JP2005316111A

JP2005316111A - マイクロレンズ及びこのマイクロレンズを備える固体撮像素子、液晶表示装置

Info

Publication number: JP2005316111A
Application number: JP2004133715A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Fujii; 武史藤井
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】マイクロレンズの表面で反射された表面反射光が他のマイクロレンズに再入射されるのを防止し、固体撮像素子の受光感度を高くし、画質を向上させる。
【解決手段】固体撮像素子は半導体基板表面に受光部２と電荷転送部４が形成され，前記受光部上部にマイクロレンズ１０を有する。前記マイクロレンズ上に表面が極めて平坦な透明樹脂膜を備える。表面平坦性は３度以下であることが望ましい。前記マイクロレンズの屈折率を２、前記透明樹脂膜の屈折率をｎ１としたとき，１＜n１＜n２（ここで、１は空気の屈折率）の関係を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズ及びこのマイクロレンズを備える固体撮像素子、液晶表示装置に関する。

マイクロレンズは、固体撮像素子や液晶表示装置に用いられ、光を固体撮像素子の受光部に集め、あるいは液晶表示装置の絵素部に集める作用を行う。例えば固体撮像素子の場合、受光部上部に電荷転送部にまたがるようにマイクロレンズを形成し、電荷転送部に向かって進行する光を光学的に屈折させて受光部に入射させることにより、集光効果を高め、受光感度の向上が図られている。液晶表示装置の場合は、絵素部の上部にマイクロレンズを形成し、半導体部に向かって進行する光を光学的に屈折させて絵素部に入射させることにより、光の透過率を高め、表示装置の輝度向上が図られている。

マイクロレンズ材には高透過率の透明樹脂が採用され、屈折率は１．５〜１．６程度が一般的である。マイクロレンズへ直接空気中から垂直光を入射した場合、フレネルの法則に従い、空気の屈折率1より大きくなるに比例しマイクロレンズ表面の反射率は大きくなる。感度向上のためには、反射率を低減し、入射効率を向上させ、入射光の最大限の有効利用が必要となる。

入射効率を向上させる方法としては、例えば特許文献１に開示されているものがある。これについて、以下に説明する。
図４は特許文献１に開示された固体撮像素子の構成を示し、半導体基板１に受光部２と電荷転送部４が形成され，この半導体基板１の上に、転送電極３，遮光膜６，層間絶縁膜５が形成され、さらに平坦化膜１４が形成される。この平坦化膜１４の上に光を受光部２に集光するようにマイクロレンズ１０を配置し、マイクロレンズ１０の表面に、熱非軟化性薄膜層１５を形成している。熱非軟化性薄膜層１５は、フッ素原子を含む混合ガスを用いたプラズマ雰囲気中で加熱することにより形成しているので、熱非軟化性薄膜層１５は、フッ素原子を含む低屈折率層となり、マイクロレンズ表面に沿った形状となる。よって、マイクロレンズ１０の表面での入射光の反射を抑えることができ、マイクロレンズ１０の集光効果の低下を防ぐことができる。
特開平７−２２５９９号公報

上述した図４の構成では、マイクロレンズ１０の表面に沿って熱非軟化性薄膜層１５が形成され、この熱非軟化性薄膜層１５が低屈折率であることにより、マイクロレンズ１０の表面反射光の低減に寄与している。しかし熱非軟化性薄膜層１５によって表面反射光を完全になくすことはできず、図５に示すように、入射光が熱非軟化性薄膜層１５の表面で反射する表面反射光１７が存在し、これが他の受光部に入射し、固体撮像素子の感度や画質の低下を起こしたりするという問題がある。

本発明は、マイクロレンズの表面に形成した低屈折率膜表面での入射光の反射をなくして、反射光が他のマイクロレンズ方向へ入射しないようにして、他の受光部に再入射するのを撲滅することができる固体撮像素子を提供するものである。
さらに、本発明は入射光の焦点距離を所望のとおり長くすることができるマイクロレンズを提供するものである。

本発明のマイクロレンズは、マイクロレンズ上に、表面が平坦な界面を有する透明樹脂膜を備えることを特徴とする。ここで、前記マイクロレンズの屈折率をｎ２、前記透明樹脂膜の屈折率をｎ１としたとき，１＜n１＜n２（１は空気の屈折率）の関係を有する。
前記透明樹脂膜の表面平坦性は極めて平坦であることが要求され、表面平坦度が３度以下であることを特徴とする。更に、前記透明樹脂膜は、前記マイクロレンズの屈折率よりも低い屈折率を有するフッ素系樹脂よりなることを特徴とする。
本発明の固体撮像素子は、半導体基板に受光部と電荷転送部が形成され，該受光部上部に前記いずれかのマイクロレンズを備えることを特徴とする。本発明の液晶表示装置は、基板に絵素部と半導体部が形成され，前記絵素部上部に請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロレンズを備えることを特徴とする。

