liquide (LCD) peuvent également réaliser la coloration grâce à la formation d'un filtre coloré sur la région de conversion électrique-optique. Les filtres colorés se divisent en deux types: les filtres organiques qui sont faits de matières organiques colo- rantes, par exemple la caséine et la gélatine, et les filtres non organiques utilisant les interférences optiques Entre les deux types ci-dessus indiqués, le filtre organique est celui qui pré- sente le plus faible coût et qui est le plus largement utilisé. La figure 1 est une vue en section droite d'un filtre coloré pour dispositif à couplage de charge (CCD) classique Comme on peut le voir sur la figure 1, un substrat semiconducteur 1 pos- sède des parties concaves et convexes A la surface des parties concaves, des photodiodes 2, 3 et 4 sont formées et, sur les sur- faces convexes, une couche conductrice 5 et une couche isolante 7 sont formées Sur ce CCD, on forme une couche de lissage 9 faite d'une matière transparente, par exemple polyimide. Ensuite, on forme trois intercouches 13, 17 et 21 par dépôt de polyimide (la même composition que la couche de lissage) sur toute la surface de la structure ci-dessus décrite A ce moment, on forme sur chacune des couches correspondant aux photo- diodes 2, 3 et 4 des couches colorées 11, 15 et 19. Les couches colorées sont formées d'une matière orga- nique, par exemple caséine ou gélatine, contenant une quantité pré- déterminée de (NH 4)2 Cr 207 et sont respectivement colorées à l'aide de colorants tels que magenta, cyan et jaune, de manière à produire toutes les composantes spectrales de la lumière incidente. En outre, on forme une couche de lentil Le 23 sur toute la surface de la structure et, sur cette couche 23, on forme des lentilles 25, 26 et 27 correspondant respectivement aux photodiodes 2, 3 et 4 On va maintenant brièvement expliquer un procédé de fabrication pour le filtre coloré décrit ci-dessus. Tout d'abord, il y a un CCD comprenant un substrat semi- conducteur 1 qui possède des surfaces concaves et convexes, des photodiodes 2 à 4 formées sur les parties à surface concave du substrat semiconducteur 1, ainsi qu'une couche conductrice métal- lique 5 et une couche isolante 7 formées sur les parties à surface convexe du substrat semiconducteur 1 Sur ce CCD, on forme une couche de lissage 9 faite d'une matière transparente, par exemple polyimide. Ensuite, on forme sur la couche de lissage 9, en corres- pondance avec la photodiode 2, une couche colorée 11 qui est faite d'une matière organique, par exemple caséine ou gélatine, contenant une quantité prédéterminée de (NH 4)2 Cr 207 et qui est colorée à l'aide de l'un des colorants tels que magenta, cyan et jaune Ensuite, on forme une intercouche 13 par dépôt de polyimide sur toute la surface de la structure Ensuite, de la même manière, on forme deux couches colorées 15 et 19 et une intercouche 17. Les intercouches 13 et 17 empêchent le mélange des couleurs entre la couche colorée précédemment formée et la couche colorée présentement formée pendant la formation des couches colorées 15 et 19 On forme sur toute la surface de la structure une intercouche supérieure 21 et une couche de lentille 23 On forme l'intercouche supérieure 21 de la même matière que les inter- couches 13 et 17, et on forme la couche de lentille 23 en matière acrylique. Après dépôt de la même matière sur la couche de lentille 23, on forme des lentilles 25 à 27 correspondant aux photodiodes 2 à 4 par des procédés photolithographiques et thermiques Dans le filtre coloré ci-dessus décrit, l'intervalle entre la couche iso- Lante 5 et les photodiodes 2 à 4 est très important, pouvant atteindre par exemple une épaisseur de 2 à 5 pm. Ainsi, la couche de lissage 9 est nécessaire pour assurer une p Lanéité parfaite en vue de la formation des couches colorées. On forme la couche de lissage 9 en déposant, par rotation, au moins trois fois, sur le substrat semiconducteur, un agent photosensible du type réserve très pâteux afin d'obtenir un degré de planéité de presque 100 % De plus, la lumière incidente qui tombe sur les lentilles les traverse sous un angle perpendiculaire à la surface des lentilles pour arriver au niveau des couches colorées 11, 15 et 19. Les faisceaux lumineux qui passent dans les couches colorées 11, 15 et 19 ont chacun une couleur prédéterminée, et ces faisceaux lumineux colorés sont détectés par les photodiodes 2 à 4. La couche de lissage doit être épaisse pour assurer un taux de planéité de 100 %, mais ceci dégrade