CN101794799B - 光学元件和固态成像器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学元件和固态成像器件。该光学元件包括具有使入射光中频率比第一截止频率更低的成分透射的功能的第一过滤器；具有使入射光中频率比第二截止频率更高的成分透射的功能的第二过滤器；用于将入射光中透射第一过滤器和第二过滤器的成分光电地转换的光接收元件。由导体薄膜组成的金属光学过滤器用作第一过滤器和第二过滤器中的至少一者。

Description

光学元件和固态成像器件
技术领域
本发明涉及光学元件和固态成像器件，特别涉及允许通过化学稳定的、低成本的、更小轮廓的结构来实现仅仅将特定波长的电磁成分选择性地提取出来的技术的光学元件和固态成像器件。
背景技术
近来包括用来通过拍摄目标来成像的固态成像器件的电子器件(诸如数字静物相机、可携式摄像机等)越来越多。最近，主流固态成像器件包括CCD(电荷耦合器件)图像传感器、CMOS(互补型金属氧化物半导体)图像传感器等。下文中，这些固态成像器件共同称作“CCD/CMOS图像传感器”。CCD/CMOS图像传感器具有从可见波长到近红外线波长的宽范围的灵敏度。但是，与人类的眼睛不同，CCD/CMOS图像传感器不能区别颜色信息，例如，不能区别红光和蓝光。因此，在一般CCD/CMOS图像传感器中，仅使在特定波长的电磁波(诸如，红色(R)、绿色(G)、蓝色(B)、补色(青色(Cy)、洋红色(Mg)、黄色(Ye)、绿色(G))等)透射过的彩色过滤器设置在每个像素的前表面上。通过使用这种一般的CCD/CMOS图像传感器，从透射光的强度获得每种颜色的强度信息，并且通过对每种颜色的强度信息进行信号处理来形成彩色图像。
对于用在一般的CCD/CMOS图像传感器中的彩色过滤器，通常使用诸如颜料、染料等的有机原料。但是，包括碳和氢(其中碳和氢是彩色过滤器的构成成分)的分子的键能量与紫外线能量基本相同。因此，当彩色过滤器被高能量光长时间照射时，碳键和碳-氢键可能会断裂。因此，在长时间户外使用(其中彩色过滤器暴露在包括紫外光的阳光下)的情况下，以及用在紫外光特别强烈的环境中等(例如，攀登、滑雪、在海中游玩等)，彩色过滤器的透射特性改变。因此，拍摄的图像的颜色再现性的特性可能劣化(例如，参见IEEE Electron Device Letters，Vol.27，No.6，2006年6月，457-459页)。
因此，已经实际使用了使用无机材料或光子晶体的彩色过滤器(例如，参照PCT国际公报的国内再公报的专利申请No.2006/028128以及2005/013369)。此外，已经提出了称作“线栅格”或“金属光学过滤器”(在说明书中，在下文中统一为“金属光学过滤器”)的彩色过滤器(例如，参见Quasioptical Systems，Paul F.Goldsmith，IEEE Press，ISBN 0-7803-3439-6；J.Opt.Soc.Am.A，P.B.Catrysse&B.A.Wandell，Vol.20，No.12，2003年12月，2293-2306页；以及Nanotechnology，Seh-Won Ahn等人，Vol.16，1874-1877，2005(LG))。
发明内容
在CCD/CMOS成像传感器中，期望通过化学稳定、低成本、更小轮廓的结构实现仅选择性地提取特定波长的电磁成分的技术。但是，在该情况下，以下文献中描述的彩色过滤器不能充分地满足该期望：PCT国际公报的国内再公报的专利申请No.2006/028128以及2005/013369；IEEEElectron Device Letters，Vol.27，No.6，2006年6月，457-459页；Quasioptical Systems，Paul F.Goldsmith，IEEE Press，ISBN 0-7803-3439-6；J.Opt.Soc.Am.A，P.B.Catrysse&B.A.Wandell，Vol.20，No.12，2003年12月，2293-2306页；以及Nanotechnology，Seh-Won Ahn等人，Vol.16，1874-1877，2005(LG)。
期望通过化学稳定的、低成本的、更小轮廓的结构实现仅选择性地提取特定波长的电磁成分的技术。
根据本发明的实施例的光学元件包括具有使入射光中频率比第一截止频率更低的成分透射的功能的第一过滤器；具有使入射光中频率比第二截止频率更高的成分透射的功能的第二过滤器；用于将入射光中透射第一过滤器和第二过滤器的成分光电地转换的光接收元件；由导体薄膜组成的金属光学过滤器用作第一过滤器和第二过滤器中的至少一者。
在根据本发明的实施例的光学元件中，对透射第一过滤器和第二过滤器的每个成分进行光电转换，其中，第一过滤器具有使入射光中频率比第一截止频率更低的成分透射的功能，第二过滤器具有使入射光中频率比第二截止频率更高的成分透射的功能。由导体薄膜组成的金属光学过滤器用作第一过滤器和第二过滤器中的至少一者。
根据本发明的实施例的固态成像器件包括作为像素布置成矩阵的多个光学元件，每个光学元件都包括第一过滤器、第二过滤器、光接收元件以及由导体薄膜组成的金属光学过滤器，其中，第一过滤器具有使入射光中频率比第一截止频率更低的成分透射的功能，第二过滤器具有使入射光中频率比第二截止频率更高的成分透射的功能，光接收元件用于将入射光中透射第一过滤器和第二过滤器的成分光电地转换，金属光学过滤器用作第一过滤器和第二过滤器中的至少一者。
