CN1894606A - 聚光元件及固体摄像器件 - Google Patents

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Abstract

为了实现固体摄像器件的高分辨率化和高图像质量，提供一种在高角度光入射方面比微透镜强的聚光元件、及该聚光元件的制造方法。在面内方向上以恒定的分割区域宽度(103)分割的多个分割区域，每个具有透光膜(101)，该透光膜对分割区域宽度的线宽合计所占的比率各不相同并呈同心形状。在各分割区域中，透光膜(101)的外周/内周可以与分割区域的外周/内周一致。在各分割区域中，线宽合计比相邻的内侧分割区域的线宽合计小。同心带形状是圆，假设入射光的波长为λ、焦距为f、分割区域宽度为a、透光膜的有效折射率为n1、及菲涅耳带交界为rm时，内周半径r比rm大、比rm+1小的分割区域内的透光膜线宽合计W满足W＝a(1+m－n1r2/(2λf))。

Description

聚光元件及固体摄像器件
技术领域
本发明涉及一种用于数码相机等的聚光元件及固体摄像器件。
背景技术
随着数码相机和带摄像头的移动电话等的普及，固体摄像器件的市场有了飞跃的发展。在这一潮流中，预计固体摄像器件的高分辨率化和高灵敏度化的速度将进一步加快。
现在，在作为固体摄像器件被广泛使用的CCD和MOS图像传感器中，将具有多个受光部分的半导体集成电路排列成二维状，将来自被摄物的光信号转换成电信号。
固体摄像元件的灵敏度由相对于入射光量的受光元件的输出电流的大小来定义，因此，将入射光切实地导入受光元件，对提高灵敏度来说，是一个重要的因素。
图1表示现有的普通像素的结构的一例。固体摄像器件(蓝色光用单位像素)70具有对入射光进行聚光的微透镜33、对蓝色(B)进行色分离并使其透射的滤色片2、将入射光转换成电荷的受光元件(Si光电二极管)6、用于输送电荷的电信号传输部4、AL布线3、平坦化层5以及Si基板7。红色(R)及绿色(G)用的固体摄像器件，除了滤色片2不同之外是相同结构。由于这样的结构能够获得较高的聚光效率，所以微透镜33使用于几乎所有的固体摄像器件中。
另一方面，作为使用菲涅耳透镜的固体摄像器件，已经公开了各种技术(例如，参照专利文献1、专利文献2)。
在上述专利文献1所公开的技术中，透镜由具有同心圆状的不同折射率的多层构成，具有中心部的折射率最高、随着向周边部折射率逐渐降低的结构。此外，在上述专利文献2所公开的技术中，利用了厚度分布型透镜和通过掺杂而具有连续的折射率分布的梯度折射率型透镜。
专利文献1：日本特开2000-39503号公报
专利文献2：日本特开平5-251673号公报
今后，为了推进固体摄像器件的高分辨率化和高灵敏度化，需要不损害聚光效率而对像素进行小型化。可是，由于微透镜为微米级的非常精细的结构，通过在回流中自行组织化而形成，所以，在要进行小型化时，球面形状的形成控制非常困难。
此外，在微透镜中存在聚光效率依赖于信号光的入射角度而下降的问题。即，如图1所示，对于向微透镜33垂直入射的光35，可以进行高效率的聚光，而对于倾斜入射的光34，由于不能进行充分的聚光，所以聚光效率下降。
图2是表示现有的像素排列的基本结构的图。入射光26通过光学透镜27入射到设置在焦距上的固体摄像器件28。固体摄像器件28由多个像素的二维排列构成，所以，具有广角的入射光的情况下，在中央像素和周边像素中入射角不同。其结果，出现周边部的像素的聚光效率比中央低的问题。
图3表示现有的周边部像素的结构的一例。在固体摄像器件80的周边部的像素中，入射光34的入射角度大，所以通过将受光元件6、电信号传输部4以及AL布线3那样的电布线部分在内侧(中央)方向错开，即、使其压缩，来提高聚光效率。可是，周边像素的光量是中央部分的大约40％左右，现状是元件整体的灵敏度受到了周边元件的灵敏度的限制。此外，由于该值随着像素尺寸的减小而进一步降低，所以在小型相机那样的短焦距光学系统中的应用非常困难。并且，在固体摄像器件的制造工序中，需要微透镜33、受光元件6、电信号传输部4以及AL布线3的位置对准。
发明内容
因此，为了实现固体摄像器件的高分辨率化和高像质化，本发明的目的在于提供一种在高角度光入射方面比微透镜强的聚光元件以及该聚光元件的制造方法。
