在空气界面具有高折射率材料的抗反射涂层制造技术

本申请涉及在空气界面处具有高折射率材料的抗反射涂层。具体来说，本申请涉及包含多个交替的高和低折射率(相对于空气折射率)的透明材料层的抗反射涂层，其中有意将所述高折射率层定位于空气界面处。

Anti reflective coating with high refractive index material at air interface

The application relates to an antireflective coating with high refractive index material at the air interface. In particular, the application involves an anti reflective coating containing a plurality of alternate high and low refractive index (relative to air refraction) transparent material layer, in which the high refractive index layer is intended to be located at the air interface.

【技术实现步骤摘要】
在空气界面具有高折射率材料的抗反射涂层
本专利技术涉及图像传感器的抗反射(AR)涂层。具体地，抗反射涂层是多层涂层，其在较硬高折射率材料与较软低折射率材料之间交替，且高折射率材料位于AR涂层与空气之间的空气界面处。
技术介绍
AR涂层广泛用于图像传感器中。其通常应用于护罩玻璃或透镜的顶部上，并且经定位使其空气界面面向入射光。如图9中所示，经封装互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器封装900包括护罩玻璃910、包含微透镜(未显示)的CMOS图像传感器(CIS)装置930、衬底、光检测区(未显示)和金属连接区(未显示)、围堰940和焊球950。护罩玻璃910的顶部涂布有AR涂层920，所述AR涂层经定位使其空气界面面向入射光。一种类型的AR涂层是多层涂层，由多层高和低折射率材料组成。基于相消干涉原理，多层AR涂层的作用是将光反射降低到在入射光的仅百分之几内，使得增强光学透射。
技术实现思路
光学元件上的抗反射涂层可包括多个交替的高和低折射率(相对于空气折射率)的透明材料层。高折射率材料的实例是氧化钽。低折射率材料的实例是氧化硅。常规设计始终将低折射率层置于抗反射层与空气之间的界面处，以使与空气匹配的折射率最大化，且使界面处的光学损失最小化。本专利技术有意将高折射率层置于空气界面处。由于高折射率层通常是比低折射率层更硬的材料，本设计将使抗反射涂层更抗刮擦。同时，此界面高折射率层的厚度要保持极薄，约1纳米到2纳米，以减少界面层的高折射率与空气折射率之间的失配引起的光学损失。附图说明图1是多层抗反射(AR)涂层的剖视图，显示将低折射率材料置放在空气界面处的常规设计。图2是多层AR涂层的剖视图，其中高折射率材料在空气界面处。图3是AR涂层的剖面的实际扫描电子显微镜(SEM)图像，显示氧化钽Ta2O5和二氧化硅SiO2的交替层，其中高折射率Ta2O5层位于空气界面处。图4A是多层Ta2O5/SiO2AR涂层的波长相对透射率测量图，其中1纳米高折射率Ta2O5最外层位于空气界面处。图4B是多层Ta2O5/SiO2AR涂层的波长相对反射率测量图，其中1纳米高折射率Ta2O5最外层位于空气界面处。图5A是多层Ta2O5/SiO2AR涂层的波长相对透射率图，其中高折射率Ta2O5最外层位于空气界面处。比较两个厚度的最外Ta2O5层的透射性能。图5B是多层Ta2O5/SiO2AR涂层的波长相对反射率图，其中高折射率Ta2O5最外层位于空气界面处。比较两个厚度的最外Ta2O5层的反射率性能。图6A是多层AR涂层的波长相对透射率图，其中高折射率最外层位于空气界面处。比较最外层的两种高折射率材料Ta2O5与Si3N4的透射性能。图6B是多层AR涂层的波长相对反射率图，其中高折射率最外层位于空气界面处。比较最外层的两种高折射率材料Ta2O5与Si3N4的反射率性能。图7是包括AR涂布护罩玻璃的图像传感器封装的示意图，其显示护罩玻璃两个侧面上的AR涂层。图8显示在裸玻璃衬底上形成AR涂层的工艺，包括所述工艺的主要步骤。图9显示具有AR涂布护罩玻璃的图像传感器封装。具体实施方式下文所揭示的实施例描述作为图像传感器封装一部分的AR涂布护罩玻璃。具体实施例涉及多层AR涂层，其具有高和低折射率材料的交替层，在一些实施例中，高折射率材料层是最外层，位于空气界面处。图像传感器的光学元件，例如其护罩玻璃和透镜，通常由透明玻璃(或塑料)材料制得。这些材料的反射率通常为百分之几(例如，4％)，即其反射一定百分比(例如，4％)的入射光。为降低反射率和增加透射率(其定义为100％减反射率)，可使用相对低折射率材料涂布光学元件。这与折射率匹配的实践相似。光反射的一般原理描述于下文中。一般来说，材料的折射率随着其密度而增加。空气的密度为0.0013g/cm3，并且折射率为1；氧化硅(SiO2)具有2.65g/cm3的较高密度和1.46的较高折射率。氧化钽(Ta2O5)具有8.2g/cm3的更高密度和2.13的更高折射率。在致密材料(例如玻璃)的空气界面处，在空气侧，空气折射率为n0＝1；在致密材料侧，致密材料的折射率始终为n1>1。入射光(入射空气定义为到达空气介质内部并反射离开致密材料表面)的反射率R可用下式计算：例如，如果致密材料是SiO2，其折射率为1.46，那么反射率将为3.5％，低于4％玻璃反射率。如果材料是更致密的材料，例如Ta2O5，其高折射率为2.13，那么反射率将为13％，显著高于4％玻璃反射率。一种类型的AR涂层可为单层低折射率材料(例如SiO2)。另一种类型的AR涂层可为多层透明材料。对于多层AR涂层，两种透明材料(例如SiO2和Ta2O5)的多个交替层形成复合层化AR涂层。两种材料的折射率都大于空气折射率，并且SiO2的折射率小于Ta2O5的折射率。通常，将SiO2称为低折射率材料，并将Ta2O5称为高折射率材料。图1是光学元件100(例如护罩玻璃)的剖视图，包括裸玻璃衬底120，其涂布有多层AR涂层110。多层AR涂层110包括编号为101、102等的交替层，其中最内层101直接位于裸玻璃衬底120上方。层的编号随着层远离裸玻璃衬底120而增大。对于19层AR涂层，最高编号层119是位于空气界面处的最外层。层101、102、……和119是低折射率SiO2和高折射率Ta2O5的交替层。在入射光首先通过空气界面，然后通过多个层的每一层时，在每一界面(即首先在空气与层119之间的界面，然后在层119与118之间的界面，……，在层102与101之间的界面，并且最终在层101与裸玻璃衬底120之间的界面)发生反射。适当设计每一层的厚度和折射率以促进每次反射发生相消干涉，由此使AR涂层的整体反射是一低值。理论上，对于上文所提到的多层AR涂层，在SiO2-Ta2O5界面的反射率为约3.5％。在空气与最外层119之间的界面，反射率取决于最外层119的折射率。图1显示将低折射率SiO2作为最外层119置放在空气界面处的常规设计。这是常规设计，因为空气-SiO2界面的反射率仅为3.5％。这种低反射率将有助于将多层AR涂层的整体反射率保持在低值。与之相比，空气-Ta2O5界面具有13％反射率。如果最外层119是高折射率Ta2O5，那么会由于在空气-Ta2O5界面处的高反射率而难以将整体多层AR涂层反射率保持在低值。尽管是传统看法，但将SiO2层作为最外层定位在空气界面处具有其缺点，部分是因为SiO2具有低硬度水平(SiO2的莫氏(Mohs)硬度指数为约6至7)。这使AR涂层易受刮擦损伤。即使增加顶部SiO2层的厚度，仍存在刮擦问题。例如，铅笔刮擦测试使用不同硬度的铅笔(1H至9H，其中H数越高，代表笔芯越硬)刮擦多层AR涂布护罩玻璃。在最外AR层是SiO2时(图1的设计)，铅笔刮擦测试在2H和更高硬度下不合格。对此刮擦损伤问题的解决方案是将较硬Ta2O5(莫氏硬度指数为约9.2)置放在最外空气-界面层，但需要实施其它设计特征，如下文所揭示。图2是另一种类型的多层AR涂层的剖视图，其具有高折射率材料(例如，Ta2O5)定位在空气界面处。更具体来说，光学元件200(例如护罩玻璃)包括裸玻璃衬底220和涂布裸玻璃衬底220的多层AR涂层21本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学元件，其包含透明衬底和抗反射涂层，其中所述抗反射涂层进一步包含：至少透明、高折射率层和透明、低折射率层，其中所述高折射率层与所述低折射率层接触；且其中所述高折射率层位于所述抗反射涂层与空气之间的界面处。