金属光学过滤器包括由导体薄膜制成的金属部分以及填充有介质的介质部分，介质用于固态成像器件对其具有灵敏度的电磁波波长。
金属光学过滤器包括由导电薄膜制成的金属栅格部分，该金属栅格部分的间隙部分填充有介质，固体成像器件对所述介质透射的电磁波波长具有灵敏度。
在金属光学过滤器中，金属部分和介质部分中的一者具有栅格或者蜂窝状分布结构，其中另一者设置在这一者中。
在金属光学过滤器中，根据介质中的对应于第一截止频率或第二截止频率的波长，来确定栅格或者蜂窝状分布结构。
除第一过滤器和第二过滤器之外，每个光学元件还包括具有第一过滤器或第二过滤器的功能的至少一个过滤器。
第一过滤器和第二过滤器在入射光的入射方向上堆叠。
光学元件还包括片上光收集元件，第一过滤器和第二过滤器设置在片上光收集元件与光接收元件之间
光学元件还包括金属配线层，其设置在片上光收集元件与光接收元件之间，第一过滤器和第二过滤器设置在金属配线层中。
在固态成像器件中，在中心部分中，光收集元件的光轴与第一过滤器和第二过滤器的光轴一致，而在与中心部分相隔一段距离的部分中，光接收元件与第一过滤器和第二过滤器之间的位置关系根据该部分的距离而朝向中心部分偏移。
在根据本发明的实施例的固态成像器件中，作为像素的多个光学元件布置为矩阵。在每个光学元件中，对透射第一过滤器和第二过滤器的每个成分进行光电转换，其中，第一过滤器具有使入射光中频率比第一截止频率更低的成分透射的功能，第二过滤器具有使入射光中频率比第二截止频率更高的成分透射的功能。由导体薄膜组成的金属光学过滤器用作第一过滤器和第二过滤器中的至少一者。
根据本发明的实施例，如上所述，可以通过化学稳定的、低成本的、更小轮廓的结构实现仅选择性地提取特定波长的电磁波的技术。
附图说明
图1是图示了作为一般的场增强固态成像器件的示例的CMOS图像传感器的像素部分的截面图；
图2是图示了由导体组成并具有一维栅格结构的金属光学过滤器的图；
图3为图示了根据本发明的第一实施例的固态成像器件的像素部分的构造的示例的截面图；
图4为图示了图3中图示的固态成像器件的像素部分的透视图，其中片上光收集元件、平滑化层和金属配线未示出；
图5为图示了具有短通过滤器功能的金属光学过滤器的构造的示例的俯视图；
图6为图示了具有长通过滤器的功能的金属光学过滤器的构造的示例的俯视图；
图7为图示了根据本发明的第一实施例的固态成像器件的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图3中图示的示例不同；
图8为图示了图7中示出的固态成像器件的透视图，其中片上光收集元件、平滑化层以及金属配线未示出；
图9为图示了根据本发明的第二实施例的固态成像器件的像素部分的构造的示例的截面图；
图10为示出图9中图示的固态成像器件的像素部分的透视图，其中未示出片上光收集元件、平滑化层以及金属配线；
图11为图示了根据本发明的第二实施例的固态成像器件的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图9中图示的示例不同；
图12为示出图11中图示的固态成像器件的像素部分的透视图，其中未示出片上光收集元件、平滑化层以及金属配线；
图13为图示了根据本发明的第三实施例的固态成像器件的像素部分的构造的示例的截面图；
图14为图示了根据本发明的第三实施例的固态成像器件的像素部分的构造的另一个示例的截面图；
图15为图示了根据本发明的第三实施例的固态成像器件的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图13和图14中图示的那些示例不同；
图16为图示了根据本发明的第三实施例的固态成像器件的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图13到图15中图示的那些示例不同；
图17为图示了具有短通过滤器功能的金属光学过滤器的构造的示例的俯视图，该实例与图5中图示的示例不同；
图18为图示了具有长通过滤器功能的金属光学过滤器的构造的示例的俯视图，该实例与图6中图示的示例不同；以及
图19为图示了预定尺寸的固态成像器件中的像素的布置示例的俯视图。
具体实施方式
<1.一般的固态成像器件>
首先，为了便于理解本发明，描述了一般的固态成像器件的概要。
图1为图示了作为一般的场增强固态成像器件的示例的CMOS图像传感器11的像素部分的截面图。
一般的固态成像器件11的像素部分构造为包括片上光收集元件21(微透镜21)、平滑化层22、金属配线23、光传感器24以及片上彩色过滤器层25。
在一般成像器件11的像素部分中，光传感器24设置在底部，并且四个平滑化层22以及三个金属配线层23交替地层压在光传感器24上。即，每个平滑化层22被层压，以当上层被层压时使下方表面平滑化。片上彩色过滤器层25和片上光收集元件21以上述顺序从下方开始层压在最上面的平滑化层22上。
因此，片上彩色过滤器层25设置在片上光收集元件21与平滑化层22之间。
作为片上彩色过滤器层25，频繁使用采用如IEEE Electron DeviceLetters，Vol.27，No.6，2006年6月，457-459页所公开的使用有机材料的彩色过滤器(下文中称作“有机彩色过滤器”)。
