CN1938615A - 聚光元件以及固体摄像装置 - Google Patents

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Abstract

为了实现与用于薄型照相机的短焦距光学系统(入射角θ为大角的光学系统)相对应的固体摄像装置等，提供比现存的微透镜更能够对高角度的入射光进行聚光的光学元件等。各单位像素(大小2.8μm)包括：渐变折射率透镜1，用于绿色的色彩过滤器2，AL布线3，信号传送部4，平坦化层5，受光元件(Si光电二极管)6，以及Si基板7。分布折射率透镜为同心带形状，包括高折射率材料33[TiO2(n＝2.53)]和低折射率材料34[空气(n＝1.0)]。而且，在分布折射率透镜中，相邻的被分割区域的宽度35为200nm。并且，膜厚t为0.5μm。

Description

聚光元件以及固体摄像装置
技术领域
本发明涉及数字照相机等所使用的聚光元件以及固体摄像装置。
背景技术
随着数字照相机或带照相机的移动电话等的普及，固体摄像装置的市场有着显著的增长。在这样的趋势中，对固体摄像元件的要求逐渐变为高灵敏度化/高像素化，近年随着数字静止照相机或移动电话等的薄型化，因而对照相机组件部分的薄型化的要求则变得更加强烈。换言而说，这意味着在照相机部分所使用得透镜逐渐成为短焦距，入射到固体摄像元件的光为广角(以固体摄像元件的入射面的垂直轴为基准，而测定出大角度)的缘故。
目前，在作为固体摄像装置被广泛使用的CCD(charge coupleddevice：电荷耦合元件)或CMOS(Complementary Metal-OxideSemiconductor：金属氧化物半导体元件)等图像传感器中，把作为具有多个受光部分的半导体集成电路排列为二维，把来自摄影对象的光信号转换为电信号。
固体摄像元件的灵敏度是对于入射光量根据受光元件的输出电流的大小来定义的，由此可知确实地把入射的光传送到受光元件是成为提高灵敏度的重要要素。
图4是以往一般的像素的基本构造的一示例图。如图4所示，垂直入射到微透镜105的光106(用虚线表示的光)，通过红色(R)绿色(G)蓝色(B)中的某一个色彩过滤器2进行色分离后，在受光元件6中被转换为电信号。从得到的比较高的聚光效率可知，微透镜几乎被使用在所有的固体摄像装置中。
在使用上述微透镜的固体摄像装置中，曾提出过的构成例是对各像素非对称地配置透镜的方案(如，参照专利文献1)。在此专利文献1中，记载有能够将斜方向入射的光导入的实施方式。
另外，还公开了作为使用菲涅耳透镜的固体摄像装置的种种技术(例如，参照专利文献2、专利文献3)。
在专利文献2中所公开的技术中，透镜的结构为具有多层持有不同折射率的同心圆，中心部的折射率最高，越向周边部折射率也越来越减少。并且，在专利文献3中所公开的技术中，所利用的是折射率分布型透镜，其结构为厚度分布型的透镜和通过这些组合而持有的连续的折射率分布。
专利文献2：日本特开2000-39503号公报
专利文献3：日本特开平5-251673号公报
今后，为了开发与广角入射相对应的固体摄像装置，需要确实地把入射的光以特定的角度传送到受光元件。
然而，在以往的微透镜中，由于聚光效率依存于信号光的入射角度，而导致聚光效率的降低。即，如图4所示，对于垂直入射到透镜的光106而言，虽然能够高效率地聚光，但是对于从斜方向入射的光107(用实线表示的光)而言则降低了聚光效率。这是因为从斜方向入射的光107被固体摄像元件中的AL线路3遮住，不能到达受光元件6的缘故。
如上所述，因为固体摄像装置是由多个像素被排列为二维构成的，当入射光为广角时，在固体摄像装置的中央附近的图像和在周边附近的图像的入射角不同(参照图1)。其结果是发生这样的问题：周边附近的像素的聚光效率低于中央附近。
图2是示出在以往，周边像素的结构的示例图。在周边附近的像素的情况下，因为入射光的入射角度比较大，通过把电线布线部分向内侧方向偏离(使其压缩)，试图提高聚光效率。
在图3示出以往采用了微透镜的固体摄像装置的聚光效率的入射角度依存性。如图3所示，可以知道对于入射角度为20°左右的光，能够高效率地聚光。然而，当超过上述入射角度时，效率则急剧减小。作为结果是这样一种现状，即：周边像素的光量约为中央部分的40％左右，元件全体的灵敏度被周边元件的灵敏度所制约。并且，因为此值随着像素大小的减小会更加降低，所以在像小型照相机这样的短焦距光学系统上应用是非常困难的。并且还会发生这样的问题：在制造工序中不能压缩更多的电路。
发明内容
因此，鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种光学元件等，该光学元件比现有的微透镜更能对入射角大的光进行聚光，从而能够实现适应于薄型照相机所用的短焦距光学系统(入射角θ大的光学系统)的固体摄像装置等。
为了解决上述课题，本发明提供一种聚光元件，对入射光进行聚光，其特征在于该聚光元件包括：上述入射光入射的基板，以及在上述基板上的、上述入射光入射位置上所形成的透光膜的集合体；上述透光膜具有带形状，该带形状的宽度与上述入射光的波长同等程度，或比上述入射光的波长短，上述带形状呈中心对称形状，该中心对称形状与中心偏离，上述透光膜的集合体产生实效折射率分布。
据此，能够实现一种光学元件，该光学元件比现有的微透镜更能对高角度入射的光进行聚光。
而且，通过控制上述光学元件的折射率分布，能够形成偏转元件，该偏转元件可以控制以特定的角度入射的光的射出角度，还能够形成在任意的位置上对入射光进行聚光的聚光元件。
在上述透光膜，根据作为输入对象的光的波长，或根据作为对象的色的代表波长，上述透光膜的相位调制不同。据此，可以根据入射光的波长对各像素的透镜结构进行最佳化，也可以消除由色所产生的聚光效率的不同。
