DE102004011548B4 - Portable data carrier with optical sensor and suitable sensor and method of manufacture - Google Patents
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Abstract
Optischer Sensor (1), bestehend aus einer Halbleiterschaltungsschicht (2) mit einer Vielzahl von optoelektronischen Elementen (3, 4) und aus einer oberhalb dieser Halbleiterschaltungsschicht (2) angeordneten optischen Schicht (5, 5a, 5b, 5c) mit einer Vielzahl optischer Elemente (5c, 6, 7), jeweils mit nach oben offener, seitlich begrenzender Apertur (7), wobei die optischen Elemente (5c, 6, 7) aus unmittelbar auf die Halbleiterschaltungsschicht (2) abgeschiedenem Material (5, 6) bestehen; wobei zumindest eines der optoelektronischen Elemente ein fotosensitives Halbleiterelement (4) ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der optoelektronischen Elemente ein lichtemittierendes Halbleiterelement (4) ist und die optoelektronischen Elemente zueinander benachbarte lichtemittierende und fotosensitive Halbleiterelemente (3, 4) sind.An optical sensor (1) comprising a semiconductor circuit layer (2) having a plurality of optoelectronic elements (3, 4) and an optical layer (5, 5a, 5b, 5c) arranged above said semiconductor circuit layer (2) and having a multiplicity of optical elements (5c, 6, 7), each with an upwardly open, laterally delimiting aperture (7), the optical elements (5c, 6, 7) consisting of material (5, 6) deposited directly on the semiconductor circuit layer (2); wherein at least one of the optoelectronic elements is a photosensitive semiconductor element (4), characterized in that at least one of the optoelectronic elements is a semiconductor light emitting element (4) and the optoelectronic elements are mutually adjacent light emitting and photosensitive semiconductor elements (3, 4).
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs und insbesondere einen optischen Sensor bestehend aus einer Halbleiterschaltungsschicht mit einer Vielzahl optoelektronischer Elemente und aus einer oberhalb dieser aktiven Halbleiterschaltungsschicht angeordneten optischen Schicht mit einer Vielzahl einzelner optischer Elemente, jeweils mit nach oben offener, seitlich begrenzender Apertur. Außerdem betrifft die Erfindung eine tragbare Datenträgeranordnung mit einem solchen optischen Sensor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors.The invention relates to an optical sensor according to the preamble of the main claim and in particular an optical sensor consisting of a semiconductor circuit layer having a plurality of optoelectronic elements and an optical layer arranged above said active semiconductor circuit layer with a plurality of individual optical elements, each with upwardly open, laterally limiting aperture. Moreover, the invention relates to a portable data carrier arrangement with such an optical sensor and to a method for producing such a sensor.
Gattungsgemäße optische Sensoren sind beispielsweise aus der
Eine tragbare Anordnung in Form einer Chipkarte mit einer Anordnung zum optischen Erfassen von Fingerabdrücken mit Beleuchtungseinrichtung zum Ausleuchten des zu erfassenden Objektes ist aus
Das Dokument
Die Offenlegungsschrift
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Sensor bereit zu stellen, die ausreichend flach realisierbar ist, um in einer Chipkarte eingesetzt zu werden. Außerdem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors sowie angegeben werden und eine Datenträgeranordnung mit einem solchen Sensor.The object of the present invention is to provide an optical sensor which is sufficiently flat to be used in a chip card. In addition, a method for producing such a sensor and to be specified and a data carrier arrangement with such a sensor.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Die abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung.This object is achieved by an optical sensor having the features of
