Spin-on siloxane polymers in image sensor applications
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2010
Department
Major/Subject
Optoelektroniikka
Mcode
S-104
Degree programme
Language
en
Pages
88
Series
Abstract
Tässä työssä esitellään siloksaani-pohjaisten spin-on polymeerien tuomia etuja CMOS-kuvakennojen toimintaan. Ensimmäisessä osassa tutustutaan valon perusominaisuuksiin ja kuinka se käyttäytyy kulkiessaan väliaineessa sekä rajapintojen yli. Lisäksi käydään läpi nykyisin yleisimmin käytössä olevien kuvakennojen toimintaa sekä rakennetta. Työn kokeellisessa osuudessa tullaan osoittamaan mitä etuja siloksaani-pohjaisilla polymeereillä on kennojen valmistuksessa tavallisesti käytettyihin eristekerroksiin verrattuna. Työn aikana tutkittiin erityisesti Silecsin valmistamien korkean taitekertoimen spin-on polymeerikalvojen soveltuvuutta kennon valokanavarakenteeseen. Parannukset erityisesti pieniä pikseleitä hyödyntävien CMOS-kuvakennojen kvanttihyötysuhteeseen sekä pikselien väliseen ylikuulumiseen havainnollistetaan sekä optisen mallinnuksen että käytännön mittausten avulla. IBM:n 2.2 µm pikselikoon CMOS-kuvakennossa saavutettiin valokanavarakenteen avulla 24% parannus kvanttihyötysuhteessa ja 19% parannus ylikuulumisessa. Lisäksi työssä arvioidaan matalan taitekertoimen omaavien polymeerikalvojen soveltuvuutta kennojen passivointiin ja heijastuksenestoon. Havaittiin, että mikrolinssin pinnasta syntyviä heijastuksia pystyttiin merkittävästi vähentämään säätämällä kalvon paksuus ja taitekerroin sovellukseen sopivaksi. Lopuksi havainnollistetaan suorakuvioitavien polymeerien tuomia etuja kennon valmistusprosessiin.The feasibility of siloxane based spin-on polymers in a complementary metal oxide semiconductor (CMOS) image sensor application is studied in this thesis. After an introduction to the fundamental characteristics of light and how it behaves when propagating in matter and through interfaces, the basic operation principles of the most commonly used modern image sensors are reviewed. The experimental part of the thesis will demonstrate the improvements achieved in image sensor performance when replacing conventional dielectrics with siloxane based polymers having specifically tuned refractive indices. Results from optical modelling as well as measurement data from fully functional devices are used to demonstrate the enhanced device performance. Silecs' high refractive index spin-on polymers are shown to significantly improve the quantum efficiency and reduce crosstalk of a small pixel size image sensor utilizing a lightpipe structure. Up to 24% quantum efficiency and 19% crosstalk improvement was achieved in an IBM 2.2 µm pixel size sensor when comparing to a conventional structure. Silecs' low refractive index polymer films used as passivation and anti-reflection coatings on the image sensor microlens array were also studied. Lower reflectance from the microlens surface was achieved by properly tuning the overcoat film thickness and refractive index. Additionally, the overcoat provides mechanical protection to the soft microlens material which can result in improved manufacturing yield. Finally, photosensitized siloxane polymers are demonstrated to yield excellent photopatternability with using industry standard lithographic techniques.Description
Supervisor
Honkala, SeppoThesis advisor
Rantala, JuhaKeywords
CMOS image sensor, spin-on, polymer, lightpipe, pixel, CMOS-kuvakenno, spin-on, polymeeri, valokanava, pikseli