为了实现上述目的，本发明涉及的聚光元件的特征在于，对入射光进行聚光，具有：基板，入射上述入射光；和透光膜的集合体，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有宽度与上述入射光的波长相同程度、或比其短的带形状；上述透光膜的集合体产生有效折射率分布。
由此，能够实现在高角度光入射方面比微透镜强的聚光元件。
并且，可以是在上述透光膜的集合体中各透光膜的线宽恒定。
由此，聚光元件的制造工艺变得容易，能够以低成本生产高精度的聚光元件。
并且，其特征在于，在以与作为对象的入射光的波长相同程度、或其以下来分割上述透光膜的区域中，上述透光膜的上述线宽合计比靠内侧的带中心区域的透光膜的线宽合计小。
由此，透光膜的有效折射率从聚光元件的中央朝向周边减少，能够实现具有聚光特性的梯度折射率透镜。
并且，上述带形状还可以是同心圆。
而且，其特征在于，在设入射光的波长为λ、焦距为f、光入射侧介质的折射率为n0、光出射侧介质的折射率为n1、m为非负的整数、上述透光膜的折射率的最大值为n0+Δnmax的情况下，在设对上述n0的差分为Δn(r)时，大致满足：
Δn(r)＝Δnmax[1+m-n1r2/(2λf)]。
而且，其特征在于，在设入射光的波长为λ、焦距为f、上述分割区域的宽度为a、光出射侧介质的折射率为n1、m为非负的整数、以及菲涅耳带交界为rm(即，满足rm 2＝2mλf/n1的非负的数)时，将比rm大、比rm+1小的r作为内周半径r的上述分割区域内的上述透光膜的上述线宽合计W满足：
W＝a(1+m-n1r2/(2λf))。
由此，通过仅用透光膜的形状指定具有某种波长的入射光的焦距，能够用半导体光刻工艺来形成梯度折射率透镜。
并且，其特征在于，上述透光膜的法线方向的高度恒定。
由此，聚光元件的膜厚均匀，从而用以往的半导体平面工艺来形成聚光元件，并能够降低制造成本。
并且，其特征在于，上述透光膜的法线方向的剖面形状是矩形。
由此，能够实现准确的折射率分布，所以提高聚光效率。
并且，其特征在于，上述透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一个。
这些是高折射率的透光材料，因此能够减薄透光膜的膜厚，制造工艺变得容易。
再者，其特征在于，上述透光膜包含添加了B或P的SiO2即BPSG、及TEOS即四乙基原硅酸盐中的任一个。
这些是现有的半导体工艺中一般使用的材料，能够容易地形成聚光元件，并能够降低制造成本。
并且，其特征在于，上述透光膜包含苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚亚酰胺中的任一个。
含有这些的树脂能够直接加工，能够降低制造成本。
并且，为了实现上述目的，本发明涉及的固体摄像器件，其特征在于，具有聚光元件的单位像素设置成二维形状，上述聚光元件具有：基板，入射上述入射光；和透光膜的集合体，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有宽度与上述入射光的波长相同程度、或比其短的带形状；上述透光膜的集合体产生有效折射率分布。
由此，不使用微透镜而能够提高单位像素的聚光效率。因此，能够实现高分辨率、高灵敏度的固体摄像器件。
再者，其特征在于，在设置于中央附近的上述单位像素的聚光元件、和设置在周边附近的上述单位像素的聚光元件中，上述透光膜的线宽不同。
由此，在二维排列的所有聚光元件中，能够得到均匀的聚光效率。
并且，其特征在于，至少包括：第1单位像素，用于上述入射光中第1颜色光；及第2单位像素，用于具有与上述第1颜色光的代表波长不同的代表波长的第2颜色光；上述第1单位像素具有第1聚光元件；上述第2单位像素具有第2聚光元件，该第2聚光元件的上述第2颜色光的焦距与上述第1聚光元件的上述第1颜色光的焦距相等。
由此，能够根据入射光的波长将各像素的透镜结构最优化，并能够消除由颜色产生的聚光效率的差异。
并且，其特征在于，在位于形成有上述多个单位像素的面的中央的上述单位像素的聚光元件、和位于周边的单位像素的聚光元件中，各上述分割区域内的上述透光膜的上述线宽合计不同。
由此，根据固体摄像器件上的单位像素的位置，能够将透镜结构最优化，能够缓和固体摄像器件的压缩结构。并且，聚光元件的制造方法变得容易，能够提高聚光元件整体的灵敏度。