但是，有机彩色过滤器具有对于诸如紫外光等的高能量光具有低耐受性的缺点。因此，近年来，使用无机材料或光子晶体的彩色过滤器已经逐渐地实际用作片上彩色过滤器层25。
作为使用无机材料的彩色过滤器的示例，PCT国际公报的国内再公报的专利申请No.2006/028128公开了利用无机材料的吸收系数的波长依赖性的非晶硅薄膜。在可见波长区域内的非晶硅的吸收系数随着波长的增加而减小。因此，当考虑具有特定厚度的薄膜时，相比于0.5μm波长的电磁波，薄膜更容易透射0.7μm波长的电磁波。因此，可以通过控制厚度来容易地实现使长波长更优先透射的彩色过滤器(下文中称作“长通过滤器(long-pass filter)”)。此外，非晶硅为无机材料，因此，可以克服有机彩色过滤器的由于紫外光而劣化的缺点。但是，难以实现使短波长优先透射的彩色过滤器(下文中称作“短通过滤器(short-pass filter)”)。此外，在PCT国际公报的国内再公报的专利申请No.2006/028128中公开的彩色过滤器中，也为颜色分离而执行了运算处理。
作为使用光子晶体的彩色过滤器的示例，PCT国际公报的国内再公报的专利申请No.2005/013369公开了光子过滤器。光子过滤器包括具有不同折射率并以受控的间隔被周期性地层压的光学材料。光子过滤器对于特定波长的电磁波选择性地产生多重反射，使得提取出期望波长或具有期望带宽的电磁波。但是，光子过滤器不能通过小数目的层来有效地切割电磁波，并因此使得多层膜是必要的。因此，光子过滤器比有机过滤器更厚。此外，光子过滤器使用通过很高的晶体操作技术来精确地生长的晶体，因此从成本角度来看，比有机彩色过滤器差。
当仅将一般彩色过滤器简单用作片上彩色过滤器层25时，不能实现化学稳定的、低成本的、较小轮廓的结构。因此，为了实现这种结构，发明人发现使用金属光学过滤器作为固态成像器件的片上彩色过滤器的方法。下文中描述金属光学过滤器的概要。
<2.金属光学过滤器的概要>
金属光学过滤器主要用在比可见波长更长的波长的诸如微波、毫米波、亚毫米波等的电磁波的波带中(例如，参照Quasioptical Systems，PaulF.Goldsmith，IEEE Press，ISBN 0-7803-3439-6)。因此，金属光学过滤器较少应用到可见波长带。作为少数示例，美国斯坦福大学的研究组已经报道了感应栅格和法布里-珀罗干涉仪型金属光学过滤器在可见波长带中作为分光元件有效(例如，参见，J.Opt.Soc.Am.A，P.B.Catrysse&B.A.Wandell，Vol.20，No.12，2003年12月，2293-2306页)。过去应用示例停留在研究和开发阶段的主要原因是难以在技术上实现具有比可见波长更短的物理长度的金属光学过滤器结构。但是，近年来，具有50nm或更短线宽的金属光学过滤器加工已经变得可能(例如，参见Nanotechnology，Seh-Won Ahn等人，Vol.16，1874-1877，2005(LG))。因此，金属光学过滤器可以用作可见波长带中的过滤器，即，彩色过滤器。
图2图示了由导体组成的具有一维栅格结构的金属光学过滤器41。
作为一维栅格结构，虽然图2中图示的示例使用栅格在横向上延伸的结构，但是延伸方向不限于横向方向并且可以为任何期望的方向。
当金属光学过滤器41的栅格间距比电磁波波长更短时，在平行于栅格的平面中振动的电磁波被由导体组成的栅格选择性地反射或吸收。因此，在图2中图示的示例中，当包括纵向偏振波P1和横向偏振波P2的入射光透射金属光学过滤器41时，在平行于栅格的平面中振动的横向偏振波P2被金属光学过滤器41的栅格吸收或反射。因此，纵向偏振波P1变成支配性的直线偏振光。
另一方面，虽然在附图中未示出，当金属光学过滤器41具有由导体组成的二维的栅格结构时，波长比栅格间距长的成分由纵向和横向延伸的栅格选择性地反射或有效地吸收。因此，金属光学过滤器41可以表现出仅选择性地透射波长比栅格间距更短的入射光成分的频率过滤器的功能。
如上所述，金属光学过滤器41具有由导体(金属)组成的栅格结构并且由此被认为是低成本的化学稳定的过滤器。此外，金属光学过滤器41的导体薄膜的一般厚度小至约100nm。因此，相比于使用上述一般的有机过滤器，金属光学过滤器41作为片上彩色过滤器的使用有助于降低固态成像器件的轮廓。
但是，通过简单地将金属光学过滤器41用作片上光学过滤器仅可以实现长通或短通过滤器。即，通过仅将金属光学过滤器41用作片上彩色过滤器不能实现仅选择性地提取期望范围(期望的上限波长与期望的下限波长之间的范围)内的波长成分的技术。即，不能实现在期望波长带内的带通过滤器。
因此，为了在期望波长带内实现带通过滤器，发明人发现使用两个或更多个彩色过滤器层作为片上彩色过滤器，金属光学过滤器41用作至少一个层的方法。
作为两个或更多个彩色过滤器层，至少使用下文中将要描述的第一过滤器和第二过滤器。金属光学过滤器41用作第一过滤器和第二过滤器中的至少一个。第一过滤器具有使入射光中频率比第一截止频率低的成分透射的功能。第二过滤器具有使入射光中频率比第二截止频率高的成分透射的功能。
作为将本发明的方法应用到固态成像器件的实施例，按顺序描述以下第一到第四实施例。
1.第一实施例(应用金属光学过滤器41S和41L)
2.第二实施例(应用金属光学过滤器41S和薄膜过滤器61)
3.第三实施例(金属光学过滤器41安装在与金属配线23相同的层中)
4.第四实施例(与第一到第三实施例的构造不同的构造被用作金属光学过滤器41的构造)