并且，在上述透光膜，根据作为输入对象的光的焦距的设定，上述透光膜的相位调制不同。据此，入射光的焦距则成为可变的，从而能够设计适于各像素结构的透镜。
或者通过光强度最强的入射光成分的入射角度，上述透光膜的相位调制不同，可以根据入射光的入射角度使各像素的透镜结构的最佳化成为可能，随着入射角度的增加可以消除聚光效率的低下。
最好是在将入射光的波长作为λ，将聚光的焦距作为f，将光的入射角度作为θ，将入射侧介质的折射率作为n0，将射出侧介质的折射率作为n1的情况下，受面内各方向的距离x的影响，上述透光膜的相位调制φ(x)基本满足以下公式：
[数式1]
Φ ( x ) = - k 0 n 1 2 f x 2 - k 0 n 0 x sin θ
k 0 = 2 π λ
据此，可以仅在第一菲涅尔带区域聚光，使减少聚光损失及高效率地聚光成为可能。
并且，最好是上述透光膜的相位调制φ(x)基本满足以下公式：
[数式2]
Φ ( x ) = - k 0 n 1 2 f x 2 - k 0 n 0 x sin θ + 2 mπ
k 0 = 2 π λ
m＝自然数
据此，使在二个或更多的菲涅尔带区域的聚光成为可能，由于相位调制可以变大，所以可以实现对高角度入射光适应性强的聚光元件。
最好是在将上述透光膜折射率的最大值作为n0+Δmax，在上述透光膜的面内各方向的折射率分布，将对n0的差作为Δn(x)的情况下，基本满足以下公式：
[数式3]
Δn ( x ) = Δ n max [ φ ( x ) 2 π + C ]
据此，可以将入射的光以特定的角度聚光在任意的位置上，从而形成高聚光效率的渐变折射率透镜。
并且，最好是上述渐变折射率透镜基本满足以下公式：
[数式4]
k0ΔnmaxL＝2π
据此，根据上述渐变折射率透镜，最大相位调制则成为入射光的1相位，从使聚光损失成为最小来看，使高效率的聚光成为可能。
最好是在将上述透光膜的膜厚的最大值作为Lmax，将膜厚分布作为L(x)的情况下，基本满足以下公式：
[数式5]
L ( x ) = L max [ φ ( x ) 2 π + C ]
据此，可以将入射的光以特定的角度聚光在任意的位置上，从而形成高聚光效率的膜厚分布透镜。
并且，最好是在上述膜厚分布透镜基本满足以下公式：
[数式6]
k0Δn Lmax＝2π
据此，上述膜厚分布透镜的最大相位调制则成为入射光的1相位，从使聚光损失成为最小来看，使高效率的聚光成为可能。
在上述分布折射率透镜，从膜厚为均一的这点来看，工艺是容易进行的，从而能够降低制造成本。
并且，在上述渐变折射率透镜，由于膜厚分布为不均一的这点来看，可以仅使用第一菲涅尔带区域，从而提高了聚光效率。
并且，设计为在上述渐变折射率透镜具有同心形状的结构，该同心结构在面内各方向的线宽与作为入射对象的光的波长同等程度，或按照以所定的值来分割的二个或更多的分割区域，对于上述线宽而言，线宽的合计所占的比例互不相同。若利用此方法，通过使同心圆的线宽发生变化，而使有效折射率发生变化，从而可以容易地形成渐变折射率元件。
此时，最好是透光膜的截面形状为矩形。据此，可以发生更显著的折射率变化，从而提高聚光效果。
并且，设计为在上述渐变折射率透镜具有不均一地分散有透光材料的结构，该透光材料具有在面内方向上作为入射对象的光的波长同等程度，或具有较小的直径。若利用此方法，通过使相邻的上述透光膜材料的间隔发生变化，从而可以有效折射率发生变化，容易地形成渐变折射率元件。
并且，设计为在上述透光膜的面内方向，具有连续且不均一地折射率或膜厚变化的结构。据此，由于入射光的相位是连续变化的，从而提高聚光效率。
并且，设计为在上述膜厚分布透镜的面内方向，具有离散且不均一的膜厚变化的结构。通过利用此方法，可以在维持高聚光效率的同时使工艺容易化。
而且，上述透光膜还具有含有高折射率材料的特征，此高折射率材料的折射率在1.45(含1.45)以上、3.4(含3.4)以下。
而且，上述透光膜含有TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4以及Si2N3中的某一个。由于上述这些均为高折射率材料，因此可以使透光膜的膜厚变薄，易于进行制造工艺。
而且，上述透光膜含有添加了B及P的SiO2(BPSG：硼磷硅酸盐玻璃(Boro-Phospho Silicated Glass))以及TEOS(四乙氧基硅烷：Tetraethoxysilane)中的某一个。由于这些是以往半导体工艺中所一般使用的材料，所以可以容易地形成聚光元件，并可以降低制造成本。
而且，上述透光膜含有苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亚胺中的某一个。由于树脂可以直接加工，并可以以纳米打印直接形成聚光元件，因此，可以提高量产。
并且，本发明提供一种固体摄像装置，该固体摄像装置设置有二个或更多地单位像素，其特征在于，包括：本发明所涉及的对入射光进行聚光的聚光元件，以及受光元件，该受光元件入射在上述聚光元件所聚的光，并变换为电荷。据此，可以不使用微透镜，就可以提高像素的聚光效率。从而实现高分辨度、高灵敏度的固体摄像装置。
而且，具有以下特征：即上述聚光元件形成在所对应的像素区域的全区域。据此，光的入射面成为整个像素区域，从而降低聚光损失。
而且，具有以下特征：即上述固体摄像装置至少包括：第一单位像素以及第二单位像素；上述第一单位像素，用于上述入射光中的第一色光；上述第二单位像素，用于第二色光，该第二色光所具有的代表波长与上述第一色光的代表波长不同；上述第一单位像素包括第一聚光元件；上述第二单位像素包括第二聚光元件，该第二聚光元件的上述第二色光焦距与上述第一聚光元件的上述第一色光焦距相等。据此，可以根据入射光的波长，对各像素的透镜结构进行最佳化，并能够消除由色而造成的聚光效率的不同。