Vorzugsweise sind, bei einem aus einer Halbleiterschaltungsschicht mit einer Vielzahl von optoelektronischen Elementen und aus einer oberhalb dieser Halbleiterschaltungsschicht angeordneten optischen Schicht mit einer Vielzahl von optischen Elementen mit nach oben offener, seitlich begrenzender Apertur bestehenden optischen Sensor, die optischen Elemente aus unmittelbar auf die Halbleiterschaltungsschicht aufgebrachtem Material ausgebildet.Preferably, in an optical sensor composed of a semiconductor circuit layer having a plurality of optoelectronic elements and an optical layer disposed above said semiconductor circuit layer having a plurality of optical elements having an upwardly open, laterally limiting aperture, the optical elements are deposited directly on the semiconductor circuit layer Material formed.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines solchen optischen Sensors sieht beispielsweise nach dem Herstellen einer optoelektronischen Elemente enthaltenden Halbleiterschaltungsschicht das Aufbringen einer transparenten Schicht vor. Eine solche transparente Schicht kann beispielsweise eine in üblichen Halbleiterherstellungsverfahren verwendete Schicht aus Siliziumoxid oder Siliziumnitrid sein. Diese transparente Schicht kann beispielsweise unter Verwendung eines fotolithographischen Zwischenschrittes mit Hilfe eines vorzugsweise anisotropen Ätzvorganges strukturiert werden, um oberhalb von optoelektronischen Elementen liegende Bereiche seitlich zumindest weitgehend von einander zu trennen. Diese seitliche Trennung soll neben der Formgebung der optischen Elemente zusätzlich verhindern, daß über Teile der transparenten Schicht Licht von Halbleiterelementen zu anderen Halbleiterelementen gelangen kann. Die Struktur der optischen Elemente auf der von der Halbleiterschaltungsschicht abgewandten Seite kann beispielsweise nach Entfernen einer Maske durch zusätzliches Ätzen, vorzugsweise Plasmaätzen gestaltet werden.A preferred method for producing such an optical sensor, for example, after applying a semiconductor circuit layer containing optoelectronic elements, provides for the application of a transparent layer. Such a transparent layer may be, for example, a layer of silicon oxide or silicon nitride used in conventional semiconductor manufacturing processes. This transparent layer can be patterned, for example, by using a photolithographic intermediate step with the aid of a preferably anisotropic etching process in order to laterally separate at least substantially the areas lying above optoelectronic elements. In addition to the shaping of the optical elements, this lateral separation should additionally prevent the passage of light from semiconductor elements to other semiconductor elements over parts of the transparent layer. The structure of the optical elements on the side facing away from the semiconductor circuit layer side, for example Removing a mask by additional etching, preferably plasma etching are designed.
Bei solchen optischen Elementen kann alleine durch eine geeignete Gestaltung der Oberfläche des aus der transparenten Schicht hergestellten Elementes eine nach oben offene, seitlich begrenzende Apertur realisiert werden. Eine geeignete Oberflächengestaltung solcher optischen Elemente ist jedoch sehr kompliziert und außerdem dringt meist trotzdem Streulicht seitlich aus den optischen Elementen aus bzw. in die optischen Elemente ein. Vorzugsweise wird daher eine opake Schicht auf die strukturierte transparente Schicht aufgebracht, die die einzelnen, aus der transparenten Schicht durch Strukturierung hergestellten Erhöhungen mindestens teilweise umschließt. Eine solche opake Schicht kann beispielsweise aus Silizit, also einer Metall-Siliziumverbindung oder aus Metall bestehen. In der Praxis dürfte eine solche opake Schicht die transparenten Bereiche der optischen Elemente auch nach oben hin abdecken. Daher wird vorzugsweise nach Aufbringen der opaken Schicht das opake Material zumindest oberhalb optoelektronischer Elemente teilweise entfernt. Hierzu eignet sich wieder ein fotolithographischer Ätzvorgang, aber auch ein Planarisierungsschritt, wie z. B. chemisch-mechanisches Polieren.With such optical elements, an upwardly open, laterally delimiting aperture can be realized solely by suitable design of the surface of the element produced from the transparent layer. However, a suitable surface design of such optical elements is very complicated and, moreover, scattered light usually penetrates laterally out of the optical elements or into the optical elements. Preferably, therefore, an opaque layer is applied to the structured transparent layer, which at least partially encloses the individual elevations produced from the transparent layer by structuring. Such an opaque layer may consist, for example, of siliceous material, that is to say of a metal-silicon compound or of metal. In practice, such an opaque layer should cover the transparent areas of the optical elements also upwards. Therefore, preferably after application of the opaque layer, the opaque material is partially removed at least above optoelectronic elements. This is again a photolithographic etching, but also a planarization step, such. B. chemical-mechanical polishing.