alors la transmissivité et la sensibilité De plus, puisque les couches colorées sont planes, les angles d'incidence des faisceaux lumineux traversant les lentilles diffèrent les uns des autres, ce qui entraîne une réflexion dif- fuse Par conséquent, les propriétés spectrales se détériorent. Un premier but de l'invention est de produire un filtre coloré qui améLiore la sensibilité en améliorant la transmissivité et le taux de concentration de la lumière. Un deuxième but de l'invention est de produire un filtre coloré qui améLiore les propriétés spectrales en supprimant l'exis- tence de la réflexion diffuse. En outre, un troisième but de l'invention est de produire un procédé de fabrication d'un filtre coloré. Selon les deux premiers aspects de l'invention, il est produit un filtre coloré qui est formé sur un substrat semi- conducteur présentant une matrice d'éléments d'image, qui com- prend: une couche de lissage formée sur le substrat semi- conducteur, o les parties qui correspondent à des éLéments d'image respectifs sont concaves suivant un rayon de courbure prédéterminé, des lentilles de concentration, ou condenseurs, formées sur les parties concaves de la couche de lissage, deux intercouches, ou plus, formées sur la couche de lissage et la couche de concentra- tion, deux couches colorées, ou plus, formées au-dessous des inter- couches, qui sont convexes suivant un rayon de courbure prédéter- miné et ont une épaisseur constante, une couche de lentille formée sur l'intercouche supérieure, et des lentilles formées sur la couche de lentille suivant un rayon de courbure prédéterminé en correspondance avec chaque éLément d'image. Selon le troisième aspect de l'invention, il est égale- ment produit un procédé de fabrication d'un filtre coloré sur un substrat semiconducteur présentant une matrice d'éléments d'image, qui comprend les opérations suivantes: (a) former une couche de lissage o les parties qui cor- respondent à chaque éLément d'image sont concaves, avec un rayon de courbure prédéterminé, (b) former des lentilles de concentration, ou condenseurs sur les parties concaves desdites couches d'aplanissement, (c) former des couches colorées qui ont le même rayon de courbure au niveau de parties supérieures et inférieures des lentilles de concentration et former des intercouches sur lesdites couches colorées, (d) répéter l'opération (c) au moins deux fois, (e) former une couche de lentille sur l'intercouche supé- rieure après l'opération (d), et (f) former des lentilles en correspondance avec chaque éLément d'image sur la couche de lentille. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une vue en section droite d'un filtre coloré classique; la figure 2 est une vue en section droite d'un filtre coloré selon L'invention; et les figures 3 (A) à 3 (D) sont des vues en section droite servant à expliquer un procédé de fabrication d'un filtre coloré selon l'invention. Un filtre coloré selon L'invention est représenté en section droite sur la figure 2. Comme on peut le voir sur la figure 2, un substrat semi- conducteur 31 possède des surfaces concaves et convexes et, aux parties concaves de la surface, une matrice d'une première, d'une deuxième et d'une troisième photodiode, 32 à 34, est formée, tandis que, aux parties convexes de la surface, une couche conductrice 35 et une couche isolante 37 sont formées. Sur ce dispositif à couplage de charge (CCD), une pre- mière couche de lissage 39 est formée d'une matière transparente. La première couche de lissage 39 est amincie au niveau des parties concaves de la surface du substrat semiconducteur 31 et est creusée suivant un rayon de courbure prédéterminé. De plus, sur les parties concaves de la couche de lissage 39, sont formées des lentilles convexes de concentration 41 faites d'une matière telle que la résine acrylique, qui possède un grand indice de réfraction. Ensuite, on forme, à la fois sur la première couche de lissage 39 et les lentilles de concentration 41, une deuxième couche de lissage 43 faite de la même matière que la première couche de lissage 39. La deuxième couche de lissage 43 n'est saillante que sur les lentilles de concentration 41. Sur cette deuxième couche de lissage 43, des première, deuxième et troisième intercouches 47, 51 et 55 sont formées. De plus, des première, deuxième et troisième couches colorées 45, 49 et 53 sont formées, suivant un rayon de courbure prédéterminé, sur la première couche de lissage 43 et les première et deuxième intercouches 47 et 51 respectivement en