而且，具有以下特征：即上述焦距通过控制上述透光膜的折射率分布，被设定为规定的值。据此，入射光的焦距成为可变的，从而能够设计适于各像素结构的透镜。
并且，具有以下特征：即通过控制上述透光膜的折射率分布，上述聚光元件的聚光效率被设定为规定值以上，此聚光效率是在具有光强度最大的入射角度的光的上述受光元件的聚光效率。据此，可以根据入射光的入射角度对各像素的透镜结构进行最佳化，并可以消除随着入射角度的增加而造成的聚光效率的低下。
而且，具有以下特征：即上述单位像素在上述聚光元件的射出面侧，具有布线层，此布线层在上述受光元件的上部的开口部，上述聚光元件所聚的光的焦点与上述布线层的上述开口部的位置一致。据此，可以最大限度地使用受光面，从而提高聚光效率。
而且，具有以下特征：即在上述单位像素包括上述偏转元件及在上述聚光元件的射出侧的聚光透镜。据此，可以降低像素内的聚光损失，并可以容易地设计上述偏转元件或上述聚光元件。
而且，具有以下特征：即上述二个或更多的单位像素被排列为二维状。据此，可以实现灵敏度高的二维图像输入装置。
而且，具有以下的特征：即在位于上述二个或更多的单位像素所形成的面的中央的上述单位像素的聚光元件，和在位于上述面的周边的、和位于上述中央的单位像素使用同一色彩的单位像素的聚光元件，上述透光膜的折射率分布不同。据此，可以根据固体摄像装置上的像素的位置，对透镜结构进行最佳化，从而可以缓和固体摄像装置的压缩结构。并且，聚光元件的制造方法变得容易，从而提高聚光元件全体的灵敏度。
而且，具有以下的特征：即上述固体摄像装置被形成为，在位于上述二个或更多的单位像素所形成的面的中央的上述单位像素，上述受光元件的中心轴和上述聚光元件的中心轴一致；在位于周边的上述单位像素，上述聚光元件的中心轴比上述受光元件的中心轴更靠近上述面的中央。据此，可以形成低度的压缩结构，从而可以进一步提高周边像素的聚光效率。
发明效果
本发明的固体摄像装置由于具有上述透镜的结构，因此能够提高分辩率以及灵敏度，并能够实现制造工序的简易化。
附图说明
图1是示出以往所涉及的固体摄像装置的基本结构的一示例图。
图2是示出以往所涉及的周边的像素的结构的图。
图3是示出以往使用微透镜的固体摄像装置的聚光效率的入射角依存性的图。
图4是示出在以往一般的像素的基本结构的一示例图。
图5是示出实施方式1所涉及的固体摄像元件的基本结构的图。
图6是实施方式1所涉及的渐变折射率透镜的俯视图。
图7是实施方式1所涉及的渐变折射率透镜的断面图。
图8是示出实施方式1所涉及透镜的折射率分布的图。
图9(a)～(c)是示出在实施方式1中，为了说明光的传播方式的概念图。
图10是示出在实施方式1中，为了将从斜方向入射到光透过膜的光在Z轴上聚光的条件的图。
图11是示出在实施方式1中光的相位调制的图。
图12(a)～(c)是实施方式2所涉及的具有同心圆结构的渐变折射率透镜在扫描型电子显微镜下的照片。
图13(a)～(c)是实施方式2所涉及的光以垂直方向入射到透镜表面的情况下，聚光点在光学显微镜下的照片。
图14(a)、(b)是示出在实施方式2中，光在斜方向入射或垂直入射的情况下的焦点位置变化的图。
图15(a)～(d)是示出在实施方式2中，在入射窗区域为圆形的情况下和4角形的情况下，进行比较的图。
图16(a)～(d)是示出实施方式3～5所涉及的渐变折射率透镜的制作工艺的图。
图17(a)～(c)是示出实施方式3所涉及的1个像素的基本结构的图。
图18(a)～(c)是示出实施方式3所涉及的透镜的折射率分布的图。
图19是示出实施方式4所涉及的固体摄像装置中像素排列的样子的图。
图20是示出在实施方式4所涉及的像素中，光传播经过的模拟结果的图。
图21(a)、(b)是示出实施方式4所涉及的固体摄像装置的聚光效率的图。
图22(a)～(c)是示出实施方式5所涉及的1个像素的基本结构的图。
图23(a)～(c)是示出实施方式5所涉及的透镜的折射率分布的图。
图24是示出在实施方式5所涉及的像素中，光传播经过的模拟结果的图。
图25(a)、(b)是示出实施方式5所涉及的固体摄像装置的聚光效率的图。
图26是示出实施方式6所涉及的1个像素的基本结构的图。
图27是示出实施方式6所涉及的渐变折射率透镜的表面结构的图。
图28(a)～(e)是示出实施方式6所涉及的渐变折射率透镜的制作工艺的图。
图29是示出实施方式7所涉及的1个像素的基本结构的图。
图30是示出实施方式7所涉及的渐变折射率透镜的表面结构的图。
图31(a)～(e)是示出实施方式7所涉及的渐变折射率透镜制作工艺的图。
图32是示出实施方式8所涉及的膜厚分布透镜的断面结构的图。
图33是示出实施方式9所涉及的膜厚分布透镜的断面结构的图。
图34是示出实施方式10所涉及的膜厚分布透镜的断面结构的图。
图35是示出实施方式11所涉及的1个像素的基本结构的图。
图36(a)、(b)是示出实施方式11所涉及的透镜的表面结构及折射率分布的图。
符号说明
1    渐变折射率透镜(同心圆结构)
2    色彩过滤器
3    AL布线
4    电信号传送部
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(根据上述2～7而构成)
9    入射光
10   高折射率区域[GeO2(n＝1.65)]
11   低折射率区域[SiO2(n＝1.45)]
16   入射角
17   出射角
19   渐变折射率透镜