【技术特征摘要】
2017.02.01 US 15/421,8791.一种光学元件，其包含透明衬底和抗反射涂层，其中所述抗反射涂层进一步包含：至少透明、高折射率层和透明、低折射率层，其中所述高折射率层与所述低折射率层接触；且其中所述高折射率层位于所述抗反射涂层与空气之间的界面处。2.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述低折射率层是二氧化硅层。3.根据权利要求2所述的光学元件，其中所述高折射率层是氧化钽层。4.根据权利要求2所述的光学元件，其中所述高折射率层是氮化硅层。5.根据权利要求2所述的光学元件，其中所述抗反射涂层包含透明高折射率和低折射率材料的17个额外交替层。6.根据权利要求5所述的光学元件，其中所述衬底与低折射率材料的第一层接触。7.根据权利要求6所述的光学元件，其中所述高折射率层的厚度具有基本上等于1-2nm的范围。8.根据权利要求1所述的光学元件，其中所述衬底是平坦护罩玻璃。9.一种图像传感器封装，其包含CMOS图像传感器和光学元件，其中所述光学元件进一步包含透明衬底和抗反射涂层，其中所述抗反射涂层进一步包含：至少透明、高折射率层和透明、低折射率层，其中所述高折射率层与所述低折射率层接触；且其中所述高折射率层位于所述抗...

【专利技术属性】
技术研发人员：范纯圣，蔡陈纬，林蔚峰，
申请(专利权)人：豪威科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US