再者，其特征在于，从形成有上述多个单位像素的面的中央到周边，分割成多个同心状的区域，属于相同区域内的上述单位像素的上述聚光元件的焦距相等，属于上述相同区域以外的上述单位像素的上述聚光元件的焦距不同。
由此，不失去制造工艺的容易性，而能够在面内改变入射角。
再者，其特征在于，上述单位像素还具有布线层，该布线层在上述聚光元件的出射面侧将受光元件的上部作为开口部；由上述聚光元件聚光的光的焦点与上述布线层的上述开口部的位置一致。
由此，能够最大限度地利用受光面，聚光效率升高。
再者，其特征在于，在位于形成上述多个单位像素的面的中央的上述单位像素中，形成为上述受光元件的中心轴与上述聚光元件的中心轴一致；在位于周边的单位像素中，形成为上述聚光元件的中心轴比上述受光元件的中心轴靠近上述面的中央。
由此，能够得到低度的压缩结构，周边像素的聚光效率进一步提高。
发明效果
本发明涉及的聚光元件及固体摄像器件，能够实现通过使同心结构的线宽合计变化而使有效折射率变化的折射率分布型聚光元件。此外，仅以形状就能指定具有某一波长的入射光的焦距，以半导体光刻工艺形成梯度折射率型透镜。此外，与现有型的透镜相比，产生急剧的折射率变化、提高聚光效率。
而且，由于使用高折射率材料，所以能够减薄透光膜的膜厚，从而制造工艺变得容易。
并且，不使用微透镜而能够提高像素的聚光效率。因此，能够实现高分辨率和高灵敏度的固体摄像器件。此外，能够根据入射光的波长将各像素的透镜结构最优化，能够消除因颜色引起的聚光效率的差异。而且，入射光的焦距可变，所以能够进行适合于各像素结构的透镜设计。并且，能够根据入射光的入射角度将各像素的透镜结构最优化，能够消除伴随入射角度的增加的聚光效率的下降。再者，能够最大限度地使用受光面，聚光效率提高。
而且，能够实现高灵敏度的一维或二维图像输入装置。能够根据固体摄像器件上的像素的位置，将透镜结构最优化，从而能够使固体摄像器件的压缩结构缓和。此外，用于聚光元件的制造方法变得容易，所以聚光元件整体的灵敏度也提高。并且，不会丧失工艺的容易性，能够在面内改变入射角。再者，能够形成低度的压缩结构，周边像素的聚光效率进一步提高。
附图说明
图1是表示现有固体摄像器件的基本结构的剖面图。
图2是表示现有像素排列的基本结构的图。
图3是表示现有像素的基本结构的图。
图4是表示本发明实施方式1的单位像素的基本结构的图。
图5是表示本发明实施方式1的梯度折射率透镜的上表面结构的图。
图6(a)～(e)是表示本发明实施方式1的梯度折射率透镜的剖面结构的图。
图7是表示本发明实施方式1的梯度折射率透镜的折射率分布的图。
图8(a)～(c)是表示本发明实施方式2的单位像素的基本结构的图。
图9(a)～(c)是表示本发明实施方式2的梯度折射率透镜的折射率分布的图。
图10是表示本发明实施方式3的单位像素的基本结构的图。
图11(a)～(c)是表示本发明实施方式3的梯度折射率透镜的折射率分布的图。
图12(a)～(c)是表示本发明实施方式3的梯度折射率透镜的聚光特性(模拟结果)的图。
图13是表示本发明实施方式4的单位像素的基本结构的图。
图14是表示本发明实施方式4的梯度折射率透镜的聚光特性的图。
图15(a)～(c)是表示本发明实施方式5的固体摄像器件的基本结构的图。
图16是表示本发明实施方式5的梯度折射率透镜的聚光特性的图。
图17(a)～(d)是表示本发明实施方式1～5的固体摄像器件的制造工序的图。
符号说明
1、1a、1b梯度折射率透镜
2         滤色片
3         AL布线
4         电信号传输部
5         平坦化层
6         受光元件(Si光电二极管)
7         Si基板
8         半导体集成电路
9、26     入射光
13        B光用滤色片
14        G光用滤色片
15        R光用滤色片
16        B光用透镜的折射率分布
17        G光用透镜的折射率分布
18        R光用透镜的折射率分布
19        焦距
20        短焦点用透镜的折射率分布
21        中焦点用透镜的折射率分布
22        长焦点用透镜的折射率分布
27        光学透镜