101  渐变折射率透镜(同心圆结构型)
102  低折射率材料[空气(n＝1.0)]
103  高折射率材料[TiO2(n＝1.65)]
104  入射光(斜入射)
105  微透镜
106  入射光(垂直入射)
107  入射光(斜入射)
108  渐变折射率透镜(仅利用偏转成分)
109  层内透镜
112  台阶状膜厚分布透镜
20   受光部分
21   像素
26   相位调制
27   第1带
28   第2带
29   第3带
201  出射侧区域(折射率n1)
202  透镜区域(折射率n0+Δn(x))
203  入射侧区域(折射率n1)
204  入射光1
205  入射光2
206  光路长差1(偏转成分)
207  光路长差2(聚光成分)
208  焦点距离
33   高折射率材料(TiO2)
34   低折射率材料(空气)
35   邻接的分割区域的宽度
36   抗蚀膜
37   TiO2
38   金属模具
39   Ar(砹)离子研磨
40   湿式蚀刻
42   半导体集成电路(根据上述2～7而构成)
43   SiO2
44   抗蚀膜
45   电子束描绘
46   电子束蒸镀
47   Au(金)
48   离子注入
481  Ge(锗)
49   膜厚分布透镜(使用第一带)
50   膜厚分布透镜(使用多个带)
57   1像素
58   入射光(垂直入射)
59   焦点位置的移动(f×tanq)
62   聚光点
63   漏光
66   入射光(0°入射)
67   入射光(α/2°入射)
68   入射光(α°入射)
69   0°入射光用渐变折射率透镜
70   α/2°入射光用渐变折射率透镜
71   α°入射光用渐变折射率透镜
75   入射光
76   光学透镜
77   固体撮像装置
78   装置中央部的入射光
79   装置中央部像素用渐变折射率透镜
80   装置周边部的入射光
81   装置周边部像素用渐变折射率透镜
86   入射光(0°入射)
87   入射光(低角度入射)
88   入射光(高角度入射)
89   0°入射光用渐变折射率透镜
90   低角度入射光用渐变折射率透镜
91   高角度入射光用渐变折射率透镜
具体实施方式
以下参照附图，对本发明所涉及的实施方式进行具体说明。
(实施方式1)
图5是示出本实施方式所涉及的固体摄像元件的基本结构的图。各个像素(大小为2.8μm)包括：渐变折射率透镜(也称为“光透过膜的集合体”)1、绿色用色彩过滤器2、AL线路3、信号传送部4、平坦化层5、受光元件(硅光电二极管)6、硅基板7。图6是示出渐变折射率透镜的俯视图。
此渐变折射率透镜1的同心圆结构包括高折射率材料33[TiO2(n＝2.53)]和低折射率材料34[空气(n＝1.0)]，且具有多个分割区域，此分割区域的宽35由相邻的2个区域组成，例如此宽度是一定的，值为200nm。并且，膜厚t为0.5μm。
如图6所示，各透光膜具有带形状，是与中心偏离了的中心对称形状，具有规定的线宽。在图6中的同心状的高折射率透光材料33和同心状的低折射率透光材料34，分别形成一个带。因此，渐变折射率透镜1也是二个或更多的带的集合体。并且，将带的宽度称为“线宽”。
在此，“分割区域”是指以与入射光的波长同等程度，或以在此以下的任意的宽度来分割的同心状区域。
图7是示出渐变折射率透镜的断面结构的图。同心圆的各透光膜(即，带)的线宽在圆的中心部最大，越是外环，线宽越小。各带的宽度与入射光的波长同程度或比波长小时，所感到的光的有效折射率可以由体积比来算出，此体积比是高折射材料与低折射材料的体积比。本结构的最大特长是，仅改变线宽，就可以自由自在地控制折射率分布。
此时的折射率的变化如图8所示，为非对称。透镜的折射率在圆的中心部为最高，越往周边越低。即如图5所示的入射光9，从一定的方向入射的光的折射率分布，对于渐变折射率透镜1而言是非对称的。
在图8中以实线示出的抛物线表示，为了将波长λ(550nm)的入射光以焦距f(4.43μm)来聚光的折射率分布，以下式来表示。
[数式7]
Δn ( x ) = Δ n max [ φ ( x ) 2 π + C ] - - - ( 1 )
在此，Δn(x)是入射侧介质和透镜材料的折射率差(此次为1.53)，Φ(x)是由透光膜而产生的相位调制，以来自像素中央的距离x的2次函数所定义。
在本实施方式中，通过对入射光进行相位调制来控制光的传播方向。图9(a)～(c)是为了说明光的传播方向的概念图。
本实施方式所涉及的透光膜19是聚光元件，用于在任意的位置对以特定的角度入射的光进行聚光，大体上可以分为2个作用。1个是偏转作用，即以任意的角度17，以特定的角度16将入射的光9射出；另1个是聚光作用，即以任意的焦点来聚光。为了产生这样的偏转作用和聚光作用，需要以下所描述的设计。
图10示出了一个为了聚光的条件，即将以斜方向入射到透光膜的光204、205，聚光到Z轴上。
为了对相位不同的入射光204、205以焦距208进行聚光，则需要吸收在入射光204和入射光205之间的光路长差206和光路长差207。此时，光路长差206是用于使光发生偏转的光路长差，光路长差207是为了聚光而需要的光路长差。将入射光的波数作为k0，将聚光的焦距作为f，将光的入射角度作为θ，将透镜厚度作为Lmax，将入射侧介质的折射率作为n0，当将出射侧介质的折射率作为n1时，根据偏转成分的相位调制ΦA和根据聚光成分的相位调制ΦB以公式(2)和公式(3)来表示。
[数式8]
ΦA＝-k0n0xsinθ           (2)
[数式9]
ΦB = - k 0 n 1 2 f x 2 - - - ( 3 )