<3.根据本发明的第一实施例的固态成像器件>
图3为图示了根据本发明的第一实施例的固态成像器件31的像素部分的构造的示例的截面图。
在图3中，对应于图1的部分由相同的附图标记表示。适当地省略对这些部分的描述。以下描述的附图也是如此。
固态成像器件31的像素部分构造为包括片上光收集元件21、平滑化层22、金属配线23、光传感器24和金属光学过滤器41S和41L。
在固态成像器件31的像素部分中，光传感器24设置在底部，并且四个平滑化层22和三个金属配线层23交替地层压在光传感器24上。即，每个平滑化层22被层压，以当上层被层压时使下方表面平滑化。金属光学过滤器41L和41S和片上光收集元件21以上述顺序从下方开始层压在最上面的平滑化层22上。金属光学过滤器41L和41S的层压方向为固态成像器件31中的电磁波的传播方向(入射方向)。
图4为图示了图3中所示的固态成像器件31的像素部分的透视图，其中片上光收集元件21、平滑化层22和金属配线23未示出。
在图4中，在金属光学过滤器41A和金属光学过滤器41L的每个中的填充的图案区域(灰色区域)表示导体。围绕导体的白色区域表示填充介质的空隙部分。以下描述附图也是如此。
例如，金属光学过滤器41S构造为具有短通过滤器的功能。具体地，例如，金属光学过滤器41S构造为仅使预定波长(下文中称作“第一阈值”)或更短波长的电磁波成分透射。
另一方面，例如，金属光学过滤器41L构造为具有长通过滤器的功能。具体地，例如，金属光学过滤器41L构造为仅使预定波长(下文中称作“第二阈值”)或更长波长的电磁波成分透射。
在这种情况下，在从图4的上部入射到固态成像器件31的光中，波长超过第一阈值的成分由金属光学过滤器41S反射或吸收，只有第一阈值或更小的波长的成分透射。在透射金属光学过滤器41S的光成分中，小于第二阈值的短波长的成分由金属光学过滤器41L反射或吸收，并且只有第二阈值或更大的波长的成分透射。因此，在入射到固态成像器件31的光中，只有第一阈值或更小的波长以及在第二阈值或更大的波长的成分到达光传感器24，并且只有到达的成分被光传感器24光电地转换。
因此，通过层压金属光学过滤器41S和金属光学过滤器41L，可以容易地实现仅使第一阈值或更小波长以及第二阈值或更大的波长的成分透射的带通过滤器。
通过改变金属光学过滤器41S的栅格间距和线宽，可以将第一阈值设置为任何期望的值。类似地，通过改变金属光学过滤器41L的栅格间距和线宽，可以将第二阈值设置为任何期望的值。因此，可以通过使金属光学过滤器41S和41L的栅格间距和线宽最优化，来实现具有任何期望的频带的带通过滤器的功能。
根据本发明的第一实施例的固态成像器件31具有两个金属光学过滤器层41作为基本结构。但是，为了改善诸如防反射、透射效率、带宽等的特性，可以将三个或更多金属光学过滤器层41设置为基础结构。
之后，通过参照图5和图6描述金属光学过滤器41S和41L中的每个的构造的示例。
图5为图示了具有短通过滤器功能的金属光学过滤器41S的构造的示例的俯视图。
如图5所示，金属光学过滤器41S包括金属部分52和间隙部分51。金属部分52具有栅格分布结构。间隙部分51填充有介质。下文中，空隙部分51和填充有介质的空隙都被称作“介质部分”。金属部分由导电金属薄膜组成。金属部分52的材料优选地是用在一般的半导体工艺中的材料。当然，只要材料是导电的并且适合于微加工，就可以使用各种传导材料(诸如锗、砷化镓、钨、银、金、碳管、石墨烯等)中的任一者。此外，例如，由导电材料组成的纳米线可以布置为栅格，以形成金属部分52。另一方面，介质部分51中的介质优选地为使光传感器24对其具有敏感性的电磁波透射的介质，例如，SiO2、Si3N4、MgF2、TiO2、Ta2O5等。
金属部分52在图5的XY平面内具有二维周期结构。例如，一个周期的长度(栅格间距)可以基本与介质部分51的介质内的电磁波的波长相同。具体地，例如，作为栅格结构的一个周期长度的一般示例，考虑透射光可见波长的光(R、G、B的光)的情况。在这种情况下，R光、G光、B光的波长λR0、λG0、λB0分别约为λR0＝600nm到800nm、λG0＝500nm到600nm、λB0＝380nm到500nm。当介质的折射率由n表示时，介质中的波长为λ＝λ0/n。因此，当介质部分51中的介质的折射率n为1.5时，介质中的波长λR、λG、λB分别约为λR＝400nm到530nm、λG＝330nm到400nm、λB0＝250nm到330nm。对应于金属光学过滤器41S的截止频率f的波长λ(＝1/f)对应于栅格间距的0.5到2倍。因此，金属部分52的结构周期(即，过滤器间距)优选地为以下长度。用于使波长比λ＝700nm(第一阈值λ＝700nm)更短的光透射的过滤器间距优选地为250到900nm。用于使波长比λ＝550nm(第一阈值λ＝550nm)更短的光透射的过滤器间距优选地为200到700nm。用于使波长比λ＝450nm(第一阈值λ＝450nm)更短的光透射的过滤器间距优选地为150到600nm。构成金属部分52的导体的线宽优选地约为100nm或更小，并且光学金属过滤器41S的厚度(金属部分52的厚度)优选地约为10nm或更大。但是，当金属部分52过厚时，波长的透射率显著地减小，并且由此厚度更优选地为1μm或更小。
图6为图示了具有长通过滤器的功能的金属光学过滤器41L的构造的示例的俯视图。