correspondance avec les première, deuxième et troisième photodiodes 32 à 34. Les parties inférieures des couches colorées 45, 49 et 53 ont le même rayon de courbure que les parties supérieures, ce qui fait que la distance de transmission de la lumière incidente est partout constante. Les première, deuxième et troisième couches colorées 45, 49 et 53 sont faites de caséine ou de gélatine contenant une quan- tité prédéterminée d'ammonium et sont respectivement colorées en magenta, cyan et jaune, pour reproduire chaque composante spec- trale. Une couche de lentille 57 de polyimide ou de résine acry- Lique, dont la surface est plane, est formée sur la troisième intercouche 55. Sur cette couche de lentille 57, des première, deuxième et troisième lentilles 59 à 61 sont formées, en correspondance avec les première, deuxième et troisième photodiodes 32 à 34 Les len- ti L Les 59 à 61 sont rapprochées les unes des autres de manière à offrir une aire maximale. De plus, la courbure des première, deuxième et troisième lentilles 59 à 61 est identique à celle des première, deuxième et troisième couches colorées, si bien que la réflexion diffuse au niveau des couches colorées est ainsi minimisée. Les lentilles de concentration, ou condenseurs, 41 con- centrent la lumière traversant les couches colorées 45, 49 et 53 sur les photodiodes 32, 33 et 34. Les figures 3 (A) à 3 (D) sont des vues en section droite permettant d'expliquer le procédé de fabrication du filtre coloré selon l'invention. Comme on peut le voir sur la figure 3 (A), on forme les première, deuxième et troisième photodiodes 32 à 34 sur les parties concaves de la surface du substrat semiconducteur 31, tandis qu'on forme la couche isolante 35, d'aluminium, et la couche conductrice 37, de Si O 2, sur les parties convexes de la surface du substrat semiconducteur 37 Sur ce CCD, on forme la première couche de lissage 39. On forme la première couche de lissage 39 par dépôt par rotation de polyimide sur le CCD, laquelle couche est amincie au niveau des parties convexes et creusée suivant le rayon de courbure prédéterminé On ajuste le rayon de courbure en se basant sur la vitesse de rotation RPM (nombre de révolutions par minute) pendant le dépôt du polyimide. Après le dépôt de résine acrylique sur toute la surface de la première couche de lissage 39, on forme des motifs sur les parties concaves par un processus classique d'exposition et de développement Par refusion de ces motifs, on forme Les Lenti L Les de concentration 41. Les Lenti L Les de concentration 41 sont convexes, et on ajuste La courbure des Lenti L Les 41 sur La base de La température et de La durée du processus de refusion de manière à permettre La focalisation de La Lumière sur Les première, deuxième et troisième photodiodes. Au cours de L'opération suivante, on forme La deuxième couche de Lissage 43 par dépôt, sur toute La surface de La struc- ture, de La même matière que ce L Le de La première couche de Lissage 39. Comme représenté sur La figure 3 (B), après Le dépôt d'un méLange de géLatine et de caséine contenant H 2 Cr 207 sous une épais- seur de 400 à 700 nm Ede 4 000 à 7 000 RI, on forme Le motif de couche co Lorée correspondant à La première photodiode 32 par un procédé photo Lithographique classique Ensuite, on forme une pre- mière couche co Lorée 45 en éta Lant un matériau co Lorant sur toute La surface de La structure A ce moment, Le matériau co Lorant réagit sur Le motif de couche co Lorée, mais ne réagit pas sur La deuxième couche de Lissage. On retire a Lors, avec de L'eau déionisée, Le matériau co Lorant non vou Lu qui subsiste sur La deuxième couche de Lissage. Le matériau co Lorant uti Lisé pour La première couche co Lorée 45 est d'une des cou Leurs magenta, cyan et jaune Par exemp Le, on co Lore La première couche co Lorée 45 en magenta afin d'obtenir Le spectre magenta. On se reporte maintenant à La figure 3 (C) On forme une première intercouche 47 d'une épaisseur de 1 pm sur toute La sur- face de La structure en utilisant La même matière que pour Les première et deuxième couches de Lissage. Ensuite, on forme de La même manière, sur La première intercouche 47, Les deuxième et troisième couches co Lorées 49 et 53 aux positions correspondant aux deuxième et troisième photodiodes 33 et 34, et on Les co Lore respectivement en cyan et en jaune afin d'obtenir Les spectres cyan et jaune. On forme des deuxième et troisième intercouches 51 et 55 sur les deuxième et troisième couches colorées 49 et 53 en utili- sant la même