此时，由透光膜所产生的全相位调制Φ(x)则成为公式(4)和公式(5)。
[数式10]
Φ ( x ) = - k 0 n 1 2 f x 2 - k 0 n 0 x sin θ - - - ( 4 )
[数式11]
Φ ( x ) = - k 0 n 1 2 f x 2 - k 0 n 0 x sin θ + 2 mπ - - - ( 5 )
此时，如图11所示，上述公式(4)所示的相位调制26，未划分菲涅尔带区域，是一个连续的相位变化。对此，公式(5)所示的相位调制则成为将公式(4)以2π分割后所得到的相位调制，即成为第1菲涅尔带区域27、第2菲涅尔带区域28、第3菲涅尔带区域29。由于每1个相位都以菲涅尔带区域来区别，因此对于实际效果的相位调制而言公式(4)等于公式(5)。
在上述公式(1)中是根据折射率分布将相位调制赋与入射光的，也可以形成以公式(6)所表示的具有膜厚分布L(x)的透光膜。
[数式12]
L ( x ) = L max [ Φ ( x ) 2 π + C ] - - - ( 6 )
并且，将在形成具有多个菲涅尔带区域的透光膜时的、各菲涅尔带区域境界的相位差作为2π的条件是公式(7)。
[数式13]
k0ΔnmaxL＝2π  或  k0Δn Lmax＝2π      (7)
一般来说在透光膜薄的情况下是不存在光损失因素的，因此，若满足了上述公式(7)，则聚光效率达到100％。
(实施方式2)
图12(a)～(c)是本发明所涉及的实施方式2中，具有同心圆结构的渐变折射率透镜在扫描型电子显微镜(SEM)下的照片。此渐变折射率透镜是在熔融石英基板上，利用电子束(EB：electron beam)描绘来形成的，具体而言，此渐变折射率透镜利用了用于EB描绘的抗蚀膜(ZEP520：折射率1.56)以及空气的折射率差。详细的制作方法待后述。透镜直径为2.8μm，透镜厚为1μm，分割区域的宽度为0.2μm。折射率分布按照上述公式(5)，以焦距为5μm、入射光的波长0.55μm、入射侧介质的折射率为1.45(溶融石英)、射出侧介质的折射率为1(空气)来设计。
图12(a)是入射角度设定值为0°(θ＝0°)的渐变折射率透镜在SEM下的俯视照片。在图12(a)中可以确认出排列有多个完整的同心圆。图12(b)中示出入射角度设定值为5°、图12(c)中示出入射角度设定值为10°，因此，同心圆移到纸面的右侧。这意味着有效折射率高的区域向右侧移。
图13(a)～(c)是示出当光以垂直方向入射到透镜表面时，在光学显微镜下的聚光点的照片(透过测定)。此时，光源的中心波长为0.55μm。
伴随着设定角度的增加，可以确认到聚光点在不断地向纸面的右侧(有效折射率高的方向)偏移。此从中心偏离是由本实施方式的分布折射率透镜所具有的偏转成分而产生的。
图14示出了光从斜方向(图14(a))入射以及垂直(图14(b))入射时的焦点位置变化。(图14(a))所示的透镜被设定为以具有角度入射的光9也可以在像素中央聚光，在这种透镜上当光垂直入射时，其聚光点为(图14(b))所示的位置，即示出了从像素中央偏离了f×tan的位置。此时，通过测定从中央偏离的部分，能够检测出制作的透镜是对应于哪个角度的透镜。此次制作的对应于5°、10°的透镜的实验值为5.2°、11.1°，从而可知能够达到非常高的精度。
图15(a)～(d)示出了比较入射窗区域为圆形和四角形的情况。入射窗区域为圆形时(图15(a))，如图15(b)所示，由于透镜与透镜之间的缝隙，从而造成除聚光点62以外还出现了泄漏的光63，这是造成聚光损失的最大的原因。然而，将入射窗区域设定为四角形，及使邻接透镜具有共有区域，来形成本发明的渐变折射率时，如图15(c)及图15(d)所示，由于对入射到像素全领域的光都可以聚光，从而降低了上述的聚光损失(泄漏的光63)。
图16(a)～(d)示出了渐变折射率透镜的制作工序。透镜是通过纳米打印和蚀刻技术来形成的。首先，利用通常的半导体工艺，在硅基板上形成半导体集成电路8(上述在图9中未描绘)和色彩过滤器2，上述半导体集成电路8包括：聚光元件、线路、遮光层以及信号传送部。1像素的大小是2.8μm角，受光部是1.1μm角。然后，利用等离子CVD形成二氧化硅膜37，并在其上面涂抗蚀膜36。(图16(a))。二氧化硅膜和抗蚀膜的厚度均为0.5μm。将把同心圆结构图案化了的碳化硅(SiC)制成的模具(金属模具)38，在抗蚀膜层以150℃来加热压印，从而在抗蚀膜上形成印出的细微结构(图16(b))。模具是通过通常的电子束微影技术和蚀刻技术而形成的。此后，以180℃进行后烘(postbake)之后，通过Ar离子研磨，进行第1阶段的蚀刻技术39(图16(c))。除去抗蚀膜之后，通过湿式蚀刻40，在像素上形成同心圆结构(图16(d))。
在此之后将要在实施方式3～5中说明的透镜是由上述纳米打印法而形成的，利用二氧化硅和空气的折射率差的渐变折射率透镜。
(实施方式3)
图17(a)～(c)是示出实施方式3所涉及的1个像素的基本结构的图。涉及本像素的透镜是对入射光赋与了上述公式(4)的相位调制，具有单一菲涅尔带区域的折射率分布。入射光66，以入射角0°入射到入射窗，并通过用于0°入射光的渐变折射率透镜69来聚光；入射光67，以入射角α/2°入射到入射窗，并通过用于α/2°入射光的渐变折射率透镜70来聚光；以及入射光68，以入射角α°入射到入射窗，并通过用于α°入射光的渐变折射率透镜71来聚光；透过色彩过滤器2，在受光部变换为电信号。在此角度α，用下面的公式(8)来定义。在此，D为像素大小。
[数式14]
α = si n - 1 ( n 1 D 2 n 0 f ) - - - ( 8 )