28        固体摄像器件
29        中心部的像素用梯度折射率透镜
30        周边部的像素用梯度折射率透镜
31        入射光(中心部)
32        入射光(周边部)
33        微透镜
34        入射光(倾斜入射)
35        入射光(垂直入射)
70～73、80固体摄像器件
101       高折射率材料(TiO2)
102       低折射率材料(空气)
103       相邻的分割区域的宽度
104       带线宽(合计)
104a、104b带线宽
105       B光用梯度折射率透镜
106       G光用梯度折射率透镜
107       R光用梯度折射率透镜
150       带线宽(合计)
150a～150c带线宽
200       抗蚀剂
201       TiO2
202       模具
203       Ar离子研磨
204       湿法蚀刻
具体实施方式
以下利用附图更具体地说明本发明的实施方式。
(实施方式1)
图4是表示本发明实施方式1的单位像素的基本结构的剖面图。固体摄像器件(蓝色光用单位像素)71的尺寸为2.25μm平方，具有对入射光9进行聚光的梯度折射率透镜(也称为“透光膜的集合体”)1、对蓝色光(B)进行色分离并使其透射的滤色片2、将入射光转换成电荷的受光元件(Si光电二极管)6、用于输送电荷的电信号传输部4、AL布线3、平坦化层5、以及Si基板7。此外，上述梯度折射率透镜1具有预定的膜厚t(例如1μm)。
图5是表示本发明实施方式1的梯度折射率透镜的上表面结构的图。具有同心带形状的透光膜的集合体1用高折射率透光材料101[例如TiO2(n＝2.53)]和低折射率透光材料102[例如空气(n＝1.0)]构成，多个相邻分割区域的宽度103例如是恒定的200nm。图5中的同心形状的高折射率透光材料101和同心状的低折射率透光材料102分别形成一个带。因此，梯度折射率透镜1也是多个带的集合体。此外，将带的宽度称为“线宽”。
在此，所谓“分割区域”是指以与入射光的波长大致相同程度、或其以下的任意宽度分割为同心状的区域。
在图5中，梯度折射率透镜1的各分割区域(即、以虚线分割的区域)中的高折射率透光材料为一个，各高折射率透光材料的带的外周与各分割区域的外缘相一致。
此外，在图5中，由于低折射率透光材料102是空气，构成上述高折射率透光材料之间的间隙。而且，作为低折射率透光材料，取代上述空气，也可以是折射率与空气相等的真空。
图6(a)～(d)是表示本发明实施方式1的梯度折射率透镜的剖面结构的图。在图6(a)中，梯度折射率透镜1的各分割区域中的高折射率透光材料为一个，并表示出高折射率透光材料配置成与该分割区域的外缘相接的样子。在图6(b)中，梯度折射率透镜1的各分割区域中的高折射率透光材料为一个，并表示出高折射率透光材料配置成与该分割区域的内缘相接(即，低折射率透光材料配置成与该分割区域的外缘相接)的样子。
并且，在各分割区域中，透光膜(即、带)的数量可以是多个(图6的(c)和(d))。此时，可以是高折射率透光材料的线宽恒定(图6(c))，当然也可以是低折射率透光材料的线宽恒定(图6(d))。此外，在各分割区域中，也可以不贯穿透光膜的剖面(图6(e))。即，如图6(e)所示，在一个分割区域中，也可以是高折射率透光材料形成为L字型(即，低折射率透光材料未贯穿)，在剩余部分形成低折射率透光材料。此时，如上述图6(a)和图6(e)所示，若一个分割区域中的高折射率透光材料的体积比相同，则可以说它们具有同等的折射率。
在图6(a)～(d)中，在所有的梯度折射率透镜中，各分割区域中的带线宽合计104的中央部分最大，随着向外侧的分割区域，线宽合计104依次缩小。即，某一外侧的分割区域中的带线宽合计比靠内侧的分割区域(带中心侧区域)中的带线宽合计小。
此外，在梯度折射率透镜1中，对应的分割区域的线宽合计104相同。即，图6(c)中的线宽104a与线宽104b的合计与图6(a)或(b)中的线宽104的长度相等。同样，图6(d)中的线宽150a、线宽150b以及线宽150c的合计与图6(b)中的线宽150的长度相等。而且，在图6(a)～(d)所示的所有的梯度折射率透镜中，膜厚t是1μm恒定。