Ein erfindungsgemäßer optischer Sensor eignet sich in besonderem Maße zum Aufnehmen biometrischer Informationen, wie z. B. Fingerabdruckinformationen. Um optische Besonderheiten eines sehr nahe am Sensor befindlichen Objektes, wie z. B. einer Fingerkuppe zu erfassen, ist eine Lichtquelle auf der dem Objekt zugewandten Seite erforderlich. Nebeneinander angeordnete lichtemittierende Halbleiterelemente und fotosensitive Halbleiterelemente bewirken jedoch üblicherweise, daß die fotosensitiven Halbleiterelemente nicht nur vom Objekt abgestrahlte Helligkeitsinformation empfangen, sondern auch unmittelbar von den lichtemittierenden Elementen ihrer Umgebung abgegebenes Licht empfangen. Durch die sich überlagernde Wirkung des Streulichtes und der Helligkeitsinformation des vom Objekt abgestrahlten Lichtes wird die Empfindlichkeitsdynamik eines solchen Sensors bezüglich Helligkeitsinformation stark eingeschränkt. Übliche Passivierungsschichten zur Abdeckung von Halbleiterschaltungseinrichtungen sind aus transparentem Siliziumoxid oder Siliziumnitrid, die eine unmittelbare Bestrahlung fotosensitiver Halbleiterelemente durch neben diesen angeordnete lichtemittierende Halbleiterelemente begünstigt, selbst wenn, wie aus der oben angegebenen
Eine Verbesserung eines optischen Sensors wird bereits erzielt, wenn nur lichtemittierende Halbleiterelemente oder nur fotosensitive Halbleiterelemente erfindungsgemäß mit optischen Elementen aus unmittelbar auf die aktive Halbleiterschicht aufgebrachtem Material versehen werden. Die Vorteile der Erfindung machen sich jedoch besonders stark bemerkbar, wenn sowohl lichtemittierende Halbleiterelemente als auch fotosensitive Halbleiterelemente mit entsprechenden optischen Elementen ausgerüstet werden.An improvement of an optical sensor is already achieved if only light-emitting semiconductor elements or only photosensitive semiconductor elements according to the invention are provided with optical elements of material applied directly to the active semiconductor layer. However, the advantages of the invention are particularly noticeable when both light-emitting semiconductor elements and photosensitive semiconductor elements are equipped with corresponding optical elements.
Ein erfindungsgemäßer optischer Sensor kann demnach im Gegensatz zu bekannten optischen oder kapazitiven Fingerabdrucksensoren extrem dünn ausgestaltet werden. Er ermöglicht somit die Realisierung einer tragbaren Datenträgeranordnung, wie z. B. einer Standardchipkarte, mit optischem Sensor zum Erfassen biometrischer Information. Im Gegensatz zu bekannten Chipkarten mit Fingerabdrucksensor, die in dem Bereich, der von einer Schreib-/Leseeinheit kontaktiert wird, Standardabmessungen haben und in einem anderen Bereich, in dem der Sensor vorgesehen ist, eine größere Dicke aufweisen, kann eine tragbare Datenträgeranordnung mit einem vorstehend beschriebenen optischen Sensor in Form einer Standardchipkarte realisiert werden.An optical sensor according to the invention can therefore be made extremely thin in contrast to known optical or capacitive fingerprint sensors. It thus enables the realization of a portable data carrier arrangement, such. As a standard chip card, with optical sensor for detecting biometric information. In contrast to known smart card with fingerprint sensor, which have standard dimensions in the area which is contacted by a read / write unit and in a different area, in which the sensor is provided, have a greater thickness, a portable data carrier arrangement with one above described optical sensor can be realized in the form of a standard chip card.
Da ein optischer Sensor zum Erfassen biometrischer Information relativ große Abmessungen aufweist, sollte dieser vorzugsweise innerhalb einer Chipkarte angeordnet sein, d. h., zwischen mindestens zwei stabilisierenden Schichten aus Kartenmaterial, die bei Biegebelastungen der Chipkarte die stärkere Belastung erfahren. In einem solchen Fall sollte der optische Sensor von einer transparenten Schicht abgedeckt sein, um den Lichtdurchtritt zu gewährleisten. Eine derartige Anordnung kann in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften erfindungsgemäßer optischer Elemente auch zusätzlich eine Kontrastverbesserung mit sich bringen.Since an optical sensor for acquiring biometric information has relatively large dimensions, it should preferably be arranged inside a chip card, i. h., between at least two stabilizing layers of card material, which experience the greater load at bending loads of the chip card. In such a case, the optical sensor should be covered by a transparent layer to ensure the passage of light. Depending on the optical properties of optical elements according to the invention, such an arrangement can also additionally bring about a contrast improvement.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the figures of the drawing with reference to embodiments.
Es zeigen Show it
Die
Die schematische Darstellung der
In einem Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen optischen Sensors wird auf die Halbleiterschaltungsschicht
Ein weiterer, auf die Anordnung gemäß
In einem weiteren Verfahrensschritt wird auf die Anordnung gemäß
In einem weiteren Verfahrensschritt wird oberhalb der elektrooptischen Elemente
Um den Arbeitsschritt des abschließenden Freilegens der Blendenöffnungen
Auf der Chipkarte
Entlang der in
Wie in
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