在本实施方式所涉及的渐变折射率透镜中，由于可以根据入射光的波长对各像素的透镜结构进行最佳化，因此，不会产生因入射角度而造成的聚光效率的不同，从而实现高效率地聚光。在用于0°入射光的渐变折射率透镜中，同心圆的中心在像素的中央部分，对此，随着入射角度的增加，圆的中心则向入射侧偏移。
这是因为如上述公式(4)和上述公式(1)所示，折射率分布的2次曲线的最大值随着入射角度θ的增大，向光入射侧偏移的缘故(参照图18)。
入射角度在α以下的情况，可以使膜厚保持一定(1相位)，在单一菲涅尔带区域设计透镜。此时，由于光连续地入射到透镜，因此，可以降低透镜表面因散射造成的损失，从而提高聚光效率。入射角度在α以上的情况，为了加长光路长(加大相位调制)，可以进一步增加膜厚。
并且，可以从上述公式(4)及公式(5)得知，相位调制因对象光的波长而不同。这意味着与入射到各像素的光的颜色相对应，而保持的最佳透镜结构。在本实施方式中可以知道，将波长0.45μm，0.55μm，0.65μm的光，分别入射到具有用于颜色的透镜结构的像素上时，均可示出80％左右的高聚光效率。
(实施方式4)
图19是示出在实施方式4所涉及的VGA使用(31万像素)的固体摄像装置中像素排列的样子的图。信号光75被光学透镜76聚光，且照射在具有渐变折射率透镜的固体摄像装置77上。在由聚光元件及布线等所构成的半导体集成电路8以及渐变折射率透镜被排列为二维的固体摄像装置中，在中心部分的像素和周边部分的像素，光的入射角度不同。中心部分基本上是以0°入射，而周边部分则约以30°入射。因此，在本实施方式中，从摄像装置的中央部分到周边部分，形成了一种渐变折射率透镜，其可以对应于斜方向的入射光，从而使入射到各像素中的光为最强的入射光。各个透镜根据摄像装置上的像素的位置，对透镜进行最佳化，使之具有最高的聚光效率。另外，对于入射角度在20°以下的光，通过压缩半导体集成电路而提高聚光效率。对于入射角度在20°以上的光，在保持最大压缩量(最下层AL线路的偏移为0.438μm)的同时，进行透镜结构的最佳化。
图20示出了对于入射角度45°的入射光，在进行了电路的压缩和透镜结构最佳化的像素中的，光传播经过的模拟结果示意图。在此图中可以确认到入射光的传播方向在通过透镜时被弯曲，在第一线路层(遮光层)结成焦点，并传播到受光元件的样子。这是说明了，可以按照上述公式(4)及公式(1)来改变透镜结构，从而能够控制光的射出角度及焦距等。
图21(a)是示出聚光效率的入射角度依存性的图。在未进行电路压缩及入射角度θ被设定为0°的透镜中，随着入射角度的增加，聚光效率逐渐降低。随着压缩量的增加，聚光效率的高峰为，向高角度侧偏移，最大压缩范围为0.438μm，此时效率的顶峰位置为20°。在保持最大压缩量的状态下，对透镜结构进行最佳化时，顶峰则更加向高角度侧偏移，在θ设定为15°的透镜中最大效率的顶峰位置为45°。
将此结果作为固体撮像装置全体的特性来绘图的话，则成为如图21(b)所示。横轴的角度表示入射到固体摄像元件的光的角度，0°表示中心部分，30°以上表示周边的像素。使用微透镜的固体摄像装置的聚光效率，从入射角度在20°附近的像素开始急剧下降，然而对此，在本发明的渐变折射率透镜，即使是周边的像素也可以保持80％的聚光效率。正如可以从图21(b)得知的那样，与微透镜相比，本发明的渐变折射率透镜对入射光的角度适应性强。据此，通过将压缩结构和本发明的透镜进行组合，可以缓解随着入射角度的增加而造成的聚光效率的降低，因此，可以期待着在带有照相机的移动电话等具有短焦距的光学系统上的应用。
(实施方式5)
图22(a)～(c)是示出本实施方式5所涉及的1个像素的基本结构的图。在本像素中的透镜具有对入射光赋与上述公式(5)的相位调制，且具有多个菲涅尔带区域的折射率分布。入射光86，以入射角0°入射到入射窗，并通过用于0°入射光的渐变折射率透镜89来聚光；入射光87，以入射角α/2°入射到入射窗，并通过用于α/2°入射光的渐变折射率透镜90来聚光；以及入射光88，以入射角α°入射到入射窗，并通过用于α°入射光的渐变折射率透镜91来聚光；透过色彩过滤器2，在受光部变换为电信号。
与上述实施方式4的透镜相同，在本实施方式所涉及的渐变折射率透镜也是随着入射角度的增加，如图23(a)～(c)所示，表示第一菲涅尔带区域的折射率分布的曲线中，最大值向入射侧偏移。当角度再增大时，则第二、第三菲涅尔带区域也会出现。对于以45°以上的高角度入射的光，通过使用多个菲涅尔带区域，也可以维持高聚光效率。在原理上，膜厚为1相位时聚光效率为100％，膜厚不适用于上述公式(7)的条件时，或各菲涅尔带区域排列的周期结构未满足上述公式(5)时，聚光效率降低。
图24示出了针对入射角度为45°的入射光，在对透镜结构进行了最佳化的像素中，光传播经过的模拟结果。此时未进行电路的压缩。可以确认出入射光由透镜校正到受光元件方向，并穿过第一布线层(遮光层)，传送到受光元件的样子。
图25(a)是示出聚光效率依存于入射角度的图。当入射角度θ的设定从0°开始增大时，聚光效率的顶峰向高角度侧移动，以40°设定θ时，聚光效率的顶峰位于40°的位置上。
图25(b)是示出聚光效率依存于像素位置的图。示出了入射角增加时的像素位置在摄像装置的周边。作为比较，同时还示出了具有微透镜结构的固体摄像装置的数据。另外，在此结构中不进行半导体集成电路的压缩。从图25(b)可以明确的是，在具有透镜(该透镜持有多个菲涅尔带区域)的固体摄像装置中，尽管未进行压缩，也可以在入射角20°以上的高角度区域，成功地获得微透镜以上的聚光效率。此结果示出了在无需压缩时，在聚光效率不依存于像素的位置的情况下，也可以制作出高灵敏度的摄像装置。