上述分割区域的宽度与入射光的波长相同程度或比其小时，光感应的有效折射率neff可以用
neff＝{W×nh+(a-W)nl}/a  (1)
来表示。在此，W表示分割区域内的高折射率透光材料的线宽(包括线宽合计)，a表示各分割区域的宽度、nh以及nl分别表示高折射率透光材料和低折射率透光材料的折射率。
图7是表示本发明实施方式1的梯度折射率透镜的折射率分布的图。梯度折射率透镜的折射率具有中央部分最高、随着向端部依次降低的阶梯状的特性。并且，图7所示的抛物线表示使波长(550nm)的入射光以焦距f(4.43μm)进行聚光用的折射率分布，用下式表示(例如，参照“光集成电路”，Ohmsha公司，西原浩共著，1993年8月出版，p.299)。
Δn(r)＝Δnmax[1+m-n1r2/(2λf)]  (2)
在此，设入射光的波长为λ、焦距为f、光入射侧材料(光入射侧介质)的折射率为n0、光出射侧材料(光出射侧介质)的折射率为n1、非负的整数为m、透光膜的折射率的最大值为n0+Δnmax(此时，Δnmax为1.53)，设对于位置r上的上述n0的折射率的差分为Δn(r)。
根据上述式(1)及式(2)，具有圆型带形状的透光膜的外周半径为r的该透光膜的线宽W满足：
W＝a(1+m-n1r2/(2λf))  (3)
其中，m＝0，1，2，…
及rm＜|r|＜rm+1，
菲涅耳带交界rm＞0满足：
rm 2＝2mλf/n1
并且，本发明涉及的梯度折射率透镜的折射率分布设计成取各分割区域中的抛物线的中心值。
根据上述式(3)可知，本发明涉及的聚光元件的最大特点在于，仅改变线宽W就能对入射光的相位进行调制，能够自由决定焦点，能够实现与具有特定波长的光相对应的梯度折射率透镜。
例如，在图4所示的实施方式中，梯度折射率透镜的聚光率约为97％，实现了比微透镜的情况的聚光率90％高的聚光效率。
如上所述，能够实现一种渐变折射率型聚光元件，通过改变构成透光膜的集合体的透光材料的线宽合计，来改变有效折射率。
(实施方式2)
图8(a)～(c)是表示本发明实施方式2的单位像素的基本结构的图。垂直入射到固体摄像器件的各像素的B光10、G光11以及R光12分别由B用梯度折射率透镜105、G用梯度折射率透镜106以及R用梯度折射率透镜107聚光，通过B用滤色片13、G用滤色片14以及R用滤色片15，在各受光部进行向电信号的转换。在本发明所涉及的梯度折射率透镜105～107中，能够根据入射光10～12的波长对各单位像素的透镜结构进行最优化，所以由颜色产生的聚光效率的差异消失，能够高效率地进行聚光。即，在B光梯度折射率透镜105中，相对于同心圆状的各分割区域的高折射率透光材料的线宽(的合计)的减少率大(即，越位于外侧，透光膜的线宽急剧变细)，随着成为G用梯度折射率透镜106、R用梯度折射率透镜107，形成缓和的线宽减少(即，线宽在外侧的透光膜中也不急剧变细)。这是因为，如上述式(2)所示，折射率分布与入射光的波长λ成反比。
图9(a)～(c)表示本发明实施方式2的梯度折射率透镜的折射率分布。即，以图9(b)所示的绿色用的折射率变化17为中心，如图9(a)所示，波长越短(蓝色侧)，折射率变化16越大，如图9(c)所示，波长越长(红色侧)，具有宽阔的分布18。
如上所述，能够仅用形成透光膜的集合体的透光材料的线宽控制具有某一波长的入射光的焦距，利用半导体光刻工艺，能够形成本发明涉及的梯度折射率透镜。
(实施方式3)
图10是表示本发明实施方式3的单位像素的基本结构的图。垂直入射到固体摄像器件72的入射光9由梯度折射率透镜1聚光，通过滤色片2到达受光部(图中省略)。此时，如上面说明的那样，入射光9的焦距19能够根据各单位像素的聚光元件即透镜的结构可变。
图11(a)～(c)是表示本发明实施方式3的梯度折射率透镜的折射率分布的图。当试着以图11(b)所示的中焦点用透镜的折射率变化21为基准比较它们时，在图11(a)所示的短焦点用透镜中，折射率变化20大，在图11(c)所示的长焦点用透镜中成为是缓和的分布22。在本实施方式的单位像素中，反映以上的特性而设计了各梯度折射率透镜的结构。