如图6所示，金属光学过滤器41L具有将图5中图示的金属光学过滤器41S的金属部分52和介质部分51颠倒而得到的基本结构。即，介质部分51具有栅格分布结构。对于金属光学过滤器41L的金属部分52和介质部分51优选的材料与参照图5描述的那些材料相同，并且不再进行描述。
介质部分51在图6的XY平面内具有二维周期结构。具体地，例如，作为栅格结构的一个周期长度的一般示例，考虑透射可见波长的光(R、G、B的光)的情况。在这种情况下，R光、G光、B光的波长与上面参照图5描述的那些波长相同。对应于金属光学过滤器41L的截止频率f的波长λ(＝1/f)对应于栅格间距的0.5到2倍。因此，介质部分51的结构周期(即，过滤器间距)优选地为以下长度。用于使波长比λ＝550nm(第二阈值λ＝550nm)更长的光透射的过滤器间距优选地为200到700nm。用于使波长比λ＝450nm(第二阈值λ＝450nm)更长的光透射的过滤器间距优选地为150到600nm。用于使波长比λ＝350nm(第二阈值λ＝350nm)更短的光透射的过滤器间距优选地为120到450nm。构成介质部分51的介质的线宽优选地约为50nm。光学金属过滤器41L的厚度(金属部分52的厚度)优选地约为10nm或更大。
虽然金属光学过滤器41S和41L可以由一般的半导体工艺制造，但是当然，制造方法不受具体的限制。例如，可以使用以下方法。首先，优选地通过溅射、真空蒸发、化学气相沉积等形成金属部分52的导体薄膜。但是，当难以通过溅射形成导体薄膜时，可以使用通过电镀等来形成膜的方法。可以通过施加抗蚀刻剂然后通过缩小投影曝光进行图案化来实现栅格结构。在这种情况下，优选地使用波长尽可能短的电磁波(诸如，高压汞灯的g线或i线、KrF准分子激光器、ArF准分子激光器、X射线、电子束等)作为曝光光源。用于蚀刻的气体优选地为四氟化碳、六氟化硫、三氟甲烷、二氟化氙等。但是，可以使用物理蚀刻。虽然进行了重复的描述，但是当然，可以使用上述方法之外的其他生产方法。
图7为图示了根据本发明的第一实施例的固态成像器件31的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图3中图示的示例不同。
图7中图示的示例的固态成像器件31的像素部分具有以下构造，其中图3中图示的示例的金属光学过滤器41S和金属光学过滤器41L的部分互换。
在固态成像器件31的像素部分中，光传感器24设置在底部，并且四个平滑化层22和三个金属配线层23交替层压在光传感器24上。即，每个平滑化层22被层压，以当上层被层压时使下方表面平滑化。金属光学过滤器41S和41L以及片上光收集元件21以该顺序从下方开始层压到最上面的平滑化层22上。金属光学过滤器41L和41S的层压方向为固态成像器件31的中的电磁波的传播方向(入射方向)。
图8为图示了图7中示出的固态成像器件31的透视图，其中，片上光收集元件21、平滑化层22以及金属配线23未示出。
在从图8中的上部入射到固态成像器件31上的光中，小于第二阈值的短波长的成分由金属光学过滤器41L反射或吸收，并且只有第二阈值或更大的波长的成分透射。在透射金属光学过滤器41L的光中，超过第一阈值的长波长的成分由金属光学过滤器41S反射或吸收，并且只有第一阈值或更小的波长的成分透射。因此，在入射到固态成像器件31上的光中，只有第一阈值或更小的波长或者第二阈值或更大波长的成分到达光传感器24，并且只有到达的成分被光传感器24光电地转换。
因此，通过层压金属光学过滤器41L和金属光学过滤器41S，可以容易地实现仅使第一阈值或更小波长以及第二阈值或更大的波长的成分透射的带通过滤器。
<4.根据本发明的第二实施例的固态成像器件>
图9为图示了根据本发明的第二实施例的固态成像器件31的像素部分的构造的示例的截面图。
在图9中图示的示例中，固态成像器件31的像素部分具有以下构造，其中代替图7中图示的示例的金属光学过滤器41L而使用薄膜过滤器61。
在固态成像器件31的像素部分中，光传感器24设置在底部，并且四个平滑化层22和三个金属配线层23交替层压在光传感器24上。即，每个平滑化层22被层压，以当上层被层压时使下方表面平滑化。金属光学过滤器41S、薄膜过滤器61以及片上光收集元件21以该顺序从下方开始层压到最上面的平滑化层22上。金属光学过滤器41S和薄膜过滤器61的层压方向为固态成像器件31中的电磁波的传播方向(入射方向)。
薄膜过滤器61为利用材料的吸收系数的波长依赖性的无机材料过滤器。举例来说，作为薄膜过滤器61的材料，可以使用非晶硅。可以用作薄膜过滤器61的材料的其他示例包括：无机材料(诸如多晶硅、单晶硅等)；由这些无机材料作为主要成分组成的无机材料；无机化合物(诸如氧化钛、氧化钽、氧化铌等)等。
薄膜过滤器61具有吸收系数随着波长增加而减小的物理特性。因此，允许薄膜过滤器61具有仅使第二阈值或更大的波长的电磁波透射的长通过滤器的功能。此外，通过调整薄膜过滤器61的厚度可以将任何期望的频率设置为第二阈值。因此，可以通过结合薄膜过滤器61和金属光学过滤器41S来实现具有期望的频段的带通过滤器的功能。
图10为示出图9中图示的固态成像器件31的像素部分的透视图，其中未示出片上光收集元件21、平滑化层22以及金属配线23。