(实施方式6)
图26是示出实施方式6所涉及的SVGA所对应(48万像素)的固体摄像元件的基本结构的图。各像素(大小2.8μm)包括：渐变折射率透镜1、用于绿色的色彩过滤器2，AL线路3，信号传送部4，平坦化层5，受光元件(Si光电二极管)6，以及Si基板7。
图27是渐变折射率透镜的俯视图。在面内的各方向上，折射率从高折射率区域10[GeO2(n＝1.65)]向低折射率区域11[SiO2(n＝1.45)]连续变化。由于折射率是连续地进行分布的，因此可以消除透镜表面的散射损失，从而聚光效率得到了很大的改善。在本实施方式的折射率分布是以按照上述公式(4)的单一菲涅尔带区域来分布的。并且，膜厚为1μm。
图28(a)～(e)是示出本实施方式所涉及的渐变折射率透镜的制做工序的图。透镜的形成是通过注入离子来进行的。首先，利用通常的半导体制作工艺，在Si基板上形成半导体集成电路42(图28中未进行描绘)，该单到体集成电路42包括：受光元件，以及线路、遮光层、信号传送部。1像素的大小为2.8μm角，受光部为1.1μm角。然后，利用溅射设备形成二氧化硅膜43，并在其上面涂抗蚀膜44。然后，由电子束曝光45来进行图案化(图28(a))。二氧化硅膜和抗蚀膜的厚度分别为0.5μm和0.5μm。冲洗之后(图28(b))，将作为屏蔽的金属(此次使用Au)进行电子束蒸镀46(图28(c))。除去抗蚀膜后以180keV的加速电压进行Ge离子的注入(图28(d))。除去抗蚀膜后，通过进行600℃的后烘，则可以在像素上形成连续的折射率分布透镜(图28(e))。
(实施方式7)
图29是示出实施方式7中的VGA所对应(31万像素)的固体摄像元件的基本结构的图。各像素(大小2.8μm)包括：渐变折射率透镜101、用于绿色的色彩过滤器2，AL布线3，信号传送部4，平坦化层5，受光元件(Si光电二极管)6，以及Si基板7。
图30是本实施方式所涉及的渐变折射率透镜的俯视图。本结构的透镜的结构是透光材料不均一地分散于具有不同折射率的透光膜之中或之上，该透光材料在面内各方向上具有与入射的对象光的波长同等程度或比其直径小。此时所感到的光的有效折射率可以利用高折射率材料103和低折射率材料102的体积比来算出。本结构的最大特点是，通过改变相邻的高低折射率材料的间隔，而使有效折射率发生变化，从而可以容易地形成渐变折射率元件。在本实施例中，采用的结构是将一边为0.2μm以下的高折射率材料103[TiO2(n＝2.53)]分散到低折射率材料102[SiO2(n＝1.45)]中。
图31(a)～(d)是示出本实施方式所涉及的渐变折射率透镜的制作工序的图。透镜的形成根据电子束描画和蚀刻技术来进行。首先，利用通常的半导体工艺，在硅基板上形成半导体集成电路42(上述在图31中未描绘)，该半导体集成电路包括：聚光元件、布线、遮光层以及信号传送部。1像素的大小是2.8μm角，受光部是1.1μm角。然后，利用溅射装置形成二氧化硅膜43，并在其上涂抗蚀膜44。而后，利用电子束曝光45进行图案化(图31(a))。二氧化硅膜和抗蚀剂的厚度分别为0.5μm和0.5μm。显影后进行蚀刻26，在像素表面形成细微结构(图31(b))。另外，上述实施方式2的透镜是曝光抗蚀膜，在显影后的阶段结束制作工序的透镜。除去抗蚀膜后，利用等离子CVD来堆积二氧化钛(图31(c))。将覆盖了整个像素的二氧化钛层，通过表面研磨去除后，以800℃进行后烘(图31(d))。经过以上的工序，可以在像素上形成具有光折射率材料不均一地分散的折射率分布透镜。
在上述实施方式1到7中，上述公式(4)、(5)所给出的相位调制是根据在透光膜的面内各方向上的折射率分布而实现的，当然也可以根据法线方向上的膜后分布来实现。
(实施方式8)
图32示出了在实施方式8中，通过上述公式(4)、(6)所得到的膜厚分布透镜的断面图。由于相位调制为单一菲涅尔带区域，因此光可以连续地入射到透镜，这样在表面的散射损失非常小，从而提高聚光效率。为了形成适应于更高角度入射的透镜，光的入射侧的膜厚可以按照上述公式(4)、(6)增加即可。
(实施方式9)
图33示出了在实施方式9中，通过上述公式(5)、(6)所得到的膜厚分布透镜的断面图。由于相位调制为多个菲涅尔带区域，因此比起单一菲涅尔带区域的透镜而言，更能够对应高角度入射的光。并且，膜厚是一定的，为入射光的1相位，因此可以容易地安装到固体摄像元件上。
在膜厚分布透镜中，对于比较大的透镜而言，可以通过机械研磨等来形成。然而，在直径仅为数十μm以下的微透镜中，由于结构非常细微，微透镜通过回流自己组织化来形成，因此球面形状的控制非常困难。为此，为了形成细微膜厚分布透镜，则不是需要连续的表面，而是需要不连续的表面。
(实施方式10)
图34示出了在实施方式10中，在透光膜的面内各方向，膜厚为离散的、且不均一变化的膜厚分布透镜的图。通过将透镜的表面以作为入射对象的光的波长同等程度、或具有微小落差的台阶结构来形成，不连续的膜厚分布几乎不影响聚光效率。落差的大小为0.1μm的本实施例中的膜厚分布透镜(直径为3μm)，其聚光效率为80％，是一个非常高的值。对于微小透镜的形成，可以采用上述实施方式1到实施方式5所示的纳米打印技术，或上述实施方式7所示的电子束描绘技术等，容易地进行。
(实施方式11)
图35示出了在实施方式11中，仅利用本发明的透光膜的偏转作用的固体摄像元件。各像素(大小2.8μm)包括：渐变折射率透镜108、用于绿色的色彩过滤器2，AL线路3，信号传送部4，平坦化层5，受光元件(Si光电二极管)6，Si基板7，以及层内透镜109。