图12(a)～(c)是表示本发明实施方式3的梯度折射率透镜的聚光特性的图。在图12(a)～(c)中，表示了使焦距在2.66～4.47μm之间变化时的各单位像素中的光传播分布图的模拟结果。随着按图12(a)、(b)和(c)的顺序设定的焦距变长，光束的收敛位置(在各图的右侧以箭头表示)向受光元件侧(即、图的上方侧)转移的情况。这启示通过按照上述式(2)使聚光元件的透镜结构变化，能够进行焦距的控制。
为了实现固体摄像器件的高分辨率化，需要像素的高密度化。但是，随着像素尺寸的减小，作为受光元件的光电二极管的面积缩小，而AL布线的面积几乎不变。因此，由入射侧的布线部分形成的遮光面积加宽(即、入口变窄)，聚光效率下降。例如，像素尺寸为2.25μm、开口率为24％左右时，通过将焦距设定在布线部3的开口部，到达受光部6的光量增加，聚光效率显著改善。例如，在上述例子中聚光效率也达到了90％。
如上所述，本发明涉及的聚光元件，入射光的焦距根据其结构可变，能够进行适合于各单位像素的结构的透镜设计。
(实施方式4)
图13是表示本发明实施方式4的单位像素的基本结构。以特定的角度θ进入固体摄像器件73的入射光9，由梯度折射率透镜1聚光，通过滤色片2到达受光部6。通过使梯度折射率透镜1的参数即焦距、波长及膜厚变化，能够形成在高角度光入射方面强的透镜。例如，在本实施方式中，相对于入射角为30°的G光(λ＝550nm)，形成焦距2.9μm、透镜长度为0.9μm的梯度折射率透镜。此时的聚光效率为50％，聚光效率成为微透镜的大约5倍。
图14是表示本发明实施方式4的梯度折射率透镜的聚光特性的图。如根据图14可知，本发明涉及的梯度折射率透镜与现有的微透镜相比，入射光的角度依赖程度小。例如，当入射角度成为5°以上时，相对于在微透镜中聚光效率开始下降，而在梯度折射率透镜中到10°左右将聚光效率保持在90％。此外，在入射角度为20°时，相对于在微透镜中为大约30％，而在梯度折射率透镜中为70％以上。并且，在入射角度为30°时，相对于在微透镜中为大约10％，而在梯度折射率透镜中保持在50％。
如上所述，在本发明涉及的固体摄像器件中，能够抑制伴随入射角度的增加的聚光效率的下降，所以可以期待在便携电话用摄像机等的短焦距光学系统的应用。
如上所述，在本发明涉及的聚光元件中，能够根据入射光的入射角度使各单位像素的透镜结构最优化，所以能够抑制伴随入射角度增加的聚光效率的下降。
(实施方式5)
图15(a)～(c)是表示本发明实施方式5的固体摄像器件的基本结构的图。该固体摄像器件使用31万像素的VGA。如图15(a)所示，信号光26由光学透镜27聚光，并照射在具有梯度折射率透镜的固体摄像器件28上。在包括受光元件以及布线等的半导体集成电路8、及梯度折射率透镜以二维形状排列的固体摄像器件28中，在中心部分的单位像素和周边部分的单位像素中，光的入射角度不同。如图15(b)所示，相对于入射光31以大致0°的角度入射到固体摄像器件28的中心部分的单位像素中，如图15(c)所示，在周边部的单位像素中，入射光32以大约30°入射。
因此，在本实施方式中，从固体摄像器件28的中心部分到周边部分，阶段性地将4种梯度折射率透镜形成为同心形状。各梯度折射率透镜根据固体摄像器件28上的单位像素的位置将透镜结构最优化，并且使聚光效率最高。即，如图15(b)所示，位于中心部分的单位像素的梯度折射率透镜29为通常结构的梯度折射率透镜，而如图15(c)所示，位于周边部分的像素的梯度折射率透镜30，为了与倾斜的入射光相对应，通过使线宽比通常的线宽小，折射率的变化增大。由此，即使是角度成分大的入射光，大部分入射光能够到达开口部分，所以位于周边部的像素也能够实现高的聚光效率。
并且，在本实施方式中，未进行半导体集成电路的压缩。而且，不是4个阶段而定义2、3或5阶段以上的区域，将梯度折射率透镜形成为最适合的形状。
图16是表示本发明实施方式5的梯度折射率透镜的聚光特性的图。入射角度增加意味着单位像素的位置位于更靠近固体摄像器件的周边部。与本发明的效果对比，图16表示现有的微透镜结构中的聚光效率，并且同时表示进行了半导体集成电路压缩的、固体摄像器件的数据。根据图16可知，在具有本发明的梯度折射率透镜的固体摄像器件中，不管没有进行压缩，能够实现与进行了压缩的固体摄像器件相同程度的聚光效率，例如入射角度为30°也能实现50％左右的聚光效率。并且，入射角度在20°以内，成功地获得不小于进行了压缩的固体摄像器件的聚光效率。例如，在入射角度为20°时，相对于在进行了压缩的固体摄像器件中为80％左右的聚光效率，而在具有本发明的梯度折射率透镜的固体摄像器件中实现了90％左右的聚光效率。这意味着能够制造不压缩的固体摄像器件。