在从图10中的上部入射到固态成像器件31上的光中，小于第二阈值的短波长的成分由薄膜过滤器61反射或吸收，并且只有第二阈值或更大的波长的成分透射。在透射薄膜过滤器61的光成分中，超过第一阈值的长波长的成分由金属光学过滤器41S反射或吸收，并且只有第一阈值或更小的波长的成分透射。因此，在入射到固态成像器件31上的光中，只有第一阈值或更小的波长或者第二阈值或更大波长的成分到达光传感器24，并且只有到达的成分被光传感器24光电地转换。
因此，通过层压薄膜过滤器61和金属光学过滤器41S，可以容易地实现仅使第一阈值或更小波长以及第二阈值或更大的波长的成分透射的带通过滤器。
图11为图示了根据本发明的第二实施例的固态成像器件31的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图9中图示的示例不同。
在图11中图示的示例中，固态成像器件31的像素部分具有以下构造，其中图9中图示的金属光学过滤器41S和薄膜过滤器61的位置互换。换言之，图11中图示的示例的固态成像器件31的像素部分具有薄膜过滤器61用于代替图3中图示的示例的金属光学过滤器41L的构造。
在固态成像器件31的像素部分中，光传感器24设置在底部，并且四个平滑化层22和三个金属配线层23交替层压在光传感器24上。即，每个平滑化层22被层压，以当上层被层压时使下方表面平滑化。薄膜过滤器61、金属光学过滤器41S以及片上光收集元件21以该顺序从下方开始层压到最上面的平滑化层22上。薄膜过滤器61和金属光学过滤器41S的层压方向为固态成像器件31的中的电磁波的传播方向(入射方向)。
图12为示出图11中图示的固态成像器件31的像素部分的透视图，其中未示出片上光收集元件21、平滑化层22以及金属配线23。
在从图12中的上部入射到固态成像器件31上光中，超过第一阈值的长波长的成分由金属光学过滤器41S反射或吸收，并且只有第一阈值或更小的波长的成分透射。在透射金属光学过滤器41S的光成分中，第二阈值或更小的短波长的成分由薄膜过滤器61反射或吸收，并且只有第二阈值或更大的波长的成分透射。因此，在入射到固态成像器件31上的光中，只有第一阈值或更小的波长或者第二阈值或更大波长的成分到达光传感器24，并且只有到达的成分被光传感器24光电地转换。
因此，通过金属光学过滤器41S和薄膜过滤器61，可以容易地实现仅使第一阈值或更小的波长以及第二阈值或更大的波长的成分透射的带通过滤器。
<5.根据本发明的第三实施例的固态成像器件>
图13和图14为图示了根据本发明的第三实施例的固态成像器件31的像素部分的构造的两个相应示例的截面图。
在图13和图14中图示的每个示例中，固态成像器件31的像素部分的组件与图3和图7中图示的示例相同。
但是，在图13和图14中图示的每个示例中，金属光学过滤器41S和41L的布置与图3和图7中图示的示例中的布置有以下不同。
在图13和图14中图示的每个示例的固态成像器件31的像素部分中，光传感器24设置在底部，并且四个平滑化层22和三个金属配线层23交替层压在光传感器24上。
在图13中图示的示例中，金属光学过滤器41L设置在与从下方开始的第二层中的金属配线23相同的层中，并且金属光学过滤器41S设置在与从下方开始的第三层中的金属配线23相同的层中。
在图14中图示的示例中，金属光学过滤器41L设置在与从下方开始的第一层中的金属配线23相同的层中，并且金属光学过滤器41S设置在与从下方开始的第二层中的金属配线23相同的层中。
在图13和图14中图示的每个示例的固态成像器件31的像素部分中，金属光学过滤器41S和41L安装在与金属配线23相同的层中。此外，片上光收集元件21层压到最上面的平滑化层22上。
金属光学过滤器41S和41L中的每个都是光学元件，其中通过含有自由电子的导体将电磁波能量选择性地反射或吸收以提取期望波长成分的电磁波作为透射光成分。因此，在CMOS图像传感器(CMOS图像传感器是常用的场增强固态成像器件)的情况下，如果金属层设置在光接收部分的上表面上，则不会重新安装导电金属薄膜。这是因为当导电金属层设置在光接收部分的上表面上时，金属层也可以具有导电金属薄膜的功能。不具体地限制金属光学过滤器41插入其中的金属层。在如图13所示包括三个金属配线层的固态成像器件的情况下，可以通过将金属光学过滤器41插入期望的两层中，来将整个固态成像器件31形成为小轮廓结构。
图15为图示了根据本发明的第三实施例的固态成像器件31的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图13和图14中图示的那些示例不同。
将图15中图示的示例与图13和图14中图示的示例进行比较，在图13和图14中图示的示例中，金属光学过滤器41L和41S设置成两层，而在图15中图示的示例中，金属光学过滤器41设置成三层。
使用术语“金属光学过滤器41”的原因是，设置每个金属光学过滤器41L和41S中的至少一个就足够了。即，金属光学过滤器41L或41S中的任何一个可以设置在其余的层中，并且三层的金属光学过滤器41L和41S的布置不受具体地限制。
在固态成像器件31的像素部分中，光传感器24设置在底部，并且四个平滑化层22和三个金属配线层23交替层压在光传感器24上。即，为当上层被层压时为使下方表面平滑化而层压每个平滑化层22。金属光学过滤器41设置在与各个三个金属配线层23相同的层中。片上光收集元件21层压到最上面的平滑化层22上。