图36(a)是渐变折射率透镜的俯视图。折射率在面内各方向从高折射率区域10[GeO2(n＝1.65)]到低折射率领域11[SiO2(n＝1.45)]连续地变化。在本实施方式中的折射率分布被设计为，赋与了上述公式(2)所示的相位调制的设计。上述公式(2)的成分是X的一次函数，因此折射率的变化为直线，光的入射侧的折射率变高。在本实施方式中，虽然列举了单一菲涅尔带区域，当然也可以利用多个菲涅尔带区域。并且，同样，相位调制也可以根据膜厚分布来实现。
另外，在实施方式1、3～7、11中采用了CCD，当然也可以使用MOS传感器。并且，也可以利用与说明了的渐变折射率透镜以及膜厚分布透镜具有相同特性的、由其它材料形成的渐变折射率透镜以及膜厚分部透镜。并且，也可以采用除说明了的制造方法以外的制造方法来制造渐变折射率透镜以及膜厚分布透镜。
产业上利用的可能性
本发明所涉及的聚光元件以及固体摄像装置能够适用于数字摄影机、数字静止照相机以及带有照相机的移动电话，由于提高了性能以及实现了低价格化，从而在产业上有益。

Claims (15)

1.一种聚光元件，对入射光进行聚光，其特征在于，
该聚光元件包括：上述入射光入射的基板，以及在上述基板上的、上述入射光入射位置上所形成的透光膜的集合体；
上述透光膜具有带形状，该带形状的宽度与上述入射光的波长同等程度，或比上述入射光的波长短，上述带形状呈中心对称形状，该中心对称形状与中心偏离，上述透光膜的集合体产生实效折射率分布。
2.根据权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜将入射的光聚光在上述透光膜中心的位置，上述入射的光是以非对称于该透光膜表面中心的角度入射的光。
3.根据权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
在将上述入射光的入射角度作为θ，将规定的常数作为A及B的情况下，上述入射光的相位变化量Φ(x)基本满足以下计算公式，该Φ(x)受面内各方向的距离x之影响：
Φ(x)＝Ax2+Bxsinθ+2mπ，
其中，m是自然数。
4.根据权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
将上述透光膜和光入射侧的介质的折射率差作为Δnmax，在位置x的上述透光膜和上述光入射侧的介质的折射率差作为Δn(x)时，基本满足：
Δn(x)＝Δnmax[Φ(x)/2π+C]，
其中，C是常数。
5.根据权利要求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是一定的。
6.根据权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜含有TiO2、ZrO2、Nb2O5、Ta2O5、Si3N4以及Si2N3中的某一个。
7.根据权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜含有添加了B及P的SiO2即硼磷硅酸盐玻璃和四乙氧基硅烷中的某一个。
8.根据权利要求1所述的聚光元件，其特征在于，
上述透光膜含有苯并环丁烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺及聚酰亚胺中的某一个。
9.一种固体摄像装置，设置有二个或更多的单位像素，该单位像素包括聚光元件，该聚光元件对入射光进行聚光，该固体摄像装置特征在于，
上述聚光元件包括：上述入射光入射的基板，以及在上述基板上的、上述入射光入射位置上所形成的透光膜的集合体；
上述透光膜具有带形状，该带形状的宽度与上述入射光的波长同等程度，或比上述入射光的波长短，上述带形状呈中心对称形状，该中心对称形状与中心偏离，上述透光膜的集合体产生实效折射率分布。
10.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
在单位像素的上述聚光元件与邻接的其它单位像素的聚光元件之间所共有的区域，也形成与中心偏离的上述透光膜。
11.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置至少包括：第一单位像素以及第二单位像素；
上述第一单位像素，用于上述入射光中的第一色光；
上述第二单位像素，用于第二色光，该第二色光所具有的代表波长与上述第一色光的代表波长不同；
上述第一单位像素包括第一聚光元件；
上述第二单位像素包括第二聚光元件，该第二聚光元件的上述第二色光焦距与上述第一聚光元件的上述第一色光焦距相等。
12.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述焦点位置通过控制上述透光膜的折射率分布，被设定在规定的位置上。
13.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述单位像素还包括聚光透镜，该聚光透镜在上述聚光元件的射出侧。
14.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
在位于上述二个或更多的单位像素所形成的面的中央的上述单位像素的聚光元件，和在位于上述面的周边的单位像素的聚光元件，上述透光膜的折射率分布不同。
15.根据权利要求9所述的固体摄像装置，其特征在于，
上述固体摄像装置进一步被形成为：
在位于中央的上述单位像素，上述受光元件的中心轴和上述聚光元件的中心轴一致；在位于周边的上述单位像素，上述聚光元件的中心轴比上述受光元件的中心轴更靠近上述面的中央。
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