本発明のマイクロレンズは、マイクロレンズ表面での反射をなくして、表面反射光が他のマイクロレンズに再入射するのを防止することにより、レンズの入射効率向上が可能となり，感度向上を図ることができ、また画質を向上する。

また、マイクロレンズ及び透明樹脂膜の屈折率の関係を上記のように設定し、表面が平坦な界面を有する透明樹脂膜を備えることにより、マイクロレンズのプロセス加工は従来と同様にして、所望の焦点距離を得ることができる。

本発明において、表面平坦な界面を有する透明樹脂膜として、屈折率がマイクロレンズより小さく、空気より大きい樹脂が使用され、表面平坦性は例えば３度以下にされる。

以下には本発明のマイクロレンズを固体撮像素子に適用した例について説明する。図１は固体撮像素子の断面構成を示し、1は半導体基板、２は受光部、３は受光部２で発生した電荷を転送する転送電極，４は電荷転送部で、受光部２と転送電極３により形成される電荷転送部４とは半導体基板１上に交互に形成されている。また、５は層間絶縁膜、６は遮光膜、７は受光部２と転送電極３との段差を一定値以下に押さえるために光学的に透過率の高い樹脂等で形成された第１透明平坦化膜で、使用可能材料としては、例えば、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、ポリイミド樹脂、エキポシ樹脂、アルキッド樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ガラスレジン等の高分子膜、また、ＢＰＳＧ（Ｂｏｒｏｎ−ｐｈｏｓｐｈｉｄｅ−ｓｉｌｉｃａｔｅｇｌａｓｓ）やＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｏ−ｓｉｌｉｃａｔｅｇｌａｓｓ）等の無機化合物を用いられ、スピンコート法で形成される。更に、８ａ、８ｂ、８ｃは、例えば赤、緑及び青の第１、第２、第３カラーフィルターであり、９は、第１、第２、第３カラーフィルターの表面を保護し、その段差を軽減し、且つマイクロレンズ１０の焦点距離を確保するための高透過率（９５％以上）の第２透明平坦化膜であり、上記第１透明平坦化膜と同様の樹脂，材質が使用可能であり，同様の方法で形成される。要するに９５％以上の高透過率で、スピン塗布が可能で、平坦性に優れているものがよい。１０はマイクロレンズであり、熱溶融型ポジレジスト，高屈折率ポリイミド樹脂が多用されており、フォトレジスト法で成形し，加熱によりレンズ形状を得る。屈折率は１．５〜１．６程度である。以上の各部分は公知であり、ここに記載以外の構造、材質，方法により構成しても良い。

本発明ではマイクロレンズ１０の上に、マイクロレンズ１０の屈折率よりも低い屈折率を有し、且つ表面が平坦な界面を有する透明樹脂膜１１が形成される。透明樹脂膜材料としては、例えば、フッ素系樹脂が使用され、スピンコート法にて形成される。膜厚はマイクロレンズの頂点からの厚さが０．２〜０．５μｍ程度が好ましい。屈折率は１．４５〜１．３５である。透明樹脂膜１１の表面平坦度は、光学シミュレーション実験の結果によると、３度以下の平坦性能が求められ、平坦な表面界面を形成している。平坦性を良くするには粘性を上げ、膜厚を厚くすると良い。透明樹脂膜１１を極めて高い平坦性を施すことにより、入射光１６は殆どが透明樹脂膜１１、マイクロレンズ１０へ入射する。ごく一部存在する入射光１６の表面反射光１７は図２に示すように、法線に対する反射角度が小さく、ほぼ入射方向へ反射するため、図５により従来の場合を説明したように、表面反射光１７が他の受光部へ再入射することはない。そのため表面反射光が他の受光部に入射し固体撮像素子の感度や画質の低下を起こすことを防ぐことが実現可能である。