如上所述，期望包括设置为两层的相同的金属光学过滤器41的导体层(即，具有设置为两层的相同导体结构的导体层)具有法布里-珀罗干涉仪的功能并且具有使在特定谐振频率的电磁波透射的特性。此外，通过进一步提供金属光学过滤器41作为下游层，可以实现具有比通过两个导体层实现的带通过滤器的带宽更窄带宽的带通过滤器。
图16为图示了根据本发明的第三实施例的固态成像器件31的像素部分的构造的示例的截面图，该示例与图13到图15中图示的那些示例不同。
将图16中图示的示例与图13到图15中图示的示例进行比较，在图13到图15中图示的示例中，金属光学过滤器41用作全部的彩色过滤器，而在图16中图示的示例中，金属光学过滤器41和薄膜过滤器61用作彩色过滤器。
虽然因为金属光学过滤器41设置在金属层中而将在图16中图示的示例包括在第三实施例中，但是因为该实施例使用了薄膜过滤器61，也可以将该实例包括在第二实施例中。换言之，图16中图示的示例可以被当作包括第二实施例和第三实施例的另一个实施例。
虽然在附图中未示出，但是当然，彩色过滤器层的数目不限于图16中图示的示例的两个，并且与图15中图示的示例中类似，该数目可以是一个或三个或更多。
在第一到第三实施例中，图5和图6中图示的构造被用做金属光学过滤器41S和41L的构造。但是，金属光学过滤器41S和41L的构造可以不限于图5和图6中图示的构造。因此，将具有与图5和图6中图示的构造不同构造的金属光学过滤器41S和41L描述为将本发明的方法应用到固态成像器件的第四实施例。
作为在下文中描述的固态成像器件中的金属光学过滤器41S和41L的布置，可以使用上述第一到第三实施例的布置示例中的任何一个。即，代替图5和图6中图示的构造，将下述构造用作根据第一到第三实施例中的任何一个的、安装到固态成像器件中的金属光学过滤器41S和41L的构造。
图17为图示了具有短通过滤器功能的金属光学过滤器41S的构造的示例的俯视图，该实例与图5中图示的示例不同。
如图17所示，金属光学过滤器41S包括金属部分52和介质部分51。金属部分52具有所谓的蜂窝结构。金属部分52由导电金属薄膜组成。对于金属部分52和介质部分51各自的材料，可以直接使用参照图5描述的材料。
图18为图示了具有长通过滤器功能的金属光学过滤器41L的构造的示例的俯视图，该实例与图6中图示的示例不同。
如图18所示，金属光学过滤器41L包括将图17中图示的金属光学过滤器41S的金属部分52和介质部分51颠倒而得到的基础结构。对于金属部分52和介质部分51各自的材料，可以直接使用参照图5描述的材料。
作为金属光学过滤器41的构造，可以使用圆形孔布置为矩形矩阵或者密集排列的栅格图案的构造或其相反构造，以及其中布置十字形孔的构造或其相反构造等。
以上描述了固态成像器件31的像素部分的构造的示例。没有对像素部分的布置进行具体地限制，举例来说，优选地使用图19中图示的构造。
图19为图示了预定尺寸的固态成像器件31中的像素的布置示例的俯视图。
在图19中图示的示例中，为了便于描述，只图示了作为像素的光传感器24-1到24-9。即，实际上，以固态成像器件31所具有的像素的数目将光传感器布置为矩阵。
此外，金属光学过滤器41-1到41-9分别层压在光传感器24-1到24-9上。因为图19为俯视图，每个金属光学过滤器41-1到41-9表示每个像素部分的顶层中的金属光学过滤器41。即，虽然在图19中未示出，当然，至少一个另外的彩色过滤器层压到每个金属光学过滤器41-1到41-9的下方。
如图19所示，布置在固态成像器件31的中心的光传感器24-5和金属光学过滤器41-5的位置彼此一致。即，光传感器24-5和金属光学过滤器41-5的光轴彼此一致。另一方面，布置在固态成像器件31的图中左上角的光传感器24-1和金属光学过滤器41-1的位置具有金属光学过滤器41-1向中心像素(向右下方)偏移的位置关系。此外，布置在固态成像器件31的图中右下角的光传感器24-9和金属光学过滤器41-9的位置具有金属光学过滤器41-9向中心像素偏移(向左上方)的位置关系。
如上所述，在外围像素部分中，为了有效地将斜入射光引导到光传感器24，优选地根据距中心的距离来改变对光传感器24和金属光学过滤器41进行层压的方法。即，优选地根据距中心部分的距离来使用层压到光传感器24上的金属光学过滤器41的位置向中心部分偏移的位置关系。这是因为，即使在受到瞳孔修正的固态成像器件31中，也可以将入射光高效率地、均匀地引导到光传感器24，而不管固态成像器件31的诸如中心部分和外围区域的位置如何。
第一到第四实施例被描述为将本发明的方法应用到固态成像器件中的实施例。
但是，在本发明中，只要使用两个或更多彩色过滤器作为片上彩色过滤器并且使用金属光学过滤器41作为至少一个彩色过滤器就能够满足本发明。即，本发明不限于上述第一到第四实施例，并且可以获得各种实施例。
举例来说，使用本发明的方法可以表现出以下第一个到第四个优点。
第一个优点为，因为通过栅格结构实现了带通过滤器功能，所以相比于使用颜料、染料等的一般的有机彩色过滤器，彩色过滤器是化学稳定的。因此，增强了对于诸如紫外光等高能量光的耐受性。
因为导体可以被用作栅格的材料，所以表现出材料选择自由度高的第二个优点。此外，可以通过诸如栅格间距、薄膜间距等的物理特性参数来选择透射的波长，增加设计的自由度。此外，从固体间的差以及依赖于加工精度的制造变化的角度考虑，存在更容易控制特性的优点。