并且，进一步针对本发明的固体摄像，只进行实施低度压缩的措施，有望实现聚光效率不依赖于像素位置的高灵敏度的固体摄像器件，所以具有本发明的梯度折射率透镜的固体摄像器件的有用性极高。
(实施方式6)
图17(a)～(d)是表示本发明实施方式1～5的固体摄像器件的制造工序的图。如以下说明的那样，本发明的梯度折射率透镜的形成通过纳米刻印和蚀刻进行。
如图17(a)所示，首先利用通常的半导体工艺在Si基板上按顺序形成包括受光元件及布线、遮光层、信号传输部等(图17中省略)的半导体集成电路8、滤色片2以及平坦化层5。并且，一个像素的尺寸是2.25μm平方，受光部分为1.1μm平方。
然后，采用等离子CVD在平坦化层5的上部形成TiO2膜201，并在其上部涂敷抗蚀剂200。此外，TiO2膜201和抗蚀剂200的厚度分别为0.8μm和1μm。
然后，如图17(b)所示，将构图有同心圆结构的SiC制模具(mold)202以150℃加热压印(press)在抗蚀剂200上，从而将细微结构转印到抗蚀剂200上。并且，模具用通常的电子线束光刻和蚀刻形成。
然后，如图17(c)所示，在180℃下进行后烘干(postbake)之后，通过Ar离子研磨进行第1阶段的蚀刻203。接着，如图17(d)所示，除去抗蚀剂200以后，用湿法蚀刻204在像素上形成具有同心圆结构的梯度折射率透镜。通过以上的工序，可以形成本发明涉及的固体摄像器件。
这样，利用本发明涉及的聚光元件的制造方法，可以容易地大量形成细微的同心结构。而且，各像素之间的相对位置的偏移消失，调节操作的工序减少，能够实现聚光元件的低价化。此外，使该梯度折射率透镜的透镜膜厚恒定，所以上述制造工艺容易进行，能够降低制造成本。此外，该梯度折射率透镜的法线方向的剖面形状为矩形。
以上说明的实施方式2～5中的透镜由采用最小加工尺寸为1nm以下的模具的纳米刻印法形成，是利用了TiO2和空气的折射率差的梯度折射率透镜。
而且，透光膜最好是使用折射率为1.45以上3.4以下的高折射率透明材料。并且，透光膜最好是使用TiO2(折射率2.3～2.55)、ZrO2(2.05)、Nb2O5(2.2)、Ta2O5(2.1)、Si3N4(2.0)以及Si2N3中的任一种。由于它们是高折射率材料，所以能够减小透光膜的膜厚，制造工序变得容易。
此外，透光膜最好是使用添加了B或P的SiO2(BPSG：硼磷硅酸盐玻璃(Boro-Phospho Silicated Glass))以及TEOS(四乙基原硅酸盐(Tetraethoxy Silane)中的任一种。它们是现有的半导体工艺中通常使用的材料，所以能够容易地形成聚光元件，能够降低制造成本。
此外，透光膜最好是使用苯并环丁烯(1.5)、聚甲基丙烯酸甲酯(1.55)、聚酰胺(1.53)以及聚亚酰胺(1.58)中的任一种。树脂能够直接加工，能够用纳米刻印直接形成聚光元件，所以提高批量生产性。
此外，在上述实施方式1～5中使用了CCD，但是当然也可以使用MOS传感器。而且，当然也可以使用与进行了说明的梯度折射率透镜具有相同特性、用其他材料形成的梯度折射率透镜。而且，当然也可以利用以上说明的方法以外的制造方法来制造梯度折射率透镜。并且，低折射率材料使用了空气，但也可以使用其他材料。
此外，当然也可以是透光膜的形状不是圆，而是多边形和椭圆等其他的同心形状。而且，当然也可以将搭载了本发明透镜的传感器形成压缩结构。
产业上的可利用性
本发明涉及的聚光元件及固体摄像器件能够在数码摄像机、数码静止相机和带摄像机的便携电话等中使用，能够提高性能和降低价格，所以在产业上有用。

Claims (18)

1.一种聚光元件，对入射光进行聚光，其特征在于，
具有：基板，入射上述入射光；和透光膜的集合体，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有宽度与上述入射光的波长相同程度、或比其短的带形状；上述透光膜的集合体产生有效折射率分布。
2.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
在上述透光膜的集合体中，各透光膜的线宽恒定。