次にマイクロレンズ１０，透明樹脂膜１１の各々の表面反射率について説明する。
マイクロレンズ１０及び透明樹脂膜１１の各屈折率をｎ２及びｎ１とし、１＜n１＜n２（１は空気の屈折率）の関係を有する場合、空気の屈折率1との比較による表面反射率は、フレネルの法則により、屈折率の高いマイクロレンズ１０の方が反射率が高くなる。よって、屈折率の低い透明樹脂膜１１は、反射率が低く抑えられ透過率は高くなる。即ち、マイクロレンズ１０と平坦性の良い表面界面との間を屈折率の低い透明樹脂膜１１が埋めていることにより、マイクロレンズの入射面の屈折率が低くなり表面反射率が低下し、入射効率を向上させることができる。その結果、マイクロレンズへの入射光は増大し、入射光を最大限有効利用することができ、効率良く感度の向上を図ることができる。

ただし、透明樹脂膜1１の表面に極めて高い平坦性が得られていないと、垂直光が空気中の屈折率よりも大きい屈折率ｎ１（＞１）を有する透明樹脂膜１１の表面にて、フレネルの法則に従って屈折する。屈折した場合は、集光性が悪くなり感度低下となる。よって、透明樹脂膜１１の平坦性は、３度程度の極めて高い平坦性が必要である。

このようにして、完全に入射光の反射が無く、全ての入射光を集光させることは実現できないが、その目的とするところは、入射光の反射を極力低減させ、かつ入射光の最大限の有効活用することができる。

次に、垂直入射光１２のマイクロレンズ１０へ集光される光路を説明する。
図３に示すように、本発明の構成の場合、垂直入射光１２は、透明樹脂膜１１の中をまっすぐに進行し、屈折率ｎ2を有するマイクロレンズ１０にて、フレネルの法則に従って屈折する。そしてマイクロレンズ１０によって集光された入射光は、焦点位置１３で集光される。

従来の場合は図６に示すように、屈折率ｎ２のマイクロレンズ１０へ垂直光１２が直接入射するのに対して、本発明の場合は図３に示すように、マイクロレンズ１０の上層に屈折率ｎ１（＜ｎ２）の透明樹脂膜１１を形成することにより、屈折率の差を小さくし、またマイクロレンズ１０の表面の屈折角度を低減するので、集光位置１３を延長でき、所望の焦点距離を得ることができる。
透明樹脂膜１１、マイクロレンズ１０の屈折率を各々ｎ１及びｎ２としたとき、１＜n１＜ｎ２（１は空気の屈折率）の関係にすることにより、集光位置１３を延長でき、所望の焦点距離を得ることができる。

通常、焦点距離の変更、特に焦点距離の延長は、マイクロレンズ１０の曲率半径を大きくする必要があり、マイクロレンズを薄く形成するプロセス加工（レンズ厚さの調整、プロセス温度及び時間の調整）が必要であったが、本発明のマイクロレンズ１０は従来加工と同等にて、透明樹脂膜１１を形成するだけで所望の焦点距離を得ることができる。
以上には固体撮像素子に本発明のマイクロレンズを適用した場合を説明したが、液晶表示装置に本発明のマイクロレンズを適用して、表示装置の輝度向上を図ることが可能である。

図４に示した従来の構成に比べて，表面の平坦性が極めてよい透明樹脂膜をマイクロレンズの上に形成するだけで受光感度が向上し、所望の焦点距離を得ることができるので、実用性が高く、固体撮像素子、液晶表示装置に利用可能である。

本発明の最良の形態を説明する固体撮像素子の断面図を示す。本発明の最良の形態に係る固体撮像素子の反射光路説明図を示す。本発明の最良の形態に係る固体撮像素子の集光路説明図を示す。従来の固体撮像素子の断面図を示す。従来の固体撮像素子の反射光路説明図を示す。従来の固体撮像素子の集光路説明図を示す。

符号の説明

１半導体基板
２受光部
４電荷転送部
１０マイクロレンズ
１１透明樹脂膜

Claims

マイクロレンズ上に、表面が平坦な界面を有する透明樹脂膜を備えることを特徴とするマイクロレンズ。
前記マイクロレンズの屈折率をｎ２、前記透明樹脂膜の屈折率をｎ１としたとき，
１＜n１＜n２
ここで、１は空気の屈折率
の関係を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロレンズ。
前記透明樹脂膜の表面平坦性が３度以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロレンズ。
前記透明樹脂膜は、前記マイクロレンズの屈折率よりも低い屈折率を有するフッ素系樹脂よりなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のマイクロレンズ。
半導体基板に受光部と電荷転送部が形成され，前記受光部上部に請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロレンズを備えることを特徴とする固体撮像素子。
基板に絵素部と半導体部が形成され，前記絵素部上部に請求項１乃至４のいずれかに記載のマイクロレンズを備えることを特徴とする液晶表示装置。