在作为当今主流固态成像器件的CCD/CMOS成像传感器中，多个金属配线层安装到光传感器的上表面上。也存在第三个优点，从成本角度来说，本发明的光学元件可以通过一般的半导体制作工艺安装并且因此优于通过特殊的工艺制造的一般的有机光学过滤器。
还展示出了第四个优点：因为导体薄膜的一般厚度约为100nm，相比于一般的有机发光过滤器，降低轮廓的效果很好。此外，当光学元件安装在与金属配线层相同的层中时，该结构形成的轮廓可以比一般的CMOS图像传感器的轮廓低了对应于彩色过滤器的厚度。因此，从光收集特性的角度来看，优于一般有机光过滤器。
总结上述第一个到第四个优点，可以产生通过化学稳定的、低成本的、小轮廓的结构实现选择性地提取特定电磁波波长的技术的优点。
根据本发明的实施例的固态成像器件可以应用到具有拍照功能的各种电子设备的相机部分。电子设备的示例包括数字静物相机、数字摄像机、笔记本尺寸的个人计算机、手机等。根据本发明的实施例的固态成像器件可以应用到根据从电子设备输入或从其中产生的视频信号而拍摄图像或照片的各种领域中的电子设备的相机部分。应用这种相机的电子设备的示例如下所述。
例如，本发明可以应用到作为电子设备的示例的数字静物相机。除了拾取透镜、显示部分、控制开关、菜单开关、快门等之外，数字静物相机被制造为还包括根据本发明的实施例的固态成像器件。
例如，本发明可以应用到作为电子设备的示例的笔记本尺寸的个人计算机。在笔记本尺寸的个人计算机中，主体包括当输入字符等时可操作的键盘、包括相机部分的主体罩。通过在相机部分中使用根据本发明的实施例的固态成像器件来制作笔记本尺寸的个人计算机。
例如，本发明可以应用到作为电子设备的示例的便携式终端器件。便携式终端器件包括上壳体和下壳体。便携式终端器件可以采取两个壳体打开的状态以及两个壳体关闭的状态。除了上壳体和下壳体之外，便携式终端器件包括连接部分(此处为铰链)、显示部、副显示部、图像光、相机部分等。通过在相机部分中使用根据本发明的实施例的固态成像器件来制作便携式终端器件。
例如，本发明可以应用到作为电子设备的示例的数字摄像机。除了主体部分、设置在向前的侧面上的物体拍摄透镜、拍摄开始/停止开关以及监视器之外，数字摄像机被制造为包括根据本发明的实施例的固态成像器件。
本申请包括涉及与2009年1月13日递交给日本专利局的日本在先专利申请JP 2009-004457中公开的主题有关的主题，并将其全部内容通过引用而结合在这里。
本发明的实施例不限于上述第一到第四实施例，并且可以在本发明的要旨范围内作出各种修改。

Claims (10)

1.一种用于固态成像器件的光学元件，包括：
第一过滤器，其具有使入射光中频率比第一截止频率低的成分透射的功能；
第二过滤器，其具有使所述入射光中频率比第二截止频率高的成分透射的功能；
光接收元件，其用于将所述入射光中透射所述第一过滤器和所述第二过滤器的成分光电地转换；
其中，由导体薄膜组成的金属光学过滤器用作所述第一过滤器和所述第二过滤器中的至少一者，
其中，所述第一过滤器和所述第二过滤器在所述入射光的入射方向上堆叠。
2.一种固态成像器件，包括：
作为像素布置成矩阵的多个光学元件，每个所述光学元件都包括第一过滤器、第二过滤器和光接收元件，其中，所述第一过滤器透射入射光中频率比第一截止频率低的成分，所述第二过滤器透射所述入射光中频率比第二截止频率高的成分，所述光接收元件用于将所述入射光中透射所述第一过滤器和所述第二过滤器的成分光电地转换，由导体薄膜组成的金属光学过滤器用作所述第一过滤器和所述第二过滤器中的至少一者，
其中，所述第一过滤器和所述第二过滤器在所述入射光的入射方向上堆叠。
3.根据权利要求2所述的固态成像器件，其中，所述金属光学过滤器具有包括由所述导体薄膜组成的金属栅格部分的结构，所述金属栅格部分的间隙部分由介质填充，所述固体成像器件对所述介质透射的电磁波波长具有灵敏度。
4.根据权利要求3所述的固态成像器件，其中，所述金属光学过滤器中的所述金属部分和所述介质部分中的一者具有栅格或者蜂窝状分布结构，另一者设置在所述一者中。
5.根据权利要求4所述的固态成像器件，其中，根据所述介质中的对应于所述第一截止频率或所述第二截止频率的波长，来确定所述金属光学过滤器中的所述栅格或者蜂窝状分布结构。
6.根据权利要求2所述的固态成像器件，其中，除了所述第一过滤器和所述第二过滤器之外，每个所述光学元件还包括具有所述第一过滤器或所述第二过滤器的功能的至少一个过滤器。
7.根据权利要求2所述的固态成像器件，其中，每个所述光学元件还包括片上光收集元件，所述第一过滤器和所述第二过滤器设置在所述片上光收集元件与所述光接收元件之间。
8.根据权利要求7所述的固态成像器件，其中，每个所述光学元件还包括金属配线层，其设置在所述片上光收集元件与所述光接收元件之间，所述第一过滤器和所述第二过滤器设置在所述金属配线层中。
9.根据权利要求8所述的固态成像器件，其中，当每个所述光学元件设置在与所述金属配线层相同的层中时，通过与制造所述金属配线层的处理相同的处理来安装所述光学元件。
10.根据权利要求2所述的固态成像器件，其中，在所述固态成像器件的中央部分中，所述光收集元件的光轴与所述第一过滤器和所述第二过滤器的光轴一致，而在与所述中心部分相隔一段距离的部分中，所述光接收元件与所述第一过滤器和所述第二过滤器之间的位置关系根据所述部分的所述距离而朝向所述中央部分偏移。
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