3.如权利要求1或2所述的聚光元件，其特征在于，
在以与作为对象的入射光的波长相同程度、或其以下来分割上述透光膜的区域中，上述透光膜的上述线宽合计比靠内侧的带中心区域的透光膜的线宽合计小。
4.如权利要求3所述的聚光元件，其特征在于，
上述带形状是同心圆。
5.如权利要求3所述的聚光元件，其特征在于，
在设入射光的波长为λ、焦距为f、光入射侧介质的折射率为n0、光出射侧介质的折射率为n1、m为非负的整数、上述透光膜的折射率的最大值为n0+Δnmax的情况下，在设对上述n0的差分为Δn(r)时，大致满足：
Δn(r)＝Δnmax[1+m-n1r2/(2λf)]。
6.如权利要求3所述的聚光元件，其特征在于，
在设入射光的波长为λ、焦距为f、上述分割区域的宽度为a、光出射侧介质的折射率为n1、m为非负的整数、以及菲涅耳带交界为rm、即满足rm 2＝2mλf/n1的非负的数时，将比rm大、比rm+1小的r作为内周半径r的上述分割区域内的上述透光膜的上述线宽合计W满足：
W＝a(1+m-n1r2/(2λf))。
7.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜的法线方向的高度恒定。
8.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜的法线方向的剖面形状为矩形。
9.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜包含TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4及Si2N3中的任一个。
10.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜包含添加了B或P的SiO2即BPSG、及TEOS中的任一个。
11.如权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜包含苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚亚酰胺中的任一个。
12.一种固体摄像器件，其特征在于，具有聚光元件的单位像素设置成二维形状，
上述聚光元件具有：基板，入射上述入射光；和透光膜的集合体，在上述基板上的上述入射光入射的位置形成；上述透光膜具有宽度与上述入射光的波长相同程度、或比其短的带形状；上述透光膜的集合体产生有效折射率分布。
13.如权利要求12所述的固体摄像器件，其特征在于，
在设置于中央附近的上述单位像素的聚光元件、和设置在周边附近的上述单位像素的聚光元件中，上述透光膜的线宽不同。
14.如权利要求12所述的固体摄像器件，其特征在于，
至少包括：
第1单位像素，用于上述入射光中第1颜色光；及
第2单位像素，用于具有与上述第1颜色光的代表波长不同的代表波长的第2颜色光；
上述第1单位像素具有第1聚光元件；
上述第2单位像素具有第2聚光元件，该第2聚光元件的上述第2颜色光的焦距与上述第1聚光元件的上述第1颜色光的焦距相等。
15.如权利要求12所述的固体摄像器件，其特征在于，
在位于形成有上述多个单位像素的面的中央的上述单位像素的聚光元件、和位于周边的单位像素的聚光元件中，各上述分割区域内的上述透光膜的上述线宽合计不同。
16.如权利要求12所述的固体摄像器件，其特征在于，
从形成有上述多个单位像素的面的中央到周边，分割成多个同心状的区域，属于相同区域内的上述单位像素的上述聚光元件的焦距相等，属于上述相同区域以外的上述单位像素的上述聚光元件的焦距不同。
17.如权利要求12所述的固体摄像器件，其特征在于，
上述单位像素还具有布线层，该布线层在上述聚光元件的出射面侧将受光元件的上部作为开口部；
由上述聚光元件聚光的光的焦点与上述布线层的上述开口部的位置一致。
18.如权利要求17所述的固体摄像器件，其特征在于，
在位于形成上述多个单位像素的面的中央的上述单位像素中，形成为上述受光元件的中心轴与上述聚光元件的中心轴一致；在位于周边的单位像素中，形成为上述聚光元件的中心轴比上述受光元件的中心轴靠近上述面的中央。
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