matière que celle de la première intercouche 47. On se reporte maintenant à la figure 3 (D) Sur la troi- sième intercouche 55, on forme la couche de lentille 57 de poly- imide ou de résine acrylique Ensuite, on forme sur la couche de lentille 57 les première, deuxième et troisième lentilles 59 à 61 respectivement en correspondance avec les première, deuxième et troisième photodiodes 32 à 34. Les lentilles 59 à 61 sont très proches les unes des autres de manière à permettre une maximisation de l'aire des len- tilles De plus, les parties de la deuxième couche de lissage 43 et des première et deuxième intercouches 43 et 47, sur lesquelles les couches colorées 45, 49 et 53 sont formées, sont en saillie de manière que les couches colorées 41, 45 et 59 présentent la cour- bure prédéterminée. Comme ci-dessus mentionné, la couche de lissage est con- cave sur les photodiodes et, sur ces parties concaves, des len- tilles de concentration ayant un rayon de courbure prédéterminé sont formées afin de permettre l'améLioration de la transmissivité de la lumière sur la surface des couches colorées et la concentra- tion de la lumière. De plus, on empêche la réflexion diffuse en donnant aux couches colorées une courbure identique à celle des lentilles. L'invention peut donc améliorer la sensibilité des photodiodes en améliorant la transmissivité et la concentration de la lumière, et peut également améliorer les propriétés spectrales en minimisant les interférences lumineuses par empêchement des réflexions dif- fuses. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du filtre et du procédé de fabrication dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Filtre coloré formé sur un substrat semiconducteur doté d'une matrice d'éléments d'image, caractérisé en ce qu'il com- prend: une couche de lissage ( 39) formée sur ledit substrat semiconducteur ( 31), dans laquelle les parties correspondant à des éléments d'image ( 32 à 34) respectifs sont concaves suivant un rayon de courbure prédéterminé; des lentilles de concentration, ou condenseurs, ( 41) formées sur les parties concaves de ladite couche de lissage; au moins deux intercouches ( 47, 51, 55) formées sur ladite couche de lissage et ladite couche de concentration; au moins deux couches colorées ( 45, 49, 53) formées au- dessous desdites intercouches, qui sont convexes suivant un certain rayon de courbure et ont une épaisseur constante; une couche de lentille ( 57) formée sur une intercouche supérieure; et des lentilles ( 59, 60, 61) formées suivant un rayon de courbure prédéterminé sur ladite couche de lentille, respectivement en correspondance avec des éléments d'image. 2 Filtre coloré selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une autre couche de lissage ( 43) est en outre formée sur lesdites lentilles de concentration. 3 Filtre coloré selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites lentilles de concentration sont des lentilles con- vexes. 4 Filtre coloré selon la revendication 1, caractérisé en ce que la courbure desdites couches colorées est sensiblement iden- tique à celle desdites lentilles de concentration. Procédé de fabrication d'un filtre coloré sur un semi- conducteur doté d'une matrice d'éléments d'image, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: (a) former une couche de lissage dans laquelle les parties correspondant à des éléments d'image respectifs sont con- caves suivant un rayon de courbure prédéterminé; (b) former des lentilles de concentration sur les parties concaves de ladite couche de lissage; (c) former des couches colorées sur lesdites lentilles de concentration de façon qu'elles aient le même rayon de courbure en des parties supérieures et inférieures des lentilles de concentra- tion et former des intercouches sur lesdites couches colorées; (d) répéter l'opération (c) au moins deux fois; (e) former une couche de lentille sur une intercouche supérieure après ladite opération (d); et (f) former des lentilles correspondant à des éLéments d'image respectifs sur la couche de lentille. 6 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on forme en outre d'autres couches de lissage sur lesdites lentilles de concentration au cours de l'opération (b). 7 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on ajuste le rayon de courbure desdites couches de lissage sur La base de la vitesse de révolution dudit substrat semiconducteur. 8 Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites lentilles de concentration sont des lentilles con- vexes.